４Ｇ移动通信系统的研究

来源:用户上传      作者: 凌　敏

　　摘要：移动通信已成为当代通信领域内发展潜力最大、市场前景最广的热点技术。它的发展已经历了几代，本文首先介绍了移动通信发展历程，然后在分析4G移动通信系统的特点基础上，对4G采用的关键技术：MIMO + OFDM技术、智能天线技术、软件无线电和IPv6进行了研究和分析。
　　关键词：移动通信；1G；2G；3G；4G
　　中国分类号：TN911文献标识码：A 文章编号：1009-3044(2007)18-31490-01
　　Research of 4G Mobile Communication System
　　LING Min
　　(Changsha Telecommunications and Technology vocational College,Changsha 410015,China)
　　Abstract:The mobile communication has become the hot spot technology with biggest development potential and broadest market prospectin the contemporary correspondence domain。Its development has experienced several generations。This article first introduced the mobile communication developmentcourse, Then in analyzes the 4G mobile communication system in the characteristic foundation，researched and analysised with Essential technology uses which to 4G: MIMO + the OFDM technology, the smart antenna technology, software radio and IPv6.
　　Key words:mobile communication; the First generation; the Second-generation; Third generation; Fourth generation
　　移动通信自1980年面市以来，已经走过20几年，经历了第一代（1G）和第二代（2G），现正向第三代（3G）平滑演进，并在探索4G的前景。如果说1G就是打电话，2G能够发短信、传图片，3G可以看电视、浏览互联网……那么4G呢？未来移动通信的研究,越来越被重视,并逐步形成研究热潮.本文将概要介绍移动通信发展历程、4G移动通信系统的主要特点和4G系统中采用的关键技术。
　　
　　1 移动通信发展历程
　　
　　第一代(1G)移动通信技术起源于20世纪80年代，是以模拟和频分多址（FDMA）制式提供普通模拟电话，第一代移动通信有很多不足之处，比如容量有限、制式太多、互不兼容、保密性差、通话质量不高、不能提供数据业务、不能提供自动漫游等。
　　第二代(2G)移动通信技术起源于90年代初期，主要采用的是数字的时分多址(TDMA)技术和码分多址(CDMA)技术。与第一代模拟蜂窝移动通信相比，第二代移动通信系统具有保密性强、频谱利用率高、能提供丰富的业务、标准化程度高等特点，使得移动通信得到了空前的发展，从过去的补充地位，已毋容质疑地跃居通信的主导地位。2G全球主要有GSM和CDMA两种体制，GSM技术标准是欧洲提出的，CDMA是美国高通公司提出的标准，主要业务是语音，其主要特性是提供数字化的话音业务及低速数据业务。它克服了模拟移动通信系统的弱点，话音质量、保密性能得到大的提高，并可进行省内、省际自动漫游。第二代移动通信替代第一代移动通信系统完成模拟技术向数字技术的转变，但由于第二代采用不同的制式，移动通信标准不统一，用户只能在同一制式覆盖的范围内进行漫游，因而无法进行全球漫游。由于第二代数字移动通信系统带宽有限，限制了数据业务的应用，也无法实现高速率的业务如移动的多媒体业务。于是有了二代半（2．5G）移动通信系统，比如中国移动的GPRS技术和中国联通推出的CDMA1X技术。这些技术的传输速率虽然没有3G快，但理论上也有100多K，实际应用基本可以达到拨号上网的速度，因此可以发送图片、收发电子邮件等，同时，还可以广泛应用于生产领域。由于第二代移动通信系统仍存在业务单一、无法实现全球互联，90年代中后期，人们开始了第三代移动通信系统的研究，欲使其实现：全球统一的标准、具有多媒体传输能力、增加分组交换业务、增加非对称传输模式、加强数据处理能力、更好的传输质量、提高终端电池使用寿命、更高的频谱效率、更大的信道容量。
　　第三代移动通信系统（3G）各种标准和规范现已达成协议并已进入商用，目前全球有三大标准，分别是欧洲提出的WCDMA、美国提出的CDMA2000和我国提出的TD―SCDMA。3G系统采用码分多址（CDMA）和分组交换技术，与2G相比，3G系统容量增加，通信质量提高，并能实现全球性的无缝隙漫游，可为用户提供话音、数据、图像、电视等多媒体优质服务。然而我们同时也应该看到，3G系统也有其局限性，如：缺乏全球统一标准，3G所采用的语音交换架构仍承袭了第二代(2G)的电路交换，而不是纯IP方式，由于受到多用户干扰，CDMA难以达到很高的通信速率等。
　　由于3G有其局限性因此，第四代移动通信系统(4G)的研究随之应运而生，国际电信联盟（ ITU ）目前已开始研究制定4G系统标准，把移动通信系统同其他系统（如无限局域网，WLAN）结合起来，产生4G技术。
　　
　　2 4G移动通信系统的主要特点
　　
　　什么是4G呢？4G是指集3G与WLAN于一体，并能够传输高质量视频图像，它的图像传输质量与高清晰度电视不相上下，提供更有效的多种业务，实现商业无线网络、局域网、蓝牙、广播、电视卫星通信等的无缝衔接并相互兼容，4G系统应体现移动与无线接入网及IP网络不断融合的发展趋势，因此4G 系统应当是一个全IP的网络。如果说2G、3G通信对于人类信息化的发展是足以称道的话，那么未来的4G通信却给了我们真正的沟通自由，并将彻底改变我们的生活方式甚至社会形态。4G移动通信系统主要有以下几个特点
　　（1）通信速度更快，4G系统能够以100Mbps的速度下载，比目前的ADSL快200倍，比通常意义上的3G快50倍，上传的速度也能达到20Mbps，
　　（2）网络频谱更宽，估计每个4G信道将占有100MHz的频谱，相当于W-CDMA 3G网路的20倍。
　　（3）通信更加灵活， 4G手机的功能已不能简单的称其为电话机，因为语音数据的传输只是4G移动电话的功能之一而已，它已越来越接近于一台小型掌上电脑。
　　（4）更加平滑的兼容性能，移动中不同系统间的无缝连接：4G通信系统具备全球漫游、接口开放、能跟多种网络互联、终端多样化以及能从3G平稳过渡等特点。用户在高速移动中，能够按需接入系统，并在不同系统间无缝切换，传送高速多媒体业务数据。
　　（5）技术基础较好,4G将以几项突破性技术为基础，如OFDM、无线接入、软件无线电等，能大幅提高频率使用效率和系统可实现性。

　　（6）通信费用更加便宜,由于4G通信不仅解决了与3G的兼容性问题，让更多的现有通信用户能轻易地升级到4G通信，而且4G通信引入了许多尖端通信技术，因此相对其他技术来说，4G通信部署起来就容易迅速得多。同时在建设4G通信网络系统时，通信运营商们将考虑直接在3G通信网络的基础设施之上，采用逐步引入的方法，这样就能够有效地降低运营成本。
　　
　　3 4G系统关键技术
　　
　　1）MIMO + OFDM技术：正交频分复用OFDM 技术是一种特殊的多载波传输方案, 其多载波之间相互正交, 可以高效地利用频谱资源, 还可将总带宽分割为若干个窄带子载波有效地抵抗频率选择性衰减。多输入多输出MIMO 技术利用多个天线实现多发多收, 可以大大增加无线通信系统的容量, 改善无线通信系统的性能。而二者相结合形成的MIMO + OFDM 利用了时间、频率和空间3 种分集技术及空间资源, 既可以使系统达到很高的传输效率, 提高频谱利用率, 又可以通过分集达到很高的可靠性, 大大增加了无线系统对噪声、干扰、多径的容限, 从而成为第4 代移动通信系统核心技术的解决方案。
　　2）智能天线技术：自适应阵列智能天线，利用基带数字信号处理技术，通过先进的算法处理，对基站的接收和发射波束进行自适应的赋形,从而达到降低干扰、增加容量、扩大覆盖和提高无线数据传输速率的目的。智能天线具有以下几个突出的优点：
　　（1）提高输入信号的信干噪比。显然,采用多天线阵列将截获更多的空间信号,也即是获得阵列增益。
　　（2）具有测向和自适应调零功能,能把主波束对准入射信号并适应实时跟踪信号,同时还能把零响点对准干扰信号。
　　（3）能识别不同入射方向的直射波和反射波,具有较强的抗
　　多径衰落和同信道干扰的能力。能减小普通均衡技术很难处理的快衰落对系统性能的影响。
　　（4）增强系统抗频率选择性衰落的能力,因为天线阵列本质上具有空间分集的能力。
　　（5）可以利用智能天线, 实时监测电磁环境和用户情况来提高网络的管理能力。
　　（6）智能天线自适应调节天线增益,从而较好地解决远近效应问题。智能天线系统具有抑制信号干扰、自动跟踪以及数字波束调节等功能，用于提高系统信噪比，提高系统通信质量和容量，同时可降低系统整体造价，它将会在未来移动通信系统中广泛使用。
　　3）软件无线电：软件无线电是将标准化、模块化的硬件功能单
　　元经过一个通用硬件平台, 利用软件加载方式来实现各种类型的无线电通信系统的、一种具有开放式结构的新技术。通过下载不同的软件程序, 在硬件平台上可以实现不同的功能, 用以实现在不同的系统中利用单一的终端进行漫游, 它是解决移动终端在不同系统中工作的关键技术。
　　4）IPv6
　　4G通信系统选择了采用基于ＩＰ的全分组的方式传送数据流，因此IPv6技术将成为下一代网络的核心协议。选择IPv6协议主要基于以下几点的考虑：
　　（1）巨大的地址空间。在一段可预见的时期内，它能够为所有可以想像出的网络设备提供一个全球惟一的地址。
　　（2）自动控制。IPv6还有另一个基本特性就是它支持无状态和有状态两种地址自动配置的方式。无状态地址自动配置方式是获得地址的关键。在这种方式下，需要配置地址的节点使用一种邻居发现机制获得一个局部连接地址。一旦得到这个地址之后，它使用另一种即插即用的机制，在没有任何人工干预的情况下，获得一个全球惟一的路由地址。有状态配置机制，如DHCP(动态主机配置协议)，需要一个额外的服务器，因此也需要很多额外的操作和维护。
　　（3）服务质量。服务质量（QoS）包含几个方面的内容,从协议的角度看，IPv6与目前的IPv4提供相同的QoS，但是IPv6的优点体现在能提供不同的服务。这些优点来自于IPv6报头中新增加的字段“流标志”。有了这个20位长的字段，在传输过程中，中国的各节点就可以识别和分开处理任何IP地址流。尽管对这个流标志的准确应用还没有制定出有关标准，但将来它用于基于服务级别的新计费系统。
　　（4）移动性。移动IPv6（MIPv6）在新功能和新服务方面可提供更大的灵活性。每个移动设备设有一个固定的家乡地址（home address），这个地址与设备当前接入互联网的位置无关。当设备在家乡以外的地方使用时，通过一个转交地址（care-of address）来提供移动节点当前的位置信息。移动设备每次改变位置，都要将它的转交地址告诉给家乡地址和它所对应的通信节点。在家乡以外的地方，移动设备传送数据包时，通常在IPv6报头中将转交地址作为源地址。
　　
　　4 结束语
　　
　　尽管第四代移动通信技术有着比3G更强的优越性，它的研究也在如火如荼的进行，可要把4G投入到实际应用，需要对现有的移动通信基础设施进行更新改造，这将会引发一系列的资金、观念等问题，所以4G系统的发展道路将是坎坷的。但是随着新技术和新需求的不断出现，4G必然会取代3G，成为未来移动通信领域的主导技术，4G一定会使我们未来的移动通信事业前景更美好。
　　
　　参考文献：
　　[1]吴国庆.4Ｇ中的关键技术[J]. 商业技术.2006.
　　[2]杨维,朱刚,谈振辉,李承恕. 新一代移动通信及其应用[J]. 铁道学报.2004.
　　[3]李小文，李贵勇，陈贤亮，彭大芹，段红光，黄俊伟.第三代移动通信系统、信令及实现[M].人民邮电出版社.2004.

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