移动通信技术 第8章 第四代移动通信系统

第8章 第四代移动通信系统 内容 4G的技术指标，优点 4G的架构，接入系统及软件系统， 4G的关键技术等。

8.1 4G的简介 4G的定义 “第四代移动通信的概念可称为宽带接入和分布网络,具有非对称的和超过2Mbit/s的数据传输能力。它包括宽带无线固定接入、宽带无线局域网、移动宽带系统、互操作的广播网络和卫星系统等。此外，第四代移动通信系统将是多功能集成的宽带移动通信系统，可以提供的数据传输速率高达100Mbit/s甚至更高，也是宽带接入IP系统”。 4G是一种超高速无线网络，一种不需要电缆的信息超级高速公路。这样在有限的频谱资源上实现高速率和大容量,需要频谱效率极高的技术。 在不同的固定无线平台和跨越不同频带的网络中，4G可提供无线服务，并在任何地方宽带接入互联网(包括卫星通信和平流层通信)，提供信息通信以外的定位定时、数据采集、远程控制等综合功能。同时，4G系统还是多功能集成的宽带移动通信系统和宽带接入系统。

8.1 4G的简介 4G的主要技术指标 4G系统在技术方面必须要考虑到许多指标： １）频谱效率。 ２）峰值谱效率。下行15bits/s/Hz、上行6.75bits/s/Hz。 ３）频带宽度。40MHz。 ４）用户边缘谱效率。 5）延迟。控制面100ms、用户面10ms。 6）移动性。350Km 。

8.1 4G的简介 4G的主要技术指标  7）切换与频内测量 ：测量与激活集相同频率的下行物理信道。测量对象为一个小区。频间测量（Inter-Frequency measurement）：测量与激活集不同频率的下行物理信道。测量对象为一个小区。 8）VoIP（voice over Internet Protocol， IP 电话）容量 。

8.1 4G的简介 4G的优点 4G在个人通信方面比3G更优化,其相对3G有许多优点: １）4G的最高传输速率将超过100Mbit/s，信息传输能力要比3G高出50倍以上，但传输质量相当于甚至优于3G，条件相同是小区覆盖范围等于或大于3G。 ２）4G采用智能技术使其能自适应的进行资源分配，能够调整系统对通信过程中变化的业务流量大小进行相应的处理，并满足通信的要求。采用智能信号处理技术，在信道条件不同的各种复杂环境下都可以实现信号的收发，有很强的智能性、适应性和灵活性。虽然3G尽管速率也很高，但动态分配资源能力欠佳，大流量通信时系统利用率不高。 ３）在容量方面，可能在目前FDMA，TDMA和CDMA的基础上引入空分多址（SDMA）。通过SDMA可采用自适应波束，如同无线电波一样连接到任何一个用户，使无线系统容量提高1~2个数量级。

8.1 4G的简介 4G的优点 4G在个人通信方面比3G更优化,其相对3G有许多优点: ４）4G将支持交互式多媒体业务，如视频会议，无线互联网，有相当的安全性，支持下一代的Internet(IPv6)和所有的信息设备，包括信息家电等，能通过中间支持和提供用户定义的多种多样的个性化服务，可创造出许多消费者难以想象的应用。 ５）4G系统网络将是一个完全自治、自适应的网络，突破蜂窝组网的概念，达到更完美的覆盖。核心网将全面采用分组交换（信元交换），使网络可根据用户的需求分配带宽，达到满足系统变化和发展的要求。 ６）可在不同接入技术(包括蜂窝、无绳、WLAN、短距离连接及有线)之间进行全球漫游与互通，实现无缝通信，让所有移动通信运营商的用户享受共同的4G服务。既有水平(系统内)切换，又有垂直(系统间)切换，还可以在不同速率间进行切换。

8.2 4G的网络架构 4G的网络体系结构 在4G通信系统中，为了满足不同用户对不同业务的需求，将各种针对不同业务的接入系统通过多媒体接入系统连接到基于IP的核心网中，形成一个公共的、灵活的、可扩展的平台。 基于IP技术的网络框架可以让用户能够在2G、3G、4G、WLAN、固定网之间实现无缝漫游。

8.2 4G的网络架构 4G的网络体系结构 4G系统的网络体系结构可以分为：物理层、网络业务执行技术层、应用层等三层。

8.2 4G的网络架构 4G的网络体系结构 物理层提供接入和选路功能，网路业务执行技术层为桥接层提供QoS映射、地址转移、即插即用、安全管理、有源网络。 物理层与网络业务执行技术层提供开放式IP接口。 应用层与网络业务执行技术层之间也是开放式接口，用于第三方开发和提供新业务。 4G移动网络的根本任务是能够接收、捕获到终端的呼叫，在多个运行网络（平台）之间或者多个无线接口之间，建立其最有效的通信路径，并对其进行实时的定位与跟踪。 4G移动通信网将基于多层蜂窝结构，通过多个无线端口，由多个业务提供者和众多运营商提供多媒体业务。

8.2 4G的网络架构 4G的网络体系结构 数字化数据交易点: 例如，两个网络平台之间要传送电视数据信息，首先经由数字化数据交易所处理，电视信号将被分成视频信号和语信号，通过不同信道进行传输。音频信号将覆盖广泛的网络传输，视频信号将由只能处理，接收视频信号的网络传输，从而达到降低通信成本和有效利用传输信道的目的。

8.2 4G的网络架构 4G的接入系统 4G的接入系统显著特点是智能化多模式终端基于公共平台，通过各种接入技术，在各种网络系统（平台）之间实现无缝连接和协作，以最优化的方式来进行工作，以达到满足不同用户的通信需求。 当多模式终端接入系统时，网络会自适应分配频带，给出最优路由，以达到最佳通信效果。 4G主要接入技术有：无线蜂窝移动通信系统（如2G，3G）、无绳系统（如DECT）、短距离连接系统（如蓝牙）、WLAN系统、固定无线接入系统、卫星系统、平流层通信（STS）、广播电视接入系统（如DAB、DVB-T、CATV）。新的接入技术将会伴随市场需求和通信的发展也会出现。

8.2 4G的网络架构 4G的接入系统 未来的接入系统将主要在下面三个方面进行技术革新和突破： 1）为了最大限度开发利用有限的频率资源，在接入系统的物理层、优化调制、信道编码和信号传输技术，研究先进的信号处理算法、信号检测和数据压缩技术，并在频谱共享和新型天线方面做进一步研究。 2）为了提高网络性能，在接入系统的高层协议方面，研究网络自我优化和自动重构技术、动态频谱分配和资源分配技术、网络管理和不同接入系统间协作。 3）提高和扩展IP技术在移动网络中的应用，加强软件无线电技术，优化无线电传输技术，如支持实时和非实时业务，无线连接和网络安全。

8.2 4G的网络架构 4G的软件系统 4G移动通信的软件趋于标准化、复杂化和标准化，软件系统的首要任务是创建一个公共的软件平台，让不同通信系统和终端都可以使用的应用软件。通过此平台实现“互联互通”；并通过该软件平台实现对不同通信系统和终端的管理和监控。 建立一个统一的软件标准和互联协议，是4G移动通信软件系统的关键。软件系统将逐步采用Web服务模式，代替现行的客户/服务器模式。 新的计算机语言如XML，将用于未来的这种基于Web的分布式服务。 软件系统还将在网络安全上作进一步研究，以保障通信网络的正常工作、数据完整和其它特殊需要。

8.3 4G的关键技术 OFDM技术 多径信道在频域中表现出来的频率选择性衰落特性，提出正交频分复用的调制技术 。正交频分复用的基本原理是把高速的数据流通过串并变换，分配到传输速率相对较低的若干子信道中进行传输，在频域内将信道划分为若干互相正交的子信道，每个子信道均拥有自己的载波分别进行调制，信号通过各个子信道独立传输。

8.3 4G的关键技术 OFDM技术 在OFDM系统中，在OFDM符号之间插入保护间隔来保证频域子信道之间的正交性，消除OFDM符号之间的干扰。 OFDM技术之所以越来越受关注，是因为OFDM有很多独特的优点： 　1)频谱利用率很高，频谱效率比串行系统高近一倍。 OFDM信号的相邻子载波相互重叠，从理论上讲其频谱利用率可以接近Nyquist极限。 　2)抗多径干扰与频率选择性衰落能力强。 由于OFDM系统把数据分散到许多个子载波上，大大降低了各子载波的符号速率，从而减弱多径传播的影响，若再通过采用加循环前缀作为防护间隔的方法，甚至可以完全消除符号间干扰。

8.3 4G的关键技术 OFDM技术 3)采用动态子载波分配技术能使系统达到最大比特率。 要求各子信道信息分配应遵循信息论中的“注水定理”，亦即优质信道多传送，较差信道少传送，劣质信道不传送的原则。 4)通过各子载波的联合编码，可具有很强的抗衰落能力。 OFDM技术本身已经利用了信道的频率分集，如果衰落不是特别严重，就没有必要再加时域均衡器。但通过将各个信道联合编码，可以使系统性能得到提高。 5)基于离散傅立叶变换(DFT)的OFDM有快速算法，OFDM采用IFFT和FFT来实现调制和解调，易用DSP实现。

8.3 4G的关键技术 软件无线电 所谓软件无线电技术就是采用数字信号处理技术，在可编程控制的通用硬件平台上，利用软件来实现无线电台的各部分功能，包括前端接收，中频处理以及信号的基带处理等。 整个无线电台从高频、中频、基带直到控制协议部分全部由软件编程来实现 。 软件无线电核心技术就是在尽可能接近天线的地方使用A/D和D/A转换器，尽早完成信号的数字化。因此，应用软件无线电技术，一个移动终端，就可以实现在不同系统和平台之间畅通无阻的使用。目前比较成熟的软件无线电技术有参数控制软件无线电系统。

8.3 4G的关键技术 网络结构与协议 4G系统网络体系结构包括了适用于IP分组传输的空中接口、位置寄存、基站网络配置、无线QoS控制、网路配置和集成式3G-WLAN无缝业务控制等功能模块。为了解决城区密集的业务，频率复用是关键，而且用微蜂窝实现无缝覆盖要比热点覆盖策略好，因为前者可以避免地理位置上的业务集中。 在处理多媒体业务室，智能无线资源管理是关键技术，无线系统资源（频率与发射功率）是有限的，并且受阻塞的困扰，为此有必要采用无线QoS资源控制，以保证业务质量和支持各种级别的应用。 QoS资源控制方式能支持实时性应用，也可支持非实时性的应用。无线资源者首先检查可用资源、前/后向链路质量、应用类别以及QoS业务用户级别，然后在指配适当的前/后向链路速率和发射功率。 4G系统基于IP技术的网络结构可以处理IP包，方便地提供全向功能，关键是选路/切换和鉴权策略。

8.3 4G的关键技术 定位技术 定位技术是指移动终端位置的测量方法和计算方法。它主要分为基于移动终端的定位、基于移动网络的定位以及混合定位三种方式。由于通信终端可能会在不同系统（平台）间进行移动通信。因此，对移动终端的定位和跟踪，是实现移动终端在不同系统（平台）间无缝链接和在系统中实现高速率、高质量的移动通信的前提和保障。

8.3 4G的关键技术 切换技术 切换技术适用于移动终端在不同的移动小区之间、不同频率之间通信或者信号强度降低时选择信道等情况。切换技术是未来移动终端在众多的通信系统、移动小区之间建立可靠通信的基础，包括软切换，更软切换和硬切换。

8.3 4G的关键技术 MIMO技术 MIMO技术是指在发射端和接收端分别设置多副发射天线和接收天线，其出发点是将多发送天线与多接收天线相结合以改善每个用户的通信质量(如差错率)或提高通信效率(如数据速率)。 MIMO技术实质上是为系统提供空间复用增益和空间分集增益，空间复用技术可以大大提高信道容量，而空间分集则可以提高信道的可靠性，降低信道误码率。 MIMO技术的关键是能够将传统通信系统中存在的多径衰落影响因素变成对用户通信性能有利的增强因素，MIMO技术有效地利用随机衰落和可能存在的多径传播来成倍地提高业务传输速率，因此它能够在不增加所占用的信号带宽的前提下使无线通信的性能改善几个数量级。

8.3 4G的关键技术 MIMO技术 信道容量随着天线数量的增大而线性增大。也就是说可以利用MIMO信道成倍地提高无线信道容量，在不增加带宽和天线发射功率的情况下，频谱利用率可以成倍地提高。利用MIMO技术可以成倍提高信道的容量，同时也可以提高信道的可靠性，降低误码率。前者是利用MIMO信道提供的空间复用增益，后者是利用MIMO信道提供的空间分集增益。 目前MIMO技术领域另一个研究热点就是空时编码。常见的空时码有空时块码、空时格码。空时码的主要思想是利用空间和时间上的编码实现一定的空间分集和时间分集，从而降低信道误码率。

8.3 4G的关键技术 MIMO技术 在未来的宽带无线通信系统中存在两个最严峻的挑战：多径衰落信道和带宽效率。 OFDM将频率选择性多径衰落信道在频域内转换为平坦信道，减小了多径衰落的影响，而MIMO技术能够在空间中产生独立的并行信道同时传输多路数据流，这样就有效地提高了系统的传输速率，即在不增加系统带宽的情况下增加频谱效率。

8.3 4G的关键技术 MIMO技术 　当然我们可以考虑多种技术的结合，将OFDM和MIMO两种技术相结合就能达到两种效果：一种是实现很高的传输速率，另一种是通过分集实现很强的可靠性，同时，在MIMO-OFDM中加入合适的数字信号处理的算法能更好地增强系统的稳定性。 MIMO-FDM技术是OFDM与MIMO技术结合形成的新技术，通过在OFDM传输系统中采用天线阵列实现空间分集，提高了信号质量，充分利用了时间、频率和空间3种分集技术，大大增加了无线系统对噪声、干扰、多径的容限。因此，基于OFDM的MIMO系统具有逼近极限的系统容量和良好的抗衰落特性，可以预见，它将是下一代网络采用的核心技术。