G通信系统及其发展趋势

第四代移动通信系统(4G)第四代移动通信系统(4G)第四代移动通信系统(4G)1第四代移动通信系统概述24G的网络结构34G的关键技术4第四代移动通信系统发展面临的问题54G网络在中国的现状及发展趋势第四代移动通信系统(4G)1.第四代移动通信系统概述1.1前3代移动通信技术的回顾第1代通信技术第2代通信技术第3代通信技术第四代移动通信系统(4G)第1代通信技术主要采用的是模拟技术和频分多址技术。由于受到传输带宽的限制，不能进行移动通信的长途漫游游，只能是一种区域性的移动通信系统。第一代移动通信有多种制式，我国主要采用的是TACS。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。第四代移动通信系统(4G)第2代通信技术主要采用的是数字的时分多址（TDMA）技术和码分多址（CDMA）技术。主要业务是语音。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。第四代移动通信系统(4G)第3代通信技术第三代移动通信网络能将高速移动接入和基于互联网协议的服务结合起来，提高无线频率利用效率。提供包括卫星在内的全球覆盖并实现有线和无线以及不同无线网络之间业务的无缝连接。满足多媒体业务的要求，从而为用户提供更经济、内容更丰富的无线通信服务。第四代移动通信系统(4G)第4代通信技术第四代移动通信标准应该比第三代标准具有更多的功能。第四代移动通信可以在不同的固定、无线平台和跨越不同的频带的网络中提供无线服务，可以在任何地方宽带接入互联网（包括卫星通信），能够提供信息通信之外的定位定时、数据采集、远程控制等综合功能。同时，第四代移动通信系统还应该是多功能集成的宽带移动通信系统，是宽带接入IP系统。第四代移动通信系统(4G)1.24G的产生背景尽管目前3G的各种标准和规范已达成协议，并已开始商用，但3G技术仍存在一些不足。3G的局限性主要体现如下：(1) 3G仍缺乏全球统一标准；(2) 3G所运用的语音交换架构仍承袭了2G的电路交换，而不是完全IP形式；(3)由于采用CDMA技术，因此3G难以达到很高的通信速率，无法满足用户对高速多媒体业务的需求；第四代移动通信系统(4G)(4)由于3G空中接口标准对核心网有所限制，因此3G难以提供具有多种QoS及性能的各种速率的业务；(5)由于3G采用不同频段的不同业务环境，因此需要移动终端配置有相应不同的软、硬件模块，而3G移动终端目前尚不能够实现多业务环境的不同配置，也就无法实现不同频段的不同业务环境间的无缝漫游。所有这些局限性推动了人们对下一代通信系统—4G的研究和期待。第四代移动通信系统(4G)1.34G的概念第四代移动通信可称为宽带接入和分布式的网络,它具有非对称的超过2Mb/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、移动宽带系统和交互式广播网络。第四代移动通信系统超越标准可以在不同的固定、无线平台和跨越不同的频带的网络中提供无线服务，可以在任何地方用宽带接入互联网(包括卫星通信和平流层通信)，能够提供定位定时、数据采集、远程控制等综合功能。此外，第四代移动通信系统是多功能集成的宽带移动通信系统，是宽带接入IP系统。第四代移动通信系统(4G)1.44G的特点4G主要具有以下特点：(1)高速率，高容量。对于大范围高速移动用户(250km/h)，数据速率为2Mb/s；对于中速移动用户(60km/h)，数据速率为20Mb/s；对于低速移动用户(室内或步行者)，数据速率为100Mb/s。4G系统容量至少应是3G系统容量的10倍以上。(2)网络频带更宽。每个4G信道将占有100MHz频谱，相当于WCDMA3G网络的20倍。(3)兼容性更加平滑。4G应该接口开放，能够跟多种网络互连，并且具备很强的对2G、3G手机的兼容性，以完成对多种用户的融合；在不同系统间进行无缝切换，传送高速多媒体业务数据。第四代移动通信系统(4G)(4)灵活性更强。4G拟采用智能技术，可自适应地进行资源分配。采用智能信号处理技术对信道条件不同的各种复杂环境进行信号的正常收/发。(5)具有用户共存性。能根据网络的状况和信道条件进行自适应处理，使低、高速用户和各种用户设备能够并存与互通，从而满足多类型用户的需求。运营商或用户花费更低的费用就可随时随地地接入各种业务。第四代移动通信系统(4G)1.5第四代移动通信的最新进展目前世界发达国家都正在积极进行4G技术规格的研究制定，以期在全球4G规格制定中享有发言权。4G的各项运行标准将由国际电信联盟（ITU）电信标准局决定。新一代无线通信技术在美国及日本等发达国家已经进入密集的研发和市场化阶段。新的研究包括网络结构、用户切换和漫游等移动环境下的系统实现方案，从而实现用户的大范围移动，这种技术路线是当前国际上设计第四代移动通信系统的主要思路。阿尔卡特、爱立信、诺基亚和西门子已共同建立了旨在推动4G技术开发的世界无线研究论坛。第四代移动通信系统(4G)美国：AT&T公司已在实验室中研究第四代移动通信技术，其研究目的是提高蜂窝电话和其他移动装置无线访问因特网的速率，这项技术约需五年才能发布。AT&T已推出了4GAccess网络，它能配合目前的EDGE技术进行上传，并利用宽带OFDM技术进行下载。惠普与日本NTTDoCoMo已联手开发4G通信技术和产品，开发的4G多媒体体系结构有望向移动用户提供高性能多媒体流内容，使媒体流数据能够更好地传输到移动电话和其它手持设备上，该体系结构的基础技术研究2003年完成。第四代移动通信系统(4G)瑞典：世界上最大的电信基础设施提供商瑞典爱立信公司已开始进行第四代移动通信标准的研究，并着手研制第四代移动通信系统，预计在2011年正式投入运营。爱立信已研究出的“4G眼镜”2011年也将进入市场。爱立信与美国加利福尼亚大学合作开发4G技术，加利福尼亚大学已经正式成立了加州通信和信息技术学会，将在4G技术、先进天线系统、新一代移动因特网、电力放大器技术和无线访问网络等领域内进行深入研究。第四代移动通信系统(4G)日本：DoCoMo移动通信公司已进行第四代移动通信的研究，计划在2006年推出第四代移动通信系统，在2010年左右首度推出4G业务。政府与主要的移动通信业企业已为超高速移动通信技术拟定了基础计划，日本邮电部已向日本电气通信技术审议会提交制定第四代（4G）移动电话规格的提案。已完成了继第三代移动通信系统“IMT-2000”之后的第四代移动通信系统标准提案，该提案将4G的实用期定在2010年同韩国在IMT-2000之后的第四代移动通信领域也进行合作，两国将共同建立因特网网络、例行两国之间的有线无线通讯结合环境，并进行超高速卫星通信实验。第四代移动通信系统(4G)韩国：政府将斥资1350亿韩元，用于4G通信系统的开发。这些资金将主要用于高速信息包传输技术、固定无线通讯设备以及移动软件开发和下一代网络工艺上。为推进4G移动通信服务系统研发进程，政府成立一个科研开发小组，专门负责该项目的实施。政府已与移动通信设备公司及服务公司合资成立了下一代移动通信技术开发协会，着手进行4G等未来移动通信服务技术的开始研究。三星电子的研究中心也开始进行4G移动通信关键技术的研发工作。（2002年11月北京：863-Ericsion年会上已有报道）第四代移动通信系统(4G)中国：TD-SCDMA标准的提出清华大学、北京邮电大学、东南大学、电子科技大学、中国科技大学等高校也在不断研究4G的相关理论及关键技术。(如：LAS-CDMA、新的小区结构等）国家863-317通信主题组：FuTURE计划大唐、中兴、华为等企业组成的企业联盟第四代移动通信系统(4G)2.4G的网络结构虽然4G系统尚处于研究的起步阶段，其网络结构也还没有成型，但是对于这方面的研究已有很多，网络的融合趋势是显而易见的。基于网络融合的4G网络架构如图7-1所示。从图7-1中可以看出，基于人们目前对4G宽带接入和分布网络的普遍理解，未来的4G网络将是一种全IPv6的网络结构(包括各种接入网和核心网)，4G系统将是一个集成广播电视网络、无线蜂窝网络、卫星网络、无线局域网、蓝牙等系统和固定的有线网络为一体的结构，各种类型的接入网通过媒体接入系统都能够无缝地接入基于IP的核心网，形成一个公共的、灵活的、可扩展的平台。第四代移动通信系统(4G)图14G网络架构第四代移动通信系统(4G)网络结构3G采用的主要是蜂窝组网，4G将突破这个概念，发展以数字广带(Broadband)为基础的网络，成为一个集无线LAN和基站宽带网络的混合网络，这种基于IP技术的网络架构使得在3G,4G,W-LAN,固定网之间的漫游得以实现。第四代移动通信系统(4G)交换方式3G保留了2G所使用的电路交换，采用的是电路交换和分组交换并存的方式，而4G将完全采用基于IP的分组交换，使网络能根据用户需要分配带宽。第四代移动通信系统(4G)3.4G的关键技术3.1OFDM技术(1). OFDM的基本原理OFDM(正交频分复用)是一种无线环境下的高速传输技术，其基本原理是：将高速数据信号通过串/并变换，分配到传输速率相对较低的若干个子信道中进行传输。在频域内将信道划分成若干个互相正交的子信道，每个子信道均拥有自己的载波，分别对其进行调制，信号通过各个子信道独立地进行传输。如果各个子信道的带宽被划分得足够窄，每个子信道的频率特性就可近似地看做是平坦的，即每个子信道都可看做无符号间干扰的理想信道。这样在接收端不需要使用复杂的信道均衡技术即可对接收信号可靠地进行解调。第四代移动通信系统(4G)(2). OFDM系统结构OFDM系统的典型框图如图7-2所示。图中，上半部分对应于发射机链路，下半部分对应于接收机链路。发送端将被传输的数字数据转换成子载波幅度和相位的映射，并进行IDFT(反离散傅立叶变换)将数据的频域表达式变到时域上。图中的IFFT(反快速傅立叶变换)与IDFT的作用相同，只是有更高的计算效率，所以适用于所有的系统。接收端进行与发送端相反的操作，将RF信号与本振信号进行混频处理，并用FFT变换分解为时域信号，子载波的幅度和相位被采集出来并转换回数字信号。第四代移动通信系统(4G)图2OFDM收/发机框图第四代移动通信系统(4G)(3). OFDM系统的优势①高速率的数据流通过串/并变换使得每个子载波的数据符号持续长度相对增加，这有效地减少了无线信道的时间弥散所带来的符号间干扰，从而减少了接收机内均衡的复杂度。有时甚至不采用均衡器，而仅仅通过插入循环前缀的方法即可消除符号间干扰的不利影响。②传统的频分多路传输方法是将频带分为若干个不相交的子频带来传输并行数据流，子信道之间要保留足够的保护频带。而OFDM系统由于各个子载波之间存在正交性，允许子信道的频谱相互重叠，因此与常规的频分复用系统相比，OFDM系统可以最大限度地利用频谱资源。当子载波个数很多时，系统的频谱利用率趋于2Baud/Hz。第四代移动通信系统(4G)③各个子信道中的正交调制和解调可以通过反离散傅立叶变换(IDFT)和离散傅立叶变换(DFT)的方法来实现。对于子载波数目较大的系统，可以通过快速傅立叶变换(FFT)来实现。而随着大规模集成电路技术与DSP技术的发展，IFFT与FFT都是容易实现的。④无线业务一般存在非对称性，即下行链路中的数据传输量大于上行链路中的数据传输量，这就要求物理层支持非对称高速率数据传输。OFDM系统可以通过使用不同数量的子载波来实现上行和下行链路中不同的传输速率。第四代移动通信系统(4G)⑤ OFDM可以容易地与其他多种接入方式结合使用，构成各种系统，其中包括多载波码分多址MC-C