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1、 第四代移动通信 李XX 计算机科学与技术专业 0906401-20摘要移动通信技术飞速发展，已经历了3个主要发展阶段。每一代的发展都是技术的突破和观念的创新。第一代起源于20世纪80年代，主要采用模拟和频分多址(FDMA)技术。第二代(2G)起源于90年代初期，主要采用时分多址(TDMA)和码分多址(CDMA)技术。第三代移动通信系统(3G)可以提供更宽的频带，不仅传输话音，还能传输高速数据，从而提供快捷方便的无线应用。但是第三代移动 通信系统仍是基于地面标准不一的区域性通信系统,尽管其传输速率可高达2 Mb/s，仍无法满足多媒体通信的要求,因此第四代移动通信系统(4G)的研究势在必行。 关
2、键字：4G，网络通信一、移动通信技术的发展状况 (一)第一代模拟移动通信系统 第一代(即1G，是the first generation的缩写)移动通信系统的主要特征是采用模拟技术和频分多址(FDMA)技术、有多种制式。我国主要采用TACS，其传输速率为24kbps，由于受到传输带宽的限制，不能进行移动通信的长途漫游，只是一种区域性的移动通信系统。第一代移动通信系统在商业上取得了巨大的成功，但是其弊端也日渐显露出来，如频谱利用率低、业务种类有限、无高速数据业务、制式太多且互不兼容、保密性差、易被盗听和盗号、设备成本高、体积大、重量大。所以，第一代移动通信技术作为2O世纪80年代到90年代初的产
3、物已经完成了任务退出了历史舞台。 (二)第二代数字移动通信系统 第二代(即2G，是the second generation的缩写)移动通信系统是从20世纪90年代初期到目前广泛使用的数字移动通信系统，采用的技术主要有时分多址(TDMA)和码分多址(CDMA)两种技术，它能够提供96-288kbps的传输速率。全球主要采用GSM和CDMA两种制式，我国采用主要是GSM这一标准，主要提供数字化的语音业务级低速数据化业务，克服了模拟系统的弱点。和第一代模拟移动蜂窝移动系统相比，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，可以进行省内外漫游。但因为采用的制式不
4、同，移动标准还不统一，用户只能在同一制式覆盖的范围内进行漫游，还无法进行全球漫游，虽然第二代比第一代有更大的带宽，但带宽还是很有限，限制了数据的应用，还无法实现高速率的业务，如移动的多媒体业务。 (三)第三代多媒体移动通信系统 随着通信业务的迅猛发展和通信量的激增，未来的移动通信系统不仅要有大的系统容量，还要能支持话音、数据、图像、多媒体等多种业务的有效传输。第二代移动通信技术根本不能满足这样的通信要求，在这种情况下出现了第三代 (即3c，是the third generation的缩写)多媒体移动通信系统。第三代移动通信系统在国际上统称为IMT一2000，是国际电信联盟(1TU)在1985年
5、提出的工作在2000MHz频段的系统。与第一代模拟移动通信和第二代数字移动通信系统相比，第三代的最主要特征是可提供移动多媒体业务。 二、三层网络结构 4G系统针对各种不同业务的接入系统,通过多媒体接入连接到基于IP的核心网中。基于IP技术的网络结构使用户可实现在3G、4G、WLAN及固定网间无缝漫游。4G网络结构可分为三层:物理网络层、中间环境层、应用网络层。 (1) 物理网络层提供接入和路由选择功能。 (2) 中间环境层的功能有网络服务质量映射、地址变换和完全性管理等。 (3) 物理网络层与中间环境层及其应用环境之间的接口是开放的,使发展和提供新的服务变得更容易,提供无缝高数据率的无线服务,
6、并运行于多个频带,这一服务能自适应于多个无线标准及多模终端,跨越多个运营商和服务商,提供更大范围服务。对于人们来说，未来的4G通信的确显得很神秘，不少人都认为第四代无线通信网络系统是人类有史以来发明的最复杂的技术系统，的确第四代无线通信网络在具体实施的过程中出现大量令人头痛的技术问题，大概一点也不会使人们感到意外和奇怪，第四代无线通信网络存在的技术问题多和互联网有关，并且需要花费好几年的时间才能解决。总的来说，要顺利、全面地实施4G通信，可能遇到下面的一些困难： 近年来3G演进技术的发展异常迅速，但无线技术是否已经达到完美的地步?国家863计划专家组成员、未来移动通信论坛秘书长尤肖虎的答案是否
7、定的。在他看来，现有无线技术有待解决的问题还很多，需要改进的空间也很大1。 三、4G的定义及其技术要求 第四代移动通信技术可称为广带(Broadband)接入和分布网络，具有非对称超过2 Mb/s的数据传输能力，对全速移动用户能提供150 Mb/s的高质量影像服务，将首次实现三维图像的高质量传输。它包括广带无线固定接入、广带无线局域网、移动广带系统和互操作的广播网络(基于地面和卫星系统)，集成不同模式的无线通信，移动用户可以自由地从一个标准漫游到另一个标准。其广带无线局域网(WLAN)能与B-ISDN和ATM兼容，实现广带多媒体通信，形成综合广带通信网(IBCN)，他还能提供信息之外的定位定时
8、、数据采集、远程控制等综合功能。其主要技术要求是： (1)通信速度提高，数据率超过UMTS，上网速率从2 Mb/s提高到100 Mb/s。 (2)以移动数据为主面向Internet大范围覆盖高速移动通信网络，改变了以传统移动电话业务为主设计移动通信网络的设计观念。 (3)采用多天线或分布天线的系统结构及终端形式，支持手机互助功能，采用可穿戴无线电，可下载无线电等新技术。 (4)发射功率比现有移动通信系统降低10100倍，能够较好地解决电磁干扰问题。 (5)支持更为丰富的移动通信业务，包括高分辨率实时图像业务、会议电视虚拟现实业务。 四、4G相对于3G网络的超越之处 与今年年内即将推出的3G移动
9、通信服务相比,4G技术更为复杂,4G技术在通信特点方面较3G移动通信技术相比,有许多超越之处: (1)4G移动通信技术的信息传输级数要比3G移动通信技术的信息传输级数要高一个等级,其最大的传输速度将是目前“i-mode”服务的10000倍 (2)主要发展数字广带(Broad band)为基础的概念在“毫米”过程中,传播条件相对困难,蜂窝小区也会相应小很多,这会引起一系列技术上的难题 (3)灵活性要比3G强得多它能自适应的资源分配,能够处理变化的业务流信道条件不同的环境,有很强的自组织性和灵活性 (4)4G移动通信技术将可让所有移动通信运营商的用户,享受共同的4G服务 (5)该技术应该能根据网络
10、的动态和自行变化的信道条件,使低码与高码的用户能够共存这些方面都要比2G3G先进 (6)它能综合固定移动广播网络或其他的一些规则,实现对这些功能体积分布的控制 (7)该技术将以几项突破性技术为基础,例如一些光纤产品公司用来提高Internet主干带宽的技术,它将对无线频率的使用效率比第二代和第三代系统都高得多 五、4G的研究现状以及应用前景 4G通信技术并没有脱离以前的通信技术，而是以传统通信技术为基础，并利用了一些新的通信技术，来不断提高无线通信的网络效率和功能的。如果说3G能为人们提供一个高速传输的无线通信环境的话，那么4G通信会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，这种
11、新网络可使电话用户以无线及三维空间虚拟实境连线。与传统的通信技术相比，4G通信技术最明显的优势在于通话质量及数据通信速度。然而，在通话品质方面，移动电话消费者还是能接受的。随着技术的发展与应用，现有移动电话网中手机的通话质量还在进一步提高。数据通信速度的高速化的确是一个很大优点，它的最大数据传输速率达到100Mbit/s，简直是不可思议的事情。另外由于技术的先进性确保了成本投资的大大减少，未来的4G通信费用也要比2009年通信费用低。4G通信技术是继第三代以后的又一次无线通信技术演进，其开发更加具有明确的目标性：提高移动装置无线访问互联网的速度-据3G市场分三个阶段走的的发展计划，3G的多媒体
12、服务在10年后进入第三个发展阶段，此时覆盖全球的3G网络已经基本建成，全球25%以上人口使用第三代移动通信系统。在发达国家，3G服务的普及率更超过60%，那么这时就需要有更新一代的系统来进一步提升服务质量。为了充分利用4G通信给人们带来的先进服务，人们还必须借助各种各样的4G终端才能实现，而不少通信营运商正是看到了未来通信的巨大市场潜力，他们已经开始把眼光瞄准到生产4G通信终端产品上，例如生产具有高速分组通信功能的小型终端、生产对应配备摄像机的可视电话以及电影电视的影像发送服务的终端，或者是生产与计算机相匹配的卡式数据通信专用终端。有了这些通信终端后，人们手机用户就可以随心所欲的漫游了，随时随
13、地的享受高质量的通信了。 六、4G网络的关键技术 1.OFDM(正交频分复用) OFDM技术实际上是MCM(Multi-Carrier Modulation，多载波调制)的一种。其主要思想是：将信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制在每个子信道上进行传输。正交信号可以通过在接收端采用相关技术来分开，这样可以减少子信道之间的相互干扰(ICI)。每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，因此每个子信道上的可以看成平坦性衰落，从而可以消除符号间干扰。而且由于每个子信道的带宽仅仅是原信道带宽的一小部分，信道均衡变得相对容易。由于OFDM技术由于具备上述特点，是对高速数据传
14、输的一种潜在的解决方案，因此被公认为4G的核心技术之一。 2.软件无线电 软件无线电（Software Defined Radio,简称SDR）,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,利用软件来定义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。即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完成。其核心是在尽可能靠近天线的地方使用宽带的“数字/模拟”转换器，尽早地完成信号的数字化,从而使得无线电台的功能尽可能地用软件来定义和实现。软件无线电是一种基于数字信号处理(DSP)芯片以软件为核心的崭新的无线通信体系结构。 3.智能天线 智能天线
15、是波束间没有切换的多波束或自适应阵列天线。多波束天线在一个扇区中使用多个固定波束，而在自适应阵列中，多个天线的接收信号被加权并且合成在一起使信噪比达到最大。与固定波束天线相比，天线阵列的优点是除了提供高的天线增益外,还能提供相应倍数的分集增益。智能天线具有抑制信号干扰、自动跟踪以及数字波束调节等智能功能,其基本工作原理是根据信号来波的方向自适应地调整方向图,跟踪强信号,减少或抵消干扰信号。智能天线的核心是智能算法,而算法决定电路实现的复杂程度和瞬时响应速率,因此需要选择较好算法实现波束的智能控制。 4.IPv6协议 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
16、下一代网络的核心协议。 （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。 （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。IPv6
17、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。 （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。 小结 目前，4G移动通信还只处于实验室研究开发阶段。具体的设备和技术还没有完全成型，后续的软件开发还没有启动。
18、这都会给4G的发展带来很多难题，有待人们深入研究。但未来移动通信必将具有文中描述的这些基本特征：高速率、高质量的数据传输，完全集中的服务。无所不在的移动接入，高智能的多样化的用户设备。随着新问题、新要求的不断出现。第四代移动通信技术将会相应地调整、完善和进一步发展。我们相信，不远的将来，人们将会不受时间、地点限制，可以自由自在地利用移动网络获取和传递信息，从而使人们的学习、工作、生活发生更深刻的变化。同时也相信不久的将来4G将一统移动通信的天下，产生巨大的社会效益和经济效益。参考文献：1 张重阳.数字移动通信技术M.西安:江西科技大学出版社,2006. 2 唐兴.移动通信技术的历史和发展趋势J.江西通信科技,2008(2). 3 张献英.第四代移动通信技术浅析J.数字通信世界,2008(6). 5吴伟陵:移动通信中的关键技术M.北京:北京邮电大学出版社，2000 6丁雄:移动通信技术M.北京：电子工业出版社，2004
