未来移动通信关键技术研究

1、未来移动通信关键技术研究4g通信系统摘要21世纪，在知识经济与技术革命的推动下，移动通信技术和市场飞速发展。在新技术和市场 需求的共同作用下，未来移动通信技术将呈现以下儿大趋势：（1）网络业务数据化和分组化, 移动因特网逐步形成；网络技术数字化和宽带化；（3）网络设备智能化和小型化；（4）应用 于更高的频段，如毫米波和k波段，有效利用频率；（5）移动网络的综合化、金球化和个人化; 各种网络的融合；高速率、高质量和低费用。这也即是第四代移动通信技术（4g）发展 的方向和忖标，4g将会掀起移动通信新的篇章。本文通过4g通信系统的讨论，简要的介绍 4g通信技术的概念，并对4g屮将会用到的关键技术做岀

2、了分析，展st4g通信在未来一些 领域的应川并做出了总结。1、引言到目前为止，3g各种标准和规范己达成协议，并已开始商用。可是3g还是有其 局限性：由于受到多用户干扰，cdma难以达到很高的通信速率；由于空中接口 标准对核心网的限制，3g所能提供服务速率的动态范围不大，不能满足各种业 务类型要求；分配给3g的频率资源已经趋于饱和；3g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；流 媒体（视频）的应用不尽如人意；数据传输率也只接近于普通拨号接入的水平，更 赶不上xdsl等。所以，在第三代移动通信述没有完全铺开，距离完全实用化述 有一段时间的时候

3、，己经有不少国家开始了对下一代移动通信系统的研究。2、移动通信技术的发展状况 2.1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2. 4kbps, 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h渐显踞出来，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

4、技术作为20壯纪80年代到90年代 初的产物己经完成了任务退出了历史舞台。2. 2第二代数字移动通信系统第一代（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9. 6-28. 8kbps的传输速率。全球主要釆用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，

5、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，述无 法进行全球漫游，虽然第二代比第一代有更大的带宽，但带宽述是很有限，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。2. 3第三代媒体移动通信系统第三代（即3g,是the third generation的缩写）移动通信系统。1985年,国际电信 联盟（itu）就提出了第三代移动通信系统的概念，当时称为未来公共陆地移动通信系(fplmts), 1996年更名为国际移动电信系统tmt-2000o目前主流的第三代移动通信的三大 标准为:wcdma. cdma

6、2000、td-scdma。三代移动通信系统的基本比较见表1。系统传输速率(kb/s)主要技术频率范围(mhz)主要系统应用领域1g低速率小区制蜂駕系统和电路交换450、 800、 900amps 和 tacs语音业务和本地漫 游2g9.6-384tdma 和 fdd900、 1800、 1900gsm 和 cdma语音、传真、数据 等业务和国际漫游3g2000cdma> fdd. tdd2g1mt-2000 和 umts多媒体业务、多种 业务无缝连接、低 费用和国际漫游农1三代移动通信技术的比较3、4g的定义第四代移动通信技术的概念可称为宽带接入和分布网络，具有非对称的超过2mbit/

7、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。第四代移动通信标准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，可以在任何地方用宽带接入互联网 (包括卫星通信和平流层通信)，能够捉供定位定时、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集成多功能的宽带移动通信系统，是宽带接入ip系统。4、4g的基本特征4g网络结构可分为三层：物理网络层、屮间环境层、应用网络层。物理网 络层提供接入和路由选择功能，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。物理网络层与中间环

8、境层及具应用环境z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，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。4. 1移动化移动化将人们从地理的限制上解脱出來，实现无时不在、无所不在的信息传 递。不仅是无线，距离还得够远，以基地台为圆心，传输距离得在直径10km以 上。无线己是现代通信的必要手段，传输距离的远近，会宜接影响建设的进度与 成本。4.2宽带化宽带化是满足用户对视频业务、流媒体等业务带宽的需求。在2g和3g网络 解决了语音应用和一部分数据应用z后，视频应用将是4g网络上的最主要内容。 3g向

9、视频迈出了重要一步，但是较2g的提升有限，并未从根本上改变无线结构。 比如3g的带宽问题，多用户同时使用就会出现拥堵。而4g的带宽是3g的10 倍，频谱利用率大约也是10倍，这样吞吐量就是100倍。4.3 ip 化下一代网络将是全ip网，从核心网到用户设备均支持ip协议。未来的通信 世界，应该一切以ip为基础，形成网络化的移动世界。每一个网络使用者，只 要具有专属的ip号码，可以在任何时间、任何地点，透过4g网络来通信，至于 是语音、数据，还是视频，不再是运营商该管的事了。4. 4融合化随着4g的演进，不同的无线技术在卜-一代网络(ngn)架构下将实现融合、 共存，发挥各口的优势，形成多层次的

10、无线网络环境。4g应该是ngn的一部分, 4g必须适应三网融合的发展需求，既要实现“无所不在，无所不能”，又要满 足个性化服务的需求。因此，多体制、多技术仍将共存，必须统一的将是共同的 承载网络互联网。三网都将失去其独立组网特征，而沦为ngn的接入网。4g移动通信系统支持更丰富的移动业务，包括高清晰度图像业务、会议电 视、虚拟现实业务等，用户在任何地方都可以获得任何所需的信息服务。将个人 通信、信息系统、广播和娱乐等行业结合成一个整体，更加安全、方便地向用户 提供更广泛的服务与应用。4. 5灵活性4g移动通信系统采用智能技术使其能口适应地进行资源分配，能对通信过 程屮不断变化的业务流大小进行相

11、应处理而满足通信要求，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发送与接收，有很强的智能 性、适应性和灵活性。4. 6兼容性4g移动通信系统是实现全球统一的标准，让所有移动通信运营商的用户享 受共同的4g服务，真正实现一部手机在全球的任何地点都能进行通信。4. 7层叠系统为了实现lgbps的峰值速率，4g系统需要宽达100mhz的系统带宽，但在3ghz以下 频段分配100mhz连续频谱儿乎是不可能的，而在高频段乂很难实现无缝全域覆盖和高速 移动(运营商要求基于现有站址部署4g系统，因此广泛使用中继和分布式天线技术有一定 困难)，因此需要同时使用部分3ghz以下频谱。也就是

12、说，4g系统将是一个层叠系统，需 要同时使用上述两段离散的频谱，这形成了 4g系统的一个重要特征5、关键技术为了适应移动通信用八口益增长的高速多媒体数据业务需求，具体实现4g系统较3g的优 越之处，4g移动通信系统将主要采川以下关键技术：5.1接入方式和多址方案ofdm(正交频分复用)是一种无线环境下的高速传输技术，其主要思想就是在频域内将 给定信道分成许多正交子信道，在每个子信道上使用一个子载波进行调制，各子载波并行传 输。尽管总的信道是非平坦的，即具有频率选择性，但是每个子信道是相对平坦的，在每个 子信道上进行的是窄带传输，信号带宽小于信道的相应带宽。ofdm技术的优点是nj以消 除或减小

13、信号波形间的干扰，对多径衰落和多普勒频移不敏感，提高了频谱利用率，可实现 低成本的单波段接收机。ofdm的主要缺点是功率效率不高。5.2调制技术与信号传输在高频段高速移动传输会产生严重的频率选择性哀落，实现调制/解调的鲁棒性可以克 服这种频率选择性衰落，并h新的调制技术如多载波正交频分复用调制技术以及单载波帶自 适应均衡技术都将提供很高的频谱效率。另外，电池功率的限制也必须突破。4g系统将采 用这些调制方式以保证频谱利用率和延长用户终端电池的寿命。此外，高性能止向纠错(fec) 编码，如turbo编码技术、自动重发请求(arq)和分集接收技术也是建立高速大容量网络的 重要因素。若从技术层面来看

14、，第三代移动通信系统主要是以cdma为核心技术，而第四代移动通信 系统技术则以ofdm最受嘱目5.3髙性能的接收机4g移动通信系统对接收机提出了很高的要求。shannon定理给出了在帯宽为bw的信道中 实现容量为c的可靠传输所需要的最小snro按照shannon定理,可以计算出,对于3g 系统如果信道带宽为5mhz,数据速率为2mb/s,所需的snr为1.2db；而对于4g系统， 要在5mhz的带宽上传输20mb/s的数据,则所需要的snr为12db。可见对于4g系统, 由于速率很高，对接收机的性能要求也要高得多。5.4智能天线技术智能天线具有抑制信号干扰、自动跟踪以及数字波朿调节等智能功能，

15、被认为是未来移动通 信的关键技术。智能天线应用数字信号处理技术，产生空间定向波束，使天线主波束对准用 户信号到达方向，旁瓣或零陷对准干扰信号到达方向，达到充分利用移动用八信号并消除或 抑制干扰佶号的目的。这种技术既能改善信号质量又能增加传输容量。5.5 mevio 技术mimo（多输入多输出）技术是指利用多发射、多接收天线进行空间分集的技术，它采川的是 分立式多天线，能够有效的将通信链路分解成为许多并行的子信道，从而大大提高容量。信 息论已经证明，当不同的接收天线和不同的发射天线z间互不相关时，mimo系统能够很 好地提高系统的抗哀落和噪声性能，从而获得巨大的容量。例如：当接收天线和发送天线数

16、 目都为8根，且平均信噪比为20db吋，链路容量可以高达42bps/hz,这是单天线系统所能 达到容量的40多倍。因此，在功率带宽受限的无线信道中，mimo技术是实现高数据速率、 提高系统容量、提高传输质量的空间分集技术。在无线频谱资源相对匮乏的今天，mimo 系统己经体现出其优越性，也会在4g移动通信系统中继续应用。5.6软件无线电技术软件无线电是将标准化、模块化的硕件功能单元经过一个通川破件平台，利川软件加载方式 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。软件无线电的核心思想 是在尽可能靠近天线的地方使用宽带a/d和d/a变换器，并尽可能多地用软件來定义无线 功能，各种

17、功能和信号处理都尽可能用软件实现。其软件系统包括各类无线信令规则与处理 软件、信号流变换软件、信源编码软件、信道纠错编码软件、调制解调算法软件等。软件无 线电使得系统具有灵活性和适应性，能够适应不同的网络和空中接口。软件无线电技术能支 持采川不同空中接口的多模式手机和基站，能实现各种应川的可变qoso5.7多用户检测技术多用户检测是宽带cdma通信系统中抗干扰的关键技术。在实际的cdma通信系统中，各 个用户信号之间存在一定的相关性，这就是多址干扰存在的根源。山个别用八产生的多址干 扰固然很小，可是随着川户数的增加或信号功率的增人，多址干扰就成为宽带cdma通信 系统的一个主耍干扰。传统的检测

18、技术完全按照经典直接序列扩频理论对每个川户的信号分 别进行扩频码匹配处理，因而抗多址干扰能力较差；多用户检测技术在传统检测技术的基础 上，充分利用造成多址干扰的所有用户信号信息对单个用户的信号进行检测，从而具有优良 的抗t扰性能，解决了远近效应问题，降低了系统对功率控制精度的要求，因此可以更加有 效地利用链路频谱资源，显著提高系统容量。随着多用户检测技术的不断发展，各种高性能 乂不是特别复杂的多用八检测器算法不断提出，在4g实际系统中采用多用八检测技术将是 切实可行的。5.8定位技术定位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定位、基于移 动网络定位以及混合定位三种方式。在4g移动通信系统屮，移动终端可能在不同系统（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） 间无缝连接和系统中高速率和高质量的移动通信的前提和保障。5.9切换技术切换技术适用于移动终端在不同移动小区z间、不同频率z间通信或者信号降低信道选 择等情况。切换技术是未来移动终端在众多通信系统、移动小区之间建立可靠移动通信的基 础和重耍技术。它主要有软切换和硬切换。在4g通信系统中，切换技术的适用范围更为广 泛，并朝着软切换和硬切换相结合的方向发展。6、小结对于现在的人来说，未来的4g通信的确显得很神秘，不少人都认为第四代无线