4G技术及其应用浅析.docx
- 文档编号:10478246
- 上传时间:2023-02-13
- 格式:DOCX
- 页数:12
- 大小:27.02KB
4G技术及其应用浅析.docx
《4G技术及其应用浅析.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《4G技术及其应用浅析.docx(12页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
4G技术及其应用浅析
4G技术及其应用浅析
摘要:
通信技术日新月异,给人们带来不少享受。
随着数据通信与多媒体业务需求的发展,适应移动数据、在我们还没有完全享受3G移动通信系统商所带来服务的同时,4G移动通信技术的研究已经在逐步的进行着。
本文简要分析了:
(1)4G的网络结构;
(2)4G的关键技术,如OFDM,软件无线电,智能天线技术,MIMO技术。
(3)比较了3G和4G不同指标,分析了3G和4G采用的不同技术。
(4)初步探讨了4G的现状和发展。
关键词:
4G,网络通信
1引言
随着3G在我国的商用以来,用户在使用手机电视和视频通话方面,出现信号不稳,视频通话效果不好等问题。
人们开始期望4G能够解决这些问题,能够提供更高的数据速率,更大的容量和带宽。
从而使4G比3G更接近个人通信,在技术上比3G更完善。
所谓4G技术是第四代移动通信及其技术的简称,是集3G与WLAN于一体并能够传输高质量视频图像以及图像传输质量与高清晰度电视不相上下的技术产品。
4G系统能够以100Mbps的速度下载,比拨号上网快2000倍,上传的速度也能达到20Mbps,并能够满足几乎所有用户对于无线服务的要求。
而在用户最为关注的价格方面,4G与固定宽带网络在价格方面不相上下,而且计费方式更加灵活机动,用户完全可以根据自身的需求确定所需的服务。
此外,4G可以在DSL和有线电视调制解调器没有覆盖的地方部署,然后再扩展到整个地区。
很明显,4G有着不可比拟的优越性。
24G技术
2.14G网络结构
2.1.1三层网络结构
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,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。
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]。
2.1.2物理层
从物理层的传输技术看,虽然在目前LTE、UMB、WiMAX系统设计已经很完善,但在此基础上还需进一步的改造,尤其在多用户层面上。
“目前,4G中的点对点技术将接近理论值,但多用户传输技术还有很大的改进空间,多小区传输技术的差距更大。
”诸如多用户或多小区之间的协调、干扰的抑制抵消以及无线资源的分配等众多问题,都还没有系统的解决方案。
另外跨层的设计和优化也是需要解决的问题之一。
2.24G网络中的关键技术
2.2.1OFDM
OFDM(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing)即正交频分复用技术,实际上OFDM是MCMMulti-CarrierModulation,多载波调制的一种。
其主要原理是:
将待传输的高速串行数据经串并变换,变成在子信道上并行传输的低速数据流,再用相互正交的载波进行调制,然后叠加一起发送。
接收端用相干载波进行相干接收,再经并串变换恢复为原高速数据。
OFDM技术的有很多优点:
可以消除或减小信号波形间的干扰,对多径衰落和多普勒频移不敏感,提高了频谱利用率;适合高速数据传输;抗衰落能力强;抗码间干扰(ISI)能力强。
2.2.2软件无线电
软件无线电(SDR)是将标准化、模块化的硬件功能单元经一通用硬件平台,利用软件加载方式来实现各类无线电通信系统的一种开放式结构的技术。
其中心思想是使宽带模数转换器(A/D)及数模转换器(D/A)等先进的模块尽可能地靠近射频天线的要求。
尽可能多地用软件来定义无线功能。
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、调制解调算法软件、信道纠错编码软件、信源编码软件等。
软件无线电技术主要涉及数字信号处理硬件(DSPH)、现场可编程器件(FPGA)、数字信号处理(DSP)等[2]
2.2.3智能天线技术(SA)
智能天线定义为波束间没有切换的多波束或自适应阵列天线。
智能天线具有抑制信号干扰、自动跟踪及数字波束调节等功能,被认为是未来移动通信的关键技术。
智能天线成形波束可在空间域内抑制交互干扰,增强特殊范围内想要的信号,既能改善信号质量又能增加传输容量。
其基本原理是在无线基站端使用天线阵和相干无线收发信机来实现射频信号的收发,同时,通过基带数字信号处理器,对各天线链路上接收到的信号按一定算法进行合并,实现上行波束赋形。
2.2.4多输入多输出(MIMO)技术
多输入多输出技术(MIM0)是指在基站和移动终端都有多个天线。
MIM0技术为系统提供空间复用增益和空间分集增益。
空间复用是在接收端和发射端使用多副天线,充分利用空间传播中的多径分量,在同一频带上使用多个子信道发射信号,使容量随天线数量的增加而线性增加。
空间分集有发射分集和接收分集两类。
基于分集技术与信道编码技术的空时码可获得高的编码增益和分集增益,已成为该领域的研究热点。
MIM0技术可提供很高的频谱利用率,且其空间分集可显著改善无线信道的性能,提高无线系统的容量及覆盖范围。
2.2.5基于IP的核心网
4G移动通信系统的核心网是一个基于全IP的网络,可以实现不同网络间的无缝互联。
核心网独立于各种具体的无线接入方案,能提供端到端的IP业务,能同已有的核心网和PSTN兼容。
核心网具有开放的结构,能允许各种空中接口接入核心网;同时核心网能把业务、控制和传输等分开。
IP与多种无线接入协议相兼容,因此在设计核心网络时具有很大的灵活性,不需要考虑无线接入究竟采用何种方式和协议。
在4G通信系统中将取代IPv4协议,主要采用全分组方式IPv6技术,IPv6具有许多的优点,如:
有巨大的地址空间;支持无状态和有状态两种地址自动配置的方式;能够提供不同水平的服务质量;更具有移动性。
2.34G标准
国际电信联盟(ITU)已经将WiMax、HSPA+、LTE正式纳入到4G标准里,加上之前就已经确定的LTE-Advanced和WirelessMAN-Advanced这两种标准,目前4G标准已经达到了5种。
2.3.1LTE
LTE(LongTermEvolution,长期演进)项目是3G的演进,它改进并增强了3G的空中接入技术,采用OFDM和MIMO作为其无线网络演进的唯一标准。
主要特点是在20MHz频谱带宽下能够提供下行100Mbit/s与上行50Mbit/s的峰值速率,相对于3G网络大大的提高了小区的容量,同时将网络延迟大大降低:
内部单向传输时延低于5ms,控制平面从睡眠状态到激活状态迁移时间低于50ms,从驻留状态到激活状态的迁移时间小于100ms。
并且这一标准也是3GPP长期演进(LTE)项目,是近两年来3GPP启动的最大的新技术研发项目,其演进的历史如下:
GSM-->GPRS-->EDGE-->WCDMA-->HSDPA/HSUPA-->HSDPA+/HSUPA+-->LTE长期演进
GSM:
9K-->GPRS:
42K-->EDGE:
172K-->WCDMA:
364k-->HSDPA/HSUPA:
14.4M-->HSDPA+/HSUPA+:
42M-->LTE:
300M
由于目前的WCDMA网络的升级版HSPA和HSPA+均能够演化到LTE这一状态,包括中国自主的TD-SCDMA网络也将绕过HSPA直接向LTE演进,所以这一4G标准获得了最大的支持,也将是未来4G标准的主流。
该网络提供媲美固定宽带的网速和移动网络的切换速度,网络浏览速度大大提升。
2.3.2LTE-Advanced
LTE-Advanced:
从字面上看,LTE-Advanced就是LTE技术的升级版,那么为何两种标准都能够成为4G标准呢?
LTE-Advanced的正式名称为FurtherAdvancementsforE-UTRA,它满足ITU-R的IMT-Advanced技术征集的需求,是3GPP形成欧洲IMT-Advanced技术提案的一个重要来源。
LTE-Advanced是一个后向兼容的技术,完全兼容LTE,是演进而不是革命,相当于HSPA和WCDMA这样的关系。
LTE-Advanced的相关特性如下:
带宽:
100MHz
峰值速率:
下行1Gbps,上行500Mbps
峰值频谱效率:
下行30bps/Hz,上行15bps/Hz
针对室内环境进行优化
有效支持新频段和大带宽应用
峰值速率大幅提高,频谱效率有限的改进
如果严格的讲,LTE作为3.9G移动互联网技术,那么LTE-Advanced作为4G标准更加确切一些。
LTE-Advanced的入围,包含TDD和FDD两种制式,其中TD-SCDMA将能够进化到TDD制式,而WCDMA网络能够进化到FDD制式。
移动主导的TD-SCDMA网络期望能够直接绕过HSPA+网络而直接进入到LTE。
2.3.3WiMax
WiMax:
WiMax(WorldwideInteroperabilityforMicrowaveAccess),即全球微波互联接入,WiMAX的另一个名字是IEEE802.16。
WiMAX的技术起点较高,WiMax所能提供的最高接入速度是70M,这个速度是3G所能提供的宽带速度的30倍。
对无线网络来说,这的确是一个惊人的进步。
WiMAX逐步实现宽带业务的移动化,而3G则实现移动业务的宽带化,两种网络的融合程度会越来越高,这也是未来移动世界和固定网络的融合趋势。
802.16工作的频段采用的是无需授权频段,范围在2GHz至66GHz之间,而802.16a则是一种采用2G至11GHz无需授权频段的宽带无线接入系统,其频道带宽可根据需求在1.5M至20MHz范围进行调整,目前具有更好高速移动下无缝切换的IEEE802.16m的技术正在研发。
因此,802.16所使用的频谱可能比其它任何无线技术更丰富,WiMax具有以下优点:
(1)对于已知的干扰,窄的信道带宽有利于避开干扰,而且有利于节省频谱资源。
(2)灵活的带宽调整能力,有利于运营商或用户协调频谱资源。
(3)WiMax所能实现的50公里的无线信号传输距离是无线局域网所不能比拟的,网络覆盖面积是3G发射塔的10倍,只要少数基站建设就能实现全城覆盖,能够使无线网络的覆盖面积大大提升。
不过WiMax网络在网络覆盖面积和网络的带宽上优势巨大,但是其移动性却有着先天的缺陷,无法满足高速(≧50km/h)下的网络的无缝链接,从这个意义上讲,WiMax还无法达到3G网络的水平,严格的说并不能算作移动通信技术,而仅仅是无线局域网的技术。
但是WiMax的希望在于IEEE802.11m技术上,将能够有效的解决这些问题,也正是因为有中国移动、因特尔、Sprint各大厂商的积极参与,WiMax成为呼声仅次于LTE的4G网络手机。
关于IEEE802.16m这一技术,我们将留在最后作详细的阐述。
2.3.4HSPA+:
高速下行链路分组接入技术
HSPA+:
高速下行链路分组接入技术(HighSpeedDownlinkPacketAccess),而HSUPA即为高速上行链路分组接入技术,两者合称为HSPA技术,HSPA+是HSPA的衍生版,能够在HSPA网络上进行改造而升级到该网络,是一种经济而高效的4G网络。
从上文我们也可以了解到,HSPA+符合LTE的长期演化规范,将作为4G网络标准与其它的4G网络同时存在,它将很有利于目前全世界范围的WCDMA网络和HSPA网络的升级与过度,成本上的优势很明显。
对比HSPA网络,HSPA+在室内吞吐量约提高12.58%,室外小区吞吐量约提高32.4%,能够适应高速网络下的数据处理,将是短期内4G标准的理想选择。
目前联通已经在着手相关的规划,T-Mobile也开通了这个4G网络,但是由于4G标准并没有被ITU完全确定下来,所以动作并不大。
2.3.5WirelessMAN-Advanced
WirelessMAN-Advanced:
WirelessMAN-Advanced事实上就是WiMax的升级版,即IEEE802.11m标准,802.16系列标准在IEEE正式称为WirelessMAN,而WirelessMAN-Advanced极为IEEE802.16m。
其中,802.16m最高可以提供1Gbps无线传输速率,还将兼容未来的4G无线网络。
802.16m可在“漫游”模式或高效率/强信号模式下提供1Gbps的下行速率。
该标准还支持“高移动”模式,能够提供1Gbps速率。
其优势如下:
1、提高网络覆盖,改建链路预算;
2、提高频谱效率;
3、提高数据和VOIP容量;
4、低时延&QoS增强;
5、功耗节省;
目前的WirelessMAN-Advanced有5种网络数据规格,其中极低速率为16kbps,低数率数据及低速多媒体为144kbps,中速多媒体为2Mbps,高速多媒体为30Mbps超高速多媒体则达到了30Mbps--1Gbps。
但是该标准可能会被率先被军方所采用,IEEE方面表示军方的介入将能够促使WirelessMAN-Advanced更快的成熟和完善,而且军方的今天就是民用的明天。
不论怎样,WirelessMAN-Advanced得到ITU的认可并成为4G标准的可能性极大[3]。
2.44G的主要优势
如果说2G、3G通信对于人类信息化的发展是微不足道的话,那么未来的4G通信却给了人们真正的沟通自由,并彻底改变人们的生活方式甚至社会形态。
2009年在构思中的4G通信具有下面的特征:
2.4.1网络频谱更宽
由于人们研究4G通信的最初目的就是提高蜂窝电话和其他移动装置无线访问Internet的速率,因此4G通信给人印象最深刻的特征莫过于它具有更快的无线通信速度。
从移动通信系统数据传输速率作比较,第一代模拟式仅提供语音服务;第二代数位式移动通信系统传输速率也只有9.6Kbps,最高可达32Kbps,如PHS;而第三代移动通信系统数据传输速率可达到2Mbps;专家则预估,第四代移动通信系统可以达到10Mbps至20Mbps,甚至最高可以达到每秒高达100Mbps速度传输无线信息,这种速度会相当于2009年最新手机的传输速度的1万倍左右。
要想使4G通信达到100Mbps的传输,通信营运商必须在3G通信网络的基础上,进行大幅度的改造和研究,以便使4G网络在通信带宽上比3G网络的蜂窝系统的带宽高出许多。
据研究4G通信的AT&T的执行官们说,估计每个4G信道会占有100MHz的频谱,相当于W-CDMA3G网路的20倍。
2.4.2通信更加灵活
从严格意义上说,4G手机的功能,已不能简单划归“电话机”的范畴,毕竟语音资料的传输只是4G移动电话的功能之一而已,因此未来4G手机更应该算得上是一只小型电脑了,而且4G手机从外观和式样上,会有更惊人的突破,人们可以想象的是,眼镜、手表、化妆盒、旅游鞋,以方便和个性为前提,任何一件能看到的物品都有可能成为4G终端,只是人们还不知应该怎么称呼它。
未来的4G通信使人们不仅可以随时随地通信,更可以双向下载传递资料、图画、影像,当然更可以和从未谋面的陌生人网上联线对打游戏。
也许有被网上定位系统永远锁定无处遁形的苦恼,但是与它据此提供的地图带来的便利和安全相比,这简直可以忽略不计。
2.4.3智能性能更高
第四代移动通信的智能性更高,不仅表现于4G通信的终端设备的设计和操作具有智能化,例如对菜单和滚动操作的依赖程度会大大降低,更重要的4G手机可以实现许多难以想象的功能。
例如4G手机能根据环境、时间以及其他设定的因素来适时地提醒手机的主人此时该做什么事,或者不该做什么事,4G手机可以把电影院票房资料,直接下载到PDA之上,这些资料能够把售票情况、座位情况显示得清清楚楚,大家可以根据这些信息来进行在线购买自己满意的电影票;4G手机可以被看作是一台手提电视,用来看体育比赛之类的各种现场直播。
2.4.4兼容性能更平滑
要使4G通信尽快地被人们接受,不但考虑的它的功能强大外,还应该考虑到现有通信的基础,以便让更多的现有通信用户在投资最少的情况下就能很轻易地过渡到4G通信。
因此,从这个角度来看,未来的第四代移动通信系统应当具备全球漫游,接口开放,能跟多种网络互联,终端多样化以及能从第二代平稳过渡等特点。
2.4.5提供各种增值服务
4G通信并不是从3G通信的基础上经过简单的升级而演变过来的,它们的核心建设技术根本就是不同的,3G移动通信系统主要是以CDMA为核心技术,而4G移动通信系统技术则以正交多任务分频技术(OFDM)最受瞩目,利用这种技术人们可以实现例如无线区域环路(WLL)、数字音讯广播(DAB)等方面的无线通信增殖服务;不过考虑到与3G通信的过渡性,第四代移动通信系统不会在未来仅仅只采用OFDM一种技术,CDMA技术会在第四代移动通信系统中,与OFDM技术相互配合以便发挥出更大的作用,甚至未来的第四代移动通信系统也会有新的整合技术如OFDM/CDMA产生,前文所提到的数字音讯广播,其实它真正运用的技术是OFDM/FDMA的整合技术,同样是利用两种技术的结合。
因此未来以OFDM为核心技术的第四代移动通信系统,也会结合两项技术的优点,一部分会是以CDMA的延伸技术。
2.4.6实现更高质量的多媒体通信
尽管第三代移动通信系统也能实现各种多媒体通信,但未来的4G通信能满足第三代移动通信尚不能达到的在覆盖范围、通信质量、造价上支持的高速数据和高分辨率多媒体服务的需要,第四代移动通信系统提供的无线多媒体通信服务包括语音、数据、影像等大量信息透过宽频的信道传送出去,为此未来的第四代移动通信系统也称为“多媒体移动通信”。
第四代移动通信不仅仅是为了因应用户数的增加,更重要的是,必须要因应多媒体的传输需求,当然还包括通信品质的要求。
总结来说,首先必须可以容纳市场庞大的用户数、改善现有通信品质不良,以及达到高速数据传输的要求。
2.4.7频率使用效率更高
相比第三代移动通信技术来说,第四代移动通信技术在开发研制过程中使用和引入许多功能强大的突破性技术,例如一些光纤通信产品公司为了进一步提高无线因特网的主干带宽宽度,引入了交换层级技术,这种技术能同时涵盖不同类型的通信接口,也就是说第四代主要是运用路由技术(Routing)为主的网络架构。
由于利用了几项不同的技术,所以无线频率的使用比第二代和第三代系统有效得多。
按照最乐观的情况估计,这种有效性可以让更多的人使用与以前相同数量的无线频谱做更多的事情,而且做这些事情的时候速度相当快。
研究人员说,下载速率有可能达到5Mbps到10Mbps。
2.4.8通信费用更加便宜
由于4G通信不仅解决了与3G通信的兼容性问题,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的通信技术,这些技术保证了4G通信能提供一种灵活性非常高的系统操作方式,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,通信营运商们会考虑直接在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行者和用户的费用。
据研究人员宣称,4G通信的无线即时连接等某些服务费用会比3G通信更加便宜。
3国内外研究状况
3.1国际上第四代移动通信发展状况
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。
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。
目前AT&T的4GAccess网络升级分为两个阶段,第一阶段是移动电话基地台的软件构建,第二阶段则估计在两年后进行智能型天线的硬件构建。
北电网络则努力使IP的4G网络传输速度达到20Mbps,因此必须进行SoftwareRadio、宽带接收器、新型功率放大器等相关行动技术的开发。
日本的DoCoMo移动通信公司也已在日本进行第四代移动通信的研究,力图成为第四代移动通信领头羊。
DoCoMo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,并企图使它成为全球的标准。
日本政府决定从2002年财政预算中拨款12亿日元,支持速度更快、功能更齐备的“第四代移动通信系统”的研究与开发,使它成为全球的标准。
日本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,这项4G移动通信技术将于2005年成形。
为了能够抢占未来移动电话技术的先机,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。
日本电气通信技术审议会负责审核4G技术的相关规格,决定其使用频率、系统技术、开发日程等。
日本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。
4G将速率提高到了100Mbit/秒,对4G的目标是2010年之前达到实用化水平。
日本电气通信技术审议会估计,2001~2010年日本3G市场规模将达到42兆日元,仅2010年的营收就将达到9300亿日元,而4G移动电话的市场潜力更远胜于3G。
日本和韩国在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。
3.2我国4G发展的状况
我国在4G领域也取得得大成果。
汉网公司研制出的汉网“宽带无线IP通信系统”要用了4G技术和IP网络技术,以汉网特有的包分多址(PDMA)接入技术为核心,上下行数据速率采用不对称设计,可为无线用户提供高达近2Mbps的高速无线互联网业务,同时提供高速率的文字、图像、视频、话音等不同类型数据业务。
可实现手机、PDA、PC之间的自由通信和组播、多点通信等扩展业务。
4总结
本文分析了4G网络构架以及其关键技术,并对4G和3G采用的技术进行了对比,解读了五大4G技术标准,展望了4G的市场发展,并分析了4G的主要优势和存在缺陷。
我们可以看出4G中除了核心网络之外,其他的很多设备和技术,都可以利用3G中所采用的技术资源和设备,改进原有的硬件设施,对原有的软件进行升级融合,再加上4G的关键技术,使得3G平滑过渡到4G,并且能够最大限度的降低通信建设的投资资本。
虽然我国在4G研究上已经取得可喜的成果,但仍有很多难题有待解决。
对于我国能否从现有的TD-CDMA平滑过渡到4G,形成4G标准并商用化。
参考文献:
[1]MobileAdhocNetworks.http:
//www.ietf.org/html.charters/Adhocnetwork-charter.html.May,2000
[2]PowerAwareCom
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 技术 及其 应用 浅析
![提示](https://static.bdocx.com/images/bang_tan.gif)