对4G移动通信技术的研究与分析.docx
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对4G移动通信技术的研究与分析
成都工业学院成教院
毕业设计(论文)
论文题目:
对4G移动通信技术的研究与分析
教学点:
重庆科创职业学院
指导老师:
郑雪娇职称:
讲师
学生姓名:
覃梅莲学号:
**********
专业:
通信技术
成都工业学院成教院制
二〇一四年三月二日
成都工业学院成教院
毕业设计(论文)任务书
题目:
对4G移动通信技术的研究与分析
任务与要求:
1.完成4G移动通信技术的网络构架;2.完成4G移动通信技术关键技术的认识;3.在规定的时间内完成论文的初稿终稿;4.独立完成;5.字数不少于6000字。
时间:
2013年11月28日至2014年4月17日共20周
教学点:
重庆科创职业学院
学生姓名:
覃梅莲学号:
**********
专业:
通信技术
指导单位或教研室:
重庆科创职业学院
指导教师:
郑雪娇职称:
讲师
成都工业学院成教院制
毕业设计(论文)进度计划表
日期
工作内容
执行情况
指导教师
签字
2013.11.28-2013.12.20
查找资料,选题
2013.12.22-2014.1.31
完成论文的初稿
2014.2.1-2014.3.15
完成论文二稿的写作
2014.3.16-2014.4.5
完成论文的终稿及格式修改
2014.4.6-2014.4.20
定稿,打印论文,做好评阅的准备
2014.4.21-2014.4.25
论文评阅
教师对进度计划实施情况总评
签名
年月日
本表作评定学生平时成绩的依据之一。
摘要
4G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。
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。
4G移动通信接入系统的显着特点是,智能化多模式终端(multi-modeterminal)基于公共平台,通过各种接技术,在各种网络系统(平台)之间实现无缝连接和协作。
在4G移动通信中,各种专门的接入系统都基于一个公共平台,相互协作,以最优化的方式工作,来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、给出最优化路由,以达到最佳通信效果。
目前,4G移动通信的主要接入技术有:
无线蜂窝移动通信系统(例如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)。
随着技术发展和市场需求变化,新的接入技术将不断出现。
关键字:
4G、接入系统、智能化
Abstract
4gisthefourthgenerationofmobilecommunicationtechnology,isacollectionof3gandWLANinoneandhighqualityvideoimageandtheimagetransmissionqualitycanbetransmittedwithhighdefinitiontelevisiontechnologyproducts.
4gsystemforallkindsofdifferentbusinessaccesssystem,throughmultimediaaccessconnectiontothecorenetworkbasedonIP.UserscanrealizethenetworkstructurebasedonIPtechnologyin3g,4g,WLANandseamlessroamingbetweenfixednetwork.4gnetworkstructurecanbedividedintothreelayers:
thephysicalnetworklayer,middleenvironmentlayer,applicationlayer.Thephysicalnetworklayertoprovideaccessandroutingfunction,thefunctionofenvironmentmiddlelayerwithnetworkservicequalitymapping,addresstransformandcompletemanagement,etc.Thephysicalnetworklayerandintermediatelayerandapplicationenvironmentisopen,theinterfacesbetweendevelopmentandtoprovidenewserviceseasier,provideseamlesshighdataratewirelessservices,andrunonmultiplefrequencyband,thisservicecanbeadaptiveinmultiplewirelessstandardsandmulti-modeterminals,acrossmultipleoperatorsandserviceproviders,toprovideservicesinalargerscope.
4gmobilecommunicationaccesssystem,isthesignificantcharacteristicofintelligentmulti-modeterminals(multi-modeterminal)basedonthepublicplatform,throughavarietyoftechnology,inbetweenvariousnetworksystem(platform)torealizetheseamlessconnectionandcollaboration.In4gmobilecommunication,allkindsofspecialaccesssystemsarebasedonacommonplatform,collaborateandworkintheoptimizationofway,tomeetthecommunicationneedsofdifferentusers.Whenmulti-modeterminalaccesssystem,thenetworkwillgivethatoptimalrouting,adaptiveallocationband,inordertoachievethebesteffectofcommunication.Atpresent,themainaccesstechnologyof4gmobilecommunicationare:
wirelesscellularmobilecommunicationsystem(2g,3g,forexample);Wirelesssystem(DECT);Shortdistanceconnectionsystem(suchasbluetooth);WLANsystem;Fixedwirelessaccesssystem;Satellitesystem;Thestratospherecommunication(STS);Radioandtelevisionaccesssystem(suchasDAB,DVB-T,CATV).Withthedevelopmentoftechnologyandmarketdemandchange,newaccesstechnologywillappearconstantly.
Keywords:
4g、accesssystem、intelligent
第一章绪论
20世纪70年代,美国贝尔实验室发明了蜂窝小区和频率复用的概念,现代移动通信开始发展起来。
1978年,开发了第一种真正意义上的大容量蜂窝移动通信系统-高级移动电话系统(AMPS)。
1979年,日本推出800MHz汽车电话系统(HAMTS)。
西德于1984年完成C网,频段450MHz。
1985年,英国开发出全接入系统(TACS),频段900MHz。
法国开发出450系统。
加拿大推出450MHz移动电话系统(MTS)。
瑞典等北欧四国于1980年开发出NMT-450移动通信网并投入使用,频段450MHz。
这些系统为双工的基于频分多址(FDMA)的模拟制式系统,被称为第一代蜂窝移动通信系统。
所有技术的发展都不可能在一夜之间实现,从2G、3G、E3G到B3G(4G),需要不断演进,而且这些技术可以同时存在。
人们都知道最早的模拟蜂窝通信技术只能提供区域性语音业务,而且通话效果差、保密性能也不好,用户的接听范围也是很有限。
随着移动电话迅猛发展,用户增长迅速,传统的通信模式已经不能满足人们通信的需求,在这种情况下就出现了数字移动通信系统。
第一个数字蜂窝标准GSM基于时分多址TDMA方式,于1992年由欧洲提出,这就是数字移动通信手机第一代(1G)。
前两年正流行的数字移动通信手机是第二代(2G),一般采用GSM或CDMA技术。
第二代手机除了可提供所谓“全球通”话音业务外,已经可以提供低速的数据业务了,也就是收发短消息之类。
在新兴通信技术的不断推动之下,象征着3G通信的标志技术WCDMA也可能成为未来通信技术的主流。
而时下正流行的数字移动通信手机就是第三代(3G)。
就在3G通信技术正处于酝酿之中时,更高的技术应用已经在实验室进行研发。
因此在人们期待第三代移动通信系统所带来的优质服务的同时,第四代移动通信系统的最新技术也在实验室悄然进行当中。
那么到底什么是4G通信呢?
第二章4G的产生和演进
第一节4G的发展简介
20世纪70年代,美国尔实验室发明了贝蜂窝小区和频率复用的概念,现代移动通信开始发展起来。
1978年,开发了第一种真正意义上的大容量蜂窝移动通信系统-高级移动电话系统(AMPS)。
1979年,日本推出800MHz汽车电话系统(HAMTS)。
西德于1984年完成C网,频段450MHz。
1985年,英国开发出全接入系统(TACS),频段900MHz。
法国开发出450系统。
加拿大推出450MHz移动电话系统(MTS)。
瑞典等北欧四国于1980年开发出NMT-450移动通信网并投入使用,频段450MHz。
这些系统为双工的基于频分多址(FDMA)的模拟制式系统,被称为第一代蜂窝移动通信系统。
所有技术的发展都不可能在一夜之间实现,从2G、3G、E3G到B3G(4G),需要不断演进,而且这些技术可以同时存在。
第一个数字蜂窝标准GSM基于时分多址TDMA方式,于1992年由欧洲提出,这就是数字移动通信手机第一代(1G)。
前两年流行的数字移动通信手机是第二代(2G),一般采用GSM或CDMA技术。
第二代手机除了可提供所谓“全球通”话音业务外,已经可以提供低速的数据业务了,也就是收发短消息之类。
在新兴通信技术的不断推动之下,象征着3G通信的标志技术WCDMA也可能成为未来通信技术的主流。
而时下正流行的数字移动通信手机就是第三代(3G)。
就在3G通信技术正处于酝酿之中时,更高的技术应用已经在实验室进行研发。
因此在人们期待第三代移动通信系统所带来的优质服务的同时,第四代移动通信系统的最新技术也在实验室悄然进行当中。
那么到底什么是4G通信呢?
第一代移动通信以模拟技术为主,只提供话音业务,没有国际性标准,第二代移动通信已经全数字化,除话音外,可传输低速的数据业务,可以漫游,主要有两大标准GSM和CDMA;第三代移动通信将无线通信与多媒体技术结合到一起,能够比较快速的处理声音、音乐、图像、视频流等多种形式的数据,并提供与互联网连接的多种信息服务。
主要有WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA三大主流标准。
从2000年开始,许多国家和地区开始了对数据的研究。
研究的目标是实现全球覆盖的无缝的高质量无线业务。
国际电信联盟于2006年至2007年展开对4G无线频谱的规划工作,于2007年11月对外公布了结果,并从2008年开始向全世界征求4G候选技术。
目前国际电信联盟(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WirelessMAX-Advanced这两种标准,4G标准已经达到了5种。
其中,LTE在市场方面占据绝对领先地位。
它是3GPP面向未来通信发展所提出的演进技术,定义了FDD和TDD两种方式。
前者由WCDMA技术演进而来,又吸收了CDMA2000成果,收到了传统移动运营商的支持,后者是TD-SCDMA的发展,频谱利用率上具有较大优势,一般称为TD-LTEE,由中国最大的电信运营商中国移动修订与发布。
随着TD-LTE技术研究的深入,月俩月多的运营商和设备厂商加入到队伍中来。
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。
第二节4G的概念
目前可以找到的、对4G概念比较正式的解释是可称为宽带接入和分布式的网络,具有非对称超过2Mbps的数据传输能力,可对全速移动用户能提供高质量影像服务,可实现三维图像的高质量传输。
它包括宽带无线固定接入、款低啊无线局域网(WLAN)、移动宽带系统和互操作的广播网络(基于地面和卫星系统),是集多种无线技术和无线LAN系统为一体的综合系统,也是宽带IP接入系统。
其宽带无线局域网能与B.ISDN和ATM兼容,实现宽带多媒体通信,形成综合宽带通信网(IBCN),还能提供通信信息之外的定位定时、数据采集、远程控制等综合能力。
第三节4G的特点
一、速度快频谱宽
4G系统的目标速率明显超过3G,对于大范围高速移动用户速率为2Mbps,对于中速移动用户数据速率为20Mbps,对于低速移动用户数据速率为100Mbps。
据研究,要使4G通信达到100Mbps的传输速度,每个信道将占有100MHz的频谱,相当于WCDMA网络的20倍。
二、多种业务的完整融合
基于IPv6的高速移动通信网络,以移动数据为主。
改变了传统的以电话业务为主的观念。
个人通信、信息系统、广播娱乐等也无语无缝连接为一个整体,数据、语音、视频等大量信息通过高带宽的信道进行传送,4G也因此被称为“多媒体移动通信”。
三、智能性更高
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下降,更重要的4G手机可以实现许多难以想象的功能。
例如4G手机可以根据环境、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。
四、兼容性能更平滑
要使4G通信尽快地被人们接受,不但考虑它的功能强大外,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。
此外,4G还具有“提供各种增值服务”、“实现更高质量的多媒体通信”、“频率使用效率更高”、“通信费用更加便宜”等优点。
然而,4G同时存在“标准难于统一”、“技术难以实现”、“容量收到限制”、“市场难以消化”等缺点。
第四节4G系统的网络架构
为了满足不同用户对不同业务的需求,使各种有线和无线接入技术更容易相互融合,4G采用基于IPv6的分组交换技术构成核心网,集广播电视网、蜂窝移动网、卫星网、无线局域网、蓝牙等系统和固定的有线网络为一体。
各种针对不同业务的接入网通过多媒体接入系统连接到核心网中,多媒体接入系统完成必要的中间转换和数据融合,核心网独立于各种无接入技术,形成一个公共的、灵活的、可扩展的平台。
安全性的设计在接入网和核心网两个层次可以分别进行,提高系统健壮性。
第三章4G系统的关键技术
第一节定位技术切换技术
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、基于移动网络定位或者混合定位三种方式。
在4G移动通信系统中,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。
切换技术适用于移动终端在不同移动小区之间、不同频率之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要技术。
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。
第二节OFDM技术
OFDM(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing)即正交频分复用技术。
它是对多载波调制技术的改进,可以认为是整个4G技术的核心。
OFDM是一种无线环境下的高速传输技术。
无线信道的频率响应曲线大多是非平坦的,OFDM技术的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,这样尽管总的信道是非平坦的,但每个子信道是相对平坦的。
且在各子信道上进行的是窄带传输,信号带宽小于信道带宽,大大消除信号波形间的干扰。
OFDM技术的最大优点是能对抗频率选择性衰落和窄带干扰,从而减小各子载波间的相互干扰,提高频谱利用率。
第三节MIMO技术和智能天线技术
多输入多输出技术(MIMO)本质是一种分集技术,是多天线技术的发展。
它利用多个天线在收发两端同时工作,在空域上扩展传输通道今儿提高系统的传输速率。
MIMO技术是无线通信领域的重大突破,被认为是现代无线通信的关键技术之一。
其优点可以概括为:
可降低码间干扰,可提高空间分集增益、可提高无线信道容量和频谱利用率。
在4G系统中,MIMO与OFDM结合使用,互为补充。
综合了时间、频率和空间3个域上的分集技术,大大增加了系统数据传输能力。
智能天线主要是指自适应天线矩阵(AAA),其本质是利用相位关系抑制多址干扰和多径干扰。
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。
智能天线除了在提高频谱利用率、抑制干扰等方面的优点外,还可以通过基站对移动用户发射信号的空间特征矩阵的分析,实现对用户空间位置的较精确定位。
在4G系统中,MIMO技术与智能天线技术相互结合构成智能化的MIMO,更加适用于复杂环境下的电波传输,可大大提高系统的通信性能。
第四节软件无线电技术和多用户检测技术
软件无线电(SDR)是改变传统的无线终端的设计以硬件为核心的观念,其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,强调以可配置、可升级的软件编程和DSP技术为核心,尽量以简化的、开放的、标准化的通用硬件平台来实现无线数据收发功能的设计技术。
在系统组成上,软件无线电的硬件部分主要包括天线、射频前端、宽带数字,模拟转换器件、数字信号处理器件等基本单元。
软件部分主要包括类无线信令规则与处理软件、信号流交换软件、调制解调算法软件、信道纠错编码软件、信源编码软件等。
软件无线电技术是解决移动终端在不同无线环境中工作的关键技术。
多用户检测技术可以消除码间的相互干扰,有效的提高了系统的性能。
它的基本思想是把占用某个信道的所有用户的信号或某些用户的信号都看成是有用的信号,并且不作为干扰信号处理,利用多个用户的信号、时间、相位以及码元等信息联合检测单个用户的信号,利用各种的综合手段对接收信号进行处理。
多用户检测是4G技术中抗干扰的关键技术,对进一步提高系统容量,改善系统性能有重要作用。
第五节新的调制和信号传输技术
高频段进行高速移动通信,将面临严重的选频衰落(frequency-selectivefading)。
为提高信号性能,研究和发展智能调制和解调技术,来有效抑制这种衰落。
例如正交频分复用技术(OFDM)、自适应均衡器等。
另一方面,采用TPC、Rake扩频接收、跳频、FEC(如AQR和Turbo编码)等技术,来获取更好的信号能量噪声比。
第四章对4G的分析与展望
第一节4G通信系统的相关技术
从4G的发展前景看,除0FDM和智能天线等核心技术外还包含一些相关技术。
(1)交互干扰抑制和多用户识别:
待开发的交互干扰抑制和多用户识别技术应成为4G的组成部分。
它们以交互干扰抑制的方式引入到基站和移动电话系统,消除不必要的邻近和共信道用户的交互干扰,确保接收高质量信号。
这种组合将满足更大用户容量和覆盖范围,大大减少网络基础设施的部署,确保服务质量。
(2)可重构性自愈网络:
4G无线网络中将采用智能处理器,可处理节点故障或基站超载。
网络各部分采用基于知识解答装置,可纠正网络故障。
(3)微微无线电接收器:
未来4G中要研究的另一重点,它是嵌入式无线电。
采用此技术,功耗是采用现有技术的l/10~1/100。
(4)无线接入网(RAN):
4G系统高速度、大容量,低比特成本。
4G系统RAN的发展趋势是电路交换向基于IP分组交换发展,设备分集向网络分集发展。
这种基于IP技术的网络架构使得在3G、4G、W-LAN、固定网之间漫游得以实现,并支持下一代因特网。
4G是人类有史以来最复杂的技术系统。
要顺利全面地实施4G通信,还将遇到一些困难,其发展将面临极大的市场压力。
目前世界发达国家正积极进行4G技术规格的研究制定,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施方案,从而实现用户的大范围移动。
第二节
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