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4G网络通信技术本科毕业论文

4G网络新技术研究

摘要

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

Abstract

Thecommunicationtechnologyadvances,tobringalotofenjoyment.Withthedemandfordatacommunicationsandthedevelopmentofmultimediaservicestomeetthemobiledata,aswehavenotfullyenjoythe3Gmobilecommunicationsystemsbroughtaboutbytheserviceprovidersatthesametime,4GMobileCommunicationTechnologyhasbeenengagedingradually.Thispaperanalyzes:

（1）4Gnetworkstructure;

（2）4GkeytechnologiessuchasOFDM,softwareradio,smartantennatechnology,MIMOtechnology.（3）tocomparethedifferentindicatorsof3Gand4G,3Gand4Gareanalyzedusingdifferenttechniques.（4）discussedthestatusanddevelopmentof4G.

keywords：

4G,networkcommunication

前言

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

第一章4G网络结构

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。

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]。

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。

“原先的分层理论需要避免跨层联动的问题，而跨层设计的思想则恰恰相反，所以这是否是一个可能的发展方向还需进一步讨论。

”尤肖虎指出。

尤肖虎认为组网层面上同样存在很大的改进空间。

（1）现有网络向着扁平化发展，扁平化结构固然具备显而易见的优势，其中最突出的是简化系统结构和减少延时，但同时也带来很多问题，如基站间的协调与管理。

所以如何动态地感知周围干扰、对资源进行动态的配置，成为扁平化网络结构首先需要解决的问题，针对于这一点，尤肖虎认为无线网络的自组织、自优化将成为未来可能的发展方向。

虽然去年的世界无线电大会指定了4个IMT-Advanced的使用频段，但在全世界范围内很难找到4个统一的频段。

以3.4GHz～3.6GHz为例，由于中国的该频段已经用于无线卫星的导航业务，使得这一频段的利用非常复杂，并且出现了很多不确定性。

所以提高频谱利用率成为无线领域的重要命题。

同时尤肖虎还提到，不同频段都具有各自的特点，高频段带宽丰富，但是传播衰减较大;低频段传播质量好，但其带宽较为有限。

尤肖虎认为，4G技术在面临多个频段的情况下，能否将这些频段有效地、甚至是动态地利用起来，从而发挥各个频段的优势，也是业界面临的问题和需要努力的方向。

（2）小区中心的性能差异在4G中仍将是重大难题。

由于信号存在衰减，离天线越远，频谱利用率越低。

而在现有网络结构中，由于基站处于小区的中心位置，所以当用户在小区边缘时很难充分享受到现有业务。

如何改善小区覆盖的均匀性就成为4G技术面临的挑战。

关于改善小区边缘性能的问题，尤肖虎提到了基于Relay和基于分布式天线的两种方式，他认为Relay复杂度较低，容易实现，但问题是中继节点离用户较近，提高频谱利用率的可能性也会因此而降低。

相比而言分布式天线的方式复杂度较高，实现上也有一定的困难，但经论证可以显著提高系统容量，并可较好地兼顾传输性能，在相同天线相同发射功率的条件下，小区的频谱利用率可以明显提高。

另外，出于对电磁污染和手机待机时间问题的考虑，手机发射功率已经成为“瓶颈”问题，分布式天线的方式则可以降低手机功率，对于此问题的解决也有很大助益。

第二章4G网络中的关键技术

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]。

　2.3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。

　2.4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。

　2.5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。

第三章3G与4G的比较

　3.1核心阅读

正当第三代移动通信（3G）正在国内全面铺开的时候，比3G提速十倍以上的新一代移动通信技术TD—LTE，在上海世博会上闪亮登场：

高清视频通话，实时展会直播，高速移动上网……多种移动宽带服务，不仅实现了对5.28平方公里的世博园区的完整覆盖，而且还实现了黄浦江水面以及信息通信馆、世博中心等11个重要场馆室内覆盖。

在这个全球首个“准4G”TD—LTE规模演示网获得成功之后，中国移动又计划下半年在国内三个城市进行扩大规模的实验试用。

引人注目的是，TD—LTE已聚集了大批中外企业，如大唐、华为、中兴、上海贝尔、摩托罗拉，以及创毅视讯、海思等国内外网络设备商与芯片厂商。

种种迹象表明，3G尚在发力，4G已悄然逼近，且伸手可及。

由于目前3G采用很多先进性的技术,将来4G在很大程度上进一步融合3G现有的技术。

比如,智能天线,软件无线电,联合检测,功率控制等。

虽然4G继承了3G的许多技术,但是在指标和技术方面有诸多区别。

　3.2技术指标方面

3G提供了高速数据,在图象传输上,其静止传输速率达到2Mbps,高速移动时的传输速率达到114Kbps,慢速移动时的传输速率达到384kbps,带宽可以达到5MHz以上UMT采用WCDMA技术,利用正教码区分用户,有FDD和TDD两种双工方式。

4G的性能指标是:

a）数据速率从2Mbps到100Mpbs

b）容量达到第3代系统的5～10倍,传输质量相当于甚至优于第3代系统。

广带局域网应能与宽带综合业务数据网（B-ISDN）和异步传送模式（ATM）兼容,实现广带多媒体通信,形成综合广带通信网

c）条件相同时小区覆盖范围等于或大于第3代系统。

d）具有不同速率间的自动切换能力,以保证通信质量。

e）网络的每比特成本要比第3代低。

　3.3技术方面

a）3G的关键技术是CDMA技术,而4G采用的是OFDM技术。

OFDM可以提高频谱利用率,能够克服CDMA在支持高速率数据传输时信号间干扰增大的问题。

b）在软件无线电方面,4G对3G中的软件无线电技术进行升级,满足4G中无线接入多样化要求,使得3G中无线接入标准不统一的问题得以解决。

同时在4G中,实现软切换和硬切换相结合,对3G中的软件无线电基础上通过增加相应的硬件模块,对相应的软件进行升级使他们最终都融合到一起,成为一个统一的标准,实现各种需求的功能。

c）3G网络采用的主要是蜂窝组网,4G采用全数字全IP技术,支持分组交换,将WLAN,Bluetooth等局域网融入广域网中。

在4G中提高智能天线的的处理速度和效率。

在TD-SCDMA采用智能天线的基础上,对相关的软件和算法加以升级,增加一些接口协议来满足4G的要求。

d）4G系统也使用了许多新技术,包括超链接（ultra2connectivity）和特定无线网络技术、动态自适应网络技术、智能频谱动态分配技术以及软件无线电技术,等等。

e）在功率控制上,4G比3G要求更加严格,其目的是为了满足高速通信的要求。

不仅频率资源限制移动用户信号的传输速率,而且基站和终端的发射功率也限制了用户信号的传输速率。

在3G中,采用切换技术来减少对其它小区的干扰,提高话音质量,不过在4G中,切换技术的应用更加广阔,并朝着软切换和硬切换相结合的方向发展[3]。

3.4速度方面

通信委员会的最新研究显示，在使用同样数量频谱（在客户手机于互联网之间传送信息的无线电波）的情况下，下一代移动技术的数据传输能力将是现有3G技术的两倍以上。

传输能力的增强对满足英国迅速增加的移动数据流量来说至关重要，而移动数据流量的增加主要受智能手机和移动宽带数据服务（如流媒体、电子邮件、信息服务、地图服务和社交网络等）增长的带动。

英国计划从2013年开始采用4G移动通信技术，届时，移动宽带服务的速度将显著提高——接近目前的ADSL家庭宽带速度。

这一目标有望通过4G技术更为有效地利用频谱而得以部分地实现。

通信委员会的首席技术官斯蒂芬•昂格尔博士指出：

“在频谱数量相同的情况下，4G移动通信技术传输的数据比3G多。

而效率的提高意味着4G网络将能够支持更高的数据速率和更多的用户。

我们的研究表明，早期4G移动网络的标准配置将是现有标准3G网络3.3倍（即4G的频谱效率高出3G230%）。

鉴于此，早期4G网络的用户在下载一段视频时，所使用的时间只有目前3G网络的三分之一*。

预计到2020年，这一比率将扩大至5.5倍（450%）。

”

相关部门在对现有理论预测和实地部署试验进行审核与分析的基础上，进行了上述研究，而这项研究的目的是希望了解在引入4G技术后，频谱效率可能提高的程度。

这些信息为通信办公室的战略频谱管理工作的提供了重要依据。

这项研究分析了多种4G技术，其中包括长期演进（LTE）及LTE后续技术（仍在开发中），如LTEAdvanced。

研究还探讨了新出现的和后继的WiMAX无线技术，这种技术与Wi-Fi类似，但其覆盖范围更大，可达数公里。

这项研究显示，尽管通过采用4G技术提高了频谱效率，进而增加了4G网络的容量，但这并不足以满足用户对移动数据的需求预期增长。

出了更为有效地利用现有的频谱，还需要更多的频谱，其中部分将通过2012年拍卖800MHz和2.6GHz新频谱获得。

2012将的拍卖将是英国有史以来为移动服务分派额外频谱而举行的规模最大单次拍卖活动，预计拍卖的频谱数量相当于目前所使用的移动频谱总量的四分之三。

此外，移动网络还需要巧妙的设计，以确保频谱能够得到最有效地利用。

该研究预计，为了满足特定地区的用户需求，更多小基站将会大展身手。

3.54G是什么

速度比3G快10倍以上，让互联网和移动终端融为一体；3G是手机通话为主，附带上网；4G是移动上网为主，附带通话

“其实叫4G并不太准确，这是一种通俗的说法，4G到目前并没有完整的定义。

”中兴通讯LTE终端负责人张亮告诉记者：

“4G是相对于3G说的，是指第四代移动通信技术，目前国际电联还没有确定统一的标准，但是LTE（LongTermEvolution）技术应该是主要的方向。

”

“上海世博会推出的TD—LTE被认为是‘准4G’或者3.9G，它的传输速率达到了每秒70兆，大概是现有3G技术的20多倍”，中兴通讯LTE项目总工程师刘宏春说：

“未来的4G在这个基础上会更快，会超过每秒100兆，乃至1G，能够实现比现在的3G提速几十倍，比拨号上网快几千倍，能够满足几乎所有用户对于无线服务的要求。

”

不管未来对4G通信怎样定义，有一点可以肯定：

4G时代将是一个比3G时代更完美的新无线世界，可创造出许多消费者难以想象的应用：

用手机代替卫星传输，实时传输高清晰度视频图像……

率先推出全球首枚TD—LTE芯片的北京创毅视讯有限公司董事长张辉接受记者采访时说：

“4G与3G相比，就是解决了带宽问题，速度会有几十倍的提高，系统性能显著提高，包括用户体验到的速率、系统时延、高速移动下的接入等，而且会大大提高诸如视频流以及网络戏等应用的性能，满足人们的实际需求。

”

刘宏春告诉记者，在4G时代，用手机下载一部电影也就几十秒的时间，发送邮件时加上几十兆附件非常方便和快捷，而且4G可以实现永远在线而省去拨号的麻烦。

张亮认为，对速度要求很高的视频通话、高清电视、互联网戏、电影下载等服务，3G都不算好用。

因此，在3G时代，手机还是以通话为主，上网是附带的功能；而到了4G时代，会把宽带互联网搬到手机上，无线宽带的应用将会大行其道，消费者会以移动上网为主，通话功能则退居其次。

3.64G会采用什么标准

我国自主研制的TD—SCDMA的“升级版”——TD—LTEAdvanced，已经被国际电联纳入4G候选国际标准，有望最终入选

张辉介绍说，4G与3G有一个很大的不同，就是标准逐步统一。

当年，国际电信联盟曾确定了10种3G候选技术，2001年正式批准其中的5项为国际标准。

经过市场选择，最后TD—SCDMA、WCDMA和CDMA2000三种主流技术成功实现商用。

2007年10月，WiMax也成功获得国际电联的批准，跻身3G标准之列。

但在4G国际标准制定中，国际电信联盟在候选技术阶段只确定了两种候选技术，实现了技术聚焦。

这意味着未来的4G标准只有2种甚至1种，如果采用其他的技术，都不能被称为4G。

这两种技术是LTE—Advanced和802.16m，每种又都有两种制式：

时分双工（TDD）和频分双工（FDD）。

我国主推的TD—LTE继承LTETDD制式的优点，又与时俱进地引入了MIMO（多入多出技术）与OFDM（正交频分复用技术），在系统带宽、网络时延、移动性方面都有了跨越式提高。

TD—LTE使用了国际电联定义的4G时代的一部分关键技术，是我国TD—SCDMA的后续演进技术，继承了TD—SCDMA系统大量中国自主知识产权。

以中国移动为代表的中国企业在TD—SCDMA标准化、产业化、规模部署经验的基础上，主导了TD—LTE的标准化和产业化发展，已经打造了初步产业链条，吸引了众多厂商的加入。

据介绍，TD—LTE的增强技术，即TD—LTEAdvanced已经于去年被确立为4G标准的候选技术。

从国际情况来看，TD被国际上大的制造商和一部分运营商所认可，再加上中国手机用户和互联网用户的巨大吸引力，很多专家预计，到今年10月国际电联确认4G国际标准时，TD—LTEAdvanced将很有希望入选[4]。

3.74G手机怎么样

超大屏幕，视频可实现视频通话、高清电视、在线戏等无线宽带服务。

4G终端的本质，其实是电脑做小，而不是手机做大

“4G手机，准确的说是4G终端，与3G、2G时代的手机相比，有了很大的变化”，张亮说，“就好像普通公路变成高速公路了，道宽了，路平了，就需有好车和跑车。

做4G就是修跑道，4G终端就是跑车。

”

“现在我们研制的‘跑车’状态很好”，张亮给记者透露，中兴通讯经过2年多的研发，成功开发出多款4G手机，而且产品已经大规模测试，明年1月份即将上市。

将先在美国和欧洲等国外地区进行商用，同时在中国移动试验网开始测试。

张亮说，其实苹果之前推出的ipad（平板电脑），也指出了未来一个方向，移动互联网将是4G终端的核心应用。

因此，4G手机将拥有超大屏幕，7寸、9寸甚至更大。

他透露，中兴品牌的4G终端最小也是7寸的屏幕。

“说白了，我为什么叫4G终端而不说4G手机，因为4G终端的本质，其实是电脑做小，而不是手机做大。

”张亮说，“也正因为此，4G终端的研发并不容易，更关注用户对互联网的体验，在待机时间、天线等设计等方面都很有难度。

我们做了2年，现在已经有3款产品在测试。

”

对于消费者关心的价格问题，张亮认为开始可能贵一些，但随着规模起来，价格会越来越低，等到产业链完善时，成本会接近3G手机的水平，价格也会和目前3G手机相当。

3.8公众何时能用上4G

国外明年将用，我国下半年在三城市试点，预计2012年在热点地区投入商用

多位专家都表示，4G的商用比预想要快很多，在国外明年就将小规模商用，我国预计2012年开始小规模商用。

“我国从2G发展到3G，用了10年时间，比欧美要晚很多。

为什么花这么长时间？

因为需求不明确”，张辉认为，2G就能打电话、发短信，可以满足当时大多数中国消费者的需求，因此3G的需求开始并不旺盛。

现在随着智能手机的普及，特别是移动互联网的爆发，需求突然不再是问题。

因为随着互联网和手机的结合，互联网主流业务进入移动领域，彻底解决了需求问题，这将使4G的商用大大提前。

“以前是产业推动需求，现在是需求拉动产业，其结果很不一样”，张辉表示，3G在带宽方面的局限，用户对移动互联网的需求，将推动4G的快速发展。

由于我国推动3G较晚，中国移动和通信设备厂商在大规模铺开3G网络的时候，就已经考虑了向4G升级。

刘宏春告诉记者，现在帮助运营商建设3G网络，将来如果要升级到4G，设备不用更换，也基本不需要增加硬件，只需要做软件系统的升级就能实现。

在国内进行的TD—LTE网络相关技术的测试中，结果令人满意，特别是移动设备在3G和4G网络中的混用测试的成功，将保证未来TD—SCDMA向TD—LTE网络的顺利过渡。

他向记者透露，中兴通讯目前已经在海外承建了5个商用实验网，包括欧洲、俄罗斯、美国等地，预计明年就将开始小规模的商用。

而在我国，在上海世博会TD—LTE规模演示网成功运行之后，工信部和中国移动正在3个城市推进规模化的实验试用，预计下半年会在每个城市设立100个基站，客户为5000人。

初期将通过数据卡方式向用户提供服务，到明年第三季时会扩展至智能手机用户。

专家预计，中国移动将于2012年在热点地区推出4G商用服务。

3.94G会取代3G吗

4G将首先覆盖热点和发达地区，未来我国将形成2G、3G和4G并存的局面，而不是简单升级替换

接受记者采访的所有专家都认为，3G包括2G都不会被4G完全取代，三者将会长期并存。

张辉认为，4G面对的是高端的数据服务，是对3G有效的补充。

考虑到成本和需求，一定是从热点城市和发达地区布网开始，不可能全国布网。

中国电信研究院的一位专家告诉记者，3G的商用没有将2G完全替代掉，而4G也一样替代不了3G。

中