现代通信网络关键技术(4)复习课程

现代通信网络关键技术（4G）一．4G概述1.14G的网络结构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。

1.2 4G基本特征1）移动化移动化将人们从地理的限制上解脱出来，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。

无线已是现代通信的必要手段，传输距离的远近会直接影响建设的进度与成本。

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之后，视频应用将是4G网络上的最主要内容。

3G向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。

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）融合化随着4G的演进，不同的无线技术在下一代网络（NGN）架构下将实现融合、共存，发挥各自的优势，形成多层次的无线网络环境。

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。

5）灵活性4G移动通信系统采用智能技术使其能自适应地进行资源分配，能对通信过程中不断变化的业务流大小进行相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。

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。

了实现1Gbps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连续频谱几乎是不可能的，而在高频段又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。

1.3 4G的关键技术4G移动通信系统将应用一批先进的技术，包括正交频分复用（OFDM）、多输入多输出（MIMO）技术、智能天线、空时编码技术、无线链路增强技术、软件无线电技术、高效的调制解调技术、高性能的收发信机、多用户检测技术和分布式网络架构等，提供全新的空中接口，并为终端用户带来更多的使用体验。

1）OFDM未来无线多媒体业务既要保证数据传输速率高，又要保证传输质量，这就要求所采用的调制解调技术既要有较高的信元速率，又要有较长的码元周期，OFDM技术正满足这一需求。

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，大大消除了信号波形间的干扰。

OFDM技术的最大优点是能对抗频率选择性衰落和窄带干扰，从而降低各子载波间的相互干扰，提高频谱利用率。

2）软件无线电技术在4G众多关键技术之中，软件无线电技术是通向未来4G的桥梁。

由于各种技术的交迭有利于减少开发的风险，所以未来的4G技术需要适应不同种类的产品的要求。

而软件无线电技术则是适应产品多样性的基础，它不仅能减少开发风险，还更易于开发系列型产品。

此外，它还减少了硅芯片的容量，从而削减了运算器件的价格，其开放的结构也会允许多方运营的介入；同时，由于数码信号处理器（DSP）的使用，也弥补了廉价射频（RF）所造成的不足。

在实际应用中，RF部分是昂贵而缺乏灵活性的，宽带的RF是非线性的，而通过使用软件无线电技术可弥补其在灵活性上的不足。

3）智能天线技术智能天线技术也是4G中的关键，它与软件无线电技术同样紧密相连。

它是在软件无线电基础上提出的天线设计新概念，是数字多波束形成（DBF）技术与软件无线电完美结合的产物。

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。

目前，智能天线的工作方式主要有全自适应方式和基于预多波束的波束切换方式。

全自适应智能天线虽然从理论上讲可以达到最优，但相对而言各种算法均存在所需数据计算量大、信道模型简单、收敛速度较慢、在某些情况下甚至可能出现错误收敛等缺点。

实际信道条件下，当干扰较多、多径严重，特别是信道快速时变时，很难对某一用户进行实时跟踪。

在基于预多波束的切换波束工作方式下，全空域被一些预先计算好的波束分割覆盖，各组权值对应的波束有不同的主瓣指向，相邻波束的主瓣间通常会有一些重叠，接收时的主要任务是挑选一个作为工作模式，与自适应方式相比它显然更容易实现，是未来智能天线技术发展的方向。

4）MIMOMIMO系统，该技术最早是由Marconi于1908年提出的，它利用多天线来抑制信道衰落。

根据收发两端天线数量，相对于普通的单输入单输出（SISO）系统，MIMO还可以包括单输入多输出（SIMO）系统和多输入单输出（MISO）系统。

MIMO系统在一定程度上可以利用传播中的多径分量，也就是说MIMO可以抗多径衰落，但是对于频率选择性深衰落，MIMO系统依然是无能为力。

目前解决MIMO 系统中的频率选择性衰落的方案一般是利用均衡技术，还有一种是利用OFDM。

大多数研究人员认为OFDM技术是4G的核心技术，但4G需要极高的频谱利用率，而OFDM提高频谱利用率的作用毕竟是有限的。

在OFDM的基础上合理开发空间资源，也就是MIMO+OFDM，可以提供更高的数据传输速率。

另外，OFDM由于码率低和加入了时间保护间隔而具有极强的抗多径干扰能力。

由于多径时延小于保护间隔，所以系统不受码间干扰的困扰，这就允许单频网络（SFN）可以用于宽带OFDM系统，依靠多天线来实现，即采用由大量低功率发射机组成的发射机阵列消除阴影效应，来实现完全覆盖。

5）先进的信道编码技术4G移动通信系统采用Turbo码与基于低密度校验（LDPC）码相结合的信道编码技术，同时与自动重发请求（ARQ）技术和分集接收技术相结合，从而在低Eb/No条件下保证系统足够的性能。

6）基于IP的核心网B3G-TDD移动通信系统的核心网是一个基于全IP的网络，同已有的移动网络相比具有根本性的优点，即可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，可以提供端到端的IP 业务，能与已有核心网和公共交换电话网（PSTN）兼容。

其具有开放的结构，允许多种空中接口接入核心网；同时能将业务、控制和传输分开。

IP与多种无线接入协议相兼容，因此在核心网的设计上具有很大的灵活性。

7）高性能的接收机4G移动通信系统对接收机提出了很高的要求。

Shannon定理给出了在带宽为BW的信道中实现容量为C的可靠传输所需要的最小信噪比（SNR）。

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。

二．国际合作与国际竞争形势国际上4G的技术与标准角力早就如火如荼地展开，任何有企图的厂商、任何有实力的国家，都不愿意在这场战役中缺席。

目前，日本、韩国、美国、欧盟等已经在泛4G技术的研究上取得了领先，这些国家无不是采用《政府+运营商+制造企业》的模式来推动泛4G技术的研究，许多企业已经在泛4G技术领域有了长达十年左右的技术储备。

目前，欧洲和美国一些大学和机构都已大力投入对4G 的研究，并结成了一些联盟。

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。

据美国电气电子工程学会（IEEE）最新公布的802.16无线宽带技术草案文本，该机构目前正在研究一项无线传输新标准802.16m兼容WiMAX和4G。

802.16m标准在快速移动状态下的传输速率可达100Mbit/s。

新标准之所以能达到以上速率，主要归功于MIMO技术，802.11g和802.11n标准路由器及接入节点目前已广泛采用MIMO技术。

54Mb/s的路由器在采用了MIMO技术之后，理论传输速率可达108Mb/s。

据称，新标准至少还需一到两年才能出台。

2006年3月，中国、韩国和日本曾就进一步联合研发4G移动通信标准一事达成共识。

中国信息产业部与他国的4G合作研发始于2003年，当时与日本NTTDoCoMo签订了合作意向书，共同探讨和研发4G技术；2004年10月，又与韩国达成协议，扩大技术合作范围，共同支持对4G无线通信系统的研发。

在FuTURE计划的支持下，一批中国研究机构作为合作伙伴参与了欧盟第六框架WINNER、Magnet、MOCCA等国际上有关未来移动通信研究项目，并与一批跨国企业设立了一系列联合研发项目。

FuTURE计划已成为世界范围内推动新一代移动通信技术发展的重要组成部分。

目前ITU（国际电信联盟的简称）还没确定4G标准。

根据ITU的4G时间表：2006～2007年完成频谱规划，2007～2008年国际电信联盟将会征集4G标准，2010年左右完成全球统一的标准化工作，2012年之后开始逐步商用。