第四代移动通信系统及其关键技术
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OF DM 技术的缺点有[ 7] : ( 1) 对频率偏移和相位噪声敏感。频率偏移和 相位噪声会使 OF DM 各个子载波之间的正交性恶 化, 使得信噪比下降; ( 2) 功率峰值与均值比( PARR) 大, 导致发送端 放大器功率效率较低。由于 OFDM 的信号是由多 个独立的经过调制的子载波信号相加合成的, 因此 有可能产生较大的峰值功率, 也就有可能产生较大 的 PARR 值。而 过高的 PARR 值通常会对发送端 功率放大器提出较高的线性要求, 从而增加基站和 用户终端的成本; ( 3) 自适应的调制技术使系统复杂度有所增加。 OF DM 采用的自适应调制技术会增加 发射机和接 收机的复杂度, 并且当移动终端达到车载的移动速 度 时, 自 适 应 的 调 制 技 术 就 没 有 很 大 意 义 了。 OF DM 技术主要的技术难点是系统中 的频率和时 间同步, 基于导频符号辅助的信道估计, 峰平比问题 和多普勒频偏 的影响, 以及基 于 OFDM 、多载波技 术的新一代蜂窝移动通信系统的多址方案的研究。
Bluetooth, HyperLAN 等, 同时也使 得 IP 核 心网可 以与接入网独立发展。 1. 7 实现更高质量的多媒体通信
4G 能够满足在覆盖范围、通信质量、通信价格 上支持的高速数据和高分辨率多媒体服务的需要。 4G 通信提供的无线多媒体通信服务将包括语音、数 据、影像等, 大量信息通过宽频的信道传送出去, 为 此第四代移动通信系统也称为! 多媒体移动通信∀。 1. 8 通信费用更加便宜
由于 4G 通信不仅解决了与 3G 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通信技术, 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, 通信运营商们将 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营成本。
O FDM 技术的主要优点有[ 7] : ( 1) 能对 抗频 率选 择性衰 落或 窄带 干扰。在 OFDM 系统中各子 信道的载波相互正交于是 它们
的频谱是相互重叠的, 这样不但减小了子载波间的 相互干扰, 同时又提高了频谱利用率, 其频谱利用率 可以接近 Nyquist 极限;
( 2) OFDM 采 用跳 频的 方法来 选用 正交 子载 波。跳频是把 1 个宽频 段分解为若干 个频率间隔 ( 频道或频隙) 发端在某一个特定的时间间隔中采 用哪一个频道发送信号, 由一个伪随机序列进行控 制。由于发射频道在各个时间段是跳变的, 除非窄 带干扰在特定时间内与所需信号同时落入一个频道
3 第四代移动通信系统中的关键技术
3. 1 正交频分复用( OFDM) 技术 在高频段进行高速移动通信, 将面临严重的频
率选择性衰落。为了提高信号性能, 我们需要研究 和发展智能调制和解调技术, 来有效抑制这种衰落, 第四代移动通信技术采用 OF DM 为技术核心。选 择 OFDM 作为第四代移动通信的核心技术, 其主要 理由包括无线电频率使用效益高、适合高速的数据 传输、抗噪声能力相当强等[ 6] 。OF DM 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, 而该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, 将高速数据信 号转换成并行的低速子数据流, 在每个子信道上使 用一个子载波进行调制, 并且各子 载波并行传输。 这样, 每个子信道是相对平坦的, 即使总的信道是非 平坦的。同时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, 因此就可以大大消 除信号波形间的干扰。OFDM 与一般的频分 复用 的主要差别在于: 它的不同载波的频谱可以相互交 叠, 因此可以得到最佳的频谱利用率, 同时, 接收端 只要采用正交解调的方法就可以恢复出有用的信息 信号。
内, 才会形成对这一频道特定的干扰, 否则干扰在进 入接收机前端时将被有效抑制;
( 3) 抗码间干扰( ISI) 能力强。码间干扰是数字 通信系统中除噪声干扰之外最主要的干扰, 它与加 性的噪声干扰不同, 是一种乘性干扰。造成码间干 扰的原因有很多, 实际上, 只要传输信道的频带是有 限的, 就会造成一定的码间干扰。OFDM 由于采用 了循环前缀, 故对抗码间干扰的能力很强。
目前正在开发和研制中的 4G 通信将具有以下 主要特点[ 4] : 1. 1 信息传播速率更快
由于人们研究第四代移动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
收稿日期: 2006- 12- 27 作者简介: 姚引娣( 1978- ) , 女 , 陕西宝鸡人, 西安电子科技大学通信工程学院在读硕士研究生, 西安邮电学院通信工程系助理
工程师。
# 26 #
西安邮电学院 学报
2007 年 9 月
率, 因此 4G 通信的特征莫过于他具有更快的无线通 信速度。第三代移动通信系统数据传输速率最高可 达 2Mbit/ s, 专家预估, 第四代移动通信系统的速度可 达到 10- 20Mbit/ s, 最高可以达到 100Mbit / s。 1. 2 多种业务的完整融合
采用智能技术的 4G 通信系统将是一个高度自 治、自适应的网络。它具有良好的重构性、尺度可变 性、自组织等。可以用于满足不同的环境、不同的用 户的通信需求。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结合的正常发送与接收, 有很强的智能性、适应性和灵活性。能使其自适应 地进行资源分配, 能够调整系统对通信过程中变化 的业务流大小进行相应处理而满足通信要求, 终端 设备的设计和操作也将具有智能化。 1. 4 兼容性能更强
( 1) 不能支持较高的通信速率。 ( 2) 不能提供动态范围多速率业务。 ( 3) 对 IP 的支持不够。 ( 4) 业务提供和业务管理不灵活。 ( 5) 安全方面存在算法过多、认证协议容易被攻 击等安全缺陷。 3G 的这些不足以及政策、经济等因素导致了对 它的众多争议, 再加上市场的需求和技术的发展, 更
摘要: 在第三代移动通信系统应用的同时, 第四代移动 通信系 统的研究 已全面 展开。本 文简要的 分析了 第三代 移
动系统存在的不足, 提出了第四代移动通信系统 的概念并详细的 介绍了 4G 的定义及 其主要 特点。简要 的介绍 了
4G 的网 代移动通信系统; 网络结构; OF DM ; 软件无线电; IPv 6
个人通信、信息系统、广播、娱乐等业务无缝连 接为一个整体, 满足用户的各种需求。4G 应能集成 不同模式的无线通信 从无线局域网和蓝牙等室内 网络、蜂窝信号、广播电视到卫星通信, 移动用户可 以自由地从一个标准漫游到另一个标准。各种业务 应用、各种系统平台间的互联更便捷、安全, 面向不 同用户要求, 更富有个性化。4 G 技术能提供各种 标准的通信业务, 从而满足宽带和综合多种业务需 求。 1. 3 高度智能化的网络
2 第四代移动通信系统网络结构
在第四代移动通信系统中, 为了满足不同用户 对不同业务的需求, 将各种针对不同业务的接入系 统通过多媒体接入系统连接到基于 IP 的核心网中, 形成一个公共的、灵活的、可扩展的平台, 网络的连 接如图 1 所示[ 5] 。
图 1 4G 系统的网络结构
从图 1 中可以看出基于 IP 技术的网络架构使 得用户在 2G、3G、4G、WLAN、固定网之间无缝漫游 可以实现。我们可将系统网络体系结构分为 3 层, 如图 2 所示。
要使 4G 通信尽快地被人们接受, 还应该考虑 到让更多的用户在投资最少的情况下轻易地过渡到 4G 通信。因此, 从这个角度来看, 4G 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 2G, 3G 平稳过渡等特点。 1. 5 高速移动中不同系统间的无缝连接和随时随
地的移动接入 用户在高速移动中也能接入到系统中, 并在不 同系统间无缝切换, 进行高速率的多媒体业务数据 传送。在 4 G 系统中利用先进的无线接入技术, 提 供话音、高速信息业务、广播以及娱乐等多媒体业务 接入方式, 让用户可在任何时间、任何地点接入到系 统中。 1. 6 基于全 IP 的核心网 4G 通信系统将会采用 IPv6, IPv6 将能在 IP 网 络上实现话音和多 媒体业务。支持有线及无 线接 入, 且所采用的无线接入方式和协议与核心网协议、 链路层是分离独立的。采用 IP 技术使得核心网能 够支持不同的接入方式, 如 IEEE802. 11, WCDMA,
中图分类号: T N 929. 5
文献标识码: A
文章编号: 1007- 3264( 2007) 05- 0025- 05
引言
在当今的通信领域中, 数据网络和多媒体通信 逐步和无线通信的可移动性相结合, 移动多媒体迅 速发展起来, 移动多媒体业务存在强大的市场需求。 第一代通信系统和第二代移动通信技术已经不能够 满足市场对频谱资源的需求, 第三代移动通信系统 是能够满足国际电联提出的 IM T - 2000PFPL MT S 系统标准的无线通信与互联网等多媒体通信结合的 新一代移动通信系统。它能够提供多种类型、高速 数据传输、高质量的多媒体业务, 能实现全球无缝覆 盖, 具有全球漫游能力。目前, 经 IT U 认可的第三 代移动通信系统( 3G) 标准有 WCDMA、CDM A2000 以及我国提出 的拥有自 主知识产 权的 T D- SCD MA 。但 3G 也存在以下几方面的局限性[ 1] :
2007 年 9 月 第 12 卷 第 5 期
西安邮电学院学报 JOU RNA L OF XI AN U NI VERSIT Y O F POST AN D T ELECOM M U N ICAT IO NS
Sep 2007 Vol 12 N o 5
第四代移动通信系统及其关键技术
姚引娣1, 2
( 1. 西安电子科技大学 通信工程学院 , 陕西 西安 710071; 2. 西安邮电学院 通信工 程系, 陕西 西安 710121)
3. 2 智能天线( SA) 与多输入多输出( M IMO) 技术 智能天线原名自适应天线阵列[ 8] ( AA A, A dap
t ive Antenna Array) , 最初应用于雷达、声纳等军事 方面, 主要用来完成空间滤波和定位, 大家熟悉的相 控阵雷达就是一种较简单的自适应天线阵。移动通
先进的 4G 已被推上议事日程。虽然第三代移动通 信系统至今都还没有真正实际投入商用, 但是很多 公司已经着手第四代移动通信的研究。
1 第四代移动通信系统及其特点
第四代移动通信技 术的概念[ 2- 3] 可称 为宽带 接入和分布网络, 具有非对称的超过 2Mbit / s 的数 据传输能力。对全速移动用户能提供 150M bit/ s 的 高质量的影像服务, 并首次实现三维图像的高质量 传输。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) , 能够提供 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。
从图 2 可以看出, 第四代移动通信系统的网络 体系结构可以由下而上分为: 物理层、网络业务执行 技术层、应用层等 3 层。物理层提供接入和选路功 能,网络业务执 行技术 层作为 桥接层 提供 QoS 映
第5期
姚引娣: 第四代移动通信系统及其关键技术
# 27 #
图 2 4G 系统的网络体系分层
射、地址转换、即插即用、安全管理、有源网络。物理 层与网络业务执行技术层提供开放式 IP 接口。应 用层与网络业务执行技术层之间也是开放式接口, 用于第三方开发和提供新业务。
Bluetooth, HyperLAN 等, 同时也使 得 IP 核 心网可 以与接入网独立发展。 1. 7 实现更高质量的多媒体通信
4G 能够满足在覆盖范围、通信质量、通信价格 上支持的高速数据和高分辨率多媒体服务的需要。 4G 通信提供的无线多媒体通信服务将包括语音、数 据、影像等, 大量信息通过宽频的信道传送出去, 为 此第四代移动通信系统也称为! 多媒体移动通信∀。 1. 8 通信费用更加便宜
由于 4G 通信不仅解决了与 3G 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通信技术, 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, 通信运营商们将 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营成本。
O FDM 技术的主要优点有[ 7] : ( 1) 能对 抗频 率选 择性衰 落或 窄带 干扰。在 OFDM 系统中各子 信道的载波相互正交于是 它们
的频谱是相互重叠的, 这样不但减小了子载波间的 相互干扰, 同时又提高了频谱利用率, 其频谱利用率 可以接近 Nyquist 极限;
( 2) OFDM 采 用跳 频的 方法来 选用 正交 子载 波。跳频是把 1 个宽频 段分解为若干 个频率间隔 ( 频道或频隙) 发端在某一个特定的时间间隔中采 用哪一个频道发送信号, 由一个伪随机序列进行控 制。由于发射频道在各个时间段是跳变的, 除非窄 带干扰在特定时间内与所需信号同时落入一个频道
3 第四代移动通信系统中的关键技术
3. 1 正交频分复用( OFDM) 技术 在高频段进行高速移动通信, 将面临严重的频
率选择性衰落。为了提高信号性能, 我们需要研究 和发展智能调制和解调技术, 来有效抑制这种衰落, 第四代移动通信技术采用 OF DM 为技术核心。选 择 OFDM 作为第四代移动通信的核心技术, 其主要 理由包括无线电频率使用效益高、适合高速的数据 传输、抗噪声能力相当强等[ 6] 。OF DM 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, 而该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, 将高速数据信 号转换成并行的低速子数据流, 在每个子信道上使 用一个子载波进行调制, 并且各子 载波并行传输。 这样, 每个子信道是相对平坦的, 即使总的信道是非 平坦的。同时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, 因此就可以大大消 除信号波形间的干扰。OFDM 与一般的频分 复用 的主要差别在于: 它的不同载波的频谱可以相互交 叠, 因此可以得到最佳的频谱利用率, 同时, 接收端 只要采用正交解调的方法就可以恢复出有用的信息 信号。
内, 才会形成对这一频道特定的干扰, 否则干扰在进 入接收机前端时将被有效抑制;
( 3) 抗码间干扰( ISI) 能力强。码间干扰是数字 通信系统中除噪声干扰之外最主要的干扰, 它与加 性的噪声干扰不同, 是一种乘性干扰。造成码间干 扰的原因有很多, 实际上, 只要传输信道的频带是有 限的, 就会造成一定的码间干扰。OFDM 由于采用 了循环前缀, 故对抗码间干扰的能力很强。
目前正在开发和研制中的 4G 通信将具有以下 主要特点[ 4] : 1. 1 信息传播速率更快
由于人们研究第四代移动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
收稿日期: 2006- 12- 27 作者简介: 姚引娣( 1978- ) , 女 , 陕西宝鸡人, 西安电子科技大学通信工程学院在读硕士研究生, 西安邮电学院通信工程系助理
工程师。
# 26 #
西安邮电学院 学报
2007 年 9 月
率, 因此 4G 通信的特征莫过于他具有更快的无线通 信速度。第三代移动通信系统数据传输速率最高可 达 2Mbit/ s, 专家预估, 第四代移动通信系统的速度可 达到 10- 20Mbit/ s, 最高可以达到 100Mbit / s。 1. 2 多种业务的完整融合
采用智能技术的 4G 通信系统将是一个高度自 治、自适应的网络。它具有良好的重构性、尺度可变 性、自组织等。可以用于满足不同的环境、不同的用 户的通信需求。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结合的正常发送与接收, 有很强的智能性、适应性和灵活性。能使其自适应 地进行资源分配, 能够调整系统对通信过程中变化 的业务流大小进行相应处理而满足通信要求, 终端 设备的设计和操作也将具有智能化。 1. 4 兼容性能更强
( 1) 不能支持较高的通信速率。 ( 2) 不能提供动态范围多速率业务。 ( 3) 对 IP 的支持不够。 ( 4) 业务提供和业务管理不灵活。 ( 5) 安全方面存在算法过多、认证协议容易被攻 击等安全缺陷。 3G 的这些不足以及政策、经济等因素导致了对 它的众多争议, 再加上市场的需求和技术的发展, 更
摘要: 在第三代移动通信系统应用的同时, 第四代移动 通信系 统的研究 已全面 展开。本 文简要的 分析了 第三代 移
动系统存在的不足, 提出了第四代移动通信系统 的概念并详细的 介绍了 4G 的定义及 其主要 特点。简要 的介绍 了
4G 的网 代移动通信系统; 网络结构; OF DM ; 软件无线电; IPv 6
个人通信、信息系统、广播、娱乐等业务无缝连 接为一个整体, 满足用户的各种需求。4G 应能集成 不同模式的无线通信 从无线局域网和蓝牙等室内 网络、蜂窝信号、广播电视到卫星通信, 移动用户可 以自由地从一个标准漫游到另一个标准。各种业务 应用、各种系统平台间的互联更便捷、安全, 面向不 同用户要求, 更富有个性化。4 G 技术能提供各种 标准的通信业务, 从而满足宽带和综合多种业务需 求。 1. 3 高度智能化的网络
2 第四代移动通信系统网络结构
在第四代移动通信系统中, 为了满足不同用户 对不同业务的需求, 将各种针对不同业务的接入系 统通过多媒体接入系统连接到基于 IP 的核心网中, 形成一个公共的、灵活的、可扩展的平台, 网络的连 接如图 1 所示[ 5] 。
图 1 4G 系统的网络结构
从图 1 中可以看出基于 IP 技术的网络架构使 得用户在 2G、3G、4G、WLAN、固定网之间无缝漫游 可以实现。我们可将系统网络体系结构分为 3 层, 如图 2 所示。
要使 4G 通信尽快地被人们接受, 还应该考虑 到让更多的用户在投资最少的情况下轻易地过渡到 4G 通信。因此, 从这个角度来看, 4G 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 2G, 3G 平稳过渡等特点。 1. 5 高速移动中不同系统间的无缝连接和随时随
地的移动接入 用户在高速移动中也能接入到系统中, 并在不 同系统间无缝切换, 进行高速率的多媒体业务数据 传送。在 4 G 系统中利用先进的无线接入技术, 提 供话音、高速信息业务、广播以及娱乐等多媒体业务 接入方式, 让用户可在任何时间、任何地点接入到系 统中。 1. 6 基于全 IP 的核心网 4G 通信系统将会采用 IPv6, IPv6 将能在 IP 网 络上实现话音和多 媒体业务。支持有线及无 线接 入, 且所采用的无线接入方式和协议与核心网协议、 链路层是分离独立的。采用 IP 技术使得核心网能 够支持不同的接入方式, 如 IEEE802. 11, WCDMA,
中图分类号: T N 929. 5
文献标识码: A
文章编号: 1007- 3264( 2007) 05- 0025- 05
引言
在当今的通信领域中, 数据网络和多媒体通信 逐步和无线通信的可移动性相结合, 移动多媒体迅 速发展起来, 移动多媒体业务存在强大的市场需求。 第一代通信系统和第二代移动通信技术已经不能够 满足市场对频谱资源的需求, 第三代移动通信系统 是能够满足国际电联提出的 IM T - 2000PFPL MT S 系统标准的无线通信与互联网等多媒体通信结合的 新一代移动通信系统。它能够提供多种类型、高速 数据传输、高质量的多媒体业务, 能实现全球无缝覆 盖, 具有全球漫游能力。目前, 经 IT U 认可的第三 代移动通信系统( 3G) 标准有 WCDMA、CDM A2000 以及我国提出 的拥有自 主知识产 权的 T D- SCD MA 。但 3G 也存在以下几方面的局限性[ 1] :
2007 年 9 月 第 12 卷 第 5 期
西安邮电学院学报 JOU RNA L OF XI AN U NI VERSIT Y O F POST AN D T ELECOM M U N ICAT IO NS
Sep 2007 Vol 12 N o 5
第四代移动通信系统及其关键技术
姚引娣1, 2
( 1. 西安电子科技大学 通信工程学院 , 陕西 西安 710071; 2. 西安邮电学院 通信工 程系, 陕西 西安 710121)
3. 2 智能天线( SA) 与多输入多输出( M IMO) 技术 智能天线原名自适应天线阵列[ 8] ( AA A, A dap
t ive Antenna Array) , 最初应用于雷达、声纳等军事 方面, 主要用来完成空间滤波和定位, 大家熟悉的相 控阵雷达就是一种较简单的自适应天线阵。移动通
先进的 4G 已被推上议事日程。虽然第三代移动通 信系统至今都还没有真正实际投入商用, 但是很多 公司已经着手第四代移动通信的研究。
1 第四代移动通信系统及其特点
第四代移动通信技 术的概念[ 2- 3] 可称 为宽带 接入和分布网络, 具有非对称的超过 2Mbit / s 的数 据传输能力。对全速移动用户能提供 150M bit/ s 的 高质量的影像服务, 并首次实现三维图像的高质量 传输。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) , 能够提供 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。
从图 2 可以看出, 第四代移动通信系统的网络 体系结构可以由下而上分为: 物理层、网络业务执行 技术层、应用层等 3 层。物理层提供接入和选路功 能,网络业务执 行技术 层作为 桥接层 提供 QoS 映
第5期
姚引娣: 第四代移动通信系统及其关键技术
# 27 #
图 2 4G 系统的网络体系分层
射、地址转换、即插即用、安全管理、有源网络。物理 层与网络业务执行技术层提供开放式 IP 接口。应 用层与网络业务执行技术层之间也是开放式接口, 用于第三方开发和提供新业务。