第四代移动通信系统(4G)

第四代移动通信系统(4G)
韩国：
政府将斥资1350亿韩元，用于4G通信系统的开发。这些资金将
主要用于高速信息包传输技术、固定无线通讯设备以及移动软件开发 和下一代网络工艺上。 为推进4G移动通信服务系统研发进程，政府成立一个科研开发 小组，专门负责该项目的实施。 政府已与移动通信设备公司及服务公司合资成立了下一代移动 通信技术开发协会，着手进行4G等未来移动通信服务技术的开始研究。 三星电子的研究中心也开始进行4G移动通信关键技术的研发工 作。（2002年11月北京：863-Ericsion年会上已有报道）
不兼容、保密性差、通话质量不高、不能提供数据业 务、不能提供自动漫游等。
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第2代通信技术
主要采用的是数字的时分多址（TDMA）技术和码分多址 （CDMA）技术。主要业务是语音。它克服了模拟移动 通信系统的弱点，话音质量、保密性能得到大的提高， 并可进行省内、省际自动漫游。第二代移动通信替代第 一代移动通信系统完成模拟技术向数字技术的转变，但 由于第二代采用不同的制式，移动通信标准不统一，用 户只能在同一制式覆盖的范围内进行漫游，因而无法进 行全球漫游，由于第二代数字移动通信系统带宽有限， 限制了数据业务的应用，也无法实现高速率的业务如移 动的多媒体业务。
业务。
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1.5 第四代移动通信的最新进展
目前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。
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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 4G Access网络，它能配合目前的EDGE技术进行上传，并
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
2. 4G的网络结构
虽然4G系统尚处于研究的起步阶段，其网络结构也还没有 成型，但是对于这方面的研究已有很多，网络的融合趋势是显 而易见的。基于网络融合的4G网络架构如图7-1所示。 从图7-1中可以看出，基于人们目前对4G宽带接入和分布网
络的普遍理解，未来的4G网络将是一种全IPv6的网络结构(包括
网络结构
3G采用的主要是蜂窝组网，4G将突破这个概念，
发展以数字广带(Broad band)为基础的网络，成为一个 集无线LAN和基站宽带网络的混合网络，这种基于IP 技术的网络架构使得在3G,4G,W-LAN,固定网之间的漫 游得以实现。
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交换方式
3G保留了2G所使用的电路交换，采用的是电路 交换和分组交换并存的方式，而4G将完全采用基 于IP的分组交换，使网络能根据用户需要分配带 宽。
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，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。 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 同韩国在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。
相互重叠，因此与常规的频分复用系统相比，OFDM系统可以最
大限度地利用频谱资源。当子载波个数很多时，系统的频谱利用 率趋于2 Baud/Hz。
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③ 各个子信道中的正交调制和解调可以通过反离散傅
立叶变换(IDFT)和离散傅立叶变换(DFT)的方法来实现。对 于子载波数目较大的系统，可以通过快速傅立叶变换(FFT) 来实现。而随着大规模集成电路技术与DSP技术的发展， IFFT与FFT都是容易实现的。 ④ 无线业务一般存在非对称性，即下行链路中的数据 传输量大于上行链路中的数据传输量，这就要求物理层支持
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第3代通信技术
第三代移动通信网络能将高速移动接入和基于互 联网协议的服务结合起来，提高无线频率利用效率。 提供包括卫星在内的全球覆盖并实现有线和无线以及 不同无线网络之间业务的无缝连接。满足多媒体业务 的要求，从而为用户提供更经济、内容更丰富的无线 通信服务。
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爱立信与美国加利福尼亚大学合作开发4G技术，加
利福尼亚大学已经正式成立了加州通信和信息技术学会， 将在4G技术、先进天线系统、新一代移动因特网、电力放 大器技术和无线访问网络等领域内进行深入研究。
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日本：
DoCoMo移动通信公司已进行第四代移动通信的研究，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。
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(2). OFDM系统结构
OFDM系统的典型框图如图7-2所示。图中，上半部分 对应于发射机链路，下半部分对应于接收机链路。发送端将 被传输的数字数据转换成子载波幅度和相位的映射，并进 行IDFT(反离散傅立叶变换)将数据的频域表达式变到时域上。 图中的IFFT(反快速傅立叶变换)与IDFT的作用相同，只是有 更高的计算效率，所以适用于所有的系统。接收端进行与发
各种接入网和核心网)，4G系统将是一个集成广播电视网络、无 线蜂窝网络、卫星网络、无线局域网、蓝牙等系统和固定的有
线网络为一体的结构，各种类型的接入网通过媒体接入系统都
能够无缝地接入基于IP的核心网，形成一个公共的、灵活的、 可扩展的平台。
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图1 4G网络架构
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第四代移动通信系统(4G) 中国：
TD-SCDMA标准的提出
清华大学、北京邮电大学、东南大学、电子科技大学、 中国科技大学等高校也在不断研究4G的相关理论及关键技 术。(如：LAS-CDMA、新的小区结构等） 国家863-317通信主题组：FuTURE 计划
大唐、中兴、华为等企业组成的企业联盟
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利用宽带OFDM技术进行下载。
惠普与日本NTT DoCoMo已联手开发4G通信技术和产品， 开发的4G多媒体体系结构有望向移动用户提供高性能多媒 体流内容，使媒体流数据能够更好地传输到移动电话和其 它手持设备上，该体系结构的基础技术研究2003年完成。
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瑞典：
世界上最大的电信基础设施提供商瑞典爱立信公司 已开始进行第四代移动通信标准的研究，并着手研制第四 代移动通信系统，预计在2011年正式投入运营。爱立信已 研究出的“4G眼镜”2011年也将进入市场。
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3. 4G的关键技术
3.1 OFDM技术
(1). OFDM的基本原理
OFDM(正交频分复用)是一种无线环境下的高速传输技术， 其基本原理是：将高速数据信号通过串/并变换，分配到传输速率
相对较低的若干个子信道中进行传输。在频域内将信道划分成若
干个互相正交的子信道，每个子信道均拥有自己的载波，分别对 其进行调制，信号通过各个子信道独立地进行传输。如果各个子 信道的带宽被划分得足够窄，每个子信道的频率特性就可近似地 看做是平坦的，即每个子信道都可看做无符号间干扰的理想信道。 这样在接收端不需要使用复杂的信道均衡技术即可对接收信号可 靠地进行解调。
来的符号间干扰，从而减少了接收机内均衡的复杂度。有时甚至
不采用均衡器，而仅仅通过插入循环前缀的方法即可消除符号间 干扰的不利影响。
② 传统的频分多路传输方法是将频带分为若干个不相交的子
频带来传输并行数据流，子信道之间要保留足够的保护频带。而 OFDM系统由于各个子载波之间存在正交性，允许子信道的频谱
速率，无法满足用户对高速多媒体业务的需求；
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(4) 由于3G空中接口标准对核心网有所限制，因此3G难
以提供具有多种QoS及性能的各种速率的业务；
(5) 由于3G采用不同频段的不同业务环境，因此需要移
动终端配置有相应不同的软、硬件模块，而3G移动终端目 前尚不能够实现多业务环境的不同配置，也就无法实现不同 频段的不同业务环境间的无缝漫游。 所有这些局限性推动了人们对下一代通信系统—4G的 研究和期待。
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1 第四代移动通信系统概述
2 4G的网络结构
3 4G的关键技术
4 第四代移动通信系统发展面临的问题
5 4G 网络在中国的现状及发展趋势
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1.第四代移动通信系统概述
1.1 前3代移动通信技术的回顾
Mb/s；对于低速移动用户(室内或步行者)，数据速率为100 Mb/s。 4G系统容量至少应是3G系统容量的10倍以上。
(2) 网络频带更宽。每个4G信道将占有100 MHz频谱，相当
于WCDMA 3G网络的20倍。 (3) 兼容性更加平滑。4G应该接口开放，能够跟多种网络互
连，并且具备很强的对2G、3G手机的兼容性，以完成对多种用
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1.2 4G的产生背景
尽管目前3G的各种标准和规范已达成协议，并已开始 商用，但3G技术仍存在一些不足。3G的局限性主要体现如 下： (1) 3G仍缺乏全球统一标准； (2) 3G所运用的语音交换架构仍承袭了2G的电路交换， 而不是完全IP形式；
(3) 由于采用CDMA技术，因此3G难以达到很高的通信
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1.3 4G的概念
第四代移动通信可称为宽带接入和分布式的网络,它具 有非对称的超过2 Mb/s的数据传输能力。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。 第四代移动通信系统超越标准可以在不同的固定、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
户的融合；在不同系统间进行无缝切换，传送高速多媒体业务数 据。
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(4) 灵活性更强。4G拟采用智能技术，可自适应地进行
资源分配。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收/发。 (5) 具有用户共存性。能根据网络的状况和信道条件进 行自适应处理，使低、高速用户和各种用户设备能够并存与 互通，从而满足多类型用户的需求。 运营商或用户花费更低的费用就可随时随地地接入各种
第4代通信技术
第四代移动通信标准应该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 地方宽带接入互联网（包括卫星通信），能够提供信息 通信之外的定位定时、数据采集、远程控制等综合功能。 同时，第四代移动通信系统还应该是多功能集成的宽带 移动通信系统，是宽带接入IP系统。
定位定时、数据采集、远程控制等综合功能。此外，第四代
移动通信系统是多功能集成的宽带移动通信系统，是宽带接 入IP系统。
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1.4 4G的特点
4G主要具有以下特点： (1) 高速率，高容量。对于大范围高速移动用户(250 km/h)，
数据速率为2 Mb/s；对于中速移动用户(60 km/h)，数据速率为20
送端相反的操作，将RF信号与本振信号进行混频处理，并
用FFT变换分解为时域信号，子载波的幅度和相位被采集出 来并转换回数字信号。
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图2 OFDM收/发机框图
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(3). OFDM系统的优势
① 高速率的数据流通过串/并变换使得每个子载波的数据符
号持续长度相对增加，这有效地减少了无线信道的时间弥散所带
第1代通信技术 第2代通信技术 第3代通信技术
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第1代通信技术
主要采用的是模拟技术和频分多址技术。由于受到
传输带宽的限制，不能进行移动通信的长途漫游游，
只能是一种区域性的移动通信系统。第一代移动通信 有多种制式，我国主要采用的是TACS。第一代移动
通信有很多不足之处，比如容量有限、制式太多、互