南陽師范學院物理與電子工程學院 多媒體通信 課程論文 題 目 完 成 人 班 級 學 號 專 業 目目 錄錄 摘要摘要 1 前言前言 1 第第 1 1 章章 3G3G 1 1 1 3G 移動通信系統的概念 1 1 2 3G 的技術標準 1 1 3 3G 向 4G 演化的原因 2 第第 2 2 章章 4G4G 3 2 1 4G 移動通信系統的概念 3 2 2 4G 的特征 3 2 3 4G 的關鍵技術指標 4 第第 3 3 章章 3G3G 與與 4G4G 的比較的比較 4 3 1 系統參數的比較 4 3 2 通信格局的變化 5 3 3 核心技術的不同 6 3 4 4G 中的新技術 6 結束語結束語 7 參考文獻參考文獻 7 1 3G 和 4G 的技術比較 摘要 在移動通信領域 每在移動通信領域 每 2020 年就發生一次革命性的變化 移動通信技術從第一代演年就發生一次革命性的變化 移動通信技術從第一代演 進到現今的第三代 以及處于實驗階段的第四代移動通信的發展大致經歷三個發展階段 移進到現今的第三代 以及處于實驗階段的第四代移動通信的發展大致經歷三個發展階段 移 動通信已然成為當代通信領域發展潛力最大 市場前景最廣的熱點技術 本文首先討論了動通信已然成為當代通信領域發展潛力最大 市場前景最廣的熱點技術 本文首先討論了 3G3G 以及以及 3G3G 中的三大技術主流制式 并在中的三大技術主流制式 并在 3G3G 到到 4G4G 的演進進程做出簡要的比較分析 的演進進程做出簡要的比較分析 第四代移動通信系統第四代移動通信系統 4G 4G 是多種無線技術的綜合系統是多種無線技術的綜合系統 它融合了現有第三代移動系統它融合了現有第三代移動系統 3G 3G 的增強型技術的增強型技術 集集 3G3G 網絡技術和無線網絡技術和無線 LANLAN 系統為一體 在系統為一體 在 4G4G 的敘述中 首先簡述了的敘述中 首先簡述了 4G4G 的特點 分析討論了的特點 分析討論了 4G4G 通信系統的技術目標及關鍵技術的發展現狀 然后對通信系統的技術目標及關鍵技術的發展現狀 然后對 4G4G 和和 3G3G 的體系結構 系統參數 關鍵技術 移動性管理和安全策略等進行了比較研究的體系結構 系統參數 關鍵技術 移動性管理和安全策略等進行了比較研究 對對 4G4G 的研究的研究 和建設具有一定的參考價值 和建設具有一定的參考價值 關鍵詞 3G3G 4G4G 關鍵技術 比較 關鍵技術 比較 前言 從 20 世紀 80 年代中期第一代模擬移動通信系統商用開始至今 短短的十幾年間經歷了 90 年代初第二代數字移動通信系統 2G 從萌芽到完善的整個發展過程 直至今天人們對第三 代移動通信系統 3G 的商用開發 足以證明移動通信的發展速度勢不可擋 3G 的出現使移動 通信前進了一大步 相對于 2G 它能夠提供更大的容量 更佳的通信質量并且支持多媒體應 用 但是 3G 系統尚有很多需要改進的地方 例如 1 缺乏全球統一標準 2 所采用的 語音交換架構仍承襲了第二代 2G 的電路交換 而不是純 IP 方式 3 流媒體 視頻 的應 用不盡人意 4 數據傳輸率也只接近于普通撥號接入的水平 更趕不上 xDSL 等 3G 面臨 的致命缺點就是移動無線接入網絡的空中接口標準不統一 所以 制定一個針對 IP 多媒體 業務的 4G 移動通信系統 提出相關新的理論 應用新的技術 已被許多國家提上議事日程 1 相對于 3G 而言 第四代移動通信系統 4G 在技術和應用上將有質的飛躍 而不僅僅是在第三 代移動通信的基礎上再加上某些新的改進技術 第 1 章 3G 1 1 3G 移動通信系統的概念 3G 3rd Generation 指第三代移動通信技術 與前兩代系統相比 第三代移動通信系統 的主要特征是可提供豐富多彩的移動多媒體業務 其傳輸速率在高速移動環境中支持 144kb s 步行慢速移動環境中支持 384kb s 靜止狀態下支持 2Mb s 其設計目標是為了提 供比第二代系統更大的系統容量 更好的通信質量 而且要能在全球范圍內更好地實現無縫 漫游及為用戶提供包括話音 數據及多媒體等在內的多種業務 同時也要考慮與已有第二代 系統的良好兼容性 目前國際電聯接受的 3G 標準主要有以下三種 WCDMA CDMA2000 與 TD SCDMA 1 2 3G 的技術標準 1 2 1MC CDMA CDMA2000 2 MC CDMA CDMA2000 由美國提出 是由 IS 95 系統演進而來的 并向下兼容 IS 95 系 統 IS 95 系統是世界上最早的 CDMA 移動系統 已經在世界范圍內進行了 10 多年的實驗和 運營 現已被證明是十分穩定 MC CDMA CDMA2000 系統繼承了 IS 95 系統在組網 系統 優化方面的經驗 并進一步對業務速率進行了擴展 同時通過引入一些先進的無線技術 進 一步提升系統容量 在核心網絡方面 它繼續使用 IS 95 系統的核心網作為其電路域來處理 電路型業務 如語音業務和電路型數據業務 同時在系統中增加分組設備 PDSN 和 PCF 來 處理分組數據業務 因此在建設 MC CDMA CDMA2000 系統時 原有的 IS 95 的網絡設備可 以繼續使用 只要新增加分組設備即可 在基站方面 由于 IS 95 與 1X 的兼容性 可以作 到僅更新信道板并將系統升級為 CDMA2000 1X 基站 在我國 聯通公司在其 CDMA 網絡建設 中就采用了這種升級方案 1 2 2 DS CDMA WCDMA DS CDMA WCDMA 由日本和歐洲提出 隨著標準化工作的展開 在此系統中逐漸引入了 連續導引信號 使得終端系統得到簡化 現在 DS CDMA WCDMA 將連續導引信道和不連續 導引信號的方式都保留在標準中 具體使用哪種方式可以由廠家自行決定 從事 DS CDMA WCDMA 標準研究和設備開發的廠商很多 其中包括諾基亞 摩托羅拉 西門子 NEC 阿爾卡特等等 因此造成的投資比較分散 技術問題沒有得到集中解決 這又給未來 移動通信系統互聯互通造成較多問題 DS CDMA WCDMA 系統每個載波占用 5MHz 帶寬 每個運營商在布置系統時僅能使用 2 3 個載波 因此 CDMA 在初始設計時 即考慮在同一個載波內支持其中的一個子集 這就進一 步增加了互聯互通的難度和復雜程度 還有就是 DS CDMA WCDMA 的主要運營商將會出自 現在的 GSM 運營商 對于 GSM 運營商來說 理想的演進方式是 GSM GPRS WCDMA 即首先通 過 GPRS 建立全新的分組域核心網絡 再引入 WCDMA 提高速率 但是由于 GPRS 在近期的實驗 結果不很好 因此對 WCDMA 的推廣會產生一定影響 同時由于 WCDMA 在開發中問題較多 使 得 WCDMA 的商用計劃一再推遲 所有這些問題使 WCDMA 已不像前兩年那樣被廣泛看好 如果 WCDMA 不能盡快進入運營階段 也不能排除 GSM 運營商直接采用 HDR 無線技術提供分組數據 業務 并過渡到全面使用 CDMA2000 技術的可能 1 2 3 TD SCDMA TD SCDMA 是由我國在 SCDMA 技術上提出的一種 TDD 技術方案 并希望能夠用于支持從 微微蜂窩到宏蜂窩的各種應用環境 在 TD SCDMA 中 使用了大量的先進技術 如智能天線 技術和聯合檢測技術等 同其它技術相比 TD SCDMA 技術有兩大優勢 其一 它采用智能 天線和低碼速率 頻譜利用率高 能夠解決高人口密度地區頻率資源緊張的問題 并在互聯 網瀏覽等非對成移動數據和視頻點播等多媒體業務方面優勢突出 TD SCDMA 的基站天線是 一個智能化的天線陣 能夠自動確定并跟蹤手機的方位 發射波束始終對準手機方向 這樣 可以降低基站的發射功率 從而降低運營成本 其二 TD SCDMA 技術采用軟件無線電技術 可使運營商在增加業務時 能在同一硬件平臺上利用軟件處理基站信號 也就是只要加載不 同的軟件就可以實現不同的業務 1 3 3G 向 4G 演化的原因 經 ITU 認可的 3G 標準有 WCDMA CDMA2000 和 TD SCDMA 雖然 3G 和 2G 相比 有很多 優點 但是 3G 還是存在著很多不盡人意的地方 如 3G 缺乏全球統一的標準 3G 所采用的 語音交換架構仍承襲了 2G 系統的電路交換 而不是純 IP 的方式 3G 的業務提供和業務管 理不夠靈活 流媒體 視頻 的應用不盡如人意 3G 的高速數據傳輸不成熟 接入速率有限 3 安全方面存在算法過多 認證協議容易被攻山 等安全缺陷 伴隨著無線技術的種類越來 越多 迫切需要將這些無線技術整合到一個統一的網絡環境中去 這就是正在形成的超三代 移動通信系統 B3G 通信系統和未來的 4G 通信系統 B3G 和 4G 通信系統將是未來提供寬帶 接人 全球無縫漫游和無處不在的數據 語音業務等方嚼的最合適和最好的技術圓 2 第 2 章 4G 2 1 4G 移動通信系統的概念 4G 也稱為 Beyond3G B3G 是多種無線技術的綜合系統 它融合了現有 3G 的增強型技 術 集 3G 網絡技術和無線 LAN 系統為一體 4G 包含很多目前正在使用以及今后即將使用的 無線技術 這里所說的無線技術不僅指利用新頻帶和新技術的新一代移動通信 還包括現行 的移動通信 2G 及 3G IEEE802 11 等無線 LAN 以及藍牙等近距離通信技術 此外還把數字 廣播電視納入視野 4G 除了繼續依賴 3G 標準組織已發展的多項新技術和標準 如 OFDM MIMO IP 核心網 開發業務架構及 IPv6 等 并加以延伸外 其規劃還必須滿足整體 系統架構能夠由 3G 平滑演進到 4G 的要求 2 2 4G 的特征 1 通信速度更快 4G 通信的特征莫過于它具有更快的無線通信速度 可以達到 10M 20Mbps 最高可以達到 100Mbps 2 網絡頻譜更寬 要想使 4G 通信達到 100Mbps 的傳輸速度 必須在 3G 通信網絡的基礎 上進行大幅度的改造 以便使 4G 網絡在通信帶寬上比 3G 網絡的帶寬高出許多 據研究 每個 4G 信道將占有 100MHz 的頻譜 相當于 W CDMA3G 網絡的 20 倍 3 兼容性能更平滑 4G 通信系統具備全球漫游 接口開放 能跟多種網絡互聯 終端多 樣化以及能從 2G 平穩過渡等特點 4 能實現更高質量的多媒體通信 4G 通信提供的無線多媒體通信服務將包括語音 數據 影像等 大量信息透過寬頻的信道傳送出去 為此 4G 也稱為 多媒體移動通信 5 通信費用更加便宜 4G 通信系統不僅能解決與 3G 的兼容性問題 讓更多的現有通信用 戶能輕易升級到 4G 通信 同時 4G 還引入了許多尖端通信技術 實現起來要容易迅速得多 在建設 4G 通信網絡系統時 通信運營商們考慮直接在 3G 通信網絡的基礎設施之上 采用逐步 引入的方法 有效地降低運營成本 3 2 3 4G 的關鍵技術指標 2 3 1 OFDM 正交頻分復用 OFDM 技術實際上是 MCM Multi Carrier Modulation 多載波調制 的一種 其主要思想 是 將信道分成若干正交子信道 將高速數據信號轉換成并行的低速子數據流 調制在每個 子信道上進行傳輸 正交信號可以通過在接收端采用相關技術來分開 這樣可以減少子信道 之間的相互干擾 ICI 每個子信道上的信號帶寬小于信道的相關帶寬 因此每個子信道上 的可以看成平坦性衰落 從而可以消除符號間干擾 而且由于每個子信道的帶寬僅僅是原信 道帶寬的一小部分 信道均衡變得相對容易 OFDM 技術之所以越來越受關注 是因為 OFDM 有很多獨特的優點 1 頻譜利用率很高 頻譜效率比串行系統高近一倍 2 抗衰落能力強 3 適合高速數據傳輸 4 抗碼 間干擾 ISI 能力強 OFDM 也有其缺點 例如 對頻偏和相位噪聲比較敏感 功率峰值與 均值比 PAPR 大 導致射頻放大器的功率效率較低 負載算法和自適應調制技術會增加系 4 統復雜度 2 3 2 軟件無線電 所謂軟件無線電 Software Defined Radio 簡稱 SDR 就是采用數字信號處理技術 在可編程控制的通用硬件平臺上 利用軟件來定義實現無線電臺的各部分功能 包括前端接 收 中頻處理以及信號的基帶處理等 即整個無線電臺從高頻 中頻 基帶直到控制協議部 分全部由軟件編程來完成 其核心思想是在盡可能靠近天線的地方使用寬帶的 數字 模擬 轉換器 盡早地完成信 號的數字化 從而使得無線電臺的功能盡可能地用軟件來定義和實現 總之 軟件無線電是 一種基于數字信號處理 DSP 芯片 以軟件為核心的嶄新的無線通信體系結構 軟件無線電有以下一些特點 靈活性 集中性 模塊化 2 3 3 智能天線 智能天線定義為波束間沒有切換的多波束或自適應陣列天線 多波束天線在一個扇區中 使用多個固定波束 而在自適應陣列中 多個天線的接收信號被加權并且合成在一起使信噪 比達到最大 與固定波束天線相比 天線陣列的優點是除了提供高的天線增益外 還能提供 相應倍數的分集增益 但是它們要求每個天線有一個接收機 還能提供相應倍數的分集增益 智能天線具有抑制信號干擾 自動跟蹤以及數字波束調節等智能功能 其基本工作原理 是根據信號來波的方向自適應地調整方向圖 跟蹤強信號 減少或抵消干擾信號 智能天線 可以提高信噪比 提升系統通信質量 緩解無線通信日益發展與頻譜資源不足的矛盾 降低 系統整體造價 因此其勢必會成為 系統的關鍵技術 智能天線的核心是智能的算法 而 算法決定電路實現的復雜程度和瞬時響應速率 因此需要選擇較好算法實現波束的智能控制 2 3 4 IPv6 4G 通信系統選擇了采用基于 的全分組的方式傳送數據流 因此 IPv6 技術將成為下 一代網絡的核心協議 選擇 IPv6 協議主要基于以下幾點的考慮 1 巨大的地址空間 2 自動控制 3 服務質量 QoS 4 移動性 2 3 5 多輸入多輸出 MIMO 技術 MIMO Multiple Input Multiple Output 技術是近年來熱門的無線通訊技術之一 4G 系統采用了 MIMO 技術 即在基站端放置多個天線 在移動臺也放置多個天線 基站和移動 臺之問形成 MIM0 通信鏈路 MIMO 技術呵以比較簡單地直接應用于傳統蜂窩移動通信系統 將基站的單天線換為多個天線構成的天線陣列 而 GSM CI MAIS 一 95 3G 系統中都沒有采 用這種技術 現有移動通信系統中 多數基站的天線采用一發兩收的結構 對比分析這兩種 技術 MIMO 系統有以下優點 降低了碼問下擾 ISU 提高了空間分集增益 提高無線信道 容量和頻譜利用率 大幅提高資料的傳輸速率 提高信道的可靠性 降低誤碼率 第 3 章 3G 與 4G 的比較 3 1 系統參數的比較 見下表一 5 3G4G 開始時間 20022012 典型標準 WCDMA CDMA2000 TD SCDMA OFDM UWB 頻帶范圍1 8 2 5GHz2 8GHz 帶寬2 5Mbps10 20MHz 多址技術 CDMA FDMA TDMA CDMA SDMA 核心網絡電信網 部分 IP 網全 IP 網 業務類型話音為主 部分多媒體話音和數據融合 多媒體 網絡體系結構基站方式的廣域網模式 融合局域網和廣域網的 混合模式 數據速率 2Mbps 20 100 Mbps 接入方式 W CDMA OFDM MC CDMA LAS CDMA 交換方式電路 分組交換分組交換 前向糾錯碼1 2 1 3 卷積碼級連碼 模塊設計 無線優化設計 采用多載 波適配器 智能天線 軟件無線電 協議 多種空中接口鏈路協議 并存 全數字全 IP 移動臺速率 200km h200km h 表 1 3G 和 4G 系統參數比較 3 2 通信格局的變化 3G 的網絡是嚴格的分層結構 一般包括核心網 接入網和用戶設備三部分 核心網負責 中央交換 數據傳輸及業務提供 分為電路網和分組網兩個服務區域 接入網負責移動用戶 接入到核心網中 3G 中可采用不同的接入網與同一核心網相連 即支持多種空中鏈路協議 用戶設備即用于獲取服務的移動終端 其通過標準無線接口與接入網相連 它的工作模式為 3 種 單載波頻分雙工 多載波頻分雙工和時分雙工方式 圖 1 3G 移動通信系統 4G 將采用單一的全球范圍的蜂窩核心網來取代 3G 中密密麻麻的蜂窩網絡 其采用全數字 全 IP 技術 這是從網絡內智能化及網絡邊緣智能化向全網智能化的發展 核心網能夠支持 不同的接入方式 如 IEEE802 11a WCDMA Bluetooth HyperLAN 等 同時每個用戶設 6 備擁有唯一可識別的號碼 通過分層結構實現異構系統間的互操作 這種結構使得多種業務 能透明地與 IP 核心網連接 具有較好的通用性和可擴展性 4G 網絡結構如圖 2 所示 4 圖 2 4G 移動通信系統網絡結構圖 3 3 核心技術的不同 3G 系統主要以 CDMA 為核心技術 CDMA 是將相互正交的不同的碼分配給不同用戶調制信 號 實現多用戶同時使用同一頻率接入系統 由于利用相互正交 或盡可能正交 的碼去調制 信號 會將原用戶信號頻譜帶寬擴展 因此 CDMA 通信系統是一種典型的擴頻通信技術的應用 4G 系統的核心技術 OFDM 屬于多載波調制 MCM 它將指配的信道分成許多正交子信道 在每個子信道上進行窄帶調制和傳輸 同時要求信號帶寬小于信道的相關帶寬 OFDM 與一般 的頻分復用的主要差別在于它的不同載波的頻譜可以相互交疊 因此可以得到最佳的頻譜利 用率 同時 接收端只要采用正交解調的方法就可以恢復出有用的信息信號 OFDM 技術具有 良好的抗噪聲性能和抗多徑干擾的能力 以及頻譜利用率高的特點 5 3 4 4G 中的新技術 4G 系統技術有兩個基本目標 一是實現無線通信全球覆蓋 二是提供無縫的高質量無線業 務 為了達到這個目標 需要在下列幾個方面做出努力 頻譜的高效使用 帶寬的動態分配 安全的無線應用 更高的服務質量 高性能的信號調制傳輸技術 因此 4G 系統使用了許 多新技術 包括超鏈接 ultra2connectivity 和特定無線網絡技術 動態自適應網絡技術 智能頻譜動態分配技術以及軟件無線電技術等等 超鏈接技術可以使來自不同網絡的信號與動態自適應網絡進行無縫連接 它的實現需要 無線網絡能夠與其他無線網絡和有線網絡進行無縫的操作 并高效使用無線資源等 特定無線網絡是通信和計算機網絡領域的研究熱點 它又稱多跳網絡 multi hopnetwork 自組織網絡 self2organizednetwork 分組無線網絡 packet ra2dionetwork 或者 MANET 網絡 與傳統的蜂窩網絡相比 特定無線網絡沒有基站 所有節點 分布式運行 既有路由器的路由功能 又有向鄰居節點發射或轉發分組的功能 特定無線網絡 由于不需要固定的基礎設施 如基站 可以隨時建立或拆除 它不受拓撲結構的影響 具有很 強的容錯性和魯棒性 可以廣泛地應用于軍事行動 災難救援 快速無線接入等領域 正因 為它具有這些特點 所以可以與超鏈接技術相結合 實現 4G 系統的無縫網絡覆蓋和動態自適 應功能 與以前的移動通信系統一樣 4G 系統也需要更大的帶寬 所不同的是它對帶寬的使用更加 有效 這要靠智能頻譜動態分配技術 它包括高效的自適應調制與編碼 多維 混合多址接入 兼顧頻譜和資源的 MAC 鏈路層以及多層資源管理 伴隨著以上技術的發展 通信的核心網 絡也要向動態自適應網絡發展 才