4G现状和展望毕业设计资料

1.前言

众所周知，最早的移动通信电话是采用的模拟蜂窝通信技术，这种技术只能提供区域性话音业务，而且通话效果差、保密性能也不好，用户的接听范围也是很有限。随着移动电话迅猛发展，用户增长迅速，传统的通信模式已经不能满足人们通信的需求，在这种情况下就出现了GSM通信技术，该技术用的是窄带TDMA，允许在一个射频(即‘蜂窝’)同时进行8组通话。它是根据欧洲标准而确定的频率范围在900～1800MHz之间的数字移动电话系统，频率为1800MHz的系统也被美国采纳。GSM是1991年开始投入使用的。到1997年底，已经在100多个国家运营，成为欧洲和亚洲实际上的标准。GSM数字网也具有较强的保密性和抗干扰性，音质清晰，通话稳定，并具备容量大，频率资源利用率高，接口开放，功能强大等优点。不过它能提供的数据传输率仅为9.6kbit/s，和五、六年前用固定电话拨号上网的速度相当，而当时的internet几乎只提供纯文本的信息。而时下正流行的数字移动通信手机是第二代（2G），一般采用GSM或CDMA技术。第二代手机除了可提供所谓“全球通”话音业务外，已经可以提供低速的数据业务了，也就是收发短消息之类。虽然从理论上讲，2G手机用户在全球范围都可以进行移动通信，但是由于没有统一的国际标准，各种移动通信系统彼此互不兼容，给手机用户带来诸多不便。

针对GSM通信出现的缺陷，人们在2000年又推出了一种新的通信技术GPRS，该技术是在GSM的基础上的一种过渡技术。GPRS的推出标志着人们在GSM的发展史上迈出了意义最重大的一步，GPRS在移动用户和数据网络之间提供一种连接，给移动用户提供高速无线IP和X.25分组数据接入服务。 在这之后，通信运营商们又将推出EDGE技术，这种通信技术是一种介于现有的第二代移动网络与第三代移动网络之间的过渡技术，因此也有人称它为“二代半”技术，它有效提高了GPRS信道编码效率的高速移动数据标准，它允许高达384KbPs的数据传输速率，可以充分满足未来无线多媒体应用的带宽需求。EDGE提供了一个从GPRS到第三代移动通信的过渡性方案，从而使现有的网络运营商可以最大限度地利用现有的无线网络设备，在第三代移动网络商业化之前提前为用户提供个人多媒体通信业务。

在新兴通信技术的不断推动之下，象征着3G通信的标志技术WCDMA也将成为未来通信技术的主流。该技术能为用户带来了最高2Mbit/s的数据传输速率，在这样的条件下，现在计算机中应用的任何媒体都能通过无线网络轻松的传递。WCDMA通过有效的利用宽频带，不仅能顺畅的处理声音、图像数据、与互联网快速连接；此外WCDMA和MPEG-4技术结合起来还可以处理真实的动态图像。人们之间沟通的瓶颈将由现在的网络传输速率转变为各种新型应用的提供：如何让无线网络更好的为人们服务而不是给人们带来骚扰，如何让每个人都能从信息的海洋中快速的得到自己需要的信息，如何能够方便的携带、使用各种终端设备，各种终端设备之间如何更好的自动协同工作等等。在上述通信技术的基础之上，无线通信技术最终将迈向4G通信技术时代。

2.第四代通信技术的技术简介

第四代移动通信系统可称为广带(Broadband)接入和分布网络，具有非对称

的超过2Mb/s的数据传输能力，数据率超过UMTS，是支持高速数据率(2～20Mb/s)连接的理想模式，上网速度从2Mb/s提高到100Mb/s，具有不同速率间的自动切换能力。

4G移动通信技术的信息传输级数要比3G移动通信技术的信息传输级数高一个等级。对无线频率的使用效率比第二代和第三代系统都高得多，且抗信号衰落性能更好，其最大的传输速度将是目前“i-mode”服务的10000倍。除了高速信息传输技术外，它还包括高速移动无线信息存取系统、移动平台技术、安全密码技术以及终端间通信技术等，具有极高的安全性，4G终端还可用作诸如定位、告警等。4G手机系统下行链路速度为100mbps，上行链路速度为30mbps。其基站天线可以发送更窄的无线电波波束，在用户行动时也可进行跟踪，可处理数量更多的通话。第四代移动电话不仅音质清晰，而且能进行高清晰度的图像传输，用途将十分广泛。

能全速移动用户能提供150Mb/s的高质量的影像服务，实现三维图像的高质量传输，无线用户之间可以进行三维虚拟现实通信。能自适应资源分配，处理变化的业务流、信道条件不同的环境，有很强的自组织性和灵活性。能根据网络的动态和自动变化的信道条件，使低码率与高码率的用户能够共存，综合固定移动广播网络或其他的一些规则，实现对这些功能体积分布的控制。支持交互式多媒体业务，如视频会议、无线因特网等，提供更广泛的服务和应用。4G系统可以自动管理、动态改变自己的结构以满足系统变化和发展的要求。用户将使用各种各样的移动设备接入到4G系统中，各种不同的接入系统结合成一个公共的平台，它们互相补充、互相协作以满足不同的业务的要求，移动网络服务趋于多样化，最终将演变为社会上多行业、多部门、多系统与人们沟通的桥梁。

4G移动系统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，它们由无线和核心网的结合格式完成。中间环境层的功能有QoS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，它使发展和提供新的应用及服务变得更为容易，提供无缝高数据率的无线服务，并运行于多个频带。这一服务能自适应多个无线标准及多模终端能力，跨越多个运营者和服务，提供大范围服务。第四代移动通信系统的关键技术包括信道传输；抗干扰性强的高速接入技术、调制和信息传输技术；高性能、小型化和低成本的自适应阵列智能天线；大容量、低成本的无线接口和光接口；系统管理资源；软件无线电、网络结构协议等。第四代移动通信系统主要是以正交频分复用（OFDM）为技术核心。OFDM技术的特点是网络结构高度可扩展，具有良好的抗噪声性能和抗多信道干扰能力，可以提供比目前无线数据技术质量更高（速率高、时延小）的服务和更好的性能价格比，能为4G无线网提供更好的方案。例如无线区域环路（WLL）、数字音讯广播（DAB）等，都将采用OFDM技术。4G移动通信对加速增长的广带无线连接的要求提供技术上的回应，对跨越公众的和专用的、室内和室外的多种无线系统和网络保证提供无缝的服务。通过对最适合的可用网络提供用户所需求的最佳服务，能应付基于因特网通信所期望的增长，增添新的频段，使频谱资源大扩展，提供不同类型的通信接口，运用路由技术为主的网络架构，以傅利叶变换来发展硬件架构实现第四代网络架构。移动通信将向数据化，高速化、宽带化、频段更高化方向发展，移动数据、移动IP将成为未来移动网的主流业务。

3.第四代通信技术优势和缺陷

如果说2G、3G通信对于人类信息化的发展是微不足道的话，那么未来的4G通信却给了我们真正的沟通自由，并将彻底改变我们的生活方式甚至社会形态。目前正在构思中的4G通信具有下面的特征：

(1) 通信速度更快 ：由于人们研究4G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的速率，因此4G通信给人印象最深刻的特征莫过于它具有更快的无线通信速度。从移动通信系统数据传输速率作比较，第一代模拟式仅提供语音服务；第二代数位式移动通信系统传输速率也只有9.6Kbps，最高可达32Kbps，如PHS；而第三代移动通信系统数据传输速率可达到2Mbps；专家则预估，第四代移动通信系统可以达到10Mbps至20Mbps，甚至最高可以达到每秒高达100Mbps速度传输无线信息，这种速度将相当于目前手机的传输速度的1万倍左右。

(2)网络频谱更宽 ：要想使4G通信达到100Mbps的传输，通信营运商必须在3G通信网络的基础上，进行大幅度的改造和研究，以便使4G网络在通信带宽上比3G网络的蜂窝系统的带宽高出许多。据研究4G通信的AT&T的执行官们说，估计每个4G信道将占有100MHz的频谱，相当于W-CDMA 3G网路的20倍。

(3)通信更加灵活：从严格意义上说，4G手机的功能，已不能简单划归“电话机”的范畴，毕竟语音资料的传输只是4G移动电话的功能之一而已，因此未来4G手机更应该算得上是一只小型电脑了，而且4G手机从外观和式样上，将有更惊人的突破，我们可以想象的是，眼镜、手表、化妆盒、旅游鞋，以方便和个性为前提，任何一件你能看到的物品都有可能成为4G终端，只是目前我们还不知应该怎么称呼它。未来的4G通信将使我们不仅可以随时随地通信，更可以双向下载传递资料、图画、影像，当然更可以和从未谋面的陌生人网上联线对打游戏。也许你将有被网上定位系统永远锁定无处遁形的苦恼，但是与它据此提供的地图带来的便利和安全相比，这简直可以忽略不计。

(4)智能性能更高 ：第四代移动通信的智能性更高，不仅表现在4G通信的终端设备的设计和操作具有智能化，例如对菜单和滚动操作的依赖程度将大大降低，更重要的4G手机可以实现许多难以想象的功能。例如4G手机将能根据环境、时间以及其他设定的因素来适时地提醒手机的主人此时该做什么事，或者不该做什么事，4G手机可以将电影院票房资料，直接下载到PDA之上，这些资料能够把目前的售票情况、座位情况显示得清清楚楚，大家可以根据这些信息来进行在线购买自己满意的电影票；4G手机可以被看作是一台手提电视，用来看体育比赛之类的各种现场直播。

(5)兼容性能更平滑 ：要使4G通信尽快地被人们接受，不但考虑的它的功能强大外，还应该考虑到现有通信的基础，以便让更多的现有通信用户在投资最少的情况下就能很轻易地过渡到4G通信。因此，从这个角度来看，未来的第四代移动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第二代平稳过渡等特点。

(6)实现更高质量的多媒体通信 ：尽管第三代移动通信系统也能实现各种多媒体通信，但未来的4G通信能满足第三代移动通信尚不能达到的在覆盖

范围、通信质量、造价上支持的高速数据和高分辨率多媒体服务的需要，第四代移动通信系统提供的无线多媒体通信服务将包括语音、数据、影像等大量信息透过宽频的信道传送出去，为此未来的第四代移动通信系统也称为“多媒体移动通信”。第四代移动通信不仅仅是为了因应用户数的增加，更重要的是，必须要因应多媒体的传输需求，当然还包括通信品质的要求。总结来说，首先必须可以容纳市场庞大的用户数、改善现有通信品质不良，以及达到高速数据传输的要求。

(7)频率使用效率更高 ：相比第三代移动通信技术来说，第四代移动通信技术在开发研制过程中使用和引入许多功能强大的突破性技术，例如一些光纤通信产品公司为了进一步提高无线因特网的主干带宽宽度，引入了交换层级技术，这种技术能同时涵盖不同类型的通信接口，也就是说第四代主要是运用路由技术(Routing)为主的网络架构。由于利用了几项不同的技术，所以无线频率的使用比第二代和第三代系统有效得多。按照最乐观的情况估计，这种有效性可以让更多的人使用与以前相同数量的无线频谱做更多的事情，而且做这些事情的时候速度相当快。研究人员说，下载速率有可能达到5Mbps到10Mbps。

(8)通信费用更加便宜 ：由于4G通信不仅解决了与3G通信的兼容性问题，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的通信技术，这些技术保证了4G通信能提供一种灵活性非常高的系统操作方式，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，通信营运商们将考虑直接在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行者和用户的费用。据研究人员宣称，4G通信的无线即时连接等某些服务费用将比3G通信更加便宜。

要使第四代移动通信系统能投入实际应用，就需要对现有的移动通信基础设施进行更新改造，首先需要解决无线系统中的移动性管理和核心网的移动IP技术等问题，当然还有4G的标准问题。网络层移动性是4G移动性管理的关键，移动性通常涉及到在不同网段间漫游的移动用户，数据链路层的移动性支持通常限制在同类网络之间。移动IP代表了一种简单而且可以升级的全球移动性方案。但是，对于第四代移动通信系统而言，它缺乏实时位置管理和快速无缝切换机制的支持。要解决这些问题，必须采用新的网络结构和管理路由优化方案，需要采用高效的发送和切换协议，这些协议必须能很好地解决数据丢失和延迟的问题。另外，移动IP环境下的QoS所使用的综合业务/RSVP技术(IntSev/RSVP)和区别型业务技术(DifServ)也需解决。在4G系统中，要开发新的频谱资源，提供频谱利用率并选择合适的传输技术，如多载波传输方式以及自适应均衡等技术来对抗频率选择性衰。利用RAKE接收、跳频以及Turbo码等技术来增强系统的性能，提高信干比;提高检测可用的资源以及信号质量、动态分配频率资源和信号发射功率、增加移动通信系统容量、降低信号发射功率;提高通信的覆盖范围，并支持多媒体通信、无线接入宽带固定网以及在不同系统之间的漫游等。

4.第四代通信技术的发展展望

目前世界发送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。

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，并利用宽带OFDM技术进行下载。目前AT&T的4G Access网络升级分为两个阶段，第一阶段是移动电话基地台的软件构建，第二阶段则估计在两年后进行智能型天线的硬件构建。北电网络则努力使IP的4G网络传输速度达到20Mbps，因此必须进行Software Radio、宽带接收器、新型功率放大器等相关行动技术的开发。

日本电气通信技术审议会估计，2001～2010年日本3G市场规模将达到42兆日元，仅2010年的营收就将达到9300亿日元，而4G移动电话的市场潜力更远胜于3G。日本和韩国在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。

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。韩国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。 我国在4G领域也取得得大成果。汉网公司研制出的汉网“宽带无线IP通信系统”就用了4G技术和IP网络技术，以汉网特有的包分多址(PDMA)接入技术为核心，上下行数据速率采用不对称设计，可为无线用户提供高达近2Mbps的高速无线互联网业务，同时提供高速率的文字、图像、视频、话音等不同类型数据业务。可实现手机、PDA、PC之间的自由通信和组播、多点通信等扩展业务。

5.总结

目前世界发送国家都正在积极进行第四代移动通信技术规格的研究制定工作，以期在全球第四代移动通信规格制定中能享有发言权。第四代移动通信设备“智能化”程度极高，移动通信面向个人、正反馈良好循环发展的特性，决定其市场潜力仍非常巨大。移动通信与互联网的结合，给移动通信与互联网的发展都将注入更大的活力。随着互联网高速发展，第四代移动通信系统将会得到更快的发展。

21世纪我国移动通信还有一个巨大的发展空间，这为我国移动通信的发展提供了前所未有的机遇，同时也带来了严峻的挑战。为此，我们有必要在大力开发第三代移动通信技术系统的同时，提前作好准备，积极参与ITU关于第四代移动通信标准建议的研究，掌握世界移动通信技术的研究动向和最新成果，加强国际合作，关注并积极进行第四代移动通信技术的研究与开发工作，把第四代移动通信的研发与建立我国移动通信产业结合起来，加快我国移动通信产业的发展，使我国的移动通信产业在国内外拥有强大的市场。

我们期待，第四代通信技术将会给我们未来的生活带来无限美好！