毕业论文--4G移动通信系统的关键技术及其发展动态.doc

1、黑龙江大学本科生毕业论文（设计）档案编码：学院：电子工程学院专业：通信工程年级：2008级学生姓名： 毕业论文题目：4G移动通信系统的关键技术及其发展动态指导教师： 装订日期： 备注栏摘要本文主要对4G移动通信的关键技术进行了简要的论述，分析了4G的网络结构和4G的关键技术，包括OFDM技术、智能天线技术、软件无线电技术、多用户检测技术、多输入多输出技术等。在此基础上详细讨论了目前全球以及我国的4G技术进展及面临的问题,最后对4G的前景进行了预测。关键词4G移动通信；关键技术；发展动态；4G的优缺点AbstractThis paper focuses on the key technology

2、 of 4G mobile communication has also briefly discussed, analyzed the 4G network structure and key technology, including the 4G technology and intelligent OFDM antenna technology, software radio technology, multi-user detection technology, multiple input multiple output technology, etc. Based on the

3、current global is discussed in detail as well as our countrys 4G technology progress and the problems they faced, and finally to the prospect of 4G is forecasted. Key words4G mobile communication; Key technology; Developments ; Advantages and disadvantages of 4G 目录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1背景介绍11.2主要概念

4、3第2章 4G移动通信系统的关键技术42.1正交频分复用技术42.2智能天线技术42.3软件无线电技术42.4多用户检测技术42.5多输入多输出技术5第3章 4G移动通信系统的发展动态63.1国外发展动态63.2中国发展动态63.3 4G发展的优缺点7结论10参考文献11致谢12III4G移动通信系统的关键技术及其发展动态12第一章 绪论1.1 背景介绍4G是第四代移动通信及其技术的简称，是集3G与WLAN于一体并能够传输高质量视频图像以及图像传输质量与高清晰度电视不相上下的技术产品。4G系统能够以100Mbps的速度下载，比拨号上网快2000倍，上传的速度也能达到20Mbps，并能够满足几乎

5、所有用户对于无线服务的要求。而在用户最为关注的价格方面，4G与固定宽带网络在价格方面不相上下，而且计费方式更加灵活机动，用户完全可以根据自身的需求确定所需的服务。此外，4G可以在ADSL和有线电视调制解调器没有覆盖的地方部署，然后再扩展到整个地区。很明显，4G有着不可比拟的优越性。通信技术日新月异，给人们带来不少享受。随着数据通信与多媒体业务需求的发展，适应移动数据、移动计算及移动多媒体运作需要的第四代移动通信开始兴起，因此有理由期待这种第四代移动通信技术给人们带来更加美好的未来。所有技术的发展都不可能在一夜之间实现，从GSM、GPRS到第4代，需要不断演进，而且这些技术可以同时存在。人们都知

6、道最早的移动通信电话用的模拟蜂窝通信技术，这种技术只能提供区域性语音业务，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9001800MHz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

7、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G

8、SM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，通信运营商们又要推出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

9、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也可能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，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会由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

10、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，无线通信技术最终可能迈向4G通信技术时代。 从无线通信系统的发展历程来看，第一代移动通信系统的任务已经达成，而现阶段是第二代移动通信系统的时代，今后十年会是3G移动通信系统正兴的时期，或许到了十年以后会是第四代移动通信的天下。但人们不难发现每一个不同的移动通信系统均会有重复性的时间点，大约每十年就有一项技术更新，不过随着通信科技的日新月异，或许转变会更快、时间也会更短。对于移动通信服务业者、系统设备供货商或其他相关产业来说，必须随时注意移动通信技术的变化，以适应市场需求。正当长期演进技术Long-

11、Term Evolution (LTE)和WiMax在全球电信业大力推进时，前者也是最强大的4G移动通讯主导技术，正异军突起，迅速占领中国市场。虽然Qualcomm和Yota两家公司的TD-LTE尚未成熟，但很多国内外的无线运营公司都相继转向TD-LTE。IBM数据显示，67%运营商正考虑使用LTE，因为这是他们未来市场的主要来源。上述消息也证实了IBM的这一说法。而只有8%的运营商考虑使用WiMAX。尽管WiMax 可以给其客户提供市场上传输速度最快的网络，但仍然不是LTE技术的竞争对手。 TD-LTE是第一个4G无线移动宽带网络数据标准，由中国最大的电信运营商-中国移动修订与发布。在进行一

12、系列的现场试验后，预计在未来2年内步入商用期。爱立信副总裁Ulf Ewaldsson说：“中国工信部和中国移动将在今年第四季度进行大规模现场试验，届时，爱立信将助之一臂之力。”1.2 主要概念什么是4G？4G即第四代移动通信。根据国际电信联盟的定义，4G技术应当满足下面两个条件：固定状态下数据传输速度达到1Gbps，移动状态下数据传输速度达到100Mbps。目前的移动通信服务受传输速度所限，无法传输高清晰度节目，但4G 通信则可使之变为现实，它集3G与WLAN技术于一体，能够传输高质量视频图像，它的图像传输质量与高清晰度电视不相上下，并能够满足几乎所有用户对于无线服务的要求，运用4G技术，用户

13、可以收看高清晰、多频道电视，并遥控家中的电器。相对第三代移动通信技术而言，4G 技术可以实现更快的传输速度和更好的无缝“切换”，还可进行多媒体操作。在用户最为关注的价格方面，4G与固定宽带网络在价格方面不相上下， 而且计费方式更加灵活机动，甚至比目前的通信费用还要低，用户完全可以根据自身的需求确定所需的服务。此外，4G可以在DSL和有线电视调制解调器没有覆盖的地方部署，然后再扩展到整个地区。很明显，4G有着不可比拟的优越性。第二章 4G移动通信系统的关键技术2.1 正交频分复用技术正交频分复用（OFDM）技术是一种无线环境下的高速传输技术，其主要思想是：将信道分成若干正交子信道，将高速数据信号

14、转换成并行的低速子数据流，调制在每个子信道上进行传输。OFDM有很多独特的优点：频谱利用率很高，频谱效率比串行系统高出近一倍；抗衰落能力强；适合高速数据传输；抗码间干扰能力强。OFDM允许各载波间频率互相混叠，采用基于载波频率正交的FFT调制，由于各个载波的中心频点处没有其他载波的频谱分量，因而能够实现各个载波的正交。此外，不通过很多带通滤波器来实现，而是直接在基带处理，也是OFDM 有别于其他系统的优点之一。2.2 智能天线技术智能天线（SA）技术具有抑制信号干扰、自动跟踪以及数字波束调节等智能功能， 被认为是未来移动通信的关键技术。智能天线使用数字信号处理技术，产生空间定向波束， 使天线主

15、波束对准用户信号到达方向，旁瓣或零陷对准干扰信号到达方向，达到充分利用移动用户信号并消除或抑制干扰信号之目的。智能天线可以提高信噪比，提升系统通信质量，缓解无线通信日益发展与频谱资源不足的矛盾， 降低系统整体造价，因而成为4G 系统的关键技术之一。2.3 软件无线电技术软件无线电（SDR）技术是将标准化、模块化的硬件功能单元经过一个通用硬件平台， 利用软件加载方式来实现各种类型无线电通信系统的一种具有开放式结构的新技术。软件无线电的核心思想是：在尽可能靠近天线的地方使用宽带A/D和D/A变换器，并尽可能多地使用软件来定义无线功能，各种功能和信号处理都尽可能用软件实现。软件无线电在4G中的可能应

16、用为：采用软件无线电实现的基站可同时为多个网络服务；当终端移动时，可重新配置，如当移动终端移动到一个采用不同标准的移动系统中时，终端可按照该系统的标准重新进行自动配置， 从而获得系统提供的各种服务。2.4 多用户检测技术多用户检测（MUD）技术能够有效地消除码间干扰，提高系统性能。多用户检测的基本思想是把同时占用某个信道的所有用户或某些用户的信号都当作有用信号，而不是作为干扰信号处理，利用多个用户的码元、时间、信号幅度以及相位等信息联合检测单个用户的信号， 即综合利用各种信息及信号处理手段，对接收信号进行处理，从而达到对多用户信号的最佳联合检测。多用户检测是4G 系统中抗干扰的关键技术，能进一

17、步提高系统容量，改善系统性能。2.5多输入多输出技术多输入多输出（MIMO）技术是指利用多发射和多接收天线进行空间分集的技术， 它采用的是分立式多天线， 能够有效地将通信链路分解成为许多并行的子信道，从而大大提高系统容量。信息论已经证明，当不同的接收天线和不同的发射天线之间互不相关时，MIMO 系统能够很好地提高系统的抗衰落和噪声性能，从而获得巨大的容量。第三章 4G移动通信系统的发展动态3.1 国外发展动态20世纪90年代早期，欧洲就开始了4G移动通信系统的研究，其目标速率是100Mbps，预期在2012年左右投入商用。目前全球范围内有多个组织正在进行4G系统的研究和标准化工作，如IPv6论

18、坛、SDR论坛、3GPP、无线世界研究论（The WirelessWorld Research Forum）、IETF（TheInternet EngineeringTask Force）和MWIF（The MobileWireless InternetForum）等。同时，一些移动通信设备厂商也在进行4G的研发工作，如：AT&T 已经开发了名为4G接入的实验网络，NORTEL进行了软件无线电功率放大器技术的研究，而HP实验室也正在进行4G网络传输多媒体内容的相关研究。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、

19、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。对4G最为关注的外企包括北电、三星、摩托罗拉等，分别在3G以及Wimax上拥有较多知识产权的高通和英特尔也“争得不可开交”，希望能获得4G的主导权。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

20、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。3.2 我国发展动态2001年，“国家863计划”启动了面向后三代/四代（B3G/4G）的移动通信发展研究计划未来通用无线环境研究计划（简称FuTURE计划）。其主要目标是面向未来10年无线通信领域的发展趋势与需求，重点突破新一代移动通信系统关键技术，逐步建立一个集大

21、范围蜂窝移动通信、区域性宽带无线接入和短程无线连接为一体的通用无线电环境，为中国未来无线与移动通信产业的跨越式发展创造条件。我国启动4G研发以来，国内十余家大学、企业和研究所均参与其中。在FuTURE计划一期课题的支持下，北京邮电大学等国内六所高校，分别与华为、三星等国内外企业开展合作，经过一年多的艰苦努力，完成了六种无线传输链路方案的设计，并初步研究了无线资源管理方案和上层协议，基本完成了基带电路核心硬件和软件的设计和测试，并完成了支持分布式多天线接入的射频系统的设计；取得了一系列创新性研究成果，申请了30余项国家发明专利，为进一步凝炼面向“十五”末期的超3代总体技术方案打下了良好的基础。在

22、此基础之上，国家“863”FuTURE计划于2003年11月启动了第二阶段研究开发计划。本课题研究开发的总体目标是：面向超3代移动通信在传输速率、业务支持、系统容量等方面的应用需求，在超3G移动通信系统网络结构、空中接口等各个方面，进一步开展深入系统的研究，重点突破，形成完善的超3代总体技术方案，构建具有超3代移动通信主要技术特征的试验系统，具备向ITU提交初步的新一代无线通信体制标准建议的技术基础。“国家863”项目“超3代蜂窝移动通信无线网络实验系统研究与开发”子课题“TDD系统OFDM上行链路设计与实现及TDD技术集成”由北京邮电大学无线新技术研究所承担，具体负责该课题的实施和集成。该子

23、课题于2003年11月启动，2004年7月完成了链路方案验收，至2006年6月完成了上下行链路以及整个系统的联调工作，在2006年6月17日进行了正式验收。验收结果表明该系统已达到了国际领先水平，这标志着我国在下一代移动通信系统的研究中取得了突破性进展。2007年1月28日，在上海快速移动的测试车上，基于IPV6的高清电视等业务的演示十分流畅。工作人员在上海延安西路高架做了2km长的覆盖，车辆在真实的路况中以50km/h的时速行驶，获得的下行速率为20Mbps90Mbps，上行最高也可达80Mbps。这标志着我国第一个4G试验网已经正式进入第三阶段，即外场试验和预商用计划。该实验系统由三个无线

24、覆盖小区、六个接入站点和六个移动终端组成，提供多小区、多用户模拟网络集成测试环境，验证室内、开阔地、城市热点，高架路等多种无线场景适用性，其集成测试平台提供从链路空口质量到业务承载质量、从静止模拟信道环境到实时高速移动环境下的多种测试手段。3.3 4G发展的优缺点先说4G的优点：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。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3

25、G网络的蜂窝系统的带宽高出许多。3、通信更加灵活未来的4G通信使人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。4、智能性能更高第四代移动通信的智能性更高，不仅表现于4G通信的终端设备的设计和操作具有智能化，更重要的4G手机可以实现许多难以想象的功能。5、兼容性能更平滑未来的第四代移动通信系统具备全球漫游，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第四代移动通信系统提供的无线多媒体通信服务包括语音、数据、影像等大量信息透过宽频的信道传送出去，因此未来的第四代移动通信系统也称为“多媒

26、体移动通信”；7、通信费用更加便宜。在建设4G通信网络系统时，通信营运商们会考虑直接在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。再说4G的缺点：1、标准难以统一开发第四代移动通信系统必须首先解决通信制式等需要全球统一的标准化问题，但世界各大通信厂商会对此一直在争论不休。2、技术难以实现尽管未来的4G通信能够给人带来美好的明天，但是别指望立刻就能用上这种技术，大约还需要几年左右的时间这项技术才能发布，而要实现4G通信的下载速度，还临着一系列技术问题。3、容量受到限制手机的速度会受到通信系统容量的限制，如系统容量有限，手机用户越多，速度就越慢。据有关专

27、家分析，4G手机会很难达到其理论速度。如果速度上不去，4G手机就要大打折扣。4、市场难以消化有专家预测在几年以后，覆盖全球的3G网络已经基本建成，到那时整个行业正在消化吸收第三代技术，对于第四代移动通信系统的接受还需要一个逐步过渡的过程。5、设施难以更新在部署4G通信网络系统之前，覆盖全球的大部分无线基础设施都是基于第三代移动通信系统建立的，如果要向第四代通信技术转移的话，那么全球的许多无线基础设施都需要经历着大量的变化和更新，这种变化和更新势必减缓4G通信技术全面进入市场、占领市场的速度。结论随着目前3G移动通信技术的全面商用化的开始，我国大部分的手机用户将感受到3G技术给我们带来的便捷，同

28、时也能明显的感到3G技术的不足与缺陷。这些不足与缺陷将成为移动通信技术不断进步的动力。 所以3G技术目前的不足与缺陷将成为推动4G技术的重要力量，我们有理由相信4G将成为未来移动通信领域的主导技术，会使我们未来的生活更加美好。在技术飞速发展的同时，我们应该意识到，对待通信新技术我们更应该冷静、理智，4G演进的道路绝不会一帆风顺，前面的路仍是机遇与挑战并存。参考文献14G中的MIMO-OFDM原理及关键技术J.中国新通信，2009，11(23).24G移动通信技术简析与发展预期J.中小企业管理与科技，2010(22).3未来移动通信系统中上行OFDM系统方案的研究，2004.44G中的关键技术O

29、FDM及其时域同步J.信息技术，2003，27(2).54G的核心技术MIMO OFDM及其同步J.中国数据通信，2005，7(6).6高健，罗华斌.直放站的原理与应用J.中国无线电，2005.7吴明谦.CDMA直放站应用的几个技术问题J.电信科学技术研究院.8焦建平.4G通讯系统中的关键技术J.南京大学学报,2007.9徐万涛.计算机网络实用技术M.北京:清华大学出版社,2007-12.10程清,胡芝.移动通信系统研究M.西安:西北工业大学出版社,2008-08.11郎为民.下一代网络技术原理与应用.北京机械工业出版社，2005.12汪裕民.OFDM关键技术与应用M.北京:机械工业出版社，2

30、007.13何琳琳,杨大成.4G移动通信系统的主要特点和关键技术.移动通信，2004(2).14刘伟,丁志杰.4G移动通信系统研究进展与关键技术.中国数据通信，2004(2). 15袁晓超.4G通信系统关键技术浅析.中国无线电，2005(12).16陈忠民，田增山.浅谈软件无线电技术及其在4G中的应用.电信快报，2006（1）.17Seamless handoff scheme for 4G mobile systemsbased on IP and OFDM，2004.致谢我要感谢我的指导老师老师，他严谨细致、一丝不苟的作风一直是我工作、学习中的榜样；他循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪。本论文的设计研究过程都是在老师的悉心指导和帮助下完成的，老师渊博的学识、严谨的治学态度、忘我的工作精神、深刻的学术洞察力、活跃的学术思想、勤恳的工作作风，将使我受益终生；您力求创新的治学精神和为人坦诚真挚、平易谦和的风范，更是我终生的鞭策。至此论文完成之际，我要感谢您对我的悉心指导、培养和关怀。从最初的论文选题、开题到结果的讨论，直至最后论文撰写成文，这其中的每一个环节都凝聚着宋老师大量的心血和智慧。在此，谨向恩师致以我最衷心的感谢和最崇高的敬意！