1、第第5章章 未来的移动通信系统未来的移动通信系统5.1 4G移动通信系统的简介移动通信系统的简介5.2 4G的网络架构的网络架构5.3 4G的关键技术的关键技术5.1 4G移动通信系统的简介移动通信系统的简介511 4G 的定义的定义第四代移动通信技术的概念可称为广带第四代移动通信技术的概念可称为广带(Broadband)接入接入和分布网络，和分布网络，具有非对称超过具有非对称超过2MbS的数据传输能力，对的数据传输能力，对全速移动用户能提供全速移动用户能提供l50Mbs的高质量影像服务，将首次的高质量影像服务，将首次实现三维图像的高质量传输。它包括广带无线固定接入、广实现三维图像的高质量传输
2、。它包括广带无线固定接入、广带无线局域网、移动广带系统和互操作的广播网络带无线局域网、移动广带系统和互操作的广播网络(基于地面基于地面和卫星系统和卫星系统)。此外。此外,广带无线局域网广带无线局域网(WLAN)与与B-ISDN 和和ATM 兼容兼容,实现了广带多媒体通信实现了广带多媒体通信,并可形成综合广带通信并可形成综合广带通信网网(IBCN),通过通过IP 进行通信。第四代移动通信可以在不固进行通信。第四代移动通信可以在不固定的无线平台和跨越不同频带的网络中提供无线服务定的无线平台和跨越不同频带的网络中提供无线服务,可以在可以在任何地方宽带接入互联网任何地方宽带接入互联网(包括卫星通信包括
3、卫星通信),能够提供信息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。之外的定位定时、数据采集、远程控制等综合功能。下一页返回5.1 4G移动通信系统的简介移动通信系统的简介512 4G 的主要技术指标的主要技术指标数据速率从数据速率从3G 的的2Mb/s 提高到提高到100Mb/s,移动速率从步移动速率从步行到车速行到车速,甚至更快。甚至更快。在覆盖范围在覆盖范围,通信质量通信质量,系统造价上满足系统造价上满足3G 所不能达到支持高所不能达到支持高速率数据和高分辨率多媒体的服务的需要。广带局域网应能速率数据和高分辨率多媒体的服务的需要。广带局域网应能与宽带综合业务数据与宽
4、带综合业务数据(B-ISDN)和异步传输模式和异步传输模式(ATM)兼兼容容,实现广带多媒体通信实现广带多媒体通信,形成综合广带通信网形成综合广带通信网对全速移动用户能够提供对全速移动用户能够提供150Mb/s 的高质量的影像多媒体的高质量的影像多媒体业务。业务。上一页 下一页返回5.1 4G移动通信系统的简介移动通信系统的简介513 4G 较之于较之于3G 的优点的优点与与3移动通信服务相比移动通信服务相比,4将比将比3G 更接近于个人通信。更接近于个人通信。即在任何人即在任何人,任何时间和任何地点的基础上实现任何形式的通任何时间和任何地点的基础上实现任何形式的通信。无论在通信范围、通信质量
5、以及其他任何方面信。无论在通信范围、通信质量以及其他任何方面,4G 都应都应该比该比3有一个质的提高。有一个质的提高。4技术较技术较3移动通信技术有许移动通信技术有许多超越之处多超越之处,其特点主要有其特点主要有:4移动通信技术的信息传输速率要比移动通信技术的信息传输速率要比3高一个等级高一个等级,要超要超过过UMTS,即从即从Mb/s 提高到提高到10b/s,其最大的传输速度其最大的传输速度将是目前将是目前“i-mode”服务的服务的10000 倍。倍。它将是一个全数字通信网它将是一个全数字通信网,具有更高的带宽和更高的比特率具有更高的带宽和更高的比特率,下载速率最高可达下载速率最高可达10
6、0Mb/s。而且其对无线频率的使用效。而且其对无线频率的使用效率将比第二代和第三代系统都高的多。率将比第二代和第三代系统都高的多。上一页 下一页返回5.1 4G移动通信系统的简介移动通信系统的简介虽然虽然3的速率已有很大的提高的速率已有很大的提高,但仍不能很好动态地分配资但仍不能很好动态地分配资源源,大流量时系统利用率低。而大流量时系统利用率低。而4系统采用智能技术使其能系统采用智能技术使其能自适应地进行资源分配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务流大小进行相应处理而满足通信要求,采用智能信号处理技采用智能信
7、号处理技术对信道条件不同的各种复杂环境都能进行信号的正常发送术对信道条件不同的各种复杂环境都能进行信号的正常发送与接收与接收,有很强的智能性、适应性和灵活性。有很强的智能性、适应性和灵活性。3的初衷是希望统一全球纷杂的移动通信技术的初衷是希望统一全球纷杂的移动通信技术,但是但是,因为各因为各个商家的利益得不到很好的协调而分化成如今三大阵营。目个商家的利益得不到很好的协调而分化成如今三大阵营。目前前ITU 承认的、在全球已有相当规模的移动通信标准共有承认的、在全球已有相当规模的移动通信标准共有GSM、CDMA 和和TDMA 三大分支三大分支,每个分支都在抢占市场。每个分支都在抢占市场。这大分支这
8、大分支,取消哪个也不可能取消哪个也不可能,只有通过第四代移动通信标只有通过第四代移动通信标准的制定来解决兼容问题。准的制定来解决兼容问题。在容量方面在容量方面,将可能在将可能在FDMA,TDMA,CDMA 的基础上引入的基础上引入空分多址空分多址(SDMA)。这里的空分多址将会采取自适应波束。这里的空分多址将会采取自适应波束,如同无线电波一样连接到每一个用户如同无线电波一样连接到每一个用户,从而使无线系统容量比从而使无线系统容量比现在提高现在提高1-2 个数量级个数量级上一页 下一页返回5.1 4G移动通信系统的简介移动通信系统的简介在未来的全球通信中在未来的全球通信中,人们所需的是多媒体通信
9、。个人通信、人们所需的是多媒体通信。个人通信、信息系统、广播和娱乐等各行业将会结合成一个整体信息系统、广播和娱乐等各行业将会结合成一个整体,提供给提供给用户比以往更广泛的服务与应用。用户比以往更广泛的服务与应用。4G 将支持交互式多媒体将支持交互式多媒体业务业务,如视频会议如视频会议,无线因特网等。且具有极高的安全性无线因特网等。且具有极高的安全性4系统的网络将是一个完全自治、自适应的网络。蜂窝组系统的网络将是一个完全自治、自适应的网络。蜂窝组网的概念将被突破网的概念将被突破,以达到更完美的覆盖。核心网将全面采用以达到更完美的覆盖。核心网将全面采用分组交换分组交换(信元交换信元交换),使得网络
10、根据用户的需要分配带宽使得网络根据用户的需要分配带宽,以以满足系统变化和发展的要求。满足系统变化和发展的要求。上一页 返回52 4G的网络架构的网络架构521 4G的网络体系结构的网络体系结构在第四代移动通信系统中，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为了满足不同用户对不同业务的需求，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连接到基于IP的核心网中，形成一个公共的、灵活的、可扩的核心网中，形成一个公共的、灵活的、可扩展的平台，网络的连接如展的平台，网络的连接如图图5-1所示。所示。从图从图5-1中可看出基于中可
11、看出基于IP技术的网络架构使得用户在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、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三层，如将系统网络体系结构分为三层，如图图5-2所示。所示。下一页返回52 4G的网络架构的网络架构从图从图5-2可看出，第四代移动通信系统的网络体系结构可以可看出，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，层。物理层提供接入和选路功能，网络业务执行技术层作为网络业务执行技术层作为桥接层提供桥
12、接层提供QoS映射、地址转换、即插即用、安全管理、有映射、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源网络。物理层与网络业务执行技术层提供开放式IP接口。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。三方开发和提供新业务。结合移动通信市场发展和用户需求，结合移动通信市场发展和用户需求，4G移动网络的根本任务移动网络的根本任务是能够接收、获取到终端的呼叫，在多个运行网络是能够接收、获取到终端的呼叫，在多个运行网络(平台平台)之之间或者多个无线接口之间，间或者多个无线接口之间，建
13、立其最有效的通信路径，并对建立其最有效的通信路径，并对其进行实时的定位和跟踪。在移动通信过程中，移动网络还其进行实时的定位和跟踪。在移动通信过程中，移动网络还要保持良好的无缝连接能力，保证数据传输的高质量、高速要保持良好的无缝连接能力，保证数据传输的高质量、高速率。率。4G移动网络将基于多层蜂窝结构，移动网络将基于多层蜂窝结构，通过多个无线接口，通过多个无线接口，由多个业务提供者和众多网络运营者提供多媒体业务。由多个业务提供者和众多网络运营者提供多媒体业务。上一页 下一页返回52 4G的网络架构的网络架构同时，技术的发展和市场的需求，同时，技术的发展和市场的需求，将加快并实现目前的计算将加快并
14、实现目前的计算机网、电信网、广播电视网和卫星通信网等网络融为一体，机网、电信网、广播电视网和卫星通信网等网络融为一体，宽带宽带IP技术和光网络将成为多网融合的支撑和结合点。数字技术和光网络将成为多网融合的支撑和结合点。数字化数据交易点是化数据交易点是4G移动网络的一个重要技术。它用于预处理移动网络的一个重要技术。它用于预处理各个不同网络平台之间的呼叫。在网络平台之间的特定协议各个不同网络平台之间的呼叫。在网络平台之间的特定协议条件下，条件下，帮助业务供应者提供高质量、低费用的业务应用。帮助业务供应者提供高质量、低费用的业务应用。例如，两个网络平台之间传送电视数据信息，首先经由数字例如，两个网络
15、平台之间传送电视数据信息，首先经由数字化数据交易所处理。在数字化数据交易所里，这个电视数据化数据交易所处理。在数字化数据交易所里，这个电视数据信息将被分离成视频信号和音频信号，经由不同信道传送。信息将被分离成视频信号和音频信号，经由不同信道传送。音频信号将由覆盖广泛的网络传送，音频信号将由覆盖广泛的网络传送，视频信号将由只能处理、视频信号将由只能处理、接收视频信号的网络传送，从而达到降低通信成本和有效利接收视频信号的网络传送，从而达到降低通信成本和有效利用传输信道的目的。未来的全球互联网系统和骨干网系统，用传输信道的目的。未来的全球互联网系统和骨干网系统，将以结合宽带将以结合宽带IP技术和光纤
16、网技术为主。技术和光纤网技术为主。上一页 下一页返回52 4G的网络架构的网络架构522 4G移动通信的接入系统移动通信的接入系统4G移动通信接入系统的显著特点是，智能化多模式终端基于移动通信接入系统的显著特点是，智能化多模式终端基于公共平台，通过各种接入技术，在各种网络系统公共平台，通过各种接入技术，在各种网络系统(平台平台)之间之间实现无缝连接和协作。在实现无缝连接和协作。在4G移动通信中，各种专门的接入系移动通信中，各种专门的接入系统都基于一个公共平台，相互协作，以最优化的方式工作，统都基于一个公共平台，相互协作，以最优化的方式工作，来满足不同用户的通信需求。当多模式终端接入系统时，网来
17、满足不同用户的通信需求。当多模式终端接入系统时，网络会自适应分配频带，给出最优化路由，以达到最佳通信效络会自适应分配频带，给出最优化路由，以达到最佳通信效果。目前，果。目前，4G移动通信的主要接入技术有：无线蜂窝移动通移动通信的主要接入技术有：无线蜂窝移动通信系统信系统(例如例如2G、3G)、无绳系统、无绳系统(如如DECT)、短距离连接、短距离连接系统系统(如蓝牙如蓝牙)、WLAN系统、固定无线接入系统、卫星系统、系统、固定无线接入系统、卫星系统、平流层通信平流层通信(STS)、广播电视接入系统、广播电视接入系统(如如DAB、DVBT、CATV)。随着技术发展和市场需求变化，新的接入技术将不
18、。随着技术发展和市场需求变化，新的接入技术将不断出现。断出现。网络接入系统在整个移动网络中处于十分重要的位置。未来网络接入系统在整个移动网络中处于十分重要的位置。未来的接入系统将主要在以下三个方面进行技术革新和突破：的接入系统将主要在以下三个方面进行技术革新和突破：上一页 下一页返回52 4G的网络架构的网络架构为最大限度开发利用有限的频率资源，在接入系统的物理层，为最大限度开发利用有限的频率资源，在接入系统的物理层，优化调制、信道编码和信号传输技术，提高信号处理算法、优化调制、信道编码和信号传输技术，提高信号处理算法、信号检测和数据压缩技术，并在频谱共享和新型天线方面做信号检测和数据压缩技术
19、，并在频谱共享和新型天线方面做进一步研究。进一步研究。为提高网络性能，为提高网络性能，在接入系统的高层协议方面，在接入系统的高层协议方面，研究网络研究网络自我优化和自动重构技术，自我优化和自动重构技术，动态频谱分配和资源分配技术，动态频谱分配和资源分配技术，网络管理和不同接入系统间协作。网络管理和不同接入系统间协作。提高和扩展提高和扩展IP技术在移动网络中的应用；加强软件无线电技技术在移动网络中的应用；加强软件无线电技术；优化无线电传输技术，术；优化无线电传输技术，如支持实时和非实时业务、无缝如支持实时和非实时业务、无缝连接和网络安全。连接和网络安全。上一页 下一页返回52 4G的网络架构的网
20、络架构523 4G移动通信的软件系统移动通信的软件系统4G移动通信的软件系统趋于标准化、复杂化、智能化。软件移动通信的软件系统趋于标准化、复杂化、智能化。软件系统的首要任务是，创建一个公共的软件平台，使不同通信系统的首要任务是，创建一个公共的软件平台，使不同通信系统和终端的应用软件，通过此平台系统和终端的应用软件，通过此平台“互联互通互联互通”；并且，；并且，通过此软件平台，实现对不同通信系统和终端的管理和监控。通过此软件平台，实现对不同通信系统和终端的管理和监控。因此，建立一个统一的软件标准和互联协议，是因此，建立一个统一的软件标准和互联协议，是4G移动通信移动通信软件系统的关键。软件系统将
21、逐步采用软件系统的关键。软件系统将逐步采用Web服务模式，以代服务模式，以代替现行的客户服务器模式。新的计算机语言如替现行的客户服务器模式。新的计算机语言如XML，将用，将用于未来的这种基于于未来的这种基于Web的分布式服务。另一方面，的分布式服务。另一方面，软件系软件系统还将在网络安全上做进一步研究，以保障通信网络的正常统还将在网络安全上做进一步研究，以保障通信网络的正常工作、数据完整和其他特殊需要。工作、数据完整和其他特殊需要。上一页返回53 4G的关键技术的关键技术531 OFDM调制技术调制技术在高频段高速移动传输会产生严重的频率选择性衰落，在高频段高速移动传输会产生严重的频率选择性衰
22、落，实现实现调制调制 解调的鲁棒性可以克服这种频率选择性衰落，并且新解调的鲁棒性可以克服这种频率选择性衰落，并且新的调制技术如多载波正交频分复用调制技术以及单载波带自的调制技术如多载波正交频分复用调制技术以及单载波带自适应均衡技术都将提供很高的频谱效率。若从技术层面来看适应均衡技术都将提供很高的频谱效率。若从技术层面来看,第三代移动通信系统主要是以第三代移动通信系统主要是以CDMA 为核心技术为核心技术,而第四代而第四代移动通信系统技术则以移动通信系统技术则以OFDM 最受瞩目。最受瞩目。OFDM是一种多载波调制技术。其核心是将信道分成若干个是一种多载波调制技术。其核心是将信道分成若干个正交子
23、信道，在每个子信道上进行窄带调制和传输，这样减正交子信道，在每个子信道上进行窄带调制和传输，这样减少了子信道之间的相互干扰。每个子信道上的信号带宽小于少了子信道之间的相互干扰。每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，因此每个子信道上的频率选择性衰落是平信道的相关带宽，因此每个子信道上的频率选择性衰落是平坦的，大大消除了符号间干扰。另外，由于在坦的，大大消除了符号间干扰。另外，由于在OFDM系统中系统中各个子信道的载波相互正交，于是它们的频谱是相互重叠的，各个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这样不但减小了子载波间的相互干扰，
24、同时又提高了频谱利用率。在各个子信道中的这种正交调制和解调可以采用一对用率。在各个子信道中的这种正交调制和解调可以采用一对傅立叶变换（傅立叶变换（IFFT和和FFT）方法来实现。如）方法来实现。如图图5-3所示。所示。下一页返回53 4G的关键技术的关键技术532 软件无线电软件无线电在在4G移动通信系统中，移动终端将会变得非常繁杂。为此，移动通信系统中，移动终端将会变得非常繁杂。为此，专家们提议引入软件无线电技术，实现移动终端的多模化。专家们提议引入软件无线电技术，实现移动终端的多模化。所谓软件无线电技术就是采用数字信号处理技术，在可编程所谓软件无线电技术就是采用数字信号处理技术，在可编程控
25、制的通用硬件平台上，利用软件来实现无线电台的各部分控制的通用硬件平台上，利用软件来实现无线电台的各部分功能，包括前端接收、中频处理以及信号的基带处理等。即功能，包括前端接收、中频处理以及信号的基带处理等。即整个无线电台从高频、中频、基带直到控制协议部分全部由整个无线电台从高频、中频、基带直到控制协议部分全部由软件编程来实现。其核心技术就是尽可能接近天线的地方使软件编程来实现。其核心技术就是尽可能接近天线的地方使用用AD和和DA转换器，尽早完成信号的数字化。因此，应转换器，尽早完成信号的数字化。因此，应用软件无线电技术，一个移动终端，就可以实现在不同系统用软件无线电技术，一个移动终端，就可以实现
26、在不同系统和平台之间，和平台之间，畅通无阻的使用。目前比较成熟的软件无线电畅通无阻的使用。目前比较成熟的软件无线电技术有参数控制软件无线电系统。技术有参数控制软件无线电系统。上一页 下一页返回53 4G的关键技术的关键技术533 网络结构与协议网络结构与协议4G系统网络体系结构包括了适用于系统网络体系结构包括了适用于IP分组传输的空中接口、分组传输的空中接口、位置寄存、基站网络配置、无线位置寄存、基站网络配置、无线QoS控制、网络配置和集成控制、网络配置和集成式式3GWLAN无缝业务控制等功能模块。为了解决城区密无缝业务控制等功能模块。为了解决城区密集业务，集业务，频率复用是关键，而且用微蜂窝
27、实现无缝覆盖要比频率复用是关键，而且用微蜂窝实现无缝覆盖要比热点覆盖策略好，热点覆盖策略好，因为前者可以避免地理位置上的业务集中。因为前者可以避免地理位置上的业务集中。上一页 下一页返回53 4G的关键技术的关键技术在处理多媒体业务时，智能无线资源管理是关键技术，无线在处理多媒体业务时，智能无线资源管理是关键技术，无线系统资源系统资源(频率和发射功率频率和发射功率)是有限的且易受阻塞的困扰，是有限的且易受阻塞的困扰，因因此，有必要采用无线此，有必要采用无线QoS资源控制，资源控制，以保证业务质量和支持以保证业务质量和支持各种级别的应用。由各种级别的应用。由4G系统支持的应用业务将依据业务的特系
28、统支持的应用业务将依据业务的特点进行分类点进行分类(如分为实时和非实时如分为实时和非实时)，无线，无线QoS资源控制方式资源控制方式要既能支持实时性应用，也能支持非实时性应用。无线资源要既能支持实时性应用，也能支持非实时性应用。无线资源管理者首先检查可用资源、前后向链路质量、应用类别以管理者首先检查可用资源、前后向链路质量、应用类别以及及QoS业务用户级别，然后再指配适当的前后向链路速率业务用户级别，然后再指配适当的前后向链路速率和发射功率。和发射功率。4G系统中基于系统中基于IP技术的网络结构可以处理技术的网络结构可以处理IP包，方便地提供全向功能，包，方便地提供全向功能，关键是选路切换和鉴
29、权策略。关键是选路切换和鉴权策略。上一页 下一页返回53 4G的关键技术的关键技术534 定位技术定位技术定位是指移动终端位置的测量方法和计算方法。它主要分为定位是指移动终端位置的测量方法和计算方法。它主要分为基于移动终端定位、基于移动网络定位以及混合定位三种方基于移动终端定位、基于移动网络定位以及混合定位三种方式。在式。在4G移动通信系统中，移动通信系统中，移动终端可能在不同系统移动终端可能在不同系统(平台平台)问进行移动通信。因此，对移动终端的定位和跟踪，是实现问进行移动通信。因此，对移动终端的定位和跟踪，是实现移动终端在不同系统移动终端在不同系统(平台平台)问无缝连接和系统中高速率和高问
30、无缝连接和系统中高速率和高质量的移动通信的前提和保障。质量的移动通信的前提和保障。535 切换技术切换技术切换技术适用于移动终端在不同移动小区之间、不同频率之切换技术适用于移动终端在不同移动小区之间、不同频率之间通信或者信号降低信道选择等情况。切换技术是未来移动间通信或者信号降低信道选择等情况。切换技术是未来移动终端在众多通信系统、移动小区之间建立可靠移动通信的基终端在众多通信系统、移动小区之间建立可靠移动通信的基础和重要技术。它主要有软切换和硬切换。在础和重要技术。它主要有软切换和硬切换。在4G通信系统中，通信系统中，切换技术的适用范围更为广泛，并朝着软切换和硬切换相结切换技术的适用范围更为
31、广泛，并朝着软切换和硬切换相结合的方向发展。合的方向发展。上一页 下一页返回53 4G的关键技术的关键技术536 MIMO技术技术MIMO(Multiple-Input Multiple-Out-put)技术最早技术最早是由是由Marconi于于1908年提出的，它充分开发空间资源利用，年提出的，它充分开发空间资源利用，利用多个天线实现多发多收，在不需要增加频谱资源和天线利用多个天线实现多发多收，在不需要增加频谱资源和天线发送功率的情况下，可以成倍地提高信道容量。如发送功率的情况下，可以成倍地提高信道容量。如图图5-4所所示。传输信息流示。传输信息流S(k)经过空时编码形成经过空时编码形成N个
32、信息子流个信息子流Ci(k)，i=1，N。这。这N个子流由个子流由N个天线发射出去，经空间信个天线发射出去，经空间信道后由道后由M个接收天线接收。多天线接收机利用先进的空时编个接收天线接收。多天线接收机利用先进的空时编码处理能够对这些数据流进行分离和解码，从而实现最佳的码处理能够对这些数据流进行分离和解码，从而实现最佳的处理。处理。上一页 下一页返回53 4G的关键技术的关键技术 特别是当这特别是当这N个子流同时发送到信道，各发射信号占用同一个子流同时发送到信道，各发射信号占用同一频带，因而并未增加带宽。若各发射接收天线间的构筑多条频带，因而并未增加带宽。若各发射接收天线间的构筑多条相互独立的
33、通道，则相互独立的通道，则MIMO系统可以创造多个并行空间信道。系统可以创造多个并行空间信道。MIMO将多径无线信道与发射、接收视为一个整体进行优化，将多径无线信道与发射、接收视为一个整体进行优化，从而可实现高的通信容量和频谱利用率，这是一种近于最优从而可实现高的通信容量和频谱利用率，这是一种近于最优的空域时域联合的分集和干扰对消处理。的空域时域联合的分集和干扰对消处理。上一页 返回图图5-1 4G系统的网络结构系统的网络结构返回图图5-2 4G系统的网络分层系统的网络分层返回图图5-3 OFDM系统框图系统框图返回图图5-4 N根发射天线根发射天线N根接收天线的根接收天线的MIMO技术框图技术框图返回
