現(xiàn)代通信網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)(4).doc

現(xiàn)代通信網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)（4G）一4G概述1.1 4G的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 4G網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可分為三層：物理網(wǎng)絡(luò)層、中間環(huán)境層、應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)層。物理網(wǎng)絡(luò)層提供接入和路由選擇功能，中間環(huán)境層的功能有網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量映射、地址變換和完全性管理等。物理網(wǎng)絡(luò)層與中間環(huán)境層及其應(yīng)用環(huán)境之間的接口是開放的，使發(fā)展和提供新的服務(wù)變得更容易，提供無縫高數(shù)據(jù)率的無線服務(wù)，并運(yùn)行于多個(gè)頻帶，這一服務(wù)能自適應(yīng)于多個(gè)無線標(biāo)準(zhǔn)及多模終端，跨越多個(gè)運(yùn)營商和服務(wù)商，提供更大范圍服務(wù)。 1.2 4G基本特征1）移動(dòng)化移動(dòng)化將人們從地理的限制上解脫出來，實(shí)現(xiàn)無時(shí)不在、無所不在的信息傳遞。不僅是無線， 距離還得夠遠(yuǎn)，以基地臺(tái)為圓心，傳輸距離得在直徑10km以上。無線已是現(xiàn)代通信的必要手段，傳輸距離的遠(yuǎn)近會(huì)直接影響建設(shè)的進(jìn)度與成本。2）寬帶化 寬帶化是滿足用戶對視頻業(yè)務(wù)、流媒體等業(yè)務(wù)帶寬的需求。在2G和3G網(wǎng)絡(luò)解決了語音應(yīng)用和一部分?jǐn)?shù)據(jù)應(yīng)用之后，視頻應(yīng)用將是4G網(wǎng)絡(luò)上的最主要內(nèi)容。3G向視頻邁出了重要一步，但是較2G的提升有限，并未從根本上改變無線結(jié)構(gòu)。比如3G的帶寬問題，多用戶同時(shí)使用就會(huì)出現(xiàn)擁堵。而4G的帶寬是3G的10倍，頻譜利用率大約也是10倍，這樣吞吐量就是100倍。3）IP化 下一代網(wǎng)絡(luò)將是全I(xiàn)P網(wǎng)，從核心網(wǎng)到用戶設(shè)備均支持IP協(xié)議。未來的通信世界，應(yīng)該一切以 IP為基礎(chǔ)，形成網(wǎng)絡(luò)化的移動(dòng)世界。每一個(gè)網(wǎng)絡(luò)使用者，只要具有專屬的IP號(hào)碼，可以在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)，透過4G網(wǎng)絡(luò)來通信，至于是語音、數(shù)據(jù)，還是視頻，不再是運(yùn)營商該管的事了。4）融合化隨著4G的演進(jìn)，不同的無線技術(shù)在下一代網(wǎng)絡(luò)（NGN）架構(gòu)下將實(shí)現(xiàn)融合、共存，發(fā)揮各自的優(yōu)勢，形成多層次的無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。4G應(yīng)該是NGN的一部分，4G必須適應(yīng)三網(wǎng)融合的發(fā)展需求，既要實(shí)現(xiàn)“無所不在，無所不能”，又要滿足個(gè)性化服務(wù)的需求。因此，多體制、多技術(shù)仍將共存，必須統(tǒng)一的將是共同的承載網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)網(wǎng)。三網(wǎng)都將失去其獨(dú)立組網(wǎng)特征，而淪為NGN的接入網(wǎng)。4G移動(dòng)通信系統(tǒng)支持更豐富的移動(dòng)業(yè)務(wù)，包括高清晰度圖像業(yè)務(wù)、會(huì)議電視、虛擬現(xiàn)實(shí)業(yè)務(wù)等，用戶在任何地方都可以獲得任何所需的信息服務(wù)。將個(gè)人通信、信息系統(tǒng)、廣播和娛樂等行業(yè)結(jié)合成一個(gè)整體，更加安全、方便地向用戶提供更廣泛的服務(wù)與應(yīng)用。5）靈活性4G移動(dòng)通信系統(tǒng)采用智能技術(shù)使其能自適應(yīng)地進(jìn)行資源分配，能對通信過程中不斷變化的業(yè)務(wù)流大小進(jìn)行相應(yīng)處理而滿足通信要求，采用智能信號(hào)處理技術(shù)對信道條件不同的各種復(fù)雜環(huán)境進(jìn)行信號(hào)的正常發(fā)送與接收，有很強(qiáng)的智能性、適應(yīng)性和靈活性。6）兼容性4G移動(dòng)通信系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)全球統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，讓所有移動(dòng)通信運(yùn)營商的用戶享受共同的4G服務(wù)，真正實(shí)現(xiàn)一部手機(jī)在全球的任何地點(diǎn)都能進(jìn)行通信。7）層疊系統(tǒng)了實(shí)現(xiàn)1Gbps的峰值速率，4G系統(tǒng)需要寬達(dá)100MHz的系統(tǒng)帶寬，但在3GHz以下頻段分配100MHz連續(xù)頻譜幾乎是不可能的，而在高頻段又很難實(shí)現(xiàn)無縫全域覆蓋和高速移動(dòng)（運(yùn)營商要求基于現(xiàn)有站址部署4G系統(tǒng)，因此廣泛使用中繼和分布式天線技術(shù)有一定困難），因此需要同時(shí)使用部分3GHz以下頻譜。也就是說，4G系統(tǒng)將是一個(gè)層疊系統(tǒng)，需要同時(shí)使用上述兩段離散的頻譜，這形成了4G系統(tǒng)的一個(gè)重要特征。1.3 4G的關(guān)鍵技術(shù) 4G移動(dòng)通信系統(tǒng)將應(yīng)用一批先進(jìn)的技術(shù)，包括正交頻分復(fù)用（OFDM）、多輸入多輸出（MIMO） 技術(shù)、智能天線、空時(shí)編碼技術(shù)、無線鏈路增強(qiáng)技術(shù)、軟件無線電技術(shù)、高效的調(diào)制解調(diào)技術(shù)、高性能的收發(fā)信機(jī)、多用戶檢測技術(shù)和分布式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)等，提供全新的空中接口，并為終端用戶帶來更多的使用體驗(yàn)。1）OFDM未來無線多媒體業(yè)務(wù)既要保證數(shù)據(jù)傳輸速率高，又要保證傳輸質(zhì)量，這就要求所采用的調(diào)制解調(diào)技術(shù)既要有較高的信元速率，又要有較長的碼元周期，OFDM技術(shù)正滿足這一需求。OFDM是一種無線環(huán)境下的高速傳輸技術(shù)。無線信道的頻率響應(yīng)曲線大多是非平坦的，OFDM技術(shù)的主要思想就是在頻域內(nèi)將給定信道分成許多正交子信道，在每個(gè)子信道上使用一個(gè)子載波進(jìn)行調(diào)制，各子載波并行傳輸，這樣盡管總的信道是非平坦的，但每個(gè)子信道是相對平坦的。且在各子信道上進(jìn)行的是窄帶傳輸，信號(hào)帶寬小于信道帶寬，大大消除了信號(hào)波形間的干擾。OFDM技術(shù)的最大優(yōu)點(diǎn)是能對抗頻率選擇性衰落和窄帶干擾，從而降低各子載波間的相互干擾，提高頻譜利用率。2）軟件無線電技術(shù)在4G眾多關(guān)鍵技術(shù)之中，軟件無線電技術(shù)是通向未來4G的橋梁。由于各種技術(shù)的交迭有利于減少開發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)，所以未來的4G技術(shù)需要適應(yīng)不同種類的產(chǎn)品的要求。而軟件無線電技術(shù)則是適應(yīng)產(chǎn)品多樣性的基礎(chǔ)，它不僅能減少開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)，還更易于開發(fā)系列型產(chǎn)品。此外，它還減少了硅芯片的容量，從而削減了運(yùn)算器件的價(jià)格，其開放的結(jié)構(gòu)也會(huì)允許多方運(yùn)營的介入；同時(shí)，由于數(shù)碼信號(hào)處理器（DSP）的使用，也彌補(bǔ)了廉價(jià)射頻（RF）所造成的不足。在實(shí)際應(yīng)用中，RF部分是昂貴而缺乏靈活性的，寬帶的RF是非線性的，而通過使用軟件無線電技術(shù)可彌補(bǔ)其在靈活性上的不足。3）智能天線技術(shù)智能天線技術(shù)也是4G中的關(guān)鍵，它與軟件無線電技術(shù)同樣緊密相連。它是在軟件無線電基礎(chǔ)上提出的天線設(shè)計(jì)新概念，是數(shù)字多波束形成（DBF）技術(shù)與軟件無線電完美結(jié)合的產(chǎn)物。智能天線具有抑制信號(hào)干擾、自動(dòng)跟蹤及數(shù)字波束調(diào)節(jié)等功能，被認(rèn)為是未來移動(dòng)通信的關(guān)鍵技術(shù)。智能天線成形波束可在空間域內(nèi)抑制交互干擾，增強(qiáng)特殊范圍內(nèi)想要的信號(hào)，既能改善信號(hào)質(zhì)量又能增加傳輸容量。其基本原理是在無線基站端使用天線陣和相干無線收發(fā)信機(jī)來實(shí)現(xiàn)射頻信號(hào)的收發(fā)，同時(shí)，通過基帶數(shù)字信號(hào)處理器對各天線鏈路上接收到的信號(hào)按一定算法進(jìn)行合并，實(shí)現(xiàn)上行波束賦形。目前，智能天線的工作方式主要有全自適應(yīng)方式和基于預(yù)多波束的波束切換方式。全自適應(yīng)智能天線雖然從理論上講可以達(dá)到最優(yōu)，但相對而言各種算法均存在所需數(shù)據(jù)計(jì)算量大、信道模型簡單、收斂速度較慢、在某些情況下甚至可能出現(xiàn)錯(cuò)誤收斂等缺點(diǎn)。實(shí)際信道條件下，當(dāng)干擾較多、多徑嚴(yán)重，特別是信道快速時(shí)變時(shí)，很難對某一用戶進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤。在基于預(yù)多波束的切換波束工作方式下，全空域被一些預(yù)先計(jì)算好的波束分割覆蓋，各組權(quán)值對應(yīng)的波束有不同的主瓣指向，相鄰波束的主瓣間通常會(huì)有一些重疊，接收時(shí)的主要任務(wù)是挑選一個(gè)作為工作模式，與自適應(yīng)方式相比它顯然更容易實(shí)現(xiàn)，是未來智能天線技術(shù)發(fā)展的方向。4）MIMO MIMO系統(tǒng)，該技術(shù)最早是由Marconi于1908年提出的，它利用多天線來抑制信道衰落。根據(jù)收發(fā)兩端天線數(shù)量，相對于普通的單輸入單輸出（SISO）系統(tǒng)，MIMO還可以包括單輸入多輸出（SIMO）系統(tǒng)和多輸入單輸出（MISO）系統(tǒng)。MIMO系統(tǒng)在一定程度上可以利用傳播中的多徑分量，也就是說MIMO可以抗多徑衰落，但是對于頻率選擇性深衰落，MIMO系統(tǒng)依然是無能為力。目前解決MIMO系統(tǒng)中的頻率選擇性衰落的方案一般是利用均衡技術(shù)，還有一種是利用OFDM。大多數(shù)研究人員認(rèn)為OFDM技術(shù)是4G的核心技術(shù)，但4G需要極高的頻譜利用率，而OFDM提高頻譜利用率的作用畢竟是有限的。在OFDM的基礎(chǔ)上合理開發(fā)空間資源，也就是MIMO+OFDM，可以提供更高的數(shù)據(jù)傳輸速率。另外，OFDM由于碼率低和加入了時(shí)間保護(hù)間隔而具有極強(qiáng)的抗多徑干擾能力。由于多徑時(shí)延小于保護(hù)間隔，所以系統(tǒng)不受碼間干擾的困擾，這就允許單頻網(wǎng)絡(luò)（SFN）可以用于寬帶OFDM系統(tǒng)，依靠多天線來實(shí)現(xiàn)，即采用由大量低功率發(fā)射機(jī)組成的發(fā)射機(jī)陣列消除陰影效應(yīng)，來實(shí)現(xiàn)完全覆蓋。5）先進(jìn)的信道編碼技術(shù)4G移動(dòng)通信系統(tǒng)采用Turbo碼與基于低密度校驗(yàn)（LDPC）碼相結(jié)合的信道編碼技術(shù)，同時(shí)與自動(dòng)重發(fā)請求（ARQ）技術(shù)和分集接收技術(shù)相結(jié)合，從而在低Eb/No條件下保證系統(tǒng)足夠的性能。6）基于IP的核心網(wǎng)B3G-TDD移動(dòng)通信系統(tǒng)的核心網(wǎng)是一個(gè)基于全I(xiàn)P的網(wǎng)絡(luò)，同已有的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)相比具有根本性的優(yōu)點(diǎn)，即可實(shí)現(xiàn)不同網(wǎng)絡(luò)間的無縫互聯(lián)。核心網(wǎng)獨(dú)立于各種具體的無線接入方案，可以提供端到端的IP業(yè)務(wù)，能與已有核心網(wǎng)和公共交換電話網(wǎng)（PSTN）兼容。其具有開放的結(jié)構(gòu)，允許多種空中接口接入核心網(wǎng)；同時(shí)能將業(yè)務(wù)、控制和傳輸分開。IP與多種無線接入?yún)f(xié)議相兼容，因此在核心網(wǎng)的設(shè)計(jì)上具有很大的靈活性。7）高性能的接收機(jī)4G移動(dòng)通信系統(tǒng)對接收機(jī)提出了很高的要求。Shannon定理給出了在帶寬為BW的信道中實(shí)現(xiàn)容量為C的可靠傳輸所需要的最小信噪比（SNR）。按照Shannon定理，可以計(jì)算出，對于3G系統(tǒng)如果信道帶寬為5MHz，數(shù)據(jù)速率為2Mb/s，所需的SNR為1.2dB；而對于4G系統(tǒng)，要在5MHz的帶寬上傳輸20Mb/s的數(shù)據(jù)，則所需要的SNR為12dB。可見對于4G系統(tǒng)，由于速率很高，對接收機(jī)的性能要求也要高得多。二國際合作與國際競爭形勢國際上4G的技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)角力早就如火如荼地展開，任何有企圖的廠商、任何有實(shí)力的國家，都 不愿意在這場戰(zhàn)役中缺席。目前，日本、韓國、美國、歐盟等已經(jīng)在泛4G技術(shù)的研究上取得了領(lǐng)先，這些國家無不是采用政府+運(yùn)營商+制造企業(yè)的模式來推動(dòng)泛4G技術(shù)的研究，許多企業(yè)已經(jīng)在泛4G技術(shù)領(lǐng)域有了長達(dá)十年左右的技術(shù)儲(chǔ)備。目前，歐洲和美國一些大學(xué)和機(jī)構(gòu)都已大力投入對4G的研究，并結(jié)成了一些聯(lián)盟。新一代無線通信技術(shù)在美國及日本等發(fā)達(dá)國家已經(jīng)進(jìn)入密集的研發(fā)和市場化階段。據(jù)美國電氣電子工程學(xué)會(huì)（IEEE）最新公布的802.16無線寬帶技術(shù)草案文本，該機(jī)構(gòu)目前正在研究一項(xiàng)無線傳輸新標(biāo)準(zhǔn)802.16m兼容WiMAX和4G。802.16m標(biāo)準(zhǔn)在快速移動(dòng)狀態(tài)下的傳輸速率可達(dá)100Mbit/s。新標(biāo)準(zhǔn)之所以能達(dá)到以上速率，主要?dú)w功于MIMO技術(shù)，802.11g和802.11n標(biāo)準(zhǔn)路由器及接入節(jié)點(diǎn)目前已廣泛采用MIMO技術(shù)。54Mb/s的路由器在采用了MIMO技術(shù)之后，理論傳輸速率可達(dá)108Mb/s。據(jù)稱，新標(biāo)準(zhǔn)至少還需一到兩年才能出臺(tái)。2006年3月，中國、韓國和日本曾就進(jìn)一步聯(lián)合研發(fā)4G移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)一事達(dá)成共識(shí)。中國信息產(chǎn)業(yè)部與他國的4G合作研發(fā)始于2003年，當(dāng)時(shí)與日本NTTDoCoMo簽訂了合作意向書，共同探討和研發(fā)4G技術(shù)；2004年10月，又與韓國達(dá)成協(xié)議，擴(kuò)大技術(shù)合作范圍，共同支持對4G無線通信系統(tǒng)的研發(fā)。在FuTURE計(jì)劃的支持下，一批中國研究機(jī)構(gòu)作為合作伙伴參與了歐盟第六框架WINNER、Magnet、MOCCA等國際上有關(guān)未來移動(dòng)通信研究項(xiàng)目，并與一批跨國企業(yè)設(shè)立了一系列聯(lián)合研發(fā)項(xiàng)目。FuTURE計(jì)劃已成為世界范圍內(nèi)推動(dòng)新一代移動(dòng)通信技術(shù)發(fā)展的重要組成部分。目前ITU（國際電信聯(lián)盟的簡稱）還沒確定4G標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)ITU的4G時(shí)間表：20062007年完成頻譜規(guī)劃，20072008年國際電信聯(lián)盟將會(huì)征集4G標(biāo)準(zhǔn)，2010年左右完成全球統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)化工作，2012年之后開始逐步商用。我國正醞釀聯(lián)合一些大型電信設(shè)備商及大學(xué)研究機(jī)構(gòu)組建4G標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)盟，以便參與2008年開始