通信工程畢業設計-第四代移動通信及發展趨勢預測(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 速發展 4G 也會繼續高速發展；電腦日趨小型化、簡便化，最終將所有技術整合為一個類似 PDA 的產品；衛星通信和空間技術會成為常用技術。而移動通信應用的相關技術，如更高頻寬的應用、智能信號處理技術、業務功能綜合能力、網絡技術及衛星技術等亦急速發展 。 第四代移動通信系統技術與第三代移動通信系統技術相比，除了通信速度大為提高之外 ,還可以借助 IP 進行 通話。第四代移動通信技術的國際標準化作業 ,將由國際電聯的無線部門負責實施 。 第四代移動通信 的概念 目前，關于第四代移動通信技術的叫法很多， 4G 只是一個通用的名稱。國際電信聯盟 (ITU)認為： 4G 是基于 IP 協議的高速蜂窩移動通信網，是現有的各種無線通信技術從 3G 的進一步演進和提升。 2021 年 10 月， ITU 正式制定了 4G 技術規范 IMTAdvanced(International MobileTelemunications Advanced)：靜態傳輸速率達到 1Gbit/s，高速移 動狀態下傳輸速率達到 100Mbit/s。換而言之，只要能滿足上述指標的任何移動通信技術都可作為 4G 技術。 目前國際電信聯盟已經公布了 4G 網絡的五大標準制式，即 WiMax， HSPA+， LTE，以及之前的 LTEAdvanced 和 WirelessMANAdvcanced。 通俗而言， 4G 可理解為廣帶接入和分布網絡，它包括廣帶無線固定接入、廣帶無線局域網、移動廣帶系統和互操作的廣播網絡 (基于地面衛星系統 )。其廣帶無線局域網能與 BISDN(BroadbandIntegratedServiceDigitalNetwork，寬帶綜合業務數字網 )及 ATM(Asynchronous Transfer Mode，異步轉移模式 )兼容，實現廣帶多媒體通信，形成 IBCN(Integrated Broadband Communication Network，綜合廣帶通信網 )，還能提供定位定時、數據采集、遠程控制等綜合功能。 第四代移動通信的 特點 第四代移動通信 具有以下主要特點： 一是高速率。 4G 的信息傳輸速率要比3G 高一個等級，從 2Mbit/s 提高到 10Mbit/s。二是靈活性強。 4G 擬采用智能技術，可自適應地進 行資源分配。采用智能信號處理技術對信道條件不同的各種復雜環境進行信號的正常收發，有很強的智能性、適應性和靈活性。三是兼容性好。目前 ITU 承認的、已有相當規模的移動通信標準有 GSM(Global System for Mobile Communications，全球移動通訊系統 )、 CDMA(CodeDivision Multiple Access，碼分多址 )和 TDMA(Time Division Multiple Access，時分多址 )三大分支，可通過 4XXXXXXXX 學院畢業論文 3 第四代移動通信 概述 8 G 標準的制定來解決它們之間的兼容問題。四是用戶共存性 。 4G 能根據網絡的狀況和信道條件進行自適應處理，使低、高速用戶和各種用戶設備能夠并存與互通，從而滿足多類型用戶的需求。五是業務多樣性。未來通信中所需的是多媒體通信，個人通信、信息系統、廣播和娛樂等將結合成一個整體。 4G 能夠提供各種標準的通信業務，滿足多種業務需求。六是技術基礎較好。 4G 將以幾項突破性技術為基礎，如 OFDM(0rthogonal Frequency Division Multiplexing，正交頻分復用 )、無線接入、軟件無線電等，從而大幅提高頻率使用效率和系統可實現性。七是隨時隨地的移動接入 。 4G 利用無線接入技術，提供話音、高速信息業務、廣播及娛樂等多媒體業務接入方式，用戶可隨時隨地接入系統。八是自治的網絡結構。 4G 網絡將是一個完全自治、自適應的網絡。可自動管理、動態改變自己的結構以滿足系統變化和發展的要求。 第四代移動通信系統的網絡結構 在第四代移動通信系統中，為了滿足不同用戶對不同業務的需求，將各種針對不同業務的接入系統通過多媒體接入系統連接到基于 IP 的核心網中，形成一個公共的、靈活的、可擴展的平臺，網絡的連接如圖 1 所示： XXXXXXXX 學院畢業論文 3 第四代移動通信 概述 9 圖 1 4G 系統的網絡結構 從圖 1 中可看出基于 IP 技術的網絡架構使得用戶在 2G、 3G、 4G、 WLAN、固定網之間無縫漫游可以實現。我們可將系統網絡體系結構分為三層，如圖 2 所示： 圖 2 4G 系統的網絡分層 從圖 2 可看出，第四代移動通信系統的網絡體系結構可以由下而上分為：物理層、網絡業務執行技術層、應用層等 3 層。物理層提供接入和選路功能，網絡業務執行技術層作為橋接層提供 QoS 映射、地址轉換、即插即用、安全管理、有源網絡。物理層與網絡業務執行技術層提供開放式 IP 接口。應用層與網絡業務執行技術層之間也是開放式接口，用于第三方開發和提供新業務。結合移動 通信市XXXXXXXX 學院畢業論文 3 第四代移動通信 概述 10 場發展和用戶需求， 4G 移動網絡的根本任務是能夠接收、獲取到終端的呼叫，在多個運行網絡 (平臺 )之間或者多個無線接口之間，建立其最有效的通信路徑，并對其進行實時的定位和跟蹤。在移動通信過程中，移動網絡還要保持良好的無縫連接能力，保證數據傳輸的高質量、高速率。 4G 移動網絡將基于多層蜂窩結構，通過多個無線接口，由多個業務提供者和眾多網絡運營者提供多媒體業務。同時，技術的發展和市場的需求，將加快并實現目前的計算機網、電信網、廣播電視網和衛星通信網等網絡融為一體，寬帶 IP 技術和光網絡將成為多網融合的支撐和結合點。 數字化數據交易點是 4G 移動網絡的一個重要技術。它用于預處理各個不同網絡平臺之間的呼叫。在網絡平臺之間的特定協議條件下，幫助業務供應者提供高質量、低費用的業務應用。例如，兩個網絡平臺之間傳送電視數據信息，首先經由數字化數據交易所處理。在數字化數據交易所里，這個電視數據信息將被分離成視頻信號和音頻信號，經由不同信道傳送。音頻信號將由覆蓋廣泛的網絡傳送，視頻信號將由只能處理、接收視頻信號的網絡傳送，從而達到降低通信成本和有效利用傳輸信道的目的。未來的全球互聯網系統和骨干網系統，將以結合寬帶 IP 技術和光纖網技術為主 。 第四代移動通信的接入系統和軟件系統 第四代移動通信的接入系統 第四代 移動通信接入系統的顯著特點是，智能化多模式終端基于公共平臺，通過各種接入技術，在各種網絡系統 (平臺 )之間實現無縫連接和協作。在 4G 移動通信中，各種專門的接入系統都基于一個公共平臺，相互協作，以最優化的方式工作，來滿足不同用戶的通信需求。當多模式終端接入系統時，網絡會自適應分配頻帶，給出最優化路由，以達到最佳通信效果。目前， 4G 移動通信的主要接入技術有：無線蜂窩移動通信系統 (例如 2G、 3G)、無繩系統 (如 DECT)、短距離連接系統 (如藍牙 )、 WLAN 系統、固定無線接入系統、衛星系統、平流層通信 (STS)、廣播電視接入系統 (如 DAB、 DVBT、 CATV)。隨著技術發展和市場需求變化，新的接入技術將不斷出現。 網絡接入系統在整個移動網絡中處于十分重要的位置。未來的接入系統將主要在以下三個方面進行技術革新和突破： (1)為最大限度開發利用有限的頻率資源，在接入系統的物理層，優化調制、信道編碼和信號傳輸技術，提高信號處理算法、信號檢測和數據壓縮技術，并在頻譜共享和新型天線方面做進一步研究。 XXXXXXXX 學院畢業論文 3 第四代移動通信 概述 11 (2)為提高網絡性能， 在接入系統的高層協議方面，研究網絡自我優化和自動重構技術，動態頻譜分配和資源分配技術，網絡管理和不同接入系統間協作。 (3)提高和擴展 IP 技術在移動網絡中的應用；加強軟件無線電技術；優化無線電傳輸技術，如支持實時和非實時業務、無縫連接和網絡安全。 第四代 移動通信的 軟件系統 第四代 移動通信的軟件系統趨于標準化、復雜化、智能化。軟件系統的首要任務是，創建一個公共的軟件平臺，使不同通信系統和終端的應用軟件，通過此平臺“互聯互通”；并且，通過此軟件平臺，實現對不同通信系統和終端的管理和監控。因此 ，建立一個統一的軟件標準和互聯協議，是 4G 移動通信軟件系統的關鍵。 軟件系統將逐步采用 Web 服務模式，以代替現行的客戶 /服務器模式。新的計算機語言如 XML，將用于未來的這種基于 Web 的分布式服務。另一方面，軟件系統還將在網絡安全上做進一步研究，以保障通信網絡的正常工作、數據完整和其他特殊需要。 第四代移動通信 的關鍵技術 OFDM 技術 （一） OFDM 的基本原理 正交頻分復用（ OFDM）技術在 20 世紀 50 年代就已經提出來了，在當時由于實現等原因，未能引起人們廣泛的重視。直到 70 年代采用 DFT 實現多載波調制算法的提出，實現 IFFT/FFT 快速算法芯片的出現，使得多載波調制的實現變得非常簡單。由此， OFDM 技術開始被人們所接收和重視。在通信的各個領域， OFDM利用許多并行的、低速率數據傳輸的子載波來實現一個高速率的數據通信。 其主要思想是在頻域內將給定信道分成許多正交子信道，在每個子信道上使用一個子載波進行調制，并且各子載波并行傳輸，這樣，盡管總的信道是非平坦的，即具有頻率選擇性，但是每個自信道是相對平坦的，并且在每個子信道上進行的是窄帶傳輸，信號帶寬小于信道的相應帶寬，因此就可以大大消除信號波形間的干擾。 OFDM 技術的最大優點是能對抗頻率選擇性衰落或窄帶干擾。在 OFDM系統中各個子信道的載波相互正交，于是它們的頻譜是相互重疊的，這樣不但減少了子載波間的相互干擾，同時又提高了頻譜利用率。 XXXXXXXX 學院畢業論文 3 第四代移動通信 概述 12 OFDM 的工作原理 簡介 ，輸入數據信元的速率為 R，經過串并轉換后，分成M 個并行的子數據流，每個子數據流的速率為 R/M，在每個子數據流中的若干個比特分成一組，每組的數目取決于對應子載波上的調制方式，如 PSK、 QAM 等。M 個并行的子數據信元編碼交織后進行 IFFT 變換，將頻域信號轉換到時域， IFFT塊的輸出是 N 個時域的樣 點，再將長為 Lp 的 CP(循環前綴 )加到 N 個樣點前，形成循環擴展的 OFDM 信元，因此，實際發送的 OFDM 信元的長度為 Lp＋ N，經過并 /串轉換后發射。接收端接收到的信號是時域信號，此信號經過串并轉換后移去CP，如果 CP 長度大于信道的記憶長度時， ISI 僅僅影響 CP，而不影響有用數據，去掉 CP 也就去掉了 ISI 的影響。 圖 3 OFDM 系統圖示 由于 OFDM信號是經過 IFFT得到的，發送的數據在頻域被充分隨機化， OFDM信號可以認為是獨立同步分布的隨機變量的線性組合。當子載波非常大時，由中心極限定理知 OFDM 信號近似服從復高斯分布，從而 OFDM 信號具有較大的峰值平均功率比（ PAPR），此為 OFDM 系統的一個缺點。由于 OFDM 系統各個子載波間相互正交， OFDM 系統另外一個缺點是對系統頻偏比較敏感。 （二） OFDM 的 優點 OFDM 技術之所以運用于 4G 中，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。這一點在頻譜資源有限的無線環境中很重要。 OFDM 信號的相鄰子載波相互重疊，從理論上講其頻譜利用率可以接近 Nyquist 極限，如下圖 4 所示： XXXXXXXX 學院畢業論文 3 第四代移動通信 概述 13 圖 4 FDM 和 OFDM 技術 （ 2）抗多徑能力強。 每個子載波的數據速率遠遠小于相干帶寬，符號間干擾 ISI 很小。 （ 3）傳輸數據率高。 OFDM 自適應調制機制使不同的子載波可以按照信道情況和噪聲背景的不同使用不同的調制方式。當信道條件好的時候，采用效率高的調制方式。當信道條件差的時候，采用抗干擾能力強的調制方式。再有， OFDM加載算法的采用，使系統可以把更多的數據集中放在條件好的信道上以 高速率進行傳送。因此， OFDM 技術非常適合高速數據傳輸。 （ 4）抗碼間干擾（ ISI）能力強。碼間干擾是數字通信系統中除噪聲干擾之外最主要的干擾，它與加性的噪聲干擾不同，是一種乘性的干擾。造成碼間干擾的原因有很多，實際上，只要傳輸信道的頻帶是有限的，就會造成一定的碼間干擾。OFDM 由于采用了循環前綴（ CP） ，對抗碼間干擾的能力很強。 （三） OFDM 關鍵技術 （ 1） 峰值平均功率 (PAPR) 由于 OFDM 信號在時域上為 N 個正交子載波信號的疊加，當這 N 個信號恰好都以峰值出現并將相加時， OFDM 信號也產生最大 峰值，該峰值功率是平均功率的 N 倍。這樣，為了不失真地傳輸這些高峰均值比的 OFDM 信號，對發送端和接收端的功率放大器和 A/D 變換器的線性度要求較高，且發送效率較低。解決方法一般有下述 3 種途徑 ： 信號失真技術采 用峰值修剪技術和峰值窗口去除技術，使峰值振幅值簡單地非線性去除