移動(dòng)通信技術(shù)演進(jìn)綜述

1、移動(dòng)通信技術(shù)演進(jìn)綜述(華中科技大學(xué)電子與信息工程系通信1002班丁秋林 U201013043 )【摘要】本文介紹了移動(dòng)通信的發(fā)展概況，對(duì)3G與4G進(jìn)行了比較，分析了第三 代移動(dòng)通信系統(tǒng)(3G )向第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)(4G)演化的原因和主要體現(xiàn)方面，并 詳細(xì)介紹了第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)(4G)向第五代移動(dòng)通信系統(tǒng)(5G)演進(jìn)中主 要要完成的技術(shù)突破。論述75G的概念和新技術(shù)，同時(shí)對(duì)5G的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了 簡(jiǎn)單的的分析?！娟P(guān)鍵詞】3G ； 4G ； 5G;移動(dòng)通信；弓1言隨著移動(dòng)用戶的增多，以及人們對(duì)移動(dòng)通信業(yè)務(wù)的追求已從單純的語音業(yè)務(wù) 擴(kuò)展到多媒體業(yè)務(wù)，因此，移動(dòng)通信技術(shù)變得越來越重要，為了滿足人們不

2、斷增 加的需求，這使得人們努力改進(jìn)和發(fā)展一些新的技術(shù)?，F(xiàn)在移動(dòng)通信技術(shù)的熱點(diǎn) 是3G、4G和5G技術(shù)。4G不僅是對(duì)3G的困難和局限的突破和演進(jìn)，而且增強(qiáng)了 服務(wù)質(zhì)量、增加了帶寬和降低了成本，而5G是一種完美的無線通信系統(tǒng)?；拘g(shù)語第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)(3G)：第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)(3rd Generation Mobile System，3G)，最早由國(guó) 際電信聯(lián)盟(International Telecommunication union，ITU)于 1985年提出的。 1996年，ITU將其更名為全球移動(dòng)通信系統(tǒng)(International Mobile Telecommunication，I

3、MT-2000)，后綴指其工作在2000MHZ頻段，且預(yù)計(jì)于2000 年商用。2 .第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)(4G):4G是第四代移動(dòng)通信及其技術(shù)的簡(jiǎn)稱，是能夠傳輸高質(zhì)量視頻圖像以及圖 像傳輸質(zhì)量與高清晰度電視不相上下的技術(shù)產(chǎn)品。4G的概念可稱為廣帶 (Broad-band)接入和分布網(wǎng)絡(luò).具有超過2Mbps的非對(duì)稱數(shù)據(jù)傳輸能力。對(duì)全速 移動(dòng)用戶能提供150Mbp s的高質(zhì)量的影像服務(wù)，并首次實(shí)現(xiàn)三維圖像的高質(zhì)量 傳輸，無線用戶之間可以進(jìn)行三維虛擬現(xiàn)實(shí)通信。它包括廣帶無線固定接人、 W-LAN、移動(dòng)廣帶系統(tǒng)和互操作的廣播網(wǎng)絡(luò)。在不同的固定無線平臺(tái)和跨越不 同頻帶的網(wǎng)絡(luò)中，4G可提供無線服務(wù)，并在任何

4、地方寬帶接入互聯(lián)網(wǎng)(包括衛(wèi)星 通信和平流層通信)，提供信息通信以外的定位定時(shí)、數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程控制等綜 合功能。同時(shí)，4G系統(tǒng)還是多功能集成的寬帶移動(dòng)通信系統(tǒng)，是寬帶接入IP系 統(tǒng)。三.3G向4G的演進(jìn)1.3 G向4G演化的原因經(jīng)ITU認(rèn)可的3G標(biāo)準(zhǔn)有WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA。雖然3G和2G 相比，有很多優(yōu)點(diǎn)，但是3G還是存在著很多不盡人意的地方，如：3G缺乏全球 統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)；3G所采用的語音交換架構(gòu)仍承襲了2G系統(tǒng)的電路交換，而不是純IP 的方式；3G的業(yè)務(wù)提供和業(yè)務(wù)管理不夠靈活；流媒體(視頻)的應(yīng)用不盡如人意； 3G的高速數(shù)據(jù)傳輸不成熟，接入速率有限；安全方面存在算法過多

5、、認(rèn)證協(xié)議 容易被攻擊等安全缺陷。伴隨著無線技術(shù)的種類越來越多，迫切需要將這些無線技術(shù)整合到一個(gè)統(tǒng)一 的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中去，這就是正在形成的超三代移動(dòng)通信系統(tǒng)(B3G)通信系統(tǒng)和未來 的4G通信系統(tǒng)。B3G和4G通信系統(tǒng)將是未來提供寬帶接入，全球無縫漫游和無 處不在的數(shù)據(jù)，語音業(yè)務(wù)等方面的最合適和最好的技術(shù)。2.3G與4G的比較(1 )核心技術(shù)：3G系統(tǒng)以碼分多址(CDMA)為技術(shù)基礎(chǔ)。碼分多址是將相互正交的不同的碼 分配給不同用戶調(diào)制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)多用戶同時(shí)使用同一頻率接入系統(tǒng)。由于利用相 互正交(或盡可能正交)的碼去調(diào)制信號(hào)，會(huì)將原用戶信號(hào)頻譜帶寬擴(kuò)展，因此CDMA通信系統(tǒng)足一種典型的擴(kuò)頻通信技術(shù)的

6、應(yīng)用。4G系統(tǒng)的核心技術(shù)正交頻分復(fù)用技術(shù)(OFDM)屬于多載波調(diào)制(MCM)，它將 指配的信道分成許多正交子信道，在每個(gè)子信道上進(jìn)行窄帶調(diào)制和傳輸，間時(shí)要 求信號(hào)帶寬小于信道的相關(guān)帶寬。(2)通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)3G采用的主要是蜂窩組網(wǎng)，它的核心網(wǎng)是在GSM系統(tǒng)的核心網(wǎng)GSM-MAP 和AMPS，IS-95的核心網(wǎng)ANSI-41的基礎(chǔ)發(fā)展而來的，其空中接口與相應(yīng)的2G 系統(tǒng)后向兼容。它的3種工作模式為：?jiǎn)屋d波頻分雙工、多載波頻分雙工和時(shí)分 雙工方式。4G發(fā)展為數(shù)字廣帶(broad band)為基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)。4G系統(tǒng)的核心網(wǎng)是一個(gè)基 于全I(xiàn)P的網(wǎng)絡(luò)，因此核心網(wǎng)獨(dú)立于各種具體的無線接入方案，能提供端到端的

7、IP 業(yè)務(wù)，能同已有的核心網(wǎng)和PSTN共存。3. 3G向4G演化的路徑3G向4G的演進(jìn)路徑主要有3條：一是WCDMA和TD-SCDMA，均從HSPA演進(jìn)至HSPA+，進(jìn)而到LTE。 全世界大多數(shù)電信運(yùn)營(yíng)商，以及愛立信、諾基亞西門子、華為等主要電信設(shè)備生 產(chǎn)商均堅(jiān)定支持這一路線。二是 CDMA2000 沿著 EV-DO Rev.0/Rev.A/Rev.B，最終到 UMB。近年來， 全球CDMA投資趨于萎縮，主要的CDMA運(yùn)營(yíng)商美國(guó)Verizon+Alltel、Sprint、 中國(guó)電信、日本KDDI、韓國(guó)SK電訊等均已明確表示將選擇LTE建設(shè)后3G網(wǎng) 絡(luò) 世界最大的CDMA設(shè)備商阿爾卡特朗訊和北電

8、網(wǎng)絡(luò)均已裁減了 CDMA部門， 且UMB技術(shù)至今沒有一家運(yùn)營(yíng)商宣布采用或測(cè)試，因此產(chǎn)業(yè)鏈主要只有高通一 家。(現(xiàn)高通已宣布放棄)三是802.16m的WiMAX路線。以英特爾、三星電子、阿爾卡特朗訊、奧 維通等為代表的WiMAX廠商，和一些新興運(yùn)營(yíng)商仍然在這一路線堅(jiān)持探索。四.5G技術(shù)的發(fā)展1. 5G的提出僅管4G相對(duì)于3G具有更高的數(shù)據(jù)率和頻譜利用率，更高的安全性、智慧 性和靈活性，更高的傳輸質(zhì)量和服務(wù)質(zhì)量（QoS ），但是4G高速移動(dòng)時(shí)網(wǎng)絡(luò)速 度問題等方面還存在問題，有待研究解決。在4G問題的基礎(chǔ)上，人們開始考慮5G來解決。如美國(guó)紐約理工大學(xué)的科學(xué) 家們近日正投入5G網(wǎng)絡(luò)的研發(fā),希望在202

9、0年能夠投人使用。在針對(duì)4G網(wǎng)絡(luò) 速度問題方面，科研人員將利用頻譜技術(shù)研發(fā)比4G快1000倍的網(wǎng)絡(luò)，將來利用 5G網(wǎng)絡(luò)處理的信息量將提升50-100倍。近來報(bào)道韓國(guó)成功研發(fā)的第五代移動(dòng) 通信技術(shù)，手機(jī)利用該技術(shù)無線下載速度可以達(dá)到3.6G/S。這一新的通信技術(shù)名 為 Nomadic Local Area Wireless Aeeess,簡(jiǎn)稱 NoLA0 NoLA 可作為鋪設(shè) 5G 網(wǎng) 絡(luò)的基礎(chǔ)技術(shù)，使用NoLA技術(shù)下載一部DVD格式標(biāo)準(zhǔn)電影只需要幾秒時(shí)間。目 前世界上最快的無線通訊技術(shù)是由三星公司研發(fā)的，使用三星的這一技術(shù)可實(shí)現(xiàn) 每秒1G的下載速度。韓國(guó)電子通信研究院代表稱，他們投入1960萬

10、美元開始研 發(fā)這一技術(shù),通過同三星、LG等大公司的合作成功研發(fā)NoLA技術(shù)。2 .第五代移動(dòng)通信特點(diǎn)第五代移動(dòng)通信會(huì)滿足高移動(dòng)性、無縫漫游和無縫覆蓋（實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)間如 HAPS、HDR與ITS之間的切換，可以達(dá)到真正的無縫覆蓋）。從原理上講,實(shí)現(xiàn)寬 帶高速數(shù)據(jù)率和高移動(dòng)性是比較困難的。還有系統(tǒng)性能（如小區(qū)的大小、傳輸數(shù) 據(jù)率等）很大部分要都要取決于頻帶?？紤]到這些因素，第五代移動(dòng)通信系統(tǒng)將會(huì) 包括很多個(gè)不同的系統(tǒng)，其中將會(huì)有專門為提供高速數(shù)據(jù)率的業(yè)務(wù)系統(tǒng)，也會(huì)研究 出專門解決覆蓋和移動(dòng)性問題的其他系統(tǒng)。把幾個(gè)系統(tǒng)集成在另一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)，就 可能同時(shí)提供高速數(shù)據(jù)和移動(dòng)性業(yè)務(wù)。作為未來系統(tǒng)之間的無縫漫游乃

11、是一個(gè)極 為重要的概念。這里的無縫漫游將兼有高速數(shù)據(jù)、高速移動(dòng)性和寬帶固定接續(xù)等。5G技術(shù)包括幾乎所有以前幾代移動(dòng)通信的先進(jìn)功能。用戶可以把5G技術(shù) 用于手機(jī)和其他移動(dòng)通信設(shè)備上網(wǎng)，就好像筆記本電腦寬帶上網(wǎng)一樣。通過5G技 術(shù)，相機(jī)拍照、MP3錄音、視頻播放器、手機(jī)內(nèi)存、撥號(hào)速度、音頻播放器的高 質(zhì)量更好。5G網(wǎng)絡(luò)中使用的路由器和交換機(jī)技術(shù)將會(huì)提供高連通性。5G技術(shù) 分發(fā)網(wǎng)絡(luò)連接建筑物內(nèi)的節(jié)點(diǎn),可以部署各種有線或無線網(wǎng)絡(luò)連接。它將會(huì)擁有 一個(gè)全球統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，用戶可以同時(shí)連接到多個(gè)無線接人技術(shù)之間,實(shí)現(xiàn)無縫地移 動(dòng)。5G網(wǎng)絡(luò)將是以用戶為中心的網(wǎng)絡(luò)。對(duì)用戶的服務(wù)質(zhì)量將會(huì)成為其考慮的一 個(gè)重方向，用

12、戶能同時(shí)連接多個(gè)無線接入技術(shù)并可以在它們之間切換。3. 5G中可能涉及的核心技術(shù)在第四代移動(dòng)通信還沒有在全球全面展開的時(shí)候，已經(jīng)有不少國(guó)家和組織已 經(jīng)開始了對(duì)第五代移動(dòng)通信系統(tǒng)的研究。5G接人和服務(wù)區(qū)域沒有限制，其傳輸速 率不會(huì)有太大的提高。但是5G被認(rèn)為是一種更加完美的無線通信，它將成為真 正的無線世界。5G會(huì)有重大的突破,有更多的業(yè)務(wù)和更多的智能技術(shù)被應(yīng)用。5G 中可能涉及的核心技術(shù)有認(rèn)知無線電技術(shù)和高空平流層平臺(tái)站系統(tǒng)技術(shù)等。(1 )認(rèn)知無線電技術(shù)認(rèn)知無線電(Cognitive Radio,CR)是一種新型無線電，它能夠在寬頻帶上可 靠地感知頻譜環(huán)境,探測(cè)合法的授權(quán)用戶的出現(xiàn)，能自適應(yīng)地

13、占用即時(shí)可用的本地 頻譜,同時(shí)在整個(gè)通信過程中不給用戶帶來有害干擾。認(rèn)知無線電具備頻率感知、 頻譜分析和頻譜判決選擇的認(rèn)知功能。CR設(shè)備對(duì)周圍環(huán)境感知、探測(cè)、分析。 這種探測(cè)和感知是全方位的，對(duì)地形、氣象等綜合信息也有所了解。CR是智能設(shè)備，應(yīng)包含一個(gè)智能收發(fā)器。有了足夠的人工智能，它就能吸取 過去的經(jīng)驗(yàn)對(duì)實(shí)際情況響應(yīng)，過去的經(jīng)驗(yàn)包括對(duì)死區(qū)、干擾和使用模式等的了解。 認(rèn)知無線電又被稱為智能無線電，它以靈活、智能、可重配置為顯著特征,通過感 知外界環(huán)境,并使用人工智能技術(shù)從環(huán)境中學(xué)習(xí)，有目的地實(shí)時(shí)改變某些操作參數(shù) (比如傳輸功率、載波頻率和調(diào)制技術(shù)等)，使其內(nèi)部狀態(tài)適應(yīng)接收到的無線信號(hào)的 統(tǒng)計(jì)變

14、化，從而實(shí)現(xiàn)任何時(shí)間、任何地點(diǎn)的高可靠通信以及對(duì)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境有限 的無線頻譜資源進(jìn)行高效地利用。有效的發(fā)現(xiàn)未使用的頻譜和自適應(yīng)調(diào)整傳輸方 案和共享頻率。它適用于未來移動(dòng)通信所要求的非常高的頻帶。估計(jì)5G能達(dá)到 千兆位，有效的解決了頻譜資源饋乏的問題。(2)高空平流層平臺(tái)站系統(tǒng)技術(shù)高空平流層平臺(tái)(High Altitude Platform stations，HAPS)系統(tǒng),為陸地?zé)o線通 信和衛(wèi)星通信之后的第三個(gè)通信系統(tǒng)。平臺(tái)站建在離開地面20Km的同溫層，若 干個(gè)HAPS通過光互聯(lián)鏈路可以在空中組成網(wǎng)狀網(wǎng)。寬帶接人鏈路為平臺(tái)站與 用戶站之間的鏈路,接入頻率擬采用毫米波。可提供超視距、大容量、機(jī)

15、動(dòng)靈活 的通信服務(wù)。信道損耗方面,HAPS距離地面的距離相當(dāng)于同步衛(wèi)星的1/1800; 和蜂窩通信的信道損耗比較,HAPS到地面通常可以近似為自由空間，損耗約為 20dB/10倍里程，蜂窩通信信道損耗能達(dá)50dB/10倍里程，所以HAPS的信道損耗 只有蜂窩通信的2/5。低損耗對(duì)獲得高的通信容量以及終端設(shè)備的小型化很有利。 延時(shí)部分來說,HAPS大約為0.5ms左右,比同步衛(wèi)星的27Oms小的多，足以能夠 滿足語音通信要求;覆蓋范圍方面，一個(gè)HAPS的通信距離能達(dá)到l000Km,幾乎能 覆蓋整個(gè)城市，比蜂窩通信距離大約提高了 20倍。成本方面，一個(gè)HAPS的造價(jià) 約為通信衛(wèi)星的1/10,并且每個(gè)平臺(tái)可以獨(dú)立運(yùn)行，不像中低軌衛(wèi)星需要數(shù)十顆衛(wèi) 星組成星座才可以工作。而且建設(shè)以及發(fā)射周期都很短