第四代移动通信系统(4G)

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1、第7章 第四代移动通信系统(4G) 第7章 第四代移动通信系统(4G) 7.1 第四代移动通信系统概述 7.2 4G的业务预测 7.3 4G的网络结构 7.4 4G的关键技术 7.5 第四代移动通信系统发展面临的问题 7.6 国内外对4G的研究现状 本章小结 习题与思考题 第7章 第四代移动通信系统(4G) 7.1 第四代移动通信系统概述随着人们对移动通信系统各种需求的与日俱增，目前投 入商用的2G、2.5G、3G系统还是不能满足现代移动通信系统日益增长的高速多媒体数据业务需求。虽然3G标准比当前主流的移动通信技术更强大，但它存在难以提供动态范围多速率业务，难以实现不同频段的不同业务环境间的无

2、缝漫游等一系列局限性，这使得全世界通信业的专家们将目光更远地投向了第四代移动通信，以期通过第四代移动通信系统 来解决3G无法解决的问题，最终实现商业无线网络、局域网、蓝牙、广播、电视卫星通信的无缝衔接并相互兼容，真 正实现“任何人在任何地点以任何形式接入网络”的梦想。第7章 第四代移动通信系统(4G) 7.1.1 4G的产生背景尽管目前3G的各种标准和规范已达成协议，并已开始商用，但3G技术仍存在一些不足。3G的局限性主要体现如下：(1) 3G仍缺乏全球统一标准；(2) 3G所运用的语音交换架构仍承袭了2G的电路交换，而不是完全IP形式；(3) 由于采用CDMA技术，因此3G难以达到很高的通信

3、速率，无法满足用户对高速多媒体业务的需求；第7章 第四代移动通信系统(4G) (4) 由于3G空中接口标准对核心网有所限制，因此3G难以提供具有多种QoS及性能的各种速率的业务；(5) 由于3G采用不同频段的不同业务环境，因此需要移动终端配置有相应不同的软、硬件模块，而3G移动终端目前尚不能够实现多业务环境的不同配置，也就无法实现不同频段的不同业务环境间的无缝漫游。所有这些局限性推动了人们对下一代通信系统4G的研究和期待。第7章 第四代移动通信系统(4G) 7.1.2 4G的概念第四代移动通信可称为宽带接入和分布式的网络,它具有非对称的超过2 Mb/s的数据传输能力。它包括宽带无线固定接入、宽

4、带无线局域网、移动宽带系统和交互式广播网络。第四代移动通信系统超越标准可以在不同的固定、无线平台和跨越不同的频带的网络中提供无线服务，可以在任何地方用宽带接入互联网(包括卫星通信和平流层通信)，能够提供定位定时、数据采集、远程控制等综合功能。此外，第四代移动通信系统是多功能集成的宽带移动通信系统，是宽带接入IP系统。第7章 第四代移动通信系统(4G) 7.1.3 4G的特点4G主要具有以下特点：(1) 高速率，高容量。对于大范围高速移动用户(250 km/h)，数据速率为2 Mb/s；对于中速移动用户(60 km/h)，数据速率为20 Mb/s；对于低速移动用户(室内或步行者)，数据速率为10

5、0 Mb/s。4G系统容量至少应是3G系统容量的10倍以上。(2) 网络频带更宽。每个4G信道将占有100 MHz频谱，相当于WCDMA 3G网络的20倍。(3) 兼容性更加平滑。4G应该接口开放，能够跟多种网络互连，并且具备很强的对2G、3G手机的兼容性，以完成对多种用户的融合；在不同系统间进行无缝切换，传送高速多媒体业务数据。第7章 第四代移动通信系统(4G) (4) 灵活性更强。4G拟采用智能技术，可自适应地进行资源分配。采用智能信号处理技术对信道条件不同的各种复杂环境进行信号的正常收/发。(5) 具有用户共存性。能根据网络的状况和信道条件进行自适应处理，使低、高速用户和各种用户设备能够

6、并存与互通，从而满足多类型用户的需求。运营商或用户花费更低的费用就可随时随地地接入各种业务。第7章 第四代移动通信系统(4G) 7.2 4G的业务预测7.2.1 用户对4G的要求通过调查和预测，将来人们对4G业务的要求主要集中在以下方面。(1) 业务应丰富多彩。人们不仅需要电话和短信业务，而且需要体验手机新闻、铃声图片、手机杂志、移动购物、互动游戏、自动定位、音乐下载、视频内容、手机电视等业务，另外，企业用户还需要企业应用接入、企业信息发布、移动办公、移动商务等业务。第7章 第四代移动通信系统(4G) (2) 业务的使用和定制应方便简单。要求通信不受时间、地点和业务特征的限制，即任何时间、任何

7、地点可以方便地使用需要的业务。业务在使用前必须定制，这要求业务定制也非常方便，因此对将来的业务代理服务区和功能要求很高，同时代理机构很多，原则上运营企业包揽一切的运营模式会发生深刻的变化，设备、网络、业务、内容的提供将进一步分离。若业务定制和使用复杂，则将严重影响业务的推广和应用。(3) 业务应费用低而且可接受。若费用太高，用户不可接受，那么业务的规模必然发展不起来。第7章 第四代移动通信系统(4G) (4) 个性化的通信业务。通信的个性化是发展的必然趋势，通信业务也如此，人们需要自己喜欢的个性化业务，如个性化的铃声、个性化的图片、个性化的游戏、个性化的音乐下载等。业务提供者必须理解用户需要什

8、么业务，何时何地使用这种业务。(5) 身临其境的通信业务。传递信息仅仅是通信最基本的功能，人们也希望通信业务给人们的生活带来真情实感，比如由于距离原因不能见面的亲人总是希望通信能实现当面交流一样的效果，即身临其境的业务。第7章 第四代移动通信系统(4G) 7.2.2 从应用环境看4G业务从应用环境来看，4G业务可以应用于个人环境、紧靠环境、直接环境、无线接入环境、互连环境、网络环境等。个人环境是最接近人们身体(甚至是身体的一部分)的一个无线交互通信应用环境，通信设备主要是可穿戴式的，如眼镜、手表、项链、手套、帽子、纽扣、钢笔等，设备之间围绕人们的身体可以相互发现、可以重配置，组成一个自主的分布

9、式网络。紧靠环境是围绕人们身边的电器，如电脑、电视机、电冰箱、电烤箱等，这些电器将来需要方便地与人交互通信和传递信息，能够理解主人的想法、听话、懂人心和个性化。第7章 第四代移动通信系统(4G) 直接环境是与我们生活和工作密切相关的人或物，如我们一起工作的同事、生活中的亲友、每天乘坐的私人汽车等，相互接触的越多，相互交流就越多，将来会形成一个这样的直接环境，即无线交互通信网络。无线接入环境是目前移动通信主要面向的应用环境，但在4G中还需要进一步改进和发展，形成完全的覆盖、一个公共的骨干网络和公共的通用接口。基于完全的覆盖，一方面，可以自适应地支持各种不同类型的终端和公共骨干网络之间的交互通信；

10、另一方面，能够让人们直接从PAN(个人局域网)环境或通过Instant环境利用公共空中接口交互通信。第7章 第四代移动通信系统(4G) 互连环境就是上面所述的各种应用环境、各种通信设备的通用无线互连，以及各种通信业务的无缝集成。今天的移动Internet概念可以看成是这个互连环境的雏形。网络环境是离人们较远一点的无线交互通信应用环境。通过网络环境，人们可以处理各种事物，与各种业务代理、知识信息库、社团组织相互通信和交流信息。第7章 第四代移动通信系统(4G) 7.2.3 从应用领域看4G业务从应用领域看，4G业务包括教育、艺术和科学应用领域，商业应用领域，娱乐领域，可视通信领域，移动商务领域，

11、日常生活领域，办公领域，健康关心和护理领域，紧急医疗处理领域，灾害救援领域等。教育、艺术和科学应用领域是将来移动通信应用的重要领域之一。比如，一所中国小学和一所与中国友好的美国小学的学生同时在上室外昆虫课，两所小学的学生需要用装备有摄像功能和自动翻译功能的移动终端交流和讨论彼此获得的信息，同时孩子们还需要通过移动终端访问相关的电子数据中心获得昆虫的知识，另外，孩子们也需要借助移动终端与相关的老师和科研工作者讨论昆虫问题。第7章 第四代移动通信系统(4G) 在商业应用领域，移动业务主要用于办公室外的各类商业业务，用户在办公室外能够通过移动终端接入公司或其他需要的网络，比如，从建筑设计院获得需要的

12、设计图，为了与客户见面需要得到必要的商务数据等。在娱乐领域，移动业务主要用于网络游戏、音乐和视频节目下载，人们希望在任何时间和地点通过移动终端能够实时地玩各种网络游戏，从内容丰富的网站下载喜欢的音乐和视频节目欣赏。可视通信正在被人们认识和流行，一个人可以随时通过带摄像和照相功能的移动终端拍下各种美好的景色和有趣的事物，然后传给远在千山万水之外的亲朋好友分享。第7章 第四代移动通信系统(4G) 在移动商务领域，人们可以利用移动终端随时随地获得需要购买商品的海报和信息，通过移动终端预定和购买货物，并支付相关费用。同时，商家也可以通过移动网络宣传和销售各种产品。在日常生活领域，移动业务的开发潜力很大

13、，人们可以利用各种终端控制各种家用电器，监视家庭的安全情况，也可以通过移动终端预定、购买所需要的生活用品，并安全地支付费用和理财等。在办公领域，人们可借助移动网络和移动终端实现不受时间、不受环境限制的移动办公，这对移动通信的传输速率、容 量、覆盖、QoS、安全性、稳定可靠性、互连互通、终端功能等都有很高的要求。第7章 第四代移动通信系统(4G) 健康关心和护理是正在成长的一个移动应用领域，病人可以通过各种穿戴式设备将其各种身体状态数据实时传送到医院或家庭医生那里，医生可以在远处实时地对其进行健康检查、监控和进行相应的医疗处理。移动通信可以应用于紧急医疗处理领域，比如，在出现紧急交通事故的情况下

14、，通过移动网络可以自动、及时地将事故地点和伤员情况等信息传送到医疗中心，一方面，医疗中心马上派救护车到事故现场，另一方面，医疗中心的医生可以通过移动网络传到屏幕上的伤员情况信息，首先对现场进行救助指导，同时，这些信息也传送到救护车，救护车可以在车上尽早准备好对伤员进行救护。第7章 第四代移动通信系统(4G) 移动通信在灾害救援领域的应用已取得了很好的效果，通过移动通信网络和终端可以将灾害现场的情况与信息及时传递出来，从而可以及时、准确地实施相应的救援指挥和帮 助。在4G网络中，由于网络功能的增强、业务能力的提高，其所发挥的作用会更大。第7章 第四代移动通信系统(4G) 7.2.4 从通信主体看

15、4G业务目前通信的主体是人，因此主要是人与人之间进行通信。将来移动通信的主体可以是机器设备等任何需要进行信息交互的对象，这样人与机器、机器与机器之间的移动通信业务会逐渐增多。从通信主体来看，4G业务可总结为如表7.1所示的内容。第7章 第四代移动通信系统(4G) 第7章 第四代移动通信系统(4G) 7.3 4G的网络结构虽然4G系统尚处于研究的起步阶段，其网络结构也还没有成型，但是对于这方面的研究已有很多，网络的融合趋 势是显而易见的。基于网络融合的4G网络架构如图7-1所示。 从图7-1中可以看出，基于人们目前对4G宽带接入和分布网络的普遍理解，未来的4G网络将是一种全IPv6的网络结构(包

16、括各种接入网和核心网)，4G系统将是一个集成广播电视网络、无线蜂窝网络、卫星网络、无线局域网、蓝牙等系统和固定的有线网络为一体的结构，各种类型的接入网通过媒 体接入系统都能够无缝地接入基于IP的核心网，形成一个公共的、灵活的、可扩展的平台。第7章 第四代移动通信系统(4G) 图7-1 4G网络架构 第7章 第四代移动通信系统(4G) 由于这些接入系统各自拥有不同的应用领域、小区范围以及无线环境，因此可以将它们以一种分层的结构组织起来，移动终端接入到系统中时，它们根据自己的业务类型，自动地选择接入系统，以达到对业务的最佳支持。这些接入系统可分为以下5层。(1) 分配层：主要由DAB和DVB系统组成，它的服务小区范围较大，特别适合于广播业务，另外，它可与GSM、3G、PSTN、ISDN等网络结合，由这些系统提供上行链路，而由DAB、DVB系统提供宽带下载信道。第7章 第四代移动通信系统(4G) (2) 蜂窝层：包括第二代、第三代移动通信系统以及新的无线接口(用于提供更高速率的信息服务)。这些系统主要是