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1、学科分类号（二级）510.10 本科学生毕业论文（设计）题 目 4G、5G技术及其应用浅析 姓 名 学 号 院、 系 物理与电子信息学院 专 业 电子信息科学与技术 指导教师 职称（学历） 2014年06月16日云南师范大学教务处制4G、5G技术及其应用浅析摘要：文章对4G通信系统的关键技术和技术目标的发展情况进行了探讨，提出4G技术的发展前景和方向，对4G通信技术在发展过程中将会遇到的问题进行了分析。对第四代移动通信产生的背景、现状和未来趋势进行探讨，通过分析第四代移动通信的基本内涵，第四代移动通信的优劣势和4G的可选方案对第四代移动通信进行详细阐述，并对第四代移动通信的关键技术进行探讨。文
2、章表明，第四代移动通信不仅延续了上几代移动通信的优点，更通过其独有的技术，开拓了无线通信的新领域。并介绍了当前移动通信背景下的5G技术，并对其技术路线进行了简要分析。关键词：第四代移动通信技术; 4G技术; 5G技术1、引言4G通信即第四代移动通信的简称，4G只是一个通用的名称，还有B3G，Beyond IMT-2000，IMT-Advanced技术等名称1。4G通信技术是以传统通信技术为基础，并利用了一些新的通信技术，来不断提高无线通信的网络效率和功能的。如果说现在的3G能提供一个高速传输的无线通信环境的话，那么4G通信将是一种超高速无线网络，一种不需要电缆的信息超级高速公路23。这种新网络
3、可使电话用户以无线及三维空间虚拟实境连线。尽管第三代移动通信系统也能实现各种多媒体通信，但4G通信能满足第三代移动通信尚不能达到的在覆盖范围、造价上支持的高速数据和高分辨率多媒体服务的需要，第四代移动通信系统提供的无线多媒体通信服务将包括语音、数据、影像等大量信息透过宽频的信道传送出去，为此第四代移动通信系统也称为“多媒体移动通信”。在第四代通信技术的基础上，我们简单介绍了第五代即下一代通信技术的基本技术指标与面对的挑战34。2、几代移动通信系统的对比2.1 第一代移动通信系统（1G）第一代(1G)移动通信系统采用的通信技术主要有模拟蜂窝通信和频分多址，具有代表性的系统有美国的AMPS系统、北
4、欧的NMT-450系统、法国的450系统、英国的ETACS系统以及我国的TACS系统等5。第一代通信系统有很多不足之处，比如，由于受到传输带宽限制的原因不能进行长途漫游，不能提供数据业务，仅仅可以提供语音业务，容量有限，通话效果差，保密性能也不够好，用户的接听范围受限制，制式太多以及互不兼容等。2.2 第二代移动通信系统（2G）第二代(2G)移动通信系统采用的通信技术主要有时分多址和码分多址，它克服了第一代移动通信系统的弱点，不仅能提供话音业务，还能提供数据业务，而且通话过程稳定、音质清晰，抗干扰性和保密性能也得到非常大的提高，可以进行省内和省际漫游，并具备接口开放、容量大以及频率资源利用率高
5、等优点6。具有代表性的第二代移动通信系统有美国的CDMA95系统和欧洲的GSM系统，其中，GSM系统在第二代通信系统中占据主导地位，但是，从安全性方面考虑，GSM系统还存在以下一些缺陷：身份认证过程只是单向进行，移动终端无法鉴别和验证基站的合法，难以抵抗中l日J人攻击和伪基站攻击：鉴权过程中，用户身份(IMSI，International Mobile Subscriber Identificationnumber)是以明文形式在无线信道上传输，容易造成用户4G尤线网络安伞接入技术的研究的被跟踪；核心网络不能像空中接口那样实现加密功能，用户的信息和信令数据在基站间的传输链路上也是以明文方式传输
6、，敏感信息容易因此泄露；系统缺乏对用户信息和信令数据进行完整性认证的机制；当网络中任意实体之间出现计费纠纷的时候，系统缺乏第三方仲裁功能，从而不能有效解决计费纠纷问题；用户身份认证过程中，认证密钥是固定不变的，从而无法抵抗重放攻击；系统的安全升级功能及其变更没有得到全面详细的考虑；由于没有公开安全算法的设计过程，其安全性能便得不到评价和改进。3.3 第三代移动通信系统（3G）第三代(3G)移动通信系统可以覆盖全球范围，能支持高速的数据传输服务，并能快速地与互联网进行连接7。对于声音、图像、视频流等多种数据形式的处理过程，3G通信系统可以通过有效利用宽频带顺畅地完成。2000年5月，国际电信联盟
7、(ITU)确立了三个主流的3G通信系统无线接口标准，并将其写入了3G技术指导性文件2000年国际移动通讯计划中，这三个标准分别是欧洲提出的WCDMA标准、美国倡导的CDMA2000标准和中国大唐电信公司主推的TD-SCDMA标准。2007年1O月19日，国际电信联盟在日内瓦举行的无线通信全体会议上，将WiMAX批准为第四个正式的全球3G标准。虽然3G系统是为高速数据和流媒体业务设计的，但在通信质量和容量等方面还存在一些缺陷：3G通信系统的业务提供和业务管理不够灵活，流媒体(视频)的应用不尽如人意；3G通信系统的高速数据传输还不成熟，接入速率有限；3G通信系统缺乏全球统一的标准，各种系统彼此不兼
8、容，给用户带来诸多不便；3G通信系统所采用的语音交换架构仍承袭了第二代移动通信系统的电路交换，而不是采用纯IP方式，因此容易受到多用户的干扰，导致传输速率无法大幅度提高。3GPP(第三代移动通信伙伴计划)技术规范组的第三工作组(S3)专门从事3G通信系统安全问题的研究，S3I作组针对3G通信系统的新特性，定义了完善的安全特征、安全目标以及安全服务121。尽管S3提出了很多的措施和机制来保障3G通信系统的安全，但是在安全需求方面仍然没有达到预期的目标：当用户首次向网络注册、归属环境(HE，HomeEnvironment)无法从临时身份(TMSI，TemporaryMobileSubscriber
9、Identity)恢复出IMSI以及访问网络(AN，AccessNetwork)向HE请求用户认证向量的时候，用户的IMSI将以明文的形式在空中接口传递，攻击者从而可以截获这个信息用于追踪合法用户，也可以利用截获的IMSI向AN请求认证向量，进而伪装成合法的基站来骗取用户的接入；有线网络部分缺乏认证机制，各个实体问既无法认证彼此的身份，也无法认证消息源，此外，在有线链路上传输的用户信息和信令数据很容易被截获并篡改，缺乏完整性和机密性保护机制。2.4 第四代移动通信系统（4G）新兴的4G通信系统可以适应移动计算、移动数据和移动多媒体的运作，并能满足数据通信和多媒体业务快速发展的需求。从覆盖范围、
10、通信质量和数据通信速度的角度看，4G通信系统能更能满足需求，用户在高速移动状态下的传输速率可以达到10Mbps至20Mbps，甚至可能以100Mbps的速度传输无线信息。从用户对服务的需求角度看，4G通信系统能满足用户更多的需求，如4G透过宽频的信道传送出去的大量无线多媒体通信服务，包括语音、数据、影像等信息，且能实现一些无线通信增值服务，例如无线区域环路、数字音讯广播等。从运营商的角度看，4G通信系统不仅要与现有的通信网络系统兼容，还应具备更低的时延、建设和运行维护成本、更高的数据吞吐量、鉴权能力和安全性能，同时要能支持多种QoS等级。WWRF由4家移动设备生产商(阿尔卡特、爱立信、诺基亚、
11、西门子)组成的，下设八个工作组，研究工作主要包括需求、网络、安全、业务等方面。此外还有其它多个国家的论坛和联合体，如日本的mITF(移动IT论坛)、韩国的NGMC(下一代移动通信委员会)、我国的FUTURE(未来移动通信)论坛以及3GPP(第三代合作伙伴计划)等，IEEE对WLAN在4G中的作用也做了一些研究工作，主要集中体现在WiMAX的80216m标准上。下图为3G和4G功能上的一些对比：表一 3G，4G对比3G的局限性主要表现在以下几方面。不能支持较高的通信速率。3G虽然标称能达到2Mbit/s的速率，但平均速率只能达到384kbit/s。尽管目前3G增强型技术不断发展，但其传输速率还有
12、差距。不能提供动态范围多速率业务。由于3G空中接口主流的三种体制WCDMA，CDMA2000，TD-SCDMA所支持的核心网不具有统一的标准，难以提供具有多种QoS及性能的多速率业务。不能真正实现不同频段的不同业务环境间的无缝漫游。由于采用不同频段的不同业务环境，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实现多业务环境的不同配置。3、4G技术研发状况2000年10月6日国际电信联盟(ITU)在加拿大蒙特利尔市成立了“IMT 2000and Beyond”工作组，开始了对4G的研究，同时，欧洲、日本、韩国对4G的研究也陆续展开，我国在2002年3月也正式宣布启动对4G通信
13、系统的研究工作。在2002年5月ITU召开的“IMT-2000 and Systems Beyond”研讨会上，mlTF系统子委员会主席Watanabe先生将未来的通信系统描述为具备以下特征的系统8。a)用户可以在任何地点、任何时间以任何方式不受限地接入网络中来；b)移动终端可以是任何类型的；c)用户可以自由地选择业务、应用和网络；d)可以实现非常先进的移动电子商务；e)新的技术可以非常容易地被引入到系统和业务中来。根据他的描述， 4G系统则至少具备以下的基本条件。(1)具有很高的数据传输速率。对于大范围高速移动用户(250km/h)，数据速率为2 Mbit/s；对于中速移动用户(60km/h
14、)，数据速率为20 Mbbit/s；对于低速移动用户(室内或步行者)，数据速率为100 Mbit/s。(2)实现真正的无缝漫游。4G移动通信系统实现全球统一的标准，能使各类媒体、通信主机及网络之间进行“无缝连接”，真正实现一部手机在全球的任何地点都能进行通信。(3)高度智能化的网络。采用智能技术的4G通信系统将是一个高度自治、自适应的网络。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结合的正常发送与接收，有很强的智能性、适应性和灵活性。(4)良好的覆盖性能。4G通信系统应具有良好的覆盖并能提供高速速可变速率传输。对f室内环境，由丁二要提供高速传输，小区的半径会更小。(5)基于IP的网络
15、。4G通信系统将会采用IPv6。IPv6将能在IP网络上实现话音和多媒体业务。(6)实现不同OOS的业务。4G通信系统通过动态带宽分配和调节发射功率来提供不同质量的业务。(7)先进的技术应用。4G移动通信系统以几项突破性技术为基础，如：OFDM多址接人方式、智能天线和空时编码技术、无线链路增强技术、软件无线电技术、高效的调制解调技术、高性能的收发信机和多用户检测技术等。按照目前的研究成果和专家的预测，4G通信系统将会在2010年以后投入商业运营，最高下行速率将达到100 Mbit/s。西方欧美国家4G通信技术研究较早，而且在资金以及技术人力资源方面的投入力度较大，因此其4G通信技术在全球发内内发展处于领先水平。4G通信技术起源于瑞典，这主要是源于瑞典拥有大批的手机通讯制造商，在制造商的推动下4G通信技术率先在瑞典开始产生。与3G通信技术相比，4G通信技术具有明显的优势，其下载速度是3G技术的十倍以上，而且传输信号好。目前4G通信技术在欧洲各国均取得了较好的发展，美国也在4G通信技术领域取得了巨大的成绩，并逐步发展成为第二个推出商用4G网络的国家。美国4G技术的应用主要运用40MHz频谱配置，
