微信:HuangL1121
QQ号:1224848052
团队:MATLAB代做|MATLAB专业代做|FPGA代做|FPGA专业代做
地址:北京市-朝阳区-双柳北街18号院
当前位置:首页 > 中大型项目 > 4G网络的组网技术
项目案例
4G网络的组网技术
4G网络的组网技术
产品说明:

随着3G在我国的商用以来,用户在使用手机电视和视频通话方面,出现信号不稳,视频通话效果不好等问题。人们开始期望4G能够解决这些问题,能够提供更高的数据速率,更大的容量和带宽。从而使4G3G更接近个人通信,在技术上比3G更完善。   所谓4G技术是第四代移动通信及其技术的简称,是集3GWLAN于一体并能够传输高质量视频图像以及图像传输质量与高清晰度电视不相上下的技术产品。4G系统能够以100Mbps的速度下载,比拨号上网快2000倍,上传的速度也能达到20Mbps,并能够满足几乎所有用户对于无线服务的要求。而在用户最为关注的价格方面,4G与固定宽带网络在价格方面不相上下,而且计费方式更加灵活机动,用户完全可以根据自身的需求确定所需的服务。此外,4G可以在DSL和有线电视调制解调器没有覆盖的地方部署,然后再扩展到不可比拟的优越性

前言:随着3G在我国的商用以来,用户在使用手机电视和视频通话方面,出现信号不稳,视频通话效果不好等问题。人们开始期望4G能够解决这些问题,能够提供更高的数据速率,更大的容量和带宽。从而使4G3G更接近个人通信,在技术上比3G更完善。   所谓4G技术是第四代移动通信及其技术的简称,是集3GWLAN于一体并能够传输高质量视频图像以及图像传输质量与高清晰度电视不相上下的技术产品。4G系统能够以100Mbps的速度下载,比拨号上网快2000倍,上传的速度也能达到20Mbps,并能够满足几乎所有用户对于无线服务的要求。而在用户最为关注的价格方面,4G与固定宽带网络在价格方面不相上下,而且计费方式更加灵活机动,用户完全可以根据自身的需求确定所需的服务。此外,4G可以在DSL和有线电视调制解调器没有覆盖的地方部署,然后再扩展到不可比拟的优越性

1. 移动通信的发展历程与4G网络

1.1  移动通信的发展历程

1.1.1  第一代移动通信技术(1G
  主要采用的是模拟技术和频分多址(FDMA)技术。由于受到传输带宽的限制,不能进行移动通信的长途温游,只能是一种区域性的移动通信系统。第一代移动通信有多种制式,我国主要采用的是TACS。第一代移动通信有很多不足之处,比如容量有限、制式太多、互不兼容、保密性差、通话质量不高、不能提供数据业务、不能提供自动温游等。
1.1.2 第二代移动通信技术(2G
  主要采用的是数字的时分多址(TDMA)技术和码分多址(CDMA)技术。主要业务是语音,其主特性是提供数字化的话音业务及低速数据业务。它克服了模拟移动通信系统的弱点,话音质量、保密性能得到大的提高,并可进行省内、省际自动漫游。第二代移动通信替代第一代移动通信系统完成模拟技术向数字技术的转变,但由于第二代采用不同的制式,移动通信标准不统一,用户只能在同一制式覆盖的范围内进行漫游,因而无法进行全球漫游,由于第二代数字移动通信系统带宽有限,限制了数据业务的应用,也无法实现高速率的业务如移动的多媒体业务。
1.1.3  第三代移动通信技术(3G
  与从前以模拟技术为代表的第一代和目前正在使用的第二代移动通信技术相比,3G将有更宽的带宽,其传输速度最低为384K,最高为2M,带宽可达5MHz以上。不仅能传输话音,还能传输数据,从而提供快捷、方便的无线应用,如无线接入Internet。能够实现高速数据传输和宽带多媒体服务是第三代移动通信的另个主要特点。第三代移动通信网络能将高速移动接入和基于互联网协议的服务结合起来,提高无线频率利用效率。提供包括卫星在内的全球覆盖并实现有线和无线以及不同无线网络之间业务的无缝连接。满足多媒体业务的要求,从而为用户提供更经济、内容更丰富的无线通信服务。但第三代移动通信仍是基于地面、标准不的区域性通信系统。虽然第三代移动通信可以比现有传输率快上千倍,但是未来仍无法满足多媒体的通信需求。第四代移动通信系统的提供便是希望能满足提供更大的频宽需求,满足第三代移动通信尚不能达到的在覆盖、质量、造价上支持的高速数据和高分辨率多媒体服务的需要。
1.1.4  第四代移动通信及其性能
    随着3G2001年开始于日本和韩国投入商用后,近年来全球发展越来越快速,布建3G系统及启动3G服务的国家数目与日遽增;不过由于用户对移动通信系统的数据传输速率要求越来越高,而3G系统实际所能提供的最高速率虽然号称可达2Mbps,但目前最高的也只有384kbps,并不能满足用户的实际需求,因此国际电信联盟(ITU)及各厂商们亦在开始思索4G系统的研究和技术标准制定。早在19999ITU就把3G系统之后的标准化问题排入工作计划中,其有关4G的提法是Beyond IMT-2000(3G),并提议各会员国于2010年实现4G的商用。但到现在4G也仅是一个基本框架而已,定义并不明晰。
  
ITU4G的系统标准定义,主要是集3GWLAN于一体,能够传输高质量视频图像,传输速率达到100Mbps,上传速度20Mbps,并能够满足所有用户对于无线服务的要求,且价格与固定宽带网络相同,并实现商业无线网络、局域网、蓝牙、广播、电视卫星通信等的无缝连接并相互兼容。4G具有更高的数据率和频谱利用率,更高的安全性、智慧性和灵活性,更高的传输质量和服务质量(QoS)。4G系统应体现移动与无线接入网及IP网络不断融合的发展趋势。因此4G 系统应当是一个全IP的网络。

1.2  4G网络体系和层次结构

1.2.1 4G 的网络结构

移动通信从第二代向第三代演进使得核心网由电路交换转变为分组交换,进一步的要求是使核心网独立于接入技术。分组交换的技术有ATM IP ,综合当前的发展趋势以及IP技术的特点,IP 被认为是下一代移动通信最适合的网络层技术,统一的IP 核心网将使不同的无线和有线接入技术实现互联、融合。第四代移动通信的网络结构如图11 所示。

其中,核心IP 网络不是专门用作移动通信,而是作为一种统一的网络,支持有线及无线的接入,它就像具有移动管理功能的固定网络,其接入点可以使有线或无线。无线接入点可以是蜂窝系统的基站,WLAN(无线局域网)或者ad hoc 自组网等。对于公用电话网和2G以及未实现全IP 3G 网络等则通过特定的网关连接。另外,热点通信速率和容量的需要或网络铺设重叠将使得整个网络呈现广域网、局域网等互联、综合和重叠的现象。

2. 4G网络中的关键技术

 2.1 OFDM

OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)即正交频分复用技术, OFDM系统的主要技术
  OFDM系统对定时和频率偏移敏感,特别是实际应用中可能与FDMATDMACDMA等多址方式结合使用时,时域和频域同步显得尤为重要。与其他数字通信系统一样,同步分为捕获和跟踪两个阶段。在下行链路中,基站向各个移动终端广播式发送同步信息,所以,下行链路同步相对简单,较易实现。在上行链路中来自不同移动终端的信号必须同步到达基站,才能保证载波间的正交性。基站根据各移动终端发来的子载波携带信息进行时域和频域同步信息的提取,再由基站发回移动终端,以便让移动终端进行同步。具体实现时,同步可以分别在时域或频域进行,也可以时频域同步同时进行。信道编码与交织
  为了提高数字通信系统性能,信道编码和交织是通常采用的方法。对于衰落信道中的随机错误,可以采用信道编码;对于衰落信道中的突发错误,可以采用交织。实际应用中通常同时采用信道编码和交织,进一步改善整个系统的性能。在OFDM系统中,如果信道频域特性比较平缓,均衡是无法再利用信道的分集特性来改善系统性能的,因为OFDM系统本身具有利用信道分集特性的能力,一般的信道特性信息已经被OFDM这种调制方式本身所利用了。但是OFDM系统的结构却为在子载波间进行编码提供了机会,形成OFDM编码方式。实际上OFDMMCM Multi-CarrierModulation,多载波调制的一种。其主要原理是:将待传输的高速串行数据经串并变换, 变成在子信道上并行传输的低速数据流, 再用相互正交的载波进行调制, 然后叠加一起发送。 接收端用相干载波进行相干接收, 再经并串变换恢复为原高速数据。

OFDM技术的有很多优点:可以消除或减小信号波形间的干扰,对多径衰落和多普勒频移不敏感,提高了频谱利用率;适合高速数据传输;抗衰落能力强;抗码间干扰(ISI)能力强。

2.2 软件无线电

软件无线电(SDR)是将标准化、模块化的硬件功能单元经一通用硬件平台,利用软件加载方式来实现各类无线电通信系统的一种开放式结构的技术。其中心思想是使宽带模数转换器(A/D)及数模转换器(D/A)等先进的模块尽可能地靠近射频天线的要求。尽可能多地用软件来定义无线功能。其软件系统包括各类无线信令规则与处理软件、信号流变换软件、调制解调算法软件、信道纠错编码软件、信源编码软件等。软件无线电技术主要涉及数字信号处理硬件(DSPH)、现场可编程器件(FPGA)、数字信号处理(DSP)[2]

2.3  智能天线技术(SA)

智能天线定义为波束间没有切换的多波束或自适应阵列天线。智能天线具有抑制信号干扰、自动跟踪及数字波束调节等功能,被认为是未来移动通信的关键技术。智能天线成形波束可在空间域内抑制交互干扰,增强特殊范围内想要的信号,既能改善信号质量又能增加传输容量。其基本原理是在无线基站端使用天线阵和相干无线收发信机来实现射频信号的收发,同时,通过基带数字信号处理器,对各天线链路上接收到的信号按一定算法进行合并,实现上行波束赋形。

2.4  多输入多输出(MIMO)技术

多用户检测(MUD)技术能够有效地消除码间干扰,提高系统性能。多用户检测的基本思想是把同时占用某个信道的所有用户或某些用户的信号都当做有用信号,而不是作为干扰信号处理,利用多个用户的码元、时间、信号幅度以及相位等信息联合检测单个用户的信号,即综合利用各种信息及信号处理手段,对接收信号进行处理,从而达到对多用户信号的最佳联合检测。多用户检测是4G系统中抗干扰的关键技术,能进一步提高系统容量,改善系统性能。随着不同算法和处理技术的应用与结合,多用户检测获得了更高的效率、更好的误码率性能和更少的条件限制。

在基站端放置多个天线,在移动台也放置多个天线,基站和移动台之间可形成MIMO通信链路。MIMO技术在不需要占用额外的无线电频率的条件下,利用多径来提供更高的数据吞吐量,并同时增加覆盖范围和可靠性。它解决了当今任何无线电技术都面临的两个最困难的问题,即速度与覆盖范围。它的信道容量随着天线数量的增大而线性增大。也就是说,可以利用MIMO信道成倍地提高无线信道容量,在不增加带宽和天线发送功率的情况下,频谱利用率可以成倍地提高。
  多输入多输出技术(MIM0)是指在基站和移动终端都有多个天线。MIM0技术为系统提供空间复用增益和空间分集增益。空间复用是在接收端和发射端使用多副天线,充分利用空间传播中的多径分量,在同一频带上使用多个子信道发射信号,使容量随天线数量的增加而线性增加。空间分集有发射分集和接收分集两类。基于分集技术与信道编码技术的空时码可获得高的编码增益和分集增益,已成为该领域的研究热点。MIM0技术可提供很高的频谱利用率,且其空间分集可显著改善无线信道的性能,提高无线系统的容量及覆盖范围。

2.5  基于IP的核心网
  4G通信系统选择了采用IP的全分组方式传送数据流,因此IPv6技术是下一代网络的核心协议。选择IP主要基于以下几点考虑:
  巨大的地址空间。IPv6地址为128位,代替了IPv4的32位,地址空间大于3.4Î1038。如果整个地球表面(包括陆地和水面)都覆盖着计算机,那么IPv6允许每平方米拥有7Î1023个IP地址。可见,IPv6地址空间是巨大的。在一段可预见的时期内,它能够为所有可以想象出的网络设备提供一个全球唯一的地址。自动控制。IPv6还有另一个基本特性就是它支持无状态或有状态两种地址自动配置方式。无状态地址自动配置方式是获得地址的关键。在这种方式下,需要配置地址的节点使用一种邻居发现机制获得一个局部连接地址。一旦得到这个地址之后,它使用另一种即插即用的机制,在没有任何人工干预的情况下,获得一个全球唯一的路由地址。对于有状态地址配置机制,如DHCP(动态主机配置协议),需要一个额外的服务器,因此也需要很多额外的操作和维护。核心网独立于各种具体的无线接入方案,能提供端到端的IP业务,能同已有的核心网和PSTN兼容。核心网具有开放的结构,能允许各种空中接口接入核心网;同时核心网能把业务、控制和传输等分开。IP与多种无线接入协议相兼容,因此在设计核心网络时具有很大的灵活性,不需要考虑无线接入究竟采用何种方式和协议。

3.  3G与4G的比较

3.1  技术指标方面

3G提供了高速数据,在图象传输上,其静止传输速率达到2Mbps,高速移动时的传输速率达到114Kbps,慢速移动时的传输速率达到384kbps, 带宽可以达到5MHz以上UMT采用WCDMA技术,利用正教码区分用户,FDDTDD两种双工方式。

4G的性能指标是:

a. 数据速率从2Mbps100Mpbs

b. 容量达到第 3 代系统的 510 ,传输质量相当于甚至优于第 3 代系统。广带局域网应能与宽带综合业务数据网 (B - ISDN)和异步传送模式 (ATM)兼容 ,实现广带多媒体通信 ,形成综合广带通信网

c. 条件相同时小区覆盖范围等于或大于第 3 代系统。

d. 具有不同速率间的自动切换能力 ,以保证通信质量。

e. 网络的每比特成本要比第 3 代低。

3.2  技术方面

a.3G的关键技术是CDMA技术,4G采用的是OFDM技术。OFDM可以提高频谱利用率,能够克服 CDMA 在支持高速率数据传输时信号间干扰增大的问题。

b. 在软件无线电方面,4G3G中的软件无线电技术进行升级,满足4G中无线接入多样化要求,使得3G中无线接入标准不统一的问题得以解决。同时在4G,实现软切换和硬切换相结合,3G中的软件无线电基础上通过增加相应的硬件模块 ,对相应的软件进行升级使他们最终都融合到一起 ,成为一个统一的标准 , 实现各种需求的功能。

c.3G网络采用的主要是蜂窝组网,4G采用全数字全IP技术,支持分组交换,WLAN,Bluetooth 等局域网融入广域网中。在4G中提高智能天线的的处理速度和效率。在TD-SCDMA采用智能天线的基础上,对相关的软件和算法加以升级,增加一些接口协议来满足4G的要求。

d.4G系统也使用了许多新技术 , 包括超链接 (ultra2connectivity)和特定无线网络技术、动态自适应网络技术、智能频谱动态分配技术以及软件无线电技术 ,等等。

e. 在功率控制上 ,4G 3G要求更加严格 ,其目的是为了满足高速通信的要求。不仅频率资源限制移动用户信号的传输速率 ,而且基站和终端的发射功率也限制了用户信号的传输速率。在 3G ,采用切换技术来减少对其它小区的干扰 ,提高话音质量 ,不过在 4G ,切换技术的应用更加广阔 ,并朝着软切换和硬切换相结合的方向发展[3]

3.3  速度方面

通信委员会的最新研究显示,在使用同样数量频谱(在客户手机于互联网之间传送信息的无线电波)的情况下,下一代移动技术的数据传输能力将是现有3G技术的两倍以上。

传输能力的增强对满足英国迅速增加的移动数据流量来说至关重要,而移动数据流量的增加主要受智能手机和移动宽带数据服务(如流媒体、电子邮件、信息服务、地图服务和社交网络等)增长的带动。

英国计划从2013年开始采用4G移动通信技术,届时,移动宽带服务的速度将显著提高——接近目前的ADSL家庭宽带速度。这一目标有望通过4G技术更为有效地利用频谱而得以部分地实现。

4. 5大4G标准

国际电信联盟(ITU)已经将WiMaxHSPA+LTE正式纳入到4G标准里,加上之前就已经确定的LTE-Advanced WirelessMAN-Advanced这两种标准,目前4G标准已经达到了5种。

4.1 LTE

LTE(Long Term Evolution,长期演进)项目是3G的演进,它改进并增强了3G的空中接入技术,采用OFDMMIMO作为其无线网络演进的唯一标准。主要特点是 在20MHz频谱带宽下能够提供下行100Mbit/s与上行50Mbit/s的峰值速率,相对于3G网络大大的提高了小区的容量,同时将网络延迟大大降低:内部单向传输时延低于5ms,控制平面从睡眠状态到激活状态迁移时间低于50ms,从驻留状态到激活状态的迁移时间小于100ms。并且这一标准也是3GPP长期演进(LTE)项目,是近两年来3GPP启动的最大的新技术研发项目,其演进的历史如下:

GSM-->GPRS-->EDGE-->WCDMA-->HSDPA/HSUPA-->HSDPA+/HSUPA+-->LTE长期演进

GSM:9K -->GPRS:42K--> EDGE:172K -->WCDMA364k -->HSDPA/HSUPA:14.4M-->HSDPA+/HSUPA+:42M-->LTE:300M

由于目前的WCDMA网络的升级版HSPAHSPA+均能够演化到LTE这一状态,包括中国自主的TD-SCDMA网络也将绕过HSPA直接向LTE演进,所以这一4G标准获得了最大的支持,也将是未来4G标准的主流。该网络提供媲美固定宽带的网速和移动网络的切换速度,网络浏览速度大大提升。

4.2   LTE-Advanced

LTE-Advanced: 从字面上看,LTE-Advanced就是LTE技术的升级版,那么为何两种标准都能够成为4G标准呢?LTE-Advanced的正式名称为 Further Advancements for E-UTRA,它满足 ITU-RIMT-Advanced技术征集的需求,是3GPP形成欧洲IMT-Advanced技术提案的一个重要来源。LTE-Advanced是 一个后向兼容的技术,完全兼容LTE,是演进而不是革命,相当于HSPAWCDMA这样的关系。LTE-Advanced的相关特性如下:

  带宽:100MHz

峰值速率:下行1Gbps,上行500Mbps

峰值频谱效率:下行30bps/Hz,上行15bps/Hz

针对室内环境进行优化

有效支持新频段和大带宽应用

峰值速率大幅提高,频谱效率有限的改进

如果严格的讲,LTE作为3.9G移动互联网技术,那么LTE-Advanced作为4G标准更加确切一些。LTE-Advanced的入围,包含 TDDFDD两种制式,其中TD-SCDMA将能够进化到TDD制式,而WCDMA网络能够进化到FDD制式。移动主导的TD-SCDMA网络期望能够 直接绕过HSPA+网络而直接进入到LTE

4.3  WiMax

WiMax:WiMax(Worldwide Interoperability for Microwave Access),即全球微波互联接入,WiMAX的另一个名字是IEEE 802.16WiMAX的技术起点较高,WiMax所能提供的最高接入速度是70M,这个速度是3G所能提供的宽带速度的30倍。对无线网络来说,这的确是一个惊人的进步。WiMAX逐步实现宽带业务的移动化,而3G则实现移动业务的宽带化,两种网络的融合程度会越来越高,这也是未来移动世界和固定网络的融合趋势。

802.16工作的频段采用的是无需授权频段,范围在2GHz66GHz之间,而802.16a则是一种采用2G11GHz无需授权频段的宽带无线接入系统,其频道带宽可根据需求在1.5M20MHz范围进行调整,目前具有更好高速移动下无缝切换的IEEE802.16m的技术正在研发。因此,802.16所使用的频谱可能比其它任何无线技术更丰富,WiMax具有以下优点:

(1)对于已知的干扰,窄的信道带宽有利于避开干扰,而且有利于节省频谱资源。

 (2)灵活的带宽调整能力,有利于运营商或用户协调频谱资源。

 (3)WiMax所能实现的50公里的无线信号传输距离是无线局域网所不能比拟的,网络覆盖面积是3G发射塔的10倍,只要少数基站建设就能实现全城覆盖,能够使无线网络的覆盖面积大大提升。

不过WiMax网络在网络覆盖面积和网络的带宽上优势巨大,但是其移动性却有着先天的缺陷,无法满足高速(50km/h)下的网络的无缝链接,从这个意义上讲,WiMax还无法达到3G网络的水平,严格的说并不能算作移动通信技术,而仅仅是无线局域网的技术。但是WiMax的希望在于IEEE 802.11m技术上,将能够有效的解决这些问题,也正是因为有中国移动、因特尔、Sprint各大厂商的积极参与,WiMax成为呼声仅次于LTE4G网络手机。关于IEEE 802.16m这一技术,我们将留在最后作详细的阐述。

5. 我国4G的发展前景

 我国在4G领域也取得得大成果。汉网公司研制出的汉网宽带无线IP通信系统要用了4G技术和IP网络技术,以汉网特有的包分多址(PDMA)接入技术为核心,上下行数据速率采用不对称设计,可为无线用户提供高达近2Mbps的高速无线互联网业务,同时提供高速率的文字、图像、视频、话音等不同类型数据业务。可实现手机、PDAPC之间的自由通信和组播、多点通信等扩展业务,预计2003年可投入市场使用。
  目前世界发送国家都正在积极进行第四代移动通信技术规格的研究制定工作,以期在全球第四代移动通信规格制定中能享有发言权。第四代移动通信设备智能化程度极高,移动通信面向个人、正反馈良好循环发展的特性,决定其市场潜力仍非常巨大。移动通信与互联网的结合,给移动通信与互联网的发展都将注入更大的活力。随着互联网高速发展,第四代移动通信系统将会得到更快的发展。据预测,这种以宽带、接入因特网、具有多种综合功能第四代移动通信技术在2010年将成为移动通信市场主流技术。21世纪我国移动通信还有一个巨大的发展空间同,这为我国移动通信的发展提供了前所未有的机遇,同时也带来了严峻的挑战。为此,我们有必要在大力开发第三代移动通信技术系统的同时,提前作好准备,积极参与ITU关于第四代移动通信标准建议的研究,掌握世界移动通信技术的研究动向和最新成果,加强国际合作,关注并积极进行第四代移动通信技术的研究与开发工作,把第四代移动通信的研发与建立我国移动通信产业结合起来,加快我国移动通信产业的发展,使我国的移动通信产业在国内外拥有强大的市场。


上一篇:matlab的语音信号处理

版权所有: MATLAB代做|MATLAB专业代做|FPGA代做|FPGA专业代做 Copyright © 2018 All rights reserved.
微信:HuangL1121 QQ:1224848052
地址:北京市-朝阳区-双柳北街18号院

扫一扫,关注我们