第四代移动通信系统研究_徐卫东

第四代移动通信系统研究

徐卫东,高 原

(西安通信学院 陕西西安 710106)

摘 要:在第三代移动通信系统开展应用的同时,关于第四代移动通信系统的研究已全面展开。目前世界发达国家都在积极进行第四代移动通信技术规格的研究制定工作。通过从4G移动通信系统的产生背景以及特点引入,介绍了4G移动通信系统的网络架构及其关键技术,回顾了全球4G的发展状况,最后对我国第四代移动通信系统的发展进行了展望。

关键词:4G移动通信系统;网络结构;关键技术;全球发展

中图分类号:TN929.5 文献标识码:A 文章编号:1004373X(2006)2001903

DiscussionoftheFourthGenerationMobileCommunicationSystem

XUWeidong,GAOYuan

(Xi anCommunicationInstitute,Xi an,710106,China)

Abstract:Whilethethirdgenerationmobilecommunicationsystemisapplied,thestudyofthefourthgenerationmobilecommunicationhasbegun.Atpresent,thedevelopedcountryintheworldthrowthemselvesintotheresearchandestablishmentofthestandardfor4Gmobilecommunicationtechnology.Startingwiththebackgroundofthefourthgenerationmobilecom municationsystemanditscharacteristic,thisarticleintroducesthenetworkframeofthefourthgenerationmobilecommunica tionsystemaswellasitskeytechniquesandreviewsthedevelopmentoftheglobal4G.Atlast,itforeseesthefutureof4Gmo bilecommunicationsystem.

Keywords:4Gmobilecommunicationsystem;networkframe;keytechniques;globaldevelopment

目前世界发达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。

信将具有以下特征:

(1)信息传播速率更快

由于人们研究4G通信的最初目的就是提高蜂窝电话和其他移动装置无线访问Internet的速率,因此4G通信的特征莫过于他具有更快的无线通信速度。专家预估,第四代移动通信系统的速度可达到10~20Mb/s,最高可以达到100Mb/s。

(2)带宽更宽

要想使4G通信达到100Mb/s的传输速度,通信运营商必须在3G通信网络的基础上进行大幅度的改造,以便使4G网络在通信带宽上比3G网络的带宽高出许多。据研究,每个4G信道将占有100MHz的频谱,相当于WCDMA3G网络的20倍。

(3)多种业务的完整融合

个人通信、信息系统、广播、娱乐等业务无缝连接为一个整体,满足用户的各种需求。4G应能集成不同模式的无线通信 从无线局域网和蓝牙等室内网络、蜂窝信号、广播电视到卫星通信,移动用户可以自由地从一个标准漫游到另一个标准。各种业务应用、各种系统平台间的互联更便捷、安全,面向不同用户要求,更富有个性化。而且4G手机从外观和式样上看将有更惊人的突破,可以想象的是,眼镜、手表、化妆盒、旅游鞋都有可能成为4G终端。

(4)智能化更高

第四代移动通信的智能性更高,不仅表现在4G通信

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1 4G移动通信系统及其特点

第四代移动通信技术的概念可称为宽带接入和分布网络,具有非对称的超过2Mb/s的数据传输能力。他包括宽带无线固定接入、宽带无线局域网、移动宽带系统和交互式广播网络。第四代移动通信标准比第三代标准具有更多的功能。第四代移动通信可以在不同的固定、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集成多功能的宽带移动通信系统,是宽带接入IP系统。目前正在开发和研制中的4G通

收稿日期:2006

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消费电子徐卫东等:第四代移动通信系统研究

全管理、有源网络。物理层与网络业务执行技术层提供开放式IP接口。应用层与网络业务执行技术层之间也是开放式接口,

用于第三方开发和提供新业务。

终端设备的设计和操作具有智能化,更重要的是4G手机可以实现许多难以想象的功能,例如,4G手机将能根据环境、时间以及其他因素来实时提醒手机的主人。

(5)兼容性能更强

要使4G通信尽快地被人们接受,还应该考虑到让更多的用户在投资最少的情况下轻易地过渡到4G通信。因此,从这个角度来看,4G通信系统应当具备全球漫游、接口开放、能跟多种网络互联、终端多样化以及能从2G,3G平稳过渡等特点。

(6)实现更高质量的多媒体通信

4G通信提供的无线多媒体通信服务将包括语音、数据、影像等,大量信息通过宽频的信道传送出去,为此4G也称为 多媒体移动通信!。

(7)通信费用更加便宜

由于4G通信不仅解决了与3G的兼容性问题,让更多的现有通信用户能轻易地升级到4G通信,而且4G通信引入了许多尖端通信技术,因此,相对其他技术来说,4G通信部署起来就容易迅速得多。同时在建设4G通信网络系统时,通信运营商们将考虑直接在3G通信网络的基础设施之上,采用逐步引入的方法,这样就能够有效地降低运营成本。3G,4G移动通信系统网络架构

图2 4G系统的网络体系分层

2.2 4G移动通信的接入系统

4G移动通信接入系统的显著特点是,智能化多模式终端基于公共平台,通过各种接入技术,在各种网络系统(平台)之间实现无缝连接和协作。在4G移动通信中,各种专门的接入系统都基于一个公共平台,相互协作,以最优化的方式工作,来满足不同用户的通信需求。当多模式终端接入系统时,网络会自适应分配频带,给出最优化路由,以达到最佳通信效果。目前,4G移动通信的主要接入技术有:无线蜂窝移动通信系统(例如2G,3G)、无绳系统(如DECT)、短距离连接系统(如蓝牙)、WLAN系统、固定无线接入系统、卫星系统、平流层通信(STS)、广播电视接入系统(如DAB,DVBT,CATV)。随着技术发展和市场需求变化,新的接入技术将不断出现。

2 4G移动通信系统网络架构

2.1 网络体系结构

在第四代移动通信系统中,为了满足不同用户对不同业务的需求,将各种针对不同业务的接入系统通过多媒体接入系统连接到基于IP的核心网中,形成一个公共的、灵活的、可扩展的平台,网络的连接如图1

所示。

2.3 4G移动通信的软件系统

4G移动通信的软件系统趋于标准化、复杂化、智能化。软件系统的首要任务是,创建一个公共的软件平台,使不同通信系统和终端的应用软件,通过此平台 互联互通!。并且,通过此软件平台,实现对不同通信系统和终端的管理和监控。因此,建立一个统一的软件标准和互联协议,是4G移动通信软件系统的关键。

软件系统将逐步采用Web服务模式,以代替现行的客户/服务器模式。新的计算机语言如XML,将用于未来的这种基于Web的分布式服务。另一方面,软件系统还将在网络安全上做进一步研究,以保障通信网络的正常工作、数据完整和其他特殊需要。

图1 4G系统的网络结构

3 4G移动通信系统的关键技术

3.1 调制技术与信号传输

在高频段高速移动传输会产生严重的频率选择性衰落,实现调制/解调的鲁棒性可以克服这种频率选择性衰

落,并且新的调制技术如多载波正交频分复用调制技术以及单载波带自适应均衡技术都将提供很高的频谱效率。另外,电池功率的限制也必须突破。4G系统将采用这些

从图1中可以看出基于IP技术的网络架构使得用户在2G,3G,4G,WLAN,固定网之间无缝漫游可以实现。我们可将系统网络体系结构分为3层,如图2所示。从图2可以看出,第四代移动通信系统的网络体系结构可以由下而上分为:物理层、网络业务执行技术层、应用层等3层。物理层提供接入和选路功能,网络业务执行技术层作为桥接层提供QoS映射、地址转换、即插即用、安

调制方式以保证频谱利用率和延长用户终端电池的寿命。此外,高性能正向纠错(FEC)编码,如Turbo编码技术、自动重发请求(ARQ)和分集接收技术也是建立高速大容量网络的重要因素。

若从技术层面来看,第三代移动通信系统主要是以CDMA为核心技术,而第四代移动通信系统技术则以OFDM最受瞩目。

频率之间通信或者信号降低信道选择等情况。切换技术是未来移动终端在众多通信系统、移动小区之间建立可靠移动通信的基础和重要技术。他主要有软切换和硬切换。在4G通信系统中,切换技术的适用范围更为广泛,并朝着软切换和硬切换相结合的方向发展。

4 4G移动通信系统全球进展情况

20世纪90年代早期,欧洲已开始4G移动通信系统的研究,其目标速率是100Mb/s,预期在2010年左右投入商用。日本在2000年成立了一个特别委员会,领导日本的有关政府部门、大学研究机构和工业部门,从事4G系统的研究工作和制定4G的有关标准。日本NTT的DoCoMo公司已于2002年成功研制出一个包含移动终端和基站的4G空中接口实验系统,并在该系统上成功地进行了有关传输和实验。

目前全球范围内有多个组织正在进行4G系统的研究和标准化工作,如IPv6论坛、SDR论坛、3GPP、无线世界研究论坛(thewirelessworldresearchforum)、IETF(theInternetEngineeringTaskForce)和MWIF(theMobileWirelessInternetForum)等。

一些全球著名的移动通信设备厂商也在进行4G的研究和开发工作。AT&T已经开发了名为4G接入的实验网络。NORTEL正进行软件无线电功率放大器技术的研究,而HP实验室正在进行4G网络上传输多媒体内容的相关研究。Ericsson在加州大学投入1000万美元从事下一代CDMA和4G移动通信技术的研究。

在3G方面发展良好的韩国为了在4G方面形成自己的标准,不再受控于欧美企业,目前与中国政府签订了共同研发4G的协议,并和北京大学、清华大学、北京邮电大学、东南大学等开展了合作;美国亦在为4G移动通信做准备,以便在4G的时代,领先全球。出于竞争需要,欧盟也把第四代移动通信系统列入了 第六框架研究计划!。在我国,4G的立项早在2000年初就已开始酝酿,2001年11月立项申请被批准,随后国家成立了由尤肖虎教授负责、863计划通信技术主题专家组领导的总体组,并于2001年年底和2002年6月发布了两次课题指南,成立了一系列课题组,开始了计划的启动。中兴、华为等公司已加入到4G的研发当中。阿尔卡特、西门子等国际著名公司首次作为合作伙伴参加了863计划通信主题的有关项目。我国政府明确表示,4G系统将在2008年进入试验期,2010年后进入商用化试验。

3.2 网络结构与协议

4G系统网络体系结构包括了适用于IP分组传输的空中接口、位置寄存、基站网络配置、无线QoS控制、网络配置和集成式3GWLAN无缝业务控制等功能模块。为

了解决城区密集业务,频率复用是关键,而且用微蜂窝实现无缝覆盖要比热点覆盖策略好,因为前者可以避免地理位置上的业务集中。

在处理多媒体业务时,智能无线资源管理是关键技术,无线系统资源(频率和发射功率)是有限的且易受阻塞的困扰,因此,有必要采用无线QoS资源控制,以保证业务质量和支持各种级别的应用。由4G系统支持的应用业务将依据业务的特点进行分类(如分为实时和非实时),无线QoS资源控制方式要既能支持实时性应用,也能支持非实时性应用。无线资源管理者首先检查可用资源、前/后向链路质量、应用类别以及QoS业务用户级别,然后再指配适当的前/后向链路速率和发射功率。4G系统中基于IP技术的网络结构可以处理IP包,方便地提供全向功能,关键是选路/切换和鉴权策略。

3.3 软件无线电

在4G移动通信系统中,移动终端将会变得非常繁杂。为此,专家们提议引入软件无线电技术,实现移动终端的多模化。可以在不同的系统中工作。软件无线电技术能够将模拟信号的数字化过程尽可能地接近天线,即将A/D

和D/A转换器尽可能地靠近RE前端,利用DSP进行信道分离、调制解调和信道编译码等工作。他旨在建立一个无线电通信平台,在平台上运行各种软件系统,以实现多通路、多层次和多模式的无线通信。因此,应用软件无线电技术,一个移动终端,就可以实现在不同系统和平台之间,畅通无阻的使用。目前比较成熟的软件无线电技术有参数控制软件无线电系统。

3.4 定位技术

定位是指移动终端位置的测量方法和计算方法。他主要分为基于移动终端定位、基于移动网络定位以及混合定位三种方式。在4G移动通信系统中,移动终端可能在

不同系统(平台)间进行移动通信。因此,对移动终端的定位和跟踪,是实现移动终端在不同系统(平台)间无缝连接和系统中高速率和高质量的移动通信的前提和保障。

5 结 语

21世纪我国移动通信还有一个巨大的发展空间,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

(下转第24页)

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3.5 切换技术

切换技术适用于移动终端在不同移动小区之间、不同

消费电子崔维新等:智能信号灯控制系统的设计

以选择为三态控制或集电极开路输出,可以通过编程控制每个I/O引脚的速度以及I/O寄存器的使用。

配置芯片选用Altera的EPC2LC20,其配置和编程采用ByteBlaster并口下载电缆的JTAG模式,以4MHz有源晶振为系统时钟源,交通指示灯采用4组红黄绿发光二

极管模拟。

图3 硬件设计框图

图4 控制程序仿真波形图

5 系统软件仿真

Max+Plus%编译器进行错误检查、网表提取、逻辑综合、器件适配,并产生仿真文件、定时分析文件和编译配置文件。程序中主控模块的计数频率为1Hz,这样低的频率是无法仿真的,因此仿真前将程序中的分频部分加以调整以便仿真。

在波形编辑器中输入dc,xc,reset和clk的模拟波形,进行系统仿真。仿真过程在后台进行,仿真输出逻辑电平将记录在.scf文件中。仿真结束后,打开scf文件,可以观察到如图4所示的仿真波形。

图4(a)中黑线标明的是yrg2状态起始时刻,此时dc的值为0D(01101),xc的值为12(010010)。查模糊化对照表得到其模糊值,分别是0110和1011。再查询模糊控制表得到对应的ly值是23,从而计算出第二相位的绿灯时间Gtime=Gmin+ly,等于38个时钟周期。(b)图中黑线标明的是green2状态结束时刻,st2RYG信号等于 001!的状态共持续了38个时钟周期,与计算结果完全相符。通过软件仿真和硬件测试,

系统完全可以满足实时性要求。

6 结 语

在交通负荷加重而资源有限,且不可再生的条件下,交通管理智能化已成为必然趋势。基于模糊控制的智能信号灯控制系统核心部分在一个FPGA芯片上设计完成和实现,充分利用了模糊控制和FPGA的技术优势,这是本文的创新点。

参 考 文 献

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作者简介 崔维新 男,1969年出生,工程师,山西运城人。主要从事电力系统通信方面的研究和设计工作。

梁光胜 男,1966年出生,副教授,山东嘉祥人,硕士。主要从事数字系统设计自动化方面的研究和设计工作。

(上接第21页)

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,提前做好准备,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。

参 考 文 献

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/2hz4.html