未來的移動通信系統(tǒng).ppt

第五章 未來的移動通信系統(tǒng),先導案例 5.1 4G移動通信系統(tǒng)的簡介 5.2 4G的網(wǎng)絡架構(gòu) 5.3 4G的關(guān)鍵技術(shù),先導案例,移動通信技術(shù)自從興起以來，一直在迅速發(fā)展著，目前已經(jīng)歷了三代。然而，第三代移動通信系統(tǒng)由于空中接口標準對核心網(wǎng)的限制，3G所能提供服務速率的動態(tài)范圍不大，不能滿足各種業(yè)務類型要求;分配給3G的頻率資源已經(jīng)趨于飽和;3G缺乏全球統(tǒng)一標準;3G所采用的語音交換架構(gòu)仍承襲了第二代(2(勸的電路交換，而不是純IP方式;流謀體(視頻)的應用不盡如人意;數(shù)據(jù)傳輸率也只接近于普通撥號接入的水平，更趕不上 XDSL等。所以，在第三代移動通信還沒有完全鋪開，距離完全實用化還有一段時間的時候，已經(jīng)有不少國家開始了對下一代(4G)移動通信系統(tǒng)的研究。第四代移動通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡架構(gòu)如圖5-1所示。,返回,5.1 4G移動通信系統(tǒng)的簡介,5.1.1 4G的定義 第四代移動通信技術(shù)的概念可稱為廣帶(Broadhand)接入和分布網(wǎng)絡，具有非對稱超過2 Mb/S的數(shù)據(jù)傳輸能力，對全速移動用戶能提供150 Mb/s的高質(zhì)量影像服務，將首次實現(xiàn)三維圖像的高質(zhì)量傳輸。它包括廣帶無線固定接入、廣帶無線局域網(wǎng)、移動廣帶系統(tǒng)和互操作的廣播網(wǎng)絡(基于地面和衛(wèi)星系統(tǒng))。此外，廣帶無線局域網(wǎng)(WLAN)與B-ISDN和ATM兼容，實現(xiàn)了廣帶多媒體通信，并可形成綜合廣帶通信網(wǎng)(IBCN)，通過IP進行通信第四代移動通信可以在不固定的無線平臺和跨越不同頻帶的網(wǎng)絡中提供無線服務，可以在任何地方寬帶接入互聯(lián)網(wǎng)(包括衛(wèi)星通信)，能夠提供信息通信之外的定位定時、數(shù)據(jù)采集、遠程控制等綜合功能。,下一頁,返回,5.1 4G移動通信系統(tǒng)的簡介,5.1.2 4G的主要技術(shù)指標 .數(shù)據(jù)速率從3G的2 Mb/s提高到100 Mb/s，移動速率從步行到車速，甚至更快。 在覆蓋范圍，通信質(zhì)量，系統(tǒng)造價上滿足3G所不能達到支持高速率數(shù)據(jù)和高分辨率多媒體的服務的需要。廣帶局域網(wǎng)應能與寬帶綜合業(yè)務數(shù)據(jù)(B-ISDN)和異步傳輸模式( ATM)兼容，實現(xiàn)廣帶多媒體通信，形成綜合廣帶通信網(wǎng)。 對全速移動用戶能夠提供150 Mb/s的高質(zhì)量的影像多媒體業(yè)務。,上一頁,下一頁,返回,5.1 4G移動通信系統(tǒng)的簡介,5.1.3 4G較之于3G的優(yōu)點 與3G移動通信服務相比，4G將比3G更接近于個人通信。即在任何人，任何時間和任何地點的基礎上實現(xiàn)任何形式的通信。無論在通信范圍、通信質(zhì)量以及其他任何方面，4G都應該比3G有一個質(zhì)的提高。4G技術(shù)較3G移動通信技術(shù)有許多超越之處，其特點主要有: .4G移動通信技術(shù)的信息傳輸速率要比3G高一個等級，要超過UMTS ,即從2 Mb/s提高到10 Mb/s，其最大的傳輸速度將是目前“i-mode”服務的10 000倍。 它將是一個全數(shù)字通信網(wǎng)，具有更高的帶寬和更高的比特率，下載速率最高可達100 Mb/s。而且其對無線頻率的使用效率將比第二代和第三代系統(tǒng)都高得多。,上一頁,下一頁,返回,5.1 4G移動通信系統(tǒng)的簡介,雖然3G的速率已有很大的提高，但仍不能很好的動態(tài)分配資源，大流量時系統(tǒng)利用率低。而4G系統(tǒng)采用智能技術(shù)使其能自適應地進行資源分配，能夠調(diào)整系統(tǒng)對通信過程中變化的業(yè)務流量大小進行相應處理而滿足通信要求，采用智能信號處理技術(shù)對信道條件不同的各種復雜環(huán)境都能進行信號的正常發(fā)送與接收，有很強的智能性、適應性和靈活性。 3G的初衷是希望統(tǒng)一全球紛雜的移動通信技術(shù)，但是，因為各個商家的利益得不到很好的協(xié)調(diào)而分化成如今三大陣營。目前ITU承認的、在全球已有相當規(guī)模的移動通信標準共有GSM , CDMA和TDMA三大分支，每個分支都在搶占市場。這3大分支，取消哪個也不可能，只有通過第四代移動通信標準的制定來解決兼容問題。,上一頁,下一頁,返回,5.1 4G移動通信系統(tǒng)的簡介,在容量方面，將可能在FDMA,TDMA,CDMA的基礎上引入空分多址(SDMA)。這里的空分多址將會采取自適應波束，如同無線電波一樣連接到每一個用戶，從而使無線系統(tǒng)容量比現(xiàn)在提高1-2個數(shù)量級。,上一頁,下一頁,返回,5.1 4G移動通信系統(tǒng)的簡介,在未來的全球通信中，人們所需的是多媒體通信。個人通信、信息系統(tǒng)、廣播和娛樂等各行業(yè)將會結(jié)合成一個整體，提供給用戶比以往更廣泛的服務與應用。4G將支持交互式多媒體業(yè)務，如視頻會議，無線因特網(wǎng)等，且具有極高的安全性。 4G系統(tǒng)的網(wǎng)絡將是一個完全自治、自適應的網(wǎng)絡。蜂窩組網(wǎng)的概念將被突破，以達到更完美的覆蓋。核心網(wǎng)將全面采用分組交換(信元交換)，使得網(wǎng)絡根據(jù)用戶的需要分配帶寬，以滿足系統(tǒng)變化和發(fā)展的要求。,上一頁,返回,5.2 4G的網(wǎng)絡架構(gòu),5. 2. 1 4G的網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu) 在第四代移動通信系統(tǒng)中，為了滿足不同用戶對不同業(yè)務的需求，將針對各種不同業(yè)務的接入系統(tǒng)通過多媒體接入系統(tǒng)連接到基于IP的核心網(wǎng)中，形成一個公共的、靈活的、可擴展的平臺，網(wǎng)絡的連接如圖5-1所示。 從圖5-1中可看出基于IP技術(shù)的網(wǎng)絡架構(gòu)使得用戶在2G, 3G, 4G,WLAN,固定網(wǎng)之間無縫漫游可以實現(xiàn)。我們可將系統(tǒng)網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)分為三層，如圖5-2所示。,下一頁,返回,5.2 4G的網(wǎng)絡架構(gòu),從圖5-2可看出，第四代移動通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)可以由下而上分為:物理層、網(wǎng)絡業(yè)務執(zhí)行技術(shù)層、應用層等3層。物理層提供接入和選路功能，網(wǎng)絡業(yè)務執(zhí)行技術(shù)層作為橋接層提供QOS映射、地址轉(zhuǎn)換、即插即用、安全管理、有源網(wǎng)絡。物理層與網(wǎng)絡業(yè)務執(zhí)行技術(shù)層提供開放式IP接口應用層與網(wǎng)絡業(yè)務執(zhí)行技術(shù)層之間也是開放式接口，用于第三方開發(fā)和提供新業(yè)務。,下一頁,返回,5.2 4G的網(wǎng)絡架構(gòu),結(jié)合移動通信市場發(fā)展和用戶需求，4G移動網(wǎng)絡的根本任務是能夠接收、獲取到終端的呼叫，在多個運行網(wǎng)絡(平臺)之間或者多個無線接口之間，建立起最有效的通信路徑，并對其進行實時的定位和跟蹤。在移動通信過程中，移動網(wǎng)絡還要保持良好的無縫連接能力，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)母哔|(zhì)量、高速率。4G移動網(wǎng)絡將基于多層蜂窩結(jié)構(gòu)，通過多個無線接口，由多個業(yè)務提供者和眾多網(wǎng)絡運營者提供多媒體業(yè)務。,上一頁,下一頁,返回,5.2 4G的網(wǎng)絡架構(gòu),同時，隨著技術(shù)的發(fā)展和市場的需求，將加快并實現(xiàn)目前的計算機網(wǎng)、電信網(wǎng)、廣播電視網(wǎng)和衛(wèi)星通信網(wǎng)等網(wǎng)絡融為一體，寬帶IP技術(shù)和光網(wǎng)絡將成為多網(wǎng)融合的支撐和結(jié)合點。數(shù)字化數(shù)據(jù)交易點是4G移動網(wǎng)絡的一個重要技術(shù)。它用于預處理各個不同網(wǎng)絡平臺之間的呼叫。在網(wǎng)絡平臺之間的特定協(xié)議條件下，幫助業(yè)務供應者提供高質(zhì)量、低費用的業(yè)務應用。例如，兩個網(wǎng)絡平臺之間傳送電視數(shù)據(jù)信息，首先經(jīng)由數(shù)字化數(shù)據(jù)交易所處理。在數(shù)字化數(shù)據(jù)交易所里，這個電視數(shù)據(jù)信息將被分離成視頻信號和音頻信號，經(jīng)由不同信道傳送。音頻信號將由覆蓋廣泛的網(wǎng)絡傳送，視頻信號將由只能處理、接收視頻信號的網(wǎng)絡傳送，從而達到降低通信成本和有效利用傳輸信道的目的。未來的全球互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)和骨干網(wǎng)系統(tǒng)，將以結(jié)合寬帶IP技術(shù)和光纖網(wǎng)技術(shù)為主。,上一頁,下一頁,返回,5.2 4G的網(wǎng)絡架構(gòu),5. 2. 2 4G移動通信的接入系統(tǒng) 4G移動通信接入系統(tǒng)的顯著特點是，智能化多模式終端基于公共平臺，通過各種接入技術(shù)，在各種網(wǎng)絡系統(tǒng)(平臺)之間實現(xiàn)無縫連接和協(xié)作。在4G移動通信中，各種專門的接入系統(tǒng)都基于一個公共平臺，相互協(xié)作，以最優(yōu)化的方式工作，來滿足不同用戶的通信需求。當多模式終端接入系統(tǒng)時，網(wǎng)絡會自適應分配頻帶，給出最優(yōu)化路由，以達到最佳通信效果。目前，4G移動通信的主要接入技術(shù)有:無線蜂窩移動通信系統(tǒng)(例如2G, 3G)、無繩系統(tǒng)(如DECT)、短距離連接系統(tǒng)(如藍牙)、W LAN系統(tǒng)、固定無線接入系統(tǒng)、衛(wèi)星系統(tǒng)、平流層通信(STS)、廣播電視接入系統(tǒng)(如DAB , DVB-T , CATV )。隨著技術(shù)發(fā)展和市場需求變化，新的接入技術(shù)將不斷出現(xiàn)。,上一頁,下一頁,返回,5.2 4G的網(wǎng)絡架構(gòu),網(wǎng)絡接入系統(tǒng)在整個移動網(wǎng)絡中處于十分重要的位置。未來的接入系統(tǒng)將主要在以下三個方面進行技術(shù)革新和突破: 為最大限度開發(fā)利用有限的頻率資源，在接入系統(tǒng)的物理層，優(yōu)化調(diào)制、信道編碼和信號傳輸技術(shù)，提高信號處理算法、信號檢測和數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)，并在頻譜共享和新型大線方面做進一步研究。 為提高網(wǎng)絡性能，在接入系統(tǒng)的高層協(xié)議方面，研究網(wǎng)絡自我優(yōu)化和自動重構(gòu)技術(shù)，動態(tài)頻譜分配和資源分配技術(shù)，網(wǎng)絡管理和不同接入系統(tǒng)間協(xié)作。 提高和擴展IP技術(shù)在移動網(wǎng)絡中的應用;加強軟件無線電技術(shù);優(yōu)化無線電傳輸技術(shù)，如支持實時和非實時業(yè)務、無縫連接和網(wǎng)絡安全。,上一頁,下一頁,返回,5.2 4G的網(wǎng)絡架構(gòu),5. 2. 3 4G移動通信的軟件系統(tǒng) 4G移動通信的軟件系統(tǒng)趨于標準化、復雜化、智能化。軟件系統(tǒng)的首要任務是，創(chuàng)建一個公共的軟件平臺，使不同通信系統(tǒng)和終端的應用軟件，通過此平臺“互聯(lián)互通”;并且，通過此軟件平臺，實現(xiàn)對不同通信系統(tǒng)和終端的管理和監(jiān)控。因此，建立一個統(tǒng)一的軟件標準和互聯(lián)協(xié)議，是4G移動通信軟件系統(tǒng)的關(guān)鍵。軟件系統(tǒng)將逐步采用Web服務模式，以代替現(xiàn)行的客戶/服務器模式。新的計算機語言如XML，將用于未來的這種基于 Web的分布式服務。另一方面，軟件系統(tǒng)還將在網(wǎng)絡安全上做進一步研究，以保障通信網(wǎng)絡的正常工作、數(shù)據(jù)完整和其他特殊需要。,上一頁,返回,5.3 4G的關(guān)鍵技術(shù),5. 3. 1 OFDM調(diào)制技術(shù) 在高頻段高速移動傳輸會產(chǎn)生嚴重的頻率選擇性衰落，實現(xiàn)調(diào)制/解調(diào)的魯棒性可以克服這種頻率選擇性衰落，并且新的調(diào)制技術(shù)如多載波正交頻分復用調(diào)制技術(shù)以及單載波帶自適應均衡技術(shù)都將提供很高的頻譜效率。若從技術(shù)層面來看，第三代移動通信系統(tǒng)主要是以CDMA為核心技術(shù)，而第四代移動通信系統(tǒng)技術(shù)則以OFDM最受矚目。,下一頁,返回,5.3 4G的關(guān)鍵技術(shù),OFDM是一種多載波調(diào)制技術(shù)。其核心是將信道分成若干個正交子信道，在每個子信道上進行窄帶調(diào)制和傳輸，這樣減少了子信道之間的相互干擾。每個子信道上的信號帶寬小于信道的相關(guān)帶寬，因此每個子信道上的頻率選擇性衰落是平坦的，大大消除了符號間干擾。另外，由于在OFDM系統(tǒng)中各個子信道的載波相互正交，于是它們的頻譜是相互重疊的，這樣不但減小了子載波間的相互干擾，同時又提高了頻譜利用率。在各個子信道中的這種正交調(diào)制和解調(diào)可以采用一對傅立葉變換(IFFT和FFT)方法來實現(xiàn)如圖5-3所示。,上一頁,下一頁,返回,5.3 4G的關(guān)鍵技術(shù),5. 3. 2 軟件無線電 在4G移動通信系統(tǒng)中，移動終端將會變得非常繁雜。為此，專家們提議引入軟件無線電技術(shù)，實現(xiàn)移動終端的多?；Ｋ^軟件無線電技術(shù)就是采用數(shù)字信號處理技術(shù)，在可編程控制的通用硬件平臺上，利用軟件來實現(xiàn)無線電臺的各部分功能，包括前端接收、中頻處理以及信號的基帶處理等。即整個無線電臺從高頻、中頻、基帶直到控制協(xié)議部分全部由軟件編程來實現(xiàn)。其核心技術(shù)就是盡可能接近天線的地方使用A/ D和D/A轉(zhuǎn)換器，盡早完成信號的數(shù)字化。因此，應用軟件無線電技術(shù)，一個移動終端，就可以實現(xiàn)在不同系統(tǒng)和平臺之間，暢通無阻的使用。目前比較成熟的軟件無線電技術(shù)有參數(shù)控制軟件無線電系統(tǒng)。,上一頁,下一頁,返回,5.3 4G的關(guān)鍵技術(shù),5. 3. 3 網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)與協(xié)議 4G系統(tǒng)網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)包括了適用于IP分組傳輸?shù)目罩薪涌凇⑽恢眉拇?、基站網(wǎng)絡配置、無線QOS控制、網(wǎng)絡配置和集成式3 G-WLAN無縫業(yè)務控制等功能模塊。為了解決城區(qū)密集業(yè)務，頻率復用是關(guān)鍵，而且用微蜂窩實現(xiàn)無縫覆蓋要比熱點覆蓋策略好，因為前者可以避免地理位置上的業(yè)務集中。,上一頁,下一頁,返回,5.3 4G的關(guān)鍵技術(shù),在處理多媒體業(yè)務時，智能無線資源管理是關(guān)鍵技術(shù)，無線系統(tǒng)資源(頻率和發(fā)射功率)是有限的且易受阻塞的困擾，因此，有必要采用無線QOS資源控制，以保證業(yè)務質(zhì)量和支持各種級別的應用。由4G系統(tǒng)支持的應用業(yè)務將依據(jù)業(yè)務的特點進行分類(如分為實時和非實時)，無線QOS資源控制方式要既能支持實時性應用，也能支持非實時性應用。無線資源管理者首先檢查可用資源、前/后向鏈路質(zhì)量、應用類別以及QOS業(yè)務用戶級別，然后再指配適當?shù)那?后向鏈路速率和發(fā)射功率。4G系統(tǒng)中基于IP技術(shù)的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)可以處理IP包，方便提供全向功能，關(guān)鍵是選路/切換和鑒權(quán)策略。,上一頁,下一頁,返回,5.3 4G的關(guān)鍵技術(shù),5. 3. 4 定位技術(shù) 定位是指移動終端位置的測量方法和計算方法。它主要分為基于移動終端定位、基于移動網(wǎng)絡定位以及混合定位三種方式。在4G移動通信系統(tǒng)中，移動終端可能在不同系統(tǒng)(平臺)間進行移動通信。因此，對移動終端的定位和跟蹤，是實現(xiàn)移動終端在不同系統(tǒng)(平臺)間無縫連接和系統(tǒng)中高速率和高質(zhì)量的移動通信的前提和保障。,上一頁,下一頁,返回,5.3 4G的關(guān)鍵技術(shù),5.3.5 切換技術(shù) 切換技術(shù)適用于移動終端在不同移動小區(qū)之間、不同頻率之間通信或者信號降低信道選擇等情況。切換技術(shù)是未來移動終端在眾多通信系統(tǒng)、移動小區(qū)之間建立可靠移動通信的基礎和重要技術(shù)。它主要有軟切換和硬切換。在4G通信系統(tǒng)中，切換技術(shù)的適用范圍更為廣泛，并朝著軟切換和硬切換相結(jié)合的方向發(fā)展。,上一頁,下一頁,返回,5.3 4G的關(guān)鍵技術(shù),5. 3. 6 MIMO技術(shù) MIMO ( Multiple-Input Multiple-Out-put)技術(shù)最早是由Marconi于1908年提出的，它充分開發(fā)空間資源利用，利用多個天線實現(xiàn)多發(fā)多收，在不需要增加頻譜資源和天線發(fā)送功率的情況下，可以成倍地提高信道容量。如圖5-4所示。傳輸信息流S (k)經(jīng)過空時編碼形成N個信息子流Ci (k)，i=1,，N。這N個子流由N個天線發(fā)射出去，經(jīng)空間信道后由M個接收天線接收。多天線接收機利用先進的空時編碼