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移动通信技术演进综述

（华中科技大学 电子与信息工程系 通信1002班 丁秋林 u201013043 ）

【摘要】本文介绍了移动通信的发展概况，对3G与4G进行了比较，分析了第三代移动通信系统(3G)向第四代移动通信系统(4G)演化的原因和主要体现方面，并详细介绍了第四代移动通信系统（4G）向第五代移动通信系统（5G）演进中主要要完成的技术突破。论述了5G的概念和新技术，同时对5G的发展趋势进行了简单的的分析。
【关键词】3G；4G；5G;移动通信；
一．引言
随着移动用户的增多，以及人们对移动通信业务的追求已从单纯的语音业务扩展到多媒体业务，因此，移动通信技术变得越来越重要，为了满足人们不断增加的需求，这使得人们努力改进和发展一些新的技术。现在移动通信技术的热点是3G、4G和5G技术。4G不仅是对3G的困难和局限的突破和演进，而且增强了服务质量、增加了带宽和降低了成本，而5G是一种完美的无线通信系统。

二．基本术语
1. 第三代移动通信系统（3G）：
第三代移动通信系统（3rd Generation Mobile System，3G），最早由国际电信联盟（International Telecommunication union，ITU）于1985年提出的。1996年，ITU将其更名为全球移动通信系统（International Mobile Telecommunication，IMT-2000）,后缀指其工作在2000MHZ频段，且预计于2000年商用。
2．第四代移动通信系统（4G）：
4G是第四代移动通信及其技术的简称，是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的概念可称为广带(Broad-band)接入和分布网络．具有超过2Mbps的非对称数据传输能力。对全速移动用户能提供150Mbps的高质量的影像服务，并首次实现三维图像的高质量传输，无线用户之间可以进行三维虚拟现实通信。它包括广带无线固定接人、W-LAN、移动广带系统和互操作的广播网络。在不同的固定无线平台和跨越不同频带的网络中，4G可提供无线服务，并在任何地方宽带接入互联网(包括卫星通信和平流层通信)，提供信息通信以外的定位定时、数据采集、远程控制等综合功能。同时，4G系统还是多功能集成的宽带移动通信系统，是宽带接入IP系统。

三．3G向4G的演进
1.3G向4G演化的原因
经ITU认可的3G标准有WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA。虽然3G和2G相比，有很多优点，但是3G还是存在着很多不尽人意的地方，如：3G缺乏全球统的标准；3G所采用的语音交换架构仍承袭了2G系统的电路交换，而不是纯IP的方式；3G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的高速数据传输不成熟，接入速率有限；安全方面存在算法过多、认证协议容易被攻击等安全缺陷。
伴随着无线技术的种类越来越多，迫切需要将这些无线技术整合到一个统一的网络环境中去，这就是正在形成的超三代移动通信系统(B3G)通信系统和未来的4G通信系统。B3G和4G通信系统将是未来提供宽带接入，全球无缝漫游和无处不在的数据，语音业务等方面的最合适和最好的技术。
2．3G与4G的比较
（1）核心技术：
3G系统以码分多址(CDMA)为技术基础。码分多址是将相互正交的不同的码分配给不同用户调制信号，实现多用户同时使用同一频率接入系统。由于利用相互正交(或尽可能正交)的码去调制信号，会将原用户信号频谱带宽扩展，因此CDMA通信系统足一种典型的扩频通信技术的应用。
4G系统的核心技术正交频分复用技术(OFDM)属于多载波调制(MCM)，它将指配的信道分成许多正交子信道，在每个子信道上进行窄带调制和传输，间时要求信号带宽小于信道的相关带宽。
（2）通信系统的结构
3G采用的主要是蜂窝组网，它的核心网是在GSM系统的核心网GSM-MAP和AMPS，IS-95的核心网ANSI-41的基础发展而来的，其空中接口与相应的2G系统后向兼容。它的3种工作模式为：单载波频分双工、多载波频分双工和时分双工方式。
4G发展为数字广带(broad band)为基础的网络。4G系统的核心网是一个基于全IP的网络，因此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共存。
3. 3G向4G演化的路径
3G向4G的演进路径主要有3条：
一是WCDMA和TD-SCDMA，均从HSPA演进至HSPA+，进而到LTE。全世界大多数电信运营商，以及爱立信、诺基亚西门子、华为等主要电信设备生产商均坚定支持这一路线。
二是CDMA2000沿着EV-DO Rev.0/Rev.A/Rev.B，最终到UMB。近年来，全球CDMA投资趋于萎缩，主要的CDMA运营商美国Verizon+Alltel、Sprint、中国电信、日本KDDI、韩国SK电讯等均已明确表示将选择LTE建设后3G网络；世界最大的CDMA设备商阿尔卡特朗讯和北电网络均已裁减了CDMA部门，且UMB技术至今没有一家运营商宣布采用或测试，因此产业链主要只有高通一家。（现高通已宣布放弃）
三是802.16m的WiMAX路线。以英特尔、三星电子、阿尔卡特朗讯、奥维通等为代表的WiMAX厂商，和一些新兴运营商仍然在这一路线坚持探索。

四．5G技术的发展
1. 5G的提出
仅管4G相对于3G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），但是4G高速移动时网络速度问题等方面还存在问题,有待研究解决。
在4G问题的基础上,人们开始考虑5G来解决。如美国纽约理工大学的科学家们近日正投入5G网络的研发,希望在2020年能够投人使用。在针对4G网络速度问题方面,科研人员将利用频谱技术研发比4G快1000倍的网络,将来利用5G网络处理的信息量将提升50-100倍。近来报道韩国成功研发的第五代移动通信技术,手机利用该技术无线下载速度可以达到3.6G/s。这一新的通信技术名为Nomadic Local Area Wireless Aeeess,简称NoLA。NoLA可作为铺设5G网络的基础技术,使用NoLA技术下载一部DVD格式标准电影只需要几秒时间。目前世界上最快的无线通讯技术是由三星公司研发的,使用三星的这一技术可实现每秒1G的下载速度。韩国电子通信研究院代表称,他们投入1960万美元开始研发这一技术,通过同三星、LG等大公司的合作成功研发NoLA技术。
2． 第五代移动通信特点
第五代移动通信会满足高移动性、无缝漫游和无缝覆盖(实现系统间如HAPS、HDR与ITS之间的切换,可以达到真正的无缝覆盖)。从原理上讲,实现宽带高速数据率和高移动性是比较困难的。还有系统性能(如小区的大小、传输数据率等)很大部分要都要取决于频带。考虑到这些因素,第五代移动通信系统将会包括很多个不同的系统,其中将会有专门为提供高速数据率的业务系统,也会研究出专门解决覆盖和移动性问题的其他系统。把几个系统集成在另一个系统内,就可能同时提供高速数据和移动性业务。作为未来系统之间的无缝漫游乃是一个极为重要的概念。这里的无缝漫游将兼有高速数据、高速移动性和宽带固定接续等。
5G技术包括几乎所有以前几代移动通信的先进功能。用户可以把5G技术用于手机和其他移动通信设备上网,就好像笔记本电脑宽带上网一样。通过5G技术,相机拍照、MP3录音、视频播放器、手机内存、拨号速度、音频播放器的高质量更好。5G网络中使用的路由器和交换机技术将会提供高连通性。5G技术分发网络连接建筑物内的节点,可以部署各种有线或无线网络连接。它将会拥有一个全球统一的标准,用户可以同时连接到多个无线接人技术之间,实现无缝地移动。5G网络将是以用户为中心的网络。对用户的服务质量将会成为其考虑的一个重方向,用户能同时连接多个无线接入技术并可以在它们之间切换。
3． 5G中可能涉及的核心技术
在第四代移动通信还没有在全球全面展开的时候,已经有不少国家和组织已经开始了对第五代移动通信系统的研究。5G接人和服务区域没有限制,其传输速率不会有太大的提高。但是5G被认为是一种更加完美的无线通信,它将成为真正的无线世界。5G会有重大的突破,有更多的业务和更多的智能技术被应用。5G中可能涉及的核心技术有认知无线电技术和高空平流层平台站系统技术等。
（1）认知无线电技术
认知无线电(Cognitive Radio,CR)是一种新型无线电,它能够在宽频带上可靠地感知频谱环境,探测合法的授权用户的出现,能自适应地占用即时可用的本地频谱,同时在整个通信过程中不给用户带来有害干扰。认知无线电具备频率感知、频谱分析和频谱判决选择的认知功能。CR设备对周围环境感知、探测、分析。这种探测和感知是全方位的,对地形、气象等综合信息也有所了解。
CR是智能设备,应包含一个智能收发器。有了足够的人工智能,它就能吸取过去的经验对实际情况响应,过去的经验包括对死区、干扰和使用模式等的了解。认知无线电又被称为智能无线电,它以灵活、智能、可重配置为显著特征,通过感知外界环境,并使用人工智能技术从环境中学习,有目的地实时改变某些操作参数比如传输功率、载波频率和调制技术等),使其内部状态适应接收到的无线信号的统计变化,从而实现任何时间、任何地点的高可靠通信以及对异构网络环境有限的无线频谱资源进行高效地利用。有效的发现未使用的频谱和自适应调整传输方案和共享频率。它适用于未来移动通信所要求的非常高的频带。估计5G能达到千兆位,有效的解决了频谱资源馈乏的问题。
（2）高空平流层平台站系统技术
高空平流层平台(High Altitude Platform stations,HAPS)系统,为陆地无线通信和卫星通信之后的第三个通信系统。平台站建在离开地面20Km的同温层,若干个HAPS通过光互联链路可以在空中组成网状网。宽带接人链路为平台站与用户站之间的链路,接入频率拟采用毫米波。可提供超视距、大容量、机动灵活的通信服务。信道损耗方面,HAPS距离地面的距离相当于同步卫星的1/1800;和蜂窝通信的信道损耗比较,HAPS到地面通常可以近似为自由空间,损耗约为20dB/10倍里程,蜂窝通信信道损耗能达50dB/10倍里程,所以HAPS的信道损耗只有蜂窝通信的2/5。低损耗对获得高的通信容量以及终端设备的小型化很有利。延时部分来说,HAPS大约为0.5ms左右,比同步卫星的27Oms小的多,足以能够满足语音通信要求;覆盖范围方面,一个HAPS的通信距离能达到l000Km,几乎能覆盖整个城市,比蜂窝通信距离大约提高了20倍。成本方面,一个HAPS的造价约为通信卫星的l/10,并且每个平台可以独立运行,不像中低轨卫星需要数十颗卫星组成星座才可以工作。而且建设以及发射周期都很短,空中滞留工作时间很长。HAPS可以支持各种用户终端:固定终端、便携终端、移动终端。改善接人平台的HAPS技术很有可能在第五代无线通信中能够被广泛应用。

【参考文献】：
1.廖晓滨,赵熙.第三代移动通信网络系统技术、应用及演进[M]. 北京：人民邮电出版社,2008.18
2.第五代移动通信技术的简称[EB/OL].(2012-10-10)
3.董利、陈金鹰.第五代移动通信初探.