3G和4G的技术比较

《多媒体通信》

课程论文

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摘要    1

前言    1

第1章 3G    1

1.2  3G的技术标准    1

1.3  3G向4G演化的原因    2

第2章 4G    3

2.1  4G移动通信系统的概念    3

2.2  4G的特征    3

2.3  4G的关键技术指标    4

第3章 3G与4G的比较    4

3.1  系统参数的比较    4

3.2  通信格局的变化    5

3.3  核心技术的不同    6

3.4  4G中的新技术    6

结束语    7

参考文献    7

3G和4G的技术比较

摘要：在移动通信领域，每20年就发生一次性的变化。移动通信技术从第一代演进到现今的第三代，以及处于实验阶段的移动通信的发展大致经历三个发展阶段。移动通信已然成为当代通信领域发展潜力最大、市场前景最广的热点技术。本文首先讨论了3G以及3G中的三大技术主流制式，并在3G到4G的演进进程做出简要的比较分析。

移动通信系统(4G) 是多种无线技术的综合系统, 它融合了现有第三代移动系统(3G) 的增强型技术, 集3G网络技术和无线LAN系统为一体。在4G的叙述中，首先简述了4G的特点，分析讨论了4G 通信系统的技术目标及关键技术的发展现状，然后对4G 和3G的体系结构、系统参数、关键技术、移动性管理和安全策略等进行了比较研究,对4G的研究和建设具有一定的参考价值。

关键词：3G；4G；关键技术；比较

前言

从20世纪80年代中期第一代模拟移动通信系统商用开始至今,短短的十几年间经历了90年代初第二代数字移动通信系统(2G)从萌芽到完善的整个发展过程,直至今天人们对第三代移动通信系统(3G)的商用开发,足以证明移动通信的发展速度势不可挡。3G的出现使移动通信前进了一大步,相对于2G,它能够提供更大的容量、更佳的通信质量并且支持多媒体应用。但是3G系统尚有很多需要改进的地方,例如: （1）缺乏全球统一标准;（2）所采用的语音交换架构仍承袭了第二代(2G)的电路交换,而不是纯IP方式; （3）流媒体(视频)的应用不尽人意; （4）数据传输率也只接近于普通拨号接入的水平,更赶不上xDSL等。3G面临的致命缺点就是移动无线接入网络的空中接口标准不统一。所以, 制定一个针对IP多媒体业务的4G移动通信系统,提出相关新的理论,应用新的技术,已被许多国家提上议事日程[1]。相对于3G而言, 移动通信系统(4G)在技术和应用上将有质的飞跃,而不仅仅是在第三代移动通信的基础上再加上某些新的改进技术。

第1章3G

1.13G移动通信系统的概念

3G(3rd Generation)指第三代移动通信技术，与前两代系统相比，第三代移动通信系统的主要特征是可提供丰富多彩的移动多媒体业务，其传输速率在高速移动环境中支持144kb/s，步行慢速移动环境中支持384kb/s，静止状态下支持2Mb/s。其设计目标是为了提供比第二代系统更大的系统容量、更好的通信质量，而且要能在全球范围内更好地实现无缝漫游及为用户提供包括话音、数据及多媒体等在内的多种业务，同时也要考虑与已有第二代系统的良好兼容性。目前国际电联接受的3G标准主要有以下三种：WCDMA、CDMA2000与TD-SCDMA。

1.23G的技术标准

1.2.1MC-CDMA（CDMA2000）

MC-CDMA（CDMA2000）由美国提出，是由IS-95系统演进而来的，并向下兼容IS-95系统。IS-95系统是世界上最早的CDMA移动系统，已经在世界范围内进行了10多年的实验和运营，现已被证明是十分稳定。MC-CDMA（CDMA2000）系统继承了IS-95系统在组网、系统优化方面的经验，并进一步对业务速率进行了扩展，同时通过引入一些先进的无线技术，进一步提升系统容量。在核心网络方面，它继续使用IS-95系统的核心网作为其电路域来处理电路型业务，如语音业务和电路型数据业务，同时在系统中增加分组设备（PDSN和PCF）来处理分组数据业务。因此在建设MC-CDMA（CDMA2000）系统时，原有的IS-95的网络设备可以继续使用，只要新增加分组设备即可。在基站方面，由于IS-95与1X的兼容性，可以作到仅更新信道板并将系统升级为CDMA2000-1X基站。在我国，联通公司在其CDMA网络建设中就采用了这种升级方案。 

1.2.2 DS-CDMA（WCDMA）

DS-CDMA（WCDMA）由日本和欧洲提出，随着标准化工作的展开，在此系统中逐渐引入了连续导引信号，使得终端系统得到简化。现在DS-CDMA（WCDMA）将连续导引信道和不连续导引信号的方式都保留在标准中，具体使用哪种方式可以由厂家自行决定。从事DS-CDMA（WCDMA）标准研究和设备开发的厂商很多，其中包括诺基亚、摩托罗拉、西门子、NEC、阿尔卡特等等，因此造成的投资比较分散，技术问题没有得到集中解决，这又给未来移动通信系统互联互通造成较多问题。

DS-CDMA（WCDMA）系统每个载波占用5MHz带宽，每个运营商在布置系统时仅能使用2-3个载波，因此CDMA在初始设计时，即考虑在同一个载波内支持其中的一个子集，这就进一步增加了互联互通的难度和复杂程度。还有就是DS-CDMA（WCDMA）的主要运营商将会出自现在的GSM运营商，对于GSM运营商来说，理想的演进方式是GSM-GPRS-WCDMA，即首先通过GPRS建立全新的分组域核心网络，再引入WCDMA提高速率，但是由于GPRS在近期的实验结果不很好，因此对WCDMA的推广会产生一定影响。同时由于WCDMA在开发中问题较多，使得WCDMA的商用计划一再推迟，所有这些问题使WCDMA已不像前两年那样被广泛看好。如果WCDMA不能尽快进入运营阶段，也不能排除GSM运营商直接采用HDR无线技术提供分组数据业务，并过渡到全面使用CDMA2000技术的可能。

1.2.3 TD-SCDMA

TD-SCDMA是由我国在SCDMA技术上提出的一种TDD技术方案，并希望能够用于支持从微微蜂窝到宏蜂窝的各种应用环境。在TD-SCDMA中，使用了大量的先进技术，如智能天线技术和联合检测技术等。同其它技术相比，TD-SCDMA技术有两大优势，其一，它采用智能天线和低码速率，频谱利用率高，能够解决高人口密度地区频率资源紧张的问题，并在互联网浏览等非对成移动数据和视频点播等多媒体业务方面优势突出。TD-SCDMA的基站天线是一个智能化的天线阵，能够自动确定并跟踪手机的方位，发射波束始终对准手机方向，这样可以降低基站的发射功率，从而降低运营成本；其二，TD-SCDMA技术采用软件无线电技术，可使运营商在增加业务时，能在同一硬件平台上利用软件处理基站信号，也就是只要加载不同的软件就可以实现不同的业务。

1.3 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缺乏全球统一的标准；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、认证协议容易被攻山-等安全缺陷Ⅲ。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人，全球无缝漫游和无处不在的数据，语音业务等方嚼的最合适和最好的技术圆[2]。

第2章4G

2.1 4G移动通信系统的概念

4G也称为Beyond3G(B3G) ,是多种无线技术的综合系统。它融合了现有3G的增强型技术,集3G网络技术和无线LAN系统为一体。4G包含很多目前正在使用以及今后即将使用的无线技术。这里所说的无线技术不仅指利用新频带和新技术的新一代移动通信,还包括现行的移动通信(2G及3G) ,IEEE802.11等无线LAN以及蓝牙等近距离通信技术,此外还把数字广播电视纳入视野。4G除了继续依赖3G标准组织已发展的多项新技术和标准（如OFDM、MIMO、IP核心网、开发业务架构及IPv6等）并加以延伸外，其规划还必须满足整体系统架构能够由3G平滑演进到4G的要求。

2.2 4G的特征

(1)通信速度更快:4G通信的特征莫过于它具有更快的无线通信速度,可以达到10M～20Mbps,最高可以达到100Mbps。

(2)网络频谱更宽:要想使4G通信达到100Mbps的传输速度,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W- CDMA3G网络的20倍。

(3)兼容性能更平滑:4G通信系统具备全球漫游、接口开放、能跟多种网络互联、终端多样化以及能从2G平稳过渡等特点。

(4)能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,大量信息透过宽频的信道传送出去,为此4G也称为“多媒体移动通信”。

(5)通信费用更加便宜:4G通信系统不仅能解决与3G的兼容性问题,让更多的现有通信用户能轻易升级到4G通信,同时,4G还引入了许多尖端通信技术,实现起来要容易迅速得多。在建设4G通信网络系统时,通信运营商们考虑直接在3G通信网络的基础设施之上,采用逐步引入的方法,有效地降低运营成本[3]。

2.3 4G的关键技术指标

2.3.1 OFDM(正交频分复用)

OFDM技术实际上是MCM(Multi-Carrier Modulation，多载波调制)的一种。其主要思想是：将信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制在每个子信道上进行传输。正交信号可以通过在接收端采用相关技术来分开，这样可以减少子信道之间的相互干扰(ICI)。每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，因此每个子信道上的可以看成平坦性衰落，从而可以消除符号间干扰。而且由于每个子信道的带宽仅仅是原信道带宽的一小部分，信道均衡变得相对容易。

OFDM技术之所以越来越受关注，是因为OFDM有很多独特的优点：（1）频谱利用率很高，频谱效率比串行系统高近一倍；（2）抗衰落能力强；（3）适合高速数据传输；（4）抗码间干扰（ISI）能力强。OFDM也有其缺点，例如：对频偏和相位噪声比较敏感。功率峰值与均值比（PAPR）大，导致射频放大器的功率效率较低。负载算法和自适应调制技术会增加系统复杂度。

2.3.2 软件无线电

所谓软件无线电（Software Defined Radio,简称SDR），就是采用数字信号处理技术，在可编程控制的通用硬件平台上，利用软件来定义实现无线电台的各部分功能：包括前端接收、中频处理以及信号的基带处理等。即整个无线电台从高频、中频、基带直到控制协议部分全部由软件编程来完成。

其核心思想是在尽可能靠近天线的地方使用宽带的"数字/模拟"转换器，尽早地完成信号的数字化，从而使得无线电台的功能尽可能地用软件来定义和实现。总之，软件无线电是一种基于数字信号处理(DSP)芯片，以软件为核心的崭新的无线通信体系结构。

软件无线电有以下一些特点：灵活性；集中性；模块化。

2.3.3 智能天线

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。多波束天线在一个扇区中使用多个固定波束，而在自适应阵列中，多个天线的接收信号被加权并且合成在一起使信噪比达到最大。与固定波束天线相比，天线阵列的优点是除了提供高的天线增益外，还能提供相应倍数的分集增益。但是它们要求每个天线有一个接收机，还能提供相应倍数的分集增益。

智能天线具有抑制信号干扰、自动跟踪以及数字波束调节等智能功能，其基本工作原理是根据信号来波的方向自适应地调整方向图，跟踪强信号，减少或抵消干扰信号。智能天线可以提高信噪比，提升系统通信质量，缓解无线通信日益发展与频谱资源不足的矛盾，降低系统整体造价，因此其势必会成为４Ｇ系统的关键技术。智能天线的核心是智能的算法，而算法决定电路实现的复杂程度和瞬时响应速率，因此需要选择较好算法实现波束的智能控制。

2.3.4 IPv6

4G通信系统选择了采用基于ＩＰ的全分组的方式传送数据流，因此IPv6技术将成为下一代网络的核心协议。选择IPv6协议主要基于以下几点的考虑：（1）巨大的地址空间；（2）自动控制；（3）服务质量（QoS）；（4）移动性。

2.3.5 多输入多输出(MIMO)技术

MIMO(Multiple—Input Multiple—Output)技术是近年来热门的无线通讯技术之一。4G系统采用了MIMO技术，即在基站端放置多个天线，在移动台也放置多个天线，基站和移动台之问形成MIM0通信链路。MIMO技术呵以比较简单地直接应用于传统蜂窝移动通信系统，将基站的单天线换为多个天线构成的天线阵列。而GSM、CI)MAIS一95、3G系统中都没有采用这种技术。现有移动通信系统中，多数基站的天线采用一发两收的结构。对比分析这两种技术，MIMO系统有以下优点：降低了码问下扰(ISU)；提高了空间分集增益；提高无线信道容量和频谱利用率；大幅提高资料的传输速率；提高信道的可靠性，降低误码率。

第3章 3G与4G的比较

3.1 系统参数的比较

见下表一

3.2 通信格局的变化

3G的网络是严格的分层结构,一般包括核心网、接入网和用户设备三部分。核心网负责交换、数据传输及业务提供,分为电路网和分组网两个服务区域。接入网负责移动用户接入到核心网中。3G中可采用不同的接入网与同一核心网相连,即支持多种空中链路协议。用户设备即用于获取服务的移动终端,其通过标准无线接口与接入网相连。它的工作模式为3种：单载波频分双工、多载波频分双工和时分双工方式。

图1  3G移动通信系统

4G将采用单一的全球范围的蜂窝核心网来取代3G中密密麻麻的蜂窝网络,其采用全数字全IP技术。这是从网络内智能化及网络边缘智能化向全网智能化的发展。核心网能够支持不同的接入方式, 如IEEE802. 11a 、WCDMA、Bluetooth 、HyperLAN 等,同时每个用户设备拥有唯一可识别的号码,通过分层结构实现异构系统间的互操作。这种结构使得多种业务能透明地与IP 核心网连接,具有较好的通用性和可扩展性。4G网络结构如图2所示[4]:

图2  4G移动通信系统网络结构图

3.3 核心技术的不同

3G系统主要以CDMA为核心技术。CDMA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通信系统是一种典型的扩频通信技术的应用。

4G系统的核心技术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,同时要求信号带宽小于信道的相关带宽。OFDM与一般的频分复用的主要差别在于它的不同载波的频谱可以相互交叠,因此可以得到最佳的频谱利用率,同时,接收端只要采用正交解调的方法就可以恢复出有用的信息信号。OFDM技术具有良好的抗噪声性能和抗多径干扰的能力,以及频谱利用率高的特点[5]。

3.4 4G中的新技术

4G系统技术有两个基本目标:一是实现无线通信全球覆盖,二是提供无缝的高质量无线业务。为了达到这个目标,需要在下列几个方面做出努力:频谱的高效使用、带宽的动态分配、安全的无线应用、更高的服务质量、高性能的信号调制传输技术。因此、4G系统使用了许多新技术, 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。

超链接技术可以使来自不同网络的信号与动态自适应网络进行无缝连接。它的实现需要无线网络能够与其他无线网络和有线网络进行无缝的操作,并高效使用无线资源等。

特定无线网络是通信和计算机网络领域的研究热点,它又称多跳网络(multi - hopnetwork) 、自组织网络(self2organizednetwork) 、分组无线网络(packet ra2dionetwork)或者MANET网络。与传统的蜂窝网络相比,特定无线网络没有基站,所有节点分布式运行,既有路由器的路由功能,又有向邻居节点发射或转发分组的功能。特定无线网络由于不需要固定的基础设施(如基站) ,可以随时建立或拆除;它不受拓扑结构的影响,具有很强的容错性和鲁棒性,可以广泛地应用于军事行动、灾难救援、快速无线接入等领域。正因为它具有这些特点,所以可以与超链接技术相结合,实现4G系统的无缝网络覆盖和动态自适应功能。

与以前的移动通信系统一样,4G系统也需要更大的带宽,所不同的是它对带宽的使用更加有效,这要靠智能频谱动态分配技术,它包括高效的自适应调制与编码、/ 混合多址接入、兼顾频谱和资源的MAC/ 链路层以及多层资源管理。伴随着以上技术的发展,通信的核心网络也要向动态自适应网络发展,才能适应变化的业务流量和多址接入技术对QoS的要求,而实现自适应系统的最佳方法就是采用软件无线电技术[6]。

结束语

通信技术日新月异，给我们带来不少享受。4G通信技术并没有脱离以前的通信技术，而是以传统通信技术为基础，并利用一些新的通信技术及设备，来不断提高无线通信的网络效率和功能的。随着固定和移动宽带化的发展趋势，通信的主体也将由主要是人与人，扩展到人与物或物与物；随着数据通信与多媒体业务需求的发展，适应移动数据、移动计算及移动多媒体运作需要的移动通信开始兴起。纵观移动通信发展规律和新技术的发展，我们相信，移动通信技术高速率、高质量、大容量的多媒体服务，将使世界更美好!

参 考 文 献

[1] Zhang Ping,Li Li2hua. ResearchonBeyond3GMobile Communica2tions [C]. Proc.of ICCT2003,2003.28-31.

[2] 沈慧．现有通信系统向4G通信系统的演化及展望[J]．中国数据通信，2004(10)．

[3] 吴薇,王晟. 移动通信系统[J]. 电信工程技术与标准化,2002, (6) :42-45.

[4] 徐啸涛,赵宏亮. 浅谈移动通信系统[J]. 移动通信,2003, (3) :22-25.

[5] 杨力波,潘志铂,郑宝玉. 3G与4G的比较研究[J]. 移动通信,2002, (11) :34-37

[6] 张继东,张昀. 4G系统的新技术和特点[J]. 现代电信科技,2003, (2) :32.