4G-LTE通信技术

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4G- LTE通信技术 数据通信与计算机网络

目录

第一章 绪论 ..................................................................................................................................... 1

1.1 引言 ................................................................................................................................... 1 1.2 论文研究背景及意义 ....................................................................................................... 1 1.3 本文主要内容及各章节安排 ........................................................................................... 2 第二章4G网络结构 ........................................................................................................................ 3

2.1 4G网络结构 ...................................................................................................................... 3 2.2 3G和4G网络结构差异 .................................................................................................... 5 第三章4G关键技术 ........................................................................................................................ 7

3.1 OFDM ................................................................. 7 3.2软件无线电 ........................................................... 7 3.3 智能天线技术 ......................................................... 7 3.4 多输入多输出(MIMO)技术 ............................................... 8 3.5 基于IP的核心网 ...................................................... 8 第四章4G优势及应用 .................................................................................................................... 9

4.1 4G通信技术的主要优势 ................................................ 9 4.2 4G的应用 ............................................................ 9 第五章 结束语 ............................................................................................................................... 10 参考文献......................................................................................................................................... 11

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第一章 绪论

1.1 引言

移动通讯技术(简称4G)是集3G与WLAN于一体，4G技术由于连接传输速率大幅提高，从而能引入高质量的视频通信，将广泛地应用于人们生活和经济建设的方方面面。就数据传输速率而言，有了较大提高。4G系统能够以100Mbps的速度下载，比目前的拨号上网快200倍，并能够满足几乎所有用户对于无线服务的要求。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，然后再扩展到整个地区。很明显，4G有着不可比拟的优越性。

1.2 论文研究背景及意义

通信技术的发展都不可能在一夜之间实现，从GSM、GPRS、CDMA到LTE，需要不断演进，而且这些技术可以同时存在。最早的移动通信电话是采用的模拟蜂窝通信技术，这种技术只能提供区域性话音业务，而且通话效果差、保密性能也不好，用户的接听范围也是很有限。随着移动电话迅猛发展，用户增长迅速，传统的通信模式已经不能满足人们通信的需求，在这种情况下就出现了GSM通信技术，该技术用的是窄带TDMA，允许在一个射频(即‘蜂窝’)同时进行8组通话。它是根据欧洲标准而确定的频率范围在900～1800MHz之间的数字移动电话系统，频率为1800MHz的系统也被美国采纳。GSM是1991年开始投入使用的。到1997年底，已经在100多个国家运营，成为欧洲和亚洲实际上的标准。GSM数字网也具有较强的保密性和抗干扰性，音质清晰，通话稳定，并具备容量大，频率资源利用率高，接口开放，功能强大等优点。不过它能提供的数据传输率仅为9.6kbit/s，和很早以前用固定电话拨号上网的速度相当，而当时的internet几乎只提供纯文本的信息。2G一般采用GSM技术。第二代手机除了可提供所谓“全球通”话音业务外，已经可以提供低速的数据业务了，也就是收发短消息之类。虽然从理论上讲，2G手机用户在全球范围都可以进行移动通信，但是由于没有统一的国际标准，各种移动通信系统彼此互不兼容，给手机用户带来诸多不便。

针对GSM通信出现的缺陷，人们在2000年又推出了一种新的通信技术GPRS，该技术是在GSM的基础上的一种过渡技术。GPRS的推出标志着人们在GSM的发展史上迈出了意义最重大的一步，GPRS在移动用户和数据网络之间提供一种连接，给移动用户提供高速无线IP和X.25分组数据接入股务。

在此之后，通信运营商们又将推出EDGE技术，这种通信技术是一种介于现有的第二代

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移动网络与第三代移动网络之间的过渡技术，因此也有人称它为“二代半”技术，它有效提高了GPRS信道编码效率的高速移动数据标准，它允许高达384KbPs的数据传输速率，可以充分满足未来无线多媒体应用的带宽需求。EDGE提供了一个从GPRS到第三代移动通信的过渡性方案，从而使现有的网络运营商可以最大限度地利用现有的无线网络设备，在第三代移动网络商业化之前提前为用户提供个人多媒体通信业务。

在新兴通信技术的不断推动之下，象征着3G通信的标志技术WCDMA也将成为未来通信技术的主流。该技术能为用户带来了最高2Mbit/s的数据传输速率，在这样的条件下，现在计算机中应用的任何媒体都能通过无线网络轻松的传递。WCDMA通过有效的利用宽频带，不仅能顺畅的处理声音、图象数据、与互联网快速连接;此外WCDMA和MPEG-4技术结合起来还可以处理真实的动态图象。人们之间沟通的瓶颈将由现在的网络传输速率转变为各种新型应用的提供：如何让无线网络更好的为人们服务而不是给人们带来骚扰，如何让每个人都能从信息的海洋中快速的得到自己需要的信息，如何能够方便的携带、使用各种终端设备，各种终端设备之间如何更好的自动协同工作等等。在上述通信技术的基础之上，无线通信技术最终将迈向4G通信技术时代。

从融和的角度看，4G意味着更多的参与方，更多技术、行业、应用的融合，不再局限于电信行业，还可以应用于金融、医疗、教育、交通等行业；通信终端能做更多的事情，例如除语音通信之外的多媒体通信、远端控制等；或许局域网、互联网、电信网、广播网、卫星网等能够融为一体组成一个通播网，无论使用什么终端，都可以享受高品质的信息服务，向宽带无线化和无线宽带化演进，使4G渗透到生活的方方面面。

从用户需求的角度看，4G能为用户提供更快的速度并满足用户更多的需求。移动通信之所以从模拟到数字、从2G到4G以及将来的nG演进，最根本的推动力是用户需求由无线语音服务向无线多媒体服务转变，从而激发营运商为了提高ARPU、开拓新的频段支持用户数量的持续增长、更有效的频谱利用率以及更低的营运成本，不得不进行变革转型。

1.3 本文主要内容及各章节安排

本文主要介绍4G通信技术，主要内容为： 第一章介绍了4G通信技术的发展背景和意义，简单回顾了移动通信技术的发展过程。 第二章从网络结构方面介绍4G技术，4G网络结构可分为三层:物理网络层、中间环境层、应用网络层。文章中对4G网络架构以及各个网络结构进行介绍分析，并结合3G网络结构分析4G的优势。 第三章主要介绍4G通信技术的关键技术，包括正交频分复用技术（OFMD）、软件无线电技术、智能天线技术、MIMO技术和基于IP的核心网。 第四章介绍4G通信技术的优势以及4G通信技术的应用。 最后对文章进行总结，并简单介绍第五代通信技术。

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第二章4G网络结构

2.1 4G网络结构

网络体系结构是指通信系统的整体设计，它为网络硬件、软件、协议、存取控制和拓扑提供标准。4G网络结构可分为三层:物理网络层、中间环境层、应用网络层。

LTE网络结构遵循业务平面与控制平面完全分离化、核心网趋同化交换功能路由化网元数目最小化协议层次最优化网络扁平化和全IP化原则。如图一所示为LTE网络结构简化模型，包括终端部分、接入部分、接入控制部分和网络控制部分。LTE网络结构的特点是网络扁平化IP化架构，LTE之间各网络节点之间的接口使用IP传输，通过IMS承载综合业务，原UTRAN的CS域业务均可由LTE网络的PS域承载。

eNodeB

MME

HSS

UE

S- Gateway P- Gatew

IMS

图1 LTE网络结构简化

移动网络全IP架构可以分为核心网、传送网、数据网和接入网等层面进行分析，数据网本身就是基于IP的网络，而其他网络要实现IP化则需要一个过程。如图2所示为LTE IP化的网络结构架构。eNodeB：演进型NodeB，LTE中基站，相比现有3G中的NodeB，集成了部分RNC的功能，减少了通信时协议的层次。MME：Mobility Management Entity(移动性管理设备)，负责移动性管理、信令处理等功能;S-GW：Signal Gateway(信令网关)，连接NO.7信令网与IP网的设备，主要完成传输层信令转换，负责媒体流处理及转发等功能;PDN GW：是连接外部数据网的网关，UE(用户设备，如手机)可以通过连接到不同的PDN Gateway访问不同的外部数据网。表1所示为网络架构中网络接口的作用。

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UTRAN SG SN GERAN S1 - MME HSS S3 MME S11 S6a S12 S4 Serving Gateway S5 S7 PCRF Rx+ \" LTE - Uu \" UE E - UTRAN S10 S1 - U PDN SGi Operator ' s IP Services Gateway (e.g. IMS, PSS etc.) 图2 IP化的网络结构架构 S1-MME S1-U eNodeB与MME之间的控制面接口，提供S1-AP信令的可靠传输，基于IP和SCTP协议。 eNodeB与S-GW之间的用户面接口，提供eNodeB与S-GW之间用户面PDU非保证传输。基于UDP/IP和GTP-U协议。 S3 在UE活动状态和空闲状态下，为支持不同的3G接入网络之间的移动性，以及用户和承载信息交换而定义的接口点，基于SGSN之间的Gn接口定义。 S4 核心网和作为3GPP锚点功能的Serving GW之间的接口，为两者提供相关的控制功能和移动性功能支持。 该接口基于定义于SGSN和GGSN之间的Gn接口。另外，如果没有建立Direct Tunnel，该接口提供用户平面的隧道功能。 S5 负责Serving GW和PDN GW之间的用户平面数据传输和隧道管理功能的接口。用于支持UE的移动性而进行的Serving GW重定位过程以及连接PDN网络所需要的与non-collocated PDN GW之间的连接功能。基于GTP协议或者基于PMIPv6协议。 S6a S7 S7c MME和HSS之间用以传输签约和鉴权数据的接口。 基于Gx接口的演进，传输服务数据流级的PCC信息、接入网络和位置信息。 基于Gx接口演进，支持传输QoS参数和相关分组过滤器参数、控制信息。在S5/S8接口基于PMIPv6协议情形下支持。 S8a 定义于不同PLMN间，VPLMN中Serving GW和HPLMN中PDN GW之间为用户提供控制平面和用户平面功能的接口，该接口基于SGSN和GGSN间的Gp接口。 S8a相当于是S5接口的跨PLMN版本。

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S8b 支持跨PLMN网关漫游情况用户平面和控制平面功能的接口，支持 PMIPv6协议。 S10 S11 S12 MME之间的接口，用来处理MME重定位和MME之间的信息传输。 MME和Serving GW之间的接口 有Direct Tunnel建立时， UTRAN和Serving GW之间的接口，用于二者之间的用户数据传输。该接口基于Iu-u/Gn-u使用SGSN和UTRAN之间或SGSN和GGSN间所定义的GTP-U协议 表1 LTE网络接口

4G系统针对各种不同业务的接入系统,通过多媒体接入连接到基于IP的核心网中。基于IP技术的网络结构使用户可实现在3G、4G、WLAN及固定网间无缝漫游。4G网络结构可分为三层:物理网络层、中间环境层、应用网络层。

1) 物理网络层提供接入和路由选择功能。

2) 中间环境层的功能有网络服务质量映射、地址变换和完全性管理等。

3) 物理网络层与中间环境层及其应用环境之间的接口是开放的,使发展和提供新的服务变得更容易,提供无缝高数据率的无线服务,并运行于多个频带,这一服务能自适应于多个无线标准及多模终端,跨越多个运营商和服务商,提供更大范围服务。

2.2 3G和4G网络结构差异

目前商用的4G技术是LTE技术，LTE是Long Term Evolution的英文缩写，从字面意思我们可以知道LTE是长期演进技术，是3G的演进技术。2G/3G向LTE演进的过程中，先后经历了以下阶段：

2G/3G阶段：语音业务是主要收入来源，宽带和分组域网络不断引入新的增值业务，宽带业务收入呈现上升趋势。

业务IP化阶段：固定网络和移动网络，都通过网络智能化和软交换的部署进行电路域网络向IP承载的改造和升级。

固定业务、移动业务融合阶段：固定、移动用户的带宽和速率都将大幅提升，固定和移动的业务网络建设可以进行多方面的融合。

增值业务引入阶段：在业务层通过引入IMS，为固定和移动的宽带用户提供增值业务，Femto(家庭基站)的部署则实现终端融合。

综合业务运营阶段：随着IMS不断发展扩大，网络演进为基于IP的宽带全分组网络，提供包括语音、数据、视频和流媒体融合的业务。

LTE阶段：固定网络向三网融合发展，移动网络的无线部分全面部署LTE，核心部分则

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演进到EPC网络。

LTE架构相较于3G网络架构，有以下变化。

1)实现了控制与承载的分离，MME 负责移动性管理、信令处理等功能，S-GW 负责媒体流处理及转发等功能;

2)核心网取消了CS(电路域)，全IP的EPC(Evolved Packet Core，移动核心网演进)支持各类技术统一接入，实现固网和移动融合(FMC)，灵活支持VoIP及基于IMS多媒体业务，实现了网络全IP化;

3)取消了RNC，原来RNC功能被分散到了eNode B和网关(GW)中，eNodeB直接接入EPC，LTE网络结构更加扁平化，降低了用户可感知的时延，大幅提升用户的移动通信体验;

4)接口连接方面：引入S1-Flex和X2接口，移动承载需实现多点到多点的连接，X2是相邻eNB间的分布式接口，主要用于用户移动性管理;S1-Flex是从eNB到EPC的动态接口，主要用于提高网络冗余性以及实现负载均衡;

5)传输带宽方面：较3G基站的传输带宽需求增加10倍，初期200～300Mbit/s，后期将达到1Gbit/s。

3G和4G系统参数对比

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第三章4G关键技术

3.1 OFDM

OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)即正交频分复用技术,实际上OFDM是MCM 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，频谱效率比串行系统高近一倍;适合高速数据传输;抗衰落能力强;抗码间干扰(ISI)能力强。当然，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。

3.2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)等 , 软件无线电有以下一些特点：灵活性、集中性、模块化。

3.3 智能天线技术

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。其工作原理和核心思想是：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。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，因成为4G的关键技术。

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3.4 多输入多输出(MIMO)技术

MIMO(多输入多输出技术)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。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。在现有的移动通信系统中，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系统有以下五大优点：1、降低了码问下扰(ISU);2、提高了空间分集增益;3、提高无线信道容量和频谱利用率;4、大幅提高资料的传输速率;5、提高信道的可靠性，降低误码率。

3.5 基于IP的核心网

4G移动通信系统的核心网是一个基于全IP的网络,可以实现不同网络间的无缝互联。核心网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。4G的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。采用IP后，所采用的无线接入方式和协议与核心网络协议、链路层是分离的。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。 由于Ipv4地址几尽枯竭，4G将采用128位地址长度的Ipv6，地址空间增大了2 96倍，几乎可以不受地提供地址。Ipv6的另一个特性是支持自动控制，支持无状态和有状态两种地址自动配置方式。无状态地址自动配置方式下，需要配置地址的节点，使用一个邻居发现机制获得一个局部连接地址，一旦得到一个地址以后，使用一种即插即用的机制，在没有任何外界干预的情况下，获得一个全球唯一的路由地址。有状态配置机制需要一个额外的服务器对DHCP协议进行改进和扩展，使得网络的管理方便和快捷。此外，Ipv6技术还有服务质量优越，移动性能好，安全保密性好的特性。

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第四章4G优势及应用

4.1 4G通信技术的主要优势

4G通信不仅为人们提供沟通的自由，并将深刻地改变人们的生活方式。从目前正在研究的4G通信所透露出来的信息，可以看出4G的某些特征。

1、通信速度更快：对大范围高速移动的使用者（最高250km/h）频宽需求为2Mbps，中速移动的使用者（60km/h）频宽需求为20Mbps，低速移动或室内静止的使用者频宽需求为100Mbps；据AT&T公司研究4G通信的专家们估计，每个4G信道将占有100MHz的频谱，相当于W-CDMA 3G网路的20倍。

2、更高储存容量：由于传输频宽增大，因此资料储存容量至少需求为3G系统的10倍以上。

3、更高相容性：4G通信技术使用户在移动中，特别是高速移动情况下能顺利使用通信系统，传送高速多媒体资料等。必须具备向下兼容、开放界面、全球漫游、与网路互联、多元终端应用等，并能从3G通信技术平稳过渡至4G。

4、高度智慧化网路系统：4G网路系统能随状况自行调整，具备良好的弹性以满足不同环境与不同用户的通信需求。通信的终端设备的设计和操作更加智能化，以满足用户将来更多的功能需求。

5、频率使用效率更高：4G对无线频率使用的有效性，可以让更多的人用与以前相同数量的无线频谱做更多的事情，而且做这些事情的时候速度更快。

6、整合性的便利服务:4G系统将个人通信、信息传输、广播服务与多媒体娱乐等各项应用整合，提供更为广泛、便利、安全与个性化的服务。4G手机可相当一台小型电脑，眼镜、手表、化妆盒、旅游鞋等任何一件物品都有可能成为4G终端。利用4G通信技术可以双向下载传递资料、图画、影像、地图，可以实现例如无线区域环路(WLL)、数字视频广播(DVB)、数字音讯广播(DAB)等方面的无线通信增殖服务。

7、通信费用更加便宜:4G通信利用高灵活性的系统操作，使通信部署起来更容易和便捷。在建设4G通信网络系统时，通信营运商可直接在3G通信网络基础设施之上，采用逐步引入的方法，有效地降低运营者和用户的费用。

4.2 4G的应用

新技术的引用和效能的提高，将为4G带来更为广阔的应用领域和市场。 1、4G在智能手机中的应用

利用4G可在语音通话的同时双向传递资料、图画、影像。4G手机可根据环境、时间以

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及其他设定的因素来适时地提醒手机的主人此时该做什么或不该做什么事。4G手机可以将电影院票房资料直接下载下来，包括售票情况、座位情况。使人们可以根据这些信息来进行在线购买电影票，可以在4G手机上根据自己需要直接购买车票、机票。

2、4G在移动/便携游戏中的应用

4G网络服务的速度优势和终端设备接入所提供的便捷有助于游戏的推广，人们可通过无线网络接受4G信息并传输到游戏设备中。

3、4G在射频测量技术中的应用

射频测量技术包括射频信号源、射频功率计、射频频谱或射频信号分析仪、网络分析仪等。随着射频技术的发展，对于射频测量提出更快速度，更高精度的要求。4G网络拥有的高频谱带宽，可在很大程度上满足射频测量的需求。

4、其它应用

通过4G网络可以提供更好、更快和更便宜的医疗和应急服务，并在抗洪抢险、地震灾害中发挥作用。

第五章 结束语

随着4G通信技术研究的深入，许多国家和地区正在积极参与移动通信技术标准的研究制定工作。对4G通信系统中可能采用的关键技术还有待取得突破，从目前来看，这些关键技术还主要集中在对OFDM、软件无线电、智能天线、MIMO、基于IP的核心网的研究方面。由此带来的4G通信技术优势，使手机的传输速率进一步提高，应用领域向移动智能终端方向发展，带来新的商机。

伴随着4G的商用化，5G正在紧锣密鼓的研制中，韩国三星电子有限公司宣布，已成功开发第5代移动通信技术（5G）的核心技术，这一技术预计将于2020年开始推向商业化。华为也已经展开了相关技术的早期研究，并向外界展示了5G原型机基站。华为宣布将在2018年前投资6亿美元对5G的技术进行研发与创新，并预言在2020年用户会享受到20Gbps的商用5G移动网络。5G与4G、3G、2G不同，5G并不是一个单一的无线接入技术，也不是几个全新的无线接入技术，而是多种新型无线接入技术和现有无线接入技术（4G后向演进技术）集成后的解决方案总称。从某种程度上讲，5G是一个真正意义上的融合网络。5G的关键目的是用来构建网络社会，这意味着，5G除了要满足超高速的传输需求外，还需要满足超高容量、超可靠性、随时随地可接入性等要求，以解决《时代》杂志所说的“流量风暴”等诸多问题。

根据欧盟的预测，随着电子银行、电子教学和电子医疗等核心服务将继续普及并更具移动性。网络社会的发展将带来移动和无线流量的激增。这意味着到2020年时，数据流量将

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比2010年增长1000倍。此外，人机之间的混合通信将带动流量增长，高效、便捷和安全地访问和共享信息变得异常重要。物联网和其他新型创新应用的出现将催生数百亿个互联设备出现，产生前所未有的多样性要求和与无线连接性相关的应用场景。未来大数据时代，我们将看到3G、4G和5G共存的局面。

参考文献

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