4G.5G技术发展前景和综述

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　学科分类号（二级）510.10

　 本科学生毕业论文（设计）

　题 目 4G、5G技术及其应用浅析

　姓 名

　学 号

　院、 系 物理与电子信息学院

　专 业 电子信息科学与技术

　指导教师

　职称（学历）

　2014年06月16日

　云南师范大学教务处制

　4G、5G技术及其应用浅析

　摘要：文章对4G通信系统的关键技术和技术目标的发展情况进行了探讨，提出4G技术的发展前景和方向，对4G通信技术在发展过程中将会遇到的问题进行了分析。对第四代移动通信产生的背景、现状和未来趋势进行探讨，通过分析第四代移动通信的基本内涵，第四代移动通信的优劣势和4G的可选方案对第四代移动通信进行详细阐述，并对第四代移动通信的关键技术进行探讨。文章表明，第四代移动通信不仅延续了上几代移动通信的优点，更通过其独有的技术，开拓了无线通信的新领域。并介绍了当前移动通信背景下的5G技术，并对其技术路线进行了简要分析。

　关键词：第四代移动通信技术; 4G技术; 5G技术

　1、引言

　4G通信即第四代移动通信的简称，4G只是一个通用的名称，还有B3G，Beyond IMT-2000，IMT-Advanced技术等名称[1]。4G通信技术是以传统通信技术为基础，并利用了一些新的通信技术，来不断提高无线通信的网络效率和功能的。如果说现在的3G能提供一个高速传输的无线通信环境的话，那么4G通信将是一种超高速无线网络，一种不需要电缆的信息超级高速公路[2][3]。这种新网络可使电话用户以无线及三维空间虚拟实境连线。尽管第三代移动通信系统也能实现各种多媒体通信，但4G通信能满足第三代移动通信尚不能达到的在覆盖范围、造价上支持的高速数据和高分辨率多媒体服务的需要，第四代移动通信系统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，为此第四代移动通信系统也称为“多媒体移动通信”。在第四代通信技术的基础上，我们简单介绍了第五代即下一代通信技术的基本技术指标与面对的挑战[3][4]。

　2、几代移动通信系统的对比

　2.1 第一代移动通信系统（1G）

　第一代(1G)移动通信系统采用的通信技术主要有模拟蜂窝通信和频分多址，具有代表性的系统有美国的AMPS系统、北欧的NMT-450系统、法国的450系统、英国的ETACS系统以及我国的TACS系统等[5]。第一代通信系统有很多不足之处，比如，由于受到传输带宽限制的原因不能进行长途漫游，不能提供数据业务，仅仅可以提供语音业务，容量有限，通话效果差，保密性能也不够好，用户的接听范围受限制，制式太多以及互不兼容等。

　2.2 第二代移动通信系统（2G）

　第二代(2G)移动通信系统采用的通信技术主要有时分多址和码分多址，它克服了第一代移动通信系统的弱点，不仅能提供话音业务，还能提供数据业务，而且通话过程稳定、音质清晰，抗干扰性和保密性能也得到非常大的提高，可以进行省内和省际漫游，并具备接口开放、容量大以及频率资源利用率高等优点[6]。具有代表性的第二代移动通信系统有美国的CDMA95系统和欧洲的GSM系统，其中，GSM系统在第二代通信系统中占据主导地位，但是，从安全性方面考虑，GSM系统还存在以下一些缺陷：身份认证过程只是单向进行，移动终端无法鉴别和验证基站的合法，难以抵抗中l’日J人攻击和伪基站攻击：鉴权过程中，用户身份(IMSI，International Mobile Subscriber Identificationnumber)是以明文形式在无线信道上传输，容易造成用户4G尤线网络安伞接入技术的研究的被跟踪；核心网络不能像空中接口那样实现加密功能，用户的信息和信令数据在基站间的传输链路上也是以明文方式传输，敏感信息容易因此泄露；系统缺乏对用户信息和信令数据进行完整性认证的机制；当网络中任意实体之间出现计费纠纷的时候，系统缺乏第三方仲裁功能，从而不能有效解决计费纠纷问题；用户身份认证过程中，认证密钥是固定不变的，从而无法抵抗重放攻击；系统的安全升级功能及其变更没有得到全面详细的考虑；由于没有公开安全算法的设计过程，其安全性能便得不到评价和改进。

　3.3 第三代移动通信系统（3G）

　第三代(3G)移动通信系统可以覆盖全球范围，能支持高速的数据传输服务，并能快速地与互联网进行连接[7]。对于声音、图像、视频流等多种数据形式的处理过程，3G通信系统可以通过有效利用宽频带顺畅地完成。2000年5月，国际电信联盟(ITU)确立了三个主流的3G通信系统无线接口标准，并将其写入了3G技术指导性文件《2000年国际移动通讯计划》中，这三个标准分别是欧洲提出的WCDMA标准、美国倡导的CDMA2000标准和中国大唐电信公司主推的TD-SCDMA标准。2007年1O月19日，国际电信联盟在日内瓦举行的无线通信全体会议上，将WiMAX批准为第四个正式的全球3G标准。虽然3G系统是为高速数据和流媒体业务设计的，但在通信质量和容量等方面还存在一些缺陷：3G通信系统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通信系统的高速数据传输还不成熟，接入速率有限；3G通信系统缺乏全球统一的标准，各种系统彼此不兼容，给用户带来诸多不便；3G通信系统所采用的语音交换架构仍承袭了第二代移动通信系统的电路交换，而不是采用纯IP方式，因此容易受到多用户的干扰，导致传输速率无法大幅度提高…。3GPP(第三代移动通信伙伴计划)技术规范组的第三工作组(S3)专门从事3G通信系统安全问题的研究，S3I作组针对3G通信系统的新特性，定义了完善的安全特征、安全目标以及安全服务121。尽管S3提出了很多的措施和机制来保障3G通信系统的安全，但是在安全需求方面仍然没有达到预期的目标：当用户首次向网络注册、归属环境(HE，HomeEnvironment)无法从临时身份(TMSI，TemporaryMobileSubscriberIdentity)恢复出IMSI以及访问网络(AN，AccessNetwork)向HE请求用户认证向量的时候，用户的IMSI将以明文的形式在空中接口传递，攻击者从而可以截获这个信息用于追踪合法用户，也可以利用截获的IMSI向AN请求认证向量，进而伪装成合法的基站来骗取用户的接入；有线网络部分缺乏认证机制，各个实体问既无法认证彼此的身份，也无法认证消息源，此外，在有线链路上传输的用户信息和信令数据很容易被截获并篡改，缺乏完整性和机密性保护机制。

　2.4 第四代移动通信系统（4G）

　新兴的4G通信系统可以适应移动计算、移动数据和移动多媒体的运作，并

　能满足数据通信和多媒体业务快速发展的需求。从覆盖范围、通信质量和数据通信速度的角度看，4G通信系统能更能满足需求，用户在高速移动状态下的传输速率可以达到10Mbps至20Mbps，甚至可能以100Mbps的速度传输无线信息。从用户对服务的需求角度看，4G通信系统能满足用户更多的需求，如4G透过宽频的信道传送出去的大量无线多媒体通信服务，包括语音、数据、影像等信息，且能实现一些无线通信增值服务，例如无线区域环路、数字音讯广播等。从运营商的角度看，4G通信系统不仅要与现有的通信网络系统兼容，还应具备更低的时延、建设和运行维护成本、更高的数据吞吐量、鉴权能力和安全性能，同时要能支持多种QoS等级。WWRF由4家移动设备生产商(阿尔卡特、爱立信、诺基亚、西门子)组成的，下设八个工作组，研究工作主要包括需求、网络、安全、业务等方面。此外还有其它多个国家的论坛和联合体，如日本的mITF(移动IT论坛)、韩国的NGMC(下一代移动通信委员会)、我国的FUTURE(未来移动通信)论坛以及3GPP(第三代合作伙伴计划)等，IEEE对WLAN在4G中的作用也做了一些研究工作，主要集中体现在WiMAX的802．16m标准上。下图为3G和4G功能上的一些对比：

　表一 3G，4G对比

　3G的局限性主要表现在以下几方面。不能支持较高的通信速率。3G虽然标称能达到2Mbit/s的速率，但平均速率只能达到384kbit/s。尽管目前3G增强型技术不断发展，但其传输速率还有差距。不能提供动态范围多速率业务。由于3G空中接口主流的三种体制WCDMA，CDMA2000，TD-SCDMA所支持的核心网不具有统一的标准，难以提供具有多种QoS及性能的多速率业务。不能真正实现不同频段的不同业务环境间的无缝漫游。由于采用不同频段的不同业务环境，需要移动终端配置有相应不同的软、硬件模块，而3G移动终端目前尚不能实现多业务环境的不同配置。

　3、4G技术研发状况

　2000年10月6日国际电信联盟(ITU)在加拿大蒙特利尔市成立了“IMT 2000

　and Beyond”工作组，开始了对4G的研究，同时，欧洲、日本、韩国对4G的研究也陆续展开，我国在2002年3月也正式宣布启动对4G通信系统的研究工作。在2002年5月ITU召开的“IMT-2000 and Systems Beyond”研讨会上，mlTF系统子委员会主席Watanabe先生将未来的通信系统描述为具备以下特征的系统[8]。

　a)用户可以在任何地点、任何时间以任何方式不受限地接入网络中来；

　b)移动终端可以是任何类型的；

　c)用户可以自由地选择业务、应用和网络；

　d)可以实现非常先进的移动电子商务；

　e)新的技术可以非常容易地被引入到系统和业务中来。

　根据他的描述， 4G系统则至少具备以下的基本条件。

　(1)具有很高的数据传输速率。对于大范围高速移动用户(250km/h)，数据速率为2 Mbit/s；对于中速移动用户(60km/h)，数据速率为20 Mbbit/s；对于低速移动用户(室内或步行者)，数据速率为100 Mbit/s。

　(2)实现真正的无缝漫游。4G移动通信系统实现全球统一的标准，能使各类媒体、通信主机及网络之间进行“无缝连接”，真正实现一部手机在全球的任何地点都能进行通信。

　(3)高度智能化的网络。采用智能技术的4G通信系统将是一个高度自治、自适应的网络。采用智能信号处理技术对信道条件不同的各种复杂环境进行结合的正常发送与接收，有很强的智能性、适应性和灵活性。

　(4)良好的覆盖性能。4G通信系统应具有良好的覆盖并能提供高速速可变速率传输。对f室内环境，由丁二要提供高速传输，小区的半径会更小。

　(5)基于IP的网络。4G通信系统将会采用IPv6。IPv6将能在IP网络上实现话音和多媒体业务。

　(6)实现不同OOS的业务。4G通信系统通过动态带宽分配和调节发射功率来提供不同质量的业务。

　(7)先进的技术应用。4G移动通信系统以几项突破性技术为基础，如：OFDM多址接人方式、智能天线和空时编码技术、无线链路增强技术、软件无线电技术、高效的调制解调技术、高性能的收发信机和多用户检测技术等。按照目前的研究成果和专家的预测，4G通信系统将会在2010年以后投入商业运营，最高下行速率将达到100 Mbit/s。

　西方欧美国家4G通信技术研究较早，而且在资金以及技术人力资源方面的投入力度较大，因此其4G通信技术在全球发内内发展处于领先水平。4G通信技术起源于瑞典，这主要是源于瑞典拥有大批的手机通讯制造商，在制造商的推动下4G通信技术率先在瑞典开始产生。与3G通信技术相比，4G通信技术具有明显的优势，其下载速度是3G技术的十倍以上，而且传输信号好。目前4G通信技术在欧洲各国均取得了较好的发展，美国也在4G通信技术领域取得了巨大的成绩，并逐步发展成为第二个推出商用4G网络的国家。美国4G技术的应用主要运用40MHz频谱配置，这种配置有别于其他国家，但就美国4G网络技术总的发展情况来看，该项技术是处于世界各国发展前列的。

　4G通信技术在亚太地区的发展，其代表国家主要是韩国和日本，这两个国家在4G通信技术领域发展的比较早，日本作为通信技术一直处于领先水平的国家之一，其4G通信技术目前也取得了很好的发展，并处于世界先进水平行列。日本通信公司在进行技术研究的过程中得到了政府的大力支持，并通过制定E—Japan计划，进行4G移动通信技术领域的研发。虽然韩国4G通信技术的发展比不上日本，但韩国在该项技术的研发上投入了大量的人人力物力资源，并于2006年实现了的4G移动网络技术的发布。

　我国近年来在4G通信技术领域的发展可以说是喜人的，随着市场竞争的日趋激烈，移动、联通、电信国内三大运营商为提高自身的竞争实力，均开始在4G通信技术领域加大资金投入力度，都希望通过此项技术的研发抢占市场先机。扩大自己在国内市场的占有份额。近年来随着微信在OTR业务内的广泛应用，对运行商带来不小的利润损失，而就其流量使用的增加，又极大的提高了运行商的收益，总的来看，处于对自身利益的考虑，我国通信市场的运行商均在加大对4G通信技术的研究力度，4G通信技术将成为未来我国通信事业发展的新方向。

　目前来看，我国的4G通信已经可以达到文字、视频等信息的高速率传送，增加了支持不同类型的工作和业务的应用，还通过使用不对称设计使得手机、计算机、互联网之间相互自由通信成为了现实，另外也实现了多点控制功能。我国的4G通信技术相对国际水平来说，并没有太大的差距，可以说这是一个很好的发展契机，我国应该加快具有自主产权的4G无线通信技术的研究脚步，使我国的4G通信网络能够得以良好的发展。另外，值得强调的是我国的香港地区的4G网络发展很快，其网速已达到19．6Mbps，位居全球第二。

　从整体形势分析，4G移动通信技术在以后的发展中绝不仅仅是对其传输速率的提升，更要注重其资源配置和管理等方面的完善，因为由当前的网络升级到4G网络还需要进行对基础通信设施的改造和对带宽资源的优化利用。另外，随着4G网络的推广使用，手机是数据流量也必将成为人们关注的焦点。

　3.1 4G通信系统的网络结构

　目前，4G系统仍处于研究的起步阶段，具体的标准没有定论，其网络结构也没有统一的标准，但网络融合的大趋势是显而易见的。

　图一 4G网络结构

　4G通信系统按照功能可以划分为接入层、承载层和业务控制层3层：

　图二 4G移动通信系统网络分层示意图

　4、4G技术基本概念

　4G是集3G与WLAN于一体，并能够传输高质量视频图像，它的图像传输质量与高清晰度电视不相上下。4G系统能够以100Mb/s的速率下载，比目前的拨号上网快2000倍，上传的速度也能达到20Mb/s，并能够满足几乎所有用户对于无线服务的要求。而在用户最为关注的价格方面，4G与固定宽带网络在价格方面不相上下，而且计费方式更加灵活机动，用户完全可以根据自身的需求确定所需的服务。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。

　4G与3G之间的主要区别在于终端设备的类型、网络拓扑的结构以及构成网络的技术类型。终端设备除了手机之外应当包括头戴式话机、PDA终端、膝上机、手表式话机、电视机、游戏机、DVD、零售机，甚至宠物机等等，凡是人所能构想的和能够识别IP地址的无线电收发信机。其次，4G是由多种技术组成的，包括彼此似乎不相干的技术，如Wi-Fi、超宽带无线电、便携式电脑、软件无线电等技术构成的高速全球通网络。

　5、4G特点

　5.1 兼容性强，智能化高

　4G网络系统是一种具有高度自适应、自治特点的网络系统，拥有良好的白组织性、可伸缩性、重构性等优点，可以对不同用户、不同环境的通信需求进行满足。同时，4G通信系统还需要具有能够由3G平稳过渡、终端多样化和多种网络互联、接口开放、全球漫游等优点。要使4G通信尽快地被人们接受，不但考虑它的功能强大外，还应该考虑到现有通信的基础，以便让更多的现有通信用户在投资最少的情况下就能很轻易地过渡到4G通信。因此，从这个角度来看，未来的第四代移动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,以及能从第二代、第三代平稳过渡等特点。

　与传统的通信技术相比，4G通信技术最明显的优势在于通话质量及数据通信速度，同时具有更高的数据率、更好的业务质量、更高的频谱利用率、更高的安全性，更高的智能性、更高的传输质量和更高的灵活性；她还能支持非对称性业务，并能支持多种业务。

　5.2 全IP核心网络

　 全IP是指4G系统网络所使用的IP可以和实际使用的各种无线接入协议、接入方式兼容使用。4G网络系统在进行核心网络设计时，要具有较大的灵活性，用户可以不用对无线接入所使用的协议和方式不用进行考虑。

　5.3 无缝连接

　覆盖的无缝性是指4G系统可以在全球进行业务的提供；业务无缝性是指图像、数据、语音的无缝性；系统的无缝性是指用户不仅可以在蜂窝系统中使用，也可以在WLAN中使用。4G系统是一个综合系统，WLAN可以对热点地区的高速业务进行提供，蜂窝可以对广域移动性进行提供。

　5.4容量高，速率快

　为了满足多媒体业务和数据业务日益增加的需要，4G系统需要的容量要比之前更高。但是因为4G系统的频谱较少，因此，4G系统的频谱效率只相当于高出5至10倍左右的3G系统。4G通信系统的下行信道最高速率会达到00Mbps，使用移动终端对文件进行下载的速度会比使用3G系统较快。4G系统还可以对移动终端的用户进行快速实时的高清视频图像传输。也就是说，4G系统的速率为：对低速移动用户的数据速率可以达到100Mbps；中速移动用户的数据速率可以达到20Mbps；高速移动用户的数据速率可以达到2Mbps。

　从传输速率上看，第一代模拟通信仅能提供语音服务；第二代数位式移动通信系统传输速率也只有9.6Kbps,最高可达32Kbps．如小灵通；第三代移动通信系统数据传输速率可达到2Mbps;而第四代移动通信系统可以达到10Mbps至20Mbps，甚至以每秒100Mbps速度传输无线信息，这相当于目前手机的传输速度的1万倍左右目从网络频谱看。每个4G信道将占有100MHz的频谱．相当于W-CDMA 3G网路的20倍。从频率资源上看3G使用1.8-2.5GHz的频率。其频谱效率只有2bps/Hz，频率资源不够丰富，而4G使用2-8GHz的频率，其频谱效率能达到5bps／Hz,能够满足手机用户的日益增长。

　5.5 提供各种增殖服务

　4G通信并不是从3G通信的基础上经过简单的升级而演变过来的，它们的核心技术根本就是不同的。3G移动通信系统主要是以CDMA为核心技术，而4G移动通信系统技术则以正交频分复用技术(OFDM)最受瞩目，利用这种技术人们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。

　 5.6 实现更高质量的多媒体通信

　尽管第三代移动通信系统也能实现各种多媒体通信，但未来的4G通信能满足第三代移动通信尚不能达到的,在覆盖范围、通信质量、通信价格上支持的,高速数据和高分辨率多媒体服务的需要。第四代移动通信系统提供的无线多媒体通信服务（包括语音、数据、影像等大量信息）通过宽频的信道传送出去，因此，第四代移动通信系统也称为“多媒体移动通信”。第四代移动通信不仅仅是为了应对用户数的增加，更重要的是，必须要应对多媒体的传输需求，当然还包括通信品质的要求。总而言之，首先必须可以容纳市场庞大的用户数、改善现有通信品质不良，以及达到高速数据传输的要求。

　5.7 频率使用效率更高

　相比第三代移动通信技术来说，第四代移动通信技术在开发研制过程中使用和引入许多功能强大的突破性技术。由于利用了几项不同的技术，所以无线频率的使用比第二代和第三代系统有效得多。按照最乐观的情况估计，这种有效性可以让更多的人使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相当快。

　5.8 通信费用更加便宜

　由于4G通信不仅解决了与3G通信的兼容性问题，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的通信技术，这些技术保证了4G通信能提供一种灵活性非常高的系统操作方式，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，通信营运商们将考虑直接在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者和用户的费用。据研究人员宣称，4G通信的无线即时连接等某些服务费用将比3G通信更加便宜。

　6、核心技术

　6.1正交频分复用(OFDM)技术

　OFDM是4G的核心技术。其基本原理是将需要传输的串行数据流分解为若干个较低速率的并行子数据流，再将它们各自调制到相瓦正交的子载波上，最后合成输出，输出的数据速率与串行数据流分解前的速率相同。OFDM主要的优点有：频谱利用率高；消除或减小码问干扰；采用跳频方法选用正交子载波具有很好的抗窄带干扰能力；采用自适应调制方案在频谱利用率和误码率之间取得最佳平衡。OFDM技术的主要缺点是功率效率不高和系统复杂度增加。

　OFDM技术的主要思想就是在频域内将给定信道分成许多窄的正交子信道，在每个子信道上使用一个子载波进行调制，并且各子载波并行传输，因此可以大大消除信号波形间的干扰。OFDM还可以在不同的子信道上自适应地分配传输负荷，这样可优化总的传输速率。OFDM技术还能对抗频率选择性衰落或窄带干扰。在OFDM系统中由于各个子信道的载波相互正交，于是它们的频谱是相互重叠的，这样不但减小了子载波间的相互干扰，同时又提高了频谱利用率。

　移动通信信道的突出特点之一就是信道存在多径时延扩展，它限制了数据速率的提高，因为如果数据速率高于信道的相关带宽，信号将产生严重失真，信号传输质量大幅度下降。而OFDM技术由于具备上述特点，是对高速数据传输的一种潜在的解决方案，在FDMA、TDMA、CDMA和OFDM等多址方式中，OFDM是4G系统最为合适的多址方案，因此，OFDM技术已基本被公认为4G的核心技术之一。

　OFDM技术主要的技术难点是系统中的频率和时间同步，基于导频符号辅助的信道估计，峰平比问题和多普勒频偏的影响，以及基于OFDM、多载波技术的新一代蜂窝移动通信系统的多址方案的研究。

　6.2 MIMO技术

　MIMO属于天线分集技术，而天线分集是分集技术的一种，我们从分集技术认识开始，进而引出天线分集和MIMO技术。当前，无线移动通信信道的衰落效应严重制约了系统的性能，分集技术十分有效地克服了衰落效应。分集技术的主要方式有：时间分集、频率分集、天线分集（又称空间分集）等，如下图所示。

　天线分集分为接收分集、发送分集和收发分集三种。接收分集，是指在接收端用多个天线进行接收（MISO：MultipleInputSingleOutput）；发送分集，是指在发送端用多个天线进行发送（SIMO：Single Input Multiple Output）；多天线收发（MIMO：Multiple Input Multiple Output），是在无线链路两端都使用多元天线阵列，它是发送分集和接收分集的结合。在天线分集中，MIMO性能最为优越[10]。

　6.3 IP系统核心网络

　4G系统的核心网络是基于IP网络的一种。使用全IP能够使不同网络问的无缝互联得到实现，是一种成本较低的网络模式。而且4G系统的核心网络可以对端到端的IP业务进行提供，也可以和现有的PSTN、核心网共存。采用IP后，所采用的无线接人方式和协议与核心网络(CN)协议、链路层是分离独立的。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。

　6.4 SDR技术

　SDR的优点主要有：在确保硬件平台结构不变的条件下，可以对软件使用的新技术和新业务进行改变，使设备商新通信产品的开发周期和成本得到了降低，使运营商的投资得到了降低；SDR可以使移动终端和各种种类的空中接口兼容，在不同科r类的业务间进行转换较为方便；SDR系统的结构具有通用性，功能较为灵活，方便升级。

　6.5 智能天线技术

　智能天线是一种基于自适应天线原理的移动通信技术。采用宅分多址技术，

　应用数字信号处理技术，产生空间定向波束，使天线主波束对准用户信号到达方向，旁瓣或邻瓣对准干扰信号到达方向，达到充分利用移动用户信号并消除或抑制干扰信号的目的。这种技术既能改善信号质量又能增加传输容量。4G系统的智能天线使用了SDMA技术，通过信号在传输方向上的差异，区分同码道、同时隙、同频率的信号，对信号的覆盖区域进行动态的改变，让主波速对准用户的方向区域，零陷或旁瓣对准干扰信号的方向区域，对用户和检测环境的变化进行自动的跟踪和监测，提供优质的下行链路和上行链路信号。智能天线技术可以使系统的容量得到提高，适用较为复杂的电波传播环境，可以更远的传送信号，使覆盖的范围得到增加，使基站的数量减少，使运营商的成本得到降低。

　智能天线技术也用于多天线系统中，但它和天线分集有着很大的区别。智能天线利用数字信号处理技术，采用了先进的波束转换技术和自适应空间数字处理技术，产生空间定向波束，使天线主波束对准用户信号到达方向，旁瓣或零陷对准干扰信号到达方向，达到充分高效利用移动用户信号并删除或抑制干扰信号的目的。智能天线是仅在无线链路的一端采用阵列天线捕获与合并信号的处理技术，即用于MISO系统和SIMO系统。

　6.6 高智能终端

　4G手机的功能,已不能简单划归“电话机”的范畴．未来4G手机应该算得上是一只小型电脑,而且4G手机从外观和式样上。将有更惊人的突破未来的4G通信将使人们不仅可以随时随地通信,更可以双向下载传递资料、图画、影像,当然更可以和从未谋面的陌生人网上联线对打游戏第四代移动通信的智能性更高,不仅表现在4G通信的终端设备的设计和操作具有智能化,例如对菜单和滚动操作的依赖程度将大大降低,更重要的4G手机可以实现许多难以想象的功能。例如4G手机可以将电影院票房资料,直接下载到PDA之上,这些资料能够把目前的售票情况、座位情况显示得清清楚楚，大家可以根据这些信息来进行在线购买自己满意的电影票：4G手机可以被看作是一台手提电视,用来看体育比赛之类的各种现场直播[9]。

　6.7.软件无线电技术

　软件无线电是利用数字信号处理软件实现无线功能的技术，能在同一硬件平台上利用软件处理基带信号，通过加载不同的软件，可实现不同的业务性能。其优点是：

　（1）通过软件方式，灵活完成硬件功能；

　（2）具有良好的灵活性及可编程性；

　（3）可代替昂贵的硬件电路，实现复杂的功能；

　（4）对环境的适应性好，不会老化；

　（5）便于系统升级，降低用户设备费用。

　软件无线电技术被认为是可以将不同形式的通信技术有效联系在一起的惟一技术。在4G移动通信系统中，软件将会变得非常繁杂。为此专家们提议引入软件无线电技术，将其作为从第二代移动通信通向第三代和第四代移动通信的桥梁。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RF前端，利用软件无线电技术进行信道分离、调制解调和信道编译码等工作。软件无线电技术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其在不同系统和平台之间畅通无阻的使用。

　7、安全

　7.1 4G无线网络接入安全的特征

　4G无线网络接入安全的特征可以归纳为以下几个方面心：(1)用户身份保护，主要包括用户身份隐私、用户位置隐私和不可跟踪性，即通过无线链路，攻击者不能窃听并确定用户的IMSI以及用户在某一区域出现或到达信息，不能推断出同一用户是否请求并使用了不同服务。通常可以通过用临时身份标识用户来达到以上目标，临时身份由AN分配且需要及时更换。(2)实体认证，主要包括用户认证和网络认证，即服务网络(SN，SetverNetwork)可以确认用户的身份，且该网络是经过用户的HE授权，且授权是最近的。在移动环境中，要实现实体认证，通常采用认证密钥协商机制和本地认证机制，用户的HE可以向AN发送认证向量，或者ANTFU用之前在认证密钥协商过程中创建的密钥进行认证。(3)机密性，主要包括加密算法和密钥协商的机密性以及用户信息和信令数据的机密性，使得ME和SN可以安全地协商随后用到的算法和密钥。(4)完整性，主要包括加密算法和密钥协商的完整性以及用户信息和信令数据的完整性，使得接受方(SN或ME，MobileEquipment)可以验证信令数据来自所声称的实体，且在发送之后未被非法修改。(5)移动设备认证，除紧急呼叫的情况之外，移动设备标识号(IMEI，InternationalMobile EquipmentIdentity)只能在SN被认证之后发送出去，否则应该安全地存储在终端设备里[10]。

　7.2 无线网络接入面临的安全威胁

　4G无线网络接入过程中面临的安全威胁主要包括以下几个方面：(1)ME面临的安全威胁，包括IMSI被截获和UE被跟踪。在移动网络环境中，每个用户拥有一个全球唯一的国际移动用户识别码IMSI，从用户的私密性角度来看，如果IMSI被截获、跟踪，将给用户的信息安全带来严重威胁。移动网络环境中，当用户开机、第一次接入网络或漫游至一个新的网络且原网络和漫游网络间没有建立漫游协议的时候，IMSI在空中接口都是以明文形式进行传输的。通过窃听或者请求用户发送IMSI的主动攻击方式，攻击者可以获得用户的IMSI',从而使得用户面临以下威胁：攻击者可以收集某个地区(如机场)的IMSI，当能够将IMSI和用户身份关联到一起时，与这些IMSI相关的历史记录就具备机密性，攻击者可以自动地追踪用户；IMSI是区别移动用户的标志，提供用户的归属网络和归属国家的信息，可以去别出每个用户来自的国家，故可以实现国际漫游，对于因特网服务而言，允许将IMSI与来自不同来源的用户偏好和档案联系起来；攻击者可以通过发起中间人攻击来欺骗用户接入伪基站，从而发起对终端用户的Dos攻击；攻击者可以利用截获到的IMSI不断向网络发起接入认证请求，从而发起对网络发起Dos攻击。所以IMSI的泄露会给用户和网络带来严重的安全威胁，因此需要对IMSI进行更完备的加密保护，完全杜绝IMSI的暴露。(2)无线接入网络面临的安全威胁，包括移动性管理和对基站的攻击。用户可以在同一网络内和不同网络间任意地漫游和切换，已经完全控制某个统的攻击者通过生成RRC(RadioResourceContr01)信令的方法向ME发起重配置过程，将ME引进攻击者已经控制的网络或系统中，强制ME切换到安全性较弱的传统网络中。这种攻击可以实现Dos攻击，可以使得攻击者在安全性较弱的网络截获用户的通信，从而进行更严重的安全攻击。

　7.3无线网络接入安全的需求

　根据4G无线网络的特性和所面临的安全威胁，其安全需求主要归纳为以下

　三个方面：(1)用户域的安全需求：明确终端设备的使用者身份并区分其权限，确保使用者清楚终端设备的合法性；确保终端设备硬件和软件的完整性及其配置信息的合法性；确保终端设备在交换敏感信息之前的可信性：控制对终端设备中存储数据的访问权限，例如某些机密信息(如认证密钥)在任何时候都不能被访问；确保终端设备中各个接1：3上传递的数据以及存储在终端设备中的数据的机密性和完整性；保证用户在使用公共或其他用户的终端设备时身份的隐私性；防止由于终端设备的丢失而被非法滥用或作为发起攻击的工具，从而造成危害。

　面临着多种无线通信技术及异构网络共存、融合的趋势和背景，4G无线网络通信系统的安全问题变得更为复杂和重要。例如，大多数现有网络的安全协议都是针对某些具体服务设计的，对异构的4G网络不适用，需要设计动态的可重配置、自适应的安全机制；秘密通话容易受到拦截和侦听；第三方能伪装成合法用户骗取服务，或者造成付费欺骗行为；终端的移动性使得安全管理难度更大，必须考虑移动终端在漫游和切换等情形下的安全管理等。可见，作为4G无线网络中安全问题的基础与核心，移动终端安全接入技术具有相当的研究意义与研究价值。在4G标准确定之前，很多学者和研究机构针对4G无线网络的安全接入问题已经做了分析和研究，并提出了不少的建议和设想，其主要研究思路基本可以分为两大路线：第一条路线就是将4G无线网络看作是一个互连互通网络，坚持以2G/3G蜂窝网为骨架，重点考虑蜂窝网与其他无线网络的融合问题，以3GWLAN融合网络为例，对其安全问题的解决方法就是修改现有的安全保密方案，使其适用于异构的4G无线网络。另一条路线则把4G系统抽象为一个全IP的移动网络，不关心具体的无线通信技术和空中接口，也不考虑接入网的组成方式，提出新的动态可重配置的、自适应的、轻量的安全机制。

　则专门讨论了用户的身份隐私问题，并提出了一个方案：不考虑漫游与否，用户通过3G无线接口执行认证和授权。该方案的有点有两个方面，第一，因为所有消息都是通过3G网络交换，所以认证过程安全性高；第二，漫游用户不需要出示自己的身份，从而保护了用户的身份隐私。针对EAP—AKA过程需要交互大量信息的问题。该方案采用了三种技术：HMAC技术，公钥数字签名和哈希链技术。该方案可以提供不可否认服务和付费的合法证据，当付费争议发生时，WLAN、3G访问网络必须递交用户发送的最新哈希链值给3G归属网络，因为只有用户知道密钥种子，所以哈希链值可以作为3G访问网络、3G归属网络和WLAN的付费证据。该方案还可以提供用户的身份隐私的保密性、以及区域性快速重认证机制，并能抵抗猜想攻击和假冒攻击。但是，由于该方案采用的是公钥算法，对终端用户设备很不利。

　8、4G?通信技术的应用前景

　从4G网络未来的应用方面来看：4G意味着多方面的参与，不只是在电信行业，在医疗、交通等方向也会得到广泛的应用。以交通车辆为例：早3G网络刚刚面世时，就已经为车载娱乐埋下了伏笔，在4GLTE网络的影响下，必将会带来更加丰富多彩的车载应用，而不只是单纯的传统导航和紧急呼叫，还可以提供网络连接、视频会议、WiFi热点共享等服务。据相关机构表示，在2015年全球配备4G网络的车辆极有可能达到120多万辆，并且在之后几年还会迅速增加。不过，在车辆的4G网络服务收费方面仍需要进行深入研究，综合考虑客户的实际情况。另外，4G网络的高速传输速率还会使上网速度变得飞快，在线观看高清视频，体验无带宽限制的、随时随地的视频观看和高清即摄即传的生活和工作体验。

　8.1 4G在智能手机中的应用

　 4G技术应用环境下，能够使得智能手机在进行语音通话的时候再使用各种资料、图画、影音的双向传递功能。且4G手机能够对其手机所处的环境、时间、背景等因素来时刻提醒主人应做和不应做的事情。比如其能够直接下载电影院的票房资料、售票的情况、座位的情况等，进而让主人根据这些信息来决定是否进行在线购买。

　8.2在智慧家庭中的应用

　 所谓4G通信技术，其还是一种超高速的无线网络，即无需电缆的信息超高速公路，进而让电话用户利用无线、三位空间虚拟实景连线。4G通信时代下的人们交流更方便更通畅，让人们与机器之间能够有一条更加自由的交流通道，进而使得智慧家庭朝着智能化、个性化、综合化、全球化的方形发展。4G通信技术能够使得智慧家庭进行有线无线网络相结合的方式，进而让信息无处不在，不仅能够让其外网数据通道高速运转，同时也能够让内网信息流的运转、传递更高效。

　8.3 在农业中的应用

　 随着4G通信技术的到来，农业领域中开始有了嵌入式的通信技术应用。为了实现我国现代化农业发展目标，让农业信息能够得以高速度、高精度、高密度和低成本的进行传递和使用，进而能够在各地进行因地制宜形式，从而解决各地的农业生产中出现的问题，进而促进智慧型农业的发展。现代化农业自从有了4G通信技术以来，其信息化服务更加精确，与管理农业生产的对象相结合，让农业知识灌输在智能通信技术内，从而对农业生产进行智能化管理，制定多种信息管理方案措施，得出拥有查询信息、诊断、大信息量、先进知识与信息和及时性多种特点的应用技术。

　8.4 在单位研发中应用

　 已经有部分单位和企业等展开了4G移动通信技术的开发工作，并且已经有所突破。其单位内的4G通信技术可以实现图像、视频、音频、文学等的高速传输功能，并且逐渐应用到了多种类型和种类的工作之中，例如根据不对称设计，从而得到了通信技术方面可进行互联网、计算机、手机之间的自由通信以及多点控制的应用技术。

　9、第五代通信技术：

　 2012年开始，业界开始了面向5G的愿景与需求的探讨。一系列研究报告正在开发中，ITU-RWP5D目前正在开发M.[IMT.Vision]建议书，我国CCSATC5WG6组2012年立项开展“后IMT-Advanced愿景与需求研究”，我国2013年2月成立IMT-2020（5G）推进组，下设需求研究组，开展面向5G的需求研究。经过一年多的讨论，目前业界尚未针对5G形成统一、完整的认识，但是在一些方面已经有相对收敛的观点，例如：就时间范畴看，大多数观点认为，5G为面向2020年信息社会需求的无线移动通信系统；满足未来1000倍及以上的流量增长需求，为5G发展的另一个重要目标；持续的空口能力提升，包括10Gbit/s甚至以上的峰值速率、100Mbit/s甚至更高的用户速率体验、空口时延的进一步降低等；另外，5G还需要持续降低网络成本和能耗，拓展业务支持能力，提高网络可靠性。

　9.1 挑战

　基于网络、终端、频率以及业务现状，满足IMT-2020（5G）无线移动通信系统愿景需求，将带来频率、技术和运营3大方面的巨大挑战。频率方面的挑战主要体现为分配足够的频段支持业务发展，以及更加灵活的频率使用方式；运营方面的挑战主要是网络带宽和能力提升后，运营商需要打破传统的电信运营模式，寻求新的盈利模式和运营模式以支持未来无线移动产业生态。下面重点分析技术方面的挑战。

　9.1.1系统和技术融合带来的挑战

　随着芯片技术的提升和智能终端的快速发展，各种智能设备的功能逐渐拓展并相互融合，例如：传统的手机正被功能丰富的智能终端替代，配备高性能处理

　能力和操作系统的智能手机，能够完成传统电脑和通信的功能；新的平板电视、数码照相机等消费电子也逐渐增加了处理器模块、通信模块和智能操作系统，演变为智能数码设备；广播电视网络、固定宽带网络、无线宽带接入、移动通信系统、甚至卫星移动通信系统等多个系统正通过终端设备和应用逐渐融合。未来的网络将是一个多业务、多接入技术、多层面覆盖并存的系

　统，如何将看似孤立的多种业务网络、多种接入技术以及多层次覆盖的网络有机地融合，合理地利用，为消费者提供最佳的业务体验、为运营商提供最强的网络能力、达到最优化的资源利用和长远的利润增长成为重要的研究方向。

　9.1.2容量和频谱效率提升带来的挑战

　1000倍的流量需求，100倍以上链接器件数目，任何地方任何时间达到100Mbit/s的速率体验保证等5G目标的提出，需要通过采用增加频率、提升空口效率、提升系统覆盖层次和站点密度等各种技术手段。基于未来数据业务主要分布在室内和热点地区的特点，采用超密集部署成为满足未来流量需求的最主流观点。寻求空口频谱效率的有效提升并保证室外系统对室内的良好覆盖，可以有效地降低超密集部署带来的难题。比如宏区平均频谱效率能够达到10bit/s/Hz/Cell以上，并能穿透建筑物对室内有良好的覆盖，这样的超高效率无线传输技术需要新技术突破、新型无线传输技术等。

　9.1.3 物联网和业务灵活性带来的挑战

　随着IMT向更多行业渗透以及物联网的广泛使用，IMT系统需要支持的业务范围和业务灵活性得到提升。从信息速率来说，需要支持几十个小时甚至更

　长时间才突发一些小数据包的抄表业务，也需要支持3D全息实时会议这类大带宽业务；延迟方面，既需要支持对延迟不敏感的背景下载业务，也需要支持延迟要求10ms以下的即时控制类业务；从移动速度来说，一些场景终端设备基本上固定不动，而有些终端设备需要支持航空器上超高速移动通信能力。基于统一的通信协议标准设计，支持广泛的业务灵活性，对未来IMT系统协议设计带来挑战。另外，物联网应用还面临系统容量、设备成本、设备节电等各方面的挑战。

　9.1.4 网络能耗降低带来的挑战

　未来网络在提供1000倍流量的情况下，需要保持网络总体能耗基本不增加，这相当于需要提升端到端比特能耗效率1000倍，这对网络架构、空口传输、交换路由、内容分发等各个方面的技术和协议设计带来巨大的挑战。

　9.1.5 终端方面带来的挑战

　随着技术的进步，2020年无线网络进入泛技术时代，可以预见未来的终端需要支持5~10个不同的无线通信技术，加上智能终端上常有的Wi-Fi、红外、蓝牙、FM收音机等，高端智能终端已经支持10个以上的无线电技术。要想实现低成本多模终端，待机时间达到现有的4~5倍，空口速率达到1Gbit/s并能保持较长时间的使用，终端芯片和工艺、射频以及器件、电池技术等各方面面临挑战。

　9.1.6 产业生态对网络架构和管控理念带来的挑战

　现有的无线移动通信网络以网络运营为主体，其网络架构、管控理念等并不一定适应未来业务应用为主的产业生态结构和潜在的新兴运营模式。固定宽带网络技术领域，虚拟运营和SDN理念正引起传输网络的变化，无线移动通信网络如何适应未来业务应用需要作进一步探讨和研究。

　9.2 5G技术发展路线分析

　融合、演进和创新是面向未来5G技术标准发展的3大路线。5G时代为一个泛技术时代，多业务系统、多接入技术、多层次覆盖融合成为5G的重要特征，同时，随着计算能力的提升，通信、信息以及消费电子业务应用通过互联网融合成为趋势，这将进一步推动各种业务系统和接入技术的快速融合，并催生新的业务应用。移动通信市场用户换代是一个长期的过程，2G经过20多年的发展，到2012年全球2G移动用户总数仍占58%以上；3G经过了10多年的发展，目前用户数目快速增长，预计2013年全球3G用户总数将超过2G用户；LTE经过近5年的发展，目前全球用户数目达到1亿，预计到2020年，LTE及其演进系统将成为最主流的移动通信系统。以4G LTE/LTE-Advanced为主的移动通信系统持续增强和演进，将在2020年的5G移动通信系统中发挥重要作用。同时，创新的无线传输技术、频率使用方式以及网络架构与组网技术也将会逐渐成熟并走向商用，以解决更长期的需求增长与频率、成本的矛盾，带来更高的通信能力和更好的业务体验。

　9.3 融合

　面向2020的5G时代将是一个泛技术的时代，无线电波已经被各种技术挤满，各种利用频率的技术分别工作，从管理的角度是最简单的，但是并不能达到最高的效能，融合逐渐成为一种趋势。融合包括3个层次的融合：

　9.3.1多领域跨界融合

　通信、信息、消费电子技术融合，催生新的产品形态、商业模式以及利润增长点。跨界融合不仅仅是终端和应用问题，必将影响网络架构和系统设计，各种新形态的业务应用对网络带宽、速率、延迟、管理等方面都将带来新的需求。

　9.3.2多系统融合

　无线业务系统的融合包括卫星移动通信与地面移动的融合（天地一体化）、蜂窝通信与数字广播的融合、移动蜂窝与宽带接入系统、短距离传输系统的融合。不同系统的融合可以在业务平台上统一，实现统一的账号和计费等；更紧密的融合可以在核心网实现多系统互操作，甚至在接入网层面，实现无缝体验或者业务承载汇聚，通过多个业务系统统一为用户提供服务。

　9.3.3多RAT/多层次/多连接融合

　蜂窝系统内的多种接入技术（2G-5G）以及多层覆盖（Macro/Micro/Pico/Femto）、多链路之间的紧密耦合，最重要的是做到网络侧多种连接通道各司其职，发挥最大的效用；终端侧，各种技术和接入对用户透明。主要的研究方向包括多RAT互操作、接入层聚合、U/C分

　离、无线资源管理以及异构网络统一的SON等。融合对终端的影响在于：系统融合技术的研究，需要芯片和射频技术的提升，以及SDR技术的真正实现，做到单片多模自适应配置，并且做到低功耗低成本。

　9.4 演进

　移动通信市场用户换代需要一个长期的过程，预计到2020年，LTE及其演进系统将成为最主流的通信系统，LTE持续演进对2020年移动通信非常重要。截止到2013年，3GPP LTE标准已经完成了从R8到R11的持续增强和演进，目前正在开展R12的研究和标准化。LTE系统在用户边缘速率体验、多天线技术、对小小区和密集组网的支持、对M2M业务的支持等各方面有待进一步的提升和功能扩充。LTE/LTE-A进一步演进的主要技术方向包括：

　9.4.1LTE-Hi/Small-Cell持续增强

　密集组网是满足未来流量需求增长最有效的方法。我国提出的LTE-Hi技术主要面向高频热点小覆盖场景提供宽带移动数据业务体验，5R12Workshop

　提出了动态TDD、室内热点MIMO增强、高阶调制等关键技术，目前成为了3GPP R12研究的热点。未来LTE-Hi需要进一步的优化和增强，近期LTE-Hi主要研究内容包括：优化空口设计、增强小区间干扰协调，实现小小区与大覆盖小区的U/C分离等；进一步地可以面向小覆盖和高频段设计新系统以提升单小区能力和带宽、支持新的业务类型和更低时延、设计更扁平更灵活的网络架构等。TDD在高频段小覆盖场景具有频谱利用效率高、设备成本低以及频率使用灵活等优点，超密集部署场景将重点考虑基于TDD方式的技术增强和演进。

　9.4.2 边缘性能增强和用户体验提升

　LTE-A系统边缘性能有待进一步提升和增强，多接入点联合处理技术受限于接入点之间接口的BackHaul能力，随着传输技术的进步以及集中式处理架构的推广，ComP技术可以持续提升和增强，为用户提供无边界体验。另外，随着集成电路和芯片处理能力的发展，接收机部分也可以考虑更加先进的干扰消除技术（例如最大似然干扰消除、迭代干扰消除等），从而有效降低小区间的同频干扰，提升业务质量和空口频谱效率。

　9.4.3先进天线技术

　多天线技术作为LTE的最主要特征，是未来演进的最重要方向。AAS技术将射频处理单元甚至部分基带单元放到天线前端，从而为更先进的多天线技术带来了可能。基于有源天线并将垂直方向的多阵子分离出来，可以实现3D-Beamforming技术[63GPP3D-BF的SI]，从而支持水平和垂直空间的波束赋形和多用户复用，进一步提升空口频谱效率。3D空间信道模型的研究和分析、信道估计和参考符号设计、赋形码本的设计为后续研究的重点。随着计算能力的提升，Massive MIMO技术结合空间特性以及编码增益，可以进一步提升空间复用效率，提升系统容量。当然，天线数目的大规模增加，对设备的外观设计、网络建设和部署、系统处理能力等也带来一定的困难。由于高频段上天线间距和尺寸更低，工程实现难度更低，也可以采用全新的天线型态设计，Massive MIMO在未来高频段的利用也是重要的研究方向。

　9.4.4支持更多的应用场景

　移动通信网络支持广泛的覆盖，支持随时随地的无缝接入和移动性，并以规模效应，在性能和成本上具有明显优势。为了支持广泛的M2M、D2D以及PDR等各种面向公众和行业的应用，现有系统需要进行空口接入的优化设计、协议栈和流程的适应性修改、接入架构的扩展等。在进行应用场景的扩展时，需要认真分析基于LTE的技术扩展与其他短距离通信技术（蓝牙、ZigBee等）、无线接入技术（WLAN等）以及专网通信技术（LTE-R、DSRC等）在需求和能力上的差异，避免重复设计和过度设计。

　9.4.5更灵活可靠的网络和连接

　在传统蜂窝小区的基础上，LTE需要进一步拓展连接方式和接入方式，支持更加灵活的网络架构以及连接方法，提升网络可靠性和整体性能。Mobile Relay技术支持在类似高铁等场景下，有效解决大量呈现以簇为单位的用户整体高速移动并提供可靠服务的需求，其重点内容为高性能无线Backhaul链路的设计和优化、用户簇移动性管理等。为了进一步增加通信链路的灵活性和可靠性，在LTE中引入D2D特性的基础上，可以进一步设计支持UE辅助的Relay技术，通过多跳扩展网络覆盖或者提升链路性能。另外，实现通信基站内MAC层用户间的直通，可以降低通信Back-haul的开销，适合未来