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类似于固定中继系统,移动中继系统由基站、移动中继和用户终端组成。其中,基站和移动中继之间的链路为回程链路(BackhaulLink),移动中继和用户终端之间的链路为接入链路(AccessLink)。若基站和用户设备之间的信道状况良好,还可以考虑直连链路(DirectLink)。移动中继可以选择放大转发和解码转发等模式。由于移动中继具有运动性和随机性,而这种特点与性能密切相关,如何建立合理的移动中继运动模型是移动中继系统研究领域的首要问题。当前研究中有的采用较简单的随机游动模型,或采用二维泊松过程来表示用户终端的放置位置,使用M/M/∞排队模型来表示用户终端的移动性。在实际部署移动中继系统时,需要考虑不同的应用场景。在3GPPR11版本中,高铁是主要应用。在文献[8]中,主要考虑以下两种典型场景:场景1移动中继服务静止用户场景说明如图1所示。在该场景下,中继被安装在交通工具的顶部,中继天线被分别放置在车辆的内外,分别用于和基站与用户终端通信。若不使用中继辅助传输,该场景下的通信将会面临许多问题,如严重的车体损耗,多普勒频移,小区换带来的大量开销等。反之,则可以将较差的信道分为两段传输条件较好的链路,从而很好地解决了该场景下的通信问题。与直接传输相比,中继辅助传输的掉话率明显降低,为车内用户提供较高的吞吐量和较低的小区切换失败率,从而提高了通信质量,改善了用户体验。场景2移动中继服务非静止用户场景说明如图2所示。在该场景下,中继也被部署在车辆顶部,不过其目的不是为了为车内乘客提供服务,而是为街道和公园提供覆盖。闹市区的街道和公园,是行人比较集中的地方,通信业务量大,属于“热点”地区。在经过这些地方的公交车上部署中继,则可以增强覆盖,提高吞吐量,具有实际意义。
2移动中继系统中的关键技术
2.1信道建模与估计对于移动中继来说,由于其移动的特点,而且可能是高速移动,因此研究的首要问题是移动中继的信道建模问题,主要包括回程链路和接入链路的建模。不同链路的信道模型与各网络节点采用的天线数目、中继的转发模式和中继的运动模型密切相关,信道建模的准确度会极大地影响系统性能。如文献[9]分析了不准确的路径损耗模型对移动中继系统性能的影响。此外,基站到移动中继的信道会随着车辆的运动而急剧变化,同时车辆的运动会引起多普勒频移问题,因此在实际的移动中继系统中采用合适的信道预测和估计方法也是非常必要的。如文献提出了一种采用在车辆顶部使用预测性天线的信道预测和估计方法,从而较好地解决了移动中继的信道估计问题。
2.2中继选择在实际的移动中继系统中,可能会存在多个移动中继。现有研究表明,根据信道状态信息选择一个最好的中继进行协作,可以较低的复杂度获得满分集增益。因此,机会中继选择技术是移动中继系统中的关键技术。信令开销是中继选择算法的首要考虑因素。对于快速移动的用户,基于信噪比的方案会产生大量的信令开销,而基于位置或距离的选择方案在高速场景下开销较小,因而适用性更强。上述方案都是基于单个参数的选择,实际信噪比和时延等参数会同时影响中继选择,为此,文献[13]提出了一种具有服务质量(QoS)保证的多参数联合中继选择算法。由于信令开销和系统复杂度与每个目标用户的候选中继的数量成正比,文献[14]考虑了如何减少候选中继的数量而不影响使用中继带来的系统性能增益。文中所提算法限制了每个目标用户的数量从而减少了反馈开销。文献[15]提出了一种三步选择算法。该算法在保持中继增益的同时可以使中继信令开销维持在较低水平。虽然中继选择可以提高系统性能,但是不适宜的选择会引起频繁的中继切换,从而影响系统的整体性能。文献[16]从这个角度出发,提出了使中继活动时间最长和中继切换率最小的两种中继选择算法。研究结果表明,与现有方案相比,所提方案在不降低系统吞吐量的情况下可以获得较低的中继切换率和较长的中继活动时间。
2.3资源分配在中继系统中进行功率和带宽等资源的分配可以有效提高系统资源利用率和系统吞吐量,目前得到了广泛的研究。(1)功率分配。最简单的功率控制方法是开关算法。所谓开关功率控制算法就是给中继分配一定功率或者不分配功率。该算法可以提高小区吞吐量和覆盖范围。文献[17]根据不同的数据速率要求提出了一种最优的功率分配算法。该文献考虑了中继的移动性,建立了移动模型,使用所提出的最优功率分配方案可以提高数据速率。仿真结果表明,在一些实际的数据速率下该算法可以带来3dB增益。文献[18]提出了一种分布式的功率控制算法用以提高平均小区吞吐量。文章考虑了在多小区环境中,通过使用分布式移动中继功率分配方案,与传统的系统相比,平均小区吞吐量得到了改善。同时,也提升了小区边缘吞吐量,因此对小区边缘用户来说,该方案有助于改善其用户体验,是一种较好的解决方案。(2)带宽分配。对于不同的运营商分别安装不同的中继显然并不是高效的,文献[19]基于此提出了共享频谱分配算法来解决此问题。该方案中不同运营商使用相同的移动中继为某一区域内的用户服务,并根据链路质量为不同运营商分配相应的带宽,从而实现了无线资源的有效利用。借助于纳什均衡理论,该方案可以将吞吐量提升近20%。文献[20]以IEEE802.16j系统为研究对象,研究了子信道分配对系统性能的影响。文中提出了重叠子信道分配(OVSA)和正交子信道分配(ORSA)两种方案。研究结果表明,所提方案的小区吞吐量高于不使用中继情况下的吞吐量。文献[21]则利用博弈论理论联合考虑了动态服务选择和带宽分配的问题。为了获得更好的服务质量,移动中继执行基站选择和传输模式的选择,基站则为不同传输模式分配不同的带宽。当移动中继和基站的策略相互影响并且需要作出动态决定时,这将面临着挑战。为解决这个问题,该文提出了一个两层的基于进化博弈和微分博弈的博弈结构。在下层,动态服务选择可以建立为一个进化博弈模型;在上层,基站端的动态带宽分配可以形成一个微分博弈模型,最后得到了一个闭环纳什均衡。数值仿真结果表明了动态博弈带宽分配策略的有效性,并且系统性能和覆盖范围的优势得到了加强。
2.4小区切换在移动中继系统中,由于中继的移动性以及中继一般为多个用户同时服务等原因,如何设计中继高速移动情况下的小区切换策略便成为了一个关键问题,文献此进行了深入研究。在高速运动场景,大量用户很可能需要进行频繁的小区切换,因而如何保证较低的链路失败率和较高的切换成功率,将直接影响用户的通信服务质量和通信体验。对于移动中继系统的小区切换问题,现在比较好的一种方案是使用具有两根分布式天线的移动中继,即在车辆首尾分别装有天线。移动中继通过选择具有较好接收信号质量的天线作为接收天线。当车辆进入重叠区域时,前置天线执行切换至目标基站,后置天线将和服务基站保持连接。当前置天线完成切换后,再由后置天线将工作频率转移至目标基站。如果切换失败,后置天线将执行第二次切换。因此,这种切换方案使通信在切换过程中不会被中断,实现了通信的无缝体验,而且降低了切换失败率,是一种简单实用的方案。
2.5移动中继的其他问题使用移动中继来改善车辆用户的服务质量和吞吐量的效果明显,除了以上提到的关键问题外,仍然有其他的一些问题和挑战需要解决。首先是移动中继的移动性管理问题。这主要包括不同基站间移动中继的切换和不同移动中继间用户的切换。但是,现有LTE系统中没有针对移动中继的移动性支持,因此有必要修改当前的系统结构用以提供有效、可靠的移动性管理。目前,为了支持移动性管理,是在当前的固定中继架构上修改还是提出新的架构尚在讨论中。其次,由于移动中继的使用,干扰管理也是一个新的挑战。中继技术的优势在理论上已获得共识,但在实际部署中中继节点的引入必然导致更加严重的干扰问题。尽管接入链路干扰较小,但对于回程链路来说,不同移动中继间以及中继与宏小区用户间的干扰使问题变得复杂。预测性天线的使用将提高CSI的准确性,从而可以在回程链路中使用高级的干扰避免和干扰消除方案。
3结束语
第一代移动通信技术的特征
第一代的移动通信技术最早是在二十世纪八十年代左右出现的,它经历了大概十几年的发展时间,在上世纪九十年展结束。它的技术特点主要有以下几个方面,它的智能化技术很差,业务量较小、没有很好的通信技术、安全性不高、运行起来很慢而且没有设定加密的功能。在这一代移动通信系统中,主要采用的是模拟传输技术,所以传输的效果很差,而且在传输中会被其他因素影响,抗干扰力很差。那个时期,人们的生活水平并不高,生活也不丰富。所以,只有一少部分人能够使用这种移动通信设备,并没有得到广泛的使用。因此,人们并没有十分关注这种通信技术的发展。
第二代移动通信技术的特征
第二代的移动通信系统即2G技术,最开始是从二十世纪九十年代初期出现的,这种技术的出现主要是为了弥补第一代移动通信系统中存在的缺陷,并且扩展相应的功能。第二代移动通信系统的主要内容是网络应用逻辑更强,采用立即计费的方式,支持最佳路由,00/1800双频段,话语编解码等是完全兼容的而且速率更强,频率结构使用的是更高的加密技术,并且在这一代的通信技术中还应用了智能天线技术和双频段技术等。这样就满足了人们日益增长的需求,使业务数量持续的增长。移动通信技术所存在的GSM系统容量不足的缺陷,使GSM功能不断地得到改善和增强,具备了初步支持多媒体业务的能力。虽然第二代移动通信技术,在发展的过程中不断地得到较好的完善,但是2G的移动通信系统,随着用户和网络规模的不断扩大,频率资源也己经适应不了,移动通信业务发展的需求,呈现供不应求的趋式,频率资源也占有率也接近于枯竭,移动通信的语音质量,也不能达到用户所要求的高质量的标准,对于数据通信速率太低,这个2G无法在真正意义上满足移动多媒体业务的需求。
第三代移动通信技术
第三代移动通信系统技术,主要是在话音和数据通信速率等方面得到有效的改进,通信码率能够达到384kb/s,第三代移动通信系统,也就是通常所说的3G,是现阶段正在全力开发的移动通信的系统,这一代移动通信的系统,已经具备了最基本智能特征,应用了智能信号处理技术,智能信号处理单元,多媒体数据通信和话音支持的技术,能够提供跟前两代产品相比,所不能提供的多种宽带信息业务,第三代移动通信技术具备慢速图像、高速数据、电视图像等功能。传输速率也比前两代,移动通信技术有高质量的提高,传输速率在用户静止时,移动通信速率最大为2Mbps,在用户高速移动时,移动通信速率最大支持144Kbps,所占频带宽度为5MHz左右。但是,就目前的第三代3G移动通信系统,通信标准总共有三大类CDMA2000、WCDMA、TD-SCDMA,共同组成3G移动通信IMT2000的体系,它们彼此之间存在相互兼容的问题,这就意味着从根本上来说,当前已有的移动通信系统,并不是真正的个人通信和全球通信系统。再进一步地说,目前的3G移动通信系统的频谱利用率还相当地低,并没有充分地利用频谱资源,达到普及和推广3G移动通信的业务,留下了很大的发展智能移动通信技术的空间。根据移动通信市场发展的需要,和3G移动通信所存在的一些欠缺,目前国际上有不少国家,已经开始研究第四代移动通信系统。也就是我们将要面对的4G移动通信智能系统,这一代移动通信技术,将从根本上弥补前三代移动通信所存在的不足,成为移动通信系统又一个闪光的亮点,在不断地研究和发展中,让更多的用户认识和接受。
第四代移动通信技术
关键词:第四代移动通信(4G);正交频分复用;多模式终端
一、引言
移动通信是指移动用户之间,或移动用户与固定用户之间的通信。随着电子技术的发展,特别是半导体、集成电路和计算机技术的发展,移动通信得到了迅速的发展。随着其应用领域的扩大和对性能要求的提高,促使移动通信在技术上和理论上向更高水平发展。20世纪80年代以来,移动通信已成为现代通信网中不可缺少并发展最快的通信方式之一。
回顾移动通信的发展历程,移动通信的发展大致经历了几个发展阶段:第一代移动通信技术主要指蜂窝式模拟移动通信,技术特征是蜂窝网络结构克服了大区制容量低、活动范围受限的问题。第二代移动通信是蜂窝数字移动通信,使蜂窝系统具有数字传输所能提供的综合业务等种种优点。第三代移动通信的主要特征是除了能提供第二代移动通信系统所拥有的各种优点,克服了其缺点外,还能够提供宽带多媒体业务,能提供高质量的视频宽带多媒体综合业务,并能实现全球漫游。现在用的大多是第二代技术,第三代技术还不太成功,但已有了第四代技术的设想。第四代移动通信系统(4G)标准比第三代具有更多的功能。
二、4G移动通信简介
第四代移动通信技术的概念可称为宽带接入和分布网络,具有非对称的超过2Mbit/s的数据传输能力。它包括宽带无线固定接入、宽带无线局域网、移动宽带系统和交互式广播网络。第四代移动通信标准比第三代标准拥有更多的功能。第四代移动通信可以在不同的固定、无线平台和跨越不同的频带的网络中提供无线服务,可以在任何地方用宽带接入互联网(包括卫星通信和平流层通信),能够提供定位定时、数据采集、远程控制等综合功能。此外,第四代移动通信系统是集成多功能的宽带移动通信系统,是宽带接入IP系统。目前正在开发和研制中的4G通信将具有以下特征:
(一)通信速度更快
由于人们研究4G通信的最初目的就是提高蜂窝电话和其他移动装置无线访问Internet的速率,因此4G通信的特征莫过于它具有更快的无线通信速度。专家预估,第四代移动通信系统的速度可达到10-20Mbit/s,最高可以达到100Mbit/s。
(二)网络频谱更宽
要想使4G通信达到100Mbit/s的传输速度,通信运营商必须在3G通信网络的基础上对其进行大幅度的改造,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。
(三)多种业务的完整融合
个人通信、信息系统、广播、娱乐等业务无缝连接为一个整体,满足用户的各种需求。4G应能集成不同模式的无线通信——从无线局域网和蓝牙等室内网络、蜂窝信号、广播电视到卫星通信,移动用户可以自由地从一个标准漫游到另一个标准。各种业务应用、各种系统平台间的互联更便捷、安全,面向不同用户要求,更富有个性化。而且4G手机从外观和式样上看将有更惊人的突破,可以想象的是,眼镜、手表、化妆盒、旅游鞋都有可能成为4G终端。
(四)智能性能更高
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,更重要的是4G手机可以实现许多难以想象的功能。例如,4G手机将能根据环境、时间以及其他因素来适时提醒手机的主人。
(五)兼容性能更平滑
要使4G通信尽快地被人们接受,还应该考虑到让更多的用户在投资最少的情况下轻易地过渡到4G通信。因此,从这个角度来看,4G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2G、3G平稳过渡等特点。
(六)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”。
(七)通信费用更加便宜
由于4G通信不仅解决了与3G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通信技术,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,通信运营商们将考虑直接在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成本。
三、4G移动通信的接入系统
4G移动通信接入系统的显着特点是,智能化多模式终端(multi-modeterminal)基于公共平台,通过各种接技术,在各种网络系统(平台)之间实现无缝连接和协作。在4G移动通信中,各种专门的接入系统都基于一个公共平台,相互协作,以最优化的方式工作,来满足不同用户的通信需求。当多模式终端接入系统时,网络会自适应分配频带、给出最优化路由,以达到最佳通信效果。目前,4G移动通信的主要接入技术有:无线蜂窝移动通信系统(例如2G、3G);无绳系统(如DECT);短距离连接系统(如蓝牙);WLAN系统;固定无线接入系统;卫星系统;平流层通信(STS);广播电视接入系统(如DAB、DVB-T、CATV)。随着技术发展和市场需求变化,新的接入技术将不断出现。
不同类型的接入技术针对不同业务而设计,因此,我们根据接入技术的适用领域、移动小区半径和工作环境,对接入技术进行分层。
分配层:主要由平流层通信、卫星通信和广播电视通信组成,服务范围覆盖面积大。
蜂窝层:主要由2G、3G通信系统组成,服务范围覆盖面积较大。
热点小区层:主要由WLAN网络组成,服务范围集中在校园、社区、会议中心等,移动通信能力很有限。
个人网络层:主要应用于家庭、办公室等场所,服务范围覆盖面积很小。移动通信能力有限,但可通过网络接入系统连接其他网络层。
固定网络层:主要指双绞线、同轴电缆、光纤组成的固定通信系统。
网络接入系统在整个移动网络中处于十分重要的位置。未来的接入系统将主要在以下三个方面进行技术革新和突破:为最大限度开发利用有限的频率资源,在接入系统的物理层,优化调制、信道编码和信号传输技术,提高信号处理算法、信号检测和数据压缩技术,并在频谱共享和新型天线方面做进一步研究。为提高网络性能,在接入系统的高层协议方面,研究网络自我优化和自动重构技术,动态频谱分配和资源分配技术,网络管理和不同接入系统间协作。提高和扩展IP技术在移动网络中的应用;加强软件无线电技术;优化无线电传输技术,如支持实时和非实时业务、无缝连接和网络安全。
四、4G移动通信系统中的关键技术
(一)定位技术
定位是指移动终端位置的测量方法和计算方法。它主要分为基于移动终端定位、基于移动网络定位或者混合定位三种方式。在4G移动通信系统中,移动终端可能在不同系统(平台)间进行移动通信。因此,对移动终端的定位和跟踪,是实现移动终端在不同系统(平台)间无缝连接和系统中高速率和高质量的移动通信的前提和保障。
(二)切换技术
切换技术适用于移动终端在不同移动小区之间、不同频率之间通信或者信号降低信道选择等情况。切换技术是未来移动终端在众多通信系统、移动小区之间建立可靠移动通信的基础和重要技术。它主要有软切换和硬切换。在4G通信系统中,切换技术的适用范围更为广泛,并朝着软切换和硬切换相结合的方向发展。
(三)软件无线电技术
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DSP进行信道分离、调制解调和信道编译码等工作。它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,就可以实现在不同系统和平台之间,畅通无阻的使用。目前比较成熟的软件无线电技术有参数控制软件无线电系统。
(四)智能天线技术
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,能满足数据中心、移动IP网络的性能要求。智能天线成形波束能在空间域内抑制交互干扰,增强特殊范围内想要的信号,这种技术既能改善信号质量又能增加传输容量。
(五)交互干扰抑制和多用户识别
待开发的交互干扰抑制和多用户识别技术应成为4G的组成部分,它们以交互干扰抑制的方式引入到基站和移动电话系统,消除不必要的邻近和共信道用户的交互干扰,确保接收机的高质量接收信号。这种组合将满足更大用户容量的需求,还能增加覆盖范围。交互干扰抑制和多用户识别两种技术的组合将大大减少网络基础设施的部署,确保业务质量的改善。
(六)新的调制和信号传输技术
在高频段进行高速移动通信,将面临严重的选频衰落(frequency-selectivefading)。为提高信号性能,研究和发展智能调制和解调技术,来有效抑制这种衰落。例如正交频分复用技术(OFDM)、自适应均衡器等。另一方面,采用TPC、Rake扩频接收、跳频、FEC(如AQR和Turbo编码)等技术,来获取更好的信号能量噪声比。
五、OFDM技术在4G中的应用
若以技术层面来看,第三代移动通信系统主要是以CDMA为核心技术,第四代移动通信系统技术则以正交频分复用(OrthogonalFreqencyDivisionMultiplexer,OFDM)最受瞩目,特别是有不少专家学者针对OFDM技术在移动通信技术上的应用,提出相关的理论基础。例如无线区域环路(WLL)、数字音讯广播(DAB)等,都将在未来采用OFDM技术,而第四代移动通信系统则计划以OFDM为核心技术,提供增值服务。
在时代交替之际,旧有系统之整合与升级是产业关心的话题,目前大家谈的是GSM如何升级到第三代移动通信系统;而未来则是CDMA如何与OFDM技术相结合。可以预计,CDMA绝对不会在第四代移动通信系统中消失,而是成为其应用技术的一部份,或许未来也会有新的整合技术如OFDM/CDMA产生,前文所提到的数字音讯广播,其实它真正运用的技术是OFDM/FDMA的整合技术,同样是利用两种技术的结合。因此未来以OFDM为核心技术的第四代移动通信系统,也将会结合两项技术的优点,一部份将是以CDMA的延伸技术。
六、结束语
对于现在的人来说,未来的4G通信的确显得很神秘,不少人都认为第四代无线通信网络系统是人类有史以来最复杂的技术系统。总的来说,要顺利、全面地实施4G通信,还将可能遇到一些困难。
首先,人们对未来的4G通信的需求是它的通信传输速度将会得到极大提升,从理论上说最高可达到100Mbit/s,但手机的速度将受到通信系统容量的限制。据有关行家分析,4G手机将很难达到其理论速度。
其次,4G的发展还将面临极大的市场压力。有专家预测,在10年以后,2G的多媒体服务将进入第三个发展阶段,此时覆盖全球的3G网络已经基本建成,全球25%以上的人口使用3G,到那时,整个行业正在消化吸收第三代技术,对于4G技术的接受还需要一个逐步过渡的过程。
因此,在建设4G通信网络系统时,通信运营商们将考虑直接在3G通信网络的基础设施之上,采用逐步引入的方法,使移动通信从3G逐步向4G过渡。
参考文献:
1、谢显忠等.基于TDD的第四代移动通信技术[M].电子工业出版社,2005.
第二代移动通信技术是数字移动通信系统,采用数字调制技术,具有频谱利用率高,保密性好的特点,不仅可以支持话音业务,也可以支持低速数据业务,因而又称为窄带数字通信系统。第二代数字移动通信系统典型代表有美国的DAMPS系统、IS-95系统和欧洲GSM系统,其中DAMPS和GSM都采用TDMA多址接入方式,而IS-95采用则采用CDMA多址接入方式,系统容量比GSM和DAMPS要大的多。第二代数字移动通信技术是目前广泛应用的蜂窝移动通信技术,但由于只能提供窄带业务,已经不能满足人们越来越多的对于移动宽带多媒体业务的需求。
第三代移动通信系统是宽带数字通信系统,它的目标是提供移动宽带多媒体通信,多址方式基本都采用CDMA多址接入,属于宽带CDMA移动通信技术。第三代移动通信系统能提供多种类型的高质量多媒体业务,能实现全球无缝覆盖,具有全球漫游能力并与固定网络相兼容。它可以实现小型便携式终端在任何时候、任何地点进行任何种类的通信。第三代移动通信技术的标准化工作由3GPP和3GPP2两个标准化组织来推动和实施。目前,在世界范围内应用最为广泛的第三代移动通信系统体制为WCDMA和CDMA2000。下面将对这两种体制的第三代移动通信技术以及相应的二代半过渡性技术进行介绍。
WCDMA体制移动宽带无线接入技术
1.GPRS技术:
GPRS技术是从第二代移动通信GSM技术向3G移动通信技术WCDMA发展演进的一种过渡技术,也即属于所谓的2.5G移动通信技术。GPRS全称为通用分组无线业务(GeneralPacketRadioService),是一种新的分组数据承载业务。相对原来GSM的拨号方式的电路交换数据传送方式,GPRS是分组交换技术,它以一种有效的方式采用分组交换模式来传送数据和信令。
如图1中所示,GPRS是在GSM网络基础上,对原有GSM网络子系统和无线子系统的设备及功能进行增强而成。在网络子系统中增加了GGSN(网关GPRS支持节点)和SGSN(服务GPRS支持节点)。这样,在GPRS网络子系统中,GGSN和SGSN一起构成了分组交换域,可与外部分组交换网络如X.25网络、IP网络直接相连;而原有的MSC和GMSC则构成了电路交换域,与PSTN网络相连。此外,GPRS还用用户数据和路由信息将GSM网络中的HLR增强为GPRS的数据库(GR)。在无线子系统中,GPRS增强了BSC的功能,增加了GSM业务信道和控制信道的种类,以支持GPRS的多种数据业务。
GPRS频道采用TDMA,一个TDMA帧划分8个时隙,每个时隙对应一个物理信道。在GPRS中,每个物理信道可以由多个用户共享,并可根据语音和数据的业务要求动态分配。GPRS还采用了更好物理信道编码方案,当使用8个时隙时,每个用户的最高接入速率可达164kbps。GPRS支持IP,X.25等数据通信协议,可提供移动台与移动台之间,移动台与外部分组交换网络之间的数据通信。
GPRS可优化利用网络和无线资源,维护无线子系统和网络子系统的严格分离,并允许采用其他非GSM标准的无线子系统接入GPRS网络子系统,这有利于GPRS网络的升级,便于向3G演进。GPRS的缺点是其可提供的接入速率有限,可提供的多媒体业务相当有限。
2.EDGE技术:
EDGE是一种基于GSM/GPRS网络的数据增强型技术,其英文全称为EnhancedDataRateforGSMEvolution,中文含义为“增强数据速率的GSM演进技术”。EDGE相比GPRS最大的变化是在数据传输时采用8PSK调制替代原先GSM/GPRS中的GMSK调制(高斯最小频移键控,为2PSK调制),再结合不同纠错检错能力的信道编码方案,EDGE共提供9种不同的调制编码方案(MCS),而GPRS采用单一GMSK调制,仅提供四种编码方案(CS)。这样EDGE可以适应更恶劣更复杂多变的无线传播环境。此外,EDGE在链路层数据发送和重传机制上,采用了“链路适配”和“增量冗余”技术,提高了数据重发成功率。链路适配技术可在不同MCS之间根据实时的无线链路质量及时调整采用最佳MCS方案;增量冗余技术在重发信息种加入更多的冗余信息来提高接收端正确解调的概率。综合以上各项技术,EDGE技术理论数据传输速率可高达384Kbps~473.6Kbps,与GPRS相比大大提高了用户数据接入速率,因为也被称之为2.75G技术。目前,北美和亚洲少数运营商已经开通了基于EDGE的服务,但由于运营时间尚短,其成熟性和可靠性还有待进一步观察。
3.WCDMA技术:
WCDMA属于3G移动通信技术,目前有R99、R4、R5以及R6共4个版本。
R99版本接入部分主要定义了全新的5MHz每载频的宽带码分多址无线接入网,采纳了功率控制、软切换及更软切换等CDMA关键技术,提高了频谱效率和数据传送能力。基站只做基带处理和扩频,接入系统智能集中于RNC统一管理,引入了适于分组数据传输的协议和机制,数据速率可支持144Kbps、384Kbps,最高可达2Mbps。基站和RNC之间采用基于ATM的Iub接口,而RNC则分别通过基于ATMAAL2的Iu-CS和AAL5的Iu-PS分别与核心网的CS域和PS域相连。
R99版本核心网部分向下兼容GPRS,分为CS电路交换域和PS分组交换域,CS域和PS域分别基于演进的MSC/GMSC和SGSN/GGSN,CS域主要负责与电路型业务相关的呼叫控制和移动性管理等功能,呼叫控制采用TUP,ISUP等标准ISDN信令,移动性管理上采用了进一步演进的MAP协议,物理实体与GSM类似包括了MSC,GMSC,VLR。PS域主要负责与分组型业务相关的会话控制和移动性管理等功能,在原有的GPRS系统基础上对一些接口协议,工作流和和业务功能作部分改动,相对于GPRS,增加了服务级别的概念,分组域的业务质量保证能力提高,带宽增加;语音编解码器在核心网实现,支持系统间切换(GSM/UMTS),增强了安全和计费功能。
R4版本相对于R99,无线接入网网络结构没有改变,改变的只是一些接口协议的特性和功能的增强;但在核心网CS域改变较大。R4核心网CS域采用开放式结构,控制与底层承载相分离,由MSC服务器和MGW媒体网关配合,替代原有的节点式MSC交换机实现呼叫接续和控制功能,整个CS核心网由TDM中心节点交换型演进为典型的分组话音分布式体系结构。同时,CS核心网采用ATM/IP分组交换网替代原来的TDM电路交换,提高了带宽利用效率。R4版本在无线宽带接入速率方面与R99基本相同。
R5版本在无线接入网方面引入了IPUTRAN和HSDPA高速下行分组接入。IPUTRAN在无线接入网部分采用IP来承载用户信令和用户数据;HSDPA(高速下行分组接入)用于实现WCDMA网络高速下行数据业务,下行数据接入速率理论上可高达14.4Mbps,同时可以把同样无线频段中的系统数据容量提高一倍以上。HSDPA能达到这样高的接入速率,在于其引入了先进技术以及相应的无线接入网结构的一些改进,如引入了高速下行共享信道HS-DSCH,采用缩短的子帧和高阶QAM调制、采用自适应调制编码AMC和物理层混合自动重传HARQII/III,直接在NodeB中进行快速包调度等。R5版本在核心网方面增加了IP多媒体子系统(IMS),但IMS域还无法完全取代R4分组化的CS域,R5只是R4的补充和满足IP多媒体业务的需求的一个版本。
R6版本中引入了HSUPA高速上行分组接入以及MBMS多媒体广播和组播业务。与HSDPA相类似,HSUPA采用自适应调制编码AMC、混合自动重传HARQ以及更加灵活的NodeB快速调度等技术,理论上可为用户提供5.8Mbps的上行数据接入。MBMS可在无线接入网中实现点到多点的高速多媒体业务广播和组播,实现了网络资源的共享,提高了网络资源特别是无线资源的利用效率。目前R6版本还没完全确定,还在3GPP的讨论和不断演化之中。
CDMA2000体制移动宽带无线接入技术
1.CDMA20001X:
cdma20001x是由IS-95A/B演化而来的,它是cdma2000第三代移动通信系统的第一个阶段,可以看作是2.5G技术。cdma20001x在IS-95A/B的基础上,对无线接入网络部分进行了改进,采用比IS295A/B更先进的技术,在无线信道类型、物理信道调制和无线分组接口功能上都有很大的增强。cdma20001x的话音容量大约是IS-95A/B的1.5~2倍,能够在1.25MHz的带宽上提供高达153.6kbit/s的双向数据业务。核心网部分则原来的电路交换网基础上,增加了一个分组交换网络,支持移动IP业务,支持QoS,能适应更多、更复杂的多媒体业务。
根据IMT-2000原定计划,cdma2000系统将从1x起步,即首先使用单载波系统来保证与第二代移动通信系统的兼容。随着技术的发展,通过把三个或三个以上的载波捆绑在一起的方式,进一步提高性能。但之后,多个载波的方式没有成为主要的研究方向。而是在单个载波的基础上,提出了一系列新的技术,来增强cdma2000的性能。这些新的技术被叫做1xEV技术,即1x技术的演进。这些1xEV技术主要包括1xEV-DO和1xEV-DV。
2.CDMA20001XEV-DO:
1xEV-DO采用将数据业务和和语音业务分离的思想,在独立于cdma20001x的载波上向移动终端提供高速无线数据业务,不支持话音业务。1xEV-DO针对高速分组数据传输的特点,在前向链路上采用了诸如前向最大功率发送、高阶调制、动态速率控制、自适应编码调制、HARQ、多用户分集和调度以及时分调度等多项技术,前向链路速率可达2.46Mbps;而对于反向链路上的数据传输,和cdma20001x基本相同。
1xEV-DO与1x不完全兼容,1xEV-DO单模终端不能在cdma20001x网络中通信,同样cdma20001x单模终端也不能在1xEV-DO网络中通信。在组网方面,对于那些只需要分组数据业务的用户,1xEV-DO可以单独组网,此时的核心网配置可采用基于IP的、较为简单的网络结构;对于同时需要语音、数据业务的用户,可以与cdma20001x联合组网,同时提供语音与高速分组数据业务,不过这时用户终端需要采用同时支持1xEV-DO与cdma20001x的双模终端。
1xEV-DO保持了与cdma20001x在设计和网络结构上的兼容性。在无线射频部分,1xEV-DO具有与cdma20001x相同的射频特性及实现方式,升级时可以直接使用已有的cdma20001x射频部分;在核心网部分,1xEV-DO也可以与cdma20001x共用相同的分组数据核心网。目前国际上,1xEV-DO已经商用,技术较为成熟。
3.CDMA20001XEV-DV:
与1xEV-DO只提供高速数据业务不同,1xEV-DV的设计目标要求能提供混合高速数据和话音业务。1xEV-DV可完全后向兼容cdma20001x,便于从1x网络升级,其空中接口标准分两个版本:Rel.C和Rel.D。Rev.C主要改进和增强了CDMA20001X的前向链路,前向峰值速率达到3.1Mbps,Rev.D则改进和增强了反向链路,反向峰值速率达到1.8Mbps,而在Rev.C中反向峰值速率仅为230.4kb/s。但Rev.C和Rev.D版本中对话音容量都没有很大的改善。
Rel.C结合诸多新技术如自适应调频编码(AMC)、混合自动重发请求(HARQ)、使用TDM/CDM混合的新高速分组数据信道(F-PDCH);可支持多种业务组合;后向兼容cdma20001x,不必采用双模终端,可由1X系统平滑演进到1XEV-DV;能更有效地支持数据业务等。
WiMAX的全名是微波存取全球互通(WorldwideInteroperabilityforMicrowaveAccess),能提供最高接入速度是70Mbitps,其信号传输半径可以达到50公里,刚好弥补了WiFi、3G的不足。WiMAX不仅在北美、欧洲迅猛发展,而且这股热浪已经推进到亚洲。
用户对互联网的速率要求越来越高,目前韩国达20.4Mbitps,日本达15.8Mbitps,瑞典达成2.8Mbitps。为了适应通信用户日益增长的高速多媒体数据业务需求,4G移动通信系统不管是采用WiMAX技术还是采用LTE技术,与3G相比,4G将是以数字宽带为主的高度自组织、自适应的网络,其特点主要有:高速率、良好的兼营性、多类型用户共存、多种业务的融合、多种先进的技术应用。
4G移动通信系统的关键技术:
(1)OFDM正交频分复用技术
OFDM正交频分复用技术的基本思想是将高速串行的数据码流变换成N(通常取偶数)路并行的低速数据流,再将这N路低速数据流分别调制到等频间隔的一组总数为N的子载波上,并且这组子载波要满足下交的条件。OFDM技术的优点是可以通地添加循环前缀来减小或消除码间干扰,对多径衰落和多普勒频移不敏感,提高了频谱利用率,可实现低成本的单波段接收机。OFDM的主要缺点是功率效率不高,对频偏和相位噪声比较敏感。
(2)MIMO技术
MIMO(多进多出)是未来移动通信的关键技术。MIMO技术主要有两种表现形式,即空间复用和空时编码。这两种形式在WiMAX协议中都得到了应用。WiMAX相关协议还给出了同时使用空间复用和空时编码的形式。支持MIMO是协议中的一种可选方案,结合自适应天线阵(AAS)和MIMO技术,能显著提高系统的容量和频谱利用率,可以大大提高覆盖范围并增强应对快衰落的能力,使得在不同环境下能够获得最佳的传播性能
(3)软件无线电技术
软件无线电是美国MTLTRE公司于1992年明确提出的,其基本思想是将标准化、模块化的硬件功能单元经过一个通用硬件平台,利用软件加载方式来实现各种类型的无线电通信系统,所有体制和标准的更新,以及不同体制之间的兼营,都可以通过适当的软件来完成。软件无线电的核心思想是在尽可能靠近天线的地方使用宽带A/D和D/A变换器,并尽可能多地用软件来定义无线功能,各种功能和信号处理都尽可能用软件实现。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、信源编码软件、信道纠错编码软件、调制解调算法软件等。软件无线电使得系统具有灵活性和适应性,能够适应不同的网络和空中接口。软件无线电技术能支持采用不同空中接口的多模式手机和基站,能实现各种应用的可变QoS。
(4)智能天线技术
智能天线(SA)原名自适应天线阵列,由多个天线单元组成,每个天线后面接一个加权器,经过加权器处理以后的信号,最后用相加器进行合并。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,被认为是未来移动通信的关键技术。智能天线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,旁瓣或零陷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。
(5)调制与编码技术
4G移动通信系统采用新的调制技术,如多载波正交频分复用调制技术以及单载波自适应均衡技术等调制方式,以保证频谱利用率和延长用户终端电池的寿命。4G移动通信系统采用更高级的信道编码方案(如Turbo码、级连码和LDPC等)、自动重发请求(ARQ)技术和分集接收技术等,从而在低Eb/N0条件下保证系统足够的性能。
(6)高性能的接收机
4G移动通信系统对接收机提出了很高的要求。Shannon定理给出了在带宽为BW的信道中实现容量为C的可靠传输所需要的最小SNR。按照Shannon定理,可以计算出,对于3G系统如果信道带宽为5MHz,数据速率为2Mb/s,所需的SNR为l.2dB;而对于4G系统,要在5MHz的带宽上传输20Mb/s的数据,则所需要的SNR为12dB。可见对于4G系统,由于速率很高,对接收机的性能要求也要高得多。
(7)全IP技术
4G移动通信系统应该是一个全IP的网络,全IP网络节约成本,提高可扩展性,灵活性,并使网络运行更有效率,可支持IPv6,解决IP地址不足并能实现移动IP。同已有的移动网络相比具有根本性的优点,即:可以实现不同网络间的无缝互联。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兼容。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(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。
(8)多用户检测技术
多用户检测是WCDMA通信系统中抗干扰的关键技术。在实际的CDMA通信系统中,各个用户信号之间存在一定的相关性,这就是多址干扰存在的根源。由个别用户产生的多址干扰固然很小,可是随着用户数的增加或信号功率的增大,多址干扰就成为WCDMA通信系统的一个主要干扰。传统的检测技术完全按照经典直接序列扩频理论对每个用户的信号分别进行扩频码匹配处理,因而抗多址干扰能力较差;多用户检测技术在传统检测技术的基础上,充分利用造成多址干扰的所有用户信号信息对单个用户的信号进行检测,从而具有优良的抗干扰性能,解决了远近效应问题,降低了系统对功率控制精度的要求,因此可以更加有效地利用链路频谱资源,显著提高系统容量。随着多用户检测技术的不断发展,各种高性能又不是特别复杂的多用户检测器算法不断提出,在4G实际系统中采用多用户检测技术将是切实可行的。
(9)切换技术
MDHO(宏分集切换)和F基站S(快速基站切换)。移动台可以通过当前的服务基站广播的消息获得相邻小区的信息,或者通过请求分配扫描间隔或者是睡眠间隔来对邻近的基站进行扫描和测距的方式获得相邻小区信息,对其评估,寻找潜在的目标小区。切换既可以由终端决策发起也可以由基站决策发起。在进行快速基站切换(F基站S)时,终端只与Anchor基站进行通信;所谓快速是指不用执行HO过程中的步骤就可以完成从一个Anchor基站到另一个Anchor基站的切换。支持F基站S对于终端和基站来说是可选的。进行宏分集切换(MDHO)时,终端可以同时在多个基站之间发送和接收数据,这样可以获得分集合并增益以改善信号质量。是否支持MDHO对于终端和基站来说是可选的。
(10)睡眠模式
高等职业教育与普通高等教育相互融合的过程,也就是学校、学生和企业之间不同利益诉求的协调过程。学校的着眼点集中在人才培养的专业设置和培养方式上;学生的学习在某种程度上是以就业为导向的;企业期望能达到本企业人力资本专用性较高的目标。移动通信工程正处于大规模建设期,企业对专业技术人才有持续大量的需求。但目前高等院校培养的人才与企业实际用人需求之间存在较大差距,刚走出校门的学生难以在移动通信行业就业,更得不到很好的职业发展。因此,实现职业教育和普通教育的融合,搭建培养学生职业技能的平台,是创新高等教育改革的发展之路。这种新型教育形态开启了促进学校自身发展、提高学生职业技能以及充实企业创新性工程技术人才储备的共赢局面。
二、建立以行业需求为驱动、面向工程技术应用的人才培养体系
人才培养体系是指围绕一定的培养目标组织起来的相对稳定的教育教学活动的结构样式。根据移动通信行业的需求分析,工程服务技术人员和产品制造技术人员是企业对于工程技术人才最大的需求。以这两个岗位对专业知识和专业技能的要求为基本出发点,确立通信工程专业移动通信技术人才的培养体系。在原通信工程专业培养标准的基础上进行适当扩展,使学生具有必要的专业理论知识和较强的专业操作技能,为学生今后的职业发展进行必要的知识储备,使学生具备初级工程师的技术素质,形成培养满足社会行业需求的专业技术人才的闭环模式。在经济全球化的新形势下,培养体系也需要逐步调整为持续、整体、完全和全面的终身培养体系,以适应社会对人才多样化的需求。
三、形成以课题为依托的人才培养机制
1.加强教师队伍的教师风范、学术水平与教学水平建设,确保教学工作顺利进行。
教师素质是影响教学质量的首要因素,教学团队应具有合理的整体素质、知识与年龄结构、较强的责任感、团结协作精神、较高的学术造诣、丰富的教学经验、鲜明的教学特色。在组建教师队伍时,要做到以下几点:第一,主动加强所讲课程的理论知识学习,坚持凝聚集体智慧的课程组集体备课制度,对于同一门课程要学大纲和进度。教师可将最新科研成果引入教学实践活动中来,或以科研成果为基础,在大学科技园创办成立科技型公司,促进科技成果产业化。科技园为入园企业和机构提供财务、法律、专利、商标等咨询服务;全面开放图书、网络、科研设施等资源。第二,努力学习高等教育学和心理学理论,夯实开展教育研究和教学改革的基础。积极参加教育教学研究活动,并承担课程质量检查评估和教育研究课题。每学期末对教学改革试点进行详细的教学实践总结,认真接受课程教学质量评议并从中总结经验教训。第三,及时了解学生的学习需求,按照学生年级、层次以及素质上的差异,有针对性地对学生进行学习方法论的教育,培养学生良好的学风和科学思维能力,形成良好的师生沟通桥梁。第四,在实施承担的课程、实验、实习等教学任务的过程中,注意随时收集和整理教学内容、重点、难点、学生学习效果、教学方法等方面的教学资料。第五,课程负责人每学期都应有计划地组织本课程组教师进行教学研究活动,遵循民主讨论原则,鼓励不同教学思想和观点间的讨论与交流,坚持定期教学研究活动日制度,努力提高教师群体的教学研究和教学水平。
2.健全“以学生为中心”的教学活动设计,助推学生奋发进取,挖掘学生的最大潜能。
“以学生为中心”的教学活动就是坚持以学生为本的原则,贴近学生个性,组织学生以小组形式进行讨论、各小组成员之间相互协作共同学习课程中教学难点。第一,在教学活动开展之前,教师要对先修课程、相关课程和后续课程进行正确而全面的了解,以便处理好课程间的衔接关系,减少内容上不必要的重复,提高课时效益。还要对学生的总体学习基础进行细致的摸底,按大多数学生的知识水平和接受能力精选教学内容,安排各教学环节的进度。第二,在教学活动开展过程中,教师要能承上启下,讲清该堂课程的教学目标、教学内容和工程背景。设计的课程内容应符合教学大纲的要求,具备思想性、科学性和系统性,反映出本课程和相关课程的新进展,才能深深吸引住学生。讲授课程时,要做到概念准确、思路清晰、层次分明;要突出重点问题、循序渐进地讲透难点,要注意观察学生的反馈使学生的思维跟上教师的节奏。教师要把握时机在适宜的时间提出问题,使学生始终处于积极思考中。鼓励学生参与到教学活动中来,给学生提供展示自我才华的机会,形成教师与学生、学生与学生之间良性沟通的渠道,创造出活跃的课堂气氛。第三,在教学活动结束后,要给学生布置能培养学习积极性和激发创新思维能力的作业,内容上要侧重于课程讲授的新概念、新知识的理解和综合应用,用于检测教学目标的实现程度。同时,注意收集学生对教学效果的评价,以便及时发现教学过程中的不足之处,逐渐优化教学内容和教学活动的组织形式,达到传授知识和培养能力并重的目标。
3.项目组人员管理的导生制协作学习是激发学生学习兴趣的有效措施。
在项目组成员中挑选学习成绩突出、动手能力较强的硕士研究生作为本科学生的组长,负责本小组的日常管理和对组员的学习指导。搭建小组制平台,既能锻炼组长的组织协调能力,鞭策组长养成钻研问题的良好习惯,进而给全体组员树立学习的榜样。项目组在统筹安排的基础上将项目涉及的研究问题分配给各小组,各小组成员共同解决问题的过程就是对所学知识消化、巩固和深化的过程。项目组每周例会中,由组长汇报各组的课题进展情况,将未解决的疑难问题提交项目组进一步讨论。项目组全体成员积极参与,集思广益进行新问题的探索,疏通课题研究的路障,在更深更广的维度上查阅资料,寻找问题的突破口。例会结束之前还要制订下一周的研究计划,督促各小组积极开展研究工作,确保项目实施稳步推进。
四、规划以突出工程技术人员职业能力为目标的开放式实验室
移动通信工程技术的实用性很强,为使学生达到企业的用人要求,应创造条件让学生在学校就具备项目实施的工作能力。为实现这一培养目标,必须为学生提供足量的实验和实训设备,结合实物学习,强化学习效果;模拟真实的应用环境,亲自动手操作,快速提升操作经验。实验教学是课程教学的有机组成部分,能加深理解课堂知识和扩大知识外延,在人才培养过程中具有重要的地位和作用。
1.高水平的实验室技术队伍是培养学生职业基本技能的必要前提。
实验技术人员是高等学校教学和科研队伍的重要组成部分,实验教学是提高教学质量和科研水平的有力支撑。应加强实验技术人员的队伍建设,鼓励实验技术人员提高专业技术水平,履行相应的职责,完成本职工作,为教学和科研工作做出应有的贡献。鼓励教师、工程技术人员参加实验室的建设,重视科研工作对实验教学质量提高的作用。积极组织学生参加实验室日常工作,培养学生在实际工作和操作中的能力。
2.不断革新实验教学内容,逐步实现教育资源最优配置的实验室开放式管理模式。
开放式实验室,即实验室对学生全天开放。学生可以利用实验室的仪器设备进行课外学习、实验研究和科技制作活动,使实验室成为培养学生创新精神和实践能力的基地。一方面,进一步开放教学实验内容,提供多个选修实验项目,学生能以“点菜式”方式自由选择实验项目。另一方面,允许学生自拟实验项目,加强近代测试技术训练,以开阔学生的视野和工作适应性。
五、与企业密切合作,共同探索协同发展的工作机制
校外实习作为职业教育的现场教学和实践环节,是增强学生感性认识和培养创新意识的关键。根据通信工程专业的学科特点,选择能满足实习教学任务需求的企业,本着双方自愿、各施所长、互补所需的原则,建立教学、科研、生产一体化的综合实习基地。校外实习阶段主要包括以下四个方面。
(1)实习教师的选定。
学院要选派责任心强、实践经验丰富且熟悉实习企业情况的教师作为院派实习带队教师,实习单位的实习指导教师应具有中级以上职称。
(2)实习内容的确定。
实习内容既要符合学院实纲的基本内容,也要照顾到企业的实际生产任务,争取得到实习单位对实习工作的支持。
(3)实习过程的管理。
学生实习前必须按照《实习守则》的要求,明确实习目的、意义及内容。实习期间要严格遵守实习单位的各项规章制度,在指定场所、岗位及设备进行实习,未经允许不得随意串岗。
(4)实习成绩的评定。
【论文关键词】移动通信;3G;发展;展望
伴随着移动通信市场的快速发展,用户对更高性能的移动通信系统提出了更高要求,希望享受更为丰富和高速的通信业务。第二代移动通信运营商发展速度趋于缓和而竞争越加激烈,为寻找新的增长点,通过发展数据业务来提高自身的服务质量和业务类型,需要3G的支持。同时由于第二代移动通信无线频率资源日趋紧张,已不能满足长期的通信需求发展需要。
1移动通信的发展历程
第一代移动通信系统是在20世纪80年代初提出的,它完成于20世纪90年代初。第一代移动通信系统是基于模拟传输的,其特点是业务量小、质量差、交全性差、没有加密和速度低。
第二代移动通信系统(2G)起源于90年代初期。欧洲电信标准协会在1996 年提出了GSM Phase 2+,目的在于扩展和改进GSM Phase 1及Phase 2中原定的业务和性能。它主要包括CMAEL(客户化应用移动网络增强逻辑),SO(支持最佳路由)、立即计费,GSM 900/1800双频段工作等内容,也包含了与全速率完全兼容的增强型话音编解码技术,使得话音质量得到了质的改进;半速率编解码器可使GSM系统的容量提高近一倍。在GSM Phase2+ 阶段中,采用更密集的频率复用、多复用、多重复用结构技术,引入智能天线技术、双频段等技术,有效地克服了随着业务量剧增所引发的GSM 系统容量不足的缺陷;自适应语音编码(AMR)技术的应用,极大提高了系统通话质量;GPRS/EDGE技术的引入,使GSM与计算机通信/Internet有机相结合,数据传送速率可达115/384kbit/s,从而使GSM 功能得到不断增强,初步具备了支持多媒体业务的能力。尽管2G技术在发展中不断得到完善,但随着用户规模和网络规模的不断扩大,频率资源己接近枯竭,语音质量不能达到用户满意的标准,数据通信速率太低,无法在真正意义上满足移动多媒体业务的需求。
2第三代移动通信系统概述
第三代移动通信业务主要是话音和中低速数据, 码率为384 kb/ s (局域网可达2 Mb/ s) , 因而可传送比目前GSM (第二代移动通信) 更高码率的信息。随着多媒体业务的发展, 2 Mb/ s 的码率将越来越不能满足用户各种新的宽带业务的需要, 因此国际上已开始研究第四代移动通信系统, 第一步目标是10 Mb/ s 以上。我们国内则尚未启动。因此需尽早开始研究其关键技术。需要解决的关键技术有: 宽带多媒体移动通信系统的体系结构, 包括频段、多址方法、无线接入技术、软件无线电的硬件和软件、多载波调制和OFDM 技术、自适应天线阵、高效信道编码技术(如Turbo 码) 等。
第三代移动通信系统(3G),也称IMT2000,是正在全力开发的系统,其最基本的特征是智能信号处理技术,智能信号处理单元将成为基本功能模块,支持话音和多媒体数据通信,它可以提供前两代产品不能提供的各种宽带信息业务,例如高速数据、慢速图像与电视图像等。如WCDMA的传输速率在用户静止时最大为2Mbps,在用户高速移动时最大支持144Kbps,所占频带宽度5MHz 左右。但是,第三代移动通信系统的通信标准共有WCDMA,CDMA2000和TD-SCDMA三大分支,共同组成一个IMT 2000家庭,成员间存在相互兼容的问题,因此已有的移动通信系统不是真正意义上的个人通信和全球通信;再者,3G的频谱利用率还比较低,不能充分地利用宝贵的频谱资源;第三,3G支持的速率还不够高,如单载波只支持最大2Mbps 的业务,等等。这些不足点远远不能适应未来移动通信发展的需要,因此寻求一种既能解决现有问题,又能适应未来移动通信的需求的新技术(即新一代移动信:next generation mobile communication)是必要的。
第三代移动通信技术的基本特点:(1)全球统一频段,统一标准,全球无缝覆盖和漫游。(2)频谱利用率高。(3)在144kbps(最好能在384kbps)能达到全覆盖和全移动性,还能提供最高速率达2Mbps的多媒体业务。(4)支持高质量话音、分组多媒体业务和多用户速率通信。(5)有按需分配带宽和根据不同业务设置不同服务等级的能力。(6)适应多用户环境,包括室内、室外、快速移动和卫星环境。(7)安全保密性能优良。(8)便于从第二代移动通信向第三代移动通信平滑过渡。(9)可与各种移动通信系统融合,包括蜂窝、无绳电话和卫星移动通信等。(10)终端(手机)结构简单,便于携带,价格较低。
3第四代移动通信系统
4G系统中有两个基本目标: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。目前正在构思中的4G通信具有以下特征:(1)网络频谱更宽。要想使4G通信达到100Mbps的传输速率,通信运营商必须在3G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-CDMA 3G网络的20倍;(2)通信速度更快。人们研究4G通信的最初目的是为了提高蜂窝电话和其他移动终端访问Internet的速率,因此,4G通信最显著的特征就是它有更快的无线传输速率。据专家估计,第四代移动通信系统的传输速率速率可以达到10M~20Mbps,最高可以达到100Mbps;(3)通信更加灵活。从严格意义上说,4G手机的功能已不能简单划归“电话机”的范畴,因为语音数据的传输只是4G移动电话的功能之一而已。而且4G手机从外观和式样上看将有更惊人的突破,可以想象的是,眼镜、手表、化妆盒、旅游鞋都有可能成为4G终端;(4)智能性更高。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,更重要的是4G手机可以实现许多目前还难以想象的功能;(5)兼容性更平滑。要使4G通信尽快地被人们接收,还应该考虑到让更多的用户在投资最少的情况下较为容易地过渡到4G通信。因此,从这个角度来看,4G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3G平稳过渡等特点。
总之,随着新问题、新要求的不断出现, 第四代移动通信技术将会相应地调整、完善和进一步发展。纵观移动通信技术的发展规律和第四代通信技术的优点,我们相信,不远的将来,人们将不受时间、地点限制,可以自由自在地利用移动网络获取和传递信息。从而人们的学习、工作、生活将会发生更深刻的变化。
论文摘要:21世纪移动通信技术和市场飞速发展,在新技术和市场需求的共同作用下,未来移动通信技术将呈现以下几大趋势:网络业务数据化、分组化,移动互联网逐步形成;网络技术数字化、宽带化;网络设备智能化、小型化;应用于更高的频段,有效利用频率;移动网络的综合化、全球化、个人化;各种网络的融合;高速率、高质量、低费用。这正是第四代(4G)移动通信技术发展的方向和目标。
一、引言
移动通信是指移动用户之间,或移动用户与固定用户之间的通信。随着电子技术的发展,特别是半导体、集
成电路和计算机技术的发展,移动通信得到了迅速的发展。随着其应用领域的扩大和对性能要求的提高,促使移动通信在技术上和理论上向更高水平发展。20世纪80年代以来,移动通信已成为现代通信网中不可缺少并发展最快的通信方式之一。
回顾移动通信的发展历程,移动通信的发展大致经历了几个发展阶段:第一代移动通信技术主要指蜂窝式模拟移动通信,技术特征是蜂窝网络结构克服了大区制容量低、活动范围受限的问题。第二代移动通信是蜂窝数字移动通信,使蜂窝系统具有数字传输所能提供的综合业务等种种优点。第三代移动通信的主要特征是除了能提供第二代移动通信系统所拥有的各种优点,克服了其缺点外,还能够提供宽带多媒体业务,能提供高质量的视频宽带多媒体综合业务,并能实现全球漫游。现在用的大多是第二代技术,第三代技术还不太成功,但已有了第四代技术的设想。第四代移动通信系统(4G)标准比第三代具有更多的功能。
二、4G移动通信简介
第四代移动通信技术的概念可称为宽带接入和分布网络,具有非对称的超过2Mbit/s的数据传输能力。它包括宽带无线固定接入、宽带无线局域网、移动宽带系统和交互式广播网络。第四代移动通信标准比第三代标准拥有更多的功能。第四代移动通信可以在不同的固定、无线平台和跨越不同的频带的网络中提供无线服务,可以在任何地方用宽带接入互联网(包括卫星通信和平流层通信),能够提供定位定时、数据采集、远程控制等综合功能。此外,第四代移动通信系统是集成多功能的宽带移动通信系统,是宽带接入IP系统。目前正在开发和研制中的4G通信将具有以下特征:
(一)通信速度更快
由于人们研究4G通信的最初目的就是提高蜂窝电话和其他移动装置无线访问Internet的速率,因此4G通信的特征莫过于它具有更快的无线通信速度。专家预估,第四代移动通信系统的速度可达到10-20Mbit/s,最高可以达到100Mbit/s。
(二)网络频谱更宽
要想使4G通信达到100Mbit/s的传输速度,通信运营商必须在3G通信网络的基础上对其进行大幅度的改造,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。
(三)多种业务的完整融合
个人通信、信息系统、广播、娱乐等业务无缝连接为一个整体,满足用户的各种需求。4G应能集成不同模式的无线通信——从无线局域网和蓝牙等室内网络、蜂窝信号、广播电视到卫星通信,移动用户可以自由地从一个标准漫游到另一个标准。各种业务应用、各种系统平台间的互联更便捷、安全,面向不同用户要求,更富有个性化。而且4G手机从外观和式样上看将有更惊人的突破,可以想象的是,眼镜、手表、化妆盒、旅游鞋都有可能成为4G终端。
(四)智能性能更高
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,更重要的是4G手机可以实现许多难以想象的功能。例如,4G手机将能根据环境、时间以及其他因素来适时提醒手机的主人。
(五)兼容性能更平滑
要使4G通信尽快地被人们接受,还应该考虑到让更多的用户在投资最少的情况下轻易地过渡到4G通信。因此,从这个角度来看,4G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2G、3G平稳过渡等特点。
(六)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”。
(七)通信费用更加便宜
由于4G通信不仅解决了与3G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通信技术,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,通信运营商们将考虑直接在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成本。
三、4G移动通信的接入系统
4G移动通信接入系统的显著特点是,智能化多模式终端(multi-modeterminal)基于公共平台,通过各种接技术,在各种网络系统(平台)之间实现无缝连接和协作。在4G移动通信中,各种专门的接入系统都基于一个公共平台,相互协作,以最优化的方式工作,来满足不同用户的通信需求。当多模式终端接入系统时,网络会自适应分配频带、给出最优化路由,以达到最佳通信效果。目前,4G移动通信的主要接入技术有:无线蜂窝移动通信系统(例如2G、3G);无绳系统(如DECT);短距离连接系统(如蓝牙);WLAN系统;固定无线接入系统;卫星系统;平流层通信(STS);广播电视接入系统(如DAB、DVB-T、CATV)。随着技术发展和市场需求变化,新的接入技术将不断出现。
不同类型的接入技术针对不同业务而设计,因此,我们根据接入技术的适用领域、移动小区半径和工作环境,对接入技术进行分层。
分配层:主要由平流层通信、卫星通信和广播电视通信组成,服务范围覆盖面积大。
蜂窝层:主要由2G、3G通信系统组成,服务范围覆盖面积较大。
热点小区层:主要由WLAN网络组成,服务范围集中在校园、社区、会议中心等,移动通信能力很有限。
个人网络层:主要应用于家庭、办公室等场所,服务范围覆盖面积很小。移动通信能力有限,但可通过网络接入系统连接其他网络层。
固定网络层:主要指双绞线、同轴电缆、光纤组成的固定通信系统。
网络接入系统在整个移动网络中处于十分重要的位置。未来的接入系统将主要在以下三个方面进行技术革新和突破:为最大限度开发利用有限的频率资源,在接入系统的物理层,优化调制、信道编码和信号传输技术,提高信号处理算法、信号检测和数据压缩技术,并在频谱共享和新型天线方面做进一步研究。为提高网络性能,在接入系统的高层协议方面,研究网络自我优化和自动重构技术,动态频谱分配和资源分配技术,网络管理和不同接入系统间协作。提高和扩展IP技术在移动网络中的应用;加强软件无线电技术;优化无线电传输技术,如支持实时和非实时业务、无缝连接和网络安全。
四、4G移动通信系统中的关键技术
(一)定位技术
定位是指移动终端位置的测量方法和计算方法。它主要分为基于移动终端定位、基于移动网络定位或者混合定位三种方式。在4G移动通信系统中,移动终端可能在不同系统(平台)间进行移动通信。因此,对移动终端的定位和跟踪,是实现移动终端在不同系统(平台)间无缝连接和系统中高速率和高质量的移动通信的前提和保障。
(二)切换技术
切换技术适用于移动终端在不同移动小区之间、不同频率之间通信或者信号降低信道选择等情况。切换技术是未来移动终端在众多通信系统、移动小区之间建立可靠移动通信的基础和重要技术。它主要有软切换和硬切换。在4G通信系统中,切换技术的适用范围更为广泛,并朝着软切换和硬切换相结合的方向发展。
(三)软件无线电技术
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DSP进行信道分离、调制解调和信道编译码等工作。它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,就可以实现在不同系统和平台之间,畅通无阻的使用。目前比较成熟的软件无线电技术有参数控制软件无线电系统。
(四)智能天线技术
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,能满足数据中心、移动IP网络的性能要求。智能天线成形波束能在空间域内抑制交互干扰,增强特殊范围内想要的信号,这种技术既能改善信号质量又能增加传输容量。
(五)交互干扰抑制和多用户识别
待开发的交互干扰抑制和多用户识别技术应成为4G的组成部分,它们以交互干扰抑制的方式引入到基站和移动电话系统,消除不必要的邻近和共信道用户的交互干扰,确保接收机的高质量接收信号。这种组合将满足更大用户容量的需求,还能增加覆盖范围。交互干扰抑制和多用户识别两种技术的组合将大大减少网络基础设施的部署,确保业务质量的改善。
(六)新的调制和信号传输技术
在高频段进行高速移动通信,将面临严重的选频衰落(frequency-selectivefading)。为提高信号性能,研究和发展智能调制和解调技术,来有效抑制这种衰落。例如正交频分复用技术(OFDM)、自适应均衡器等。另一方面,采用TPC、Rake扩频接收、跳频、FEC(如AQR和Turbo编码)等技术,来获取更好的信号能量噪声比。
五、OFDM技术在4G中的应用
若以技术层面来看,第三代移动通信系统主要是以CDMA为核心技术,第四代移动通信系统技术则以正交频分复用(OrthogonalFreqencyDivisionMultiplexer,OFDM)最受瞩目,特别是有不少专家学者针对OFDM技术在移动通信技术上的应用,提出相关的理论基础。例如无线区域环路(WLL)、数字音讯广播(DAB)等,都将在未来采用OFDM技术,而第四代移动通信系统则计划以OFDM为核心技术,提供增值服务。
在时代交替之际,旧有系统之整合与升级是产业关心的话题,目前大家谈的是GSM如何升级到第三代移动通信系统;而未来则是CDMA如何与OFDM技术相结合。可以预计,CDMA绝对不会在第四代移动通信系统中消失,而是成为其应用技术的一部份,或许未来也会有新的整合技术如OFDM/CDMA产生,前文所提到的数字音讯广播,其实它真正运用的技术是OFDM/FDMA的整合技术,同样是利用两种技术的结合。因此未来以OFDM为核心技术的第四代移动通信系统,也将会结合两项技术的优点,一部份将是以CDMA的延伸技术。
六、结束语
对于现在的人来说,未来的4G通信的确显得很神秘,不少人都认为第四代无线通信网络系统是人类有史以来最复杂的技术系统。总的来说,要顺利、全面地实施4G通信,还将可能遇到一些困难。
首先,人们对未来的4G通信的需求是它的通信传输速度将会得到极大提升,从理论上说最高可达到100Mbit/s,但手机的速度将受到通信系统容量的限制。据有关行家分析,4G手机将很难达到其理论速度。
其次,4G的发展还将面临极大的市场压力。有专家预测,在10年以后,2G的多媒体服务将进入第三个发展阶段,此时覆盖全球的3G网络已经基本建成,全球25%以上的人口使用3G,到那时,整个行业正在消化吸收第三代技术,对于4G技术的接受还需要一个逐步过渡的过程。
因此,在建设4G通信网络系统时,通信运营商们将考虑直接在3G通信网络的基础设施之上,采用逐步引入的方法,使移动通信从3G逐步向4G过渡。
参考文献:
1、谢显忠等.基于TDD的第四代移动通信技术[M].电子工业出版社,2005.
关键词 移动电子商务 XML 数据加密 RC4 ECC
随着互联网的飞速发展,电子商务具有高效、成本低的优点,使电子商务渐渐变为新兴的经营模式,且移动通信技术越来越成熟的发展,人们也开始发现结合移动通信技术的移动电子商务将来会拥有更大的发展空间。可是,移动商务不单单给我们带来了便利,还给我们带来了一系列问题。主要体现在移动电子商务在为客户提供通信的灵活及自由时也伴随着很多不安全的地方,威胁到了网络客户的个人及信息的安全。所以,关于研究传输数据过程当中的加密问题是很值得重视的。
1立足于XML的数据加密技术
XML加密技术是将XML加密规范作为基础,XML加密规范由W3C发展且在2002年9月公开的。XML加密首要特征就是既能加密完整的XML文件,还可以加密一个XML文档中的数据及部分内容。因此,在一个文档中只需要对部分需要加密的部分进行加密的时候就可以在加密的时候将它们单独加密。还可以将同一文档之中不同的部分在加密时使用不同的密钥,然后把同一个XML文档发送给不同的人,不同的接收人看见的部分就只局限于与自身有关的部分。将同一XML文档运用此种方式加密,加密部分的首尾会产生两个XML标签,以此来表明这个文档的加密是按照XML加密标准实施的,加密之后XML文档的数据就会显示一串密文来代替之前的真实标签及内容。XML加密标准让提供XML数据的一方能够随着不同的用户需要对内容实行颗粒化的处理及控制,因为没有对整个XML文件进行了加密而只是对特定的数据进行了加密,所以XML处理器还是可以处理及识别整个文件。
2立足于XML数据加密的设计与实现即混合加密方法的原理
现代密码学的运用考虑到密钥的保密性,组成现代密码系统的要素包括明文、算法、密钥和密文。基于密钥的算法一般包含不对称加密算法及对称加密算法。这两种方法都有着各自的不足。运行速度与对称加密算法相比慢了很多是不对称加密算法的主要不足,因此在加密大数据方面来讲不太实用。对称加密的主要不足体现在以下三点:(1)是密钥的安全性;(2)互相通信的两方的密钥都是相同的,由于通信的内容有可能是双方运用一样的密钥形成的,因此其中的一方可以对发送过的消息进行否认;(3)在参与通信的人员太多的时候就会产生密钥数据的急剧膨胀。
混合加密的技术就是将不对称加密算法及对称加密方法的优势相结合。混合加密技术中,每个客户和对端共用一个秘密的主密钥,经过运用加密该主密钥完成话密钥的分配,主密钥的分配运用公密钥方式,再将这个主密钥用作加密用户信息的密钥,也就是运用对称加密算法对大数据量进行加密,比如交易过程中的客户或商品的详尽资料,再运用不对称加密算法对小的数据量进行加密,比如对称加密算法的密钥。
3安全及性能的分析
由于运用XML加密技术的数据安全方案之后生成的文件为XML格式,所以拥有XML技术的全部优势,主要体现在以下六点:第一,能够运用在不相同的操作系统上面,即跨平台性;第二,立足于文本文件的加密文件,能够在文本编辑器上进行查看、编辑和修改;第三,加密文件的结构可以经过DTD和Schema文件先定下来,这样的结构定义可以使得不同系统公司的数据交换顺利的进行;第四,拥有极强的扩展性;第五,每一项数据的理解及识别都非常容易,应用程序来访问数据时不是依据数据的位置而是依据描述性记忆,使得应用程序适应改变的特性得到了很大提升;第六,根据文件的性质可以帮助它经过防火墙及其余安全机制,使交换数据变得更加方便。
4结语
现在的人们越来越多的重视XML技术的发展,XML技术输送结构化的数据这种方法被越来越多的公司运用到移动电子商务活动中,这种技术的安全性也显得尤为重要。要想保证数据安全,在移动环境中使用便利,就必须得将结构化的数据加密,这篇论文对XML加密技术的研究正是为了达到这个目的。
这篇论文根据移动电子商务的特征,依赖于XML语言处理数据的优势,研发出将加密数据立足于XML的移动电子商务数据的技术,之后详细阐述了XML加密技术的详尽使用方法及相应的算法,通过不对称加密及对称加密这两个角度做切入点,对移动平台的数据加密采用混合加密的方法,然后再对XML加密技术的安全和性能进行了分析。
参考文献
[1] 舒凯.移动电子商务的信息安全研究[J].移动通信,2004(09).