【文章內容簡介】 WiFi、超寬帶無線電、便攜式電腦、軟件無線電等技術構成的高速全球通網絡。 4G 通信的關鍵技術包括： （ 1）正交頻分復用（ OFDM）：正交頻分復用技術的主要思想就是在頻域內將給定信道分成許多窄的正交子信道，在每個子信道上使用一個子載波進行調制，并且各子 載波并行傳輸，因此可以大大消除信號波形間的干擾。 OFDM 還可以在不同的子信道上自適應地分配傳輸負荷，這樣可以優(yōu)化總的傳輸速率。 OFDM 技術還能對抗頻率選擇性衰落或窄帶干擾。在 OFDM 系統(tǒng)中由于各個子信道的載波相互正交，于是它們的頻譜是相互重疊的，這樣不但減小了子載波間的相互干擾，同時又提高了頻譜利用率。 移動通信信道的突出特點之一就是信道存在多徑時延擴展，它限制了數據速率的提高，因為如果數據速率高于信道的相關帶寬，信號將產生嚴重失真，信號傳輸質量大幅度下降。而 OFDM 技術由于具備上述特點，在 FDMA、 TDMA、 CDMA和 OFDM 等多址方式中， OFDM 是 4G 系統(tǒng)最為合適的多址方案。因此， OFDM 技術已基本被公認為 4G 的核心技術之一。 OFDM 技術主要的技術難點是系統(tǒng)中的頻率和時間同步，基于導頻符號輔助的信道估計，峰平比問題和多普勒頻偏的影響，以及基于 OFDM、多載波技術的新一代蜂窩移動通信系統(tǒng)的多址方案的研究 。 （ 2）智能天線（ SA）與多入多出天線（ MIMO）技術：智能天線具有抑制信號干擾、自動跟蹤以及數字波束調節(jié)等只能功能，被認為是未來移動通信的關鍵技術。智能天線成型波束能在空間域內抑制交互干擾，增強特殊范圍內想要的信大連交通大學 2022 屆本科生畢業(yè)設計（論文） 7 號，這種技術既能改善信號質量又能增加傳輸容量，其基本原理是在無線基站端使用天線陣和相關無線收發(fā)機來實現射頻信號的接收和發(fā)射。同時通過基帶數字信號處理器，對各個天線鏈路上接收到的信號按一定算法進行合并，實現上行波束賦形。目前智能天線的工作方式主要有兩種，全自適應方式和基于多波束的波束切換方式。 多 入多出天線系統(tǒng)技術最早是由馬克尼于 1908 年提出的，它利用多天線來抑制信道衰落。根據收發(fā)兩端天線數量，相對于普通的 SISO 系統(tǒng)， MIMO 還可以包括 SIMO 系統(tǒng)和 MISO 系統(tǒng)。 信道容量隨著天下愛你數量的增大而線性增大，利用 MIMO 信道可成倍的提高無線信道容量，在不增加帶寬和天線發(fā)送功率的情況下，頻譜利用率可以成倍的提高。 利用 MIMO 技術可以提高信道的容量，同時也可以提高信道的可靠性，降低誤碼率，前者是利用 MIMO 信道提供的空間復用增益，后者是利用 MIMO 信道提供的空間分集增益。 MIMO 系統(tǒng)在一定程度上可 以利用傳播中多徑分量，也就是說 MIMO 可以抗多徑衰落，但是對于頻率選擇性深衰落， MIMO 系統(tǒng)依然是無能為力。目前解決 MIMO系統(tǒng)中的頻率選擇性衰落的方案一般是利用均衡技術。還有一種是利用 OFDM。大多數研究人員認為 OFDM 技術是 4G 的核心技術， 4G 需要極高頻譜利用率的技術，而 OFDM 提高頻譜利用率的作用畢竟是有限的，在 OFDM 的基礎上合理開發(fā)空間資源，也就是 MIMO+OFDM，可以提供更高的數據傳輸速率。另外 OFDM 由于碼率低和加入了時間保護間隔而具有極強的抗多徑干擾能力。由于多徑時延小于保護間隔。所以系統(tǒng) 不受碼間干擾的困擾，這就允許單頻網絡可以用于寬帶 OFDM系統(tǒng)，依靠多天線來實現，即采用由大量低功率發(fā)射機組成的發(fā)射機陣列消除陰影效應，來實現完全覆蓋。 （ 3）軟件無線電技術：軟件無線電是利用數字信號處理軟件實現無線功能的技術，能在同一硬件平臺上利用軟件處理基帶信號，通過加載不同的軟件，可實現不同的業(yè)務功能。它通過軟件方式，靈活完成硬件功能，具有良好的靈活性及可編程性，可代替昂貴的硬件電路，實現復雜的功能，對環(huán)境的適應性好，不會老化，便于系統(tǒng)升級，降低用戶設備費用。 軟件無線電技術被認為是可以將不同形式的通信 技術有效聯系在一起的唯一技術。在 4G 移動通信系統(tǒng)中，軟降將會變得非常復雜。為此專家們提議引入軟件無線電技術，將其作為從第二代移動通信桐鄉(xiāng)第三代和第四代移動通信的橋梁。軟件無線電技術能夠將模擬信號的數字化過程盡可能地接近天線，即將 A/D和 D/A 轉換器盡可能地靠近 RF 前端。利用軟件無線電技術進行信道分離，調制大連交通大學 2022 屆本科生畢業(yè)設計（論文） 8 解調和信道編譯碼等工作。軟件無線電技術旨在建立一個無線電通信平臺，在平臺上運行各種軟件系統(tǒng)。以實現多通路，多層次和多模式的無線通信。因此應用軟件無線電技術，一個移動終端就可以實現其在不同系統(tǒng)和平臺之間暢通無 阻的使用。 4G 通信的網絡結構 圖 2G、 3G、 4G 移動通信網絡拓撲圖 4G 系統(tǒng)針對各種不同業(yè)務的接入系統(tǒng)，通過多媒體接入連接到基于 IP 的核心網中?；?IP 技術的網絡結構使用戶可實現在 3G、 4G、 WLAN 及固定網間無縫漫游。 4G 網絡結構可分為三層：物理網絡層、中間環(huán)境層、應用網絡層。 （ 1）物理網絡層提供接入和路由選擇功能。 （ 2）中間環(huán)境層的功能有網絡服務質量映射、地址變換和完全性管理等。 （ 3）物理網絡層與中間環(huán)境層及其應用環(huán)境之間的接口是開放的，使發(fā)展和提供新的服務變得更容易，提供無縫高數據率的無線服務，并運行于多個頻帶，這一服務能自適應于多個無線標準及多模終端，跨越多個運營商和服務商，提供更大范圍服務。 4G 網絡有如下特點： （ 1）支持現有的系統(tǒng)和將來系統(tǒng)通用接入的基礎結構； （ 2）與 Inter 集成統(tǒng)一，移動通信網僅僅作為一個無線接入網； 大連交通大學 2022 屆本科生畢業(yè)設計（論文） 9 （ 3）具有開放、靈活的結構，易于擴展； （ 4）是一個可重構的、自組織的、自適應網絡； （ 5）智能化的環(huán)境，個人通信、信息系統(tǒng)、廣播、娛樂等業(yè)務無縫連接為一個整體，滿足用戶的各種需求； （ 6）用戶在高速移動中，能夠按需接入系統(tǒng)，并在不同系統(tǒng)無縫切換，傳送高速多媒體業(yè)務數據； （ 7）支持接入技術和網絡技術各自獨立發(fā)展。 IPTV 的關鍵技術 IPTV 技術是一項系統(tǒng)技術。它能使音視頻內容節(jié)目或信號，以 IP 包的方式，在不同物理網絡中，被安全、有效且保質地傳送或分發(fā)給不同用戶。它包括音視頻編解碼技術、音視頻服務器和存儲陣列技術、 IP 單播 (unicast)和組播(multicast)技術、 IP QoS 技術、 IP 信令技術（如 SIP 技術）、內容分送網絡 (CDN)技術、數字版權管理 (DRM)技術、 IP 機頂盒與 EPG 技術、用戶管理和收費系統(tǒng)技術等。它還涉及各種不同的寬帶接入網絡技術，如 Cable Modem 網絡技術、以太網絡技術和 ADSL 網絡技術等等。 IPTV 技術能用來提供將視音頻流媒體節(jié)目，如 IP 電視節(jié)目，從節(jié)目中心（ first mile）播出，并通過骨干網、城域網和寬帶接入網（ last mile）傳輸，直到被用戶接收之端到端的完整技 術解決方案。一個端到端的 IPTV 系統(tǒng)一般具有節(jié)目采 集、存儲和服務、節(jié)目傳送、用戶終端設備和相關軟件等五個功能部件。 IPTV 前端一般具有完成節(jié)目采集與存儲和服務二種功能。節(jié)目采集包含節(jié)目的接收（如從衛(wèi)星、 CATV 網、地面無線和 I P / A T M 網絡等）、節(jié)目的壓縮編碼或變換編碼（ transcoding）及格式化、加密和 DRM 打包、以及節(jié)目生成等。節(jié)目存儲和服務則完成對節(jié)目采集程序處理后生成節(jié)目的大規(guī)模存儲或播送服務。 這里的播送服務不僅要將加密的視音頻流媒體節(jié)目，以 IP 單播或組播的方式，從視頻服務器播送出去，而且還要對用戶或用戶終端設備 進行認證（ authentication），并從 DRM 授權 /密鑰服務器 (DRM licenseserver)，向被認證的用戶或用戶終端設備傳送 DRM 授權 / 密鑰，使用戶能夠對已接收的加密視音頻流媒體節(jié)目進行解密和播放。 IPTV 所使用的 DRM 技術，與傳統(tǒng)的條件接收技術相比，具有二個基本的不同之處。一是前者是對視音頻流媒體內容本身進行加密，而后者是對連接 / 傳輸層如 MPEG2 系統(tǒng)復用層 / 流的加密；二是前者的 DRM 授權 / 密鑰一般不與被加密的視音頻流媒體節(jié)目流一起傳送，而后者的密大連交通大學 2022 屆本科生畢業(yè)設計（論文） 10 鑰如 E C M 必須與被加密的視音頻流媒體節(jié)目流一起傳送。 IPTV 系統(tǒng)的節(jié)目傳送功能是由 IP 骨干網、 IP 城域網、有線電視前端或電信中心站、以及相應的寬帶接入網絡完成的。對以 IP 單播或組播方式發(fā)送的視音頻流媒體節(jié)目流進行路由交換傳輸，是 IP 骨干網和 IP 城域網在 IPTV 網絡中要發(fā)揮的基本功能。一般而言， IP 骨干網和 IP 城域網現有的路由器可以很容易地支持各種不同的IP 單播路由協議，但它們必須通過升級方能支持 IP 組播路由交換。目前，各設備廠家普遍支持的 IP 組播協議是 IGMPv2。為了保證所傳送的 IPTV 節(jié)目流的質量和實時收看性， IP 骨干網和 IP 城域網通常要采用各種不同的 IP QoS 技術，如 Diffserv 和 MPLS 等。此外，為了提高對 IPTV 節(jié)目流點播的響應和傳輸實時性，以及解決或減緩 IPTV 點播請求之沖擊性和波動性對 IPTV 前端設計容量所造成的壓力， IP 骨干網和 IP 城域網上普遍采用了內容分送網絡技術。 IP 骨干網和 IP 城域 網也可以采用不同的低層物理網，以 IP over SDH/SONET（即 packet over SDH/SONET）、 IP over ATM 或 IP over DWD Moptical （如千兆 /萬兆光以太網）的方式提供傳輸服務。有線電視前端或電信中心站則根據相應的寬帶接入網絡，如 Cable Modem 網絡或 DSL 網絡，將 IP 視音頻流媒體節(jié)目流以 IP over DOCSIS 或 IP over DSL 的方式，通過放在有線電視前端的 CMTS 鑒定或電信中心站的DSLAM 設備，向用戶發(fā)送。有線電視前端或電信中心站還往往配備有視音頻流媒體節(jié)目流內容服務器和 DRM 授權 / 密鑰服務器，具有節(jié)目存儲和服務功能。 IPTV 用戶終端設備被用來接收、存儲和播放及轉發(fā) IP 視音頻 流媒體節(jié)目?；拘?IPTV 用戶終端設備的硬件沒有內置 cable modem 或 DSL modem，它只提供一個以太網接口，與外部的 cable modem 、 DSL modem 或以太網 HUB 相接。集成式的 IPTV 用戶終端設備則內置 cable modem 或 DSL modem，可與 cable modem 或 DSL 寬帶網絡直接相連。 高端 IPTV 用戶終端設備還帶有內置硬盤，可以提供 IPTV DVR 功能，甚至支持 無線聯網功能 ,能將受 DRM 保護的 IP 視音頻流媒體節(jié)目通過無線傳輸 給其它設備，如 PC 機等。一個 IPTV 用戶終端設備必須帶有 IPTV 系統(tǒng)所使用的 DRM 技術的客戶端軟件。為了使 IPTV 系統(tǒng)成為一個開放式的業(yè)務平臺， IPTV 用戶終端設備通常還使用了中間件軟件。最后， EPG、用戶管理、媒體資產管理、收費及各種應用業(yè)務的相關軟件也是 IPTV 系統(tǒng)之必須具有的部件。 IPTV 技術的整體架構 IPTV 平臺采用業(yè)務運營平臺與內容運營平臺分層的結構，這樣有利于電信大連交通大學 2022 屆本科生畢業(yè)設計（論文） 11 運營商與廣電進行合作。業(yè)務運營時可界定各自平臺的功能及接口，加快平臺的建設和業(yè)務的推出。其中內容運營平臺完 成內容運營，主要完成 EPG 制作和管理、內容處理、播出控制、 DRM 管理和內容運營管理等功能。業(yè)務運營平臺完成IPTV 業(yè)務的實際運營，包括業(yè)務的認證、內容分發(fā)、運維支撐等功能。 業(yè)務運營平臺 業(yè)務運營平臺包括 5 個功能模塊： EPG 服務系統(tǒng)、內容分發(fā)系統(tǒng)、業(yè)務管理平臺、增值業(yè)務平臺和運維支撐系統(tǒng)。 （ 1） EPG 服務系統(tǒng) EPG 服務系統(tǒng)是用戶使用 IPTV 業(yè)務的門戶，主要功能是接受用戶請求，下發(fā) EPG 菜單，主要由 EPG 源服務器、各本地網中心 EPG 服務器、邊緣 EPG 服務器組成。 IPTV 的 EPG 服務系統(tǒng)采用分層、分布式部署的架構。 EPG 服務系統(tǒng)自身具有用戶請求調度、負載均衡、 EPG 模板數據和元數據同步等功能。 （ 2）內容分發(fā)系統(tǒng) 內容分發(fā)系統(tǒng)從內容運營平臺接收媒體內容，完成媒體流的內容管理和分發(fā)。內容分發(fā)系統(tǒng)采用分層、分布式部署的架構，省級系統(tǒng)包括省級核心節(jié)點、地市核心節(jié)點、地市骨干節(jié)點、地市邊緣節(jié)點四層。 （ 3）增值業(yè)務平臺增值業(yè)務平臺突出對業(yè)務支持的可擴展性，為電信運營商開展信息服務、游戲、消息類等增值業(yè)務提供服務和接口，定義外部 SP 通過增值業(yè)務平臺提供增值業(yè)務服務，并對外部 SP 進行統(tǒng)一 接入管理。增值業(yè)務平臺包括：增值業(yè)務門戶、增值業(yè)務頻道、增值業(yè)務接入網關、增值業(yè)務能力系統(tǒng)。 （ 4）業(yè)務管理平臺 業(yè)務管理平臺實現對業(yè)務、用戶、 CP/ SP 的有效管理。業(yè)務功能包括：用戶管理、 CP/ SP 管理、業(yè)務管理、門戶服務、認證鑒權、計費結算、終端管理等。 （ 5）維護支撐系統(tǒng) IPTV 運維支撐