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1、第7章 第四代移动通信系统(4G),7.1 第四代移动通信系统概述 7.2 4G的网络结构 7.3 4G的关键技术 7.4 第四代移动通信系统发展面临的问题本章小结 习题与思考题,前3代移动通信技术的回顾,第1代通信技术第2代通信技术第3代通信技术,第1代通信技术,主要采用的是模拟技术和频分多址技术。由于受到传输带宽的限制，不能进行移动通信的长途漫游游，只能是一种区域性的移动通信系统。第一代移动通信有多种制式，我国主要采用的是TACS。第一代移动通信有很多不足之处，比如容量有限、制式太多、互不兼容、保密性差、通话质量不高、不能提供数据业务、不能提供自动漫游等。,第2代通信技术,主要采用的是数字
2、的时分多址（TDMA）技术和码分多址（CDMA）技术。主要业务是语音。它克服了模拟移动通信系统的弱点，话音质量、保密性能得到大的提高，并可进行省内、省际自动漫游。第二代移动通信替代第一代移动通信系统完成模拟技术向数字技术的转变，但由于第二代采用不同的制式，移动通信标准不统一，用户只能在同一制式覆盖的范围内进行漫游，因而无法进行全球漫游，由于第二代数字移动通信系统带宽有限，限制了数据业务的应用，也无法实现高速率的业务如移动的多媒体业务。,第3代通信技术,第三代移动通信网络能将高速移动接入和基于互联网协议的服务结合起来，提高无线频率利用效率。提供包括卫星在内的全球覆盖并实现有线和无线以及不同无线网
3、络之间业务的无缝连接。满足多媒体业务的要求，从而为用户提供更经济、内容更丰富的无线通信服务。,第4代通信技术,第四代移动通信标准应该比第三代标准具有更多的功能。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，可以在任何地方宽带接入互联网（包括卫星通信），能够提供信息通信之外的定位定时、数据采集、远程控制等综合功能。同时，第四代移动通信系统还应该是多功能集成的宽带移动通信系统，是宽带接入IP系统。,7.1.1 4G的产生背景尽管目前3G的各种标准和规范已达成协议，并已开始商用，但3G技术仍存在一些不足。3G的局限性主要体现如下：(1)3G仍缺乏全球统一标准；(2)3
4、G所运用的语音交换架构仍承袭了2G的电路交换，而不是完全IP形式；(3)由于采用CDMA技术，因此3G难以达到很高的通信速率，无法满足用户对高速多媒体业务的需求；,(4)由于3G空中接口标准对核心网有所限制，因此3G难以提供具有多种QoS及性能的各种速率的业务；(5)由于3G采用不同频段的不同业务环境，因此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够实现多业务环境的不同配置，也就无法实现不同频段的不同业务环境间的无缝漫游。所有这些局限性推动了人们对下一代通信系统4G的研究和期待。,7.1.2 4G的概念第四代移动通信可称为宽带接入和分布式的网络,它具有非对称的超过2 M
5、b/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。第四代移动通信系统超越标准可以在不同的固定、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多功能集成的宽带移动通信系统，是宽带接入IP系统。,7.1.3 4G的特点4G主要具有以下特点：(1)高速率，高容量。对于大范围高速移动用户(250 km/h)，数据速率为2 Mb/s；对于中速移动用户(60 km/h)，数据速率为20 Mb/s；对于低速移动用户(室内或步行者)，数
6、据速率为100 Mb/s。4G系统容量至少应是3G系统容量的10倍以上。(2)网络频带更宽。每个4G信道将占有100 MHz频谱，相当于WCDMA 3G网络的20倍。(3)兼容性更加平滑。4G应该接口开放，能够跟多种网络互连，并且具备很强的对2G、3G手机的兼容性，以完成对多种用户的融合；在不同系统间进行无缝切换，传送高速多媒体业务数据。,(4)灵活性更强。4G拟采用智能技术，可自适应地进行资源分配。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信号的正常收/发。(5)具有用户共存性。能根据网络的状况和信道条件进行自适应处理，使低、高速用户和各种用户设备能够并存与互通，从而满足多类型用户
7、的需求。运营商或用户花费更低的费用就可随时随地地接入各种业务。,7.3 4G的网络结构虽然4G系统尚处于研究的起步阶段，其网络结构也还没有成型，但是对于这方面的研究已有很多，网络的融合趋势是显而易见的。基于网络融合的4G网络架构如图7-1所示。从图7-1中可以看出，基于人们目前对4G宽带接入和分布网络的普遍理解，未来的4G网络将是一种全IPv6的网络结构(包括各种接入网和核心网)，4G系统将是一个集成广播电视网络、无线蜂窝网络、卫星网络、无线局域网、蓝牙等系统和固定的有线网络为一体的结构，各种类型的接入网通过媒体接入系统都能够无缝地接入基于IP的核心网，形成一个公共的、灵活的、可扩展的平台。,
8、图7-1 4G网络架构,网络结构,3G采用的主要是蜂窝组网，4G将突破这个概念，发展以数字广带(Broadband)为基础的网络，成为一个集无线LAN和基站宽带网络的混合网络，这种基于IP技术的网络架构使得在3G,4G,W-LAN,固定网之间的漫游得以实现。,交换方式,3G保留了2G所使用的电路交换，采用的是电路交换和分组交换并存的方式，而4G将完全采用基于IP的分组交换，使网络能根据用户需要分配带宽。,7.4 4G的关键技术7.4.1 OFDM技术1.OFDM的基本原理OFDM(正交频分复用)是一种无线环境下的高速传输技术，其基本原理是：将高速数据信号通过串/并变换，分配到传输速率相对较低的
9、若干个子信道中进行传输。在频域内将信道划分成若干个互相正交的子信道，每个子信道均拥有自己的载波，分别对其进行调制，信号通过各个子信道独立地进行传输。如果各个子信道的带宽被划分得足够窄，每个子信道的频率特性就可近似地看做是平坦的，即每个子信道都可看做无符号间干扰的理想信道。这样在接收端不需要使用复杂的信道均衡技术即可对接收信号可靠地进行解调。,2.OFDM系统结构OFDM系统的典型框图如图7-2所示。图中，上半部分对应于发射机链路，下半部分对应于接收机链路。发送端将被传输的数字数据转换成子载波幅度和相位的映射，并进行IDFT(反离散傅立叶变换)将数据的频域表达式变到时域上。图中的IFFT(反快速
10、傅立叶变换)与IDFT的作用相同，只是有更高的计算效率，所以适用于所有的系统。接收端进行与发送端相反的操作，将RF信号与本振信号进行混频处理，并用FFT变换分解为时域信号，子载波的幅度和相位被采集出来并转换回数字信号。,图7-2 OFDM收/发机框图,3.OFDM系统的优势(1)高速率的数据流通过串/并变换使得每个子载波的数据符号持续长度相对增加，这有效地减少了无线信道的时间弥散所带来的符号间干扰，从而减少了接收机内均衡的复杂度。有时甚至不采用均衡器，而仅仅通过插入循环前缀的方法即可消除符号间干扰的不利影响。(2)传统的频分多路传输方法是将频带分为若干个不相交的子频带来传输并行数据流，子信道之
11、间要保留足够的保护频带。而OFDM系统由于各个子载波之间存在正交性，允许子信道的频谱相互重叠，因此与常规的频分复用系统相比，OFDM系统可以最大限度地利用频谱资源。当子载波个数很多时，系统的频谱利用率趋于2 Baud/Hz。,(3)各个子信道中的正交调制和解调可以通过反离散傅立叶变换(IDFT)和离散傅立叶变换(DFT)的方法来实现。对于子载波数目较大的系统，可以通过快速傅立叶变换(FFT)来实现。而随着大规模集成电路技术与DSP技术的发展，IFFT与FFT都是容易实现的。(4)无线业务一般存在非对称性，即下行链路中的数据传输量大于上行链路中的数据传输量，这就要求物理层支持非对称高速率数据传输
12、。OFDM系统可以通过使用不同数量的子载波来实现上行和下行链路中不同的传输速率。,(5)OFDM可以容易地与其他多种接入方式结合使用，构成各种系统，其中包括多载波码分多址MC-CDMA、跳频OFDM以及OFDM-TDMA等，从而使得多个用户可以同时利用OFDM技术进行信息传输。,4.OFDM系统的缺点OFDM系统内存在有多个正交的子载波，而且其输出信号是多个子信道的叠加，因此与单载波系统相比存在如下缺点：(1)易受频率偏差的影响。子信道的频谱相互覆盖，这对其正交性提出了严格的要求。由于无线信道的时变性，在传输过程中出现无线信号的频谱偏移，或发射机与接收机本地振荡器之间存在的频率偏差，都会使OF
13、DM系统子载波的正交性遭到破坏，导致子信道的信号相互干扰。这种对频率偏差的敏感是OFDM系统的主要缺点。,(2)存在较高的峰值平均功率比。多载波系统的输出是多个子信道信号的叠加，如果多个信号的相位一致，所得到的叠加信号的瞬时功率就会远远高于信号的平均功率，这样会出现较大峰值平均比，可能带来信号畸变，使信号的频谱发生变化，从而导致各个子信道之间的正交性遭到破坏，产生干扰，使系统的性能恶化，这就对发射机内功率放大器提出了很高的要求。,5.OFDM系统的主要技术1)时域和频域同步OFDM系统对定时和频率偏移敏感，特别是实际应用中可能与FDMA、TDMA和CDMA等多址方式结合使用时，时域和频域同步显
14、得尤为重要。与其他数字通信系统一样，同步分为捕获和跟踪两个阶段。在下行链路中，基站向各个移动终端广播式发送同步信息，所以，下行链路同步相对简单，较易实现。在上行链路中来自不同移动终端的信号必须同步到达基站，才能保证载波间的正交性。基站根据各移动终端发来的子载波携带信息进行时域和频域同步信息的提取，再由基站发回移动终端，以便让移动终端进行同步。具体实现时，同步可以分别在时域或频域进行，也可以时频域同步同时进行。,2)信道估计在OFDM系统中，信道估计器的设计主要有两个问题：一是导频信息的选择，由于无线信道常常是衰落信道，需要不断对信道进行跟踪，因此导频信息也必须不断地传送；二是既有较低的复杂度又
15、有良好的导频跟踪能力的信道估计器的设计。在实际设计中，导频信息的选择和最佳估计器的设计通常又是相互关联的，因为估计器的性能与导频信息的传输方式有关。,3)信道编码与交织为了提高数字通信系统性能，信道编码和交织是通常采用的方法。对于衰落信道中的随机错误，可以采用信道编码；对于衰落信道中的突发错误，可以采用交织。实际应用中通常同时采用信道编码和交织，进一步改善整个系统的性能。在OFDM系统中，如果信道频域特性比较平缓，均衡是无法再利用信道的分集特性来改善系统性能的，因为OFDM系统本身具有利用信道分集特性的能力，一般的信道特性信息已经被OFDM这种调制方式本身所利用了。但是OFDM系统的结构却为在
16、子载波间进行编码提供了机会，形成OFDM编码方式。,4)降低峰均功率比(PAPR)由于OFDM信号时域上表现为n个正交子载波信号的叠加，当这n个信号恰好均以峰值相加时，OFDM信号也将产生最大峰值，该峰值是平均功率的n倍。尽管峰值功率出现的概率较低，但为了不失真地传输这些高峰均功率比的OFDM信号，发送端对高功率放大器的线性度要求很高，且发送效率极低，接收端对前置放大器以及A/D变换器的线性度要求也很高。因此，高的PAPR使得OFDM系统的性能大大下降，甚至直接影响实际应用。为了解决这一问题，人们提出了基于信号畸变技术、信号扰码技术和基于信号空间扩展等降低OFDM系统PAPR的方法。,7.4.
17、2 多输入多输出(MIMO)系统技术多用户检测(MUD)技术能够有效地消除码间干扰，提高系统性能。多用户检测的基本思想是把同时占用某个信道的所有用户或某些用户的信号都当做有用信号，而不是作为干扰信号处理，利用多个用户的码元、时间、信号幅度以及相位等信息联合检测单个用户的信号，即综合利用各种信息及信号处理手段，对接收信号进行处理，从而达到对多用户信号的最佳联合检测。多用户检测是4G系统中抗干扰的关键技术，能进一步提高系统容量，改善系统性能。随着不同算法和处理技术的应用与结合，多用户检测获得了更高的效率、更好的误码率性能和更少的条件限制。,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
18、之间可形成MIMO通信链路。MIMO技术在不需要占用额外的无线电频率的条件下，利用多径来提供更高的数据吞吐量，并同时增加覆盖范围和可靠性。它解决了当今任何无线电技术都面临的两个最困难的问题，即速度与覆盖范围。它的信道容量随着天线数量的增大而线性增大。也就是说，可以利用MIMO信道成倍地提高无线信道容量，在不增加带宽和天线发送功率的情况下，频谱利用率可以成倍地提高。MIMO技术可以分为两类：一类是成倍提高系统容量的空间复用技术，其代表是分层空时编码方案；另一类是旨在提高链路增益的空时分集技术，其代表是空时格型编码和空时块型编码。,1.空间复用技术空间复用技术的典型代表是分层空时编码技术(BLAS
19、T)。BLAST对每个信号采用不同的发送天线，在接收端也用多个天线以及独特的信号处理技术，把这些互相干扰的信号分离出来。这样在给定的信道频段上的容量将随通信数量的增加而成比例地增加。空时编码方案有三种，它们是水平编码、垂直编码和对角线编码，下面分别介绍。假设发射天线数为M，接收天线数为N。,1)水平编码水平编码方案如图7-3所示。在水平编码方案中，输入信号的比特流首先经过串/并变换分成M路平行的信号流。每一信号流都经过独立的信道编码、交织和调制，最后从各自的天线上发射出去。因为每个符号都经过一个天线发射出去，再被N个天线接收，所以水平编码方案最多可以获得N阶分集。水平编码的接收机算法比较简单。
20、,图7-3 水平编码方案,2)垂直编码垂直编码方案如图7-4所示。在垂直编码方案中，输入的数据流先经过信道编码、交织和调制，然后经串/并变换分解为M个数据流，再经各自的天线发射出去。由于每个信息比特扩展到了多个天线上，因此这一编码方案可以获得大于N的分集阶。但接收机端需要对各个子流进行联合译码，从而导致接收机复杂度会比较高。,图7-4 垂直编码方案,3)对角线编码对角线编码方案如图7-5所示。在对角线编码方案中，数据流先经过水平编码，然后再经过对角线编码，这样可以保证串/并变换后每个流上的码字都经过M个天线被发射出去。这一方案是最优的空间复用编码方案，可以获得最多MN阶分集。但同样地，在接收端
21、需要联合译码，接收机的复杂度也最高。,图7-5 对角线编码方案,2.空间分集技术空间分集也称天线分集，是指在接收端或者发送端使用多个天线接收或发送相同信号。使用空间分集时，接收天线元之间的间隔需要大于相干距离。空间分集技术可以分为接收分集和发送分集，如图7-6和图7-7所示。发送分集可以将分集的负担从手机终端转移到基站。采用发送分集的主要问题是发送端不知道衰落信道的信道状态信息，因此必须利用信道编码以保证各信道的良好性能，这就是空时编码。空时码是信道编码设计与发送分集的结合。空时码在将一个数据流在多个天线上同时发射时，建立了空间分离信号(空域)与时间分离信号(时域)之间的关系。,图7-6 接收
22、分集示意图,图7-7 发送分集示意图,基于发送分集的空时码可以分为空时格码和空时块码。空时格码是在空时延时码的基础上发展起来的，有较好的性能，它使用维特比译码方法，其译码复杂度与传输速率呈指数关系，实现难度较大。空时块码是利用正交设计理论的空时编码技术，其译码复杂度很低，还可以得到最大的发射分集增益。经过空时编码的信号通过多路相关性较小的无线信道到达接收端，接收端通常需要知道各无线信道的参数，即信道估计，可以使用基于导频训练序列进行信道估计，也可以盲估计。,7.4.3 智能天线技术智能天线(SA)技术具有抑制信号干扰、自动跟踪以及数字波束调节等智能功能，它被认为是未来移动通信的关键技术。智能天
23、线使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的到达方向，旁瓣或零陷对准干扰信号的到达方向，以达到充分利用移动用户信号并消除或抑制干扰信号之目的。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，因而势必会成为4G系统的关键技术之一。智能天线的核心是智能算法，算法能够决定电路实现的复杂程度和瞬时响应速率，因而需要选择较好的算法实现波束的智能控制。,7.4.4 软件无线电技术软件无线电(SDR)技术是将标准化、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无线电通信系统的一种具有开放式结构的新技术。
24、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，并尽可能多地使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、信道纠错编码软件和调制解调算法软件等。软件无线电技术有助于不同标准和系统的融合。软件无线电在4G中的可能应用为：采用软件无线电实现的基站可同时为多个网络服务；当终端移动时，可重新配置，如当移动终端移动到一个采用不同标准的移动系统中时，终端可按照该系统的标准重新进行自动配置，从而获得系统提供的各种服务。,7.4.5 IPv6技术4G通信系统选择了采用IP的全分组方式传送数据流，
25、因此IPv6技术是下一代网络的核心协议。选择IP主要基于以下几点考虑：(1)巨大的地址空间。IPv6地址为128位，代替了IPv4的32位，地址空间大于3.41038。如果整个地球表面（包括陆地和水面）都覆盖着计算机，那么IPv6允许每平方米拥有71023个IP地址。可见，IPv6地址空间是巨大的。在一段可预见的时期内，它能够为所有可以想象出的网络设备提供一个全球唯一的地址。,(2)自动控制。IPv6还有另一个基本特性就是它支持无状态或有状态两种地址自动配置方式。无状态地址自动配置方式是获得地址的关键。在这种方式下，需要配置地址的节点使用一种邻居发现机制获得一个局部连接地址。一旦得到这个地址之
26、后，它使用另一种即插即用的机制，在没有任何人工干预的情况下，获得一个全球唯一的路由地址。对于有状态地址配置机制，如DHCP(动态主机配置协议)，需要一个额外的服务器，因此也需要很多额外的操作和维护。,(3)服务质量(QoS)。它包含几个方面的内容。从协议的角度看，IPv6与目前的IPv4提供相同的QoS，但是IPv6的优点体现在能够提供不同的服务。这一优点来自于IPv6报头中新增加的字段“流标志”。对服务质量作了定义，有了这个20位长的字段，Ipv6报文可以标记数据所属的流类型，以便路由器或交换机进行相应的处理。尽管对这个流标志的准确定位还没有制定出有关标准，但将来它可用于基于服务级别的新计费
27、系统。,(4)移动性。IPv6在新功能和新服务方面可提供更大的灵活性。每个移动设备有一个固定的家区地址，这个地址与设备当前接入互联网的位置无关。当设备在家区以外的地方使用时，通过一个转交地址来提供移动节点当前的位置信息。移动设备每次改变位置，都要将其转交地址告诉给它的家区地址和它所对应的通信节点。在家区以外的地方，移动设备传送数据包时，通常在IPv6报头中将转交地址作为源地址。,7.5 第四代移动通信系统发展面临的问题4G系统投入实际应用将遇到技术和市场两方面的挑战。从技术角度来分析，4G要实现高数据速率、高机动性和无缝隙漫游，就必须对现有的移动通信基础设施进行更新改造。首先，需要解决无线系统
28、中的移动性管理、资源管理和核心网的移动IP技术等问题，还有4G的标准问题。其次，要开发新的频谱资源，提高频谱利用率并选择合适的传输技术。例如，利用RAKE接收、跳频以及Turbo码等技术来增强系统的性能，提高信噪比；提高检测可用的资源能以及信号质量，动态分配频率资源和信号发射功率，增加移动通信系统容量，降低信号发射功率；提高通信的覆盖范围，并支持多媒体通信、无线接入宽带固定网以及在不同系统之间的漫游等。此外，4G移动通信的数据传输将比3G高一个数量级，这也会引起一系列技术上的难题。,从市场角度分析，有专家预测：到2019年后，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
29、成形，全球至少有25%以上的人使用3G系统，整个行业正在消化吸收第三代技术，利用4G的相关技术对3G进行改进与完善的工作也会同时进行。可见，对于4G系统的接受还需要一个逐步过渡的过程。,本 章 小 结(1)第四代移动通信系统提供适应未来需要的无线通信服务，即包括语音、数据、图像、音乐、视频等同步传输的多媒体通信服务，对于未来移动通信系统的数据传输速率普遍预测可以达到10100 Mb/s。如此之高的传输速率是目前任何一种无线传输系统在当前有限的频率资源上所不能实现的，因此需要使用频率利用率极高的技术。(2)4G的特点：高速率，高容量；网络频带更宽；兼容性更加平滑；灵活性更强；具有用户共存性。,(
30、3)4G网络将是一种全IPv6的网络结构(包括各种接入网和核心网)。4G系统将是一个集广播电视网络、无线蜂窝网络、卫星网络、无线局域网、蓝牙等系统和固定的有线网络为一体的结构，各种类型的接入网通过媒体接入系统都能够无缝地接入基于IP的核心网，形成一个公共的、灵活的、可扩展的平台。(4)OFDM(正交频分复用)技术是一种无线环境下的高速传输技术，其基本原理是：将高速数据信号通过串/并变换分配到传输速率相对较低的若干个子信道中进行传输。在频域内将信道划分成若干个互相正交的子信道，每个子信道均拥有自己的载波，并对其分别进行调制，信号通过各个子信道独立地进行传输。如果各个子信道的带宽被划分的足够窄，每
31、个子信道的频率特性就可近似地看做是平坦的，即每个子信道都可看做为无符号间干扰的理想信道。这样，在接收端不需要使用复杂的信道均衡技术即可对接收信号可靠地进行解调。,(5)MIMO技术在不需要占用额外的无线电频率的条件下，利用多径来提供更高的数据吞吐量，并同时增加覆盖范围和可靠性。它解决了当今任何无线电技术都面临的两个最困难的问题，即速度与覆盖范围。它的信道容量随着天线数量的增大而线性增大。也就是说，可以利用MIMO信道成倍地提高无线信道容量，在不增加带宽和天线发送功率的情况下，频谱利用率可以成倍地提高。,习题与思考题1.第四代移动通信的特点是什么？2.OFDM技术有哪些特点？3.空时编码方案有哪几种？4.MIMO技术有哪些特点？5.为什么采用智能天线可以提高系统容量？,
