《移動(dòng)通信系統(tǒng)與應(yīng)用》課件-第7章

第7章第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)(4G)7.1第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)概述7.24G的業(yè)務(wù)預(yù)測7.34G的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)7.44G的關(guān)鍵技術(shù)7.5第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)發(fā)展面臨的問題7.6國內(nèi)外對4G的研究現(xiàn)狀本章小結(jié)習(xí)題與思考題

7.1第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)概述

隨著人們對移動(dòng)通信系統(tǒng)各種需求的與日俱增，目前投入商用的2G、2.5G、3G系統(tǒng)還是不能滿足現(xiàn)代移動(dòng)通信系統(tǒng)日益增長的高速多媒體數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求。雖然3G標(biāo)準(zhǔn)比當(dāng)前主流的移動(dòng)通信技術(shù)更強(qiáng)大，但它存在難以提供動(dòng)態(tài)范圍多速率業(yè)務(wù)，難以實(shí)現(xiàn)不同頻段的不同業(yè)務(wù)環(huán)境間的無縫漫游等一系列局限性，這使得全世界通信業(yè)的專家們將目光更遠(yuǎn)地投向了第四代移動(dòng)通信，以期通過第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)來解決3G無法解決的問題，最終實(shí)現(xiàn)商業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)、局域網(wǎng)、藍(lán)牙、廣播、電視衛(wèi)星通信的無縫銜接并相互兼容，真正實(shí)現(xiàn)“任何人在任何地點(diǎn)以任何形式接入網(wǎng)絡(luò)”的夢想。7.1.14G的產(chǎn)生背景

盡管目前3G的各種標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范已達(dá)成協(xié)議，并已開始商用，但3G技術(shù)仍存在一些不足。3G的局限性主要體現(xiàn)如下：

(1)?3G仍缺乏全球統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)；

(2)?3G所運(yùn)用的語音交換架構(gòu)仍承襲了2G的電路交換，而不是完全I(xiàn)P形式；

(3)由于采用CDMA技術(shù)，因此3G難以達(dá)到很高的通信速率，無法滿足用戶對高速多媒體業(yè)務(wù)的需求；

(4)由于3G空中接口標(biāo)準(zhǔn)對核心網(wǎng)有所限制，因此3G難以提供具有多種QoS及性能的各種速率的業(yè)務(wù)；

(5)由于3G采用不同頻段的不同業(yè)務(wù)環(huán)境，因此需要移動(dòng)終端配置有相應(yīng)不同的軟、硬件模塊，而3G移動(dòng)終端目前尚不能夠?qū)崿F(xiàn)多業(yè)務(wù)環(huán)境的不同配置，也就無法實(shí)現(xiàn)不同頻段的不同業(yè)務(wù)環(huán)境間的無縫漫游。

所有這些局限性推動(dòng)了人們對下一代通信系統(tǒng)—4G的研究和期待。7.1.24G的概念

第四代移動(dòng)通信可稱為寬帶接入和分布式的網(wǎng)絡(luò),它具有非對稱的超過2Mb/s的數(shù)據(jù)傳輸能力。它包括寬帶無線固定接入、寬帶無線局域網(wǎng)、移動(dòng)寬帶系統(tǒng)和交互式廣播網(wǎng)絡(luò)。第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)超越標(biāo)準(zhǔn)可以在不同的固定、無線平臺和跨越不同的頻帶的網(wǎng)絡(luò)中提供無線服務(wù)，可以在任何地方用寬帶接入互聯(lián)網(wǎng)(包括衛(wèi)星通信和平流層通信)，能夠提供定位定時(shí)、數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程控制等綜合功能。此外，第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)是多功能集成的寬帶移動(dòng)通信系統(tǒng)，是寬帶接入IP系統(tǒng)。7.1.34G的特點(diǎn)

4G主要具有以下特點(diǎn)：

(1)高速率，高容量。對于大范圍高速移動(dòng)用戶(250km/h)，數(shù)據(jù)速率為2Mb/s；對于中速移動(dòng)用戶(60km/h)，數(shù)據(jù)速率為20Mb/s；對于低速移動(dòng)用戶(室內(nèi)或步行者)，數(shù)據(jù)速率為100Mb/s。4G系統(tǒng)容量至少應(yīng)是3G系統(tǒng)容量的10倍以上。

(2)網(wǎng)絡(luò)頻帶更寬。每個(gè)4G信道將占有100MHz頻譜，相當(dāng)于WCDMA3G網(wǎng)絡(luò)的20倍。

(3)兼容性更加平滑。4G應(yīng)該接口開放，能夠跟多種網(wǎng)絡(luò)互連，并且具備很強(qiáng)的對2G、3G手機(jī)的兼容性，以完成對多種用戶的融合；在不同系統(tǒng)間進(jìn)行無縫切換，傳送高速多媒體業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。

(4)靈活性更強(qiáng)。4G擬采用智能技術(shù)，可自適應(yīng)地進(jìn)行資源分配。采用智能信號處理技術(shù)對信道條件不同的各種復(fù)雜環(huán)境進(jìn)行信號的正常收/發(fā)。

(5)具有用戶共存性。能根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的狀況和信道條件進(jìn)行自適應(yīng)處理，使低、高速用戶和各種用戶設(shè)備能夠并存與互通，從而滿足多類型用戶的需求。

運(yùn)營商或用戶花費(fèi)更低的費(fèi)用就可隨時(shí)隨地地接入各種業(yè)務(wù)。

7.24G的業(yè)務(wù)預(yù)測

7.2.1用戶對4G的要求

通過調(diào)查和預(yù)測，將來人們對4G業(yè)務(wù)的要求主要集中在以下方面。

(1)業(yè)務(wù)應(yīng)豐富多彩。人們不僅需要電話和短信業(yè)務(wù)，而且需要體驗(yàn)手機(jī)新聞、鈴聲圖片、手機(jī)雜志、移動(dòng)購物、互動(dòng)游戲、自動(dòng)定位、音樂下載、視頻內(nèi)容、手機(jī)電視等業(yè)務(wù)，另外，企業(yè)用戶還需要企業(yè)應(yīng)用接入、企業(yè)信息發(fā)布、移動(dòng)辦公、移動(dòng)商務(wù)等業(yè)務(wù)。

(2)業(yè)務(wù)的使用和定制應(yīng)方便簡單。要求通信不受時(shí)間、地點(diǎn)和業(yè)務(wù)特征的限制，即任何時(shí)間、任何地點(diǎn)可以方便地使用需要的業(yè)務(wù)。業(yè)務(wù)在使用前必須定制，這要求業(yè)務(wù)定制也非常方便，因此對將來的業(yè)務(wù)代理服務(wù)區(qū)和功能要求很高，同時(shí)代理機(jī)構(gòu)很多，原則上運(yùn)營企業(yè)包攬一切的運(yùn)營模式會發(fā)生深刻的變化，設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)、業(yè)務(wù)、內(nèi)容的提供將進(jìn)一步分離。若業(yè)務(wù)定制和使用復(fù)雜，則將嚴(yán)重影響業(yè)務(wù)的推廣和應(yīng)用。

(3)業(yè)務(wù)應(yīng)費(fèi)用低而且可接受。若費(fèi)用太高，用戶不可接受，那么業(yè)務(wù)的規(guī)模必然發(fā)展不起來。

(4)個(gè)性化的通信業(yè)務(wù)。通信的個(gè)性化是發(fā)展的必然趨勢，通信業(yè)務(wù)也如此，人們需要自己喜歡的個(gè)性化業(yè)務(wù)，如個(gè)性化的鈴聲、個(gè)性化的圖片、個(gè)性化的游戲、個(gè)性化的音樂下載等。業(yè)務(wù)提供者必須理解用戶需要什么業(yè)務(wù)，何時(shí)何地使用這種業(yè)務(wù)。

(5)身臨其境的通信業(yè)務(wù)。傳遞信息僅僅是通信最基本的功能，人們也希望通信業(yè)務(wù)給人們的生活帶來真情實(shí)感，比如由于距離原因不能見面的親人總是希望通信能實(shí)現(xiàn)當(dāng)面交流一樣的效果，即身臨其境的業(yè)務(wù)。7.2.2從應(yīng)用環(huán)境看4G業(yè)務(wù)

從應(yīng)用環(huán)境來看，4G業(yè)務(wù)可以應(yīng)用于個(gè)人環(huán)境、緊靠環(huán)境、直接環(huán)境、無線接入環(huán)境、互連環(huán)境、網(wǎng)絡(luò)環(huán)境等。

個(gè)人環(huán)境是最接近人們身體(甚至是身體的一部分)的一個(gè)無線交互通信應(yīng)用環(huán)境，通信設(shè)備主要是可穿戴式的，如眼鏡、手表、項(xiàng)鏈、手套、帽子、紐扣、鋼筆等，設(shè)備之間圍繞人們的身體可以相互發(fā)現(xiàn)、可以重配置，組成一個(gè)自主的分布式網(wǎng)絡(luò)。

緊靠環(huán)境是圍繞人們身邊的電器，如電腦、電視機(jī)、電冰箱、電烤箱等，這些電器將來需要方便地與人交互通信和傳遞信息，能夠理解主人的想法、聽話、懂人心和個(gè)性化。直接環(huán)境是與我們生活和工作密切相關(guān)的人或物，如我們一起工作的同事、生活中的親友、每天乘坐的私人汽車等，相互接觸的越多，相互交流就越多，將來會形成一個(gè)這樣的直接環(huán)境，即無線交互通信網(wǎng)絡(luò)。

無線接入環(huán)境是目前移動(dòng)通信主要面向的應(yīng)用環(huán)境，但在4G中還需要進(jìn)一步改進(jìn)和發(fā)展，形成完全的覆蓋、一個(gè)公共的骨干網(wǎng)絡(luò)和公共的通用接口。基于完全的覆蓋，一方面，可以自適應(yīng)地支持各種不同類型的終端和公共骨干網(wǎng)絡(luò)之間的交互通信；另一方面，能夠讓人們直接從PAN(個(gè)人局域網(wǎng))環(huán)境或通過Instant環(huán)境利用公共空中接口交互通信?；ミB環(huán)境就是上面所述的各種應(yīng)用環(huán)境、各種通信設(shè)備的通用無線互連，以及各種通信業(yè)務(wù)的無縫集成。今天的移動(dòng)Internet概念可以看成是這個(gè)互連環(huán)境的雛形。

網(wǎng)絡(luò)環(huán)境是離人們較遠(yuǎn)一點(diǎn)的無線交互通信應(yīng)用環(huán)境。通過網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，人們可以處理各種事物，與各種業(yè)務(wù)代理、知識信息庫、社團(tuán)組織相互通信和交流信息。7.2.3從應(yīng)用領(lǐng)域看4G業(yè)務(wù)

從應(yīng)用領(lǐng)域看，4G業(yè)務(wù)包括教育、藝術(shù)和科學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域，商業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，娛樂領(lǐng)域，可視通信領(lǐng)域，移動(dòng)商務(wù)領(lǐng)域，日常生活領(lǐng)域，辦公領(lǐng)域，健康關(guān)心和護(hù)理領(lǐng)域，緊急醫(yī)療處理領(lǐng)域，災(zāi)害救援領(lǐng)域等。

教育、藝術(shù)和科學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域是將來移動(dòng)通信應(yīng)用的重要領(lǐng)域之一。比如，一所中國小學(xué)和一所與中國友好的美國小學(xué)的學(xué)生同時(shí)在上室外昆蟲課，兩所小學(xué)的學(xué)生需要用裝備有攝像功能和自動(dòng)翻譯功能的移動(dòng)終端交流和討論彼此獲得的信息，同時(shí)孩子們還需要通過移動(dòng)終端訪問相關(guān)的電子數(shù)據(jù)中心獲得昆蟲的知識，另外，孩子們也需要借助移動(dòng)終端與相關(guān)的老師和科研工作者討論昆蟲問題。在商業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，移動(dòng)業(yè)務(wù)主要用于辦公室外的各類商業(yè)業(yè)務(wù)，用戶在辦公室外能夠通過移動(dòng)終端接入公司或其他需要的網(wǎng)絡(luò)，比如，從建筑設(shè)計(jì)院獲得需要的設(shè)計(jì)圖，為了與客戶見面需要得到必要的商務(wù)數(shù)據(jù)等。

在娛樂領(lǐng)域，移動(dòng)業(yè)務(wù)主要用于網(wǎng)絡(luò)游戲、音樂和視頻節(jié)目下載，人們希望在任何時(shí)間和地點(diǎn)通過移動(dòng)終端能夠?qū)崟r(shí)地玩各種網(wǎng)絡(luò)游戲，從內(nèi)容豐富的網(wǎng)站下載喜歡的音樂和視頻節(jié)目欣賞。

可視通信正在被人們認(rèn)識和流行，一個(gè)人可以隨時(shí)通過帶攝像和照相功能的移動(dòng)終端拍下各種美好的景色和有趣的事物，然后傳給遠(yuǎn)在千山萬水之外的親朋好友分享。在移動(dòng)商務(wù)領(lǐng)域，人們可以利用移動(dòng)終端隨時(shí)隨地獲得需要購買商品的海報(bào)和信息，通過移動(dòng)終端預(yù)定和購買貨物，并支付相關(guān)費(fèi)用。同時(shí)，商家也可以通過移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)宣傳和銷售各種產(chǎn)品。

在日常生活領(lǐng)域，移動(dòng)業(yè)務(wù)的開發(fā)潛力很大，人們可以利用各種終端控制各種家用電器，監(jiān)視家庭的安全情況，也可以通過移動(dòng)終端預(yù)定、購買所需要的生活用品，并安全地支付費(fèi)用和理財(cái)?shù)取?/p>

在辦公領(lǐng)域，人們可借助移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)和移動(dòng)終端實(shí)現(xiàn)不受時(shí)間、不受環(huán)境限制的移動(dòng)辦公，這對移動(dòng)通信的傳輸速率、容量、覆蓋、QoS、安全性、穩(wěn)定可靠性、互連互通、終端功能等都有很高的要求。健康關(guān)心和護(hù)理是正在成長的一個(gè)移動(dòng)應(yīng)用領(lǐng)域，病人可以通過各種穿戴式設(shè)備將其各種身體狀態(tài)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送到醫(yī)院或家庭醫(yī)生那里，醫(yī)生可以在遠(yuǎn)處實(shí)時(shí)地對其進(jìn)行健康檢查、監(jiān)控和進(jìn)行相應(yīng)的醫(yī)療處理。

移動(dòng)通信可以應(yīng)用于緊急醫(yī)療處理領(lǐng)域，比如，在出現(xiàn)緊急交通事故的情況下，通過移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)可以自動(dòng)、及時(shí)地將事故地點(diǎn)和傷員情況等信息傳送到醫(yī)療中心，一方面，醫(yī)療中心馬上派救護(hù)車到事故現(xiàn)場，另一方面，醫(yī)療中心的醫(yī)生可以通過移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)傳到屏幕上的傷員情況信息，首先對現(xiàn)場進(jìn)行救助指導(dǎo)，同時(shí)，這些信息也傳送到救護(hù)車，救護(hù)車可以在車上盡早準(zhǔn)備好對傷員進(jìn)行救護(hù)。移動(dòng)通信在災(zāi)害救援領(lǐng)域的應(yīng)用已取得了很好的效果，通過移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)和終端可以將災(zāi)害現(xiàn)場的情況與信息及時(shí)傳遞出來，從而可以及時(shí)、準(zhǔn)確地實(shí)施相應(yīng)的救援指揮和幫助。在4G網(wǎng)絡(luò)中，由于網(wǎng)絡(luò)功能的增強(qiáng)、業(yè)務(wù)能力的提高，其所發(fā)揮的作用會更大。7.2.4從通信主體看4G業(yè)務(wù)

目前通信的主體是人，因此主要是人與人之間進(jìn)行通信。將來移動(dòng)通信的主體可以是機(jī)器設(shè)備等任何需要進(jìn)行信息交互的對象，這樣人與機(jī)器、機(jī)器與機(jī)器之間的移動(dòng)通信業(yè)務(wù)會逐漸增多。從通信主體來看，4G業(yè)務(wù)可總結(jié)為如表7.1所示的內(nèi)容。

7.34G的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

雖然4G系統(tǒng)尚處于研究的起步階段，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)也還沒有成型，但是對于這方面的研究已有很多，網(wǎng)絡(luò)的融合趨勢是顯而易見的?；诰W(wǎng)絡(luò)融合的4G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖7-1所示。

從圖7-1中可以看出，基于人們目前對4G寬帶接入和分布網(wǎng)絡(luò)的普遍理解，未來的4G網(wǎng)絡(luò)將是一種全I(xiàn)Pv6的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)(包括各種接入網(wǎng)和核心網(wǎng))，4G系統(tǒng)將是一個(gè)集成廣播電視網(wǎng)絡(luò)、無線蜂窩網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)、無線局域網(wǎng)、藍(lán)牙等系統(tǒng)和固定的有線網(wǎng)絡(luò)為一體的結(jié)構(gòu)，各種類型的接入網(wǎng)通過媒體接入系統(tǒng)都能夠無縫地接入基于IP的核心網(wǎng)，形成一個(gè)公共的、靈活的、可擴(kuò)展的平臺。圖7-14G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)由于這些接入系統(tǒng)各自擁有不同的應(yīng)用領(lǐng)域、小區(qū)范圍以及無線環(huán)境，因此可以將它們以一種分層的結(jié)構(gòu)組織起來，移動(dòng)終端接入到系統(tǒng)中時(shí)，它們根據(jù)自己的業(yè)務(wù)類型，自動(dòng)地選擇接入系統(tǒng)，以達(dá)到對業(yè)務(wù)的最佳支持。這些接入系統(tǒng)可分為以下5層。

(1)分配層：主要由DAB和DVB系統(tǒng)組成，它的服務(wù)小區(qū)范圍較大，特別適合于廣播業(yè)務(wù)，另外，它可與GSM、3G、PSTN、ISDN等網(wǎng)絡(luò)結(jié)合，由這些系統(tǒng)提供上行鏈路，而由DAB、DVB系統(tǒng)提供寬帶下載信道。

(2)蜂窩層：包括第二代、第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)以及新的無線接口(用于提供更高速率的信息服務(wù))。這些系統(tǒng)主要是為個(gè)人通信服務(wù)的，它們各有較大的系統(tǒng)容量。

(3)熱點(diǎn)小區(qū)：對應(yīng)于高速信號傳輸?shù)膽?yīng)用環(huán)境和個(gè)人連接服務(wù)。例如，公司、會議中心、機(jī)場等地方，寬帶本地接入網(wǎng)WLAN是最好的選擇。它支持自適應(yīng)的調(diào)制方式、不對稱的數(shù)據(jù)通信以及高速的信號傳輸。

(4)個(gè)人網(wǎng)絡(luò)層：指的是辦公室、家庭等短距離應(yīng)用環(huán)境。不同的設(shè)備之間可以通過藍(lán)牙、DECT(數(shù)字增強(qiáng)無線通信)等系統(tǒng)連接在一起。另外，這些系統(tǒng)也可以作為個(gè)人鏈路連接到其他的網(wǎng)絡(luò)層或直接連接到媒體接入系統(tǒng)。

(5)固定層：指由雙絞線、同軸電纜、光纖等組成的層。此外，固定無線接入或無線本地環(huán)路系統(tǒng)也可以歸到這一類，它們主要提供高的系統(tǒng)容量，用于支持個(gè)人通信服務(wù)。

7.44G的關(guān)鍵技術(shù)

7.4.1OFDM技術(shù)

1.?OFDM的基本原理

OFDM(正交頻分復(fù)用)是一種無線環(huán)境下的高速傳輸技術(shù)，其基本原理是：將高速數(shù)據(jù)信號通過串/并變換，分配到傳輸速率相對較低的若干個(gè)子信道中進(jìn)行傳輸。在頻域內(nèi)將信道劃分成若干個(gè)互相正交的子信道，每個(gè)子信道均擁有自己的載波，分別對其進(jìn)行調(diào)制，信號通過各個(gè)子信道獨(dú)立地進(jìn)行傳輸。如果各個(gè)子信道的帶寬被劃分得足夠窄，每個(gè)子信道的頻率特性就可近似地看做是平坦的，即每個(gè)子信道都可看做無符號間干擾的理想信道。這樣在接收端不需要使用復(fù)雜的信道均衡技術(shù)即可對接收信號可靠地進(jìn)行解調(diào)。

2.?OFDM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

OFDM系統(tǒng)的典型框圖如圖7-2所示。圖中，上半部分對應(yīng)于發(fā)射機(jī)鏈路，下半部分對應(yīng)于接收機(jī)鏈路。發(fā)送端將被傳輸?shù)臄?shù)字?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成子載波幅度和相位的映射，并進(jìn)行IDFT(反離散傅立葉變換)將數(shù)據(jù)的頻域表達(dá)式變到時(shí)域上。圖中的IFFT(反快速傅立葉變換)與IDFT的作用相同，只是有更高的計(jì)算效率，所以適用于所有的系統(tǒng)。接收端進(jìn)行與發(fā)送端相反的操作，將RF信號與本振信號進(jìn)行混頻處理，并用FFT變換分解為時(shí)域信號，子載波的幅度和相位被采集出來并轉(zhuǎn)換回?cái)?shù)字信號。圖7-2OFDM收/發(fā)機(jī)框圖

3.?OFDM系統(tǒng)的優(yōu)勢

(1)高速率的數(shù)據(jù)流通過串/并變換使得每個(gè)子載波的數(shù)據(jù)符號持續(xù)長度相對增加，這有效地減少了無線信道的時(shí)間彌散所帶來的符號間干擾，從而減少了接收機(jī)內(nèi)均衡的復(fù)雜度。有時(shí)甚至不采用均衡器，而僅僅通過插入循環(huán)前綴的方法即可消除符號間干擾的不利影響。

(2)傳統(tǒng)的頻分多路傳輸方法是將頻帶分為若干個(gè)不相交的子頻帶來傳輸并行數(shù)據(jù)流，子信道之間要保留足夠的保護(hù)頻帶。而OFDM系統(tǒng)由于各個(gè)子載波之間存在正交性，允許子信道的頻譜相互重疊，因此與常規(guī)的頻分復(fù)用系統(tǒng)相比，OFDM系統(tǒng)可以最大限度地利用頻譜資源。當(dāng)子載波個(gè)數(shù)很多時(shí)，系統(tǒng)的頻譜利用率趨于2Baud/Hz。

(3)各個(gè)子信道中的正交調(diào)制和解調(diào)可以通過反離散傅立葉變換(IDFT)和離散傅立葉變換(DFT)的方法來實(shí)現(xiàn)。對于子載波數(shù)目較大的系統(tǒng)，可以通過快速傅立葉變換(FFT)來實(shí)現(xiàn)。而隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)與DSP技術(shù)的發(fā)展，IFFT與FFT都是容易實(shí)現(xiàn)的。

(4)無線業(yè)務(wù)一般存在非對稱性，即下行鏈路中的數(shù)據(jù)傳輸量大于上行鏈路中的數(shù)據(jù)傳輸量，這就要求物理層支持非對稱高速率數(shù)據(jù)傳輸。OFDM系統(tǒng)可以通過使用不同數(shù)量的子載波來實(shí)現(xiàn)上行和下行鏈路中不同的傳輸速率。

(5)?OFDM可以容易地與其他多種接入方式結(jié)合使用，構(gòu)成各種系統(tǒng)，其中包括多載波碼分多址MC-CDMA、跳頻OFDM以及OFDM-TDMA等，從而使得多個(gè)用戶可以同時(shí)利用OFDM技術(shù)進(jìn)行信息傳輸。

4.?OFDM系統(tǒng)的缺點(diǎn)

OFDM系統(tǒng)內(nèi)存在有多個(gè)正交的子載波，而且其輸出信號是多個(gè)子信道的疊加，因此與單載波系統(tǒng)相比存在如下缺點(diǎn)：

(1)易受頻率偏差的影響。子信道的頻譜相互覆蓋，這對其正交性提出了嚴(yán)格的要求。由于無線信道的時(shí)變性，在傳輸過程中出現(xiàn)無線信號的頻譜偏移，或發(fā)射機(jī)與接收機(jī)本地振蕩器之間存在的頻率偏差，都會使OFDM系統(tǒng)子載波的正交性遭到破壞，導(dǎo)致子信道的信號相互干擾。這種對頻率偏差的敏感是OFDM系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)。

(2)存在較高的峰值平均功率比。多載波系統(tǒng)的輸出是多個(gè)子信道信號的疊加，如果多個(gè)信號的相位一致，所得到的疊加信號的瞬時(shí)功率就會遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于信號的平均功率，這樣會出現(xiàn)較大峰值平均比，可能帶來信號畸變，使信號的頻譜發(fā)生變化，從而導(dǎo)致各個(gè)子信道之間的正交性遭到破壞，產(chǎn)生干擾，使系統(tǒng)的性能惡化，這就對發(fā)射機(jī)內(nèi)功率放大器提出了很高的要求。

5.?OFDM系統(tǒng)的主要技術(shù)

1)時(shí)域和頻域同步

OFDM系統(tǒng)對定時(shí)和頻率偏移敏感，特別是實(shí)際應(yīng)用中可能與FDMA、TDMA和CDMA等多址方式結(jié)合使用時(shí)，時(shí)域和頻域同步顯得尤為重要。與其他數(shù)字通信系統(tǒng)一樣，同步分為捕獲和跟蹤兩個(gè)階段。在下行鏈路中，基站向各個(gè)移動(dòng)終端廣播式發(fā)送同步信息，所以，下行鏈路同步相對簡單，較易實(shí)現(xiàn)。在上行鏈路中來自不同移動(dòng)終端的信號必須同步到達(dá)基站，才能保證載波間的正交性?；靖鶕?jù)各移動(dòng)終端發(fā)來的子載波攜帶信息進(jìn)行時(shí)域和頻域同步信息的提取，再由基站發(fā)回移動(dòng)終端，以便讓移動(dòng)終端進(jìn)行同步。具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，同步可以分別在時(shí)域或頻域進(jìn)行，也可以時(shí)頻域同步同時(shí)進(jìn)行。

2)信道估計(jì)

在OFDM系統(tǒng)中，信道估計(jì)器的設(shè)計(jì)主要有兩個(gè)問題：一是導(dǎo)頻信息的選擇，由于無線信道常常是衰落信道，需要不斷對信道進(jìn)行跟蹤，因此導(dǎo)頻信息也必須不斷地傳送；二是既有較低的復(fù)雜度又有良好的導(dǎo)頻跟蹤能力的信道估計(jì)器的設(shè)計(jì)。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，導(dǎo)頻信息的選擇和最佳估計(jì)器的設(shè)計(jì)通常又是相互關(guān)聯(lián)的，因?yàn)楣烙?jì)器的性能與導(dǎo)頻信息的傳輸方式有關(guān)。

3)信道編碼與交織

為了提高數(shù)字通信系統(tǒng)性能，信道編碼和交織是通常采用的方法。對于衰落信道中的隨機(jī)錯(cuò)誤，可以采用信道編碼；對于衰落信道中的突發(fā)錯(cuò)誤，可以采用交織。實(shí)際應(yīng)用中通常同時(shí)采用信道編碼和交織，進(jìn)一步改善整個(gè)系統(tǒng)的性能。在OFDM系統(tǒng)中，如果信道頻域特性比較平緩，均衡是無法再利用信道的分集特性來改善系統(tǒng)性能的，因?yàn)镺FDM系統(tǒng)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經(jīng)被OFDM這種調(diào)制方式本身所利用了。但是OFDM系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)卻為在子載波間進(jìn)行編碼提供了機(jī)會，形成OFDM編碼方式。

4)降低峰均功率比(PAPR)

由于OFDM信號時(shí)域上表現(xiàn)為n個(gè)正交子載波信號的疊加，當(dāng)這n個(gè)信號恰好均以峰值相加時(shí)，OFDM信號也將產(chǎn)生最大峰值，該峰值是平均功率的n倍。盡管峰值功率出現(xiàn)的概率較低，但為了不失真地傳輸這些高峰均功率比的OFDM信號，發(fā)送端對高功率放大器的線性度要求很高，且發(fā)送效率極低，接收端對前置放大器以及A/D變換器的線性度要求也很高。因此，高的PAPR使得OFDM系統(tǒng)的性能大大下降，甚至直接影響實(shí)際應(yīng)用。為了解決這一問題，人們提出了基于信號畸變技術(shù)、信號擾碼技術(shù)和基于信號空間擴(kuò)展等降低OFDM系統(tǒng)PAPR的方法。7.4.2多輸入多輸出(MIMO)系統(tǒng)技術(shù)

多用戶檢測(MUD)技術(shù)能夠有效地消除碼間干擾，提高系統(tǒng)性能。多用戶檢測的基本思想是把同時(shí)占用某個(gè)信道的所有用戶或某些用戶的信號都當(dāng)做有用信號，而不是作為干擾信號處理，利用多個(gè)用戶的碼元、時(shí)間、信號幅度以及相位等信息聯(lián)合檢測單個(gè)用戶的信號，即綜合利用各種信息及信號處理手段，對接收信號進(jìn)行處理，從而達(dá)到對多用戶信號的最佳聯(lián)合檢測。多用戶檢測是4G系統(tǒng)中抗干擾的關(guān)鍵技術(shù)，能進(jìn)一步提高系統(tǒng)容量，改善系統(tǒng)性能。隨著不同算法和處理技術(shù)的應(yīng)用與結(jié)合，多用戶檢測獲得了更高的效率、更好的誤碼率性能和更少的條件限制。在基站端放置多個(gè)天線，在移動(dòng)臺也放置多個(gè)天線，基站和移動(dòng)臺之間可形成MIMO通信鏈路。MIMO技術(shù)在不需要占用額外的無線電頻率的條件下，利用多徑來提供更高的數(shù)據(jù)吞吐量，并同時(shí)增加覆蓋范圍和可靠性。它解決了當(dāng)今任何無線電技術(shù)都面臨的兩個(gè)最困難的問題，即速度與覆蓋范圍。它的信道容量隨著天線數(shù)量的增大而線性增大。也就是說，可以利用MIMO信道成倍地提高無線信道容量，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地提高。

MIMO技術(shù)可以分為兩類：一類是成倍提高系統(tǒng)容量的空間復(fù)用技術(shù)，其代表是分層空時(shí)編碼方案；另一類是旨在提高鏈路增益的空時(shí)分集技術(shù)，其代表是空時(shí)格型編碼和空時(shí)塊型編碼。

1.空間復(fù)用技術(shù)

空間復(fù)用技術(shù)的典型代表是分層空時(shí)編碼技術(shù)(BLAST)。BLAST對每個(gè)信號采用不同的發(fā)送天線，在接收端也用多個(gè)天線以及獨(dú)特的信號處理技術(shù)，把這些互相干擾的信號分離出來。這樣在給定的信道頻段上的容量將隨通信數(shù)量的增加而成比例地增加。

空時(shí)編碼方案有三種，它們是水平編碼、垂直編碼和對角線編碼，下面分別介紹。假設(shè)發(fā)射天線數(shù)為M，接收天線數(shù)為N。

1)水平編碼

水平編碼方案如圖7-3所示。

在水平編碼方案中，輸入信號的比特流首先經(jīng)過串/并變換分成M路平行的信號流。每一信號流都經(jīng)過獨(dú)立的信道編碼、交織和調(diào)制，最后從各自的天線上發(fā)射出去。因?yàn)槊總€(gè)符號都經(jīng)過一個(gè)天線發(fā)射出去，再被N個(gè)天線接收，所以水平編碼方案最多可以獲得N階分集。

水平編碼的接收機(jī)算法比較簡單。圖7-3水平編碼方案

2)垂直編碼

垂直編碼方案如圖7-4所示。

在垂直編碼方案中，輸入的數(shù)據(jù)流先經(jīng)過信道編碼、交織和調(diào)制，然后經(jīng)串/并變換分解為M個(gè)數(shù)據(jù)流，再經(jīng)各自的天線發(fā)射出去。由于每個(gè)信息比特?cái)U(kuò)展到了多個(gè)天線上，因此這一編碼方案可以獲得大于N的分集階。但接收機(jī)端需要對各個(gè)子流進(jìn)行聯(lián)合譯碼，從而導(dǎo)致接收機(jī)復(fù)雜度會比較高。圖7-4垂直編碼方案

3)對角線編碼

對角線編碼方案如圖7-5所示。

在對角線編碼方案中，數(shù)據(jù)流先經(jīng)過水平編碼，然后再經(jīng)過對角線編碼，這樣可以保證串/并變換后每個(gè)流上的碼字都經(jīng)過M個(gè)天線被發(fā)射出去。這一方案是最優(yōu)的空間復(fù)用編碼方案，可以獲得最多MN階分集。但同樣地，在接收端需要聯(lián)合譯碼，接收機(jī)的復(fù)雜度也最高。圖7-5對角線編碼方案

2.空間分集技術(shù)

空間分集也稱天線分集，是指在接收端或者發(fā)送端使用多個(gè)天線接收或發(fā)送相同信號。使用空間分集時(shí)，接收天線元之間的間隔需要大于相干距離。

空間分集技術(shù)可以分為接收分集和發(fā)送分集，如圖7-6和圖7-7所示。

發(fā)送分集可以將分集的負(fù)擔(dān)從手機(jī)終端轉(zhuǎn)移到基站。采用發(fā)送分集的主要問題是發(fā)送端不知道衰落信道的信道狀態(tài)信息，因此必須利用信道編碼以保證各信道的良好性能，這就是空時(shí)編碼。空時(shí)碼是信道編碼設(shè)計(jì)與發(fā)送分集的結(jié)合。空時(shí)碼在將一個(gè)數(shù)據(jù)流在多個(gè)天線上同時(shí)發(fā)射時(shí)，建立了空間分離信號(空域)與時(shí)間分離信號(時(shí)域)之間的關(guān)系。圖7-6接收分集示意圖圖7-7發(fā)送分集示意圖基于發(fā)送分集的空時(shí)碼可以分為空時(shí)格碼和空時(shí)塊碼。空時(shí)格碼是在空時(shí)延時(shí)碼的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，有較好的性能，它使用維特比譯碼方法，其譯碼復(fù)雜度與傳輸速率呈指數(shù)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)難度較大。空時(shí)塊碼是利用正交設(shè)計(jì)理論的空時(shí)編碼技術(shù)，其譯碼復(fù)雜度很低，還可以得到最大的發(fā)射分集增益。經(jīng)過空時(shí)編碼的信號通過多路相關(guān)性較小的無線信道到達(dá)接收端，接收端通常需要知道各無線信道的參數(shù)，即信道估計(jì)，可以使用基于導(dǎo)頻訓(xùn)練序列進(jìn)行信道估計(jì)，也可以盲估計(jì)。7.4.3智能天線技術(shù)

智能天線(SA)技術(shù)具有抑制信號干擾、自動(dòng)跟蹤以及數(shù)字波束調(diào)節(jié)等智能功能，它被認(rèn)為是未來移動(dòng)通信的關(guān)鍵技術(shù)。智能天線使用數(shù)字信號處理技術(shù)，產(chǎn)生空間定向波束，使天線主波束對準(zhǔn)用戶信號的到達(dá)方向，旁瓣或零陷對準(zhǔn)干擾信號的到達(dá)方向，以達(dá)到充分利用移動(dòng)用戶信號并消除或抑制干擾信號之目的。

智能天線可以提高信噪比，提升系統(tǒng)通信質(zhì)量，緩解無線通信日益發(fā)展與頻譜資源不足的矛盾，降低系統(tǒng)整體造價(jià)，因而勢必會成為4G系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。智能天線的核心是智能算法，算法能夠決定電路實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜程度和瞬時(shí)響應(yīng)速率，因而需要選擇較好的算法實(shí)現(xiàn)波束的智能控制。7.4.4軟件無線電技術(shù)

軟件無線電(SDR)技術(shù)是將標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的硬件功能單元經(jīng)過一個(gè)通用硬件平臺，利用軟件加載方式來實(shí)現(xiàn)各種類型無線電通信系統(tǒng)的一種具有開放式結(jié)構(gòu)的新技術(shù)。軟件無線電的核心思想是：在盡可能靠近天線的地方使用寬帶A/D和D/A變換器，并盡可能多地使用軟件來定義無線功能，各種功能和信號處理都盡可能用軟件實(shí)現(xiàn)。其軟件系統(tǒng)包括各類無線信令規(guī)則與處理軟件、信號流變換軟件、信源編碼軟件、信道糾錯(cuò)編碼軟件和調(diào)制解調(diào)算法軟件等。軟件無線電技術(shù)有助于不同標(biāo)準(zhǔn)和系統(tǒng)的融合。軟件無線電在4G中的可能應(yīng)用為：采用軟件無線電實(shí)現(xiàn)的基站可同時(shí)為多個(gè)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)；當(dāng)終端移動(dòng)時(shí)，可重新配置，如當(dāng)移動(dòng)終端移動(dòng)到一個(gè)采用不同標(biāo)準(zhǔn)的移動(dòng)系統(tǒng)中時(shí)，終端可按照該系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)重新進(jìn)行自動(dòng)配置，從而獲得系統(tǒng)提供的各種服務(wù)。7.4.5IPv6技術(shù)

4G通信系統(tǒng)選擇了采用IP的全分組方式傳送數(shù)據(jù)流，因此IPv6技術(shù)是下一代網(wǎng)絡(luò)的核心協(xié)議。選擇IP主要基于以下幾點(diǎn)考慮：

(1)巨大的地址空間。在一段可預(yù)見的時(shí)期內(nèi)，它能夠?yàn)樗锌梢韵胂蟪龅木W(wǎng)絡(luò)設(shè)備提供一個(gè)全球唯一的地址。

(2)自動(dòng)控制。IPv6還有另一個(gè)基本特性就是它支持無狀態(tài)或有狀態(tài)兩種地址自動(dòng)配置方式。無狀態(tài)地址自動(dòng)配置方式是獲得地址的關(guān)鍵。在這種方式下，需要配置地址的節(jié)點(diǎn)使用一種鄰居發(fā)現(xiàn)機(jī)制獲得一個(gè)局部連接地址。一旦得到這個(gè)地址之后，它使用另一種即插即用的機(jī)制，在沒有任何人工干預(yù)的情況下，獲得一個(gè)全球唯一的路由地址。對于有狀態(tài)地址配置機(jī)制，如DHCP(動(dòng)態(tài)主機(jī)配置協(xié)議)，需要一個(gè)額外的服務(wù)器，因此也需要很多額外的操作和維護(hù)。

(3)服務(wù)質(zhì)量(QoS)。它包含幾個(gè)方面的內(nèi)容。從協(xié)議的角度看，IPv6與目前的IPv4提供相同的QoS，但是IPv6的優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在能夠提供不同的服務(wù)。這一優(yōu)點(diǎn)來自于IPv6報(bào)頭中新增加的字段“流標(biāo)志”。有了這個(gè)20位長的字段，在傳輸過程中，各節(jié)點(diǎn)就可以識別和分開處理任何IP地址。盡管對這個(gè)流標(biāo)志的準(zhǔn)確定位還沒有制定出有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，但將來它可用于基于服務(wù)級別的新計(jì)費(fèi)系統(tǒng)。

(4)移動(dòng)性。IPv6在新功能和新服務(wù)方面可提供更大的靈活性。每個(gè)移動(dòng)設(shè)備有一個(gè)固定的家區(qū)地址，這個(gè)地址與設(shè)備當(dāng)前接入互聯(lián)網(wǎng)的位置無關(guān)。當(dāng)設(shè)備在家區(qū)以外的地方使用時(shí)，通過一個(gè)轉(zhuǎn)交地址來提供移動(dòng)節(jié)點(diǎn)當(dāng)前的位置信息。移動(dòng)設(shè)備每次改變位置，都要將其轉(zhuǎn)交地址告訴給它的家區(qū)地址和它所對應(yīng)的通信節(jié)點(diǎn)。在家區(qū)以外的地方，移動(dòng)設(shè)備傳送數(shù)據(jù)包時(shí)，通常在IPv6報(bào)頭中將轉(zhuǎn)交地址作為源地址。

7.5第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)發(fā)展面臨的問題

4G系統(tǒng)投入實(shí)際應(yīng)用將遇到技術(shù)和市場兩方面的挑戰(zhàn)。

從技術(shù)角度來分析，4G要實(shí)現(xiàn)高數(shù)據(jù)速率、高機(jī)動(dòng)性和無縫隙漫游，就必須對現(xiàn)有的移動(dòng)通信基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行更新改造。首先，需要解決無線系統(tǒng)中的移動(dòng)性管理、資源管理和核心網(wǎng)的移動(dòng)IP技術(shù)等問題，還有4G的標(biāo)準(zhǔn)問題。其次，要開發(fā)新的頻譜資源，提高頻譜利用率并選擇合適的傳輸技術(shù)。例如，利用RAKE接收、跳頻以及Turbo碼等技術(shù)來增強(qiáng)系統(tǒng)的性能，提高信噪比；提高檢測可用的資源能以及信號質(zhì)量，動(dòng)態(tài)分配頻率資源和信號發(fā)射功率，增加移動(dòng)通信系統(tǒng)容量，降低信號發(fā)射功率；提高通信的覆蓋范圍，并支持多媒體通信、無線接入寬帶固定網(wǎng)以及在不同系統(tǒng)之間的漫游等。此外，4G移動(dòng)通信的數(shù)據(jù)傳輸將比3G高一個(gè)數(shù)量級，這也會引起一系列技術(shù)上的難題。從市場角度分析，有專家預(yù)測：到2010年后，2G的多媒體服務(wù)將進(jìn)入第三個(gè)發(fā)展階段，此時(shí)覆蓋全球的3G網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)基本成形，全球至少有25%以上的人使用3G系統(tǒng)，整個(gè)行業(yè)正在消化吸收第三代技術(shù)，利用4G的相關(guān)技術(shù)對3G進(jìn)行改進(jìn)與完善的工作也會同時(shí)進(jìn)行?？梢姡瑢τ?G系統(tǒng)的接受還需要一個(gè)逐步過渡的過程。

7.6國內(nèi)外對4G的研究現(xiàn)狀

隨著第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)的商用，國內(nèi)外有關(guān)第四代移動(dòng)通信的研究步伐也已加快。日本和韓國于2002年啟動(dòng)了面向第四代移動(dòng)通信的MTIF和K4G研究計(jì)劃。歐盟在前期研究計(jì)劃(第五框架研究計(jì)劃)的基礎(chǔ)上，成立了世界無線通信研究論壇(WWRF)，著手進(jìn)行“IMT-2000”之后的第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)的概念、需求與基本框架研究，并把第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)列入2003年啟動(dòng)的歐盟“第六框架研究計(jì)劃”。在ITU，有關(guān)BeyondIMT-2000的概念與需求研究于1999年被首次列入議事日程，2001年10月在東京進(jìn)行的ITU-RWP8F會議上，已收到較多有關(guān)BeyondIMT-2000的研究提案，并初步明確了BeyondIMT-2000研究的如下基本框架：

BeyondIMT-2000是指廣泛用于各種電信環(huán)境的無線系統(tǒng)的總和，包括蜂窩、固定無線接入、游牧(Nordic)接入系統(tǒng)等。BeyondIMT-2000的能力將涵蓋并遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出IMT-2000系統(tǒng)及與其進(jìn)行互連的無線系統(tǒng)的能力，還將涵蓋目前的IMT-2000、無線接入、數(shù)字廣播等系統(tǒng)的能力，并將新增兩個(gè)部分，即支持約100Mb/s的蜂窩系統(tǒng)和支持高達(dá)1Gb/s以上速率的游牧/本地?zé)o線接入系統(tǒng)等。ITU有關(guān)BeyondIMT-2000研究的時(shí)間表是總體目標(biāo)及遠(yuǎn)景(Vision)于2002年6月完成，2005或2006年進(jìn)行頻譜規(guī)劃，2010年左右完成全球統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)化工作，2012年之后開始商用。在我國，第四代移動(dòng)通信已被正式列入國家八六三“十五”研究計(jì)劃，也已經(jīng)啟動(dòng)。其具體分為以下三個(gè)階段：

(1)?2001年12月～2003年12月，開展Beyond3G/4G蜂窩通信空中接口技術(shù)研究