1、精品1通信新技术讲座移动通信技术的发展与未来移动通信技术的发展与未来蒋占军兰州交通大学通信工程系精品2内容概要内容概要n 移动通信发展与应用趋势n 移动通信基本科学问题n 未来移动通信的关键技术精品31.移动通信发展与应用趋势移动通信发展与应用趋势通信新技术讲座精品4法拉第/1831麦克斯韦尔/1865赫兹/1887移动通信发展与应用趋势移动通信发展与应用趋势马可尼发明无线电报通信1897AM调制1920雷达技术在二战期间诞生1941摩托罗拉发明手机19732002宽带3G移动通信商用全球移动通信用户15亿20041985模拟移动通信商用1994数字移动通信商用 无线通信发展历程无线通信发展历
2、程1906真空管诞生1933FM调制信息论信息论1948精品5移动通信发展与应用趋势移动通信发展与应用趋势 蜂窝移动通信的飞速发展蜂窝移动通信的飞速发展第一代移动通信系统采用了模拟调制技术和第一代移动通信系统采用了模拟调制技术和FDMA接入方式，在接入方式，在使用中暴露出了很多缺点，例如设备体积大成本高，频谱利用率使用中暴露出了很多缺点，例如设备体积大成本高，频谱利用率低，保密性差，只能提供低速语音业务等低，保密性差，只能提供低速语音业务等 典型的通信系统有：先进移动电话业务(AMPS:Advanced Mobile Phone System)全接入通信系统(TACS:Total Access
3、 Communication System)北欧移动电话标准(NMS:Nordic Mobile Telephone Standard)精品6移动通信发展与应用趋势移动通信发展与应用趋势第二代移动通信系统采用了数字调制技术以及第二代移动通信系统采用了数字调制技术以及TDMA或或CDMA接接入方式，具有频谱利用率较高、保密性好、系统容量大、接口标入方式，具有频谱利用率较高、保密性好、系统容量大、接口标准明确等优点。很好地满足了人们对语音业务以及低速数据业务准明确等优点。很好地满足了人们对语音业务以及低速数据业务的需求，因此在世界范围内得以广泛应用。的需求，因此在世界范围内得以广泛应用。典型的通信
4、系统有：全球移动通信系统(GSM:Global System for Mobile)个人手提电话系统(PHS:Personal Handy-phone System)个人接入通信系统(PACS:Personal Access Commun.System)IS-54系统与IS-95系统 精品7移动通信发展与应用趋势移动通信发展与应用趋势第三代移动通信系统是宽带数字通信系统，其设计目标是实现第三代移动通信系统是宽带数字通信系统，其设计目标是实现144Kbps的车载通信速率、的车载通信速率、384Kbps的步行通信速率和的步行通信速率和2Mbps的的室内通信速率；在业务上更加重视移动多媒体业务，能提
5、供多种室内通信速率；在业务上更加重视移动多媒体业务，能提供多种类型的高质量多媒体业务，语音业务占的比重越来越小；能实现类型的高质量多媒体业务，语音业务占的比重越来越小；能实现全球无缝覆盖，具有全球漫游能力并与固定网络相互兼容。第三全球无缝覆盖，具有全球漫游能力并与固定网络相互兼容。第三代移动通信技术的标准化工作由代移动通信技术的标准化工作由3GPP和和3GPP2两个标准化组织两个标准化组织来推动和实施。来推动和实施。目前在世界范围内影响最广泛的第三代移动通信系统标准为WCDMA和CDMA2000 以及TD-SCDMA精品8移动通信发展与应用趋势移动通信发展与应用趋势新一代移动通信研究开发处于起
6、步阶段新一代移动通信研究开发处于起步阶段在在2007年年11月结束的一次国际电信联盟（月结束的一次国际电信联盟（ITU）的正式会议上，）的正式会议上，B3G和和4G技术正式统一命名为技术正式统一命名为IMT Advanced 目前有关4G 移动通信系统的发展目标已达成基本共识，4G 系统将包含传输速率达到100Mbps 的蜂窝移动通信系统和传输速率达到1Gbps 的游牧和本地无线接入系统两个组成部分，其中蜂窝移动通信系统的最大用户带宽约为20MHz，而游牧和本地无线接入系统的最大用户带宽将达到100MHz。2007年年12月月26日，国务院总理温家宝当天主持国务院常务会日，国务院总理温家宝当天
7、主持国务院常务会议，审议并原则通过新一代宽带无线移动通信网实施方案。议，审议并原则通过新一代宽带无线移动通信网实施方案。精品9移动通信发展与应用趋势移动通信发展与应用趋势 我国移动通信发展历程我国移动通信发展历程1970 1980 1990 2000 2010 2020年代后第三代第一代：模拟移动通信中国购买使用TACS/AMPS第二代：数字移动通信中国在技术成熟后期介入制造GSM/CDMA中国97年起开始跟踪研发3G同时提出TD-SCDMA第三代：宽带移动通信话音（数字）中低速率数据业务话音业务（模拟）多媒体业务中国FuTURE高分辨业务日本、韩国、欧盟研究计划精品10移动通信发展与应用趋势
8、移动通信发展与应用趋势 21 21世纪前世纪前1010年的无线通信技术年的无线通信技术1-10米无线互联米无线互联红外、蓝牙、超宽带UWB10-100米无线通信技术米无线通信技术无线局域网WLAN、无线自组织网络大范围无线移动通信技术大范围无线移动通信技术蜂窝通信系统GSM、CDMA、3G、4G宽带无线接入系统WiMax公众通信行业应用个人与家庭网络精品11移动通信发展与应用趋势移动通信发展与应用趋势 各种无线通信技术的应用特点各种无线通信技术的应用特点精品12移动通信发展与应用趋势移动通信发展与应用趋势 各种无线通信技术互为补充共同发展各种无线通信技术互为补充共同发展精品13移动通信发展与应
9、用趋势移动通信发展与应用趋势 宽带移动通信宽带移动通信 随时随地获取你所需要的任何信息随时随地获取你所需要的任何信息 多媒体短信业务多媒体短信业务MMSMMS（并发视频、音频与文字业务）；（并发视频、音频与文字业务）；定位业务，与位置有关的信息点播业务；定位业务，与位置有关的信息点播业务；上网浏览与下载业务；上网浏览与下载业务；流媒体视频业务；如流媒体视频业务；如VoD;Realplayer,MP3VoD;Realplayer,MP3等；等；移动电子商务；移动电子商务；移动交互式游戏业务；移动交互式游戏业务；实时会议电视业务；实时会议电视业务；精品14移动通信发展与应用趋势移动通信发展与应用趋
10、势 近距离无线通信：构造个人与家庭网络近距离无线通信：构造个人与家庭网络Bluetoothradio linkA Personal Networkn 使你摆脱电线、电缆的约使你摆脱电线、电缆的约束，在各种家用电气和掌上束，在各种家用电气和掌上设备之间方便的传送信息；设备之间方便的传送信息；n 在下班的路上就能开启家在下班的路上就能开启家中的所有电器；中的所有电器；n 出差的路途上就能看到你出差的路途上就能看到你家中任何情况；家中任何情况；n 精品15移动通信发展与应用趋势移动通信发展与应用趋势 无线宽带进入千家万户：无线信息社会成为现实无线宽带进入千家万户：无线信息社会成为现实 IMT-200
11、0 WLANWiMaxPico CellMicro CellMacro Celln 取代现有的有线宽带网络；取代现有的有线宽带网络；n 电视、广播、互联网融为电视、广播、互联网融为一体；一体；n 每人可以享有每人可以享有100100兆比特的兆比特的传输通道；传输通道；n 虚拟现实如同身临其境；虚拟现实如同身临其境；n 上班一族在家工作；上班一族在家工作；n 精品16移动通信发展与应用趋势移动通信发展与应用趋势 射频标签技术：让物体能够与人通信射频标签技术：让物体能够与人通信n 未来每个物体都带有一个未来每个物体都带有一个无线接收和发射装置；无线接收和发射装置；n 每个物体都能应答你，不每个物体
12、都能应答你，不再为丢失你的钥匙、你的钢再为丢失你的钥匙、你的钢笔而烦恼；笔而烦恼；n 取得现有的条形码，物流取得现有的条形码，物流管理变得极为方便；管理变得极为方便；n 恐怖分子无处藏身；恐怖分子无处藏身；n 精品17移动通信发展与应用趋势移动通信发展与应用趋势 无线自组织网络：军事、救灾无线自组织网络：军事、救灾WRWRWRWRWHWHWHWHWHInternet精品18移动通信发展与应用趋势移动通信发展与应用趋势 技术快速进步为无线通信带来美好发展前景技术快速进步为无线通信带来美好发展前景高速的数字信号处理高速的数字信号处理超大规模集成电路等技术超大规模集成电路等技术数字电路和射频电路制造
13、技术数字电路和射频电路制造技术微处理器技术微处理器技术Internet网络技术网络技术精品192.移动通信基本科学问题移动通信基本科学问题通信新技术讲座精品20移动通信基本科学问题移动通信基本科学问题n 有限的频谱资源频谱资源与不断增长的无线通信业务需求之间的矛盾所带来的挑战，将促使无线通信理论与技术不断发生变革；n 信源压缩信源压缩：对待传输的信息载体压缩，以达到节省传输资源之目的，产生了像MP3、MP4这样的图像与语音压缩方法；n 信息传输信息传输：在存在干扰和多径反射的 无线信道中如何有效地传输信息，使之达到理论极限。移动通信需要解决的关键问题移动通信需要解决的关键问题精品21移动通信基
14、本科学问题移动通信基本科学问题n 从信号设计与处理的角度出发，采用高效的调制及信道编码调制及信道编码等技术提高频谱利用率；n 移动通信系统的工作频点继续上移工作频点继续上移，在2007年11月闭幕的世界无线电通信大会上通过了适用于全球3G与4G移动通信系统的四个新频段，其中包括3.4G3.6GHz的200MHz带宽以及分配给我国TD-SCDMA的2.3GHz2.4GHz的100MHz带宽；n 进一步开发蜂窝移动通信系统中的空间资源空间资源。例如MIMO技术的利用为移动通信频谱利用率的提高注入了新的活力。目前的解决方案目前的解决方案MIMO：Multiple Input Multiple Out
15、putSISO：Single Input Single Output精品22移动通信基本科学问题移动通信基本科学问题n 信号处理的复杂性将限制其在实际系统中的应用。例如如果完全依靠增加调制电平数来提高传输速率，在速率超过10bps/Hz之上时，其复杂度及对信道的要求已是实际系统所不能承受的了，特别是每增加1bps/Hz就要增加3dB的信噪比，实现复杂度、对时钟精度的要求及对信道参数估计精度的要求等都要相应地成倍增加；存在的缺憾存在的缺憾精品23移动通信基本科学问题移动通信基本科学问题n 较高的系统工作频率将导致无线信号在空间传输中快速衰落。尽管采用微蜂窝技术可以缩小小区半径，提高天线覆盖面积，
16、从而提高用户的接收性能，但随之而来的另一个问题在于系统中频繁的切换会增加系统信令开销并降低系统的工作效率；n 目前，多天线一般集中放置于基站组成天线阵，这种集中放置实际上限制了天线数量，且不利于空间资源的充分利用，此外，小区边界处的用户的链路质量比距离基站近的用户的性能要差的现状并未得到解决。精品243.未来移动通信的关键技术未来移动通信的关键技术通信新技术讲座精品25未来移动通信的关键技术未来移动通信的关键技术n 无线信道特点无线信道特点n MIMO系统的基本原理系统的基本原理n OFDM系统地基本原理系统地基本原理n 分布式天线系统分布式天线系统n 多用户分集技术多用户分集技术n 分层覆盖
17、网络结构分层覆盖网络结构信道建模理论、调制编码技术、分集接收技术、信道均衡技术、多用户检测技术、智能天线技术、功率控制技术、切换技术、无线网络技术、高速分组接入技术等。精品26n 无线信道特点无线信道特点未来移动通信的关键技术未来移动通信的关键技术精品27无线信道特点无线信道特点n 无线信道特性无线信道特性移动信道是一个非常复杂的动态信道动态信道，取决于用户所在地点环境条件，其信道参数是时变时变的。利用这类复杂的移动信道进行通信，首先必须分析和掌握信道的基本特点和实质，然后才能针对存在的问题一一对症下药给出相应技术解决方案任何一种通信系统都是围绕着如何完成通信的三项基本指标有效性有效性，可靠性
18、可靠性和安全性安全性进行不断的优化。精品28 移动通信信道的主要三个特点移动通信信道的主要三个特点1)传播的开放性2)接收地点地理环境的复杂性与多样性3)通信用户的随机移动性（直射波、反射波、绕射波）（直射波、反射波、绕射波）三类不同层次的损耗三类不同层次的损耗1)路径传播损耗2)慢衰落损耗3)快衰落空间选择性快衰落频率选择性快衰落时间选择性快衰落无线信道特点无线信道特点精品29 移动通信四种主要效应移动通信四种主要效应1)阴影效应阴影效应由大型建筑物和其它物体的阻挡，在电波传播的接收区域中产生传播半盲区。它类似于太阳光受阻挡后可产生的阴影，光波的波长较短，因此阴影可见，电磁波波长较长，阴影不
19、可见，但是接收终端与专用仪表可以测试出来。2)多普勒效应多普勒效应它是由于接收用户处于高速移动中比如车载通信时传播频率的扩散而引起的，其扩散程度与用户运动速度成正比。这一现象只产生在高速(70km/h)车载通信时，而对于通常慢速移动的步行和准静态的室内通信，则不予考虑。无线信道特点无线信道特点精品303)远近效应远近效应由于接收用户的随机移动性，移动用户与基站之间的距离也是在随机变化，若各移动用户发射信号功率一样，那么到达基站时信号的强弱将不同，离基站近者信号强，离基站远者信号弱。通信系统中的非线性将进一步加重信号强弱的不平衡性，甚至出现了以强压弱的现象，并使弱者，即离基站较远的用户产生掉话(
20、通信中断)现象，通常称这一现象为远近效应。无线信道特点无线信道特点精品314)多径效应多径效应由于接收者所处地理环境的复杂性、使得接收到的信号不仅有直射波的主径信号，还有从不同建筑物反射过来以及绕射过来的多条不同路径信号。而且它们到达时的信号强度，到达时间以及到达时的载波相位都是不一样的。所接收到的信号是上述各路径信号的矢量和，也就是说各径之间可能产生自干扰，称这类自干扰为多径干扰或多径效应。这类多径干扰是非常复杂的，有时根本收不到主径直射波，收到的是一些连续反射波等等。无线信道特点无线信道特点精品32 三类多径干扰三类多径干扰1)第一类多径干扰：是由于快速移动用户附近的物体的反射而形成的干扰
21、信号，其特点是由于用户的快速移动因此在信号的频域上产生了多普勒(Doppler)频移扩散，而引起信号在时域上时间选择性衰落时间选择性衰落。2)第二类多径干扰：用户信号由于远处的高大建筑物与山丘的反射而形成的干扰信号。其特点是传送的信号在空间与时间上产生了扩散。空域上波束角度的扩散将引起接收点信号产生空间选择性衰落，时域上的扩散将引起接收点信号产生频频率选择性衰落率选择性衰落。3)第三类多径干扰：它是由于接收信号受基站附近建筑物和其它物体的反射而引起的干扰。其特点是严重影响到达天线的信号入射角分布，从而引起信号在空间的选择性衰落空间的选择性衰落。无线信道特点无线信道特点精品33三类多径干扰的示意
22、图三类多径干扰的示意图第一类多径干扰第二类多径干扰第三类多径干扰无线信道特点无线信道特点精品34 几类经常使用的著名经验公式与模型几类经常使用的著名经验公式与模型1)奥村哈塔(Okumura-Hata)模型2)Hata模型向个人通信PCS系统的扩展3)Walfisch-Ikegami模型(WIM)4)室内传播模型无线信道特点无线信道特点精品35 MIMO系统信道建模系统信道建模20世纪90年代后，几位著名的科学家Foschini,Vertib等预言并随后证明了MIMO系统在频谱效率和系统容量方面所带来的巨大增益。通常人们会延续SISO信道建模的思想来研究MIMO信道，而实际上MIMO系统中各信
23、道之间的相关性使得其模型更加复杂，目前这方面的研究出现了大量的新概念和重要成果。Gregory.D.Durgin,Space-time Wireless Channels朱世华等译,空时无线信道，西安交通大学出版社无线信道特点无线信道特点精品36 MIMO的特点的特点有效地利用了多天线所提供的空间维数，在天线数目很多时，有效地利用了多天线所提供的空间维数，在天线数目很多时，可使信道容量随信噪比的增加呈线性增长；可使信道容量随信噪比的增加呈线性增长；多径衰落是影响通信质量的主要因素，但MIMO系统却能有效地利用多径的影响来提高系统容量，在不需要增加发射功率就能获得很高的系统容量。实验证明采用MI
24、MO结构可使频谱效率达到20 40pbs/Hz,如果再对系统设计加以优化，则可获得更高的频谱效率；MIMO系统的基本原理系统的基本原理精品37 单用户单用户MIMO系统模型系统模型考虑一个 的单用户MIMO系统，系统模型为RTnn,yxijh1 ihRnTnnHxy其中 为 发送信号向量；为 接收信号向量；为 信道矩阵，中的元素 表示从第 个发射天线到第 个接收天线之间的信道增益；为 的AWGN。x1Tny1RnHTRnn Hijhjin1RnMIMO系统的基本原理系统的基本原理精品38 无衰落时无衰落时的的MIMO系统容量系统容量 当信道无衰落时，可以对信道矩阵 进行奇异值分解，得到 (2)
25、其中 与 为酉矩阵，的对角线上包含 的奇异值，用 表示矩阵的共轭转置。给(2)式左乘 得 (3)写成矩阵形式，则有HnxUDVnHxy*UD*UnxDynUxDVyU*yxn*HRRnn TTnn TRnn VMIMO系统的基本原理系统的基本原理精品39其中 为 的非零奇异值，且 ，由此我们得到 个并行独立的子信道。每个子信道的容量为 (4)因为并行独立信道的总容量为各个子信道的容量之和，所以MIMO系统的容量为 (5)nxyr001Hrankr)1(log2kkSNRC)1(log121krkrkkSNRCC1x1y11nrxryrrnrii,1 HrMIMO系统的基本原理系统的基本原理精品
26、40若假设 ，且在每个子信道上平均分配发射功率，则有 (6)其中，为总的发射功率，为噪声方差。由此得到MIMO系统容量为 (7)其中，为平均信噪比。RTnn 22kTTknPSNRTnk,1 TP2*22212detlog)1(logHHnInPCTnkTTnkRT2TPMIMO系统的基本原理系统的基本原理精品41 容量的比较容量的比较 SISO系统容量公式为 (8)MIMO系统容量公式(7)，当 时 (9)而且 。1log2CnnCn1log22ln1loglimlim2nnCnnnnRTIHnnn,这说明在正交的并行信道中，采用并行传输的方法对提高信道容量有很大的潜力，它可使信道容量随信噪
27、比的增加呈线性增加。MIMO系统的基本原理系统的基本原理精品42 有衰落时的有衰落时的MIMO系统容量系统容量 在衰落信道中，信道矩阵 是随机的。当发射端功率约束为 时，MIMO系统的容量为 (10)其中 为发送信号 的概率密度函数；为发送信号 的协方差矩阵；系统总的发射功率为 ，与发射天线数无关。系统输入与输出之间的互信息为 (11)对于一个给定的方差，高斯分布可以使熵最大化。TPyxICTPtrxp;max)(:)()(xpx*xxExTP nhyhxyhyhyxI|;HMIMO系统的基本原理系统的基本原理精品43 因此，由(11)式可得随机的MIMO信道的互信息为 其中 为白噪声向量的协
28、方差矩阵。当发射端没有信道状态信息（CSI）时，在各个发射天线上平均分配发射功率可得最优解，即RRnnIKHHyxI12)(detlog;RRnnIK2TnTTInPMIMO系统的基本原理系统的基本原理精品44BAIABIdetdet)det(log2HHnICTnT由此得到MIMO系统的容量为)det(log2HHnICTnR2TP又因为故MIMO系统的基本原理系统的基本原理精品45 衰落的相关性对衰落的相关性对MIMO系统容量的影响系统容量的影响 MIMO系统中各个子信道之间的相关性可能严重影响系统的容量。如果各个子信道完全不相关，则MIMO系统的容量可以达到最大。通过对信道矩阵H进行奇异
29、值分解得到H的奇异值 ，可认为 是每个子信道上的功率增益。的分布由衰落相关性决定，因此，衰落的相关性通过改变这些子信道的增益来影响MIMO系统的容量。i2i2iMIMO系统的基本原理系统的基本原理精品46单用户非相关信道容量曲线单用户相关信道容量曲线MIMO系统的基本原理系统的基本原理精品47多用户非相关信道容量曲线多用户相关信道容量曲线MIMO系统的基本原理系统的基本原理精品48 MIMO空时复用空时复用(Space Multiplex)发送端将高速数据流经过并行编码器（解复用）变成并行数据流，再经过分层编码分层编码后经不同发送天线传输，从而可在不增加带宽的条件下提高数据传输率。MIMO系统
30、的基本原理系统的基本原理精品49分层空时编码按发射端分路的不同方式主要有三种方案：对对角分层空时编码角分层空时编码；垂直分层空时编码垂直分层空时编码和水平分层空时编码水平分层空时编码。其主要差别是针对并行信道编码器的输出，三种方案分别按照对角线、垂直方向和水平方向进行编码。空时复用的典型形式是贝尔实验室提出的BLAST系统系统，依据不同的编码方式又可分为V-BLAST，D-BLAST，H-BLAST，turbo-BLAST等具体形式。研究表明，分层空时编码的优势是当接收天线数大于发送天线数时，系统容量与发射天线数成正比关系，它可在中高信噪比下实现最高达30b/s/Hz的传输效率。MIMO系统的
31、基本原理系统的基本原理精品50BLAST系统译码算法主要有最大似然译码算法最大似然译码算法(ML)、线性算法线性算法 如迫零算法迫零算法(ZF)、最小均方误差算法最小均方误差算法(MMSE)以及非线性算法非线性算法如串行干扰消除串行干扰消除(SIC)等等。接收信号处理y1y2检测器M检测器M-1检测器1检测器2yN 1 x 2 x 1M x Mx空分复用中的SIC检测示意图 MIMO系统的基本原理系统的基本原理精品51 MIMO空时编码空时编码(Space Time Coding)MIMO系统的研究除了提高数据传输速率外，还有一类研究是改善通信可靠性方面的研究。前者是通过复用方式复用方式实现的
32、，而后者是通过分集方式分集方式实现的，在MIMO系统中主要通过空时编码技术提高分集度。分集分集：同一符号的多个“复本”通过不同的时间或天线传输，假设这些“复本”经历统计独立的信道，则“复本”同时处于深衰落的概率大大降低 MIMO系统的基本原理系统的基本原理精品52有关空时编码的方法很多，1998年Tarokh提出了空时格码技术空时格码技术，它把编码调制与分集综合考虑，提出了构造准静态瑞利衰落信道下满分集增益和高编码增益的系列准则。为了减少接收端复杂度，Tarokh等又提出了空时分组码技术空时分组码技术（STBC）。空时分组码技术在发送端对几个连续发送符号作简单的正交编码，接收端只要采用线性合并
33、就可以获得最大似然译码，实现最大的发送分集增益。此外还有正交空时分组编码正交空时分组编码（OSTBC）和准正交空时分组编准正交空时分组编码码（QOSTBC）等技术MIMO系统的基本原理系统的基本原理精品53 MIMO的在的在3G中的应用中的应用目前，对MIMO技术的研究工作已经进入了一个相对成熟的阶段。3G中MIMO方案的标准化工作已经开始，主要是在国际电信联盟和3GPP的论坛上进行。对MIMO进行补充的许多技术用来改进吞吐量、性能和频谱效率，正引起研究人员的高度重视，特别是那些对3G增强的技术，例如高速数字分组接入(HSDPA)、自适应调制与编码、混合ARQ等等。但至今为止，MIMO在蜂窝系
34、统中还很少商业实现。除了多人单出的纯发分集方案，目前3G还没有采用 任何的MIMO方案。MIMO系统的基本原理系统的基本原理精品54n 第一个影响因素是天线问题第一个影响因素是天线问题 在MIMO的系统设计中，天线的数目和间距是很重要的系统参数。具有多天线的基站更多地关注环境，因此，天线元的数目被限制在恰当 的数目，比如说四根天线或更多。而对于终端而言，1/2波长间距足够保证非相关衰落。间距参 数对于实现MIMO的高频谱效率尤其重要。然而，对于手机而言，安装两根天线可能是个问题。这是因为目前手机设计的趋势是把天线放入盖子里以改进外表的吸 引力，这就使得间隔的要求近乎苛刻。MIMO系统的基本原理
35、系统的基本原理精品55“The MIMO Fashion”MIMO系统的基本原理系统的基本原理精品56n第二个影响因素是接收机复杂度的问题第二个影响因素是接收机复杂度的问题接收机中对MIMO信道的估计使得复杂度增加；复杂度还来自特别的RF、硬件和接收机高级分离算法；MIMO接收机应该是双模的，以支持非MIMO模式。在MIMO模式时，接收机的每根天线使用一个RF链路，另外还要有附加的基带操作，即用来消除空间干 扰的空时合并器和检测器。这些附加需求使得四发四收MIMO系统的复杂度大约是单天线接收机的两倍；由于MIMO接收机环境的时延扩展带来的不同信道条件 可能还需要均衡和干扰消除的处理，可能会进一
36、步加大接收机的复杂度。MIMO系统的基本原理系统的基本原理精品57 高速数据业务对高速数据业务对TDMA及及CDMA系统的要求系统的要求对于单载波TDMA系统，高速信息流的符号宽度较窄，而无线信道存在时延扩展，故存在较严重的符号间干扰符号间干扰(ISI)，由此对时域均衡器的要求更加严格。对于窄带CDMA系统，矛盾在扩频增益与高速传输速率扩频增益与高速传输速率之间；此外，闭环功率控制闭环功率控制是维持CDMA系统优异性能的主要技术之一，这种在电路交换系统中易于实现的技术并不适用于高速无线分组业务。OFDM系统的基本原理系统的基本原理精品58 OFDM技术的发展及应用技术的发展及应用OFDM源于多
37、载波调制(MCM)技术，上世纪60年代美国军方创建了世界上第一个MCM系统，进而在70年代出现了以多载多载波及频率重叠波及频率重叠为核心内容的OFMD技术，其调制解调部分通过FFT技术技术实现。80年代大规模集成电路极大的改善FFT性能，进而OFDM正式步入了通信的舞台。数字音频广播(DAB)数字用户环路(xDSL)陆地数字视频广播系统(DVB)无线局域网(WLAN)IEEE 802.11,802.16OFDM系统的基本原理系统的基本原理精品59 OFDM的基本原理的基本原理将高速的数据流分解为多路并行的低速数据流，在多个载波上同时进行传输。对于低速并行的子载波而言，由于符号周期展宽，多径效应
38、造成的时延扩展相对变小。当每个OFDM符号中插入一定的保护时间后，码间干扰几乎就可以忽略。OFDM系统的基本原理系统的基本原理精品60OFDM符号通带信号可以表示为：12220.5()Reexp2NNciNiis tdjftTOFDM信号的基带形式为：1222()exp2NTNiNiix tdjtTdwOFDM系统的基本原理系统的基本原理精品61由于子载波的正交特性，可以采用一路子载波信号进行解调，从而提取出这一路的数据。例如对第k路子载波进行解调可以得到(具体参照课本)：12222exp2exp2NTNNikNikijtdjtdt dTTTOFDM系统的基本原理系统的基本原理精品6200.2
39、0.40.60.81-3-2-10123子载波数目N=4 时，承载的数据为 d=1 1 1 1，四个载波独立的波形和迭加后的信号虽然四个子载波的幅度范围为1,-1，但迭加之后的OFDM符号的幅度范围却变化很大，这也就是OFDM系统具有高峰均比的现象。OFDM系统的基本原理系统的基本原理精品63 OFDM的信号频谱结构的信号频谱结构OFDM系统满足Nyquist无码间干扰准则。但此时的符号成型不象基带系统，不是在时域进行脉冲成型，而是在频域实现的。因此时频对偶关系，通常系统中的码间干扰(ISI)变成了OFDM系统中的子载波间干扰(ICI)。为了消除ICI，要求OFDM系统在频域采样点无失真。OF
40、DM系统的基本原理系统的基本原理精品64 OFDM的优点的优点n抗衰落能力强抗衰落能力强OFDM把用户信息通过多个子载波传输，在每个子载波上的信号时间就相 应地比同速率的单载波系统上的信号时间长很多倍，使OFDM对脉冲噪声和信道快衰落的抵抗力更强。同时，通过子载波的联合编 码，达到了子信道间的频率分集的作用，也增强了对脉冲噪声和信道快衰落的抵抗力。因此，如果衰落不是特别严重，就没有必要再添加时域均衡器。n频率利用率高频率利用率高OFDM允许重叠的正交子载波作为子信道，而不是传统的利用保护频带分离子信道的方式，提高了频率利用效率。OFDM系统的基本原理系统的基本原理精品65n适合高速数据传输适合
41、高速数据传输 OFDM自适应调制机制使不同的子载波可以按照信道情况和噪音背景的不同使用不同的调制方式。当信道条件好的时候，采用效率高的调制方式。当信道条件差的 时候，采用抗干扰能力强的调制方式。再有，OFDM加载算法的采用，使系统可以把更多的数据集中放在条件好的信道上以高速率进行传送。因此，OFDM技术 非常适合高速数据传输。n抗码间干扰能力强抗码间干扰能力强ISI是数字通信系统中最主要的干扰之一，它与加性的噪声干扰不同，是一种乘性的干扰。造成码间干扰的原因有很多，实际上，只要传输信道的频带是有限的，就会造成一定的码间干扰。OFDM由于采用 了循环前缀，对抗码间干扰的能力很强。OFDM系统的基
42、本原理系统的基本原理精品66 OFDM的不足之处的不足之处n对频偏和相位噪声比较敏感对频偏和相位噪声比较敏感OFDM技术区分各个子信道的方法是利用各个子载波之间严格的正交性。频偏和相位噪声会使各个子载波之间的正交特性恶化，仅仅1的频偏就会使信噪比下降30dB。因此，OFDM系统对频偏和相位噪声比较敏感。n负载算法和自适应调制技术会增加系统复杂度负载算法和自适应调制技术会增加系统复杂度负载算法和自适应调制技术的使用会增加发射机和接收机的复杂度，并且当终端移动速度每小时高于30公里时，自适应调制技术就不是很适合了。OFDM系统的基本原理系统的基本原理精品67n功率峰值与均值比大，导致射频放大器的功
43、率效率较低功率峰值与均值比大，导致射频放大器的功率效率较低与单载波系统相比，由于 OFDM信号是由多个独立的经过调制的子载波信号相加而成的，这样的合成信号就有可能产生比较大的峰值功率，也就会带来较大的峰值均值功率比，简称峰均值 比。对于包含N个子信道的OFDM系统来说，当N个子信道都以相同的相位求和时，所得到的峰值功率就是均值功率的N倍。当然这是一种非常极端的情况，通常 OFDM系统内的峰均值不会达到这样高的程度。高峰均值比会增大对射频放大器的要求，导致射频信号放大器的功率效率降低。OFDM系统的基本原理系统的基本原理精品68OFDM系统的基本原理系统的基本原理 MIMO-OFDM系统系统n
44、MIMO系统可以抗多径衰落，但对于频率选择性衰落，MIMO仍是无能为力，现在一般采用均衡技术来解决MIMO系统中的频率选择性衰落。n OFDM被认为是下一代移动通信中的核心技术。4G需要高的频谱利用率的技术，但OFDM提高频谱利用率的能力毕竟有限。如果结合MIMO技术，可以在不增加系统带宽的情况下提高频谱效率。精品69OFDM系统的基本原理系统的基本原理n MIMO+OFDM 技术可以提供更高的数据传输速率，又可以通过分集达到很强的可靠性，如果把合适的数字信号处理技术应用到MIMO+OFDM系统中能更好的增强系统的稳定 性。n OFDM由于码率低和加入了时间保护间隔而具有很强的抗多径干扰能力。
45、多径时延小于保护间隔使系统不受码间干扰的影响。这样就可以使单频网络使用宽带OFDM系统依靠MIMO技术消除阴影效应。精品70OFDM系统的基本原理系统的基本原理 MIMO-OFDM系统模型系统模型n 发端模型发端模型信源的比特流经前向纠错编码交织后映射到数字解调器的星座图上；再进入OFDM编码器进行编码，然后输出的符号流相互并行地传输；每个OFDM符号前加一个循环前缀(CP)以减弱信道延迟扩展的影响；精品71OFDM系统的基本原理系统的基本原理n 收端模型收端模型接收天线接收来自IF/RF的符号流首先进行同步，包括粗略的频率同步和前缀辅助定时。然后从接收到的符号流中提取出前缀码和循 环前缀码，
46、接下来通过FFT变换解调剩下的OFDM符号。在频域内，从解调后的OFDM符号中提取频率导频。然后通过精细的频率同步和定时，准确的提取出 导频和数据符号。从所有接收天线中提取出的频率导频是用作信道估计的。这个受信道估计的矩阵辅助MIMO解码器对OFDM符号的解码。最后，经解码后的符 号流被发送到接收器。精品72n 分布式天线系统简介分布式天线系统简介未来移动通信的关键技术未来移动通信的关键技术精品73分布式移动通信系统简介分布式移动通信系统简介 分布式天线系统的发展分布式天线系统的发展 分布式天线系统（分布式天线系统（DAS:Distributed Antenna System）20世纪50年代
47、中期，人们偶然发现屏蔽不好的电缆会不断向外辐射电波，于是由此产生了Leaky Feeder技术。BDAS(Bus-DAS)：多根简单的全向天线散布于各处，发送相同的信号，并将接收到的信号通过电缆传回至中央处理器，这种信号收发方式也被称为Simulcasting。BDAS主要用于协助覆盖无线传输环境较差的地区，例如建筑物内部，隧道内等，以对抗严重的衰落和信号衰减精品74由于所有接入节点共用一条馈线，由于所有接入节点共用一条馈线，BDAS不能对上行信号进不能对上行信号进行有效的分离和合并。行有效的分离和合并。n BDAS结构结构分布式移动通信系统简介分布式移动通信系统简介精品75n SDAS（SD
48、AS:Star-shaped DAS or Sectorized DAS）在SDAS中各个接入节点通过彼此分离的馈线连接到基站，从而许多有效的信号合并技术可以在BS中得以实现。分布式移动通信系统简介分布式移动通信系统简介精品76n Kerpez最早提出了使用Simulcasting SDAS覆盖整个蜂窝小区，构建分布式多天线接入系统的思想，仿真结果和分析结论都表明，采用分布式天线不仅能提高接收信噪比，降低发送功率，而且还减少了切换次数，从而大大改善了系统性能。n 但此时的分布式天线系统最主要的问题在于Simulcasting所带来的自干扰。实际上对于用户而言，接收多个天线发出的信号应该是对性能
49、提高有帮助的，只是当时的分布式天线系统无法利用这一点n 直到上世纪90年，研究者把CDMA技术应用于分布式天线系统中，采用RAKE接收机区分各天线发出的信号，从而解决了Simulcasting技术带来的自干扰问题。分布式移动通信系统简介分布式移动通信系统简介精品77n 在基于CDMA的分布式天线系统中，发送端预先插入一定延时以保证不同天线发出的信号到达接收端时的时延差至少大于1个chip宽度，从而使得各天线信号可分。n 基于CDMA的分布式天线系统自从问世以来就引起了业界的广泛兴趣，用于室内无线数据传输的各种分布式天线系统不断面世。大量文献通过分析模型或仿真模型研究了CDMA分布式天线系统功率
50、控制算法，以及在链路质量等方面的性能改善。n 此后，随着光纤技术以及微蜂窝的蓬勃发展，分布式天线系统被进一步细化完善，并开始了其在蜂窝系统中的应用。分布式移动通信系统简介分布式移动通信系统简介精品78n 为满足未来移动系统对带宽需求，其工作频点已向2GHz以上的高频段发展，而运行在高频段的移动通信系统将面临一系列新的问题和挑战，其中电波传播模型的变化将严重影响移动通信蜂窝结构的设计。n 而采用分布式天线正可以很好的解决这一问题，故进入21世纪后，分布式天线系统重新受到业界及学者的关注，并再次成为研究热点。n FuTURE 计划在项目启动初期就意识到了新一代移动通信系统所面临的频谱有效性和功率有
