1、第第9章章 移动通信系统移动通信系统(4G)展望展望 9.1 个人通信概述个人通信概述 9.2 关于个人通信的国际标准和研究进展关于个人通信的国际标准和研究进展 9.3 未来移动通信中的关键技术未来移动通信中的关键技术 思考题与习题思考题与习题 7.1 个人通信概述个人通信概述 移动通信从产生到现在的历史并不长，然而其发展速度却远远超出了人们的预料。尤其是最近十几年来，随着微电子技术、计算机和软件工程的发展，移动通信设备在质量、使用方便和可靠性等方面的发展日新月异。7.1.1 个人通信的概念 长期以来，人们就有一种美好的愿望：未来总有一天会做到无论任何人(Whoever)在任何时候(Whene
2、ver)和任何地点(Wherever)都能和另一个人(Whomever)进行任何方式(Whatever)的通信。以往，人们曾把这种愿望称之为幻想，然而随着科学技术的发展，这种愿望已经不是幻想，而是可以实现的了。人们把这种向往中的通信称为“个人通信”，而把实现个人通信的网络称之为个人通信网(PCN)。个人通信的愿望虽然早已存在，但个人通信网的设想却是在1988年才正式提出来的。其后，PCN在世界范围内立即引起了巨大的反响和共鸣，一些通信发达的国家纷纷开展了PCN的体系结构和实现技术的研究，提出了形形色色的设想和方案，有关PCN的国际标准的制定也受到许多国际组织的重视。7.1.2 实现个人通信的途
3、径 个人通信的设想激发了人们的浓厚兴趣。从1988年以来，人们对如何实现个人通信曾提出过各种各样的方案，也发生过一些争论，甚至相互非议。一般来说，实现个人通信的途径有以下几种。(1)规划、设计和开发一种覆盖世界范围的全新个人通信网。这种方法可以按照个人通信的理想目标，自由地精选先进技术和优化网络结构，而不受现有通信设施和现用技术体制的影响和约束。(2)选择现有的某一种移动通信网络进行扩充和改造，实现一个遍及全球、功能齐全和适应各种运行环境的个人通信网。这种办法对现有各种通信设备的开发者、制造商和运营公司特别有吸引力。利用和改造某一种通信网络向个人通信网发展的方案都带有一定的局限性，主要表现在以
4、下几个方面：把蜂窝通信系统的小区分为宏小区、微小区和微微小区，混合配置，以适应城市和乡村、户内和户外的不同需要和扩大个人通信的服务范围。把无绳电话系统由室内应用扩展到室外应用，通过Telepoint覆盖整个服务地区，并赋予双向呼叫、越区切换和漫游功能，以提供个人通信业务。利用中、低轨道移动通信卫星实现个人通信网络。因为移动卫星通信在海上、空中和地形复杂而人口稀疏的环境中应用具有独特的优点，不仅覆盖范围大，而且不受地形的限制，对于解决边远地区的通信和形成陆海空联合的立体通信系统而言是最有效的办法。(3)综合利用现有各种通信网络，发挥各自的优点，取长补短，在统一要求和统一标准的条件下，突破关键技术
5、，解决各种网络之间的互连互通，加强通信网络的智能化管理功能，以实现全球性的个人通信网。7.2 关于个人通信的国际标准和研究进展关于个人通信的国际标准和研究进展 7.2.1 第三代移动通信系统标准制定的过程 第三代移动通信系统的理论研究、技术开发和标准制定工作早在20世纪80年代中期就已经开始了。第三代移动通信的主要发展目标是：能提供高质量业务，包括话音、低速和高速数据(从几kbs到2 Mbs)，并具有多媒体接口；能支持面向电路和面向分组业务；能工作在各种通信环境，包括城市和乡村、丘陵和山地、空中和海上以及室内场所；具有更高的频谱效率，能提供更大的通信容量；能与固定网络兼容，和现有移动通信网互连
6、互通并实现全球漫游；网络结构可配置成不同形式，以适应各种服务需要，如公用、专用、商用和家用；具有高级的移动性管理，能保证大量用户数据的存储、更新、交换和实时处理等。关于第三代移动通信系统的标准，开始主要是由国际电信联盟(ITU)主导的，最初提出时使用的系统名称为“未来公共陆上移动通信系统”(FPLMTS)，后改名为“国际移动通信2000”(IMT-2000)。1998年12月，世界各国已向ITU提交的无线传输技术(RTT)建议有：(1)以TDMA为基础的两种：DECT，来自ETSI计划(EP)DECT。UWC-136(Universal Wireless Communications)，来自美
7、国TIA TR45.3。(2)以CDMA为基础的八种：WINS W-CDMA(Wireless Multimedia and Messaging Service Wideband CDMA)，来自美国TR46.1。TD-SCDMA(TimeDivision Synchronous CDMA)，来自中国电信技术研究院(CATT)。W-CDMA(Wideband CDMA)，来自日本ARIB。CDMA(Asynchronous DS-CDMA)，来自韩国TTA。UTRA(UMTS Terrestrial Radio Access)，来自ESTI SMG2。NA：W-CDMA(North Ameri
8、can Wideband CDMA)，来自美国TIPI-ATIS。cdma2000(Wideband CDMA(IS-95)，来自美国TIA TR45.5。CDMA(Multiband Synchronous DS-CDMA)，来自韩国TTA。(3)用于卫星系统的五种：SAT-CDMA，轨道高度2000 km，轨道平面7个，总共49颗低轨道卫星，来自韩国TTA。SW-CDMA(Satellite Wideband CDMA)，来自ESA。SW-CTDMA(Satellite Wideband Hybrid CDMATDMA)，来自ESA。ICO-RTT，轨道高度10 390 km，轨道平面2个
9、，总共10颗中轨道卫星，来自ICO Global Communication。Horizons(Horizons Satellite System)，来自Inmarsat。1999年11月赫尔辛基TG81会议通过了“IMT-2000无线接口技术规范”建议，该建议中最终确定下来的第三代移动通信系统无线传输技术分为CDMA和TDMA两类，具体包括：CDMA DS：UTRA FDD(WCDMA)；CDMA MC：cdma2000 MC；CDMA TDD：UTRA TDD及TD-SCDMA；TDMA SC：UWC-136；TDMA MC：DECT。7.2.2 超（后）三代（B3G）或第四代(4G)移动
10、通信的研究和开发 第三代移动通信已经开始商用，2003年底全球已发放120个IMT-2000的运行牌照。仅以日本为例，第三代移动通信2001年10月开始商用（WCDMA技术），2004年3月已有300万用户，网络已覆盖99%以上的地区。在第三代（3G）移动通信开始商用后，大家就开始考虑今后该如何发展，即开始了超（后）三代（B3G）或第四代(4G)移动通信的研究和开发。今后的发展分为两个思路：一是对现有3G标准的增强，以满足未来用户的需求；二是研制全新的标准。第一种思路可以称为3G的演进，如3GPP提出了高速下行分组接入（HSDPA），其数据率可以达到10.8 Mb/s；3GPP2提出了1xEV
11、-DV，其速率可以达到5.4 Mb/s。ITU-R对未来系统的发展的看法包括两部分：一是IMT-2000的未来发展，二是超IMT-2000的系统。IMT-2000将继续发展以支持新的应用、产品和服务。WWRF（Wireless World Research Forum）认为未来的系统不可能仅用一个标准来满足用户的所有要求，应当用一组标准来满足完全不同的用户需求；应当利用多模终端，在一组可选的空中接口中选择一个最适合给定环境的空中接口；此外，还要满足100 Mb/s或1 Gb/s的数据速率。IEEE 802下的多个工作组也在进行未来无线通信的标准化工作。如IEEE 802.11n希望下一代WLA
12、N的实际传输速率达到100 Mb/s，完整的802.11n标准则预计在2006年年底至2007年年初之间问世；2004年8月底有两个组织提交了提案，TGn Sync组织的提案希望传输速率能够达到640 Mb/s左右，而WWiSE组织的提案最高速率为540 Mb/s；它们都选择使用了“多重输入与多重输出”(MIMO，Multiple Input and Multiple Output)技术作为规范的核心。综上所述，我们可用图7-1来概括移动和无线通信的发展进程。它包括广域覆盖（Wide Area Coverage）的移动通信系统和局域覆盖(Local Area Coverage)的无线局域网。图
13、7-1 移动通信的发展进程 1.25 MHz54 Mb/s54 Mb/s15.2 kb/s30 kHzGSM(MAP)HSCSGPRSEDGETDMA(IS-41)CDPDWCDMAFDDcdma2000与HL2协调的IEEE 802.11a标准HiperLAN2IEEE 802.11aPDC/PDC-PCDMA(IS-41)WLAN802.11b170 kb/s473 kb/s200 kHz43.2 kb/s14.4 kb/s76.8 kb/s本地覆盖11 Mb/s5 MHz2 Mb/s307.kb/s广域覆盖473 kb/s实时 IPEDGE Ph.2GERAN3 G的演进WCDMA TD
14、DWCDMAHSPA2 Mb/s变速下行分组接入10 Mb/sT-SCDMA2.4 Mb/s5.4 Mb/s未来无线20002001200220032010以后1xEV DO阶段1xEV-DV阶段1X7.3 未来移动通信中的关键技术未来移动通信中的关键技术 7.3.1 自适应编码调制技术 1.可变速率调制技术 未来移动通信系统不仅要传输不同速率和不同质量要求的多种业务，而且因为移动信道的传播性能经常会随时间和传播地点而随机变化，所以移动通信系统必须具有自适应改变其传输速率的能力，以便能灵活地为多种业务提供合适的传输速率，而且能在保证传输质量的前提下，根据传播条件实时地调整其传输速率(信道条件好
15、，提高速率；信道条件差，降低速率)，以充分发挥所用频谱的效率。实现可变速率调制的方法有以下几种：(1)可变速率正交振幅调制(VR-QAM)。QAM是一种振幅和相位联合键控技术。电平数越多，每码元携带的信息比特数就越多。图7-2 星型QAM的星座图 星型8QAM星型16 QAM星型64 QAM星型32 QAM (2)可变扩频增益码分多址(VSG-CDMA)。这种技术靠动态改变扩频增益和发射功率以实现不同业务速率的传输。在传输高速业务时降低扩频增益，为保证传输质量，可相应提高其发射功率；在传输低速业务时增大扩频增益，在保证业务质量的条件下，可适当降低其发射功率，以减少多址干扰。(3)多码码分多址(
16、MC-CDMA)。待传输的业务数据流经串并变换器后，分成多个(1，2，M)支路，支路的数目随业务数据流的不同速率而变，当业务数据速率小于等于1基本速率时，串并变换器只输出1个支路；当业务数据速率大于基本速率而小于2倍基本速率时，串并变换器输出2个支路；依此类推，最多可达M个支路，即最大业务速率可达基本速率的M倍。（4）可变扩频因子-正交频分和码分复用（VSF-OFCDM）。可变扩频因子-正交频分和码分复用（VSF-OFCDM）是 OFDM和CDM（码分复用）的结合，它根据小区的干扰情况动态调整扩频因子，通过选用不同的子载波数和在时间或频域上的扩展来实现不同速率的传输。2.自适应编码调制 自适应
17、编码调制（AMC）将不同速率的编码与不同的调制方式结合起来，系统根据收发信道的情况动态选择最佳的编码组合。例如，我们可以采用QPSK、8PSK、16QAM、64QAM等调制方式，可以采用码率为R=1/4、1/2、或3/4的Turbo码。可以有下列七种调制和码率的组合：QPSK R=1/4,QPSK R=1/2,QPSK R=3/4,8PSK R=1/2,16QAM R=1/2,16QAM R=3/4和64QAM R=3/4，如表10-1所示。在码片速率为3.84 Mc/s，采用20个码字、64QAM、R=3/4 时可以达到10.8 Mb/s的数据速率；如改用QPSK R=1/4，则速率为1.2
18、 Mb/s。表7-1 不同调制编码方案（MCS）提供的信息速率 图7-3 自适应调制编码的通过率MCS6MCS5MCS4MCS3MCS2MCS125201510505050100150200250300每个天线平均测量到的接收 SNR/dB通 过 量/(Mb/s)MCS1(QPSK,R1/3)MCS2(QPSK,R1/2)MCS3(QPSK,R3/4)MCS4(16QAM,R1/2)MCS5(16QAM,R3/4)MCS6(64QAM,R3/4)AMCAMC NTT DoCoMo在4.635 GHz频段、101.5 MHz带宽内利用自适应调制编码的方法，配合VSF-OFCDM调制可以达到的通过
19、率如图10-3所示。系统在时域的扩展因子为16，频域的扩展因子为1，采用15个码字，6种调制编码的方案（MCS）；在每个天线测量到的接收SNR为6.0、14.0、22.0 dB时,可以达到的通过量为100、200和300 Mb/s。从图中可以看到，通过采用自适应调制编码（AMC），系统可以达到每一种调制的最佳传输速率。7.3.2 多输入多输出技术 广义的多输入多输出（MIMO）技术包括：智能天线技术、空时编码、用于提高系统容量的MIMO等技术。1.智能天线 智能天线是一种自适应阵列天线。自适应阵列天线已经经历了40年的发展历史。图7-4 利用智能天线实现空分多址示意图 新用户 智能天线的理想目
20、标是能在发射机或接收机快速移动时，以一个或多个高增益的窄波束分别对准并跟踪所需信号的方向，同时以波束零点对准并跟踪干扰信号的方向，此时通信系统中的许多用户可以占用同一个信道工作而互不干扰，这就实现了所谓的“空分多址(SDMA)”，如图10-4 所示。系统可以为每一个新用户增加一个新的波束。智能天线类似一个空间滤波器，其突出的优点是能够减少或者滤除同道干扰和多址干扰，因而能显著提高通信系统的通信容量。目前，移动台要使用自适应天线，因受体积、重量和造型等方面的限制，尚有一定困难，但基站使用自适应天线已被证明是非常有效的。图7-5 自适应波束形成示意图 aaa可变衰减可变相移Wd信号源波前 图7-5
21、是一种基于信号到达方向的(DOA)自适应波束形成示意图，其中天线阵列由N个空间分布的天线阵元组成，阵元排列可以是直线型、环型或平面型，阵元之间的距离一般为信号波长的一半，即2；W是复加权因子。这种自适应阵列需要判别所有信号的到达方向，然后根据信号的到达方向，计算和选择合适的复加权因子，将方向图的主瓣指向所需信号，而把凹陷对准干扰信号，从而提高有用信号的信干比。这种做法在阵元数多于用户数，且不存在多径传播时比较有效。另一种办法需要提供一种与所需信号密切相关而与噪声和干扰无关的基准信号，用此基准信号和方向图形成网络的输出信号相减，产生一误差信号，然后按照选定的算法准则(如最小均方差(LMS)准则、
22、递归最小平方(RLS)准则等)，对复加权因子W进行调整，使形成网络的输出信号尽可能接近基准信号，并从输出信号中消除与基准信号不相关的噪声和干扰信号。图10-6是基于基准信号的阵列天线示意图。图7-6 基于基准信号的阵列天线示意图 x1(t)x2(t)xN(t)反馈控制W1W2WNs(t)r(t)阵输出基准信号误差信号(t)无论采用哪一种自适应算法，都要在保证性能要求的前提下，尽可能减少运算量，缩短收敛时间，以期能跟踪移动通信环境的动态变化。基准信号的产生可以采用下列几种办法：(1)利用发送同步信号的引导序列来产生参考信号。因为各个用户的同步引导序列通常不是独特的，所以这种方法不能区分所需信号和
23、同道干扰。(2)为各个用户发送专门的训练序列或引导序列，用来产生参考信号。显然，这种方法会增大信道的额外开销。(3)在码分多址移动通信系统中，因为接收端知道发送端所用的扩频码，所以利用提取环路很容易获得所需的参考信号。2.空时编码 空时编码（Space Time Coding）是指对发送符号进行联合编码，然后在多个天线上同时发送，从而实现接收端的有效分集合并，以提高系统的可靠性。空时编码分为两类：空时分组编码(STBC)和空时格型编码（STTC）。一个简单的空时分组编码如图10-7所示。输入的信息经过调制（星座映射）后生成符号序列。假定符号序列分为两个符号一组，每一组的符号为s0和s1，经过编
24、码生成两个新的码组s0，-s*1和s1，s*0，前一组在天线0上发送，后一组在天线1上发送，其接收机的框图如10-8所示。图7-7 一个简单的空时分组编码 信源星座映射空时分组编码信号1信号0s0 s1*01*10 ssss图7-8 空时分组编码的单接收天线接收机 信道估计器合路器最大似然检测器h0h1h1h0n1n0干扰和噪声接收天线1s0s0j00eh1j11eh发送天线1发送天线00s*1s1s*0s 在时间t的信道模型为：发送天线0到接收天线的传输损耗函数为h0(t)，发送天线1到接收天线的传输损耗函数为h1(t)。假定衰落在两个符号区间内是恒定的，即 0011110000)()()(
25、)(jjehTththehTthth(7-1)式中，T表示符号周期。接收信号可以表示为 r0=r(t)=h0s0+h1s1+n0 r1=r(t+T)=-h0s*1+h1s*0+n1(10-2)图10-8中的合路器生成以下两个合并后的信号送往最大似然检测器:1001111000rhrhsrhrhs(10-3)将式(10-1)和式(10-2)代入式(10-3)，有11101212011100021200)()(nhnhssnhnhss(10-4)上式的合并与发端使用一个天线、收端使用两个天线进行最大比合并的效果是相同的。合并后的信号送给最大似然检测器进行解调判决。令 TTTTThhhhHsssnn
26、nssrsss011010101010,则 sHrsnsHrSsmmaxarg（10-5）（10-6）上述空时码可以拓展到多个接收天线的情况，此时式（10-5）就是每一个天线上信号的表达式，即 mmmnsHr（10-7）M个接收天线的表达式为 21maxargsHrsmmMmSs（10-8）上述例子中的空时编码的速率为1，我们也可以将其推广到更多的发送天线，构造不同码率的空时分组编码。例如,一个4发送天线且码率为1/2的空时分组编码矩阵如下，矩阵中的每一行在一个天线上发送：01230123103210322301230132103210sssssssssssssssssssssssssssss
27、ssss（10-9）图7-9 2发送天线采用8PSK调制的8状态空时编码 012345678PSK星座输入数据00，01，02，03，04，05，06，0750，51，52，53，54，55，56，5720，21，22，23，24，25，26，2770，71，72，73，74，75，76，7740，41，42，43，44，45，46，4760，61，62，63，64，65，66，6730，31，32，33，34，35，36，3701234567当前的状态输入：0 1 5 7 6 4TX 1：0 0 5 1 3 6TX 2：0 1 5 7 6 410，11，12，13，14，15，16，17TX
28、1TX2 3.多输入多输出（MIMO）系统 前面讨论的多发送天线多接收天线系统(或称为多输入多输出（MIMO）系统)主要是为了提高系统的可靠性，增加分集增益。MIMO系统的另一个非常重要的用途是提高系统的传输容量。一个有N个发送天线和M个接收天线的系统，用MIMO（M，N）来表示。一个MIMO（3，3）系统如图10-10所示，输入调制符号b1，b2，b3，轮流在发送天线1、2和3上发送，接收端通过信号处理算法（如V-BLAST算法）将空间中已混合在一起的信号分离出来，以后每一路再单独解调。通过这种方法可实现空间复接。假定N个发送天线的功率相等，且不相关，每个接收天线上SNR比为，信道矩阵为H情
29、况下，MIMO系统的信道容量可表示为 HzsbbHHNIIbCMEP)/(det（10-10）图7-10 MIMO(3，3)原理图*A3A2A1B3B2B1C3C2C1调制和映射信号处理b1b4b2b5b5b6b3b4b1b2b3b6A1A2A3B1B2B3C1C2C3b5b6b3b4b1b2b1b4b2b5b3b6 7.3.3 软件无线电 由于移动通信的迅猛发展，目前多种多样的通信体制层出不穷，形形色色的通信标准竞争激烈，频谱资源日益紧张，提高频谱利用率的新技术迅速发展，通信产品的更新换代越来越快，产品生存周期越来越短，而对多种通信体制之间的互联和对移动终端的兼容性要求也日益迫切。图7-11
30、是软件无线电的结构简图。在实际应用中，要求发射机能判明可用的传输信道，探测可行的传播路径，选择合适的多址方式和调制制度，自适应控制天线波束使之指向正确方向和使用合适的功率电平等。接收机应能判明所需信道和邻近信道的能量分布，识别接收信号的模式，自适应抵消干扰，能估计所需信号的多径特性，采用自适应均衡，最佳合并与利用所需信号的多径能量，对信道调制进行最佳译码和判决，并通过前向纠错以降低误码率等。此外，软件无线电还可通过众多的软件工具来支持增值业务。图7-11 软件无线电结构简图 宽带/多频段天线RF部分A/D/ADDCDUC高速 DSP专用可编程处理器低速DSP其它终端语音天线/RF段高速处理段低速处理段DDC数字下变频DUC数字上变频思考题与习题思考题与习题 1.说明第三代移动通信的技术特征与第一、第二代移动通信有何不同。2.个人通信业务(PCS)与个人通信网(PCN)有没有差异?为什么?3.有关未来移动通信系统的标准制定工作为什么会有非常激烈的竞争?4.B3G或4G的主要特征是什么？5.多天线技术的应用方式有几种？它们的主要特点是什么？6.什么是AMC？请举例说明AMC的实现过程。
