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现代通信技术论文资料

摘要：

目前移动通信系统已经经历了三代，虽然第三代移动通信系统（3G）提供了宽带信息业务，但由于其具有局限性，所以第四代移动通信系统（4G）的发展应运而生。

4G将多种无线技术融合为一体,为用户提供基于全IP的多媒体服务，具有高速、抗干扰、兼容性好和低成本等特点。

虽然4G的发展还面临着许多挑战，但它将是移动通信系统发展的必然趋势。

关键词：

第四代移动通信系统；网络结构；关键技术；OFDM；

一． 什么是第四代移动通信技术 ？

严格说来，现在还不能对第四代移动通信作出确切地定义，但可以肯定，4G通信将是一个比3G通信更完美的无线世界，它可以创造出许多难以想象的应用。

关于4G的一般描述为：

“第四代移动通信的概念可称为广带接入和分布网络，具有非对称的和超过2Mbit/s的数据传输能力。

它包括广带无线固定接入、广带无线局域网、移动广带系统和互操作的广播网络（基于地面和卫星系统）。

此外，第四代移动通信系统将是由多功能集成的宽带移动通信系统，也是宽带接入IP系统”。

2．第四代移动通信系统的特征

4G系统应该具有下面的特征：

1.通信速率更高

专家称，4G的实际速率将达到10~20Mbit/s，最高可达100Mbit/s。

 2. 网络占用频谱更宽 

据研究，每个4G信道将占用100MHz的频谱，相当于WCDMA 3G网络的20倍。

3. 通信终端更加灵活 

4G终端的功能已不能简单划归“电话机”的范畴，因为语音数据的传输只是4G移动电话的功能之一。

而且4G终端的外观和样式上将有惊人的突破，可以想象，眼镜、手表、鞋都有可能是终端。

4. 智能性能更高 

这里不仅指4G终端设备的设计和操作上，更重要的是4G终端可以实现许多难以想象的功能。

5. 兼容性能更高，过渡更平稳 

为了让更多的用户在投资更少的情况下平稳地过渡到4G系统，4G通信系统应当具备全球漫游、接口开放、能跟多种网络互联、终端多样化以及能从3G平稳过渡等特点。

6. 高质量的多媒体通信 

 4G通信系统提供的宽带无线多媒体通信服务将包括语音、数据、影像等多种业务应用。

7. 通信费用更加便宜 

4G通信与其他技术相比，部署起来容易迅速得多，同时在建设4G通信网络系统时，通信运营商们将考虑直接在3G通信网络的基础设施之上，采用逐步引入的方法，这样就能够有效地降低运营成本。

三．第四代移动通信系统的关键技术

1 ，OFDM正交频分复用技术 

3G中的核心技术是码分多址CDMA（Code Division Multiplex Access），在4G中核心技术是正交频分复用技术OFDM （Orthogonal Frequency Division Modulation）。

未来无线多媒体业务对数据传输率和传输质量有较高的要求，所以调制技术需要具备较高的信元速率以及较长的代码元素周期。

4G的核心技术正交频分复用技术OFDM （Orthogonal Frequency Division Modulation），属于多载波调制MCM（Multi-Carrier Modulation），载波的频率由标准委员会选为正交的，所以没有串扰或干扰。

它将指配的信道分成许多正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流, 调制到每个子信道上进行传输。

正交信号可以通过在接收端采用相关技术来分开, 这样可以减少子信道之间的相互干扰。

每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽, 因此每个子信道上可以看成平坦性衰落, 从而可以消除符号间干扰。

而且由于每个子信道的带宽仅仅是原信道带宽的一小部分, 信道均衡变得相对容易。

OFDM系统框图见图3所示。

简介OFDM的工作原理，输入数据信元的速率为R，经过串并转换后，分成M个并行的子数据流，每个子数据流的速率为R/M，在每个子数据流中的若干个比特分成一组，每组的数目取决于对应子载波上的调制方式，如PSK、QAM等。

M个并行的子数据信元编码交织后进行IFFT变换，将频域信号转换到时域，IFFT块的输出是 N个时域的样点，再将长为Lp的CP（循环前缀）加到N个样点前，形成循环扩展的OFDM信元，因此，实际发送的OFDM信元的长度为Lp＋N，经过并/串转换后发射。

接收端接收到的信号是时域信号，此信号经过串并转换后移去CP，如果CP长度大于信道的记忆长度时，ISI仅仅影响CP，而不影响有用数据，去掉CP也就去掉了ISI的影响。

 由于OFDM信号是经过IFFT得到的，发送的数据在频域被充分随机化，OFDM信号可以认为是独立同步分布的随机变量的线性组合。

当子载波非常大时，由中心极限定理知OFDM信号近似服从复高斯分布，从而OFDM信号具有较大的峰值平均功率比（PAPR），此为OFDM系统的一个缺点。

由于OFDM系统各个子载波间相互正交，OFDM系统另外一个缺点是对系统频偏比较敏感

2.软件无线电（SDR）技术

在4G系统中，由于移动用户在不同的系统间漫游，系统之间以及系统内部需要无缝切换，而且随着4G系统的发展，会不断出现新的业务和新的需求，这些都需要对终端和网络节点进行重新配置。

软件无线电在4G中的可能应用为：

a）采用软件无线电实现的基站可同时为多个网络服务；b）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通信系统中时，终端可按照该系统的标准重新自动配置该终端，从而使该终端获得服务。

采用软件无线电技术实现的移动终端或基站将采用模块化结构，主要由天线模块、LNA模块、ADC/DAC功率放大器模块、DSP模块和多媒体模块等组成。

软件无线电技术主要涉及数字信号处理硬件（DSPH）、现场可编程器件（FPGA）、数字信号处理（DSP）等。

1软件无线电的理论基础 

● 采样理论：

由于软件无线电所覆盖的频率范围一般都要求比较宽，例如从

0.1MHZ到2.2GHZ，只有具有这么宽的频段才能具有广泛的适应性。

对于如此宽的频带采用Nyquist低通采样所需的采样速率至少要大于4.4GHZ，在目前很不实际。

所以无法使用Nyquist采样定理，而必须采用带通采样。

一种接近理想化的软件无线电设计方案称为射频直接带通采样软件无线电体制，在天线与A/D间只存在跟踪滤波器和放大器，与软件无线电所要求的A/D尽可能靠近天线的设计宗旨完全一致。

● 多速率信号处理：

带通采样定理大大降低了所需的射频采样速率，但从软

件无线电的要求来看，带通采样带宽应越宽越好，对信号有更宽的适应性，这样就应当使采样速率尽可能地宽。

然而又会导致后续的信号处理速度跟不上，因此要对A/D后的数据流进行降速处理。

抽取和内插是最基本最重要的基本理论，对于软件无线电的研究及数字下/上变频器的实现有重大作用。

整数倍抽取是把原始采样速序列x（n）每隔（D-1）个数据抽取一个，形成一个新序列xD（m），即xD（m）=x（mD），这样经过抽取的数据流速率只有后者的D分之一，显然大大降低了对后处理速度的要求，也提高了频域分辨率。

这是软件无线电接收机的理论基础。

整数倍内插是在两个原始抽样点之间插入（I-1）个零值，也形成一个新序列xI（m）,即xI（m）=x（m/I）,经过内插大大提高了时域分辨率，也可以用来提高输出信号的频率。

显然内插器起到了上变频作用。

它是软件无线电发射机的理论基础。

整数倍抽取和内插都只是频率变换的一种特殊情况，实际中往往用到分数倍变换，它可通过先进行I倍内插，再进行D倍抽取来实现。

（注意必须内插在前，以免引起信号失真）。

 ● 高效数字滤波：

实现取样速率变换的主要问题是如何实现抽取前或内插后

的数字滤波。

FIR滤波器相对与IIR滤波器有许多独特优越性，线性相位，稳定性等。

可采用窗函数法来设计，简单，直观，但滤波性能不是最佳。

也可采用最佳滤波器的设计。

半带滤波器适合于实现D=2的M幂次方倍的抽取或内插，计算效率也高实时性高。

而在实际的抽取系统中抽取因子D往往不是2的M幂次方，此时可以积分梳状滤波器和半带滤波器结合起来使用。

● 数字正交变换理论：

对一个实信号进行正交变换而用一个复解析信号来表

示是因为从解析信号很容易获得三个特征参数：

瞬时幅度，瞬时相位和瞬时频率，它们是信号分析，参数测量或识别解调的基础。

窄带信号可用解析信号和基带信号表示，对于要满足高虚假抑制的要求，可采用数字正交混频的方法实现，即先对模拟信号x（t）通过A/D采样数字化形成数字序列x（n）,然后与两个正交本振序列cos（w0n）和sin（w0n）相乘，再通过数字低通滤波器来实现。

在采样速率很高时，对后续的数字低通滤波实现较困难。

还可以采用基于多相滤波的数字正交变换，需用到抽取和内插理论。

3.智能天线（SA）

智能天线具有抑制信号干扰、自动跟踪及数字波束调节等功能，被认为是未来移动通信的关键技术。

智能天线成形波束可在空间域内抑制交互干扰，增强特殊范围内想要的信号，既能改善信号质量又能增加传输容量。

基本原理是在无线基站端使用天线阵和相干无线收发信机来实现射频信号的收发，同时，通过基带数字信号处理器，对各天线链路上接收到的信号按一定算法进行合并，实现上行波束赋形。

目前，智能天线的工作方式主要有全自适应方式和基于预多波束的波束切换方式。

全自适应智能天线虽然从理论上讲可以达到最优，但相对而言各种算法均存在所需数据量，计算量大，信道模型简单，收敛速度较慢，在某些情况下甚至可能出现错误收敛等缺点，实际信道条件下，当干扰较多、多径严重，特别是信道快速时变时，很难对某一用户进行实时跟踪。

在基于预多波束的切换波束工作方式下，全空域被一些预先计算好的波束分割覆盖，各组权值对应的波束有不同的主瓣指向，相邻波束的主瓣间通常会有一些重叠，接收时的主要任务

是挑选一个作为工作模式，与自适应方式相比它显然更容易实现，是未来智能天线技术发展的方向。

智能天线技术的基本原理 

   如图2，智能天线由天线阵列，A/D和D/A转换，自适应算法控制器和波束形成网络组成。

其中，波束形成网络是由每个单元空间感应信号加权相加，其权系数是复数，即每路信号的幅度和相位均可以改变。

自适应控制网络是智能天线的核心，该单元的功能是根据一定的算法和优化准则来调节各个阵元的加权幅度和相位，动态的产生空间动态定向波束。

   智能天线技术主要基于自适应天线阵列原理,天线阵收到信号后,通过由处理器和权值调整算法组成的反馈控制系统,根据一定的算法分析该信号,判断信号及干扰到达的方位角度,将计算分析所得的信号作为天线阵元的激励信号,调整天线阵列单元的辐射方向图、频率响应及其它参数。

利用天线阵列的波束合成和指向,产生多个独立的波束,自适应地调整其方向图,跟踪信号变化,对干扰方向调零,减弱甚至抵消干扰,从而提高接收信号的载干比,改善无线网基站覆盖质量,增加系统容量。

在方向图的选择和形成上智能天线的基本原理是在满足窄带传输假设（即某一入射信号在各天线单元的响应输出只有相位差异而没有幅度变化）下，各阵元上入射信号的波程差导致了阵元上接收信号的相位差，若入射信号为平面波，则上述相位差将由载波波长、入射角度、天线位置分布唯一确定。

具有相同信号强度、不同入射角度的信号，由于它们在天线阵元间的相位差不同，通过一个矢量加权合并后，各自的阵列输出信号功率也会有所不同，由此可做出这个权矢量对应的方向图。

   以入射角为横坐标、输出功率（dB）为纵坐标所作的图称为方向图。

智能天线的方向图不同于全向天线的方向图（理想时为一直线），而是接近于方向性（directional）天线的方向图，即有主瓣（main lobe）旁瓣（side lobe）等。

4、MIMO技术 

  MIMO（多进多出）是未来移动通信的关键技术。

多输入多输出技术（MIM0）是指在基站和移动终端都有多个天线。

MIM0技术为系统提供空间复用增益和空间分集增益。

空间复用是在接收端和发射端使用多副天线，充分利用空间传播中的多径分量，在同一频带上使用多个子信道发射信号，使容量随天线数量的增加而线性增加。

空间分集有发射分集和接收分集两类。

基于分集技术与信道编码技术的空时码可获得高的编码增益和分集增益，已成为该领域的研究热点。

MIM0技术可提供很高的频谱利用率，且其空间分集可显著改善无线信道的性能，提高无线系统的容量及覆盖范围。

多输入多输出）技术是指利用多发射、多接收天线进行空间分集的技术，它采用的是分立式

多天线，能够有效的将通信链路分解成为许多并行的子信道，从而大大提高容量。

信息论已经证明，当不同的接收天线和不同的发射天线之间互不相关时，MIMO系统能够很好地提高系统的抗衰落和噪声性能，从而获得巨大的容量。

例如：

当接收天线和发送天线数目都为8根，且平均信噪比为20dB时，链路容量可以高达42bps/Hz，这是单天线系统所能达到容量的40多倍。

因此，在功率带宽受限的无线信道中，MIMO技术是实现高数据速率、提高系统容量、提高传输质量的空间分集技术。

在无线频谱资源相对匮乏的今天， MIMO系统已经体现出其优越性，也会在4G移动通信系统中继续应用

基本原理

MIMO技术的基本是依赖多天线的多入多输技术。

通过不同天线发射信号的多径产生不同的多径衰落，可以根据不同的衰落特性区分出独立的信道。

在不增加天线发射功率和带宽的情况下通过一些分集复用技术成倍的增加系统容量和频道利用率

5）基于IP的核心网

4G移动通信系统的核心网是一个基于全IP的网络，可以实现不同网络间的无缝互联。

核心网独立于各种具体的无线接入方案，能提供端到端的IP业务，能同已有的核心网和PSTN兼容。

核心网具有开放的结构，能允许各种空中接口接入核心网；同时核心网能把业务、控制和传输等分开。

采用IP后，所采用的无线接入方式和协议与核心网络（CN）协议、链路层是分离独立的。

IP与多种无线接入协议相兼容，因此在设计核心网络时具有很大的灵活性，不需要考虑无线接入究竟采用何种方式和协议。

6.高性能的接收机  

4G移动通信系统对接收机提出了很高的要求。

Shannon定理给出了在带宽为BW的信道中实现容量为C的可靠传输所需要的最小SNR。

按照Shannon定理，可以计算出，对于3G系统如果信道带宽为5MHz，数据速率为2Mb/s，所需的SNR为l.2dB；而对于4G系统，要在5MHz的带宽上传输20Mb/s的数据，则所需要的SNR为12dB。

可见对于4G系统，由于速率很高，对接收机的性能要求也要高得多。

四、4G的网络体系结构  

  4G系统针对各种不同业务的接入系统，通过多媒体接入连接到基于IP的核心网中。

基于IP技术的网络结构使用户可实现在3G、4G、WLAN及固定网间无缝漫游。

4G网络结构可分为三层：

物理网络层、中间环境层、应用网络层。

物理网络层提供接入和路由选择功能，中间环境层的功能有网络服务质量映射、地址变换和完全性管理等。

物理网络层与中间环境层及其应用环境之间的接口是开放的，使发展和提供新的服务变得更容易，提供无缝高数据率的无线服务，并运行于多个频带，这一服务能自适应于多个无线标准及多模终端，跨越多个运营商和服务商，提供更大范围服务。

4G的网络分层图如图1所示。

在4G系统中，各种针对不同业务的接入系统通过多媒体接入系统连接到基于IP的核心网中，形成一个公共的、灵活的、可扩展的平台，网络的连接如图1所示。

五．第四代移动通信系统的目标及发展趋势 

我国4G发展的状况 

  我国在4G领域也取得得大成果。

汉网公司研制出的汉网“宽带无线IP通信系统”要用了4G技术和IP网络技术，以汉网特有的包分多址（PDMA）接入技术为核心，上下行数据速率采用不对称设计，可为无线用户提供高达近2Mbps的高速无线互联网业务，同时提供高速率的文字、图像、视频、话音等不同类型数据业务。

可实现手机、PDA、PC之间的自由通信和组播、多点通信等扩展业务。

七、4G的发展趋势 

  从4G的发展前景看，除0FDM和智能天线等核心技术外还包含一些相关技术。

（1）交互干扰抑制和多用户识别：

待开发的交互干扰抑制和多用户识别技术应成为4G的组成部分。

它们以交互干扰抑制的方式引入到基站和移动电话系统，消除不必要的邻近和共信道用户的交互干扰，确保接收高质量信号。

这种组合将满足更大用户容量和覆盖范围，大大减少网络基础设施的部署，确保服务质量。

（2）可重构性自愈网络：

4G无线网络中将采用智能处理器，可处理节点故障或基站超载。

网络各部分采用基于知识解答装置，可纠正网络故障。

  （3）微微无线电接收器：

未来4G中要研究的另一重点，它是嵌入式无线电。

采用此技术，功耗是采用现有技术的l/10～1/100。

  （4）无线接入网（RAN）：

4G系统高速度、大容量，低比特成本。

4G系统RAN的发展趋势是电路交换向基于IP分组交换发展，设备分集向网络分集发展。

这种基于IP技术的网络架构使得在3G、4G、W-LAN、固定网之间漫游得以实现，并支持下一代因特网。

参考文献

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