3G4G5G系統(tǒng)天線技術(shù)的差異要點_第1頁
3G4G5G系統(tǒng)天線技術(shù)的差異要點_第2頁
3G4G5G系統(tǒng)天線技術(shù)的差異要點_第3頁
3G4G5G系統(tǒng)天線技術(shù)的差異要點_第4頁
3G4G5G系統(tǒng)天線技術(shù)的差異要點_第5頁
已閱讀5頁,還剩14頁未讀, 繼續(xù)免費閱讀

下載本文檔

版權(quán)說明:本文檔由用戶提供并上傳,收益歸屬內(nèi)容提供方,若內(nèi)容存在侵權(quán),請進行舉報或認領(lǐng)

文檔簡介

1、3G/4G/5G 通信系統(tǒng)天線技術(shù)的差異姓名: 學(xué)號: 電話: 學(xué)院:1 3G/4G/5G通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù) 11.1 3G通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù) 11.2 4G通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù) 11.3 5G 通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù) 22 無線通信信道衰落特性 32.1 信道噪聲干擾 42.1.1 高斯白噪聲 42.1.2 瑞麗分布信道模型 42.1.3 如何對抗無線通信的衰落 52.2 3G/4G/5G通信系統(tǒng)中天線技術(shù)差異 62.2.1 3G 通信系統(tǒng)中智能天線 62.2.2 4G 通信系統(tǒng)中MIMO 技術(shù) 62.2.3 5G 通信系統(tǒng)的MassiveMIMO 技術(shù) 73 總結(jié) 114 參考文獻113G/4G

2、/5G 的天線技術(shù)差異本文討論3G/4G/5G(第三代/第四代 /第五代)通信系統(tǒng)中關(guān)鍵技術(shù),然后討論它們所采用天線技術(shù)的差異。在參閱和研究了有關(guān)3G/4G/5G通信系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的大量論文之后,在此,我做出自己的一些分析和總結(jié)。隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展,移動通信技術(shù)發(fā)生了深刻變革,從1G到 2G,到3G,再到4G和 5G,不斷變革和延續(xù)。2013 年 12 月 4 日,第四代移動通信4G技術(shù)正式在中國市場運營,意味著中國移動通信事業(yè)進入4G時代。而此時,在各國研究所和全球知名從事通信技術(shù)研究的企業(yè)都已經(jīng)進入新一代移動通信,即5G(第五代移動通信系統(tǒng)),的研發(fā)當中。無論哪代通信系統(tǒng),所研究的技術(shù)都

3、是要從無線通信信道特性分析,克服噪聲干擾?,F(xiàn)在大量研究人員在關(guān)注Massive(大規(guī)模)MIMO技術(shù),它與3G/4G通信系統(tǒng)所采用的天線技術(shù)差異在哪里?它是否會成為新一代無線通信的核心技術(shù)?1 3G/4G/5G通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)1.1 3G通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)從 20世紀90年代早期,移動通信業(yè)界開始積極研究第三代移動通信標準和技術(shù)。2009年 1月,中國工業(yè)和信息化部為中國移動、中國電信和中國聯(lián)通發(fā)放3G牌照,意味著我國進入3G移動通信時代。第三代移動通信系統(tǒng)主要有 WCDM、 ACD-MA200和0 TD-SCDMA 種技術(shù)體制。它的主要關(guān)鍵技術(shù)有, 3a. Rake接收技術(shù);b. 信道編譯

4、碼技術(shù);c. 功率控制技術(shù);d. 多用戶檢測技術(shù);e. 智能天線;f. 軟件無線電。1.2 4G通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)2013年 12月,我國正式進入4G(第四代移動通信系統(tǒng))的通信網(wǎng)絡(luò)時代,在 4G移動通信系統(tǒng)中,采用OFDM正交頻分復(fù)用()技術(shù),OFDM技術(shù)因其頻譜利用率高和抗多徑衰落性能好而被普遍看好,未來 5G通信網(wǎng)絡(luò)也將進行與OFDM技術(shù)相關(guān)的研究。4G通信系統(tǒng)主要關(guān)鍵技術(shù)有,a. OFDM技術(shù);b. MIMO技術(shù);c. 多用戶檢測技術(shù);d. 軟件無線電;e. 智能天線技術(shù);f. IPv6技術(shù)。1.3 5G通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)中國工業(yè)和信息化部剛剛給三大運營商發(fā)放4G牌照, 他們還在大規(guī)模

5、布網(wǎng),用戶數(shù)量也不多。此時中國移動表示啟動5G通信系統(tǒng)研發(fā),分析人士指出,目前三大運營商均在參與5G研發(fā),一是為了技術(shù)跟上時代變化,二是需求快于技術(shù)發(fā)展。中國移動副總裁李正茂在2014 年巴塞羅那世界通信大會(MW)表示: C“中國移動將全力支持5G項目發(fā)展,希望能引導(dǎo)產(chǎn)業(yè)界5G技術(shù)研發(fā)和技術(shù)標準的制定?!彪S著移動通信技術(shù)研究的不斷深入,5G 關(guān)鍵支撐技術(shù)將逐步得以明確,并在未來幾年內(nèi)進入實質(zhì)性的標準化研究與制定階段。未來將采用何種核心技術(shù),目前還沒有定論。不過,綜合各大高端移動通信論壇討論的焦點,我收集了9大關(guān)鍵技術(shù)。a. 大規(guī)模MIMO 技術(shù);b. 基于濾波器組的多載波技術(shù);c. 全雙工技

6、術(shù);d. 超密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)技術(shù);e. 自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù);f. 高頻段的使用;g. 軟件定義無線網(wǎng)絡(luò);h. 無線接入技術(shù):(1) BDM(射束分割多址技術(shù))A(2) NOMA 非正交多址接入技術(shù)()i. D2D(設(shè)備對設(shè)備)通信。圖 1是 5G通信網(wǎng)絡(luò)中大規(guī)模MIMO天線的布局,我在實驗室正在研究Massive MIMO技術(shù)。圖1顯示了用戶以大規(guī)模天線為中心,相互之間進行通信。1. 大規(guī)模天線協(xié)作無線通信網(wǎng)絡(luò)2 無線通信信道衰落特性無線通信系統(tǒng)的性能主要受移動無線信道的制約。無線信道非常復(fù)雜,對它的建模一直是系統(tǒng)設(shè)計中的難點,一般是利用統(tǒng)計方法,根據(jù)對特定頻帶上的通信系統(tǒng)的測量值來進行統(tǒng)計。無線信道

7、衰落信道分為大尺度衰落信道模型和小尺度衰落信道模型。所謂大尺度衰落模型,描述的是發(fā)射機和接收機之間長距離(幾百米或幾千米)上的場強變化,反映由路徑損耗和陰影效應(yīng)所引起的接收信號功率隨距離變化的規(guī)律。小尺度衰落模型,描述短距離或短時間內(nèi)的接收場強的快速波動。大尺度衰落信道模型由收、發(fā)端之間地表輪廓(如高山、森林、建筑等)的影響引起。小尺度衰落信道模型由多徑效應(yīng)和多普勒效應(yīng)引起,如果存在大量反射路徑而沒有LOS(直射信號)信號分量,此時的小尺度衰落稱為Rayleigh 衰落,接收信號的包絡(luò)由Rayleigh 概率密度函數(shù)統(tǒng)計描述;若存在LOS,則包絡(luò)服從Rician 分布。多徑效應(yīng)現(xiàn)象引起平坦衰落

8、和頻率選擇性衰落。在 3G/4G/5G無線通信系統(tǒng)中,如何克服多徑效應(yīng)現(xiàn)象,就我所研究的,在此進行一些分析和看法?2.1 信道噪聲干擾2.1.1 高斯白噪聲在分析無線通信系統(tǒng)的性能時,通常以理想的加性高斯白噪聲( AWG) N信道作為分析的基礎(chǔ)。在該信道上,統(tǒng)計獨立的高斯遭受疊加在信號上。高斯噪聲指頻譜非常寬(10 12Hz)、 幅度隨時間連續(xù)隨機變化,也稱為起伏噪聲。所謂”白”,指噪聲功率譜密度(PSD)在整個頻率軸上為常數(shù)。wn (w) n0 (w/ Hz), w( 1)22.1.2 瑞麗分布信道模型數(shù)學(xué)描述:概率密度函數(shù)(pdf) 、累積積分函數(shù)(CDF)及其數(shù)字特征(數(shù)學(xué)期望、方差、中

9、值)。2)3)4)5)6)2. 接收信道包絡(luò)電壓2.1.3 如何對抗無線通信的衰落a. 減少通信距離;增加發(fā)送功率;調(diào)整天線高度;選擇合適路由;b. 在移動通信中采用微蜂窩、直放站;c. 采用分集技術(shù)、均衡技術(shù)、瑞克技術(shù)、糾錯技術(shù)等;d. 頻率選擇性衰落主要是由于多徑效應(yīng)引起的;e. 多徑效應(yīng)最嚴重的后果之一是在信道傳遞函數(shù)中引入一個非理想的Hc(f) ,破壞奈奎斯特準則和匹配濾波準則,從而產(chǎn)生碼間串擾(ISI ),使有效的Eb/No惡化;f. 對抗頻率選擇性衰落就是要消除非理想Hc(f) 的影響;g. 在接收端采用均衡、接收分集、糾錯技術(shù)等技術(shù),而在發(fā)送端可以采用擴頻、多載波調(diào)制OFD、發(fā)送

10、分集等技術(shù)。M由此可見,提高無線通信性能的方法和技術(shù)很多。這里我分析3G/4G/5G通信系統(tǒng)中使用天線技術(shù)的差異。2.23G/4G/5G 通信系統(tǒng)中天線技術(shù)差異2.2.1 3G通信系統(tǒng)中智能天線3G通信系統(tǒng)以 CDM技術(shù)A 為 核心技術(shù)。使用的天線是智能天線。從 1G 到 4G,通信設(shè)備都離不開天線,當傳統(tǒng)的天線不滿足通信網(wǎng)絡(luò)需求時,移動通信進入3G 時代,研究人員研發(fā)了智能天線,但在3G 標準中,由于智能天線的算法及其復(fù)雜,WCDMA 和 CDMA2000 不采用這種技術(shù),只有TD-SCDMA 系統(tǒng)采用了這種技術(shù)。智能天線是一種基于自適應(yīng)天線原理的移動通信新技術(shù),它在消除干擾、擴大小區(qū)半徑、

11、降低系統(tǒng)成本、提高系統(tǒng)容量等方面具有不可比擬的優(yōu)越性。為了達到高速通信的目的,智能天線是不可缺少的,必須更加有效的使用智能天線。3G 通信網(wǎng)絡(luò)中智能天線無法解決的時延超過碼片寬度的多徑干擾和高速移動引起的多普勒效應(yīng)等問題,將在4G 中得到有效的解決。2.2.2 4G通信系統(tǒng)中MIMO 技術(shù)4G通信系統(tǒng)采用了多輸入多輸出(MIMO)技術(shù),3G系統(tǒng)中都沒有采用這種技術(shù)。在4G通信網(wǎng)絡(luò)中,多數(shù)基站的天線采用一發(fā)兩收的結(jié)構(gòu)。MIMO技術(shù)與4G系統(tǒng)所采用的核心技術(shù)OFD技術(shù)相結(jié)合,即MMIMO-OFD技術(shù),形成滿足人們需 M求的新型技術(shù),極大的提高了數(shù)據(jù)速率,避免窄帶衰落,提高了頻譜利用率和抗多徑衰落的

12、能力。其原因一是,OFDM技術(shù)屬于多載波調(diào)制(MCM技術(shù),)OFDM技術(shù)具有良好的抗噪聲性能和抗多徑干擾的能力,以及頻譜利用率高的特點。其原因二是,采用MIMO技術(shù)不僅成倍地提高無線信道容量,而且在不增加帶寬和天線發(fā)送功率的情況下,頻譜利用率也可以成倍地提高。對提高抗干擾能力,起到非常關(guān)鍵作用。MIMO技術(shù)系統(tǒng)具有顯著的優(yōu)點:a. 降低了碼間干擾;b. 提高了空間分集增益;c. 提高了無線信道容量和頻譜利用率。2.2.3 5G通信系統(tǒng)的MassiveMIMO 技術(shù)在 4G通信系統(tǒng)中利用MIMO技術(shù)與OFDM技術(shù)融合,克服多徑效應(yīng)信道衰落。鑒于MIMO技術(shù)的優(yōu)點,5G系統(tǒng)也采用了MIMO技術(shù),但

13、是為了滿足人們對移動通信視頻、高速數(shù)據(jù)傳送需求而開發(fā)新一代技術(shù),Massive MIMO(大規(guī)模多輸入多輸出)技術(shù)。未來5G網(wǎng)絡(luò)是一個多網(wǎng)絡(luò)、多頻道、多制式的混合網(wǎng)絡(luò),研究人員以大規(guī)模MIMO技術(shù)為研究熱點,天線數(shù)量比4G傳統(tǒng)的MIMO天線多出好幾十倍甚至幾百倍。其大規(guī)模天線的特點不僅繼承MIMO技術(shù)優(yōu)點,而且提高通信質(zhì)量的魯棒性,讓網(wǎng)絡(luò)的容量成倍增加,同時提高了網(wǎng)絡(luò)的能量效率??傊?,Massive MIMO技術(shù)能更好地提高通信網(wǎng)絡(luò)的有效性和可靠性。以下是我在研究5G關(guān)鍵技術(shù)中的一些理解,主要針對Massive(大規(guī)模)MIMO技術(shù)的幾個基本技術(shù)方案。1. STBC( Orthogonal S

14、pace-Time Block Code )方案它利用矩陣特性設(shè)計行列正交矩陣的符號陣,消除符號間干擾和信道間干擾,提高空間分集增益和編碼增益,降低無線通信系統(tǒng)誤碼率。最早出現(xiàn)的是Alamouti1 提出的典型基本方案:發(fā)送端使用兩條天線,接收端使用一根天線或者兩個天線,在發(fā)送端進行編碼調(diào)制,形成一個正交矩陣。7)式中,A是一個編碼調(diào)制符號,一個正交矩陣,直接通過天線發(fā)送每行符號;x1, x2為調(diào)制符號(從M-QAM/PSK的符號得到)。進一步發(fā)展,將Alamouti 碼擴展為一般的STBC2碼,還有STTC3空時格碼等,STTC有優(yōu)良的分集增益和編碼增益, 但其譯碼的復(fù)雜度很高。為了滿足自由

15、度和分集度,最多能編碼映射成8 行 8 列的正交矩陣。超過之,就會降低速率的性能,得不到全速的速率。2. VBLAS方案TP.W.Wolniansky,G.J.Foschini,et al.4 研究了BLAST技術(shù),在發(fā)送端,各層獨立編碼;在接收端,通過干擾抵消的算法,降低無線通信系統(tǒng)的誤碼率。隨著收發(fā)天線數(shù)目的增加,提高傳輸質(zhì)量所帶來的好處會逐漸減少。因此,在天線數(shù)目較多的MIMO系統(tǒng)中,更加著重于提高傳輸速率。它的優(yōu)點:a. 數(shù)據(jù)率很高b. 接收檢測復(fù)雜度低它的缺點:c. 要求發(fā)送天線數(shù)小于或等于接收天線數(shù)d. 時域和空域處理未聯(lián)合,誤碼性能不及空時碼3. Linear Dispersio

16、n Code(LDC) 方案Hassibi and Hochwald 5 研究了一種MIMO空時處理結(jié)構(gòu)的LDC碼,它合并( STC) 和空時分布復(fù)用( SDM) 的優(yōu)勢,權(quán)衡了靈活的分集復(fù)用增益。圖 3. LDC 碼結(jié)構(gòu)圖LDC碼原理:在結(jié)構(gòu)圖中,矩陣Aq(q 1, Q)是由一定的準則構(gòu)成,在源比特數(shù)據(jù)流串并之后,經(jīng)過M-PSK/QA調(diào)制,然后每一路調(diào)制符號分別與各路上的M矩陣Aq 相乘,形成矩陣符號,各個矩陣符號對應(yīng)相加,最后經(jīng)過MIMO天線發(fā)送。LDC碼是OSTBC方案 s , BLAST方案的總結(jié),或者說OSTBCs, BLAS是T LDC碼的特例。17LDC碼,STBC, BLAST

17、和 ST Trellis Code 四者在MIMO技術(shù)的比較復(fù)雜度數(shù)據(jù)率性能ST Trellis CodeST Block CodeLinear Dispersion Code4. 比較圖4 Spatial Modulation/Space-Shift KeyingR.Mesleh,H.Haas等研究人員6,7,8,9 研究了SM/SSK方案SM/SSK的優(yōu)點:克服了發(fā)射天線間同步和信道間的干擾,傳輸額外比特數(shù),與傳統(tǒng)通信系統(tǒng)B log2(LM) log2L log2M。它的缺點:沒有得到有效的空間分集、時間分集。SM基本方案的映射結(jié)構(gòu)圖如下:圖 5.SM的映射圖信息比特流映射的工作原理:如下

18、表1,輸入比特數(shù)為B=3比特,前兩個比后一個比特是作為調(diào)制器輸入,然后激活BPSK符號發(fā)送給接收端。表 1. 映射工作原理5.STSK(Space-Time Shift Keying) 方案這個方案是Sugiura10 提出的, 這個方案是由LDC碼和SM方案基本思想結(jié)合得到的。與LDC碼和SM方案相比,STSK方案是權(quán)衡了他們的優(yōu)勢,獲得了可達到的分集增益和高速率傳輸。CSTS系統(tǒng)模型如圖K6所示圖 6. CSTSK 結(jié)構(gòu)圖工作原理:在系統(tǒng)模型中,輸入的源數(shù)據(jù)流,經(jīng)過串并轉(zhuǎn)換之后,把源數(shù)據(jù)流分成兩路數(shù)據(jù),一路數(shù)據(jù)流用作選擇矩陣Aq(q 1, Q)中一個。 另一路數(shù)據(jù)流輸入調(diào)制器進行映射,輸出

19、調(diào)制符號。在第一路選擇好A(i) 之后, 與調(diào)制符號相乘,得到的S(i)符號陣,經(jīng)過Space-time Mapper 發(fā)送給接收端。STSK方案的優(yōu)點:增強了空間分集、時間分集。進一步克服了多徑效應(yīng)衰落。STSK與 OFDM技術(shù)結(jié)合,形成STSK-MIMO-OFD系統(tǒng),獲得空間、時間、頻率分 M集增益,大大提高了無線通信的性能。未來的5G通信系統(tǒng)中,在大規(guī)模MIMO技術(shù)中是否使用STSK與 MIMO-OFD技術(shù) M相結(jié)合,尚未定論,現(xiàn)在還處于實驗室研究當中。3 總結(jié)從事移動通信網(wǎng)絡(luò)業(yè)界認為,未來5G通信網(wǎng)絡(luò)將是一個多網(wǎng)絡(luò)、多頻段、多制式的混合通信網(wǎng)絡(luò),大規(guī)模MIMO技術(shù)是必須備受關(guān)注和值得研

20、究的。盡管此時5G通信核心技術(shù)尚沒有確定最終的標準,但是大部分國家科研所和從事通信技術(shù)研究的知名企業(yè)都已經(jīng)投入了大量資金到5G技術(shù)的研發(fā)當中,爭分奪秒地搶奪未來制定5G通信系統(tǒng)規(guī)則的話語權(quán)。不過, 明確來講,大規(guī)模MIMO技術(shù)的科研成果,必然與3G通信技術(shù)和4G通信技術(shù)一起融合發(fā)展,將實現(xiàn)與3G/4G通信網(wǎng)絡(luò)共存發(fā)展,形成一個完全的融合網(wǎng)絡(luò)。未來5G究竟如何發(fā)展,讓我們,乃至全球研究人員共同努力。4 參考文獻1 . S. M. Alamouti, “ A simple transmit diversity techniquewfiorer less communications, IE” EE

21、 J. Sel. Areas Commun., vol. 16, no. 8, pp.1451 1458, 1998.2 . Zeng, X., Ghrayeb, A.: Antenna selection fotri mspeabcleock codes over correlatedRayleigh fading channels , IEEE Can. J. Electr. CEonmgp.,u 2t.0 04,29, (4), pp. 219 226.3 . G. A. da Silva, F. M. de Assis: ” Some new codes for space-time

22、trellis encoded modulation over fading ISI channels, ” in IEEE 11th International Symposium on Personal, Indoor and Mobile Radio Communications, London,UK, 18-21 September 2000, pp. 500 503.4 . P. W. Wolniansky; G. J. Foschini,et al: “V-BLAST: an architecture for realizing very high data rates over

23、the rich-scattering wireless channel, ” IEEE International Symposium onSignals, Systems, and Electronics, 1998, pp. 295 300.5. B. Hassibi and B. M. Hochwald,-ra“te Hcoigdhes that are linear in space and time, IEEETrans. Inf. Theory, vol. 48, no. 7, pp. 1804 1824, 2002.modulati“on,SpIaEt”iEaEl Trans.Spatial modulation:optimal detection and6 . R. Mesleh, H. Haas, S. Sinanovic, C. W. Ahn, and S. Yun, Veh. Technol., vol.

溫馨提示

  • 1. 本站所有資源如無特殊說明,都需要本地電腦安裝OFFICE2007和PDF閱讀器。圖紙軟件為CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.壓縮文件請下載最新的WinRAR軟件解壓。
  • 2. 本站的文檔不包含任何第三方提供的附件圖紙等,如果需要附件,請聯(lián)系上傳者。文件的所有權(quán)益歸上傳用戶所有。
  • 3. 本站RAR壓縮包中若帶圖紙,網(wǎng)頁內(nèi)容里面會有圖紙預(yù)覽,若沒有圖紙預(yù)覽就沒有圖紙。
  • 4. 未經(jīng)權(quán)益所有人同意不得將文件中的內(nèi)容挪作商業(yè)或盈利用途。
  • 5. 人人文庫網(wǎng)僅提供信息存儲空間,僅對用戶上傳內(nèi)容的表現(xiàn)方式做保護處理,對用戶上傳分享的文檔內(nèi)容本身不做任何修改或編輯,并不能對任何下載內(nèi)容負責。
  • 6. 下載文件中如有侵權(quán)或不適當內(nèi)容,請與我們聯(lián)系,我們立即糾正。
  • 7. 本站不保證下載資源的準確性、安全性和完整性, 同時也不承擔用戶因使用這些下載資源對自己和他人造成任何形式的傷害或損失。

評論

0/150

提交評論