現(xiàn)代通信技術(shù)論文

1、摘要：目前移動通信系統(tǒng)已經(jīng)經(jīng)歷了三代，雖然第三代移動通信系統(tǒng)（3G） 提供了寬帶信息業(yè)務(wù)，但由于其具有局限性，所以第四代移動通信系統(tǒng)（4G）的發(fā)展應(yīng)運(yùn)而生。4G將多種無線技術(shù)融合為一體, 為用戶提供基于全I(xiàn)P的多媒體服務(wù)，具有高速、抗干擾、兼容性好和低成本等特點(diǎn)。雖然4G的發(fā)展還面臨著許多挑戰(zhàn)，但它將是移動通信系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢。 關(guān)鍵詞：第四代移動通信系統(tǒng)；網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；關(guān)鍵技術(shù)；OFDM；一 什么是第四代移動通信技術(shù) ？ 嚴(yán)格說來，現(xiàn)在還不能對第四代移動通信作出確切地定義，但可以肯定，4G通信將是一個比3G通信更完美的無線世界，它可以創(chuàng)造出許多難以想象的應(yīng)用。 關(guān)

2、于4G的一般描述為：“第四代移動通信的概念可稱為廣帶接入和分布網(wǎng)絡(luò)，具有非對稱的和超過2Mbit/s的數(shù)據(jù)傳輸能力。它包括廣帶無線固定接入、廣帶無線局域網(wǎng)、移動廣帶系統(tǒng)和互操作的廣播網(wǎng)絡(luò)（基于地面和衛(wèi)星系統(tǒng)）。此外，第四代移動通信系統(tǒng)將是由多功能集成的寬帶移動通信系統(tǒng)，也是寬帶接入IP系統(tǒng)”。 2 第四代移動通信系統(tǒng)的特征 4G系統(tǒng)應(yīng)該具有下面的特征： 1. 通信速率更高專家稱，4G的實(shí)際速率將達(dá)到1020Mbit/s，最高可達(dá)100Mbit/s。 2. 網(wǎng)絡(luò)占用頻譜更寬 據(jù)研究，每個4G信道將占用100MHz的頻譜，相當(dāng)于WCDMA 3G網(wǎng)絡(luò)的20倍。

3、 3. 通信終端更加靈活 4G終端的功能已不能簡單劃歸“電話機(jī)”的范疇，因?yàn)檎Z音數(shù)據(jù)的傳輸只是4G移動電話的功能之一。而且4G終端的外觀和樣式上將有驚人的突破，可以想象，眼鏡、手表、鞋都有可能是終端。 4. 智能性能更高 這里不僅指4G終端設(shè)備的設(shè)計(jì)和操作上，更重要的是4G終端可以實(shí)現(xiàn)許多難以想象的功能。 5. 兼容性能更高，過渡更平穩(wěn) 為了讓更多的用戶在投資更少的情況下平穩(wěn)地過渡到4G系統(tǒng)，4G通信系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)具備全球漫游、接口開放、能跟多種網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)、終端多樣化以及能從3G平穩(wěn)過渡等特點(diǎn)。 6.&

4、#160;高質(zhì)量的多媒體通信  4G通信系統(tǒng)提供的寬帶無線多媒體通信服務(wù)將包括語音、數(shù)據(jù)、影像等多種業(yè)務(wù)應(yīng)用。 7. 通信費(fèi)用更加便宜 4G通信與其他技術(shù)相比，部署起來容易迅速得多，同時在建設(shè)4G通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)時，通信運(yùn)營商們將考慮直接在3G通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)設(shè)施之上，采用逐步引入的方法，這樣就能夠有效地降低運(yùn)營成本。三第四代移動通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)1 ，OFDM正交頻分復(fù)用技術(shù) 3G中的核心技術(shù)是碼分多址CDMA（Code Division Multiplex Access），在4G中核心技術(shù)是正交頻

5、分復(fù)用技術(shù)OFDM (Orthogonal Frequency Division Modulation)。未來無線多媒體業(yè)務(wù)對數(shù)據(jù)傳輸率和傳輸質(zhì)量有較高的要求，所以調(diào)制技術(shù)需要具備較高的信元速率以及較長的代碼元素周期。 4G的核心技術(shù)正交頻分復(fù)用技術(shù)OFDM (Orthogonal Frequency Division Modulation)，屬于多載波調(diào)制MCM（Multi-Carrier Modulation），載波的頻率由標(biāo)準(zhǔn)委員會選為正交的，所以沒有串?dāng)_或干擾。它將指配的信道分成許多正交

6、子信道，將高速數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)換成并行的低速子數(shù)據(jù)流, 調(diào)制到每個子信道上進(jìn)行傳輸。正交信號可以通過在接收端采用相關(guān)技術(shù)來分開, 這樣可以減少子信道之間的相互干擾。每個子信道上的信號帶寬小于信道的相關(guān)帶寬, 因此每個子信道上可以看成平坦性衰落, 從而可以消除符號間干擾。而且由于每個子信道的帶寬僅僅是原信道帶寬的一小部分, 信道均衡變得相對容易。OFDM系統(tǒng)框圖見圖3所示。簡介OFDM的工作原理，輸入數(shù)據(jù)信元的速率為R，經(jīng)過串并轉(zhuǎn)換后，分成M個并行的子數(shù)據(jù)流，每個子數(shù)據(jù)流的速率為R/M，在每個子數(shù)據(jù)流中的若干個比特分成一組，每組的數(shù)目取決于對應(yīng)子載波上

7、的調(diào)制方式，如PSK、QAM等。M個并行的子數(shù)據(jù)信元編碼交織后進(jìn)行IFFT變換，將頻域信號轉(zhuǎn)換到時域，IFFT塊的輸出是 N個時域的樣點(diǎn)，再將長為Lp的CP(循環(huán)前綴)加到N個樣點(diǎn)前，形成循環(huán)擴(kuò)展的OFDM信元，因此，實(shí)際發(fā)送的OFDM信元的長度為LpN，經(jīng)過并/串轉(zhuǎn)換后發(fā)射。接收端接收到的信號是時域信號，此信號經(jīng)過串并轉(zhuǎn)換后移去CP，如果CP長度大于信道的記憶長度時，ISI僅僅影響CP，而不影響有用數(shù)據(jù)，去掉CP也就去掉了ISI的影響。 由于OFDM信號是經(jīng)過IFFT得到的，發(fā)送的數(shù)據(jù)在頻域被充分隨機(jī)化，OFDM信號可以認(rèn)為是獨(dú)立同步分布的隨機(jī)變量的線性組合。當(dāng)子載波非常

8、大時，由中心極限定理知OFDM信號近似服從復(fù)高斯分布，從而OFDM信號具有較大的峰值平均功率比（PAPR），此為OFDM系統(tǒng)的一個缺點(diǎn)。由于OFDM系統(tǒng)各個子載波間相互正交，OFDM系統(tǒng)另外一個缺點(diǎn)是對系統(tǒng)頻偏比較敏感2. 軟件無線電（SDR）技術(shù) 在4G系統(tǒng)中，由于移動用戶在不同的系統(tǒng)間漫游，系統(tǒng)之間以及系統(tǒng)內(nèi)部需要無縫切換，而且隨著4G系統(tǒng)的發(fā)展，會不斷出現(xiàn)新的業(yè)務(wù)和新的需求，這些都需要對終端和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行重新配置。 軟件無線電在4G中的可能應(yīng)用為： a)采用軟件無線電實(shí)現(xiàn)的基站可同時為多個網(wǎng)絡(luò)服務(wù)； b) 當(dāng)終端移動時可重新配置。如當(dāng)移動終端移動到一個采用不同標(biāo)準(zhǔn)的移動通信系統(tǒng)中時，終端

9、可按照該系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)重新自動配置該終端，從而使該終端獲得服務(wù)。 采用軟件無線電技術(shù)實(shí)現(xiàn)的移動終端或基站將采用模塊化結(jié)構(gòu)，主要由天線模塊、LNA 模塊、ADC/DAC功率放大器模塊、DSP 模塊和多媒體模塊等組成。軟件無線電技術(shù)主要涉及數(shù)字信號處理硬件（DSPH）、現(xiàn)場可編程器件（FPGA）、數(shù)字信號處理（DSP）等。1軟件無線電的理論基礎(chǔ)  采樣理論：由于軟件無線電所覆蓋的頻率范圍一般都要求比較寬，例如從0.1MHZ到2.2GHZ，只有具有這么寬的頻段才能具有廣泛的適應(yīng)性。對于如此寬的頻帶采用Nyquist低通采樣所需的采樣速率至少要大于4.4GHZ，在目前很不實(shí)際。所以無法

10、使用Nyquist采樣定理，而必須采用帶通采樣。一種接近理想化的軟件無線電設(shè)計(jì)方案稱為射頻直接帶通采樣軟件無線電體制，在天線與A/D間只存在跟蹤濾波器和放大器，與軟件無線電所要求的A/D盡可能靠近天線的設(shè)計(jì)宗旨完全一致。 多速率信號處理：帶通采樣定理大大降低了所需的射頻采樣速率，但從軟件無線電的要求來看，帶通采樣帶寬應(yīng)越寬越好，對信號有更寬的適應(yīng)性，這樣就應(yīng)當(dāng)使采樣速率盡可能地寬。然而又會導(dǎo)致后續(xù)的信號處理速度跟不上，因此要對A/D后的數(shù)據(jù)流進(jìn)行降速處理。抽取和內(nèi)插是最基本最重要的基本理論，對于軟件無線電的研究及數(shù)字下/上變頻器的實(shí)現(xiàn)有重大作用。 整數(shù)倍抽取是把原始采樣速序

11、列x(n)每隔（D-1）個數(shù)據(jù)抽取一個，形成一個新序列xD(m)，即xD(m)=x(mD)，這樣經(jīng)過抽取的數(shù)據(jù)流速率只有后者的D分之一，顯然大大降低了對后處理速度的要求，也提高了頻域分辨率。這是軟件無線電接收機(jī)的理論基礎(chǔ)。 整數(shù)倍內(nèi)插是在兩個原始抽樣點(diǎn)之間插入（I-1）個零值，也形成一個新序列xI(m),即xI(m)=x(m/I),經(jīng)過內(nèi)插大大提高了時域分辨率，也可以用來提高輸出信號的頻率。顯然內(nèi)插器起到了上變頻作用。它是軟件無線電發(fā)射機(jī)的理論基礎(chǔ)。 整數(shù)倍抽取和內(nèi)插都只是頻率變換的一種特殊情況，實(shí)際中往往用到分?jǐn)?shù)倍變換，它可通過先進(jìn)行I倍內(nèi)插，再進(jìn)行D倍抽取來實(shí)現(xiàn)。（注意

12、必須內(nèi)插在前，以免引起信號失真）。  高效數(shù)字濾波：實(shí)現(xiàn)取樣速率變換的主要問題是如何實(shí)現(xiàn)抽取前或內(nèi)插后的數(shù)字濾波。FIR濾波器相對與IIR濾波器有許多獨(dú)特優(yōu)越性，線性相位，穩(wěn)定性等。可采用窗函數(shù)法來設(shè)計(jì)，簡單，直觀，但濾波性能不是最佳。也可采用最佳濾波器的設(shè)計(jì)。半帶濾波器適合于實(shí)現(xiàn)D=2的M冪次方倍的抽取或內(nèi)插，計(jì)算效率也高實(shí)時性高。而在實(shí)際的抽取系統(tǒng)中抽取因子D往往不是2的M冪次方，此時可以積分梳狀濾波器和半帶濾波器結(jié)合起來使用。  數(shù)字正交變換理論：對一個實(shí)信號進(jìn)行正交變換而用一個復(fù)解析信號來表示是因?yàn)閺慕馕鲂盘柡苋菀撰@得三個特征參數(shù)：瞬時幅度，瞬時

13、相位和瞬時頻率，它們是信號分析，參數(shù)測量或識別解調(diào)的基礎(chǔ)。窄帶信號可用解析信號和基帶信號表示，對于要滿足高虛假抑制的要求，可采用數(shù)字正交混頻的方法實(shí)現(xiàn)，即先對模擬信號x(t)通過A/D采樣數(shù)字化形成數(shù)字序列x(n),然后與兩個正交本振序列cos(w0n)和sin(w0n)相乘，再通過數(shù)字低通濾波器來實(shí)現(xiàn)。在采樣速率很高時，對后續(xù)的數(shù)字低通濾波實(shí)現(xiàn)較困難。還可以采用基于多相濾波的數(shù)字正交變換，需用到抽取和內(nèi)插理論。3.智能天線（SA） 智能天線具有抑制信號干擾、自動跟蹤及數(shù)字波束調(diào)節(jié)等功能，被認(rèn)為是未來移動通信的關(guān)鍵技術(shù)。智能天線成形波束可在空間域內(nèi)抑制交互干擾，增強(qiáng)特殊范圍內(nèi)想要的信號，既能改

14、善信號質(zhì)量又能增加傳輸容量?；驹硎窃跓o線基站端使用天線陣和相干無線收發(fā)信機(jī)來實(shí)現(xiàn)射頻信號的收發(fā)，同時，通過基帶數(shù)字信號處理器，對各天線鏈路上接收到的信號按一定算法進(jìn)行合并，實(shí)現(xiàn)上行波束賦形。 目前，智能天線的工作方式主要有全自適應(yīng)方式和基于預(yù)多波束的波束切換方式。全自適應(yīng)智能天線雖然從理論上講可以達(dá)到最優(yōu)，但相對而言各種算法均存在所需數(shù)據(jù)量，計(jì)算量大，信道模型簡單，收斂速度較慢，在某些情況下甚至可能出現(xiàn)錯誤收斂等缺點(diǎn)，實(shí)際信道條件下，當(dāng)干擾較多、多徑嚴(yán)重，特別是信道快速時變時，很難對某一用戶進(jìn)行實(shí)時跟蹤。在基于預(yù)多波束的切換波束工作方式下，全空域被一些預(yù)先計(jì)算好的波束分割覆蓋，各組權(quán)值對應(yīng)

15、的波束有不同的主瓣指向，相鄰波束的主瓣間通常會有一些重疊，接收時的主要任務(wù)是挑選一個作為工作模式，與自適應(yīng)方式相比它顯然更容易實(shí)現(xiàn)，是未來智能天線技術(shù)發(fā)展的方向。智能天線技術(shù)的基本原理    如圖2，智能天線由天線陣列，A/D和D/A轉(zhuǎn)換，自適應(yīng)算法控制器和波束形成網(wǎng)絡(luò)組成。其中，波束形成網(wǎng)絡(luò)是由每個單元空間感應(yīng)信號加權(quán)相加，其權(quán)系數(shù)是復(fù)數(shù)，即每路信號的幅度和相位均可以改變。自適應(yīng)控制網(wǎng)絡(luò)是智能天線的核心，該單元的功能是根據(jù)一定的算法和優(yōu)化準(zhǔn)則來調(diào)節(jié)各個陣元的加權(quán)幅度和相位，動態(tài)的產(chǎn)生空間動態(tài)定向波束。    智能

16、天線技術(shù)主要基于自適應(yīng)天線陣列原理,天線陣收到信號后,通過由處理器和權(quán)值調(diào)整算法組成的反饋控制系統(tǒng),根據(jù)一定的算法分析該信號,判斷信號及干擾到達(dá)的方位角度,將計(jì)算分析所得的信號作為天線陣元的激勵信號,調(diào)整天線陣列單元的輻射方向圖、頻率響應(yīng)及其它參數(shù)。利用天線陣列的波束合成和指向,產(chǎn)生多個獨(dú)立的波束,自適應(yīng)地調(diào)整其方向圖,跟蹤信號變化,對干擾方向調(diào)零,減弱甚至抵消干擾,從而提高接收信號的載干比,改善無線網(wǎng)基站覆蓋質(zhì)量,增加系統(tǒng)容量。 在方向圖的選擇和形成上智能天線的基本原理是在滿足窄帶傳輸假設(shè)（即某一入射信號在各天線單元的響應(yīng)輸出只有相位差異而沒有幅度變化）下，各陣元上入射信號的波程差

17、導(dǎo)致了陣元上接收信號的相位差，若入射信號為平面波，則上述相位差將由載波波長、入射角度、天線位置分布唯一確定。具有相同信號強(qiáng)度、不同入射角度的信號，由于它們在天線陣元間的相位差不同，通過一個矢量加權(quán)合并后，各自的陣列輸出信號功率也會有所不同，由此可做出這個權(quán)矢量對應(yīng)的方向圖。    以入射角為橫坐標(biāo)、輸出功率(dB)為縱坐標(biāo)所作的圖稱為方向圖。智能天線的方向圖不同于全向天線的方向圖（理想時為一直線），而是接近于方向性（directional）天線的方向圖，即有主瓣（main lobe）旁瓣（side lobe）等。4、MIMO技術(shù)

18、60;  MIMO（多進(jìn)多出）是未來移動通信的關(guān)鍵技術(shù)。多輸入多輸出技術(shù)（MIM0）是指在基站和移動終端都有多個天線。MIM0技術(shù)為系統(tǒng)提供空間復(fù)用增益和空間分集增益?？臻g復(fù)用是在接收端和發(fā)射端使用多副天線，充分利用空間傳播中的多徑分量，在同一頻帶上使用多個子信道發(fā)射信號，使容量隨天線數(shù)量的增加而線性增加?？臻g分集有發(fā)射分集和接收分集兩類?；诜旨夹g(shù)與信道編碼技術(shù)的空時碼可獲得高的編碼增益和分集增益，已成為該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。MIM0技術(shù)可提供很高的頻譜利用率，且其空間分集可顯著改善無線信道的性能，提高無線系統(tǒng)的容量及覆蓋范圍。多輸入多輸出)技術(shù)是指利用多發(fā)射、多接收天線進(jìn)

19、行空間分集的技術(shù)，它采用的是分立式多天線，能夠有效的將通信鏈路分解成為許多并行的子信道，從而大大提高容量。信息論已經(jīng)證明，當(dāng)不同的接收天線和不同的發(fā)射天線之間互不相關(guān)時，MIMO系統(tǒng)能夠很好地提高系統(tǒng)的抗衰落和噪聲性能，從而獲得巨大的容量。例如：當(dāng)接收天線和發(fā)送天線數(shù)目都為8根，且平均信噪比為20dB時，鏈路容量可以高達(dá)42bps/Hz，這是單天線系統(tǒng)所能達(dá)到容量的40多倍。因此，在功率帶寬受限的無線信道中，MIMO技術(shù)是實(shí)現(xiàn)高數(shù)據(jù)速率、提高系統(tǒng)容量、提高傳輸質(zhì)量的空間分集技術(shù)。在無線頻譜資源相對匱乏的今天， MIMO系統(tǒng)已經(jīng)體現(xiàn)出其優(yōu)越性，也會在4G移動通信系統(tǒng)中繼續(xù)應(yīng)用基本原理M

20、IMO技術(shù)的基本是依賴多天線的多入多輸技術(shù)。通過不同天線發(fā)射信號的多徑產(chǎn)生不同的多徑衰落，可以根據(jù)不同的衰落特性區(qū)分出獨(dú)立的信道。在不增加天線發(fā)射功率和帶寬的情況下通過一些分集復(fù)用技術(shù)成倍的增加系統(tǒng)容量和頻道利用率5） 基于IP的核心網(wǎng) 4G移動通信系統(tǒng)的核心網(wǎng)是一個基于全I(xiàn)P的網(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)現(xiàn)不同網(wǎng)絡(luò)間的無縫互聯(lián)。核心網(wǎng)獨(dú)立于各種具體的無線接入方案，能提供端到端的IP業(yè)務(wù)，能同已有的核心網(wǎng)和PSTN兼容。核心網(wǎng)具有開放的結(jié)構(gòu)，能允許各種空中接口接入核心網(wǎng)；同時核心網(wǎng)能把業(yè)務(wù)、控制和傳輸?shù)确珠_。采用IP后，所采用的無線接入方式和協(xié)議與核心網(wǎng)絡(luò)(CN)協(xié)議、鏈路層是分離獨(dú)立的。IP與多種無線接入?yún)f(xié)

21、議相兼容，因此在設(shè)計(jì)核心網(wǎng)絡(luò)時具有很大的靈活性，不需要考慮無線接入究竟采用何種方式和協(xié)議。6.高性能的接收機(jī)  4G移動通信系統(tǒng)對接收機(jī)提出了很高的要求。Shannon定理給出了在帶寬為BW的信道中實(shí)現(xiàn)容量為C的可靠傳輸所需要的最小SNR。按照Shannon定理，可以計(jì)算出，對于3G系統(tǒng)如果信道帶寬為5MHz，數(shù)據(jù)速率為2Mb/s，所需的SNR為l.2dB；而對于4G系統(tǒng)，要在5MHz的帶寬上傳輸20Mb/s的數(shù)據(jù)，則所需要的SNR為12dB?？梢妼τ?G系統(tǒng)，由于速率很高，對接收機(jī)的性能要求也要高得多。四、4G的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)    

22、4G系統(tǒng)針對各種不同業(yè)務(wù)的接入系統(tǒng)，通過多媒體接入連接到基于IP的核心網(wǎng)中。基于IP技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)使用戶可實(shí)現(xiàn)在3G、4G、WLAN及固定網(wǎng)間無縫漫游。4G網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可分為三層：物理網(wǎng)絡(luò)層、中間環(huán)境層、應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)層。物理網(wǎng)絡(luò)層提供接入和路由選擇功能，中間環(huán)境層的功能有網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量映射、地址變換和完全性管理等。物理網(wǎng)絡(luò)層與中間環(huán)境層及其應(yīng)用環(huán)境之間的接口是開放的，使發(fā)展和提供新的服務(wù)變得更容易，提供無縫高數(shù)據(jù)率的無線服務(wù)，并運(yùn)行于多個頻帶，這一服務(wù)能自適應(yīng)于多個無線標(biāo)準(zhǔn)及多模終端，跨越多個運(yùn)營商和服務(wù)商，提供更大范圍服務(wù)。4G的網(wǎng)絡(luò)分層圖如圖1所示。在4G系統(tǒng)中，各種針對不同業(yè)務(wù)的接入系統(tǒng)通過多媒體

23、接入系統(tǒng)連接到基于IP的核心網(wǎng)中，形成一個公共的、靈活的、可擴(kuò)展的平臺，網(wǎng)絡(luò)的連接如圖1所示。五第四代移動通信系統(tǒng)的目標(biāo)及發(fā)展趨勢 我國4G發(fā)展的狀況   我國在4G領(lǐng)域也取得得大成果。漢網(wǎng)公司研制出的漢網(wǎng)“寬帶無線IP通信系統(tǒng)”要用了4G技術(shù)和IP網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，以漢網(wǎng)特有的包分多址（PDMA）接入技術(shù)為核心，上下行數(shù)據(jù)速率采用不對稱設(shè)計(jì)，可為無線用戶提供高達(dá)近2Mbps的高速無線互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)，同時提供高速率的文字、圖像、視頻、話音等不同類型數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)?？蓪?shí)現(xiàn)手機(jī)、PDA、PC之間的自由通信和組播、多點(diǎn)通信等擴(kuò)展業(yè)務(wù)。  七、4G的發(fā)展趨勢   從4G的發(fā)展前景看，除0FDM和智能天線等核心技術(shù)外還包含一些相關(guān)技術(shù)。