現(xiàn)代通信技術概論 第4版課 件 第7、8章 移動通信系統(tǒng)、數(shù)字圖像通信系統(tǒng)

第七章移動通信系統(tǒng)第七章移動通信系統(tǒng)蜂窩移動通信系統(tǒng)演進4G技術需求MIMOOFDM5G關鍵技術技術要求與路線大規(guī)模MIMO非正交多址同時同頻全雙工超密集多小區(qū)技術5G標準化7.1蜂窩移動通信系統(tǒng)演進

——系統(tǒng)組成蜂窩移動通信系統(tǒng)主要是由移動臺(MS)、基站臺(BS)、移動業(yè)務交換中心(MSC)和與固網(wǎng)相連的接口設備組成圖7.1.1蜂窩移動通信系統(tǒng)的組成7.1蜂窩移動通信系統(tǒng)演進

——GSM數(shù)字移動通信系統(tǒng)GSM數(shù)字蜂窩移動通信系統(tǒng)由網(wǎng)絡交換子系統(tǒng)(NSS)、基站子系統(tǒng)(BSS)和移動臺(MS)組成。圖7.1.2GSM系統(tǒng)的基本結構7.1蜂窩移動通信系統(tǒng)演進

——GSM數(shù)字移動通信系統(tǒng)網(wǎng)路子系統(tǒng)NSS基站子系統(tǒng)BSS移動臺MS移動業(yè)務交換中心(MSC)歸屬位置寄存器(HLR)鑒權中心(AUC)移動設備識別寄存器(EIR)拜訪位置寄存器(VLR)操作維護中心(OMC)基站控制器(BSC)基站收發(fā)信臺(BTS)移動終端設備(MT)用戶識別模塊(SIM卡)7.1蜂窩移動通信系統(tǒng)演進

——演進趨勢蜂窩移動通信系統(tǒng)從20世紀80年代開始商用以來，發(fā)展速度超乎尋常，相繼發(fā)展了第一代、第二代、第三代、第四代移動通信系統(tǒng)并正在融合第五代移動通信系統(tǒng)。圖7.1.3蜂窩移動通信系統(tǒng)發(fā)展歷程7.1蜂窩移動通信系統(tǒng)演進

——第一代蜂窩移動通信系統(tǒng)主要制式時間：20世紀80年代初技術：基于模擬技術，采用(單載波)窄帶調頻基本框架：包含基本蜂窩小區(qū)架構、頻分復用和漫游等理念特點：小區(qū)制蜂窩網(wǎng)，初步解決了系統(tǒng)容量與頻率資源有限的矛盾缺點：缺乏統(tǒng)一標準，頻率利用率較低，設備較復雜，業(yè)務功能僅限于語音通信，容量無法滿足日益增長的需求美國：高級移動電話服務模擬蜂窩移動電話通信系統(tǒng)(AMPS)英國：全地址通信系統(tǒng)(TACS)7.1蜂窩移動通信系統(tǒng)演進

——第二代蜂窩移動通信系統(tǒng)80年代中期，第二代數(shù)字蜂窩移動通信系統(tǒng)(2G)開始發(fā)展，引入數(shù)字調制技術，標志著移動通信技術從模擬走向數(shù)字時代。特點：頻譜利用率較高、系統(tǒng)容量較大、能提供語音和數(shù)據(jù)等多種通信業(yè)務。連接方式：頻分多址(FDMA)與時分多址(TDMA)的混合多址連接或碼分多址(CDMA)。全球商用

2G標準：1991年美國，基于TDMA的數(shù)字移動電話系統(tǒng)(D-AMPS)；1992年歐洲，基于TDMA的全球移動通信系統(tǒng)GSM，從2G到現(xiàn)在廣泛使用；1993年日本，基于TDMA的個人數(shù)字蜂窩系統(tǒng)(PDC)，采用(單載波)窄帶調制技術；1993年美國，基于CDMA的IS-95(N-CDMA)，采用單載波擴頻調制7.1蜂窩移動通信系統(tǒng)演進

——第二代蜂窩移動通信系統(tǒng)

系統(tǒng)性能指標D-AMPSGSMPDCIS-95上行頻段(MHz)824~849890~915810~830或1429~1453824~849下行頻段(MHz)869~894935~960940~960或1477~1510869~894調制方式GMSKOQPSK(上行)QPSK(下行)載波帶寬(kHz)25200301250語音編碼方式VSELPRELP-LTPVSELPQCELP信道編碼方式CRC+卷積碼CRC+卷積碼CRC+卷積碼CRC+卷積碼信道數(shù)據(jù)速率(kbit/s) 48.6270.833421228.8語音數(shù)據(jù)速率(kbit/s)8136.78多址方式TDMA/FDMATDMA/FDMATDMA/FDMACDMA/FDMA表7.1.1第二代移動蜂窩通信系統(tǒng)的主要系統(tǒng)參數(shù)7.1蜂窩移動通信系統(tǒng)演進

——第三代蜂窩移動通信系統(tǒng)2000年起，移動通信技術發(fā)展逐步加快。主要技術：寬帶CDMA、微蜂窩結構、QPSK(QuadraturePhaseShiftKeying)自適應調制、分組交換并支持多媒體業(yè)務。特點：初步具備統(tǒng)一的全球兼容標準和無縫服務的功能，支持全球漫游業(yè)務；支持多種話音和非話音業(yè)務,特別是多媒體業(yè)務；具備足夠的系統(tǒng)容量、強大的多種用戶管理能力、高保密性能和服務質量；從電路交換到分組交換，高速數(shù)據(jù)化，與Internet結合，源源不斷地增加新的業(yè)務服務。主流標準美國：CDMA2000歐洲和日本：W-CDMA中國:TD-SCDMA7.1蜂窩移動通信系統(tǒng)演進

——第三代蜂窩移動通信系統(tǒng)

標準性能指標CDMA2000W-CDMATD-SCDMA核心網(wǎng)ANSI-41GSMMAPGSMMAP帶寬(MHz)1.2551.6擴頻類型多載波和單載波直接序列擴頻單載波直接序列擴頻直接序列擴頻多址方式CDMACDMACDMA/TDMA碼片速率(Mchip/s)1.22883.841.28雙工方式FDDFDD/TDDTDD幀長(ms)201010語音編碼可變速率聲碼器IS-733、IS-127自適應多速率語音編碼器AMR自適應多速率語音編碼器AMR信道編碼卷積碼和Turbo碼卷積碼和Turbo碼卷積碼和Turbo碼功率控制開環(huán)+閉環(huán)開環(huán)+閉環(huán)開環(huán)+閉環(huán)切換軟切換軟切換接力切換調制方式上行HPSK下行QPSK上行HPSK下行QPSK上行QPSK下行QPSK或8PSK基站同步GPS同步同步/異步同步表7.1.23G主流標準的主要技術特點7.1蜂窩移動通信系統(tǒng)演進

——第四代蜂窩移動通信系統(tǒng)TD-SCDMA、WSCDMA采用3GPP技術演進路線，逐漸發(fā)展成為第四代移動通信系統(tǒng)國際主流標準TD-LTE。2008年3月，國際電信聯(lián)盟無線電通信部門(ITU-R)規(guī)定了一套4G標準，即IMT-Advanced規(guī)范。截至2010年10月，ITU-R5D工作組批準了兩項業(yè)界開發(fā)的技術LTEAdvanced和WirelessMAN-Advanced，以納入國際電聯(lián)的IMT-Advanced計劃。4G的目標要求和特點：1)更高的數(shù)據(jù)速率和傳輸質量、更好的業(yè)務質量(QoS)、更高的頻譜利用率和更高的安全性智能性和靈活性；2)可容納更多用戶，支持多種業(yè)務；3)體現(xiàn)移動網(wǎng)和IP網(wǎng)絡不斷融合的發(fā)展趨勢；4)實現(xiàn)全球范圍內(nèi)無縫漫游；5)多功能集成的寬帶移動通信系統(tǒng)。7.1蜂窩移動通信系統(tǒng)演進

——第五代蜂窩移動通信系統(tǒng)標準性能指標IMT-AdvancedLTE-R8(3.9G)LTE-R10(LTE-Advanced)傳輸帶寬(MHz)至少40最多20最多100峰值頻譜效率(bit/s/Hz)上行15下行6.75上行16下行4上行16(天線配置4*4)下行8.1(天線配置2*2)控制平面延遲(ms)低于1005050用戶平面延遲(ms)低于104.94.9由于MobileWiMAX和LTE的首發(fā)版本支持遠遠低于1Gbit/s的峰值比特率，因此它們不完全符合IMT-Advanced標準。2010年12月6日，ITU-R認識到，這兩種技術以及不符合IMT-Advanced要求的其他超3G技術仍然可以被認為是“4G”，因為它們代表了符合IMT-Advanced要求的先驅版本并且比起第三代系統(tǒng)在性能和功能上有著實質性的顯著提升。7.1蜂窩移動通信系統(tǒng)演進

——數(shù)字業(yè)務蜂窩移動數(shù)字業(yè)務傳輸?shù)氖前ㄎ淖?、圖像、傳真、計算機文件等在內(nèi)的綜合數(shù)字業(yè)務。典型數(shù)字

業(yè)務包括短消息業(yè)務(SMS)通用分組無線業(yè)務(GPRS)移動IP(MIP)高速電路交換數(shù)據(jù)業(yè)務

(HSCSD)。7.1蜂窩移動通信系統(tǒng)演進

——數(shù)字業(yè)務短消息業(yè)務(SMS) SMS是最廣泛使用的數(shù)據(jù)應用，是大多數(shù)電話，環(huán)球網(wǎng)和移動電話系統(tǒng)的短信服務組件。SMS起源于無線電備忘錄尋呼機中的無線電通信，它使用標準化的通信協(xié)議來使手機設備能夠交換短信息。雖然SMS仍然是一個不斷增長的市場，傳統(tǒng)的短信正在越來越多地受到基于互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議的消息傳遞服務的挑戰(zhàn)，基于互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議

的消息傳遞服務FacebookMessengerWhatsAppViberWeChatLine…7.1蜂窩移動通信系統(tǒng)演進

——數(shù)字業(yè)務通用分組無線業(yè)務(GPRS)GPRS是一種面向分組的移動數(shù)據(jù)業(yè)務，由歐洲電信標準協(xié)會(ETSI)標準化，現(xiàn)在由3GPP維護，通常根據(jù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量來收費。分組交換技術：可讓多個用戶共享某些固定的信道資源。數(shù)據(jù)速率最高達164kb/s。信道資源既可用于話音也可用于GPRS數(shù)據(jù)業(yè)務，信道充足時，還可把一些信道定義為GPRS專用信道。異步傳輸：將數(shù)據(jù)打散并分組打包，標上最終目的地址并分別傳輸，數(shù)據(jù)自動選擇最優(yōu)途徑傳送。若網(wǎng)絡故障，數(shù)據(jù)自動繞過故障區(qū)域，使網(wǎng)絡不同部分同時負載大量不同信息，經(jīng)濟高效。盡力而為的服務：吞吐量和延遲取決于同時共享服務的用戶數(shù)。結合GPRS的2G蜂窩技術被稱為2.5G?？商峁┑姆眨憾绦藕蛷V播，“永遠在”上網(wǎng)，多媒體消息業(yè)務，一鍵通，即時通訊和無線村，通過無線應用協(xié)議(WAP)實現(xiàn)智能設備的互聯(lián)網(wǎng)應用，點對點服務，點對多點服務等。7.1蜂窩移動通信系統(tǒng)演進

——數(shù)字業(yè)務高速電路交換數(shù)據(jù)業(yè)務(HSCSD)

對GSM系統(tǒng)原始數(shù)據(jù)傳輸機制電路交換數(shù)據(jù)(CSD)的增強，旨在通過更高效的信道編碼和多時隙提供更高的數(shù)據(jù)速率。HSCSD屬于一種過渡模式，對已有網(wǎng)絡改進要求不大，只需更換手機即可完成過渡。機制：通過捆綁4個信道(時隙)同時傳輸數(shù)據(jù)，理論上可把14.4kbit/s的WAP速率提高到57.6kbit/s。不必等待網(wǎng)絡許可即可發(fā)送數(shù)據(jù)包因而具有比GPRS更低的平均無線電接口延遲。允許不同糾錯方法用于數(shù)據(jù)傳輸，根據(jù)無線鏈路質量提供不同層次的糾錯。應用：Internet瀏覽，收發(fā)E-mail，LAN接入等，更適合高速傳真等實時應用。是增強數(shù)據(jù)速率的GSM演進(EDGE)和通用移動電信系統(tǒng)(UMTS)系統(tǒng)的選擇。7.1蜂窩移動通信系統(tǒng)演進

——數(shù)字業(yè)務移動IP(MIP)MIP是在GSM網(wǎng)上引入IP電話業(yè)務，通過在移動本地網(wǎng)和固定本地網(wǎng)接口處引入IP接口網(wǎng)關實現(xiàn)。MIP是一種網(wǎng)絡協(xié)議，旨在保持永久IP地址的情況下實現(xiàn)移動用戶跨越不同網(wǎng)絡的漫游功能。機制：MIP中移動節(jié)點有兩種地址：歸屬IP地址(固定地址)和移動地址(隨移動變化)。歸屬IP由歸屬子網(wǎng)分配，設備移動到其它地區(qū)時需將新地址發(fā)給歸屬代理。使用歸屬IP地址發(fā)送數(shù)據(jù)到移動節(jié)點時，首先到達歸屬代理，查找移動節(jié)點的注冊信息并獲得用戶當前子網(wǎng)的外部代理地址，訪問外部代理最終找到移動節(jié)點并通信。應用：解決許多應用(如VPN，VoIP)網(wǎng)絡連接和IP地址突然變化問題。常見于有線和無線環(huán)境中，用戶攜帶移動設備需要跨多個LAN子網(wǎng)，或在重疊的無線系統(tǒng)之間漫游，如DVB(DigitalVideoBroadcasting)。7.1蜂窩移動通信系統(tǒng)演進

——數(shù)字業(yè)務其他數(shù)據(jù)業(yè)務包括用于數(shù)字傳真、可視圖文、可視電話、計算機文件傳輸?shù)榷喾N業(yè)務的無繩數(shù)據(jù)通信；無線數(shù)據(jù)廣播；用于E-mail，小體積用戶設備的個人通信系統(tǒng)PCS)；無需建立額外無線連接的WLAN(WirelessLocalAreaNetwork)等。7.24G技術需求

——MIMO原理：MIMO的多入多出是針對多徑無線信道來說的，MIMO系統(tǒng)在發(fā)射端和接收端均采用多天線(或陣列天線)和多通道。圖7.2.1為MIMO系統(tǒng)的原理圖，傳輸信息流b經(jīng)過空時編碼形成Nt個信息子流，這Nt個子流由Nt個發(fā)射天線（TX1到TXNt）發(fā)射，經(jīng)空間信道后由Nr個接收天線接收。多天線接收機利用空時編碼處理能夠分開并解碼這些數(shù)據(jù)子流，得到接收數(shù)據(jù)流b’，從而實現(xiàn)最佳的處理。圖7.2.1MIMO系統(tǒng)原理7.24G技術需求

——MIMOMIMO系統(tǒng)的信道容量：如果用于描述具有Nt發(fā)射天線與Nr接收天線的無線鏈路的信道矩陣的元素是完全獨立衰落的，則該系統(tǒng)的容量隨最小天線數(shù)目線性增長，即當天線數(shù)目較多時，平均容量為C是香農(nóng)信道容量，ρ是各接收天線的信噪比，H表示復共軛轉置，H是Nt×Nr信道矩陣?？梢钥闯?，信道容量隨著天線數(shù)量的增加而線性增大。也就是說可以利用MIMO信道成倍地提高無線信道容量，在不增加帶寬和天線發(fā)送功率的情況下，頻譜利用率可以成倍地提高，同時也可以提高信道的可靠性，降低誤碼率。因此MIMO對于提高無線通信系統(tǒng)的容量具有極大的潛力。7.24G技術需求

——MIMO關鍵技術：

空分復用和空間分集空分復用：用不同天線發(fā)的數(shù)據(jù)流個數(shù)大于或等于2，即同時有多個數(shù)據(jù)流傳送，主要獲得復用增益，提高數(shù)據(jù)速率和頻譜效率?？辗謴陀每煞譃樗椒謱涌諘r碼(H-BLAST)，垂直分層空時碼(V-BLAST)，對角分層空時碼(D-BLAST)?？臻g分集：不同天線發(fā)送同一個數(shù)據(jù)流，只通過編碼，不同端口發(fā)送的數(shù)據(jù)的相位等信息不一樣，但本質是同一個數(shù)據(jù)流，主要是為了獲得分集增益，降低誤碼率，提高傳輸可靠性?？臻g分集主要包括空時分組碼(STBC)和空時網(wǎng)格碼(STTC)。7.24G技術需求

——MIMO評價MIMO中包含的技術可同時存在并相互配合應用，如既包含空間復用又有空間分集技術。允許多個天線同時發(fā)送和接收多個空間流并能區(qū)分不同空間方位的信號。充分開發(fā)空間資源，增加了無線系統(tǒng)的覆蓋范圍，提升信道容量并提高信道的可靠性。信道容量：理論上功率和帶寬固定時，MIMO系統(tǒng)的最大容量隨發(fā)送和接收最小天線數(shù)的增加而線性增加。在不增加帶寬和天線發(fā)送功率情況下，頻譜利用率可以成倍地提高。同樣的條件下僅在接收端或發(fā)射端實現(xiàn)多天線或天線陣列，其容量僅正比于天線數(shù)的對數(shù)。因此，MIMO技術對于提高系統(tǒng)容量具有極大潛力?？煽啃耘c有效性：MIMO可同時實現(xiàn)發(fā)送分集和接收分集，同時獲得分集增益和復用增益，通過分集技術獲取空間分集以提高信息傳輸?shù)目煽啃裕焕貌煌炀€間的空間信道，采用空間復用技術同時傳輸多個數(shù)據(jù)流來獲取空間復用增益以增加信息傳輸?shù)挠行浴?.24G技術需求

——OFDMOFDM技術實現(xiàn)多載波調制將寬帶信道分成若干并行窄正交子信道，使每個子信道的帶寬小于信道的相干帶寬，從而每個子信道所經(jīng)歷的衰落近似是平坦衰落，有利于消除碼間串擾。同時由于子信道帶寬僅是信道帶寬的一小部分，因此信道均衡變得相對容易。OFDM技術將高速數(shù)據(jù)信號轉換成并行的低速子數(shù)據(jù)流，調制到在每個子信道上并行傳輸。正交信號在接收端采用相關技術進行分別解調，減少了子信道之間的相互干擾。包含以下類型：V-OFDM,W-OFDM,F-OFDM,MIMO-OFDM,多帶-OFDM。7.24G技術需求

——OFDM原理

OFDM技術的基本原理是將高速的數(shù)據(jù)流通過串并變換，分配到傳輸速率相對較低的若干子載波上進行傳輸，各個子載波相互正交，接收機可依靠正交性來解調信號。系統(tǒng)的基本模型如圖7.2.2所示，其中fi表示第i個子載波的載波頻率。圖7.2.2OFDM基帶調制解調原理7.24G技術需求

——OFDM原理一個OFDM符號內(nèi)包括多個子載波，一個符號可以表示為其中，X(i)為調制前的并行數(shù)據(jù)符號，NC為子載波個數(shù)，也就是OFDM符號長度。從上式可知，OFDM調制可以使用IDFT實現(xiàn)，因此，可以在接收端利用DFT實現(xiàn)解調。使用FFT/IFFT則是更快速的方法。7.24G技術需求

——OFDM原理

首先對輸入比特流進行基帶處理，復信號串并轉換后進行DFT變換將這

個信號矢量s轉變到時域。隨后Ng個采樣點的CP被加到信號上，得到了的發(fā)送端的基帶矢量u，將信號轉換到模擬域與并且上變頻到fc，最后通過無線多徑信道進行傳輸。

接收信號通過接收端的射頻前端被下變頻到基帶，得到了的矢量y，模數(shù)轉換(ADC)后進入基帶處理部分。該處理過程移去CP，相當于去掉了ISI的影響。這時DFT處理將信號分離到不同的子載波上得到的矢量x，接下來的并串轉換過程即將剩下的數(shù)據(jù)進行處理。圖7.2.3OFDM系統(tǒng)框圖7.24G技術需求

——OFDM原理圖7.2.4展示了三個OFDM子載波的頻譜示意。很明顯可以看出，載波的分離無法用帶通濾波器來完成。因此，需要應用基帶處理的方法，即利用子載波的正交屬性。從圖7.2.57.2.3中可以很明顯可以看出這一屬性，也即在某一個子載波的最大幅值處，其它子載波的幅度都為0。圖7.2.4三個子載波的OFDM子載波信號的形成圖7.2.5時域信號OFDM添加循環(huán)前綴(CP)7.24G技術需求

——OFDM評價

由于OFDM信號的表達式形式如同逆離散傅里葉變換(IDFT)，因此可以利用IDFT和DFT進行OFDM調制和解調。而由于DFT運算的復雜度為N2，極大限制了OFDM的運用?；?的快速傅里葉算法(FFT)，能夠將傅里葉變換的復雜度降低到(N/2)log2N，極大地降低了運算復雜度。得益于快速傅里葉變換芯片的發(fā)展，OFDM系統(tǒng)才能迅速推廣。調制技術：引入了“自適應調制”概念，按各路子載波所處的頻段的信道特性采用不同的調制方式，且隨著信道特性而改變，具有極大靈活性。如在信道好的情況下可以采用高階調制如64QAM，在信道情況變差時采用低階調制如BPSK，這樣能在頻譜利用率和信噪比之間取得最佳平衡?？拐瓗Ц蓴_能力：OFDM系統(tǒng)與生俱來的頻率分集特性，能夠規(guī)避窄帶干擾部分的頻段，或使用低階調制和采用前向糾錯碼等手段來解決。抗多徑干擾能力：將單路高速串行數(shù)據(jù)流轉變?yōu)槎嗦返退俨⑿袛?shù)據(jù)流，使碼元周期變長，從而削弱了多徑干擾的影響。此外還采用了循環(huán)前綴(CP)作為碼間保護間隔，進一步減少甚至消除了碼間干擾，并保證了各路子載波間的正交性，大大減少了子載波間干擾。但加入的CP增加了系統(tǒng)開銷，降低了數(shù)據(jù)的傳輸效率，CP長度越長，傳輸效率越低。7.24G技術需求

——OFDM評價頻譜效率高：允許子載波間頻譜相互重疊，擁有很高的頻譜效率，理論上可以接近奈奎斯特極限。同時在OFDM符號積分周期內(nèi)各個子載波相互正交，有效地避免用戶間干擾，因此具有很高的系統(tǒng)容量。帶寬擴展性強：通過改變使用的子載波數(shù)目，能靈活的改變系統(tǒng)帶寬。通過載波聚合技術，包括連續(xù)和非連續(xù)載波聚合，能夠將系統(tǒng)帶寬增加到100M。資源分配顆粒度?。和ㄟ^選擇使用合適的子載波靈活分配頻率資源。且每個子載波可通過自適應調制技術能夠獲得最佳的系統(tǒng)性能。實現(xiàn)MIMO技術簡單：由于OFDM中子載波帶寬內(nèi)信道是平坦的，因此在子載波的MIMO檢測中不需要考慮多徑的影響，極大地簡化了MIMO接收機的復雜度。7.24G技術需求

——OFDM評價對載波頻偏十分敏感：由于OFDM要求子載波之間嚴格正交，任何細微的頻偏都會破壞子載波間的正交性，引起子載波間干擾(ICI)。實際無線環(huán)境中移動物體都會引起頻偏。此外，由于硬件引入的相位噪聲會造成信號星座圖的旋轉、擴散，進而引入ICI。峰均功率比過高：OFDM信號由多個載波疊加而成，各個載波的幅值、相位獨立，當這些載波的相位相同或相近時會產(chǎn)生較高的瞬時功率。高峰均比要求功率放大器有很大的線性范圍，否則會造成波形失真，引入非線性干擾。同時高峰均比也要求D/A和A/D有更高的無失真動態(tài)范圍。7.24G技術需求

——MIMO-OFDM關鍵技術(1)同步技術載波同步時間同步采樣同步符號同步幀同步基于訓練序列的同步算法基于循環(huán)前綴的最大似然算法7.24G技術需求

——MIMO-OFDM關鍵技術(2)信道估計基于導頻的信道估計盲信道估計子空間法蒙特卡洛方法最大似然法基于代價函數(shù)的梯度算法利用空時編碼技術的估計方法等LS算法MMSE算法SVD-LMMSE算法EM算法等按信道估計原理不同按導頻形式不同基于訓練序列的信道估計方法基于導頻符號的信道估計方法7.35G關鍵技術

——技術要求與路線技術要求未來5G將應用于生活、工作、娛樂等各種領域，大力發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)(IoT)應用、機器到機器(M2M)通信或以機器為中心的通信，面臨著更加多樣化的業(yè)務需求和極致的性能挑戰(zhàn)。ITU-R確定的5G三大應用場景：增強型移動寬帶(eMBB)、大規(guī)模機器類通信(mMTC)和超高可靠和低延遲通信(uRLLC)。5G網(wǎng)絡的技術要求：連續(xù)廣域覆蓋、熱點高容量、低時延高可靠、低功耗大連接以及高速移動性。關鍵技術：稀疏碼分多址(SCMA)、圖樣分割多址(PDMA)與多用戶共享接入(MUSA)等新型多址技術，全雙工(同時同頻全雙工)、大規(guī)模天線、超密集小區(qū)組網(wǎng)、新型調制編碼、終端直通(D2D)以及全頻譜接入等。7.35G關鍵技術

——技術要求與路線場景應用領域技術要求解決方案eMBB三維立體視頻、超高清視頻、云工作與娛樂、增強現(xiàn)實等1Gbps用戶體驗速率、數(shù)十Gbps峰值速率、高頻譜效率、低網(wǎng)絡時延等頻譜接入、大規(guī)模/3DMIMO、新空口技術(先進多址接入)、內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡、小小區(qū)、D2D、網(wǎng)絡功能虛擬化、自組織網(wǎng)絡、全雙工等mMTC物聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)、智慧城市、智能樓宇等百萬級連接密度、數(shù)十Tbps/km2的流量密度、高速移動性、低時延等頻譜接入、自組織網(wǎng)絡、D2D、新空口技術(先進多址接入)、全雙工等

URLLC無人駕駛、遠程醫(yī)療、工業(yè)自動化等低功耗、低成本、低時延、高可靠性等高效節(jié)能硬件、內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡、D2D、新空口技術(先進多址接入)、自組織網(wǎng)絡等

表7.3.15G網(wǎng)絡的主要應用場景與技術要求7.35G關鍵技術

——技術要求與路線技術路線為滿足5G網(wǎng)絡的性能與技術需求，將以LTE/LTE-Advanced技術框架為基礎，在傳統(tǒng)移動通信頻率段引入增強技術，進一步提升4G系統(tǒng)的傳輸速率、系統(tǒng)容量、連接數(shù)、時延等關鍵性能指標，4G向5G演進的技術路線主要聚焦在無線接入和網(wǎng)絡技術兩個層面進行增強或革新。1)無線接入技術：為滿足不同場景差異化的性能需求，可采取空間域的大規(guī)模擴展、地理域的超密集部署、頻率域的高寬帶獲取，先進的多址接入技術等技術來實現(xiàn)。2)無線網(wǎng)絡技術：為滿足網(wǎng)絡運營的成本以及提升網(wǎng)絡部署和運營效率等需求，可采用靈活的多網(wǎng)絡融合、網(wǎng)絡功能虛擬化(NFV)、軟件定義網(wǎng)絡(SDN)等技術來實現(xiàn)。7.35G關鍵技術

——技術要求與路線空間域擴展大規(guī)模天線M-MIMO地理域擴展超密集組網(wǎng)UDN頻率域擴展核心網(wǎng)/無線側互操作多網(wǎng)絡融合功能區(qū)塊分割網(wǎng)絡功能虛擬化控制面與數(shù)據(jù)面分離軟件定義網(wǎng)絡(a)無線接入技術(b)無線網(wǎng)絡技術高頻段通信7.35G關鍵技術

——大規(guī)模MIMO大規(guī)模MIMO除提供更大的空間自由度、信道容量與分集增益以外，還有如下優(yōu)點：1)極低的單位天線發(fā)射功率理想情況下，如果只保證單根接收天線的信號接收強度，則使用n天線總發(fā)射功率只需原來的1/n，大大降低單根天線的發(fā)射功率。2)較低的熱噪聲與非相干干擾的影響

利用相干接收機可降低不同接收天線間的非相干干擾部分，非相干的干擾信號明顯降低，熱噪聲等非相干噪聲不再是主要的干擾來源。3)降低小區(qū)內(nèi)自干擾，提升空間分辨率利用波束賦形技術讓發(fā)射信號形成更窄的波束，使信號能量較小的波束有效地匯集，將信號強度集中于特定方向和用戶群，顯著降低小區(qū)自干擾、鄰區(qū)干擾，同時提高系統(tǒng)空間分辨能力及用戶信號載干比。4)信道“硬化”天線數(shù)目足夠大時，將隨機矩陣理論引入到大規(guī)模MIMO理論研究中，信道參數(shù)將趨于確定性，即信道矩陣的奇異值的概率分布情況將會呈現(xiàn)確定性，信道發(fā)生“硬化”，減小快速衰落的影響。7.35G關鍵技術

——大規(guī)模MIMO

隨著天線數(shù)目的進一步增加不可避免的會帶來新問題，除增大誤碼率(SER)外，大規(guī)模MIMO還存在如下缺點：1)互耦效應

在給定陣列尺寸的大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中，天線數(shù)量增加必然減小天線單元之間的距離，導致了天線單元間更強的互耦效應，使信道容量下降。2)導頻污染

由于基站天線數(shù)量增加，相鄰小區(qū)用戶上行信道估計中使用同一組(或非正交的)訓練序列，導致基站端信道估計的結果并非本地用戶和基站間的信道，而是被其他小區(qū)用戶發(fā)送的訓練序列所污染，受污染的信道估計的下行鏈路波束賦形將對使用同一個導頻序列的終端造成持續(xù)的定向干擾，降低系統(tǒng)容量。大規(guī)模天線技術中天線陣列的增加會增加運營成本，此外，信道測量、建模與估計、波束賦型/預編碼與檢測設計、硬件復雜度等問題也將限制大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的實現(xiàn)。7.35G關鍵技術

——大規(guī)模MIMO應用場景

場景類型主要特點解決方案城區(qū)覆蓋宏覆蓋覆蓋面積大、用戶數(shù)量大波束賦型使多流數(shù)據(jù)并行傳輸，小型化天線微覆蓋覆蓋面積小、用戶密度大，較高頻段，3D波束賦型高層覆蓋低基站到高層覆蓋垂直方向的提供信號波束賦型的自由度，提高覆蓋能力郊區(qū)覆蓋

覆蓋面積大，用戶密度小、容量需求低

7.35G關鍵技術

——大規(guī)模MIMO關鍵技術(1)信道信息測量與建模技術(2)信道信息傳輸、檢

測與反饋技術(3)覆蓋增強技術以及高速移動解決方案(4)商業(yè)化部署的運營成本信道信息測量信道建模傳輸與檢測技術反饋技術7.35G關鍵技術

——非正交多址5G技術中，為了解決頻譜效率以及海量設備連接的需求，誕生了一種新型多址接入復用方式，即非正交多址接入(NOMA)。優(yōu)點：能夠將一個資源分配給多個用戶，在發(fā)送端采用非正交發(fā)送，主動引入干擾信息，在接收端通過SIC技術解調信號，從而提升系統(tǒng)的頻譜效率。目前共有十多種NOMA候選方案在競爭，我國主要有三種：華為SCMA(SparseCodeMultipleAccess)大唐的PDMA(PatternDivisionMultipleAccess)中興MUSA(Multi-UserSharedAccess)。7.35G關鍵技術

——非正交多址(1)SCMA基于碼域疊加的新型多址技術，將低密度碼和調制技術相結合，通過共軛、置換以及相位旋轉等方式選擇最優(yōu)的碼本集合，不同用戶基于分配的碼本進行信息傳輸。(2)PDMA以多用戶信息理論為基礎，在發(fā)送端利用圖樣分割技術對用戶信號進行合理分割，在接收端進行相應的串行干擾消除(SIC)，可以逼近多址接入信道的容量界。(3)MUSA基于碼域疊加的多址接入，對于上行鏈路，將不同用戶的已調符號經(jīng)過特定的擴展序列擴展后在相同資源上發(fā)送，接收端采用SIC接收機對用戶數(shù)據(jù)進行譯碼。7.35G關鍵技術

——同時同頻全雙工為解決半雙工技術頻譜利用率低下的問題，學術界開始研究同時同頻全雙工技術(簡稱全雙工)在無線通信領域的應用，以實現(xiàn)無線通信設備在單一頻段上的同時雙向數(shù)據(jù)傳輸，在理論上實現(xiàn)頻譜利用率的倍增，也能有效降低端到端的傳輸時延和減小信令開銷。核心問題：如何有效地抑制和消除強烈的自干擾?，F(xiàn)行的自干擾消除研究中，對于全雙工自干擾消除的設計主要采用三種消除方式：被動自干擾消除(天線端)模擬域自干擾消除(射頻端)數(shù)字域自干擾消除7.35G關鍵技術

——同時同頻全雙工為解決半雙工技術頻譜利用率低下的問題，學術界開始研究同時同頻全雙工技術(簡稱全雙工)在無線通信領域的應用，以實現(xiàn)無線通信設備在單一頻段上的同時雙向數(shù)據(jù)傳輸，在理論上實現(xiàn)頻譜利用率的倍增，也能有效降低端到端的傳輸時延和減小信令開銷。核心問題：如何有效地抑制和消除強烈的自干擾。現(xiàn)行的自干擾消除研究中，對于全雙工自干擾消除的設計主要采用三種消除方式：被動自干擾消除(天線端)模擬域自干擾消除(射頻端)數(shù)字域自干擾消除7.35G關鍵技術

——同時同頻全雙工被動消除技術天線定向法

天線隔離法物理隔離、天線消除、雙工器隔離天線極化法

主動消除技術模擬域消除巴倫消除、矢量調制器消除、多TAP消除

數(shù)字域消除信道估計法(時域消除、頻域消除)，信道建模法，自適應算法表7.3.4全雙工自干擾消除的主要技術7.35G關鍵技術

——超密集多小區(qū)技術通過更加“密集化”的無線網(wǎng)絡基礎設施部署，使終端在部分區(qū)域內(nèi)捕獲更多的頻譜，距離各個發(fā)射節(jié)點距離也更近，提升業(yè)務的功率效率和頻譜效率，在局部熱點區(qū)域可以實現(xiàn)百倍量級的系統(tǒng)容量提升，并天然地保證了業(yè)務在各種接入技術和各覆蓋層次間負荷分擔。典型應用場景：辦公室、密集住宅、密集街區(qū)、校園、大型集會、體育場、地鐵等人流密度較大的區(qū)域。技術挑戰(zhàn)：干擾、移動性、站址、傳輸資源以及部署成本等。在現(xiàn)實場景下，如何有效進行節(jié)點協(xié)作、干擾消除、干擾協(xié)調成為重點解決的問題，目前業(yè)內(nèi)已提出了一系列解決方案，包括接入和回傳聯(lián)合設計、干擾管理和抑制、小區(qū)虛擬化技術。7.35G關鍵技術

——超密集多小區(qū)技術接入和回傳聯(lián)合設計包括混合分層回傳、多跳多路徑的回傳、自回傳技術和靈活回傳技術等。干擾管理和抑制策略當前干擾管理和抑制策略主要包括自適應小小區(qū)分簇、基于集中控制的多小區(qū)相干協(xié)作傳輸，和基于分簇的多小區(qū)頻率資源協(xié)調技術。小區(qū)虛擬化技術包括以用戶為中心的虛擬化小區(qū)技術、虛擬層技術和軟扇區(qū)技術。7.35G關鍵技術

——超密集多小區(qū)技術關鍵技術點1)切換算法：超密集多小區(qū)場景下，小區(qū)邊界數(shù)量劇增、邊界更不規(guī)則，導致更頻繁、更為多樣的切換，原有的4G分布式切換算法面臨著較重的網(wǎng)絡控制信令負荷，新的切換算法顯得尤為重要。2)SON技術：網(wǎng)絡拓撲和干擾類型也隨機動態(tài)變化加上多樣化的用戶業(yè)務需求使超密集多小區(qū)技術中必須配合更智能的、能統(tǒng)一實現(xiàn)多種無線接入制式、覆蓋層次的自配置、自優(yōu)化、自愈合的網(wǎng)絡自組織技術，降低網(wǎng)絡部署、運營維護復雜度和成本，提高網(wǎng)絡質量。此外，在5G網(wǎng)絡中為了能夠滿足極致的用戶體驗，適應新業(yè)務的需求，新型多載波，先進編碼調制：高頻通信技術、軟件定義網(wǎng)絡(SDN)和網(wǎng)絡功能虛擬化(NFV)等也是主要的研究方向。7.35G關鍵技術

——5G標準化2015年10月26日至30日，瑞士日內(nèi)瓦召開的2015無線電通信全會上國際電聯(lián)無線電通信部門(ITU-R)正式批準了三項有利于推進未來5G研究進程的決議，并正式確定了5G的法定名稱是“IMT-2020”。2017年2月，國際電信聯(lián)盟(國際電聯(lián))公布了預期將成為5G最終規(guī)范的草案，該草案中包含電信企業(yè)在“5G”中必須遵守的十三項不同指標，預示著5G在標準化進程中又向前邁出了一大步2012-2015年(已完成)2016-2017年(部分完成)2018-2019年(計劃)2019-2020年(計劃)制定計劃市場/服務觀點技術/研究啟動愿景-IMT2020名稱低于6GHz頻譜過程優(yōu)化頻譜/頻段安排(WRC-15之后)技術性能要求評估標準提案邀請分享研究參數(shù)(IMT-WRC-19)分享研究(WRC-19)提案評估達成共識CPM報告(IMT-WRC-19)分享研究報告(WRC-19)頻譜/頻段安排決定于無線電框架詳細的IMT-2020無線電規(guī)范未來增強/更新計劃與過程面向未來做好準備：愿景、頻譜和技術概覽確定技術規(guī)范表7.3.6IMT-2020標準化進程7.35G關鍵技術

——5G標準化5G編碼方案在5G標準移動寬帶增強場景編碼方案競爭中，有3大編碼候選技術：①高通提出的LDPC編碼方案；②法國承襲的Turbo編碼技術路線；③中國華為力推的PolarCode(極化碼)編碼方案。在2016年10月14日的3GPPRAN1會議上，美國LDPC方案被3GPP確定為5G中長碼編碼方案。2016年11月17日的3GPPRAN187次會議上，在短碼編碼方案中，中國華為主推的Polar方案成為5G控制信道編碼方案；而美國LDPC則成為數(shù)據(jù)信道的上行和下行短碼方案。7.35G關鍵技術

——5G標準化5G新空口技術“空口”指是移動終端到基站之間的連接協(xié)議，是移動通信標準中一個至關重要的標準。3G空口編碼技術為WCDMA、TD-SCDMA、CDMA2000三個不同的CDMA制式；4G空口編碼技術為OFDM。目前，圍繞5G標準新空口技術的競爭，主要也是在中國和美國之間展開。中國華為助推5G新空口技術F-OFDM和SCMA；而美國高通稱，該公司完成的首個5G連接，展示了多項先進的3GPP5G新空口技術，包括自適應獨立TDD子幀、基于OFDM的可擴展波形以支持更大帶寬、先進的LDPC信道編碼和基于低延遲時隙結構的全新靈活設計等。數(shù)字圖像通信系統(tǒng)54第8章數(shù)字圖像通信系統(tǒng)8.1概述8.2數(shù)字圖像通信原理8.3數(shù)字傳真通信8.4活動數(shù)字圖像通信系統(tǒng)558.1概述圖像通信是一種視覺通信，已成為當代通信領域主要手段之一。圖像通信傳送和接收的圖像信息可以是靜止的或活動的圖像信息可以采用模擬或數(shù)字的形式進行傳送，傳送和接收數(shù)字圖像信號的通信系統(tǒng)就是數(shù)字圖像通信系統(tǒng)568.1.1圖像通信的特點直觀性強

--圖像表示形象直觀，易于理解。數(shù)據(jù)量大

--數(shù)字圖像的數(shù)據(jù)量比語音要大一個數(shù)量級，比文本數(shù)據(jù)大兩個數(shù)量級。信息確切性好

--與聽覺獲取相比，視覺獲取的信息內(nèi)容更容易確認，不易發(fā)生歧義。578.1.2圖像通信的分類按業(yè)務性質分傳真、可視電話、會議電視、圖文電視、有線電視、高清晰度電視和智能用戶電報等。按圖像信息內(nèi)容的運動狀態(tài)分靜止圖像通信活動圖像通信按采用的傳輸技術分模擬圖像通信數(shù)字圖像通信588.1.3數(shù)字圖像通信系統(tǒng)的組成(1/5)圖8-1圖像通信系統(tǒng)基本組成59數(shù)字圖像通信系統(tǒng)的組成（2/5）輸入設備輸入設備產(chǎn)生靜止或活動的圖像信號，例如電視攝像機、錄像機、掃描儀、傳真掃描頭和電子黑板等都可作為產(chǎn)生圖像的輸入設備。60數(shù)字圖像通信系統(tǒng)的組成（3/5）編碼器信源編碼器模擬的圖像信號轉換為數(shù)字信號壓縮圖像信號。信道編碼器將信源編碼器輸出的比特流轉變?yōu)檫m合信道傳輸?shù)男问桨ú铄e控制編碼和調制，以及數(shù)據(jù)打包和傳輸層控制等。61數(shù)字圖像通信系統(tǒng)的組成（4/5）信道提供讓信號通過的通道，同時也會對信號產(chǎn)生限制和損害狹義信道為傳輸媒質廣義信道還包括相關的轉換器和設備，因此，電話網(wǎng)、移動通信網(wǎng)和因特網(wǎng)等網(wǎng)絡是廣義信道。62數(shù)字圖像通信系統(tǒng)的組成（5/5）解碼器

解調器、解碼器分別是上述編碼器和調制器的逆過程顯示終端用來顯示被復原的圖像的設備，可以是電視熒光屏、液晶顯示屏、打印機、圖像拷貝機等638.2數(shù)字圖像通信原理模數(shù)變換圖像壓縮編碼數(shù)字傳輸、寬帶接入與交換等關鍵技術648.2.1圖像信號數(shù)字化(1/4)原始圖像的數(shù)字化包括以下三個過程空間位置的數(shù)字化幅度值的數(shù)字化編碼65圖像信號數(shù)字化(2/4)空間位置的數(shù)字化本質上就是對連續(xù)分布的空間位置進行抽樣，選取有限個位置來表示整幅圖像。在二維空間中，包括垂直和水平兩個位置或方向的數(shù)字化。在垂直位置上進行掃描，即用若干等距離的水平掃描行來表示圖像；在水平方向上進行抽樣，即按照一定的間隔選取信號

66圖8-2圖像信息的像素點圖像信號數(shù)字化(3/4)67圖像信號數(shù)字化(4/4)幅度的數(shù)字化量化：用有限的幅度值來表示連續(xù)變化的幅度值

“量化”的含義與2.2.1節(jié)所述內(nèi)容相同，這里不再重述。編碼編碼原理與方法與2.2.1節(jié)相同編碼使用的碼字位數(shù)與量化級數(shù)有關，量化級數(shù)多固然可以減小量化誤差，但是編碼時使用的碼字位數(shù)也多，占用的傳輸帶寬也越大

688.2.2數(shù)字信號的壓縮與編碼(1/2)為什么要進行壓縮壓縮的必要性

數(shù)字圖像包含巨大的信息量，為了有效地存儲和在有限的信道中傳輸圖像信息，有必要對圖像信息進行壓縮壓縮的可能性圖像信息包含有用的信息和無用的多余信息，消除多余信息可以節(jié)約碼字，達到數(shù)據(jù)壓縮的目的。圖像通信允許圖像編碼存在一定失真

69數(shù)字信號的壓縮與編碼(2/2)圖像壓縮的原理和方法壓縮編碼：在保證一定的圖像質量和滿足要求的前提下，減少原始圖像數(shù)據(jù)量的處理過程兩種基本思路利用圖像固有的統(tǒng)計特性，從原始圖像中提取有效的信息，盡量去除冗余信息，例如減少相鄰像素之間、相鄰幀之間的冗余信息利用人的視覺特性，力圖發(fā)現(xiàn)人眼是根據(jù)哪些關鍵特征來識別圖像，然后根據(jù)這些特征來構造圖像模型

70無失真編碼(1/2)壓縮編碼時不丟失有效信息，編碼后的復原圖像與編碼前的原始圖像完全相同

兩種典型方法：哈夫曼編碼和算術編碼

71無失真編碼(2/2)圖8-3哈夫曼編碼方法72限失真編碼圖8-4運動圖像的預測編碼壓縮編碼后可能造成失真，編碼后的復原圖像與編碼前的原始圖像有差別

預測編碼、離散余弦變換738.2.3數(shù)字圖像信號的編碼標準三大系列：H.26x、JPEG和MPEG三大組織國際電信聯(lián)盟遠程通信標準化組ITU-T:ITUforTelecommunicationStandardizationSector國際標準化組織ISO:InternationalOrganizationforStandardization國際電工委員會IEC:InternationalElectro-technicalCommission74H.261標準第一個視頻壓縮編碼國際標準，由ITU-T頒布，在ISDN上開展可視電話和會議電視數(shù)據(jù)速率為每秒64千比特~192千比特(N64kbps)僅支持CIF和QCIF兩種圖像格式圖像數(shù)據(jù)被劃分為四個層次原始圖像即為圖像層、塊組層、宏塊層、子塊層預測編碼與DCT相配合的混合編碼方式75H.263標準（1/2）H.263核心仍然是DPCM/DCT混合編碼，也采用了四層的分層結構進行編碼與H.261標準不同之處是，H.263做了一些修改或擴充支持CIF、QCIF和另外三種圖像格式，它們的分辨率分別為QCIF分辨率的一半、4倍和16倍。預測編碼估值精度可以達到半個像素增加了四種可選項以提高編碼效率采用算術編碼代替哈夫曼編碼，編碼效率更高。76H.263標準（2/2）

H.263＋進一步提高了壓縮編碼性能支持更多的圖像格式類型，允許自定義圖像的尺寸采用更好的編碼方法通過一些技術增強了圖像信息在易誤碼、易丟包的網(wǎng)絡環(huán)境下的傳輸

。

77JPEG標準主要用于連續(xù)彩色靜止圖像的數(shù)據(jù)壓縮以DCT技術為基礎，能夠提供較好的圖像質量和較高的壓縮率由ISO和ITU-T于1991年聯(lián)合公布78JPEG2000支持各種類型圖像壓縮，包括二值圖像、多分量圖像、遙感圖像、醫(yī)學圖像和合成圖像等在表示像素位數(shù)即每像素位低于0.25時，恢復出來的圖像具有較好的細節(jié)質量，比原標準具有更好的甚低比特率性能。對同一碼流能同時提供有損或無損壓縮。允許用戶自定義感興趣區(qū)域，并對感興趣區(qū)域的圖像提供更好的編碼質量。在通過無線信道傳輸時碼流具有良好的抗誤碼性能，并采用數(shù)字水印技術提高圖像安全保護性能。采用了壓縮率更高的小波變換方法79MJPEG標準JPEG標準也用來對活動圖像進行編碼，此時JPEG把視頻序列中的每一幀當作一幅靜止圖像來處理，即所謂MotionJPEG，簡稱為MJPEG目前JPEG被廣泛應用在各種應用場合，比如一般的圖片、醫(yī)療圖片、衛(wèi)星圖片的保存和傳輸，多媒體應用和廣播電視后期制作等

80MPEG標準活動圖像及其聲音的數(shù)字編碼標準包括MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4、MPEG-7和MPEG-21等多個版本比其他數(shù)據(jù)壓縮標準兼容性好，能夠提供更高的壓縮比率，對數(shù)據(jù)造成的損失小81MPEG-1用于數(shù)據(jù)傳輸率不超過每秒1.5兆比特的數(shù)字存儲媒體上活動圖像及其伴音的編碼編碼方法采用了改進的運動補償、DCT和量化等技術支持的典型數(shù)據(jù)傳輸速率為每秒1.5兆比特，此時提供的圖像質量與家用錄像系統(tǒng)的質量相當最高編碼速率可達每秒4兆比特~5兆比特，隨著速率的提高，解碼后的圖像質量有所降低應用于VCD、MP3和數(shù)字電話網(wǎng)絡上的視頻傳輸，如視頻點播，它也可被用來在因特網(wǎng)上傳輸音頻82MPEG-2

適用于每秒1.5兆比特～60兆比特，甚至更高數(shù)據(jù)速率的編碼，編碼碼率從每秒3兆比特～100兆比特特別適用于廣播級的數(shù)字電視的編碼和傳送，被認定為標準數(shù)字電視和高清晰度電視的編碼標準應用范圍更廣，包括了MPEG-1的工作范圍區(qū)分不同類型的應用，對不同應用下的圖像提供不同級別的圖像質量，即低級、主級、高級和更高級低級圖像質量與MPEG-1相同主級圖像質量相當于演播室圖像質量高級和更高級圖像質量相當于高清晰度電視質量由于MPEG-2的功能包括了MPEG-3，后來MPEG-3被取消83MPEG-4(1/3)針對數(shù)字電視、交互式圖形應用、交互式多媒體整合和壓縮技術的需求而制定不只是具體的壓縮算法，它將眾多的多媒體應用集成在一個完整的框架內(nèi)，目的是為多媒體通信及應用環(huán)境提供標準的算法和工具，從而建立起一種能被多媒體傳輸、存儲、檢索等應用領域普遍采用的統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式84MPEG-4(2/3)“基于對象編碼”的概念將一幅圖像分成若干在時間和空間上相互聯(lián)系的視頻、音頻對象，分別編碼后，再經(jīng)過復用傳輸?shù)浇邮斩?，然后再對不同的對象分別解碼，再組合成所需要的視頻和音頻好處便于對不同的對象采用不同的編碼方法和表示方法，在壓縮效率與解碼質量間得到較好的平衡使得數(shù)據(jù)的接收者不再是被動的，具有操縱對象的能力，可以對不同的對象進行獨立的刪除、添加、移動等操作。85MPEG-4(3/3)其他特點提供了更高的編碼效率，在相同的比特率下，更好的視覺聽覺質量使得在低帶寬的信道上傳送視頻、音頻成為可能。MPEG-4還支持具有不同帶寬、不同存儲容量的傳輸信道和接收端，這使得它適用于許多應用場合主要應用于因特網(wǎng)視音頻廣播、無線通信、靜止圖像壓縮、電視電話、計算機圖形、動畫與仿真和電子游戲86MPEG-7

多媒體內(nèi)容描述接口是為了快速、有效地搜索用戶所需要的不同類型的多媒體信息而提出的標準規(guī)定了各種類型的多媒體信息的標準化描述，將該描述與所描述的內(nèi)容相聯(lián)系，以實現(xiàn)快速有效地搜索和索引可以獨立于其他MPEG標準使用，但MPEG-4中所定義的音頻、視頻對象的描述適用于MPEG-7不僅包含了MPEG-1、MPEG-2和MPEG-4標準現(xiàn)有內(nèi)容的識別，還包括了更多的數(shù)據(jù)類型，可以是靜止圖像、圖形、音頻、動態(tài)視頻以及這些元素的組合。支持非常廣泛的應用87MPEG-21

正式名稱是“多媒體框架”，又稱“數(shù)字視聽框架”它是在電子商務蓬勃發(fā)展的背景下應運而生的產(chǎn)物，是為了解決新市場所面臨的問題如何獲取數(shù)字視頻、音頻以及合成圖形等“數(shù)字商品”如何保護多媒體內(nèi)容的知識產(chǎn)權如何為用戶提供透明的媒體信息服務如何檢索內(nèi)容;如何保證服務質量等而制定的標準目標是建立一種高效、透明和互操作的真正跨平臺的多媒體框架，實現(xiàn)在各種不同的網(wǎng)絡間的數(shù)據(jù)交換，完成內(nèi)容描述、創(chuàng)建、發(fā)布、使用、識別、收費管理、產(chǎn)權保護、用戶隱私權保護、終端和網(wǎng)絡資源抽取、事件報告等功能。88小視頻13：圖像通信技術實現(xiàn)過程動畫從信號分析預處理、壓縮編碼、圖像傳輸?shù)浇邮者^程。實物展示898.2.4數(shù)字圖像的傳輸除了壓縮編碼，數(shù)字圖像通信系統(tǒng)的關鍵技術還包括用戶的接入網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的傳輸網(wǎng)絡信息的交換網(wǎng)絡90數(shù)字圖像的傳輸兩種數(shù)字傳輸方式基帶傳輸直接傳輸數(shù)字化后的圖像信號實現(xiàn)簡單，但是傳輸距離有限頻帶傳輸長距離傳輸將基帶信號進行數(shù)字調制，然后再將調制后的信號送上信道傳輸91信道差錯編碼常規(guī)的信道差錯編碼檢錯重發(fā)、前向糾錯和混合糾錯等多種編碼方式圖像通信系統(tǒng)采用的差錯編碼技術前向糾錯編碼增加信源編碼差錯控制的能力聯(lián)合設計信道編碼與信源編碼以提高圖像信息傳輸?shù)目垢蓴_性能928.3數(shù)字傳真通信8.3.1傳真分類8.3.2傳真通信系統(tǒng)組成及工作原理8.3.3三類傳真機

938.3.1傳真的分類對文字、圖表、相片等記錄在紙面上的圖像進行掃描、傳輸，并在接收端將圖像重現(xiàn)出來的一種通信方式，也常被稱為“遠程復印”多種分類方法分類方法種類按發(fā)送原稿性質分相片傳真(黑白、彩色)、真跡傳真按占用電話路數(shù)分單路文件傳真、多路傳真按用途分傳真、相片傳真、報紙傳真、氣象傳真、彩色傳真、縮微膠卷傳真94單路文件傳真根據(jù)實現(xiàn)技術的不同，采用單路文件傳真方式的傳真機又分為四類，如表8-4所示主要是利用公用交換電話網(wǎng)構成傳真通信系統(tǒng)新的傳真通信方式已出現(xiàn)利用分組交換方式數(shù)字傳真機出現(xiàn)，在綜合業(yè)務數(shù)字網(wǎng)中，開始廣泛使用數(shù)字傳真機，提出了傳真機與個人計算機相結合的未來發(fā)展方向95表8-4單路文件傳真機的分類

數(shù)據(jù)壓縮傳輸方式傳輸一頁A4幅面時間應用低速傳真機（一類機）無沒有頻帶調制

約為6分鐘

已不生產(chǎn)中速傳真機（二類）無幅度—相位調制

約為3分鐘

作為三類、四類機的一種功能高速傳真機（三類機）哈夫曼編碼，改進的READ碼等調制解調，電話線路20秒～1分鐘目前主流四類傳真機改進的READ碼數(shù)據(jù)網(wǎng)3～15秒正在迅速發(fā)展968.3.2傳真通信系統(tǒng)組成及工作原理(1/4)

由發(fā)送機、傳輸信道和接收機三部分組成，如圖8-5所示發(fā)送機部分包括掃描裝置、信號處理和調制器接收機部分由解調器、信號處理和記錄裝置組成基本組成與前面所介紹的圖像通信系統(tǒng)的組成是一致的，只是根據(jù)傳真業(yè)務的特性，采用了特殊的輸入設備（掃描裝置）和輸出設備（記錄裝置）

97傳真通信系統(tǒng)組成及工作原理(2/4)圖8-5傳真通信系統(tǒng)的組成98傳真通信系統(tǒng)組成及工作原理(3/4)掃描裝置的主要功能是將傳真的原稿分解成像素，并把光信號轉換成電信號掃描裝置輸出的電信號在信號處理電路中進行數(shù)據(jù)壓縮，以減少傳真信號的冗余度，節(jié)約傳輸帶寬。這里的信號處理相當于圖8-1中的編碼器部分。解調器對接收到信號進行解調，經(jīng)信號處理，還原成與掃描裝置輸出的原始電信號幾乎相同的信號，再進行記錄記錄裝備的作用是將還原出來的文字或圖像信號記錄在顯示介質上，以重現(xiàn)傳真原稿99傳真通信系統(tǒng)組成及工作原理(4/4)傳輸信道的概念與圖8-1圖像通信系統(tǒng)模型是一致的，可以采用8.2.4節(jié)中介紹的各種傳輸技術或通信網(wǎng)絡來提供傳真通信的傳輸信道。通常地，根據(jù)信道中傳輸?shù)男盘柼匦?，傳真通信系統(tǒng)可以區(qū)分為數(shù)字傳真通信系統(tǒng)和模擬傳真通信系統(tǒng)

1008.3.3三類傳真機(1/8)基本構成主要用在公用交換電話網(wǎng)上傳送書信、文件、表格和圖形等圖像，是目前廣泛使用的傳真機三類傳真機的基本組成如圖8-6所示101小視頻14:三類傳真機的傳真過程動畫在公用交換電話網(wǎng)上傳送書信、文件、表格和圖形等圖像實物展示102三類傳真機(2/8)圖8-6三類傳真機基本構成103三類傳真機(3/8)掃描單元采用圖像傳感器對原稿進行光電掃描，完成光電變換掃描單元輸出的模擬圖像信號經(jīng)過視頻處理電路，變換成數(shù)字信號，然后由編碼器完成圖像數(shù)據(jù)壓縮系統(tǒng)控制器是全機的控制中心，完成國際相關建議所規(guī)定的三類傳真業(yè)務的操作程序和傳輸規(guī)程，同時實現(xiàn)傳真機的多種自動控制功能，以及管理、協(xié)調其他各個部件的工作網(wǎng)絡接口是傳真機與通信外線、電話之間的連接單位104三類傳真機(4/8)記錄單元在記錄紙上重現(xiàn)傳真原稿記錄控制電路產(chǎn)生記錄單元正常工作所需要的各種信號，比如移位時鐘、分段記錄信號等電機驅動電路為傳真機內(nèi)各種工作電路提供驅動脈沖三類傳真機還提供了用戶操作傳真機的操作面板，以及傳真機自身的電源供給系統(tǒng)，圖中沒有給出這兩部分105三類傳真機(5/8)通信過程傳真業(yè)務的整個通信過程與話音通信過程類似，包括通信建立階段、標識和命令發(fā)送階段、報文傳送階段、報文發(fā)送結束階段和通信釋放階段等五個階段整個過程都是在系統(tǒng)控制器的控制下自動完成的106壓縮編碼方法兩種編碼方式在一維編碼方案中，采用改進的哈夫曼編碼，這種編碼方法對傳真信息中黑、白兩種像素的持續(xù)長度逐行進行編碼，將每條掃描線上的數(shù)據(jù)變換成一串可變長度的碼字，每個碼字表示一個全白或全黑的持續(xù)長度，黑白持續(xù)長度交替出現(xiàn)二維編碼方案中，采用MH和改進的READ碼的混合編碼方式。這是一種逐條掃描線編碼的方法，即本掃描線上每個變化的像素的位置，是根據(jù)參考像素的位置來編碼。參考像素可以是本掃描線上的其他像素，也可以位于參考掃描線上，每當一條掃描線的編碼結束后，它就成為下一掃描線的參考掃描線三類傳真機(6/8)107傳輸要求在公用交換電話網(wǎng)用戶電路或租用專線用戶電路上使用由于三類傳真機采用的是壓縮編碼和數(shù)字傳輸技術，所以圖像的傳輸質量不可避免地會受到傳輸電路的誤碼率、傳輸速率、編碼方式和掃描線密度等的影響具有四種傳輸速率（9.6kbps,7.2kbps,4.8kbps和2.4kbps）、兩種掃描線密度（3.85線/毫秒和7.7線/毫秒）和兩種編碼方式如果采用的是模擬通信網(wǎng)進行傳真通信，需要采用調制解調器將三類傳真機輸出的數(shù)字信號轉換成模擬信號，才能在模擬信道上傳輸三類傳真機(7/8)108傳真通信發(fā)展趨勢在普及三類傳真機的同時，ITU-T也在考慮利用公用數(shù)據(jù)網(wǎng)進行文件傳真，提出了基于公用數(shù)據(jù)網(wǎng)開展傳真業(yè)務的四類傳真機標準的完整的新建議。與三類傳真機不同的是，四類傳真機是“徹底的”數(shù)字傳真機，作為數(shù)字終端，它使用OSI網(wǎng)絡體系結構，能夠在包括ISDN在內(nèi)的多種通信網(wǎng)，比如數(shù)據(jù)網(wǎng)、電話網(wǎng)上使用，可以與其他數(shù)字終端設備互通，具有傳送速度快、分辨力強等優(yōu)點

三類傳真機(8/8)1098.4活動數(shù)字圖像通信系統(tǒng)8.4.1可視電話8.4.2數(shù)字高清晰度電視系統(tǒng)1108.4.1可視電話可視電話是指通話的同時可以看到對方的形象，顯示的是活動圖像。在實際應用中，有些可視電話顯示的是靜止圖像，聲音和圖像信號在模擬電話網(wǎng)中被交替?zhèn)魉停磦魉蛨D像時不能通話。這種顯示靜止圖像的可視電話稱為靜態(tài)圖像可視電話，顯示活動圖像的可視電話稱為動態(tài)圖像可視電話，又叫電視電話。在本書中，如果沒有特別說明，“可視電話”指的都是動態(tài)圖像可視電話。111可視電話系統(tǒng)組成(1/5)IP上的可視電話見第9章ISDN上的可視電話遵循H.320標準系列規(guī)定了綜合業(yè)務數(shù)字網(wǎng)ISDN上的可視電話系統(tǒng)和終端，不僅包括視頻編碼（采用的是H.261標準）、分頻、信號和建立連接的系列標準，還包括音頻壓縮算法標準，它對可視電話的發(fā)展起了重要的推動作用

圖8-7是基于H.320可視電話系統(tǒng)示意圖112圖8-7H.320可視電話系統(tǒng)示意圖可視電話系統(tǒng)組成(2/5)113可視電話系統(tǒng)組成(3/5)三種不同的傳輸方案將圖像和聲音復用在一個B通道中傳輸，例如圖像使用該B通道64kb/s帶寬中的48kb/s，聲音使用剩余的16kb/s使用兩個B信道分別傳輸圖像和聲音信號將兩個B信道合并為一條128kb/s的信道同時傳輸圖像和聲音，比如圖像使用112kb/s，聲音使用16kb/s交換通信網(wǎng)也可以采用混合網(wǎng)絡的形式，在遠距離傳輸時，通信網(wǎng)采用ISDN的B通道或專用的64kb/s

114可視電話系統(tǒng)組成(4/5)PSTN上的可視電話遵循H.324標準系列H.324標準系列由國際電信聯(lián)盟在1996年制訂，可以實時傳輸視頻、音頻和數(shù)據(jù)等信息形式，其中的視頻壓縮標準是H.263

圖8-8是基于H.324可視電話系統(tǒng)基本組成框圖115可視電話系統(tǒng)組成(5/5)圖8-8H.324可視電話系統(tǒng)基本組成框圖116可視電話終端(1/3)可視電話系統(tǒng)中的重要部件分類獨立式的可視電話終端機頂盒型可視電話終端基于個人計算機的可視電話終端117可視電話終端(2/3)獨立式的可視電話終端，又叫桌面式可視電話，它將普通電話機、數(shù)碼攝像頭、高清晰液晶顯示器和多媒體壓縮處理系統(tǒng)集于一體，可以在PSTN或ISDN上實現(xiàn)語音和彩色圖像的高速同步傳輸。機頂盒型可視電話終端在普通電話機之外，配置了帶有數(shù)字攝像頭的外置式電視機頂盒，機頂盒內(nèi)置了視頻、音頻等處理芯片和高性能調制解調器等。這種終端需要與一臺電視機配合使用，可以工作在PSTN和ISDN上118可視電話終端(3/3)基于個人計算機的可視電話終端是指在計算機上安裝攝像頭、圖像處理板、語音輸入和輸出設備（例如麥克風和揚聲器），以及可視電話應用軟件后的可視電話終端。目前上市的此類終端主要有符合H.324標準和H.323標準的可視電話系列。符合H.324標準的可視電話工作在PSTN上，通過普通電話線實現(xiàn)雙方可視電話通信；符合H.323標準可視電話通過因特網(wǎng)和局域網(wǎng)實現(xiàn)雙方可視電話通信1198.4.2數(shù)字高清晰度電視系統(tǒng)數(shù)字高清晰度電視（HDTV），指電視節(jié)目的制作、傳輸和接收等各個