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1、1,通信新技术讲座,移动通信技术的发展与未来,2,内容概要,移动通信发展与应用趋势移动通信基本科学问题未来移动通信的关键技术,3,1. 移动通信发展与应用趋势,通信新技术讲座,4,移动通信发展与应用趋势,无线通信发展历程,5,移动通信发展与应用趋势,蜂窝移动通信的飞速发展,第一代移动通信系统采用了模拟调制技术和FDMA接入方式，在使用中暴露出了很多缺点，例如设备体积大成本高，频谱利用率低，保密性差，只能提供低速语音业务等 典型的通信系统有： 先进移动电话业务(AMPS: Advanced Mobile Phone System) 全接入通信系统(TACS: Total Access Commu
2、nication System) 北欧移动电话标准(NMS: Nordic Mobile Telephone Standard),6,移动通信发展与应用趋势,第二代移动通信系统采用了数字调制技术以及TDMA或CDMA接入方式，具有频谱利用率较高、保密性好、系统容量大、接口标准明确等优点。很好地满足了人们对语音业务以及低速数据业务的需求，因此在世界范围内得以广泛应用。 典型的通信系统有： 全球移动通信系统(GSM: Global System for Mobile) 个人手提电话系统(PHS: Personal Handy-phone System) 个人接入通信系统(PACS: Persona
3、l Access Commun. System) IS-54系统与IS-95系统,7,移动通信发展与应用趋势,第三代移动通信系统是宽带数字通信系统，其设计目标是实现144Kbps的车载通信速率、384Kbps的步行通信速率和2Mbps的室内通信速率；在业务上更加重视移动多媒体业务，能提供多种类型的高质量多媒体业务，语音业务占的比重越来越小；能实现全球无缝覆盖，具有全球漫游能力并与固定网络相互兼容。第三代移动通信技术的标准化工作由3GPP和3GPP2两个标准化组织来推动和实施。 目前在世界范围内影响最广泛的第三代移动通信系统标准为WCDMA和CDMA2000 以及TD-SCDMA,8,移动通信发
4、展与应用趋势,新一代移动通信研究开发处于起步阶段 在2007年11月结束的一次国际电信联盟（ITU）的正式会议上，B3G和4G技术正式统一命名为IMT Advanced 目前有关4G 移动通信系统的发展目标已达成基本共识，4G 系统将包含传输速率达到100Mbps 的蜂窝移动通信系统和传输速率达到1Gbps 的游牧和本地无线接入系统两个组成部分，其中蜂窝移动通信系统的最大用户带宽约为20MHz，而游牧和本地无线接入系统的最大用户带宽将达到100MHz 。,2007年12月26日，国务院总理温家宝当天主持国务院常务会议，审议并原则通过新一代宽带无线移动通信网实施方案。,9,移动通信发展与应用趋势
5、,我国移动通信发展历程,10,移动通信发展与应用趋势,21世纪前10年的无线通信技术,11,移动通信发展与应用趋势,各种无线通信技术的应用特点,12,移动通信发展与应用趋势,各种无线通信技术互为补充共同发展,13,移动通信发展与应用趋势,宽带移动通信 随时随地获取你所需要的任何信息,多媒体短信业务MMS（并发视频、音频与文字业务）；定位业务，与位置有关的信息点播业务；上网浏览与下载业务；流媒体视频业务；如VoD; Realplayer, MP3等； 移动电子商务；移动交互式游戏业务；实时会议电视业务；,14,移动通信发展与应用趋势,近距离无线通信：构造个人与家庭网络,使你摆脱电线、电缆的约束，
6、在各种家用电气和掌上设备之间方便的传送信息；在下班的路上就能开启家中的所有电器；出差的路途上就能看到你家中任何情况；,15,移动通信发展与应用趋势,无线宽带进入千家万户：无线信息社会成为现实,取代现有的有线宽带网络；电视、广播、互联网融为一体；每人可以享有100兆比特的传输通道；虚拟现实如同身临其境；上班一族在家工作；,16,移动通信发展与应用趋势,射频标签技术：让物体能够与人通信,未来每个物体都带有一个无线接收和发射装置；每个物体都能应答你，不再为丢失你的钥匙、你的钢笔而烦恼；取得现有的条形码，物流管理变得极为方便；恐怖分子无处藏身； ,17,移动通信发展与应用趋势,无线自组织网络：军事、救
7、灾,18,移动通信发展与应用趋势,技术快速进步为无线通信带来美好发展前景,高速的数字信号处理 超大规模集成电路等技术 数字电路和射频电路制造技术 微处理器技术 Internet网络技术 ,19,2. 移动通信基本科学问题,通信新技术讲座,20,移动通信基本科学问题,有限的频谱资源与不断增长的无线通信业务需求之间的矛盾所带来的挑战，将促使无线通信理论与技术不断发生变革；信源压缩：对待传输的信息载体压缩， 以达到节省传输资源之目的，产生了像MP3、MP4这样的图像与语音压缩方法；信息传输：在存在干扰和多径反射的 无线信道中如何有效地传输信息，使之达到理论极限。,移动通信需要解决的关键问题,21,移
8、动通信基本科学问题,从信号设计与处理的角度出发，采用高效的调制及信道编码等技术提高频谱利用率；移动通信系统的工作频点继续上移，在2007年11月闭幕的世界无线电通信大会上通过了适用于全球3G与4G移动通信系统的四个新频段，其中包括3.4G3.6GHz的200MHz带宽以及分配给我国TD-SCDMA的2.3GHz2.4GHz的100MHz带宽；进一步开发蜂窝移动通信系统中的空间资源。例如MIMO技术的利用为移动通信频谱利用率的提高注入了新的活力。,目前的解决方案,MIMO：Multiple Input Multiple Output,SISO：Single Input Single Output
9、,22,移动通信基本科学问题,信号处理的复杂性将限制其在实际系统中的应用。例如如果完全依靠增加调制电平数来提高传输速率，在速率超过10bps /Hz之上时，其复杂度及对信道的要求已是实际系统所不能承受的了，特别是每增加1bps/Hz就要增加3dB的信噪比，实现复杂度、对时钟精度的要求及对信道参数估计精度的要求等都要相应地成倍增加 ；,存在的缺憾,23,移动通信基本科学问题,较高的系统工作频率将导致无线信号在空间传输中快速衰落。尽管采用微蜂窝技术可以缩小小区半径，提高天线覆盖面积，从而提高用户的接收性能，但随之而来的另一个问题在于系统中频繁的切换会增加系统信令开销并降低系统的工作效率 ；目前，多
10、天线一般集中放置于基站组成天线阵，这种集中放置实际上限制了天线数量，且不利于空间资源的充分利用，此外，小区边界处的用户的链路质量比距离基站近的用户的性能要差的现状并未得到解决。,24,3. 未来移动通信的关键技术,通信新技术讲座,25,未来移动通信的关键技术,无线信道特点MIMO系统的基本原理OFDM系统地基本原理分布式天线系统多用户分集技术分层覆盖网络结构,信道建模理论、调制编码技术、分集接收技术、信道均衡技术、多用户检测技术、智能天线技术、功率控制技术、切换技术、无线网络技术、高速分组接入技术等。,26,无线信道特点,未来移动通信的关键技术,27,无线信道特点,无线信道特性,移动信道是一个
11、非常复杂的动态信道，取决于用户所在地点环境条件，其信道参数是时变的。利用这类复杂的移动信道进行通信，首先必须分析和掌握信道的基本特点和实质，然后才能针对存在的问题一一对症下药给出相应技术解决方案 任何一种通信系统都是围绕着如何完成通信的三项基本指标有效性，可靠性和安全性进行不断的优化。,28,移动通信信道的主要三个特点,三类不同层次的损耗,1) 路径传播损耗 2) 慢衰落损耗 3) 快衰落,空间选择性快衰落 频率选择性快衰落 时间选择性快衰落,无线信道特点,29,移动通信四种主要效应,1) 阴影效应,由大型建筑物和其它物体的阻挡，在电波传播的接收区域中产生传播半盲区。它类似于太阳光受阻挡后可产
12、生的阴影，光波的波长较短，因此阴影可见，电磁波波长较长，阴影不可见，但是接收终端与专用仪表可以测试出来。,2)多普勒效应,它是由于接收用户处于高速移动中比如车载通信时传播频率的扩散而引起的，其扩散程度与用户运动速度成正比。这一现象只产生在高速(70km/h)车载通信时，而对于通常慢速移动的步行和准静态的室内通信，则不予考虑。,无线信道特点,30,3) 远近效应,由于接收用户的随机移动性，移动用户与基站之间的距离也是在随机变化，若各移动用户发射信号功率一样，那么到达基站时信号的强弱将不同，离基站近者信号强，离基站远者信号弱。通信系统中的非线性将进一步加重信号强弱的不平衡性，甚至出现了以强压弱的现
13、象，并使弱者，即离基站较远的用户产生掉话(通信中断)现象，通常称这一现象为远近效应。,无线信道特点,31,4) 多径效应,由于接收者所处地理环境的复杂性、使得接收到的信号不仅有直射波的主径信号，还有从不同建筑物反射过来以及绕射过来的多条不同路径信号。而且它们到达时的信号强度，到达时间以及到达时的载波相位都是不一样的。所接收到的信号是上述各路径信号的矢量和，也就是说各径之间可能产生自干扰，称这类自干扰为多径干扰或多径效应。这类多径干扰是非常复杂的，有时根本收不到主径直射波，收到的是一些连续反射波等等。,无线信道特点,32,三类多径干扰,1)第一类多径干扰：是由于快速移动用户附近的物体的反射而形成
14、的干扰信号，其特点是由于用户的快速移动因此在信号的频域上产生了多普勒(Doppler)频移扩散，而引起信号在时域上时间选择性衰落。 2)第二类多径干扰：用户信号由于远处的高大建筑物与山丘的反射而形成的干扰信号。其特点是传送的信号在空间与时间上产生了扩散。空域上波束角度的扩散将引起接收点信号产生空间选择性衰落，时域上的扩散将引起接收点信号产生频率选择性衰落。 3)第三类多径干扰：它是由于接收信号受基站附近建筑物和其它物体的反射而引起的干扰。其特点是严重影响到达天线的信号入射角分布，从而引起信号在空间的选择性衰落。,无线信道特点,33,三类多径干扰的示意图,无线信道特点,34,几类经常使用的著名经
15、验公式与模型,1) 奥村哈塔(Okumura-Hata)模型 2) Hata模型向个人通信PCS系统的扩展 3) Walfisch-Ikegami模型(WIM) 4) 室内传播模型,无线信道特点,35,MIMO系统信道建模,20世纪90年代后，几位著名的科学家Foschini, Vertib等预言并随后证明了MIMO系统在频谱效率和系统容量方面所带来的巨大增益。,通常人们会延续SISO信道建模的思想来研究MIMO信道，而实际上MIMO系统中各信道之间的相关性使得其模型更加复杂，目前这方面的研究出现了大量的新概念和重要成果。,Gregory. D. Durgin, Space-time Wire
16、less Channels,朱世华等译, 空时无线信道，西安交通大学出版社,无线信道特点,36,MIMO的特点,有效地利用了多天线所提供的空间维数，在天线数目很多时，可使信道容量随信噪比的增加呈线性增长； 多径衰落是影响通信质量的主要因素，但MIMO系统却能有效地利用多径的影响来提高系统容量，在不需要增加发射功率就能获得很高的系统容量。实验证明采用MIMO结构可使频谱效率达到2040pbs/Hz,如果再对系统设计加以优化，则可获得更高的频谱效率；,MIMO系统的基本原理,37,单用户MIMO系统模型,其中 为 发送信号向量； 为 接收信号向量； 为信道矩阵， 中的元素 表示从第 个发射天线到第 个接收天线之间的信道增益； 为 的AWGN 。,MIMO系统的基本原理,38,无衰落时的MIMO系统容量当信道无衰落时，可以对信道矩阵 进行奇异值分解， 得到(2) 其中 与 为酉矩阵， 的对角线上包 含 的奇异值，用 表示矩阵的共轭转置。 给(2)式左乘 得(3)写成矩阵形式，则有,
