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1、第7章 第四代移动通信系统(4G),7.1 第四代移动通信系统概述 7.2 4G的网络结构 7.3 4G的关键技术 7.4 第四代移动通信系统发展面临的问题 本章小结 习题与思考题,前3代移动通信技术的回顾,第1代通信技术 第2代通信技术 第3代通信技术,第1代通信技术,主要采用的是模拟技术和频分多址技术。由于受到传输带宽的限制，不能进行移动通信的长途漫游游，只能是一种区域性的移动通信系统。第一代移动通信有多种制式，我国主要采用的是TACS。第一代移动通信有很多不足之处，比如容量有限、制式太多、互不兼容、保密性差、通话质量不高、不能提供数据业务、不能提供自动漫游等。,第2代通信技术,主要采用的
2、是数字的时分多址（TDMA）技术和码分多址（CDMA）技术。主要业务是语音。它克服了模拟移动通信系统的弱点，话音质量、保密性能得到大的提高，并可进行省内、省际自动漫游。第二代移动通信替代第一代移动通信系统完成模拟技术向数字技术的转变，但由于第二代采用不同的制式，移动通信标准不统一，用户只能在同一制式覆盖的范围内进行漫游，因而无法进行全球漫游，由于第二代数字移动通信系统带宽有限，限制了数据业务的应用，也无法实现高速率的业务如移动的多媒体业务。,第3代通信技术,第三代移动通信网络能将高速移动接入和基于互联网协议的服务结合起来，提高无线频率利用效率。提供包括卫星在内的全球覆盖并实现有线和无线以及不同
3、无线网络之间业务的无缝连接。满足多媒体业务的要求，从而为用户提供更经济、内容更丰富的无线通信服务。,第4代通信技术,第四代移动通信标准应该比第三代标准具有更多的功能。第四代移动通信可以在不同的固定、无线平台和跨越不同的频带的网络中提供无线服务，可以在任何地方宽带接入互联网（包括卫星通信），能够提供信息通信之外的定位定时、数据采集、远程控制等综合功能。同时，第四代移动通信系统还应该是多功能集成的宽带移动通信系统，是宽带接入IP系统。,7.1.1 4G的产生背景 尽管目前3G的各种标准和规范已达成协议，并已开始商用，但3G技术仍存在一些不足。3G的局限性主要体现如下： (1) 3G仍缺乏全球统一标
4、准； (2) 3G所运用的语音交换架构仍承袭了2G的电路交换，而不是完全IP形式； (3) 由于采用CDMA技术，因此3G难以达到很高的通信速率，无法满足用户对高速多媒体业务的需求；,(4) 由于3G空中接口标准对核心网有所限制，因此3G难以提供具有多种QoS及性能的各种速率的业务； (5) 由于3G采用不同频段的不同业务环境，因此需要移动终端配置有相应不同的软、硬件模块，而3G移动终端目前尚不能够实现多业务环境的不同配置，也就无法实现不同频段的不同业务环境间的无缝漫游。 所有这些局限性推动了人们对下一代通信系统4G的研究和期待。,7.1.2 4G的概念 第四代移动通信可称为宽带接入和分布式的
5、网络,它具有非对称的超过2 Mb/s的数据传输能力。它包括宽带无线固定接入、宽带无线局域网、移动宽带系统和交互式广播网络。第四代移动通信系统超越标准可以在不同的固定、无线平台和跨越不同的频带的网络中提供无线服务，可以在任何地方用宽带接入互联网(包括卫星通信和平流层通信)，能够提供定位定时、数据采集、远程控制等综合功能。此外，第四代移动通信系统是多功能集成的宽带移动通信系统，是宽带接入IP系统。,7.1.3 4G的特点 4G主要具有以下特点： (1) 高速率，高容量。对于大范围高速移动用户(250 km/h)，数据速率为2 Mb/s；对于中速移动用户(60 km/h)，数据速率为20 Mb/s；
6、对于低速移动用户(室内或步行者)，数据速率为100 Mb/s。4G系统容量至少应是3G系统容量的10倍以上。 (2) 网络频带更宽。每个4G信道将占有100 MHz频谱，相当于WCDMA 3G网络的20倍。 (3) 兼容性更加平滑。4G应该接口开放，能够跟多种网络互连，并且具备很强的对2G、3G手机的兼容性，以完成对多种用户的融合；在不同系统间进行无缝切换，传送高速多媒体业务数据。,(4) 灵活性更强。4G拟采用智能技术，可自适应地进行资源分配。采用智能信号处理技术对信道条件不同的各种复杂环境进行信号的正常收/发。 (5) 具有用户共存性。能根据网络的状况和信道条件进行自适应处理，使低、高速用
7、户和各种用户设备能够并存与互通，从而满足多类型用户的需求。 运营商或用户花费更低的费用就可随时随地地接入各种业务。,7.3 4G的网络结构 虽然4G系统尚处于研究的起步阶段，其网络结构也还没有成型，但是对于这方面的研究已有很多，网络的融合趋势是显而易见的。基于网络融合的4G网络架构如图7-1所示。 从图7-1中可以看出，基于人们目前对4G宽带接入和分布网络的普遍理解，未来的4G网络将是一种全IPv6的网络结构(包括各种接入网和核心网)，4G系统将是一个集成广播电视网络、无线蜂窝网络、卫星网络、无线局域网、蓝牙等系统和固定的有线网络为一体的结构，各种类型的接入网通过媒体接入系统都能够无缝地接入基
8、于IP的核心网，形成一个公共的、灵活的、可扩展的平台。,图7-1 4G网络架构,网络结构,3G采用的主要是蜂窝组网，4G将突破这个概念，发展以数字广带(Broad band)为基础的网络，成为一个集无线LAN和基站宽带网络的混合网络，这种基于IP技术的网络架构使得在3G,4G,W-LAN,固定网之间的漫游得以实现。,交换方式,3G保留了2G所使用的电路交换，采用的是电路交换和分组交换并存的方式，而4G将完全采用基于IP的分组交换，使网络能根据用户需要分配带宽。,7.4 4G的关键技术 7.4.1 OFDM技术 1. OFDM的基本原理 OFDM(正交频分复用)是一种无线环境下的高速传输技术，其
9、基本原理是：将高速数据信号通过串/并变换，分配到传输速率相对较低的若干个子信道中进行传输。在频域内将信道划分成若干个互相正交的子信道，每个子信道均拥有自己的载波，分别对其进行调制，信号通过各个子信道独立地进行传输。如果各个子信道的带宽被划分得足够窄，每个子信道的频率特性就可近似地看做是平坦的，即每个子信道都可看做无符号间干扰的理想信道。这样在接收端不需要使用复杂的信道均衡技术即可对接收信号可靠地进行解调。,2. OFDM系统结构 OFDM系统的典型框图如图7-2所示。图中，上半部分对应于发射机链路，下半部分对应于接收机链路。发送端将被传输的数字数据转换成子载波幅度和相位的映射，并进行IDFT(
10、反离散傅立叶变换)将数据的频域表达式变到时域上。图中的IFFT(反快速傅立叶变换)与IDFT的作用相同，只是有更高的计算效率，所以适用于所有的系统。接收端进行与发送端相反的操作，将RF信号与本振信号进行混频处理，并用FFT变换分解为时域信号，子载波的幅度和相位被采集出来并转换回数字信号。,图7-2 OFDM收/发机框图,3. OFDM系统的优势 (1) 高速率的数据流通过串/并变换使得每个子载波的数据符号持续长度相对增加，这有效地减少了无线信道的时间弥散所带来的符号间干扰，从而减少了接收机内均衡的复杂度。有时甚至不采用均衡器，而仅仅通过插入循环前缀的方法即可消除符号间干扰的不利影响。 (2)
11、传统的频分多路传输方法是将频带分为若干个不相交的子频带来传输并行数据流，子信道之间要保留足够的保护频带。而OFDM系统由于各个子载波之间存在正交性，允许子信道的频谱相互重叠，因此与常规的频分复用系统相比，OFDM系统可以最大限度地利用频谱资源。当子载波个数很多时，系统的频谱利用率趋于2 Baud/Hz。,(3) 各个子信道中的正交调制和解调可以通过反离散傅立叶变换(IDFT)和离散傅立叶变换(DFT)的方法来实现。对于子载波数目较大的系统，可以通过快速傅立叶变换(FFT)来实现。而随着大规模集成电路技术与DSP技术的发展，IFFT与FFT都是容易实现的。 (4) 无线业务一般存在非对称性，即下
12、行链路中的数据传输量大于上行链路中的数据传输量，这就要求物理层支持非对称高速率数据传输。OFDM系统可以通过使用不同数量的子载波来实现上行和下行链路中不同的传输速率。,(5) OFDM可以容易地与其他多种接入方式结合使用，构成各种系统，其中包括多载波码分多址MC-CDMA、跳频OFDM以及OFDM-TDMA等，从而使得多个用户可以同时利用OFDM技术进行信息传输。,4. OFDM系统的缺点 OFDM系统内存在有多个正交的子载波，而且其输出信号是多个子信道的叠加，因此与单载波系统相比存在如下缺点： (1) 易受频率偏差的影响。子信道的频谱相互覆盖，这对其正交性提出了严格的要求。由于无线信道的时变
13、性，在传输过程中出现无线信号的频谱偏移，或发射机与接收机本地振荡器之间存在的频率偏差，都会使OFDM系统子载波的正交性遭到破坏，导致子信道的信号相互干扰。这种对频率偏差的敏感是OFDM系统的主要缺点。,(2) 存在较高的峰值平均功率比。多载波系统的输出是多个子信道信号的叠加，如果多个信号的相位一致，所得到的叠加信号的瞬时功率就会远远高于信号的平均功率，这样会出现较大峰值平均比，可能带来信号畸变，使信号的频谱发生变化，从而导致各个子信道之间的正交性遭到破坏，产生干扰，使系统的性能恶化，这就对发射机内功率放大器提出了很高的要求。,5. OFDM系统的主要技术 1) 时域和频域同步 OFDM系统对定
14、时和频率偏移敏感，特别是实际应用中可能与FDMA、TDMA和CDMA等多址方式结合使用时，时域和频域同步显得尤为重要。与其他数字通信系统一样，同步分为捕获和跟踪两个阶段。在下行链路中，基站向各个移动终端广播式发送同步信息，所以，下行链路同步相对简单，较易实现。在上行链路中来自不同移动终端的信号必须同步到达基站，才能保证载波间的正交性。基站根据各移动终端发来的子载波携带信息进行时域和频域同步信息的提取，再由基站发回移动终端，以便让移动终端进行同步。具体实现时，同步可以分别在时域或频域进行，也可以时频域同步同时进行。,2) 信道估计 在OFDM系统中，信道估计器的设计主要有两个问题：一是导频信息的
15、选择，由于无线信道常常是衰落信道，需要不断对信道进行跟踪，因此导频信息也必须不断地传送；二是既有较低的复杂度又有良好的导频跟踪能力的信道估计器的设计。在实际设计中，导频信息的选择和最佳估计器的设计通常又是相互关联的，因为估计器的性能与导频信息的传输方式有关。,3) 信道编码与交织 为了提高数字通信系统性能，信道编码和交织是通常采用的方法。对于衰落信道中的随机错误，可以采用信道编码；对于衰落信道中的突发错误，可以采用交织。实际应用中通常同时采用信道编码和交织，进一步改善整个系统的性能。在OFDM系统中，如果信道频域特性比较平缓，均衡是无法再利用信道的分集特性来改善系统性能的，因为OFDM系统本身
16、具有利用信道分集特性的能力，一般的信道特性信息已经被OFDM这种调制方式本身所利用了。但是OFDM系统的结构却为在子载波间进行编码提供了机会，形成OFDM编码方式。,4) 降低峰均功率比(PAPR) 由于OFDM信号时域上表现为n个正交子载波信号的叠加，当这n个信号恰好均以峰值相加时，OFDM信号也将产生最大峰值，该峰值是平均功率的n倍。尽管峰值功率出现的概率较低，但为了不失真地传输这些高峰均功率比的OFDM信号，发送端对高功率放大器的线性度要求很高，且发送效率极低，接收端对前置放大器以及A/D变换器的线性度要求也很高。因此，高的PAPR使得OFDM系统的性能大大下降，甚至直接影响实际应用。为
17、了解决这一问题，人们提出了基于信号畸变技术、信号扰码技术和基于信号空间扩展等降低OFDM系统PAPR的方法。,7.4.2 多输入多输出(MIMO)系统技术 多用户检测(MUD)技术能够有效地消除码间干扰，提高系统性能。多用户检测的基本思想是把同时占用某个信道的所有用户或某些用户的信号都当做有用信号，而不是作为干扰信号处理，利用多个用户的码元、时间、信号幅度以及相位等信息联合检测单个用户的信号，即综合利用各种信息及信号处理手段，对接收信号进行处理，从而达到对多用户信号的最佳联合检测。多用户检测是4G系统中抗干扰的关键技术，能进一步提高系统容量，改善系统性能。随着不同算法和处理技术的应用与结合，多用户检测获得了更高的效率、更好的误码率性能和更少的条件限制。,
