移動通信與智能技術(shù)

1、移動通訊與智能技術(shù)綜述學(xué) 院： 電子工程學(xué)院 專 業(yè)： 智能科學(xué)與技術(shù) 班 級： 學(xué) 號： 姓 名： 4G時代移動通信關(guān)鍵技術(shù)淺析一、引言4G，即第四代移動電話行動通信標準，指的是第四代移動通信技術(shù)，外語縮寫為4G。該技術(shù)包括TD-LTE和FDD-LTE兩種制式。4G集3G與WLAN于一體，并能夠快速傳輸數(shù)據(jù)、高質(zhì)量、音頻、視頻和圖像等。4G能夠以100Mbps以上的速度下載，比目前的家用寬帶ADSL（4兆）快25倍，并能夠滿足幾乎所有用戶對于無線服務(wù)的要求。此外，4G可以在DSL和有線電視調(diào)制解調(diào)器沒有覆蓋的地方部署，然后再擴展到整個地區(qū)。很明顯，相對于傳統(tǒng)的無線通信技術(shù)，4G有著不可比擬的

2、優(yōu)越性。本文著重介紹一些4G通信技術(shù)中的關(guān)鍵部分。二、關(guān)鍵技術(shù)介紹1、OFDM(正交頻分復(fù)用) 由于無線信道存在多徑效應(yīng)，數(shù)據(jù)信號在各種不同類型的無線信道上傳輸時，產(chǎn)生的時延會造成接收信號的碼間干擾，尤其當(dāng)碼元速率提高而周期相應(yīng)縮短時，時延將會跨越更多的碼元，而使這種干擾變得更大。此外，碼元速度的提高引起信號帶寬相應(yīng)增大，當(dāng)信號帶寬大干信道的相關(guān)帶寬時會造成頻率選擇性衰落。目前單載波調(diào)制技術(shù)為了能夠盡量減輕這種衰落而采用了均衡技術(shù)，但卻不得不以增加信道噪聲作為代價。 未來的無線多媒體業(yè)務(wù)首先要求數(shù)據(jù)傳輸速率要高，同時又要保證傳輸質(zhì)量，這就要求所采用的調(diào)制解調(diào)技術(shù)既要有較高的信元速率，又要有較長

3、的碼元周期?；谶@樣的考慮，產(chǎn)生了OFDM技術(shù)，屬于多載波調(diào)制技術(shù)(MCM)中的一種。OFDM是4G通信網(wǎng)的核心技術(shù)。其主要思想是：將信道分成若干正交子信道，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)制在每個子信道上進行傳輸。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(ICI)。每個子信道上的信號帶寬小于信道的相關(guān)帶寬，因此每個子信道上的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技術(shù)之所以越來越受關(guān)注，是因為OFDM有很多獨特的優(yōu)點： (1)頻譜利用率很高，頻譜效率比串行系統(tǒng)高

4、近一倍。這一點在頻譜資源有限的無線環(huán)境中很重要。OFDM信號的相鄰子載波相互重疊，從理論上講其頻譜利用率可以接近Nyquist極限。 (2)抗衰落能力強。OFDM把用戶信息通過多個子載波傳輸，在每個子載波上的信號時間就相應(yīng)地比同速率的單載波系統(tǒng)上的信號時間長很多倍，使OFDM對脈沖噪聲(Impulse Noise)和信道快衰落的抵抗力更強。同時，通過子載波的聯(lián)合編碼，達到了子信道間的頻率分集的作用，也增強了對脈沖噪聲和信道快衰落的抵抗力。因此，如衰落不特別嚴重，就沒必要再添加時域均衡器。 (3)適合高速數(shù)據(jù)傳輸。OFDM自適應(yīng)調(diào)制機制使不同的子載波可以按照信道情況和噪聲背景的不同使用不同的調(diào)制

5、方式。當(dāng)信道條件好的時候，采用效率高的調(diào)制方式。當(dāng)信道條件差的時候，采用抗干擾能力強的調(diào)制方式。再有，OFDM加載算法的采用，使系統(tǒng)可以把更多的數(shù)據(jù)集中放在條件好的信道上以高速率進行傳送。因此，OFDM技術(shù)非常適合高速數(shù)據(jù)傳輸。 (4)抗碼間干擾(ISI)能力強。碼間干擾是數(shù)字通信系統(tǒng)中除噪聲干擾之外最主要的干擾，它與加性的噪聲干擾不同，是一種乘性干擾。造成碼間干擾的原因有很多，實際上，只要傳輸信道的頻帶是有限的，就會造成一定的碼間干擾。OFDM由于采用了循環(huán)前綴，對抗碼間干擾的能力很強。 除上述優(yōu)點外，OFDM也有3個較明顯的缺點： 首先，對頻偏和相位噪聲敏感。頻偏和相位噪聲會使OFDM各子

6、載波之間的正交性惡化，使信噪比下降。 其次，功率峰值與均值比(PARR)大，導(dǎo)致發(fā)送端放大器功率效率較低。由于OFDM的信號是由多個獨立的經(jīng)過調(diào)制的子載波信號相加合成的，因此有可能產(chǎn)生比較大的峰值功率，也就有可能產(chǎn)生較大的PARR值。而過高的PARR值通常會對發(fā)送端功率放大器提出較高的線性要求，從而增加基站和用戶終端的成本。 第三，自適應(yīng)的調(diào)制技術(shù)使系統(tǒng)復(fù)雜度有所增加。OFDM采用的自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)會增加發(fā)射機和接收機的復(fù)雜度，并且當(dāng)移動終端達到車載的移動速度時，自適應(yīng)的調(diào)制技術(shù)就沒有很大意義了。 2、智能天線 智能天線定義為波束間沒有切換的多波束或自適應(yīng)陣列天線。多波束天線在一個扇區(qū)中使用多個

7、固定波束，而在自適應(yīng)陣列中，多個天線的接收信號被加權(quán)并且合成在一起使信噪比達到最大。與固定波束天線相比，天線陣列的優(yōu)點是除了提供高的天線增益外，還能提供相應(yīng)倍數(shù)的分集增益。但是它們要求每個天線有一個接收機，還能提供相應(yīng)倍數(shù)的分集增益。 智能天線具有抑制信號干擾、自動跟蹤以及數(shù)字波束調(diào)節(jié)等智能功能，其基本工作原理是根據(jù)信號來波的方向自適應(yīng)地調(diào)整方向圖，跟蹤強信號，減少或抵消干擾信號。智能天線可以提高信噪比，提升系統(tǒng)通信質(zhì)量，緩解無線通信日益發(fā)展與頻譜資源不足的矛盾，降低系統(tǒng)整體造價，因此其勢必會成為4G系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。智能天線的核心是智能的算法，而算法決定電路實現(xiàn)的復(fù)雜程度和瞬時響應(yīng)速率，因此需

8、要選擇較好算法實現(xiàn)波束的智能控制。 目前2G通信系統(tǒng)中采用的天線分為全向天線和定向天線兩種，全向天線應(yīng)用于360°覆蓋的小區(qū)，定向天線應(yīng)用于小區(qū)分裂后的部分覆蓋小區(qū)。這兩種天線覆蓋的區(qū)域形狀都是不變的，因此對于基站來說，給每個移動用戶的下行信號是廣播式發(fā)送的，這樣勢必會引起系統(tǒng)干擾，并降低了系統(tǒng)容量。 智能天線采用了空分多址(SDMA)的技術(shù)，利用信號在傳輸方向上的差別，將同頻率或同時隙、同碼道的信號進行區(qū)分，動態(tài)改變信號的覆蓋區(qū)域，使主波束對準用戶方向，旁瓣或零陷對準干擾信號方向，并能夠自動跟蹤用戶和監(jiān)測環(huán)境變化，為每位用戶提供優(yōu)質(zhì)的上行鏈路和下行鏈路信號，從而達到抑制干擾、準確提

9、取有效信號的目的。 因此，智能天線技術(shù)更加適用于具有復(fù)雜電波傳播環(huán)境的移動通信系統(tǒng)。在我國提出的3G標準TD-SCDMA中采用了智能天線技術(shù)。 智能天線具有以下優(yōu)點：(1)提高系統(tǒng)容量。智能天線采用了SDMA技術(shù)，利用空間方向的不同進行信道分割，在不同信道中可以在同一時間使用同一種頻率而不會產(chǎn)生干擾，從而提高了系統(tǒng)容量。 (2)降低系統(tǒng)干擾。智能天線技術(shù)將波束的旁瓣或零陷對準干擾信號方向，因此能夠有效抑制干擾。 (3)擴大覆蓋區(qū)域。由于智能天線有了自適應(yīng)的波束定向功能，因此與普通天線相比，在同等發(fā)射功率的條件下，采用智能天線技術(shù)的信號能夠傳送到更遠的距離，從而增加了覆蓋范圍。 (4)降低系統(tǒng)建

10、設(shè)成本。由于智能天線技術(shù)能擴大覆蓋區(qū)域，因此基站建設(shè)數(shù)量可相對減少，降低了運營商的建設(shè)成本。智能天線技術(shù)的主要缺點是，使用它將增加通信系統(tǒng)的復(fù)雜度，并對元器件提出較高的性能要求。3、軟件無線電 所謂軟件無線電(Software Defined Radio,簡稱SDR)，就是采用數(shù)字信號處理技術(shù)，在可編程控制的通用硬件平臺上，利用軟件來定義實現(xiàn)無線電臺的各部分功能：包括前端接收、中頻處理以及信號的基帶處理等。即整個無線電臺從高頻、中頻、基帶直到控制協(xié)議部分全部由軟件編程來完成。  軟件無線電的基本思想是將硬件作為其通用的基本平臺，把盡可能多的無線

11、及個人通信功能通過可編程軟件來實現(xiàn)，使其成為一種多工作頻段、多工作模式、多信號傳輸與處理的無線電系統(tǒng)。也可以說，是一種用軟件來實現(xiàn)物理層連接的無線通信方式。  軟件無線電的核心技術(shù)是用寬頻帶無線接收機代替原來的窄帶接收機，并將寬帶的模擬/數(shù)字、數(shù)字/模擬變換器盡可能的靠近天線，從而使通信電臺的功能盡可能多的采用可編程軟件來實現(xiàn)。 軟件無線電的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾個方面：  (1)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)通用，功能實現(xiàn)靈活，改進升級方便。工作模式可由軟件編程改變，包括可編程的射頻頻段寬帶信號接入方式和可編程調(diào)制方式等。所以可任意更換信道接入方式，改變調(diào)制方式或接

12、收不同系統(tǒng)的信號；可通過軟件工具來擴展業(yè)務(wù)、分析無線通信環(huán)境、定義所需增強的業(yè)務(wù)和實時環(huán)境測試，升級便捷。(2)提供了不同系統(tǒng)間互操作的可能性。軟件無線電可以使移動終端適合各種類型的空中接口，可以在不同類型的業(yè)務(wù)間轉(zhuǎn)換。多個信道享有共同的射頻前端與寬帶A/D、D/A變換器以獲取每一信道的相對廉價的信號處理性能。  (3)由于通過軟件實現(xiàn)系統(tǒng)的主要功能，因此更易于采用新的信號處理手段，從而提高了系統(tǒng)抗干擾的性能。  (4)擁有較強跟蹤新技術(shù)的能力。由于它能在保證硬件平臺基本結(jié)構(gòu)不發(fā)生變化的情況下，通過改變軟件來實現(xiàn)新業(yè)務(wù)和使用新技術(shù)，大大降低了設(shè)備商的新通

13、信產(chǎn)品開發(fā)成本和周期，同時也降低了運營商的投資。  實現(xiàn)軟件無線電還需克服以下技術(shù)難點： (1)多頻段天線的設(shè)計。軟件無線電的天線需要覆蓋多個頻段，以滿足多信道不同方式同時通信的需求，而射頻頻率和傳播條件的不同，使得各頻段對天線的要求存在著較大的差異，因此多頻段天線的設(shè)計成為軟件無線電技術(shù)實現(xiàn)的難點之一。  (2)寬帶A/D、D/A轉(zhuǎn)換。根據(jù)奈奎斯特抽樣定理，要從抽樣信號中無失真地恢復(fù)原信號，抽樣頻率應(yīng)大于2倍信號最高頻率。而目前A/D、D/A的最高采樣頻率受到其性能的限制，從而也限制了所能處理的已調(diào)信號頻率。  (3)高速

14、DSP(數(shù)字信號處理器)。高速DSP芯片主要完成各種波形的調(diào)制解調(diào)和編解碼過程，它需要有更多的運算資源和更高的運算速度來處理經(jīng)寬帶A/D、D/A變換后的高速數(shù)據(jù)流，因此其芯片有待進一步研發(fā)。三、總結(jié)移動通信與智能技術(shù)這門課讓我學(xué)到了很多以前沒有接觸到的知識，拓寬了自己的知識面，增強了自己的知識水平，了解到了關(guān)于移動通信領(lǐng)域里的一些技術(shù)原理以及演化進程。個人認為移動通信在未來的發(fā)展方向一定是更便捷、更快速、更經(jīng)濟。這是移動通信崛起的初衷，也是一以貫之的宗旨。但是這不會一蹴而就，需要長久的積累與準備。在三五年內(nèi)，新興的4G技術(shù)還難以坐穩(wěn)市場。一是因為還沒有統(tǒng)一的國際標準，各運營商關(guān)于4G的推廣還有待商討。再者，基礎(chǔ)設(shè)施如4G信號塔的