現(xiàn)代通信技術論文

1、.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，但由于其具有局限性，所以第四代移動通信系統(tǒng)4G的開展應運而生。4G將多種無線技術融合為一體, 為用戶提供基于全IP的多媒體效勞，具有高速、抗干擾、兼容性好和低本錢等特點。雖然4G的開展還面臨著許多挑戰(zhàn)，但它將是移動通信系統(tǒng)開展的必然趨勢。 關鍵詞：第四代移動通信系統(tǒng)；網(wǎng)絡構造；關鍵技術；OFDM；一什么是第四代移動通信技術. 嚴格說來，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用。關于4G的一般描述為：“第四代移動通信的概

2、念可稱為廣帶接入和分布網(wǎng)絡，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)和互操作的播送網(wǎng)絡基于地面和衛(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)。 第四代移動通信系統(tǒng)的特征 4G系統(tǒng)應該具有下面的特征： 1. 通信速率更高專家稱，4G的實際速率將到達1020Mbit/s，最高可達100Mbit/s。2.網(wǎng)絡占用頻譜更寬據(jù)研究，每個4G信道將占用100MHz的頻譜，相當于WCDMA3G網(wǎng)絡的20倍。3.通信終端更加靈活4G終端的功能已不能簡單劃歸“機的疇，因為語音數(shù)據(jù)的傳輸只是4G移動的功能之一

3、。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終端設備的設計和操作上，更重要的是4G終端可以實現(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)應當具備全球漫游、接口開放、能跟多種網(wǎng)絡互聯(lián)、終端多樣化以及能從3G平穩(wěn)過渡等特點。6.高質量的多媒體通信4G通信系統(tǒng)提供的寬帶無線多媒體通信效勞將包括語音、數(shù)據(jù)、影像等多種業(yè)務應用。7.通信費用更加廉價4G通信與其他技術相比，部署起來容易迅速得多，同時在建立4G通信網(wǎng)絡系統(tǒng)時，通信運營商們將考慮直接在3G通信網(wǎng)絡的根

4、底設施之上，采用逐步引入的方法，這樣就能夠有效地降低運營本錢。三第四代移動通信系統(tǒng)的關鍵技術1，OFDM正交頻分復用技術3G中的核心技術是碼分多址CDMACodeDivisionMultiple*Access，在4G中核心技術是正交頻分復用技術OFDM(OrthogonalFrequencyDivisionModulation)。未來無線多媒體業(yè)務對數(shù)據(jù)傳輸率和傳輸質量有較高的要求，所以調制技術需要具備較高的信元速率以及較長的代碼元素周期。4G的核心技術正交頻分復用技術OFDM(OrthogonalFrequencyDivisionModulation)，屬于多載波調制MCMMulti-Car

5、rierModulation，載波的頻率由標準委員會選為正交的，所以沒有串擾或干擾。它將指配的信道分成許多正交子信道，將高速數(shù)據(jù)信號轉換成并行的低速子數(shù)據(jù)流,調制到每個子信道上進展傳輸。正交信號可以通過在接收端采用相關技術來分開,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局部,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

6、的假設干個比特分成一組，每組的數(shù)目取決于對應子載波上的調制方式，如PSK、QAM等。M個并行的子數(shù)據(jù)信元編碼交織后進展IFFT變換，將頻域信號轉換到時域，IFFT塊的輸出是N個時域的樣點，再將長為Lp的CP(循環(huán)前綴)加到N個樣點前，形成循環(huán)擴展的OFDM信元，因此，實際發(fā)送的OFDM信元的長度為LpN，經(jīng)過并/串轉換后發(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)在頻域被充分隨機化，OFDM信號可以認為是獨立同步分布的隨機

7、變量的線性組合。當子載波非常大時，由中心極限定理知OFDM信號近似服從復高斯分布，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。由于OFDM系統(tǒng)各個子載波間相互正交，OFDM系統(tǒng)另外一個缺點是對系統(tǒng)頻偏比較敏感軟件無線電SDR技術 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)部需要無縫切換，而且隨著4G系統(tǒng)的開展，會不斷出現(xiàn)新的業(yè)務和新的需求，這些都需要對終端和網(wǎng)絡節(jié)點進展重新配置。 軟件無線電在4G中的可能應用為： a)采用軟件無線電實現(xiàn)的基站可同時為多個網(wǎng)絡效勞； b) 當終端移動時可重新配置。如當移動終端移動到一個采用不同標準的移動通信系

8、統(tǒng)中時，終端可按照該系統(tǒng)的標準重新自動配置該終端，從而使該終端獲得效勞。 采用軟件無線電技術實現(xiàn)的移動終端或基站將采用模塊化構造，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軟件無線電的理論根底采樣理論：由于軟件無線電所覆蓋的頻率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，在目前很不實際。所以無法使用Nyquist采樣定理

9、，而必須采用帶通采樣。一種接近理想化的軟件無線電設計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計宗旨完全一致。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，帶通采樣帶寬應越寬越好，對信號有更寬的適應性，這樣就應當使采樣速率盡可能地寬。然而又會導致后續(xù)的信號處理速度跟不上，因此要對A/D后的數(shù)據(jù)流進展降速處理。抽取和插是最根本最重要的根本理論，對于軟件無線電的研究及數(shù)字下/上變頻器的實現(xiàn)有重大作用。整數(shù)倍抽取是把原始采樣速序列*(n)每隔D-1個數(shù)據(jù)抽取一個，形成一個新序列*

10、D(m)，即*D(m)=*(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的理論根底。整數(shù)倍插是在兩個原始抽樣點之間插入I-1個零值，也形成一個新序列*I(m),即*I(m)=*(m/I),經(jīng)過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。顯然插器起到了上變頻作用。它是軟件無線電發(fā)射機的理論根底。整數(shù)倍抽取和插都只是頻率變換的一種特殊情況，實際中往往用到分數(shù)倍變換，它可通過先進展I倍插，再進展D倍抽取來實現(xiàn)。注意必須插在前，以免引起信號失真。高效數(shù)字濾波：實現(xiàn)取樣速率變換的主要問題是如何實現(xiàn)抽取前或插后的數(shù)

11、字濾波。FIR濾波器相對與IIR濾波器有許多獨特優(yōu)越性，線性相位，穩(wěn)定性等?？刹捎么昂瘮?shù)法來設計，簡單，直觀，但濾波性能不是最正確。也可采用最正確濾波器的設計。半帶濾波器適合于實現(xiàn)D=2的M冪次方倍的抽取或插，計算效率也高實時性高。而在實際的抽取系統(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合起來使用。數(shù)字正交變換理論：對一個實信號進展正交變換而用一個復解析信號來表示是因為從解析信號很容易獲得三個特征參數(shù)：瞬時幅度，瞬時相位和瞬時頻率，它們是信號分析，參數(shù)測量或識別解調的根底。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

12、現(xiàn)，即先對模擬信號*(t)通過A/D采樣數(shù)字化形成數(shù)字序列*(n),然后與兩個正交本振序列cos(w0n)和sin(w0n)相乘，再通過數(shù)字低通濾波器來實現(xiàn)。在采樣速率很高時，對后續(xù)的數(shù)字低通濾波實現(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)字波束調節(jié)等功能，被認為是未來移動通信的關鍵技術。智能天線成形波束可在空間域抑制交互干擾，增強特殊圍想要的信號，既能改善信號質量又能增加傳輸容量。根本原理是在無線基站端使用天線陣和相干無線收發(fā)信機來實現(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

13、定算法進展合并，實現(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方式和基于預多波束的波束切換方式。全自適應智能天線雖然從理論上講可以到達最優(yōu)，但相對而言各種算法均存在所需數(shù)據(jù)量，計算量大，信道模型簡單，收斂速度較慢，在*些情況下甚至可能出現(xiàn)錯誤收斂等缺點，實際信道條件下，當干擾較多、多徑嚴重，特別是信道快速時變時，很難對*一用戶進展實時跟蹤。在基于預多波束的切換波束工作方式下，全空域被一些預先計算好的波束分割覆蓋，各組權值對應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，接收時的主要任務是挑選一個作為工作模式，與自適應方式相比它顯然更容易實現(xiàn)，是未來智能天線技術開展的方向

14、。智能天線技術的根本原理如圖2，智能天線由天線陣列，A/D和D/A轉換，自適應算法控制器和波束形成網(wǎng)絡組成。其中，波束形成網(wǎng)絡是由每個單元空間感應信號加權相加，其權系數(shù)是復數(shù)，即每路信號的幅度和相位均可以改變。自適應控制網(wǎng)絡是智能天線的核心，該單元的功能是根據(jù)一定的算法和優(yōu)化準則來調節(jié)各個陣元的加權幅度和相位，動態(tài)的產(chǎn)生空間動態(tài)定向波束。智能天線技術主要基于自適應天線陣列原理,天線陣收到信號后,通過由處理器和權值調整算法組成的反響控制系統(tǒng),根據(jù)一定的算法分析該信號,判斷信號及干擾到達的方位角度,將計算分析所得的信號作為天線陣元的鼓勵信號,調整天線陣列單元的輻射方向圖、頻率響應及其它參數(shù)。利用天

15、線陣列的波束合成和指向,產(chǎn)生多個獨立的波束,自適應地調整其方向圖,跟蹤信號變化,對干擾方向調零,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)基站覆蓋質量,增加系統(tǒng)容量。在方向圖的選擇和形成上智能天線的根本原理是在滿足窄帶傳輸假設即*一入射信號在各天線單元的響應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導致了陣元上接收信號的相位差，假設入射信號為平面波，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。具有一樣信號強度、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，由此可做出這個權矢量對應的方向

16、圖。以入射角為橫坐標、輸出功率(dB)為縱坐標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mainlobe旁瓣sidelobe等。4、MIMO技術MIMO多進多出是未來移動通信的關鍵技術。多輸入多輸出技術MIM0是指在基站和移動終端都有多個天線。MIM0技術為系統(tǒng)提供空間復用增益和空間分集增益。空間復用是在接收端和發(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與信道編碼技術的空時碼可獲得

17、高的編碼增益和分集增益，已成為該領域的研究熱點。MIM0技術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)的容量及覆蓋圍。多輸入多輸出)技術是指利用多發(fā)射、多接收天線進展空間分集的技術，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，當不同的接收天線和不同的發(fā)射天線之間互不相關時，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42bps/Hz，這是單天線系統(tǒng)所能到達容量的40多倍。因此，在功率帶寬受限的無線

18、信道中，MIMO技術是實現(xiàn)高數(shù)據(jù)速率、提高系統(tǒng)容量、提高傳輸質量的空間分集技術。在無線頻譜資源相對匱乏的今天，MIMO系統(tǒng)已經(jīng)表達出其優(yōu)越性，也會在4G移動通信系統(tǒng)中繼續(xù)應用根本原理MIMO技術的根本是依賴多天線的多入多輸技術。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用技術成倍的增加系統(tǒng)容量和頻道利用率基于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IP的網(wǎng)絡，可以實現(xiàn)不同網(wǎng)絡間的無縫互聯(lián)。核心網(wǎng)獨立于各種具體的無線接入方案，能提供端到端的IP業(yè)務，能同已有的核心網(wǎng)和PSTN兼容。核心網(wǎng)具有開放

19、的構造，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、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()協(xié)議、鏈路層是別離獨立的。IP與多種無線接入?yún)f(xié)議相兼容，因此在設計核心網(wǎng)絡時具有很大的靈活性，不需要考慮無線接入終究采用何種方式和協(xié)議。6.高性能的接收機4G移動通信系統(tǒng)對接收機提出了很高的要求。Shannon定理給出了在帶寬為BW的信道中實現(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

20、SNR為12dB?？梢妼τ?G系統(tǒng)，由于速率很高，對接收機的性能要求也要高得多。四、4G的網(wǎng)絡體系構造4G系統(tǒng)針對各種不同業(yè)務的接入系統(tǒng)，通過多媒體接入連接到基于IP的核心網(wǎng)中。基于IP技術的網(wǎng)絡構造使用戶可實現(xiàn)在3G、4G、WLAN及固定網(wǎng)間無縫漫游。4G網(wǎng)絡構造可分為三層：物理網(wǎng)絡層、中間環(huán)境層、應用網(wǎng)絡層。物理網(wǎng)絡層提供接入和路由選擇功能，中間環(huán)境層的功能有網(wǎng)絡效勞質量映射、地址變換和完全性管理等。物理網(wǎng)絡層與中間環(huán)境層及其應用環(huán)境之間的接口是開放的，使開展和提供新的效勞變得更容易，提供無縫高數(shù)據(jù)率的無線效勞，并運行于多個頻帶，這一效勞能自適應于多個無線標準及多模終端，跨越多個運營商和效勞商，提供更大圍效勞。4G的網(wǎng)絡分層圖如圖1所示。在4G系統(tǒng)中，各種針對不同業(yè)務的接入系統(tǒng)通過多媒體接入系統(tǒng)連接到基于IP的核心網(wǎng)中，形成一個公共的、靈活的、可擴展的平臺，網(wǎng)絡的連接如圖1所示。五第四代移動通信系統(tǒng)的目標及開展趨勢我國4G開展的狀況我國在4G領域也取得得大成果。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技術和IP網(wǎng)絡技術，以漢網(wǎng)特有的包分多址PDMA接入技術為核心，上下行數(shù)據(jù)速率采用不對稱設計，可為無線用戶提供高達近2Mbps的高速無線互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務，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。可實現(xiàn)手機、PDA、PC之間的自由通信和