（通信与信息系统专业论文）宽带无线通信系统中的载波同步及天线校准研究.pdf

中国科学技术大学博士论文摘要 摘要 下一代无线通信系统中，为了实现火带宽、高传输速率、高频谱利用率等关键技术指标， 多载波多天线是一种重要的体系结构。在这种体系结构中，为了克服大带宽情况下无线信道 的频率选择性衰落，正交频分复用( o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，o f d m ) 是一种高频谱效率的形式，是非常有前途的一种多载波调制技术。在o f d m 系统中，可以 认为对每个子载波而言，信道是平坦衰落的。但是，o f d m 技术应用于无线通信系统中， 存在的致命问题是对载波同步非常敏感，并且峰均比较高。因而，载波同步技术是o f d m 的核心技术之。 在f 一代无线通信系统中广泛使用多天线技术，如多输入多输出( m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l e o u t p u t ，m i m o ) 、智能天线及分布式天线等，是提高频谱利用率的非常有效的手段。特别是， 作为i t u - r 技术发展趋势中定义的智能天线技术和m i m o 技术，能在不增加带宽的情况下 成倍地提高通信系统的容量和频谱利用率。因此，将m i m o 技术与o f d m 技术相结合，适 应下一代系统发展趋势的要求。m i m o o f d m 技术是通过在o f d m 传输系统中采用阵列天 线实现空间复用或分集，提高了信号质量，它利用了时间、频率和空间三种分集技术，使无 线系统对噪声、干扰、多径的容限大大增加。但是，这种结合并非是两种技术简单的叠加堆 积，它们的有机结台，引出了诸多新的技术问题。因为在m i m o 情况下，存在多条并行的 特性各异的无线信道，使得问题变得非常复杂。 在多天线系统中，为了保证系统性能的实现，工程上要求天线阵列及射频通道之间的幅 度和相位与理论设计相比，具有较小的误差；而作为核心技术的智能天线，为了准确形成波 束，对天线阵列和通道有更高的要求。但是，由于加工、器件老化、温度变化等原因，天线、 馈线和由模拟器件组成的射频通道往往需要校正才能满足需求。 本文从o f d m 的载频同步技术入手进行研究，针对m 1 m o o f d m 系统的特点，提出了 子波段算法，简化载波同步的复杂度；在多天线系统的天线通道校准方面，本文以要求最为 严格的智能天线为研究对象，对该技术展开了深入的研究，从而可以满足所有多天线系统的 校正需求。通过在实验平台上的实际验证，证明了所提出算法是有效的、实用的。 本文的主要贡献如下： ( 1 ) 对0 f d m 系统的载波同步进行了深入的研究，分析了载波频率偏移对o f d m 系统 性能的影响。在此基础上，提出了一种基于导频的频率偏移的估计算法，分别估计小数倍的 中国科学技术大学博士论文摘要 频偏( 细估计) 和整数倍的频偏( 粗估计) ；推导出一种频偏差值表达式；并设计了相应的迭代 算法进行自适应跟踪。仿真结果表明，提出的细估计算法能够稳定地跟踪小数倍频偏，粗频 偏估计算法也取得了较好性能。 ( 2 ) 针对m i m o o f d m 无线通信系统中存在多个不同的载波频偏情况的模型，提出了 一种子波段载波频偏估计算法，将多个频偏的估计问题转换为一组单个频偏的估计问题：推 导了多个不同载波频偏模型的估计解析表达式；设计了一种新颖的导频结构以替代传统的导 频，提高了估计性能；给出了一种跳变导频结构，进一步改善了载波频偏估计性能。 ( 3 ) 在o f d m 通信系统中，针对接收端有滤波器的情况给出了一种利用预滤波器的统 计量来对m i m o - o f d m 信道进行盲均衡的算法，通过迭代算法，求解出均衡器的参数；利 用正交相关矩阵求解出最佳的预滤波器系数。 ( 4 ) 针对多天线系统，以t d d 移动通信系统为研究对象，在分析了各种天线阵列及通 道校准技术的基础上，提出了一种阵列天线及通道的在线校正方法。该方法巧妙地设计在线 校准方案，在较少增加设备的情况下，有较高的效率；首次提出采用训练序列作为阵列天线 的校准信号，利用专门设计的训练序列的特性。能较好地校准通道误差，不仅能用于智能天 线，亦能适用于m i m o 系统；通过在实验平台上对所提出的算法进行验证，证明算法是有 效的，对工程实现有一定的指导意义。 本论文主要针对宽带移动通信系统，对无线信道及建模进行了分析，并对o f d m 的载 波同步、阵列天线校正等关键技术展开研究，为实现宽带移动通信系统，进行了一些基础性 的研究工作。 关键词：下一代无线通信系统，b 3 g 4 g ，o f d m ，m i m o ，智能天线，载波同步，天线校正 1 l 中国科学技术大学博士论文a b s t r a c t a b s t r a c t m u l t i c a r r i e ra n dm u l t i p l ea n t e n n a sa r ei m p o r t a n ta r c h i t e c t u r ei nt h en e x tg e n e r a t i o n w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n st oa c h i e v e b r o a d b a n d ，h i g h - s p e e d ，s p e c t r a l e f f i c i e n t c o m m u n i c a t i o np e r f o r m a n c e o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ( o f d i v l ) a sas p e c t r a l e f f i c i e n tf o r mo ff r e q u e n c yd i v i s i o n m u l t i p l e x i n g i sap r o m i s i n g m u l t i - c a r r i e rt e c h n o l o g y f o re a c hs u b - c a r r i e r , t h ec h a n n e lc a l lb ec o n s i d e r e da sa f l a t - f a d i n gc h a n n e li no f d ms y s t e m s h o w e v e r , t h ev i t a lp r o b l e m sw h e nu s i n g 0 f d mi nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s y s t e m s a r e i t s s e n s i t i v i t y t oc a r t i e r s y n c h r o n i z a t i o na n dh i g hp e a k t o - a v e r a g er a t i o t h u s ，c a r r i e rs y n c h r o n i z a t i o n t e c h n o l o g yi sak e yf a c t o rf o ro f d m m e a n w h i l e ，m u l t i - a n t e n n at e c h n o l o g y , s u c ha sm u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t ( m i m o ) ，s m a r ta n t 。e n n aa n dd i s t r i b u t e da n t e n n a ，i sw i d e l yu s e di nt h en e x tw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o ns y s t e 。m sa sas p e c t r a l e f f i c i e n ta p p r o a c h e s p e c i a l l y , s m a l l ，a n t e n n a a n dm i m 0d e f i n e di ni t u rr e p o r to nt e c h n o l o g yt r e n d sc a ne n h a n c eb ym u l t i p l e f o l d st h e c a p a c i t y o fc o m m u n i c a t i o ns y s t e m a n ds p e c t r t m au t i l i z a t i o nw i t h o u t i n c r e a s i n gb a n d w i d t h c o m b i n i n gm i m oa n do f d mw i l ls a r i s f yt h ed e m a n do ft h e n e x tg e n e r a t i o ns y s t e m s m i m o o f d mt e c h n o l o g yi sab r a n dn e wt e c h n o l o g yt h a t c o m b i n e so f d ma n dm i m ot oi m p r o v et h eq u a l i t yo fs i g n a l sb yu s i n ga n t e n n aa r r a y t or e a l i z es p a t i a lm u l t i p l e x i n ga n ds p a t i a ld i v e r s i t y i tu t i l i z e st i m e ，f r e q u e n c ya n d s p a t i a ld i v e r s i t yt e c h n o l o g i e st og r e a t l ye n h a n c ei t st o l e r a n c et o 。n o i s e ，i n t e r f e r e n c e a n dm u l t i p a t h h o w e v e r , t h i sc o m b i n a t i o ni sn o tas i m p l eo n et h a ta d d i t i o n a l l yc r e a t e s s e v e r a ln e wt e c h n i c a lc h a l l e n g e sb e c a u s et h e r ee x i s t sm u l t i p l ep a r a l l e lr a d i oc h a n n e l s w i t hd i f f e r e n tc h a r a c t e r i s t i c sw h i c hc o m p l i c a t e st h ep r o b l e m s i nam u l t i p l ea n t e n n as y s t e m ，i ti sr e q u i r e di ne n g i n e e r i n gt h a tt h ea m p l i t u d ea n d p h a s ee r r o r si nt h eu n i t so fa n t e n n aa r r a ya n dr a d i of r e q u e n c yc h a n n e l sa r er a t h e r s m a l lc o m p a r e dw i t ht h e o r e t i c a ld e s i g ni no r d e rt og u a r a n t e es y s t e mp e r f o r m a n c e s m a r ta n t e n n ah a sm u c hh i g hr e q u i r e m e n tf o r t h eu n i t sa n dc h a n n e l st of o r ma c c u r a t e r a d i ob e a m s h o w e v e r , f o rt h er e a s o n so fm a n u f a c t u r e ，a g i n go fa p p a r a t u sa n d t e m p e r a t u r ev a r i a n c e ，i ti sr e q u i r e df o ra n t e n n a ，f e e dc a b l e ，a n d r a d i oc h a n n e l c o m p o s e do f a n a l o g u ea p p a r a t u st oc o r r e c tf i r s tb e f o r eu s i n g 1 1 中国科学技术大学博士论文 a b s t r a c t t h i sp a p e rf i r s t l yp r o p o s e san e ws u b b a n da l g o r i t h mf o rc a r r i e rs y n c h r o n i z a t i o ni na m i m o o f d ms y s t e mt h a ts i m p l i f i e st h ec o m p l e x i t yo fc a r r i e rs y n c h r o n i z a t i o n o n t h ea s p e c to f t h ec o r r e c t i o no f a n t e n n ac h a n n e li nm u l t i p l ea n t e n n as y s t e m s ，t h i sp a p e r t a k e ss m a r ta n t e n n aa sr e s e a r c ho b j e c ta n dc a r r i e so nd e e pr e s e a r c hw o r kt h a tc a n s a t i s f yt h ec o r r e c t i o nr e q u i r e m e n to fa l lm u l t i p l ea n t e n n as y s t e m s t h ep r o p o s e d a l g o r i t h mi sp r o v e dt ob ee f f e c t i v ea n dp r a c t i c a lb yt h ee x p e r i m e n tp l a t f o r m n em a i nc o n t r i b u t i o n so ft h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) r e s e a r c hw o r ko nc a r r i e rs y n c h r o n i z a t i o no fo f d ms y s t e m s a tf i r s t ，t h e i n f l u e n c eo fc a r r i e rf r e q u e n c yo f f s e ti no f d m s y s t e m si sa n a l y z e df r o mt h ea s p e c t o ft h ec o r r e l a t i o no fs y m b o l s o nt h i sb a s i s ，an e wc o r r e l a t i o n b a s e de s t i m a t i o n a l g o r i t h mf o rf r e q u e n c yo f f s e ti sp r o p o s e da n di t sv a l i d i t yo nc o a r s ea n df i n e s y n c h r o n i z a t i o ni si m p r o v e db ys i m u l a t i o n c a r r i e rs y n c h r o n i z a t i o no fo f d m s y s t e m si n c l u d e st w op h a s e s ：a c q u i s i t i o na n dt r a c k i n g t h ep r o p o s e da l g o r i t h mi s a b l et oe s t i m a t ec a r r i e ro f f s e tr a p i d l yi nal a r g er a n g ei nt h ea c q u i s i t i o np h a s e w h i l ei ta l s oc a nt r a c ka c c u r a t e l yt h ec h a n g e so fc a r r i e ro f f s e to fa l lk i n d so f h o p p i n g 。m o d e si nt h et r a c k i n gp h a s e ( 2 ) f o rs e v e r a ld i f f e r e n tm o d e l so fc a r r i e rf r e q u e n c yo f f s e te x i s t i n gi nm i m o o f d m w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ，as u b b a n dc a r r i e rf r e q u e n c yo f f s e te s t i m a t i o n m e t h o di sp r o p o s e d t i l i sm e t h o dc o n v e r t sm u l t i p l ef r e q u e n c yo f f s e te s t i m a t i o n p r o b l e m si n t oas e to fs i n g l ef r e q u e n c yo f f s e te s t i m a t i o np r o b l e m sa n dp r o v i d e s a n a l y t i c a ls o l u t i o n s f o rs e v e r a ld i f f e r e n tc a r r i e r f r e q u e n c yo f f s e tm o d e l s ，b y d e s i g n i n gan e w 。p i l o tp a t t e r ni n s t e a do fc o n v e n t i o n a lc o n t i n u o u s “0 ”c a r r i e r f r e q u e n c ya n dp r o v i d i n gah o p p i n gp o l i t ed e s i g n ，o u ra p p r o a c hi m p r o v e st h e e s t i m a t i o np e r f o r m a n c e ( 3 ) p r o p o s ean e wb l i n de q u a l i z a t i o na l g o r i t h mf o rm i m o o f d mc h a n n e lu s i n g p r e f i l t e r e ds e c o n do r d e rs t a t i s t i c s t h i sa l g o r i t h mu s e si t e r a t i v em e t h o da n d o r t h o g o n a lc o r r e l a t i o nm a t r i xt oo b t a i nt h ec o e f f i c i e n t so f t h eb e s tp r e f i l t e r ( 4 ) p r o p o s ean e wo n l i n ec a l i b r a t i o nm e t h o do fa n t e n n aa r r a y a n dc h a n n e la f t e r a n a l y z i n gs e v e r a l c o r r e c t i o nt e c h n o l o g i e so fa n t e n n aa r r a ya n dc h a n n e l s o u r m e t h o dh a sar e l a t i v e l yh i g he f f i c i e n c yw i t h o u tl a r g e l yi n c r e a s i n ge q u i p m e n tf o r t d dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s b yc r e a t i v e l yd e s i g n i n gt h et r a i n i n g 中国科学技术大学博士论文 a b s t r a c t s e q u e n c e ，i tc a nc o r r e c tt h ee r r o r sb a s e d 0 1 1t h ec o r r e l a t i o no ft h et r a i n i n gs e q u e n c e t h em e t h o dc a r lb eu s e di nn o to n l ys m a r ta n t e n n ab u ta l s om i m os y s t e m sa n di s p r o v e dt ob ee f f e c t i v ei nt h ee x p e r i m e n tp l a t f o r m i ta l s op r o v i d e ss o m eg u i d e l i n e s i ne n g i n e e r i n g t h i sa r t i c l ei n v e s t i g a t e sw i r e l e s si ：h a n n e la n dc h a n n e lm o d e l i n gi nb r o a d b a n dw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o ns y s t e m sa n dc a r r i e so u tf u n d a m e n t a lr e s e a r c hw o r ko nc a r r i e r f r e q u e n c ys y n c h r o n i z a t i o na n d c a l i b r a t i o no fa n t e n n aa r r a y si no r d e rt or e a l i z e b r o a d b a n dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s k e yw o r d s ：n e x tg e n e r a t i o nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，o f d m ，m i m o ，s m a r t a n t e n n a ，c a r r i e rs y n c h r o n i z a t i o n ，a n t e n n aa r r a yc a l i b r a t i o n v 中国科学技术大学博士论文第1 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 本论文结合中兴通讯股份有限公司的研究项目“下一代无线通信系统关键技术研究”及 国家八六三重大项目一新一代移动通信技术的研究，对o f d m 、m i m o 及其结合 m i m o - o f d m 应用于宽带无线通信系统所涉及的部分关键技术进行了较深入的研究。重点 研究了信道估计、载波同步、天线阵列的通道校正等关键技术，并得到一些有用的结论。 本章首先介绍本文研究的大背景，即我国“新一代移动通信系统( b e y o n d3 g 4 g ) ”的现况 和目标，然后简要介绍新一代移动通信系统的发展及其中的一些关键技术，如移动o f d m 、 m i m o 等。最后，讨论本文的主要研究内容，同时给出论文白g 结构和安排。 1 2 移动通信的发展概述 移动通信技术近年来发展突飞猛进，对人类社会的方方面面产生了非常大的影响。多年 以来人们一直梦寐以求的任何时间、任何地点、任何人之间的任意通信生活方式，随着无线 移动通信技术的发展，正在逐步成为现实。 从国际移动通信发展和研究趋势来看，尽管经济发展处于衰退周期，导致移动通信产业 在世界范围内的增长速度放缓，每用户平均收入也日趋下降，但总量仍保持两位数以上的增 长。发达国家的移动通信用户覆盖率达到7 0 8 0 ，已接近饱和。因此，从产业发展的角度 来看，为了维持移动通信产业的高速发展势头，急需推出能够吸引用户的高附加值的数据业 务；从用户的需求角度来看，随着i n t e r n e t 网络对各个层面的渗透，人们的需求已经不局限 于无处不在的话音通信，而是希望能无时无刻地与网络保持连接，这就给目前的无线通信网 络提出了挑战，必须发展速度更高、带宽更宽、使用成本更低、无处不在的下一代通信网络。 目前，国际上第三代移动通信系统的商用化逐步在全球范围内进入实用阶段。一方面， 第三代移动通信技术除了能够支持更高速率的移动多媒体业务外，还具有更高的频谱效率和 服务质量，对于新兴的移动运营商具有较大的吸引力。另一方面，欧洲国家的各大运营商已 经耗费了巨额资金来获得第三代移动通信系统的运营执照。为了应对来自资本市场的压力， 纷纷采取合作与重组的方式，逐步推进3 g 网络的建设。其中欧洲的大部分运营商已经于 2 0 0 3 年开始对w c d m a 技术进行试商用。而北美s p r i n g p c s ，b e l l m o b i l i t y , v e r i z o n w i r e l e s s ， 日本的k d d i 及韩国的k t 已于2 0 0 1 年底实现c d m a 2 0 0 0 - l x 的商用化。与此同时，日本 中国科学技术大学博士论文第1 章绪论 d o c o m o 于2 0 0 1 年1 0 月初步实现了w c d m a 的商用化。 根据对有关电信运营商的调查，与位置有关的信息点搔业务、多媒体短信业务、移动上 网浏览业务、移动电子商务、交互式娱乐业务等将是未来一些年内最具发展前景的移动通信 业务。随着第三代移动通信系统逐渐进入商用，人们发现其通信能力其实赶不上当代业务的 需求：容量不够大，速率不够快，频谱利用率偏低，使用费用过高等等。i n t e m e t 业务的目 益普及，促使移动通信技术向全i p 方向发展。3 g p p 也在进行类似的工作，高速分组下行接 入( h i g h s p e e dp a c k e t d o w n l i n ka c c e s s ，h s p d a ) ，即增强型第三代移动通信技术已经开发 出来，其分组业务峰值传输速率将达到1 0 m b p s 以上。同时，高速分组上行接入( h i g h s p e e d p a c k e t u p l i n ka c c e s s ，h s p u a ) 的增强型第三代移动通信标准也正在制定之中。以便在双向 提高其通信能力。例如诺基亚公司表示，将支持3 g 后续规格“s u p e r 3 g ”。该规格是由日本 n t td o c o m o 提倡的无线通信规格，率先采用了o f d m 等面向第4 代( 4 g ) 移动通信而开 发的无线通信技术。该规格又称为“u t r a nl t e ( u n i v e r s a l t e r r e s t r i a lr a d i oa c c e s sn e t w o r k l o n g t e r me v o l u t i o n ，通用陆上接入网长期演进) ”和“3 9 g ”。上行传输速度为5 0 m b i t 秒，下行速 度为l o o m b i f f 秒。预计2 0 0 7 年下半年3 g p p 将着手进行标准化制订工作。 另一方面，国内外有关第4 代移动通信的研究也已经全面启动。欧盟在前期研究计划 第五框架研究计划的基础上，成立了世界无线通信研究论坛( w w r f ) ，着手进行 i m t 2 0 0 0 之后的第4 代移动通信研究的概念、需求与基本框架研究，并将把第4 代移动通 信系统列入将于2 0 0 3 年启动的欧盟“第六框架研究计划”。日本总务大臣的咨询机构信 息通信审议会专门委员会早在2 0 0 1 年6 月1 5 日就完成了继第3 代移动通信系统“i m t - 2 0 0 0 ” 之后的第4 代移动通信系统框架建议。韩国有关运营商和通信研究所e t r i 也向政府提出了 相应的有关第4 代移动通信研究计划。在我国，一个名为未来通用无线环境技术( f u t u r e ) 的第4 代移动通信己被正式列入国家八六三“十五”研究计划，并于2 0 0 2 年正式启动。 在i t u ，有关b e y o n di m t - 2 0 0 0 的概念与需求研究于1 9 9 9 年就被首次列入了议事日程， 2 0 0 1 年1 0 月在东京进行的i t u rw p 8 f 会议上，己收到较多有关b e y o n di m t - 2 0 0 0 的研究 提案，并初步明确了b e y o n di m t - 2 0 0 0 研究的如下基本框架：b e y o n di m t - 2 0 0 0 是指广泛用 于各种电信环境的无线系统的总和，包括蜂窝、固定无线接入、游牧( n o r d i c ) 接入系统等。 b e y o n di m t - 2 0 0 0 的能力将含盖并远远超出i m t - 2 0 0 0 系统及与其进行互连的无线系统的能 力，含盖了目前的 m t - 2 0 0 0 、无线接入、数字广播等系统的能力，并将新增两个部分，即 支持约1 0 0 m b p s 的蜂窝系统和支持高达l g b p s 以上速率的游牧和本地无线接入系统等。国 际电信联盟( t h ei n t e r n a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o n su n i o n ，i t u ) 给出的有关b e y o n di m t 2 0 0 0 研究时间表中，其总体目标及远景已于2 0 0 2 年6 月完成，于2 0 0 5 2 0 0 6 年左右进行频谱规 划，2 0 1 0 年左右完成全球统一的标准化工作，2 0 1 2 年之后开始商用。 2 中国科学技术大学博士论文 第1 章绪论 综上所述，目前国际上有关第4 代移动通信技术的研究还处于初期阶段，其基本需求、 核心技术还处于萌芽阶段。但较为明确的一点是，第4 代移动通信的实用期定在2 0 1 2 年。 这符合移动通信技术每1 0 年产生一代新体制的发展规律，见图1 - i 。 受 罡 1 9 9 71 9 9 81 9 9 92 0 0 02 0 0 i2 0 0 2 2 0 0 5 2 0 1 0 图1 - 12 g 4 g 移动通信系统的发展 物理层传输技术的突破是b 3 g 4 g 移动通信系统实现的个关键因素。与3 g 系统相比， 下一代移动通信系统具有以下的特点”。3j ：首先，数据传输速率更快：下一代移动通信系统 所要支持的多媒体业务，如多方视频会议，虚拟演播室和移动个人通信网( p e r s o n a la r e a n e t w o r k ，p a n ) 等，需要高达8 0 m l o o m b p s 的数据传输速率。其次，工作频段更高：无线频 段是一种有限的资源，现有的绝大多数地面无线通信系统工作在3 g h z 以下的频段内。因为 4 g 系统的传输带宽远大于已有的系统，同时考虑到避免频段的碰撞，在w o r l d r a d i o c o m m u n i c a t i o nc o n f e r e n c e2 0 0 0 ( w r c ，2 0 0 0 ) 会议上，为4 g 系统分配了5 g h z 和6 0 g h z 两个主要频段。最后，移动速度更快：4 g 通信系统要求在运动速度高达2 5 0 k m h 的环境中， 实现高速的数据传输。 1 3 中国在下一代无线通信技术方面的研究状况 近年来，移动通信已成为我国通信领域最具活力的产业之一。统计数据表明4 ，”，截止 2 0 0 5 年6 月底，我国移动电话用户已超过3 6 3 亿户，年产值约为3 0 0 0 亿人民币，成为全球 规模虽大的移动通信市场。值得注意的是。除传统话音业务外的其它业务发展迅速。例如， 仅移动短信业务量2 0 0 5 年上半年就累计达到11 4 7 8 亿条。比上年同期增长3 9 6 。到2 0 0 5 年底，s p 增值服务市场总规模达到1 l o 7 亿元，其中短信为4 7 4 亿元。多媒体发展也非常 中国科学技术大学博士论文第1 章绪论 快，截止2 0 0 3 年年底时，彩信用户数量1 5 0 万，全年发送消息总量为1 5 亿条，月平均增 长率一直保持在2 0 以上，市场总规模约为2 亿元。到2 0 0 4 年彩信市场迎来了空前的发展。 据央视国际消息，2 0 0 4 年春节期间各大网站的彩信发送量都有了强势的增长：搜狐春节期 间彩信发送量达到平日5 倍以上，而新浪的彩信日平均发送量也比平时翻了l o 倍。彩信为 移动增值业务增添了新的亮点。到2 0 0 4 年5 月，随着彩信网络的三期工程的建立，彩信逐 渐进入了高速的发展阶段，2 0 0 4 年彩信市场份额达到6 5 8 亿元。2 0 0 5 年，彩信市场进一步 增长到1 0 亿元的规模。3 g 时代即将到来，而作为与3 g 息息相关的一种应用，彩信牵动的 实际上是整个3 g 产业的神经。可以预见，在3 g 时代，彩信等多媒体业务将会得到更大的 发展与应用，类似的或者需要更大带宽的其它多媒体业务将层出不穷。到b 3 4 4 g 时代，无 线宽带业务将迎来前所未有的发展浪潮，从而极大地推动宽带无线通信技术的高速发展。 在国家“8 6 3 计划”和信息产业部移动通信专项基金等方面的支持下，我国在第三代移动 通信系统研究开发方面取得了巨大的进展，掌握了一大批核心技术，完成了w c d m a 和 c d m a 2 0 0 0 - - 1 x 现场试验和商用系统的研制，并提出了拥有自主知识产权的第三代移动通 信标准t d s c d m a 。为了进一步缩小与发达国家在移动通信技术上的差距，国家适时启 动了下一代移动通信技术( 4 g ) 的研究计划，即“f u t u r e 计划”。使我国在未来移动通信领域 的基础研究与国际同步发展，同时也使我国在该领域的研究与全球第一大移动通信市场的地 位相适应。 根据“十五”8 6 3 通信技术主题战略发展报告的要求，“f u t u r e 计划”将面向未来5 至1 0 年无线通信领域的发展趋势和需求，研究4 g 蜂窝通信网络结构，空中接口技术，无线资源 调配方式，建立相关关键技术验证系统，支持面向未来的无线通信新业务，对形成下一代无 线与移动通信知识产权和体制标准做出较大贡献，最终使我国移动通信技术研究与国际先进 水平同步发展，为实现未来移动通信产业的跨越式发展刨造条件。 具体而言，“f u t u r e 计划”的研究内容包括三个层面：第一，研究面向4 g 的蜂窝通信 技术，在快速移动环境下，峰值速率达到1 0 0 m b i t s 以上；第二，研究区域性的无线接入技 术，在静止或慢速移动环境下峰值速率达到1 g b i t s ；第三，研究高空平台无线通信技术， 峰值速率达到1 0 g b i t s 。“f u t u r e 计划”应能够把三个层面的研究内容相互融合，形成一个 面向未来的无线通信环境。整个“f u t u r e 计划”的研究开发将分三个阶段进行实施。从2 0 0 1 年1 2 月至2 0 0 3 年1 2 月，开展b e y o n d3 g 4 g 蜂窝通信空中接e l 技术研究，完成b e y o n d 3 g 4 g 系统无线传输系统的核心的硬、软件研制工作，开展相关传输实验，向i n j 提交有 关建议。从2 0 0 4 年1 月至2 0 0 5 年1 2 月，使b e y o n d3 g 4 g 空中接口技术研究达到相对成 熟的水平，进行与之相关的系统构造技术研究，完成联网试验和演示业务的开发，建成具有 b e y o n d3 g 4 g 技术特征的演示系统，具备向i t u 提交初步的下一代无线通信体制标准的条 4 中国科学技术大学博士论文第1 章绪论 件。从2 0 0 6 年1 月至2 0 1 0 年1 2 月，设立有关重大专项，完成通用无线环境的体制标准研 究及其系统实用化研究，开展较大规模的现场试验。 与此同时，国内些相关企业和机构也从产业发展及核心竞争力提升的需求出发，展开 了下一代无线通信系统及关键技术的研究。中兴通讯作为国内通信行业的顶级企业，长期从 事无线通信的系统开发及其关键技术的研究，先后研发出g s m 、c d m a 、c d m a 2 0 0 0 、 w c d m a 、t d s c d m a 、b w a 等大型系统网络，并投入运营；参与了国家“8 6 3 ”重大课题 “w c d m a 下行链路的研究”，在此基础上，及时启动了下一代无线通信系统关键技术研 究工作。第一阶段的研究工作主要集中在无线空中接口关键技术的研究方面。目标是在软 件和实验系统中验证，在移动无线蜂窝环境中，研究基于全i p 分组网络架构的、自适应的、 多天线o f d m 宽带移动传输系统关键技术的性能，并为下一代无线通信系统的研发提供必 要的技术依据。 1 4 部分关键技术介绍 在高速移动通信系统中，由于无线频谱资源十分有限，因此，如何提高频谱效率或者如何 j 增加容量、克服信道衰落、提高功率效率等关键问题，一直是人们关注的焦点。在空中接口 方面，为了在有限的资源配置下提高系统通信容量，人们提出了各种复用接入方式：时分复 用( t d m a ) 、频分复用( f d m a ) 、码分复用( c d m a ) 、空分复用( s d m a ) 及上述方 式的组台。多个天线的系统通过灵活多样的设计方式，可以在系统通信容量和质量提高、频 谱及功率利用率等方面得到显著的改善，成为无线通信领域的研究热点。特别是f o s c h i n i 等1 6 1 证明了在瑞利衰落下，多天线系统的容量将随着天线个数的增加( 发射天线数与接收天线数 中的最小数e 1 ) 呈线性增加，这个结论为多天线系统的研究指明了方向。 在无线通信中，多天线主要包括两类：第一类是智能天线，它能实时地跟踪有效信号方 位，同时最大程度地抑制其它方向上的干扰。一般认为，它要求天线阵元之间的距离小于半 个波长，以便每个阵元上的信号相关。该技术主要利用了信号在空间传播的方向性，属于空 间滤波的范畴。第二类是分布式天线，即天线阵元间隔很大，每个阵元上的接收信号可以认 为是相互独立的。由于信道特性可以得到很大的改善，所以最初目的是为了提高天线覆盖的 范围。其中很重要的一种分布式天线研究思路是基于多入多出( m i m o ) 7 , g l 的概念。 在宽带无线通信中，另一个研究热点是自上世纪9 0 年代兴起的正交频分复用( o f d m ) 技 术，这种传输技术具有良好的频带利用率和克服码间干扰的特性。目前欧洲数字视频广播系 统( d v b 2 t ) 、无线局域网fi e e e s 0 2 1l x ，h i p e r l a n p 2 ) 等一些高速无线系统已经采用其作为 标准传输方式，通过采用高阶调制方式( 如6 4 q a m ) ，在8 m h z 的带宽内已经能达到5 4 m b p s 的 中国科学技术大学博士论文 第1 章绪论 传输速率。 将上述两种技术结合在一起，兼得两者的好处，是近期研究的个方向。 在实际应用方面，例如3 g p p 中确定t h s d p a 演进的3 个阶段中，就明确提出使用m i m o 和o f d m 等技术： ( 1 ) 第一阶段：基本h s d p a 。引进了一些新的基础特性以获得1 0 8 m b p s 峰值数据速率。 这些特性包括：由控制信道支持的高速下行共享信道、自适应调制( q p s k & 1 6 q a m 等) 和 速率匹配以及n o d eb 的共享媒体高速访问控制f m a c h s ) 。 ( 2 ) 第二阶段，增强h s d p a 。引入天线阵列处理技术以提高峰值数据速率达到3 0 m b p s 。引 入的新技术主要包括：面向单天线移动通信采用基于波束成