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未来移动通信中的非对称传输技术研究 摘要 随着通信系统的不断发展，高速数据业务在未来移动通信系统中 占有越来越大的比重，高速数据业务具有上下行传输速率不对称的显 著特点。不仅如此，随着数据传输速率的提高，所需的发射功率也相 应提高，对人类和环境的影响也越来越大。本文的研究表明：在电磁 辐射限制下，上下行传输率也明显的非对称特性，上行链路的传输速 率是受限的，而下行链路的传输速率远远大于上行链路。 为了适应未来移动通信中的非对称传输特性，本文首先分析了时 分双工技术支持非对称传输时存在的问题。时分双工技术可以通过可 以根据业务的情况动态的调整上下行时隙的分配，从而灵活的为上下 行分配资源，但同时会带来交叉时隙干扰的问题。区别于目前分析的 比较透彻的t d d c d m a 系统交叉时隙干扰问题，本文分析了存在同步误 差时，t d d 0 f d m a 系统交叉时隙干扰问题并提出了基于隔离区域的解决 方案，该方案可以较好的控制交叉时隙用户的干扰，降低同步误差对 系统性能的影响。 论文第四章研究了支持非对称传输的频分双工技术。提出了非对 称频分双工a f d d ( a s y m m e t r i cf r e q u e n c yd i v i s i o nd u p l e x ) 技术的 概念：a f d d 系统根据业务的实际情况确定上行( 下行) 单位带宽，将 上行( 下行) 频率按上行( 下行) 单位带宽分成多个频点，所有上行 ( 下行) 频点组成上行( 下行) 频率池，每个小区根据业务的实际情 况，动态使用频率池中的频点。并分析了基于a f d d 技术的c d m a 系统 和o f d m a 系统性能，结果表明：a f d d 技术可以有效的提高系统容量， 节省频率资源。 关键字：非对称传输时分双工频分双工电磁辐射 r e s e a r c ho na s y m m e t r i c t r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g e yo ff u t u r e m o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，t h eh i g hd a t er a t e t r a f f i cp l a y sm o r ea n dm o r ei m p o r t a n tp a r ti nf u t u r ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m ， t h eh i g hd a t er a t et r a 衔ci sc h a r a c t e r i z e db yt h eu p l i n kr a t ei sa s y m m e t r i ct o d o w n l i n kr a t e f u r t h e r m o r e w i t hi n c r e a s eo ft r a n s m i s s i o nr a t e ，t h ep o w e ri s a l s oe n h a n c e da n dt h ei m p a c to nh u m a na n de n v i r o n m e n ti sg r o w i n g b y c a l c u l a t i o ni ts h o w st h a t ：u n d e rt h er e s t r i c t i o no fe l e c t r o m a g n e t i cr a d i a t i o n ， t h eu p l i n kt r a n s m i s s i o nr a t ei sl i m i t e d ；t h ed o w n l i n kr a t ei sm u c hh i g h e r t h a nt h a to fu p l i n k t oa d a p tt ot h ea s y m m e t r i cc h a r a c t e r i s t i co ff u t u r ec o m m u n i c a t i o n s y s t e m ，t h ep r o b l e mo ft d d ( t i m ed i v i s i o nd u p l e x ) t e c h n o l o g yw h e n s u p p o r t i n ga s y m m e t r i ct r a n s m i s s i o ni sa n a l y z e di nt h i sa r t i c l e t d dc a n a l l o c a t et h es l o to fu p l i n ka n dd o w n l i n kd y n a m i c a l l ya c c o r d i n gt ot r a f f i c c o n d i t i o n s b u ti ti n t r o d u c e st h ep r o b l e mo fc r o s s e dt i m e s l o ti n t e r f e r e n c e d i f f e r e n tf r o mt h et o p i co ft h ec r o s s e dt i m e s l o ti n t e r f e r e n c e i n t d d c d m as y s t e mw h i c hw a sw e l la n a l y z e d ，t h ed i s a d v a n t a g eo fc r o s s e d t i m e s l o ti n t e r f e r e n c ei nt d d o f d m as y s t e mi sa n a l y z e di nt h i sa r t i c l e a n dt h es c h e m eb a s e do ni s o l a t e da r e ai sp u tf o r w a r dt os o l v et h i sp r o b l e m w h i c hc a nc o n t r o lt h ei n t e r f e r e n c eo ft h ec r o s s e dt i m e s l o ta n dr e d u c et h e e f f e c tc a u s e db ys y n c h r o n i z a t i o ne r r o r s b e s i d e st d dt e c h n i q u e ，f r e q u e n c yd i v i s i o nd u p l e x ( f d d ) i sa l s o a n a l y z e di nt h i sa r t i c l e an o v e la f d d ( a s y m m e t r i cf r e q u e n c yd i v i s i o n d u p l e x ) t e c h n i q u ei sp u tf o r w a r di nt h i sa r t i c l e a f d da l l o c a t et h eu p l i n k ( d o w n l i n k ) b a n d w i d t ha c c o r d i n gt ot h es e r v i c ec i r c u m s t a n c e ，i td i v i d et h e u p l i n k ( d o w n l i n k ) f r e q u e n c yi n t os e v e r a lf r e q u e n c yp o i n t s ，a l lt h eu p l i n k ( d o w n l i n k ) f r e q u e n c yp o i n t sm a k eu pu p l i n k ( d o w n l i n k ) f r e q u e n c yp o o l ， e a c hc e l lu s et h ef r e q u e n c yp o i n t sd y n a m i c a l l ya c c o r d i n gt ot h ea c t u a l s e r v i c ec i r c u m s t a n c e t h ep e r f o r m a n c e o fa f d d c d m aa n d a f d d c d m as y s t e mi s a n a l y z e di n t h i sa r t i c l e ，i ts h o wt h a t ：a f d d t e c h n i q u ec a ni m p r o v et h es y s t e m sc a p a c i t ya n de f f i c i e n c yo ff r e q u e n c y i i i i e s o u r c e k e yw o r d s ：a s y m m e t r i ct r a n s m i s s i o n ，t i m ed i v i s i o nd u p l e x ，f r e q u e n c y d i v i s i o nd u p l e x ，e l e c t r o m a g n e t i cr a d i a t i o n i v 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽 我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：l 型邀 日期：丕! 里堕呈圈墨旦 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生 在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保留并向国家有 关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学 位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论 文。 ( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在年解密后适用本授权书。非保密论文注释： 本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名： 导师签名： r 期：圣! ：盛绸塑旦 日期：至兰翌星：墨：! 北京邮电大学硕上研究生论文 1 1 移动通信系统的发展 第1 章绪论 从贝尔实验室提出蜂窝移动通信概念至今，现代移动通信已经经历了三代系 统的演进历程，正在逐步实现从第二代移动通信( 2 g ) 向第三代移动通信( 3 g ) 的演 进，关于未来移动通信( b 3 g 和4 g ) 技术的研究也已经兴起。 一、第一代移动通信系统 第一代移动通信系统是使用模拟技术的蜂窝移动通信系统，采用频分多址 ( f d m a ) 方式，以北美的a m p s 、英国的t a c s 、北欧的n m t 等为典型代表。第 一代模拟制式移动通信系统如表1 1 所采1 1 。 表1 1 第一代模拟制式移动通信系统 制式引入时双工多址接入频谱位置信道带应用区域 间( m h z ) 宽 ( k h z ) n t t1 9 7 9f d df d m a4 0 0 8 0 02 5 日本 n m t - 4 5 01 9 8 lf d df d m a4 5 0 4 7 02 5北欧4 国 a m p s 1 9 8 3 f d df d m a 8 2 4 8 9 43 0北美 e t a c s 1 9 8 5f d df d m a 9 0 0 2 5英国 c 4 5 0 1 9 8 5 f d df d m a 4 5 0 4 6 52 0 1 0西德、葡萄 牙 n m t - 9 0 01 9 8 6f d df d m a8 9 0 9 6 01 2 5北欧4 国 j t a c s1 9 8 8f d df d m a8 6 0 9 2 52 5 日本 n a m p s1 9 9 2f d df d m a8 2 4 8 9 43 0 北美 模拟通信系统首次实现了真正意义上移动条件下的双向语音通信。但其也存 在诸多的问题，如：频率利用率低、能提供的业务种类有限、保密性差、移动设 备成本高体积大、网络管理控制能力有限等。另外，由于各个国家只在某些大城 市实现了有限的网络覆盖，因此也很难实现真正意义上的随时随地的通信。 二、第二代移动通信系统 在第一代模拟蜂窝移动通信发展的基础上，2 0 世纪8 0 年代末9 0 年代初，人 们又相继提出了各种第二代移动通信技术。第二代移动通信系统是以数字传输、 时分多址或码分多址( c d m a ) 为主体技术，制定了更加完善的呼叫处理和网络 l 北京邮电大学硕士研究生论文 管理功能，克服了第一代系统的不足之处，可与窄带综合业务数字网( n i s d n ) 相兼容，所以比起第一代移动通信系统有着明显的优越性。 2 g 数字移动通信系统与第一代模拟通信系统相比，具有更高的频谱利用率， 有利于提高系统容量；能够提供多种业务服务，除了可以传送语音外，还可传送 数据业务，如传真和分组的数据业务等等，提高了通信系统的通用性；由于在数 字通信网络中无论语音、图像或是数据，其信息形式都是“二进制数字”，所以2 g 抗噪声，抗干扰和抗多径衰落的能力强；出现多个具有世界影响力的标准，制式 标准逐步统一到少数几个标准；多址接入技术包括t d m a 和c d m a ；传输采用电 路交换和分组交换；支持漫游功能；在c d m a 系统中引入话音激活和软切换的技 术；市场规模巨大，用户群落分布广泛，从低端到高端，覆盖用户群越来越大； 移动通信系统已经发展成为跨洲、跨国覆盖的广域网，服务质量非常高，系统结 构也越来越复杂【2 1 。 2 g 系统主要有欧洲的g s m 和北美的c d m a o n e 以及日本的p d c ，其中g s m 和p d c 使用的是t d m a f d d 系统，c d m a o n e 使用的是c d m a f d d 系统。事实 上，除了日本的p d c 以外，其它的2 g 商用系统都已经打破了地域的藩篱，在世 界各地交错分布，经常是在同一个城市会有两种系统并存。g s m 目前占据了全球 最大的商业市场。 在2 g 时代，移动通信系统真正意义上实现了最初的理想：无论何时何地均可 实现便捷的通信。全球用户已经达到了2 0 亿左右，许多发达国家的市场渗透率已 经超过5 0 甚至达到6 0 以上，但是在很多发展中国家仍然有广阔的增长空间。 用户对移动通信系统的需求也不局限于传输语音，无线上网、彩信、音乐等数据 传输开始逐渐显现出其业务价值。在很多用户密度高的地方，2 g 系统已经出现了 频率资源紧缺、数据传输能力较低的问题。2 0 世纪9 0 年代中期，人们将目光转向 第三代移动通信系统( 3 g ) 的研发。 需要说明的是，在2 g 移动通信系统向3 g 演进的过程中，还存在一些过渡型 的移动通信系统，如g p r s g s m 、e d g e 和i s 9 5 b 等，这些移动通信系统被称为 2 5 g 移动通信系统，目的是为了提高2 g 移动通信系统的数据传输能力。 三、 第三代移动通信系统 随着用户的不断增长和数字通信的发展，第二代移动电话系统逐渐显示出它 2 北京邮电大学硕士研究生论文 的不足之处。首先是频带太窄，不能提供如高速数据、移动视频传输和多媒体等 的各种宽带信息业务；其次是g s m 虽然号称“全球通”，实际未能实现真正的全 球漫游，尤其是在移动电话用户较多的国家如美国，日本均未得到大规模的应用。 而随着科学技术和通信业务的发展，需要的将是一个综合现有移动电话系统功能 和提供多种服务的综合业务系统，所以国际电联要求在2 0 0 0 年实现商用化的第三 代移动通信系统，即i m t - 2 0 0 0 ，它的关键特性有【3 】： ( 1 )包含多种系统； ( 2 ) 世界范围设计的高度一致性； ( 3 ) im t - 2 0 0 0 内业务与固定网络的兼容； ( 4 )可以实现高质量的图像、视频等的多媒体通信； ( 5 ) 世界范围内使用小型便携式终端。 先后有1 0 种标准被国际电联采纳。但这些标准在标准化过程中，有的逐渐消 亡，有的归并到其它标准中。最后形成具有代表性的三大标准：北美的c d m a 2 0 0 0 系统，欧洲的w c d m a 系统，和中国的t d s c d m a 系统。 采用c d m a 技术可以很好地实现i m t 2 0 0 0 所规划的性能要求，因此3 g 系统 中，主流的移动通信系统即使是存在高通专利威胁地情况下，仍不约而同地采用 了c d m a 作为接入技术的核心方案。3 g 移动通信系统一般是多种接入方式的组 合使用【4 】【5 1 。 第三代移动通信系统旨在实现宽带和多业务需求，要求不仅能提供高质量的 语音业务，而且能提供高速率的数据传输业务。根据i m t 2 0 0 0 的相关标准，第三 代移动通信系统的数据传输速率，在静止情况下能达到2 m b i t s ，在低速情况下达 到3 8 4 k b i t s ，在高速情况下达到1 4 4 k b i t s 。 总而言之，3 g 系统对2 g 系统的改进主要体现在三个方面： 无线接入技术大带宽系统； c d m a 技术引入了t d d 的双工方式； 核心网技术 核心网是3 g 发展的另外一个重要环节。3 g 核心网经历了电路交换加分组交 换，再到全i p 交换的演进过程。它的目标是使未来的3 g 系统能够更方便地使用 互联网的丰富的业务资源。 北京邮电大学硕士研究生论文 四、第四代移动通信系统 大约在2 0 0 0 年左右，研究人员的工作重点开始向第四代移动通信系统( 4 g ) 转移，也有人将其称为超三代( b e y o n d3 g ，b 3 g ) 。在欧盟的第六框架计划、日 本、韩国的总体科研规划中，4 g 的研发和标准化得到了高度重视。在我国，科技 部的8 6 3 项目和自然基金委员会都对4 g 给予了强有力的支持。 目前的研究成果表明4 g 的基本轮廓将是人们期望4 g 系统能在以下方面有更 大的突破，比3 g 系统有更大的提高： 支持全i p 的传输能力，以便与其它异构网络体系的联通 具有更高的传输能力。在2 0 m h z 的频宽上希望能够传输1 0 0 m b p s 以上的 业务 所有的业务都在一个传输平台中完成 4 g 系统提高无线传输能力主要依靠两种传输技术：正交频分多址接入技术 ( o f d m a ) 和多入多出空间技术( m i m o ) 。 o f d m 技术因为能有效地消除符号间干扰而受到人们的重视。o f d m 即正交 频分复用，是多载波调制技术的一种，o f d m 技术通过子载波的动态分配而具有 均衡和抗干扰的能力。特别适合于高速无线数据传输。另外o f d m 是一种子载波 相互混叠的多载波调制技术，具有更高的频谱利用率。 另一项将在4 g 中获得广泛应用的技术是m i m o ( 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 ) ，它能够利用无线环境中的多径现象，通过空域资源的复用或者空域分集 得到传输容量的极大提高。对于空间域资源的利用是4 g 系统与其它无线通信系统 的标志性差异。 可以肯定，未来4 g 系统所承载的信息总量将远远超过3 g 系统。在4 g 系统 中，需要关注的问题不仅是如何提高传输速率，还应包括如何对巨量信息的传输 进行管理、控制。高速、海量信息传输环境是一个复杂的信息处理系统，需要对 其中的每一个环节进行控制，才能使整个系统高效地运转，没有可靠的资源控制 技术，整个系统的资源很多消耗在相互干扰上，造成容量下降，或者阻塞率升高 或者掉话率升高，因此，4 g 系统中的无线资源管理将对系统性能有着重要影响【6 1 。 4 北京邮电人学硕士研究生论文 1 2 未来移动通信对非对称传输的需求 从上一节移动通信发展的进程中，可以看出：未来移动通信网络与计算机网 络的联系将越来越紧密，高速数据业务在未来移动通信系统中占有的比重将越来 越大。而高速数据业务具有这样的特点：上下行链路传输的非对称特性。包括( 1 ) 传输总量的非对称特性，即上行的单向传输总量小于下行的单向传输总量，( 2 ) 上下行的最大传输速率的非对称特性，上行链路的最大传输速率小于下行最大传 输速率，下行链路的速率变化范围大于上行，也就是说消费者对于下行的传输速 率要求越来越高。这就是由业务引起的上、下行链路信息传输的非对称特性，称 之为业务非对称( s e r v i c ea s y m m e t r i c ，s a ) 。 此外，从移动通信系统对人体产生的电磁辐射角度来看，未来移动通信系统 的上下行链路也呈现非对称特性。着眼于电磁辐射安全，无论是基站还是移动台 都不能任意增加发射功率。数据传输速率越高，对应的发射功率越大。假设上下 行使用基本相同的发射、接收技术来传输同样速率的业务，它们的发射功率可近 似认为相同，移动台距离人体较近，而基站距离人体一般都在五十米到几百米以 上，可以证明【_ 7 】移动台对人体的辐射比基站高很多，因此移动台对于使用高速率的 业务有更大的敏感性或限制，它对发射功率的要求比下行( 基站侧) 更加严格。 可见，在人体安全范围内，下行( 基站侧) 可以传送比移动台更高、而且是高得 多的信息速率，即下行可以有更大的速率变化范围，称这种非对称特性为电磁非 对称( e l e c t r o m a g n e t i ca s y m m e t r y , e a ) 。 根据信息论，移动通信系统单向链路的业务承载能力与它能够使用的单载波 和总的载波频宽是成正比的。因此为了适应上下行链路的非对称特性，就需要根 据单向链路的业务承载情况，来设定上下行链路的资源分配，包括频率资源和天 线资源等等。 而双工技术则是实现通信系统上下行资源分配的关键技术，移动通信系统使 用的双工技术主要有两种：频分双工( f d d ) 和时分双工( t d d ) 两种。频分双 i ( f d d ) ，操作时需要两个独立的信道，一个信道用于传送下行( 基站到移动台) 信息，另一个信道用来传送上行( 移动台到基站) 信息。两个信道之间存在一个 保护频段，用于防止邻近的发射机和接收机之间产生相互干扰。时分双i ( t d d ) ， 只需要一个信道，无论向下还是向上传送信息都采用这同一个信道。t d d 系统的 北京邮电大学硕士研究生论文 发射机和接收机在不同时隙进行发送和接收操作，它们之间不会产生相互干扰。 目前针对未来移动通信的非对称传输特性，已经提出了一些方案。文献 8 1 0 】 中提到的静态非对称f d d 是根据统计意义上的业务非对称特性，为上下行分配不 同的资源，一个上行频点对应一个下行频点，而且上下行频点之间的对应关系固 定。这种方法只是简单的为上下行分配不等的频率资源，并未考虑小区中业务的 特点，如有的小区主要以语音等对称性业务为主，有的小区以多媒体等非对称业 务为主，有的小区白天以语音等对称性业务为主，晚上以多媒体等非对称业务为 主。因此这种方案无法有效地适应瞬态非对特性和对称特性。要么造成上行链路 拥塞，要么下行链路闲置，与未来移动通信系统追求的高效频率利用率背道而驰。 本文依托国家自然科学基金项目“新型非对称频分双工传输技术的研究”。论 文作者作为项目主要完成者完成了未来移动通信系统非对称特性的分析，提出了 同步误差对t d d o f d m a 系统中交叉时隙性能影响的分析，并解决方案，设计了 一种新型的双工方案a f d d ，完成了a f d d c d m a 、a f d d o f d m a 系统设计及 性能分析。 1 3 论文结构 本文第一章绪论主要介绍了研究背景和移动通信系统的发展，引出本文的研 究重点一未来移动通信中的非对称传输技术研究。第二章介绍了未来移动通信系 统的非对称特性，包含业务非对称和电磁非对称，以及未来移动通信系统中 m i m o 、o f d m 、软件无线电等关键技术。第三章分析了t d d 非对称传输技术下 t d d o f d m a 系统存在的问题，主要是对同步误差的敏感问题的分析，包括频率 同步误差、符号同步误差、样值同步误差，进而提出了一种基于隔离区域的解决 方案。第四章介绍了f d d 非对称传输技术，提出了一种根据上、下行链路的非对 称特性灵活的分配上、下行资源的新型非对称频分双工方案( a f d d ) ，并设计了 a f d d 下的频率间隔问题的解决办法。第五章对全文进行了概括性的总结，并给 出了未来工作展望。 6 北京邮电大学硕士研究生论文 1 4 论文创新点 一、针对未来移动通信系统的特点，论文第二章分析了未来移动通信非对称 特性的概念，它不仅包括由业务特性引起的上下行传输的非对称，而且包括在电 磁辐射影响限制下上下行传输速率的非对称。本论文的研究结果表明：在一定电 磁辐射约束的前提下，移动通信系统的下行链路的传输速率远远大于其上行链路 传输速率，单用户的上行链路更容易达到传输能力饱和，上下行链路的传输能力 具有显著的非对称特性。因此，考虑电磁环境与健康的限制条件的单用户的上下 行链路容量的非对称性也将成为未来移动通信系统的显著特点。 相应文章发表于电信科学2 0 0 7 年第1 期“电磁辐射对移动通信系统影响的 研究”、p r o g r e s si ne l e c t r o m a g n e t i c sr e s e a r c hs y m p o s i u mi np r a g u e2 0 0 7 “r e s e a r c ho n a s y m m e t r i cc h a r a c t e r i s t i c so fm o b i l ec o m m u n i c a t i o n ss y s t e mb a s e do ne l e c t r o m a g n e t i c r a d i a t i o n ”。 二、针对t d d 系统非对称传输交叉时隙干扰的问题，论文第三章分析了载波 同步误差、样值同步误差和符号同步误差对t d d o f d m a 交叉时隙性能的影响。 分析结果表明：频率同步误差、样值间隔偏差会影响交叉时隙的信干比，而样值 定时误差和符号同步误差不会影响交叉时隙的信干比。 本文从交叉时隙干扰的特点出发，根据基站到移动台距离与两个交叉时隙移 动台之间距离之比必须大于某一个目标值，采用理论公式推导，提出了一种基于 隔离区域的解决方案，可以较好地控制同步误差对交叉时隙性能的影响，降低同 步误差对系统性能的影响。 其相应论文同步偏差对t d d o f d m a 交叉时隙性能影响分析及解决办法 己投稿电子学报。 三、针对传统f d d 应用于非对称传输时频带利用率低的问题，结合适应未来 移动通信系统的新型自适应双工方案一非对称频分双工a f d d ( a s y m m e t r i c f r e q u e n c yd u p l e xd i v i s i o n ) ：a f d d 系统根据业务的实际情况确定上行( 下行) 单 位带宽，将上行( 下行) 频率按上行( 下行) 单位带宽分成多个频点，所有上行 ( 下行) 频点组成上行( 下行) 频率池，每个小区根据业务的实际情况，动态使 用频率池中的频点。分析了a f d d c d m a ，a f d d o f d m a 系统性能。分析表明： a f d d 系统不仅继承了f d d 系统鲁棒性好、覆盖面积广等优点；同时又具备一定 7 北京邮电大学硕士研究生论文 的t d d 系统的灵活性，它可以灵活的适应未来业务非对称的特性，根据上、下行 链路的非对称特性动态的分配上、下行资源，提高了频带利用率。 相应内容发表于( ( t h ej o u r n a lo fc h i n au n i v e r s i t i e so fp o s t sa n d t e l e c o m m u n i c a t l 0 n s 2 0 0 6 年第4 期“r e s e a r c ho nt h en o v e la s y m m e t r i c f r e q u e n c yd i v i s i o nd u p l e xt e c h n i q u e ”、通信学报2 0 0 7 年第5 期“一种适应未来移 动通信系统的新型动态双工技术方案”。 1 s 本章小结 本章主要介绍了研究背景和移动通信系统的发展。从贝尔实验室提出蜂窝移 动通信概念至今，现代移动通信已经经历了三代系统的演进历程。2 g 与1 g 相比 提高了频谱利用率和系统容量，提高了通信系统的通用性。但是在很多用户密度 高的地方，2 g 系统已经出现了频率资源紧缺、数据传输能力较低的问题，因此3 g 系统应运而生。人们希望3 g 的移动通信系统应当消除2 代系统的不兼容性，能够 实现多媒体通信。现在，研究人员的工作重点开始转向第四代移动通信系统，4 g 支持全i p 的传输能力，所有的业务都在一个传输平台中完成，未来4 g 系统的传 输速率与3 g 系统相比会有质的飞跃。 而在4 g 系统中高速数据业务将占越来越大的比重，因此介绍非对称传输技术 在未来移动通信中的必要性，我们认为非对称双工技术的研究对提高系统性能有 着重要的意义。 参考文献 1 韦惠民，李白萍编著蜂窝移动通信技术 m 】西安电子科技大学出版社，2 0 0 2 2 】陈南阳简述g s m 移动通信系统与移动电话性能测试 j 】移动通信，2 0 0 4 ，7 【3 】刘亚娇多业务蜂窝移动通信系统中切换技术的研究 d 】北京邮电大学硕士 论文，2 0 0 5 【4 】郎为民w c d m a 标准化进展【j 】网络通信2 0 0 6 ，l 2 期 5 】王卫东等第三代移动通信系统设计原理与规划 m 电子工业出版社，2 0 0 7 【6 】张英海自适应双工技术研究【d 】北京邮电大学博士学位论文，2 0 0 7 7 】w a n gw e i d o n g ，z h a n gy i n g h a i ，z h o uk a i j i e ，z h a n gh e n g ，r e s e a r c h o n 北京邮电大学硕士研究生论文 a s y m m e t r i c c h a r a c t e r i s t i c so fm o b i l ec o m m u n i c a t i o n ss y s t e mb a s e do n e l e c t r o m a g n e t i cr a d i a t i o n c p r o g r e s si ne l e c t r o m a g n e t i c sr e s e a r c hs y m p o s i u m 2 0 0 7 ，p r a g u e 【8 】r i k k i n e nkw i l d e yc w c d m as c e n a r i o s f o r2 5 g h zi m t - 2 0 0 0e x t e n s i o nb a n d s u p p o r t i n ga s y m m e t r i cf r e q u e n c ya l l o c a t i o n a 3 gm o b i l ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g i e s ，2 0 0 3 3 g2 0 0 3 4 t hi n t e r n a t i o n a lc o n f e r e n c e c 2 0 0 3 2 9 4 - 2 9 8 【9 】s c h w a r zu ，r i k k i n e nkm u s z y n s k ip r a d i or e s o u r c em a n a g c m e n ts o l u t i o nf o r w c d m af d ds y s t e mw i t ha s y m m e t r i cu l d lc a r r i e ra l l o c a t i o n a 】p e r s o n a l ，i n d o o ra n d m o b i l er a d i oc o m m u n i c a t i o n s ，2 0 0 3 p i m r c2 0 0 3 1 4 t hi e e ep r o c e e d i n g s c 2 0 0 3 1 4 8 1 1 4 8 4 【1 0 3 g p p ，f e a s i b i l i t ys t u d yc o n s i d e r i n gt h ev i a b l ed e p l o y m e n to fu t r ai na d d i t i o n a la n d d i v e r s es p e c t r u ma r r g e m e n t s s 3 g p p t r2 5 8 8 9v 6 0 0 9 北京邮电大学硕士研究生论文 2 1 引言 第2 章未来移动通信系统的特点 近年来，移动通信技术的发展非常迅速，在3 g 商用化进程逐渐加快的同时， 未来高速移动通信系统( 4 g ) 的应用也已经被提上议事日程。未来移动通信系统 的最显著的新特性是具备高的用户比特速率，高的比特率自然为一些新的业务提 供了方便，例如可视电话和快速下载数据等。各种先进的信号处理技术被提出， 如：m i m o 、o f d m 、认知无线电等以实现未来移动通信系统中的高速率的数据传 输 从上下行链路的角度来看，未来移动通信将呈现显著的非对称特性。首先从 消费者对于消费心理、习惯、资费和便捷性等诸多方面的综合考虑来看，移动用 户的上行数据传输需求无论是从种类上、传输能力上都无法与下行( 基站端) 相 比。同时移动通信网络与其它网络，特别是互联网的结合日益紧密，也提高了用 户对下行的数据传输的需求，由此就导致了上下行链路信息传输的非对称特性。 其次从电磁辐射的角度来看，随着人们对移动通信的认识的深入以及移动通信应 用规模的扩张，人们将不可避免地重新评估移动通信在信息化社会中的作用和影 响，电磁辐射的影响将成为包括移动通信在内的无线通信之“阿喀琉斯之踵，而 且正在成为影响移动通信研究和设计不可忽视的一个重要因素。 本章首先介绍了未来移动通信系统中的关键技术：m i m o 、o f d m 、认知无 线电，其次从业务特性和电磁辐射角度分析了未来移动通信中非对称传输特性， 分析结果表明：移动通信系统的下行链路的传输速率远远大于其上行链路传输速 率，单用户的上行链路更容易达到传输能力饱和，上下行链路的传输速率具有显 著非对成特性。 2 2 未来移动通信系统中的关键技术 2 2 1 多入多出( 川m 0 ) 天线系统 m i m o 系统就是指在发送端和接收端同时都采用了多个天线的无线通信系 统，如错误! 未找到引用源。所示。实际上，这个概念的背后隐含着如下三个方 l o 北京邮电大学硕十研究生论文 面的含义【i 】： 多个输入天线，多个输出天线。 在发送端将数据流转化为并行多路输入，在接收端将收到的并行数据转化 为单路输出。 更高的数据速率，更高的频谱利用率。 串一 并 2 2 1 1m i m o 系统容量分析 并一 串 对于传统的单入单出( s i s o ) 系统，由香农公式1 1 ，容量可由下式表示： g 脚= l 0 9 2 ( 1 + p i h l 2 ) b s h z ( 2 - - 1 ) 其中h 是一个固定无线链路的归一化复数增益，p 是在接收天线端的信噪比 s n r 。如果在接收端用多个天线，假设为个，我们就可以得出单入多出( s i n g l e i n p u tm u l t i p l eo u t p u t ，s i m o ) 系统的容量为【2 】： _ 1 0 9 2 ( 1 + p 孙1 2 ) b j 慨 ( 2 - 2 ) 其中h ，是接收天线i 的增益。从上式我们可以看出，如果我们增大，也就是 增加接收天线的个数，容量c 会相应增长，以对数速度增长。 同样道理，如果我们在发送端采用多个发送天线( m 个) ，我们这里先假设发 送端不知道信道状况( c h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n ，c s i ) ，而采用等功率发射，且总 功率保持恒定，那么我们也可以得出多入单出( m u l t i p l ei n p u ts i n g l eo u t p u t ，m i s o ) 系统的理论容量： _ 1 0 9 2 ( 1 + 缶蔷l 柏b s h z ( 2 _ 3 ) 北京邮电大学硕士研究生论文 可以看出，在上式中系统容量是随着发送天线数目m 的对数增长。 下面考虑在发送端和接收端同时采用多个天线，也就是m i m o 系统的容量。 我们假设m 个发送天线等功率发送，个接收天线，我们可以得出m i m o 系统的 理论容量【z j ： c e e 2 l 。9 2 d e t ( i + 肘t - h h r ) 】6 s 尼( 2 4 ) i 材是m n 的单位矩阵，h 是m 的信道传输矩阵，( ) r 代表矩阵的厄密 转置。理论可以证明，上式所代表的容量是随着m i n ( m ，) 呈线性增长的。考虑到 对数函数和线性函数的增长特性，m i m o 系统与s i m o 、m i s o 和s i s o 系统相比， 容量有了很大的提高。 2 2 1 2m im 0 主要技术 现在m i m o 的传输技术可以大致分为两类：复用和分集。第一类是复用，它 充分利用空间特性，致力于在一定的误码率前提下信道中传输更高的数据速率， 比如b l a s t 系统；第二类与第一类不同，它的目的是消除无线链路中由于多径、 衰减等带来的负面影响，而致力于提高链路的可靠性。它是通过增加多个发送天 线所发送数据间的冗余来达到这个目的的，一个极端情况就是，发送信号完全相 同，这样整个链路的速率与s i s o 相同，多个天线只是起了一个增加空间分集的作 用而不是用来提高通信速率。 2 2 1 2 1v 二b l a s t 复用的一个典型的例子就是美国贝尔实验室提出的v b l a s t 系统【引，下面 简单介绍一下v - - b l a s t 系统。如图2 1 所示，b l a s t 通过将原始数据流分成 不同的子数据流，通过一个发射天线阵同时发送这些并行的数据来实现高速率的 数据传输。所有的数据是通过不同的天线在同一频段上同时发送，所以系统的频 带利用率很高。既然用户的数据被分成不同的数据流同时进行传播，可以得出， 整个系统的传输速率与传统的无线传输相比，提高到了原来的m 倍( m 是发送天 线的个数) 。 在这里需要指出的是，首先，b l a s t 与c d m a 或者扩频系统相比，它只占用 了一部分系统的带宽而非全部频段；其次，不同于f d m a ，每个子数据流都占用 了整个数据流宽度。最后，不同于t d m a ，所有的子数据流是同时发送的，而不 是占用不同的时隙。 假设采用理论上的瑞利散射环境，那么从理论上，我们可以计算出b l a s t 系 统的容量几乎跟天线的数目成正比，即使所有天线的总的发射功率保持不变。但 1 2 北京邮电大学硕士研究生论文 是在实际的环境中，散射当然没有瑞利散射那么充分，我们需要计算这中情况下 的系统容量。试验表明，技术实际环境的散射很不充分，b l a s t 系统依然可以显 著的提高系统的性能。b e l l 实验室做出来的芯片证明，可以使系统的频谱利用效率 提高到2 0 - - 4 0 b i t s h z ，这是使用传统的方法不能达到的。 v e c t o r _ 竺 e n 霜d e r - 墨l q羹 图2 1v b l a s t 系统b 1 2 2 1 2 2s t t c 空时格状码是a t & t 公司研究院的t a r o k h 在空时延迟分集和格状码的基础上 提出的 4 1 。为了方便说明，这里以图2 - - 3 所示格状图为例，图中采用8 状态格状 码和8 p s k 星座符号，每次输入2 b i t 。需要说明的是，输出的两个符号分别对应于 8 p s k 星座点，且分别由天线l 、天线2 在k 时刻同时发送。这便组成了3 重空时 格状码。 2 x n g u t l01s7s 4 t x1：00 s 1 3 6 繁x 2l 0 土57 6 4 3 、一、毒 ? ； 和 j i o 、 歹 誊、p ? 夕- l 5 0 0 。0 1 。0 2 0 3 ，0