（微电子学与固体电子学专业论文）面向4g系统的资源感知切换策略的研究.pdf

面向4 g 系统的资源感知切换策略的研究 摘要 由于o f d m 、m i m o 等技术的应用，未来4 g 系统的传输速度和 频谱效率将会大幅提高。与此同时4 g 系统具有很大的q o s 分布范围， 全i p 技术的采用使得系统的资源管理和控制具有更大的灵活性和更 高的复杂度，这些都为通信系统中的无线资源管理带来了新的挑战。 切换保证了移动通信系统信息的连续传输，是移动通信系统中不 可或缺的无线资源管理技术。随着移动通信技术的发展，现有切换技 术无法兼顾切换资源、可靠性和对目标小区影响等因素之间的需求变 化，已经不能够适应4 g 系统的要求。如何充分的利用系统资源，既 保证各种不同q o s 需求用户的平滑切换，同时又降低高业务速率用 户对目标小区的影响将成为未来4 g 系统切换技术中的关键问题。 本文以此为出发点对4 g 系统的切换技术进行了研究，通过对大 量国内外最新科研成果和资料进行收集整理和深入分析，明确了未来 4 g 系统切换技术的问题所在，并提出了自己的创新点。 本文提出了一种新型的资源感知切换策略。它联合资源和导频作 为切换的控制参数，同时在切换的过程中采用q o s 适配方案，包括 实时业务强占非实时业务用户资源以及高业务速率非实时用户的降 速思想。该切换策略从资源的角度出发，保证在切换过程中整个系统 的资源能够被充分利用，同时保证了不同q o s 需求的用户能够平滑 切换，降低了高业务速率用户对目标小区的影响。 同时本文设计实现了应用o f d m 技术的4 g 系统级仿真平台，并 在此仿真平台的基础上对新型切换策略进行了仿真研究。仿真结果表 明：应用该切换策略后，4 g 系统的切换掉话率显著降低，新呼叫阻 塞率也有一定的下降，系统负载及资源利用更加均衡。同时该切换策 略降低了高业务速率的切换用户对目标小区的影响，提升了4 g 通信 系统的整体性能。 关键字：4 go f d m 切换资源感知q o s 适配 r e s e a r c ho nr e s o u r c ec o g n i t i v e h a n d o v e rs c h e m et o a r d s4 gs y s t e m a b s t r a c t w i t ht h ea p p l i c a t i o no fo f d ma n dm i m o ，t r a n s p o r tv e l o c i t ya n d f r e q u e n c ye f f i c i e n c yo f4 gs y s t e mw i l lb el a r g e l ye n h a n c e di nt h ef u t u r e 4 gh a sv e r yl a r g ed i s t r i b u t i n gr a n g eo fq o sa n dt h ea p p l i c a t i o no fa l li p t e c h n o l o g ym a k e sr a d i or e s o u r c em a n a g e m e n tm o r ef l e x i b l ea n dc o m p l e x a l lt h e s eb r i n gn e wc h a l l e n g et or a d i or e s o u r c em a n a g e m e n ti nt h e m o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m s h a n d o v e rt e c h n o l o g ye n s u r e sc o n t i n u o u si n f o r m a t i o nt r a n s p o r ti n t h ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ，w h i c hi sa na b s o l u t e l yn e c e s s a r yt e c h n o l o g y i nr a d i or e s o u r c em a n a g e m e n t w i t ht h e d e v e l o p m e n t o fm o b i l e c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , p r e s e n th a n d o v e rt e c h n o l o g i e sc a nn o ta d a p t t ov a r i a b l en e e d sb e t w e e nh a n d o v e rr e s o u r c e ，r e l i a b i l i t ya n dt h ei n f l u e n c e t o t a r g e tc e l l ，w h i c hc a nn o tm e e tt h en e e d so f4 gs y s t e m r e s o u r c e e f f e c t i v eu t i l i z a t i o n ，s m o o t hh a n d o v e ra m o n gd i f f e r e n tq o sr e q u i r e su s e r s a n dl e s si m p a c to fu s e r sw i t hh i g ht r a f f i cr a t et ot h et a r g e tc e l lh a v e b e c o m et h ek e yp r o b l e m si nf u t u r e4 g s y s t e mh a n d o v e rt e c h n o l o g y t h i sp a p e rf o c u s e so nt h er e s e a r c ho fh a n d o v e rt e c h n o l o g yi n4 g s y s t e m b yt h ec o l l e c t i o na n da n a l y s i so fl o t so fr e l a t e dr e s e a r c ha th o m e a n da b r o a d ，w eh a v ef o u n dt h ep r o b l e m si nf u t u r e4 gh a n d o v e r t e c h n o l o g ya n dp r o p o s e di n n o v a t i o ni d e a an o v e lr e s o u r c ec o g n i t i v eh a n d o v e r ( r c h ) s c h e m et o w a r d s4 g s y s t e m si sp r o p o s e di nt h i sp a p e r i tj o i n t sr e s o u r c ea n dp i l o tv a l u ea s h a n d o v e r j u d g m e n tp a r a m e t e r s a n du s e sq o sa d a p t a t i o ns c h e m e i n c l u d i n gr e a lt i m et r a f f i cu s e r sp r e e m p t i o na n dh i g ht r a f f i cr a t eu s e r s t r a f f i cd e c e l e r a t i o n t h i ss c h e m ec a ne f f e c t i v e l yu t i l i z et h e s y s t e m r e s o u r c e st h r o u g hr e s o u r c ec o g n i t i v eh a n d o v e r a n di tc a ng u a r a n t e e s m o o t hh a n d o v e rf o ru s e r sw i t hd i f f e r e n tq o sr e q u i r e m e n t sa n dd e c r e a s e i i t h ei m p a c t so fh i g ht r a f f i cr a t eu s e r so nt a r g e tc e l lb yo o sa d a p t a t i o n s c h e m e 4 gs y s t e ml e v e ls i m u l a t i o np l a t f o r mi sd e s i g n e da n dr e a l i z e di nt h i s p a p e r ，a n ds i m u l a t i o np e r f o r m a n c eo fn e wh a n d o v e rs c h e m ei sr e s e a r c h e d b a s e do ni t t h es i m u l a t i o nr e s u l t si l l u s t r a t el h a tr c hs c h e m ec a nr e d u c e h a n d o v e rd r o p p i n gp r o b a b i l i t ya n dn e wc a l lb l o c k i n gp r o b a b i l i t y , m a k e t h e s y s t e ml o a d a n dr e s o u r c eu t i l i z a t i o nm o r eb a l a n c e d ，r e d u c et h e i n f l u e n c eo fh i g ht r a f f i cr a t eh a n d o v e ru s e rt ot a r g e tc e l la n di m p r o v e4 g s y s t e mp e r f o r m a n c e k e yw o r d s ：4 go f d mh a n d o v e rr e s o u r c ec o g n i t i v eq o s a d a p t a t i o n i i i 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 何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论 本人签名： 处，本人承担一切相关责任。 同期：煎：乡：兰 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 本人签名： 导师签名： 适用本授权书。 日期： 日期： 劢昂孑，2 尸 北京邮电大学硕士研究生论文 1 1 移动通信系统的发展 第1 章绪论 现代移动通信技术的发展始于上世纪2 0 年代，大致经历了五个发展阶段。 第一阶段为早期发展阶段。由二十世纪2 0 年代至4 0 年代。在这期间，首先 在短波几个频段上开发出专用移动通信系统，其代表是美国底特律市警察使用的 车载无线电系统。该系统工作频率为2 m h z ，到4 0 年代提高到3 0 4 0 m h z 可以 认为这个阶段是现代移动通信的起步阶段，特点是专用系统开发，工作频率较低。 第二阶段从二十世纪4 0 年代中期至6 0 年代初期。在此期间内，公用移动通 信业务开始问世。1 9 4 6 年，根据美国联邦通信委员会( f c c ) 的计划，贝尔系统在 圣路易斯城建立了世界上第一个公用汽车电话网，称为“城市系统”。当时使用 三个频道，间隔为1 2 0 k h z ，通信方式为单工，随后，西德( 1 9 5 0 年) 、法1 习( 1 9 5 6 年) 、英i 玉i ( 1 9 5 9 年) 等国相继研制了公用移动电话系统。美国贝尔实验室完成了 人工交换系统的接续问题。这一阶段的特点是从专用移动网向公用移动网过渡， 接续方式为人工，网的容量较小。 第三阶段从二十世纪6 0 年代中期至7 0 年代中期。在此期间，美国推出了改 进型移动电话系统( i m t s ) ，使用1 5 0 m h z 和4 5 0 m h z 频段，采用大区制、中小 容量，实现了无线频道自动选择并能够自动接续到公用电话网。德国也推出了具 有相同技术水平的b 网。可以说这一阶段是移动通信系统改进与完善的阶段， 其特点是采用大区制、中小容量，使用4 5 0 m h z 频段实现了自动选频与自动接续。 第四阶段从二十世纪7 0 年代中期至8 0 年代中期，这是移动通信蓬勃发展时 期。1 9 7 8 年底，美国贝尔试验室研制成功先进移动电话系统( a m p s ) ，建成了蜂 窝状移动通信网，大大提高了系统容量。1 9 8 3 年，首次在芝加哥投入商用。同 年1 2 月，在华盛顿也开始启用。之后，服务区域在美国逐渐扩大。到1 9 8 5 年3 月已扩展到4 7 个地区，约1 0 万移动用户。其它工业化国家也相继开发出蜂窝式 公用移动通信网。日本于1 9 7 9 年推出8 0 0 m h z 汽车电话系统( 8 a m t s ) ，在东京、 大胶、神户等地投入商用。西德于1 9 8 4 年完成c 网，频段为4 5 0 m h z 。英国在 1 9 8 5 年开发出全地址通信系统( t a c s ) ，首先在伦敦投入使用，以后覆盖了全国， 频段为9 0 0 m h z 。法国开发出4 5 0 系统。加拿大推出4 5 0 m h z 移动电话系统m t s 。 瑞典等北欧四国于1 9 8 0 年开发出n m t - 4 5 0 移动通信网，并投入使用，频段为 4 5 0 m h z 。 第1 页 北京邮电大学硕上研究生论文 这一阶段的特点是蜂窝状移动通信网成为实用系统，并在世界各地迅速发 展。移动通信大发展的原因，除了用户要求迅猛增加这一主要推动力之外，还有 几方面技术进展所提供的条件。首先，微电子技术在这一时期得到长足发展，这 使得通信设备的小型化、微型化有了可能性，各种轻便电台被不断地推出。其次， 提出并形成了移动通信新体制。随着用户数量增加，大区制所能提供的容量很快 饱和，这就必须探索新体制。在这方面最重要的突破是贝尔试验室在7 0 年代提 出的蜂窝网的概念。蜂窝网，即所n d , 区制，由于实现了频率再用，大大提高了 系统容量。可以说，蜂窝概念真正解决了公用移动通信系统要求容量大与频率资 源有限的矛盾。第三方面进展是随着大规模集成电路的发展而出现的微处理器技 术日趋成熟以及计算机技术的迅猛发展，从而为大型通信网的管理与控制提供了 技术手段。 第五阶段从二十世纪8 0 年代中期开始。这是数字移动通信系统发展和成熟 时期。以a m p s 和t a c s 为代表的第一代蜂窝移动通信网是模拟系统。第一代 模拟系统对应的接入技术是频分多址技术f d m a ，它仅能提供9 6 k b i t s 通信带 宽。其典型系统如美国的模拟电话系统a m p s 、北欧的移动电话系统n m t 、英 国的全接入通信系统t a c s 等。模拟蜂窝网虽然取得了很大成功，但也暴露了一 些问题。例如，频谱利用率低，移动设备复杂，费用较贵，业务种类受限制以及 通话易被窃听等，最主要的问题是其容量已不能满足日益增长的移动用户需求。 解决这些问题的方法是开发新一代数字蜂窝移动通信系统。数字无线传输的 频谱利用率高，可大大提高系统容量。另外，数字网能提供语音、数据多种业务 服务，并与i s d n 等兼容。实际上，早在二十世纪7 0 年代末期，当模拟蜂窝系 统还处于开发阶段时，一些发达国家就着手数字蜂窝移动通信系统的研究。到 8 0 年代中期，欧洲首先推出了泛欧数字移动通信网( g s m ) 的体系。随后，美国和 同本也制定了各自的数字移动通信体制。泛欧网g s m 于1 9 9 1 年7 月开始投入 商用。第二代窄带数字系统的接入技术主要有时分多址技术t d m a 和码分多址 技术c d m a 两种，它可以提供9 6 2 8 8 k b i t s 的传输速率。其典型系统，如欧洲 的全球移动通信系统g s m 、北美的数字增强型系统i s 1 3 6 、c d m a o n ei s 9 5 a 、 i s 9 5 b 、同本的个人数字蜂窝系统p d c 等。与第一代模拟蜂窝移动通信相比， 第二代移动通信系统具有保密性强、频谱利用率高、能提供丰富的业务、标准化 程度高等特点。 随着全球范围的i n t e m e t 用户数爆炸式的增长，目前移动数据业务的上升势 头也非常迅猛，可以预测在移动通信中，数据通信量也将在某一天超过话音通信。 实际3 g 技术所具备的功能部分可以在目前第二代无线技术的基础上实现，特别 是随着移动通信和因特网服务快速发展而随之产生的移动数据通信要求。其方法 第2 页 北京邮电大学硕士研究生论文 有两种：一是在以电话为主的蜂窝移动通信系统中增加传送数据的能力；二是移 动通信与因特网的结合。由此产生了几种相关技术，如通用分组无线服务g p r s 技术、增强数据速率改进e d g e 技术、i s 9 5 b 利用码聚集技术、c d m a 2 0 0 0 1 x 技术、无线应用协议w a p 技术、蓝牙b l u e t o o t h 技术等。 g p r s 是迎合g s m 移动通信市场和全球因特网的迅猛发展和日益融合而推 出的，它为g s m 运营商由仅提供话音业务向提供综合信息服务业务领域拓展提 供了重要的网络平台。g p r s 是g s m 向第三代系统过渡，同时又兼顾现有第二 代系统的2 5 g 系统。在g p r s 后，如果g s m 运营商没有第三代的频谱，则可 以通过e d g e 技术把速率提到3 8 4 k b i t s ，接近第三代移动通信系统的水平。 随着市场需求的增大和通信技术研究的深入，国际电信联盟0 t u ) 在2 0 0 0 年 5 月确定w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 和t d s c d m a 三大主流无线接口标准，写入 3 g 技术指导性文件2 0 0 0 年国际移动通讯计划( 简称i m t - 2 0 0 0 ) 。w c d m a 全名 是w i d e b a n dc d m a ，它可支持3 8 4 k b p s 到2 m b p s 不等的数据传输速率。在高速 移动的状态，可提供3 8 4 k b p s 的传输速率；在低速或是室内环境下，则可提供高 达2 m b p s 的传输速率。支持者主要以g s m 系统为主的欧洲厂商。包括欧美的爱 立信、阿尔卡特、诺基亚、朗讯、北电，以及r 本的n r r 、富士通、夏普等厂 商。c d m a 2 0 0 0 系统是从窄带c d m ao n e 数字标准衍生出来的。c d m a2 0 0 0 是属于第三代移动通信系统i m t - 2 0 0 0 系统的一种模式，c d m a 2 0 0 0 分为多个 阶段来实施，第一个过渡阶段称为c d m a 2 0 0 01 x ，速率高于i s 9 5 ，可支持 3 0 8 k i b i t s 的数据传输，网络部分引入分组交换，可支持移动i p 业务。第二个阶 段称为c d m a 2 0 0 03 x ，它与c d m a2 0 0 0 1 x 的主要区别是前向c d m a 信道采 用3 载波方式，相对第一阶段它的优势在于能提供更高的速率数据。t d s c d m a 是由中国制订的3 g 标准，1 9 9 9 年6 月2 9 日，由中国原邮电部电信科学技术研 究院向l t u 提出。在频谱利用率、对业务支持、频率灵活性及成本等方面具有 独特优势。2 0 0 7 年1 0 月，w i m a x 被i t u 接受j 下式成为新的3 g 标准。 第四代移动通信系统是为未来无线通信服务的，将多媒体包括语音、数据、 影像等大量信息透过宽频的信道传送出去。第四代移动通信不仅仅是为了支持用 户数的增加，更重要的是，必须要满足多媒体的传输需求，当然还包括通信品质 的要求。2 0 0 0 年1 0 月6 日国际电信联盟( i t u ) 在加拿大蒙特利尔市成立了“i m t 2 0 0 0a n db e y o n d ”工作组，开始了对4 g 的研究，同时，欧洲、同本、韩国对4 g 的研究也陆续展开，我国在2 0 0 2 年3 月也正式宣布启动对4 g 通信系统的研究 工作。据在2 0 0 2 年5 月i t u 召开的“i m t - 2 0 0 0a n ds y s t e m sb e y o n d ”研讨会上m l t f 系统子委员会主席w a t a n a b e 先生对未来的通信系统描述，未来的4 g 系统将会 是具有很高的数据传输速率、实现真正的无缝漫游、高度智能化的网络。该系统 第3 页 北京邮电大学硕士研究生论文 将是基于p 的、能够实现不同q o s 的业务的、具有良好的覆盖性能的网络。4 g 移动通信系统以几项突破性技术为基础，如：o f d m 多址接入方式、智能天线 和空时编码技术、无线链路增强技术、软件无线电技术、高效的调制解调技术、 高性能的收发信机和多用户检测技术等【1 】f 7 l 。 1 2 本文主要研究内容及论文创新性 由于o f d m 、m i m o 等技术的应用，未来4 g 系统的传输速度和频谱效率将 会大幅提高。与此同时4 g 系统具有很大的q o s 分布范围，全i p 技术的采用使 得系统的资源管理和控制具有更大的灵活性和更高的复杂度，这些都为通信系统 中的无线资源管理带来了新的挑战。切换保证了移动通信系统信息的连续传输， 是移动通信系统中不可或缺的无线资源管理技术。随着移动通信技术的发展，现 有切换技术无法兼顾切换资源、可靠性和对目标小区影响等因素之间的需求变 化，已经不能够适应4 g 系统的要求。如何充分的利用系统资源，既保证各种不 同q o s 需求用户的平滑切换，同时又降低高业务速率用户对目标小区的影响将 成为未来4 g 系统切换技术中的关键问题。因此，本文以此为出发点对4 g 系统 的切换技术进行了研究。 本文的研究依托于国家自然科学基金项目“面向4 g 系统的动态切换技术研 究”( 项目编号：6 0 6 7 2 1 3 1 ) ，本文主要的研究内容和论文创新如下： 设计完成应用o f d m 技术的4 g 系统级仿真平台 设计并完成了应用o f d m 技术的4 g 系统级仿真平台。本人负责整个平台流 程的设计并承担了部分主要模块的设计和编码工作。 提出适于未来4 g 通信系统的资源感知切换方案 本文提出了一种新型的资源感知切换( r e s o u r c ec o g n i t i v eh a n d o v e r , r c h ) 策略。它联合资源和导频作为切换的控制参数，同时在切换的过程中采用q o s 适配方案，包括实时业务强占非实时业务用户资源以及高业务速率非实时用户的 降速思想。该切换策略从资源的角度出发，保证在切换过程中整个系统的资源能 够被充分利用，同时保证了不同o o s 需求的用户能够平滑切换，降低了高业务 速率用户对目标小区的影响。同时基于应用o f d m 技术的4 g 系统级仿真平台对 切换策略进行了仿真研究，得出了新型资源感知切换策略的仿真性能，并对其进 行了分析。 第4 页 北京邮电大学硕士研究生论文 1 3 论文结构安排 本论文共分为五章，各章结构安排如下： 第一章简单回顾了现代移动通信系统的发展历程，说明了论文的主要研究内 容和论文结构。 第二章首先对4 g 移动通信系统做了简要的介绍。然后详细论述了4 g 中采 用的关键技术，如o f d m 技术、m i m o 技术和全口技术等。 第三章介绍了资源感知切换策略。首先对切换技术进行了概述，介绍了切换 的分类、控制方式和准则，然后论述了现有切换算法存在的问题，最后从资源感 知和q o s 适配两个方面对资源感知切换算法进行了详细的描述。 第四章介绍了仿真系统建模所采用的仿真技术和工具，说明了仿真系统的流 程。在仿真平台的基础上仿真研究了资源感知切换策略的性能，包括系统切换掉 话率，系统新呼叫阻塞率以及系统负载情况。 最后一章总结了论文所做的工作，并简要讨论了新型切换算法对4 g 系统的 影响，探讨了进一步的研究工作方向。 第5 页 j 匕京邮电大学硕：l ：研究生论文 第2 章4 g 移动通信系统简介 2 14 g 移动通信系统概述 2 1 世纪，移动通信技术和市场飞速发展，在新技术、市场需求的共同作用 下，未来移动通信技术将呈现以下几大趋势：网络业务数据化、分组化，移动互 联网逐步形成；网络技术数字化、宽带化；网络设备智能化、小型化；应用于更 高的频段，有效利用频率；移动网络的综合化、全球化、个人化；各种网络的融 合；高速率、高质量、低费用。这是第四代( 4 g ) 移动通信技术发展的方向和 目标。 目前没有第四代移动通信的确切定义，但比较认同的解释是：第四代移动通 信技术( 4 g ) 的概念可称为宽带接入和分布网络，具有超过2 m b p s 的非对称数 据传输能力。对高速移动用户能提供高质量的影像服务，并首次实现三维图像的 高质量传输。它包括宽带无线固定接入、宽带无线局域m ( w l a n ) 、移动宽带 系统、互操作的广播网络和卫星系统等。此外，第四代移动通信系统将是多功能 集成的宽带移动通信系统，可以提供的数据传输速率高达1 0 0 m b p s 甚至更高， 也是宽带接入i p 系统。简单而言，4 g 是一种超高速无线网络，一种不需要电缆 的信息超级高速公路。 目前，世界各国政府、研究机构和公司都在加紧构思和研发4 g 通信技术和 标准。即将实现的第四代移动通信系统具有下面的特征： 1 ) 通信速度更快 由于人们研究4 g 通信的最初目的就是提高蜂窝电话和其他移动装置无线访 问i n t e m e t 的速率，因此4 g 通信的特征莫过于它具有更快的无线通信速度。专 家估计，第四代移动通信系统的速度可以达到1 0 2 0 m b p s ，最高可达到1 0 0 m b p s 。 2 ) 网络频谱更宽 要想使4 g 通信达到1 0 0 m b p s 的传输速度，通信运营商必须在3 g 通信网络 的基础上进行大幅度的改造，以便使4 g 网络在通信带宽上比3 g 网络的带宽高 出许多。据研究，每个4 g 信道将占用约1 0 0 m h z 的频谱，相当于w c d m a3 g 网络的2 0 倍。 3 ) 通信更加灵活 从严格意义上说，4 g 手机的功能已不能简单划归电话机的范畴，因为话音 第6 页 北京邮电大学硕士研究生论文 数据的传输只是4 g 移动电话的功能之一而已，而且4 g 手机从外观和样式上将 有更惊人的突破。 4 ) 完全集中的服务 个人通信、信息系统、广播和娱乐等各项业务将结合成整体，服务和应用将 更加广泛、安全、方便和个性化。 5 ) 无所不在的移动接入 人们可以随时随地通过移动接入的方式获取话音、高速信息、广播和娱乐等 业务。 6 ) 自治的网络结构 可以自动管理、动态改变自己的结构，以满足系统变化和发展的要求，具备 高度的智能化特征。 7 ) 无线q o s 资源控制 由于互联网业务、尽力传送业务成本低廉而备受青睐，但无线系统资源是有 限的且易受阻塞的困扰。因此，有必要采用无线q o s 资源控制，以保证业务质 量和支持各种级别的应用。由4 g 系统支持的应用业务将依据业务的特点进行分 类，无线q o s 资源控制方式既要支持实时性应用，也要支持非实时性应用。 8 ) 智能性能更高 第四代移动通信的智能性更高，不仅表现在4 g 通信的终端设备的设计和操 作具有智能化，更重要的是4 g 手机可以实现许多难以想象的奇妙功能。 9 ) 兼容性能更平滑 要使4 g 通信尽快地被人们接受，还应该考虑到让更多的用户在投资最少的 情况下轻易地过渡到4 g 通信。因此，4 g 通信系统应该具备全球漫游、接口开 放、能跟多种网络互连、终端多样化等特点。 1 0 ) 实现更高质量的多媒体通信 4 g 通信提供的无线多媒体通信服务将包括语音、数据、影像等，大量信息 透过宽频的信道传送出去，为此4 g 也称为多媒体移动通信。 1 1 ) 大区域覆盖，实现真正意义上的全球漫游 大区域覆盖，与3 g 、w l a n 和固定网络之问无缝隙漫游、实现真正意义上 的全球漫游【1 】【1 2 】【1 3 】。 2 24 g 关键技术简介 下面将对4 g 移动通信系统采用的一些关键技术进行介绍t 第7 页 北京邮电大学硕 二研究生论文 2 2 1o f d m 技术介绍 1 o f d m 的基本原理 正交频分复用( o f d m ) 是多载波调制( m c m ) 技术的一种。m c m 的基本 思想是把数据流串并变换为n 路速率较低的子数据流，用它们分别去调制n 路 子载波后并行传输。因子数据流的速率是原来的1 n ，即符号周期扩大为原来的 n 倍，远大于信道的最大时延扩展，这样m c m 就把一个宽带频率选择性信道划 分成了n 个窄带平坦衰落信道( 均衡简单，只做循环前缀既可以消除i s i ，i c i ) ， 从而先天具有很强的抗无线信道多径衰落和抗脉冲干扰的能力，特别适合于高速 无线数据传输。 o f d m 的基本原理就是把高速的数据流通过串并变换，分配到传输速率相 对较低的若干个子信道中进行传输。由于每个子信道中的符号周期会相对增加， 因此可以减轻由无线信道的多径时延扩展所产生的时间弥散性对信道造成的影 响。并且还可以在o f d m 符号之间插人保护间隔，使保护间隔大于无线信道的 最大时延扩展，这样就可以最大限度地消除由于多径而带来的符号间干扰( i s i ) 。 o f d m 调制原理，如图2 - 1 所示，速率为氐b i t s 的串行比特流，经过数据 编码器，每l 0 9 2m 个比特被映射为一个符号( m 为符号空间的符号个数) ，从而 产生速率为足2r l o g z m 符号s 的串行符号流，符号周期l = 1 愿( 单位s ) 。 将这些串行符号串并变换为路并行符号，每一个符号调制n 个正交子载波中 的一个，个调制后的子载波相加，再进行传输，然后再读入个符号，重复 以上过程。每个子载波和被称为一个o f d m 符号( 宽带信道被划分成个窄 带子信道) 。o f d m 符号的周期瓦m 。= 幄，但是因为共有个串行速率为咫 的子信道并行传输，故总数据速率不变。 嚣弹) 一 罐i j戮拇壤“( ) + 绺，f ) 瓣囝嚣 f 琵曩) 磁 羔， 图2 - 1o f d m 系统发送端的调制部分 各子载波问的正交性是通过适当选取f o 以及子载波j 日j 隔实现的，取子载波间 隔琴= 1 n t s ，以及f o4 k n t 。( 其中七为大于或等于零的整数，一般取零) ， 第8 页 北京邮电大学硕士研究生论文 l 2 f o + 咒掣，则各子载波间在一个o f d m 符号周期内可保持正交。 不妨取七= 0 ，即兀= 0 ，则五= 1 n t , ，2 = 2 t c r , ，厶j 3 a r r , ，无= n 2 w , ， 可以看出各个相邻的子载波之间相差一个周期。这一特性可以用来解释子载波之 间的正交性，即： 吾f e x p ( 歹勿厶) e x p ( 歹勉) d 仁尽= n ( 2 1 ) 其中t = 瓦础m = 心，对第所个子载波进行解调，然后在时间长度丁内进行 积分，即： 五；手j ：+ r e x p ( 一j 2 石t ( t 一气，) 蓦d r e x p j 2 万t ( t t ， 缸 4 亍1 笆洲：2s + r 唧【_ 劢字) 卜 协2 ， ( 其中f l 表示枘样时刻) 图2 2 四个子载波o f d m 符号时域波形示例 图2 2 给出了子载波数目n = 4 时，承载的数据为d = ( 1 ，1 ，1 ，1 ) ，4 个 子载波独立的波形叠加后的信号，即对应的o f d m 符号时域波形。由图可知， 虽然4 个子载波的幅度范围恒为【1 ，1 】，但叠加之后的o f d m 符号的幅度范围 却变化很大，这也就是o f d m 系统具有高峰均比的现象 从频域的角度来解释，每个o f d m 符号在其周期r 内包括多个非零的子载 波。，l 天i 此其频谱可以看作是周期为丁的矩形脉冲的频谱与一组位于各个子载波频 率上的6 函数的卷积。矩形脉冲的频谱幅值为s l n c 【，) 函数，这种函数的零点出 现在频率为1 t 整数倍的位置上。这种现象可以参见图2 3 ，图中给出了相互覆 盖各个子载波信道内经过矩形波形成型得到的符号的s l n c 函数频谱。 第9 页 北京邮电大学硕士研究生论文 婵一2 = i t ) 舻_ 忙， 逆觞缀攒 萄n | l j “( ，j ) ，积甜、l 燃im ；i ( 2 一氏l f ) r 。旧r 1 ” ，圆，珂“1 1 一 i 嚣i 第1 0 页 北京邮电大学硕士研究生论文 积分运算只对位于，一处的同相子载波有非零结果从而提取出有用数据口j ， 同样的道理可以从各正交支路恢复出d j 。所有被恢复的符号经并串变换后，再 进行解码，即得到所发送的原始数据比特。可见，虽然子信道频谱相互混叠子 载波间的正交性却使得各个子信道依然能够被分离出来。 为了消除码间干扰需要在o f d m 的每个符号中插入保护时间，只要保护时 间大于多径时延扩展，则一个符号的多径分量不会干扰相邻符号。保护时间内可 以完全不发送信号。但此时由于多径效应的影响，子载波可能不能保持相互正交， 从而引入了子载波间干扰( i c i ) 。这种效应如图2 5 所示。 j 托垃崩 替痧t i i j 彰e 分 o ，二一， f 付盯h jf f r 势汾如j 一 一 一 瓣露? 号蕾懈 图2 - 5 保护时间内发送全o 信号由于多径效应造成的子载波间- i - * l o c d 如图，当o f d m 接收机解调子载波l 的信号时，会引入子载波2 对它的干 扰，同理亦然。这主要是由于在f f t 积分时问内，两个子载波的周期不再是整 数倍，从而不能保证正交性。 为了减小i c i ，o f d m 符号可以在保护时间内发送循环扩展信号，称为循环 前缀( c p ) ，如图2 - 6 所示循环前缀是将o f d m 符号尾部的信号搬移到头部构成 的。这样可以保证有时延的o f d m 信号在f f t 积分周期内总是具有整倍数周期。 因此只要多径延时小于保护时问，就不会造成载波间干扰。 乍r 。j 。纠f f f f ! ：j 口 = ： u f i 船t ”i 、翟 图2 - 6o f d m 符号的循环前缀结构 2 o f d m 的关键技术 1 ) o f d m 的峰均比 在时域中，o f d m 信号是n 路正交子载波信号的叠加，当这n 路信号按相 第1 1 页 北京邮电大学硕士研究生论文 同极性同时取最大值时，o f d m 信号将产生最大的峰值。峰值信号功率与信号 平均功率之比，称为峰均比( p a r ) 。 在o f d m 系统中，p a r 与n 有关，当n 个子信号都以相同的相位求和时， 所得到的峰值功率就会是平均功率的n 倍，因而基带信号的峰均比可以为 1 0 l 0 9 1 0 。n 越大，p a r 值越大，n = 1 0 2 4 时，p a r 可达3 0 d b 。 p a r 越大，o f d m 发射机的输出信号瞬时功率值会有较大的波动。这就要 求系统内部的相关器件，比如功率放大器、模数、数模转换器等要有很大的动态 范围由于这些器件的非线性，会使得动态范围较大的信号产生非线性失真，影响 o f d m 系统性能。 2 ) 同步技术 接收机正常工作以前，o f d m 系统至少要完成如下两类同步任务t 频域同 步，要求系统估计和校正接收信号的载波偏移；时域同步，要求o f d m 系统确 定符号边界，并且提取出最佳的采样时钟，从而减小载波干扰和码问干扰造成的 影响。 在o f d m 系统中，只有发送和接收的子载波完全一致( 同频同相) ，才能保 证载波问的正交性，从而可以正确接收信号。任何频率偏移必然导致i c i 。但在 实际系统中，由于本地时钟源( 如晶体振荡器) 不能精确的产生载波频率，总要 附着一些随机相位调制信号。结果接收机产生的频率不可能与发送端的频率完全 一致。 埋力 厶五如 ， f a 图2 - 7 频率误差造成o f d m 系统产生载波间干扰 时问同步误差不会引起子载波间干扰( i c i ) ，但是它将导致f f r 处理窗包含 连续的两个o f d m 符号，从而引入了o f d m 符号问干扰( i s i ) 。 i 一1 一 图2 - 8f f f 处理窗位置与o f d m 符号时序的相对关系 第1 2 页 北京邮电人学硕士研究生论文 3 ) 信道估计 o f d m 系统n 个子信道上的接收信号等于各自信道上的发送信号与信道的 频谱特性的乘积。如果通过估计方法预先获知信道的频谱特性，将各个子信道上 的接收信号与信道的频谱特性相除，即可实现接收信号的正确解调。所谓信道估 计，就是估计从发送天线到接收天线之间的无线信道的频率响应。 基于训练序列的时域信道估计 适用于突发传输方式的系统，通过发送已知的训练序列，在接收端进行信道 估计。采用突发传输方式的o f d m 系统，传输信号通常由帧组成，每帧又分为 若干o f d m 符号，包括训练符号和传输数据符号。 系统也有两种工作模式：训练模式和数据传输模式。在训练模式，系统周期 性的发送训练序列，接收端根据这些参考信号进行信道估计；在数据传输模式， 系统利用以上估计得到的参数传输数据。 基于导频的频域信道估计 基于训练序列的信道估计方法在慢衰落信道中呈现出较好的性能，但是这种 方法并不适用于快衰落环境，为了能够及时跟踪信道的变化，通常采用基于导频 符号的信道估计方法。 3 o f d m 技术的优缺点 基于正交载波调制的o f d m 系统具有以下优点： 1 ) 将高速数据流转换成多个并行的低速子数据流，使得o f d m 符号周期显 著增加，从而可以有效地减小无线信道的时问弥散所带来的i s i ，降低了接收机 均衡器的复杂度。如果保护问隔的长度大于最大多径时延，则可以完全消除符号 间干扰。 2 ) 由于各个子载波之间频谱存在正交性，因此允许子信道的频谱相互重叠， 与传统的需要保护带的多载波系统相比，o f d m 系统可以最大限度地提高频谱 效率。 3 ) o f d m 的正交调制和解调单元可以采用i d f t 和d f t 方法来实现。当系 统中的子载波数很大时，可以采用快速傅立叶变换( f f t ) 来实现，以简化硬件 实现的复杂度。 4 ) 通过参数的合适设计，o f d m 系统的每一个子载波可以处于平坦衰落中， 从而增强了抗频率选择性衰落的能力。此外，由于无线信道的衰落存在随机性， 所有的子载波同时处于深衰落的情况的概率较小，因此可以采用自适应调制的方 法，充分利用信噪比较高的子载波来传输高阶调制的数据符号，而利用信噪比较 低的子载波来传输低阶调制的数据符号，有效提高系统的频谱效率。 第1 3 页 北京邮电大学硕士研究生论文 o f d m 多载波传输需要保证其输出信号是多个子载波信号的叠加，因此与 单载波系统相比，它又存在如下缺点： 1 ) 易受频率偏差的影响。由于子载波的频谱相互重叠，这就对它们之间的 正交性提出了严格的要求。然而由于无线信号在传输过程中会出现频率偏移，例 如多普勒频移，或者由于发射机载波频率与接收机本地振荡器之间存在的频率偏 差，都会使得o f d m 系统子载波之间的正交性遭到破坏，从而导致子载波间的 相互干扰( i c i ) ，这种对频率偏差的敏感是o f d m 系统的主要缺点之一。 2 ) 存在较高的峰值平均功率比。与单载波系统相比，由于o f d m 系统的输 出是多个子载波信号的叠加，因此如果多个信号的相位一致时，所得到的叠加信 号的瞬时功率就会远远大于信号的平均功率，导致出现较大的峰值平均功率比 ( p a p r ) 。这样就对发射机内放大器的线性特性提出了很高的要求，如果信号的 瞬时功率超出了放大器的线性范围，则信号会发生畸变，使重叠信号的频谱发生 变化，从而导致子载波之间的干扰。 o f d m 系统的这些优点使其成为未来移动通信的候选技术之一，但是它的 缺点又限制了它在应用时的性能。因此在实际的无线通信系统应用中，必须对系 统进行合理的设计，有效地利用它的优点，采取相应的措施，降低或消除o f d m 系统的缺点带来的负面影响，提高系统的性能和传输效率，降低成本【3 】【5 】【8 】【9 】【1 4 l 。 2 2 2m i m o 技术介绍 m i m o ( m u l t i p l ei n p u tm u l t