（通信与信息系统专业论文）无线ofdm系统信道与载波频偏估计及doppler分集的研究.pdf

北京邮电大学博士研究生学位论文摘要 无线o f d m 系统中信道与载波频偏估计 及d o p p l e r 分集的研究 摘要 近年来，随着经济、社会和科技的发展以及人们生活水平的提 高，人们对通信方式尤其是无线通信的要求也越来越高。随时随地、 高速率、高质量的无线数据传输已经成为新一代无线通信系统发展 的方向。目前，紧张的无线频谱资源已经使频谱利用率成为无线通 信系统面临的重要问题。而正交频分复用( o f d m ) 系统由于其并行 的数据传输方式使其具有较高的频谱利用率，同时，o f d m 系统符号 周期相对增长和o f d m 符号间插入保护间隔使它能最大限度的消除 无线通信中由于多径效应而引起的符号间干扰。所以，o f d m 已经成 为最为瞩目的新一代无线通信核心技术之一。 另一方面，o f d m 符号周期相对增加即子载波间隔的减小会使得 o f d m 系统较单载波通信系统对载波频率偏移或d o p p l e r 扩展更加敏 感，使子载波之间的干扰增加，影响系统的性能。因此，准确地估 计出载波频率偏移，有效地对抗时变信道中信号的d o p p l e r 扩展， 以提高o f d m 系统的性能是o f d m 应用于无线通信尤其是移动通信系 统的关键问题。同时，多径信道估计也是o f d m 应用于无线通信的 又一重要问题。本论文重点研究以上三方面的问题。 o f d m 系统具有对抗多径效应的优势，其中的信道估计是对抗多 径效应不可缺少的关键环节。如果不进行信道估计或信道估计不准 确，接收端就难以正确地解调出有用信号或解调出的有用信号难以 达到系统性能的要求。本论文在介绍无线信道条件下o f d m 系统的 基本原理、最小二乘信道估计算法和最小均方误差信道估计算法的 基础上，提出了一种基于功率谱密度( p s d ) 估计的多径信道估计 算法，仿真结果表明，其估计值比前两种方法更准确，用于信道均 衡后系统的性能比前两种方法更好，同时，基于p s d 的信道估计算 法的复杂度较低且对符号定时偏差不敏感。基于p s d 的信道估计算 法还可以用来估计定时偏差。信道估计所需的导频数量必须符合采 样定理，否则会出现信道恢复的失真，基于p s d 的信道估计算法可 以实现最大多径时延的估计，进而可以进行基于最大多径时延估计 值的自适应导频数控制，以在保证不出现多径信道恢复失真的前提 北京邮电大学博士研究生学位论文摘要 下，提高传输效率。 本论文在介绍干扰自消除方法和基于o f d m 符号重传的频偏估 计、基于p n 序列频偏估计、基于循环前缀相关运算的频偏估计等 几种频率偏移估计方法的基础上，提出了一种新的基于时域插入等 值导频的载波频率偏移估计算法。基于时域等值导频的频偏估计值 的条件误差是无偏的，而且其误差均值和方差均小于基于p n 序列 的频率偏移估计值的误差均值和方差。而且，基于时域等值导频的 频偏估计算法没有采用相关运算，其算法复杂度比基于p n 序列频 率偏移估计算法低。本文还提出了一种基于循环前缀的非相关频偏 估计算法。 针对存在d o p p l e r 扩展的r a y l e i g h 衰落信道会使无线o f d m 系 统性能下降，本论文在简单介绍基本分集方法和存在d o p p l e r 扩展 的r a y l e i g h 信道环境下o f d m 系统子载波间干扰的基础上，介绍了 c d m a 系统中用予对抗d o p p l e r 扩展的多径d o p p l e r 分集方法。本论 文不但推导了单载波系统的d o p p l e r 分集，还将d o p p l e r 分集应用 于o f d m 系统中。本论文推导了o f d m 系统的选择式合并d o p p l e r 分 集和最大比合并方式d o p p l e r 分集；还推导了扩频o f d m 系统的选 择式合并d o p p l e r 分集和最大比合并方式d o p p l e r 分集。 关键词：o f d m 多径信道估计频偏估计d o p p l e r 分集 北京邮电大学博士研究生学位论文 摘要 c h a n n e le s t i l i 【a t i o n f r e q u e n c yo f f s e t e s t i m a t i o n ，d o p p l e rd i v e r s i t y f o rw ir e l e s so f d ms y s t e m a b s t r a c t r e c e n t l y ，t h er e q u i r e m e n tf o rw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n i s m o r ea n dm o r e ，w i t ht h ed e 、7 e l o p m e n t o f e c o n o m y ，s o c i e t y ， t e c h n o l o g y ，a n d t h e i m p r o v e m e n t o f p e o p l e s s t a n d a r do f 1 l y i n g w i r e l e s sd a t at r a n s m i s s i o nw h e n e v e ra n dw h e r e v e rw i t h h i g hs p e e d ，h i g hq u a l i t y ，i st h ed i r e c t i o no ft h ed e v e o p m e n t o fn e w g 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 ns y s t e m t h e e f f i c i e n c y o f f r e q u e n c ys p e c t r u m i s v e r yi m p o r t a n t f o r w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e mb e c a u s e o ft h el a c ko f f r e q u e n c ys p e c t r u m r e s o u r c e h o w e v e r ，t h ee f f i c i e n c y o f f r e q u e n c ys p e c t r u m f o r o r t h o g o n a lf r e q u e n c y d i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ( o f d m ) i sv e r yh i g hf o ro f d ma d o p t i n gp a r a l l e l t r a n s m i s s i o n a n do f d m c a na l m o s te l i m i n a t ei n t e r s y m b o l i n t e r f e r e n c e ( i s i ) r e s u l t e df r o mm u l t i p a t hc h a n n e lf o r i t s g u a r di n t e r v a la n di n c r e a s i n gs y m b o lp e r i o d s oo f d mb e c o m e s o n eo ft h ei m p o r t a n tt e c h n o l o g i e so fn e wg e n e r a t i o nw i r e l e s s e o m m u n i c a t i o n o nt h eo t h e rh a n d ，o f d mi sv e r ys e n s i t i v e t oc a r r i e r f r e q u e n c y o f f s e ta n df r e q u e n c ys p r e a df o rt h ei n c r e a si n g s y m b o lp e r i o do rt h es m a l ls u b c a r r i e ri n t e r n a l ，w h i c hr e s u l t i ns e r i o u si n t e r c a r r i e ri n t e r f e r e n c e( i c i ) ， a n dt h e p e r f o r m a n c e o fo f d ms y s t e misg r e a t l ya f f e c t e d t h e e s t i m a t i o no fc a r r i e rf r e q u e n c yo f f s e ta n dt h eo v e r c o m i n go f s i g n a ld o p p l e rs p r e a do v e rt i m ev a r y i n gc h a n n e la r ei m p o r t a n t p r o b l e m s f o rt h eo f d ma p p l y i n g i nw i r e l e s sm o b i l e c o m m u n i c a t i o n a tt h es a b l et i m e ，t h ee s t i m a t i o no fm u l t i p a t h 北京邮电大学博士研究生学位论文摘要 c h a n n e li sa n o t h e ri m p o r t a n tp r o b l e mf o rw i r e l e s so f d m s y s t e m t h ee s t i m a t i o no fc a r r i e rf r e q u e n c yo f f s e t ，t h ee s t i m a t i o n o fm u l t i p a t hc h a n n e l ，a n dd o p p l e rd i v e r s i t ya r et h ee m p h a s e s i nt h i sd i s s e r t a t i o n o n eo ft h ea d v a n t a g e so fo f d mist oo v e r c o m et h em u l ti p a t h c h a n n e l ，a n dt h ee s t i m a t i o no f m u l t i p a t h c h a n n e li s i n d i s p e n s a b l e t h er e c e i v e ro fo f d ms y s t e mc a n n o td e m o d u l a t e t h eu s e f u ls i g n a lw i t h o u tt h ee s t i m a t i o no fm u l t i p a t hc h a n n e l 。 i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h el e a s ts q u a r e ( l s ) e s t i m a t i o na n d t h em i n i m u mm e a n s q u a r e e r r o r( m m s e )e s t i m a t i o n a r e i n t r o d u c e d ，t h e n a n a l g o r i t h m o ft h e m u l t i p a t hc h a n n e l e s t i m a t i o nb a s e do np o w e rs p e c t r u md e n s i t y ( p s d ) e s t i m a t i o n isp r e s e n t e d t h es i m u l a t i o nr e s u l tp r o v e dt h a tt h em u l t i p a t h c h a n n e le s t i m a t i o nb a s e do np s di sm o r ep r e c i s et h a nt h el s e s t i m a t i o na n dt h em m s ee s t i m a t i o n 。a n dt h ep e r f o r m a n c ef o r o f d m s y s t e m a f t e rc h a n n e l e q u a l i z a t i o n o ft h e m u l t i p a t h c h a n n e le s t i m a t i o nb a s e d0 np s di sb e r t e rt h a nt h a to fl sa n d m m s e t h em u l t i p a t hc h a n n e le s t i m a t i o nb a s e do np s di so f1 0 w c o m p l e x i t ya n di n s e n s i t i v et ot h es y m b o lt i m i n ge r r o r t h e s y m b o lt i m i n ge r r o ra n dt h em a x i m u mm u l t i p a t hd e l a yc a na l s o b ee s t i m a t e db yt h em u l t i p a t hc h a n n e le s t i m a t i o nb a s e do np s d am e c h a n i s mt oc o n t r o lt h en u m b e ro fd i l o t si sa t s op r e s e n t e d 。 a ni n t e r c a r r i e r i n t e r f e r e n c es e l f - c a n c e l l a t i o ns c h e m e a n ds e v e r a lf r e q u e n c yo f f s e te s t i m a t i o na l g o r i t h m ( i n c l u d i n g f r e q u e n c y o f f s e te s t i m a t i o n a l g o r i t h m b a s e do n r e p e a t e d s y b o l ，p ns e q u e n c e a n dc o r r e l a t e d o p e r a t i o n o fc p ) a r e i n t r o d u c e d ，a n dan o v e lc a r t 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 a l g o r i t h mu s i n ge q u a lp i l o t si nt i m ed o m a i ni sp r e s e n t e di n t h i sd i s s e r t a t i o n 。a l t h o u g ht h ef r e q u e n c yo f f s e te s t i m a t i o n a l g o r i t h mb a s e do np ns e q u e n c ea n dt h a to fe q u a lp i l o t s i n t i m ed o m a i na r eb o t hu n b i a s ，t h ef r e q u e n c yo f f s e te s t i m a t i o n a l g o r i t h mb a s e d o ne q u a lp i l o t si nt i m ed o m a i ni sl e s sc o m p l e x a n dm o r ep r e c i s e af r e q u e n c yo f f s e te s t i m a t i o na l g o r i t h m b a s e do nn o n c o r r e l a t e do p e r a t i o no fc pi sa l s op r e s e n t e di n 北京邮电大学博士研究生学位论文摘要 h i sd i s s e r t a t i o n t h eb a s i cd i v e r s i t ym e t h o d sa n ds i r ( s i g n a li n t e r f e r e n e e r a t i o ) o fo f d ms y s t e mo v e rd o p p l e rs p r e a dr a y l e i g hc h a n n e l a r ei n t r o d u c e d ，a n dt h em u l t i p a t h d o p p l e rd i v e r s i t yt h e o r y f o rc d m as y s t e mo v e rd o p p l e rs p r e a dr a y l e i g hf a d i n gc h a n n e l a r ea l s oi n t r o d u c e d t h e n ，t h ed o p p l e rd i v e r s i t yf o rs i n g l e c a r r i e rs y s t e ma n do f d ms y s t e mi sd e d u c e do nt h eb a si so ft h e m u l t i p a t h d o p p l e rd i v e r s i t y f o rc d m as y s t e m t h em a x i m u m r a t i oc o m b i n i n gd o p p l e rd i v e r s i t ya n dt h es e l e c t i v ec o m b i n i n g d o p p l e rd i v e r s i t y f o ro f d m s y s t e m a r ed e d u c e d ，a n dt h e s e l e c t i v ec o m b i n i n gd o p p l e rd i v e r s i t va n dt h em a x i m u mr a t i o c o m b i n i n gd o p p l e rd i v e r s i t yf o rs p r e a ds p e c t r u mo f d ms y s t e m i sa s od e d t 】c e d k e yw o r d s ：o f d m ，m u lti p a t h f r e q u e n c yo f f s e t c h a n n e le s t i m a t i o n ， e s t i m a t i o n ，d o p p l e rd i v e r s i t y 独创性l 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 包含其他人己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。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名 每辚l 一日期：趔辽一 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了辑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一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。 e t 期：型! 孟 日期：型! 叁 北京邮电大学博士研究生学位论文第一章引言 第一章引言 古往今来，信息传递一直为人们所重视。万里长城的烽火台“白日以烟、 夜晚以火”可以及时地传递战略信息、掌握敌情“。唐代刘晏就曾建立过一个 全国信息网，以迅速掌握全国各地的经济信息和物价水平0 1 。由于信息传递及 时，为决策提供了科学依据，也为当时唐代的经济长期保持繁荣创造了条件。 时间已经进入了二十一世纪，信息传递即通信已在经济、政治、社会活动、 以及人们的日常生活中起到了非常重要的作用。同时，人类社会生活对通信的 需求也在不断的提高。人们之间的语音通信不再局限于固定电话，而是更热衷 于个人移动通信，尤其是在商界，随时随地保证个人通信工具的畅通是十分必 要的。随着i n t e r n e z 的发展，人们不再局限于办公室、网吧、甚至家庭内的 宽带上网，而是需要随时随地浏览网页、信息查询、收发邮件。甚至部分高端 用户和高消费群体需要在移动环境下进行多媒体通信、电话会议、移动商务、 高速访问数据库等服务。这些都对当今时代的通信发展，尤其是无线移动通信 的发展水平提出了越来越高的要求。 另一方面，通信产业在国民经济中所占的比重越来越高。在信息技术迅猛 发展的今天，通信业已经成为全球经济的重要组成部分。通信市场研究与咨询 机构杨基集团”1 在2 0 0 3 年6 月2 4 日表示，预期未来4 年内全球无线电话用户 数量将会增长4 9 ，至2 0 0 7 年达到1 7 2 亿。该机构称，预期到2 0 0 7 年，无 线通信业务盈收将增长5 1 至5 8 4 0 亿美元，与全球原油生产总值相仿。 伴随着人们对无线通信要求的提高和通信产业的发展，无线通信的理论和 技术在不断发展和更新“3 。要使中国在未来科技、经济、政治甚至军事等领域 的国际竞争中立于不败之地，进行无线通信领域的关键理论和技术的研究具有 非常重要的意义。 在这一章里，首先回顾一下移动通信的发展过程，然后介绍一下目前移动 通信的发展现状和下一代移动通信的目标以及研发情况，接下来介绍正交频分 复用系统的发展和应用现状，最后介绍一下本论文的选题、主要工作和基本结 构。 北京邮电大学博士研究生学位论文第一章引言 1 1 移动通信发展简史 1 9 4 5 年，贝尔实验室提出蜂窝移动通信的概念。3 ，但其移动台的控制乃至 整个控制系统的实现都是十分复杂的。七十年代，半导体技术的成熟，大规模 集成电路器件和微处理器技术的发展，为蜂窝移动通信的实现提供了技术基础 和实用化的可能。于是在1 9 7 8 年，在芝加哥出现了一个蜂窝移动系统，即a m p s ( a d v a n c e dm o b i l ep h o n es y s t e m ，高级移动电话系统) ，这就是利用模拟传 输方式实现话音业务的世界上第一代移动通信系统。尔后，欧洲瑞典也于1 9 8 1 年9 月开通了n m t ( n o r t he u r o p em o b i l et e l e p h o n e ，北欧移动电话) 系统， 英国接着开通了t a c s 系统( t o t a la c c e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，全接入通 信系统) ，德国开通了c 一4 5 0 系统，等等。从此，移动通信开始进入了新的发 展阶段。 第一代蜂窝移动通信系统是模拟通信，它以话音业务为主，以模拟电路单 元为基本模块，采用了蜂窝结构，频带可以重复利用，增大了系统的容量，实 现了大区域覆盖，还保证了移动环境下的不间断通信。可以说，蜂窝移动通信 的出现是移动通信的一次革命。另一方面，这一新生事物不可避免的存在某些 不足，比如频谱利用率低、通信容量有限；通话质量相对较差；保密性差；制 式太多、标准不统一，互不兼容：不能提供自动漫游；不能提供非话音业务等， 这使得第一代蜂窝移动通信系统逐渐被淘汰，第二代移动通信系统的出现成为 必然。 g s m 数字移动通信系统是在蜂窝系统的基础上发展而成，它是由欧洲主要 电信运营商和制造厂家组成的标准化委员会设计出来的。早在1 9 7 8 年，欧洲 的爱立信公司开始研究数字蜂窝移动通信系统。1 9 8 2 年，为了全欧洲实现移动 电话漫游，建立种公共的移动通信系统，北欧国家向欧洲邮电行政大会 ( e u r o p e a nc o n f e r e n c eo fp o s t a la n dt e l e c o m m u n i c a t i o n s ，简称c e p t ) 提 交了一份建议书，要求制定9 0 0 m i l z 频段的公共欧洲电信业务规范，于是成立 了一个在欧洲电信标准学会( e u r o p e a nt e l e c o m m u n i c a t i o n s s d a n d a r d s i n s t i t u t e ，简称e t s i ) 技术委员会下的g s m 小组( g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l e c o m m u n i c a t i o n ，全球移动通信系统) ，来制定有关的标准和建议书。爱立信在 其先期开发的基础上提出了t d m a 数字蜂窝方案建议，被c e p t 接受和修改成为 后来的g s m 标准，并于1 9 9 2 年正式开始建立第一个运营网，从此移动通信跨 入了第二代数字移动通信时代。g s m 现在已经成为第二代数字移动通信主要标 准之一，用户数居全球首位。除了欧洲的g s m 以外，第二代移动通信系统采 用时分多址技术t d m a ( t i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 体制的还有，美国的 北京邮电大学博士研究生学位论文第一章引言 d - a m p s 和日本的p d c ；采用窄带码分多址体制的主要为美国的i s 一9 5 h 。 d - a m p s 是在原a m p s 基础上改造而成的一种数字移动通信技术，1 9 8 9 年由 美国电信产业协会( t e l e c o m m u n i c a t i o ni n d u s t r ya s s o c i a t i o n ，简称t i a ) 完成技术标准i s 一5 4 制定工作，1 9 9 3 年正式投入商用，目前，其规范已由i s - 5 4 发展成为i s 一1 3 6 和i s 一1 3 6 h s ”。 p d c ( p e r s o n a ld i g i t a lc e l l u l a r ) 由日本的无线电产业协会( a s s o c i a t i o n r a d i oi n d u s t r i e sa n db u s i n e s s e s ，简称a r i b ) 于1 9 9 0 年确定为技术标准， 1 9 9 3 年3 月正式投入商用。 c d m a ( c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ，简称码分多址) 为美国o u a l c o m m ( 高通) 公司在扩频技术的基础上发展起来的一种移动通信技术，最初用于军 事，后来才开始引入公用无线通信。1 9 9 1 年，t i a 着手定义这一规范，1 9 9 3 年7 月，公布了i s 一9 5 的空中接口标准，现已在美国、韩国、中国等国商用。 采用数字传输方式的第二代移动通信系统采用了更好的语音信号压缩算 法：有更高的频谱利用率；语音、数据和传真可集成在一个系统中；采用纠错 编码技术提高通信质量；对数字信号进行加密以确保安全；可以进行漫游等等。 对第二代移动通信系统( g s m 及i s 一9 5c d m a ) 来说，其核心网仍然以电路交换 为基础，因此，语音业务仍然是其承载的主要业务，随着各种增值业务的不断 增长，二代系统也可以传输低速( 9 6 或1 4 4 k b i t s ) 的数据业务。经过十余 年的发展，g s m 取得了空前的成功，目前，其市场份额最高。c d m a 是由美国提 出的第二代移动通信系统标准，直接扩频和抗干扰性是其突出的特点”1 。第二 代系统进一步向第三代系统演变，提供更先进的业务，这些演变的系统通常被 称为2 5 代系统。例如h s c s d ( h i g hs p e e dc i r c u i t s w i t c h e dd a t a ) 、g p r s ( 通用分组无线业务，g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) 、e d g e ( e n h a n c e dd a t a r a t e sf o rg s me v o l u t i o n ) 等。第二代数字移动通信系统带宽有限，限制了 数据业务的应用，也无法实现可视电话以及多媒体业务。同时，由于世界上各 国第二代数字移动通信标准不统一，因而无法进行全球漫游，发展新一代移动 通信技术势在必行。 1 2 第三代移动通信的发展 i t u ( i 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 ，国际电信同盟) 早在 1 9 8 5 年就提出了第三代移动通信系统( 3 “g e n e r a t i o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o n 北京邮电大学博士研究生学位论文第一章引言 s y s t e m ，简写为3 g ) 的概念，最初命名为f p l m t s ( f u t u r ep u b l i cl a n dm o b l l e t e l e p h o n es y s t e m ，未来公共陆地移动通信系统) ，后在1 9 9 6 年更名为i m t 一2 0 0 0 ( i n t e r n a t i o n a lm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n s2 0 0 0 ) 0 1 。第三代移动通信系 统的目标是：全球统一频段、统一标准，全球无缝覆盖，高频谱效率、高服务 质量和高保密性能，易于从第二代系统过渡和演进，与固定网络各种业务相互 兼容；在全球范围内使用的小终端；具有全球漫游能力；支持多媒体功能及广 泛业务的终端”3 。为了实现上述目标，对第三代无线传输技术( r a d i o t r a n s f e r r i n gt e c h e n o l o g y ，r t t ) 提出了更高的要求，如：支持高速多媒体 业务，可实现全球漫游，使任意时间、任意地点、任意人之间的交流成为可能； 能够实现高速数据传输；具有更大的容量和覆盖范围；比现有系统有更高的频 谱效率；可变速率( 高速移动环境：1 4 4 k b p s ，室外步行环境：3 8 4 k b p s ，室内 环境：2 m b p s ) 和高数据率；分组和数据交换业务；支持多种同步业务；除了 可以进行普通的寻呼和通话外，还可以实现上网读报纸、查信息、下载文件和 图片等基本要求。由于带宽的提高，第三代移动通信系统还可以传输图像，提 供简单的可视电话业务“。 目前，3 g 在世界上已经形成三大标准：w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 、t d s c d m a 。 w c d m a 标准主要是在3 g p p 组织中讨论，形成一致意见后才提交i t u 讨论。 3 g p p 的第一个标准是w c d m a 系统的r 9 9 版本，从1 9 9 9 年1 2 月开始每3 个月更 新一次，直到2 0 0 1 年6 月w c d m a 系统的r 9 9 版本基本完善和稳定。此外，目 前3 g p p 中还有w c d m a 系统的r 4 、r 5 和r 6 三个版本。 c d m a 2 0 0 0 是从i s 一9 5c d m a 的基础上演进而来的一种第三代移动通信技术， 其空中接口标准包含e d m a 2 0 0 0 - l x 、以及其支持数据通信的演进升级版本 c d m a 2 0 0 0 一l xe v d o 和同时支持话音和数据通信的升级版本e d m a 2 0 0 0 1 xe v d v 【l 叼 d t d s c d m a 是由中国信息产业部电信科学技术研究院( c a t t ) 代表中国提出 的第三代移动通信标准。t d s c d m a 技术在经历了融合与完善后，于2 0 0 0 年5 月正式被i t u 确认为国际第三代移动通信标准。2 0 0 1 年4 月完成了在3 g p p 的 标准工作，t d s c d m a 事实上已经成为第三代移动通信系统中世界唯一的t d d 标准。国际电联为t d d 专门划分的频段将完全被t d s c d m a 使用，为t d s c d m a 走向全世界铺平了道路，也为t d s c d e 在世界漫游创造了条件。 目前，由于第三代移动通信标准版本的不断更新，设备( 包括手机) 的复 杂度较高，业务的支撑系统和价值链复杂等原因，第三代移动通信系统的商用 化在不断推迟。 北京邮电大学博士研究生学位论文第一章引言 1 3 后三代移动通信的研发现状及其核心技术 到目前为止，第二代移动通信系统在全球范围内还在广泛地使用，而第三 代移动通信系统仅仅在欧洲部分国家、日本和韩国等少数国家投入商用，且其 网络、接入和终端及其所开展的业务有待进一步完善。我国的第三代移动通信 系统正在进行测试阶段，并且目前测试的基本传输速率要求只有1 4 4 k b i t s 。 现在，用户对移动通信系统的速率要求越来越高，而3 g 系统实际所能提供的 最高速率也大都只有3 8 4 k b i t s ，不能满足用户的实际需求。 在3 g 系统还没有大规模投入商用的情况下，国内外移动通信领域的专家 已经在进行新一代( 统称后三代，b e y o n d3 g ，简写为b 3 g ) 移动通信系统的研 究和开发工作，并逐步成为移动通信领域的研究热点。例如，9 0 年代早期欧洲 就开始b 3 g 移动通信系统的研究，其目标速率是l o o m b i t s ，预期在2 0 1 0 年左 右投入试验商用。日本在2 0 0 0 年成立了一个特别委员会，领导日本的有关政 府部门、大学研究机构和工业部门，从事b 3 g 系统的研究工作和制定b 3 g 的有 关标准。日本n t t 的d o c o m o 公司已经于2 0 0 2 年成功研制出一个包含移动终端 和基站的b 3 g 空中接口实验系统，并在该系统上成功地进行了有关传输和实验。 a t & t 已经开发了名为b 3 g 接入的实验网络。n o r t e l 正进行软件无线电功率放 大器技术的研究，而h p 实验室正在进行b 3 g 网络上传输多媒体内容的相关研 究。“。e r i c s s o n 在美国加州大学投入了i 0 0 0 万美元从事b 3 g 移动通信技术的 研究。i t u - r 的w p 8 f 工作组认为新一代移动通信系统将在2 0 1 0 年左右投入商 业运营。 一般说来，作为新的移动通信系统，人们对b 3 g 的要求会比以往几代移动 通信的要求更高，具体如下 ( 1 ) 更快的信息传输速率、更宽的带宽和更大的容量 b 3 g 的目的是提高移动台访问i n t e r n e t 的速率，因此b 3 g 通信的主要特点 就是更快的信息传输速率，b 3 g 移动通信系统的速度可达到l o 一2 0 m b i t s ，甚 至l o o m b i t s 或者更高“，远远高于3 g 的1 4 4 k b i t 一2 m b i t s 传输速率。据估 计，每个b 3 g 信道将占有2 0 m h z i o o m h z 或更多的带宽，使用频段将在2 8 g h z 的范围内，要比3 g 的1 8 0 0 - 2 4 0 0 m h z 高很多。有关专家预测，1 0 年后， 每个人所获取的信息要比今天至少高3 4 个数量级，而3 g 的容量将不能满足 这种增长的业务量需求，所以在b 3 g 里将采用新的无线接八和网络技术来极大 地提高系统的容量，来满足未来大信息量的需求。 北京邮电大学博士研究生学位论文第一章引言 ( 2 ) 智能性和兼容性 b 3 g 系统的智能性应更高，它将能自适应地进行资源分配，处理变化的业 务流和适应不同的信道环境。在b 3 g 网络中的智能处理器，将能够处理节点故 障或基站超载；b 3 g 通信终端设备的设计和操作也将具有智能化。 另外，b 3 6 接入系统应该与目前存在的3 g 网络、无线局域网( w i r e l e s s l o c a la r e an e t w o r k ) 、固定网络及卫星通信之间能进行无缝漫游，实现真正 意义的全球漫游。 ( 3 ) 能实现更高质量的多媒体通信和不同q o s 的业务 b 3 g 通信系统能提供的无线多媒体通信服务，包括语音、数据、多媒体等 业务，大量信息通过无线信道传送出去，因此，b 3 g 要实现一种实时和非实时 的、宽带的以及无缝覆盖的多媒体无线通信。 b 3 g 通信系统还应该通过动态地分配带宽和速率、动态地调节发射功率来 提供不同质量的业务“。 从技术角度看，第四代移动通信系统的关键技术不仅要包括2 g 、3 g 中使 用的部分重要的技术，还要包括一些新的调制、天线、软硬件、资源管理、网 络结构、甚至是系统结构的技术，例如： ( 1 ) 核心技术 b 3 g 移动通信系统必须具备高速率、高频谱效率、大容量的多媒体数据传 输能力。在无线环境下高速数据传输会产生严重的频率选择性衰落，而正交频 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 ，简称o f d m ) 技术采 用并行传输方式，不仅具有很高的频谱效率，而且可以克服这种频率选择性衰 落。 可以说，第三代移动通信系统主要是以c d m a 为核心技术，而后三代移动 通信系统核心技本则以o f d m 最受瞩目，目前已有不少专家学者针对o f d m 技术 在移动通信上的应用提出了相关的理论和方案“6 ”“3 。 另外，c d m a 技术也将会在b 3 g 中得到应用。在n t td o c o m o 已经进行的b 3 g 实验系统中，其核心技术就是o f d m 和c d m a “。 ( 2 ) 其它信号传输技术和管理机制 b 3 g 仍然会采用自适应均衡器、r a k e 接收、跳频、高性能前向纠错( f e c ) 编码( 如t u r b o 编码) 、自动重发请求( a r q ) 、天线和分集接收等技术，来获 取更好的信噪比( s i g n a ln o i s er a t i o ) 。此外，电池功率的限制也必须突破。 b 3 g 系统将采用高效的自动功率控制技术( 包括话音激活技术) 以延长用户终 端电池的寿命。多用户检测技术可以提高系统的容量，因此将是b 3 g 系统必然 采用的技术。 北京邮电大学博士研究生学位论文第一章引言 天线和分集技术包括：智能天线、发射分集、m i m o 等多种技术。其中的智 能天线技术将在b 3 g 中得到普遍的应用。智能天线具有抑制信号干扰、自动跟 踪以及数字波束调节等智能功能，并且，智能天线成形波束能在空间域内抑制 交互干扰，增强特殊范围内想要的信号，所以这种技术既能改善信号质量又能 增加传输容量。 另外，在b 3 g 移动通信系统中，移动终端可能在不同系统和平台间进行移 动通信。因此，对移动终端的定位和跟踪，是实现移动终端在不同系统和平台 间无缝连接和系统中高速率、高质量的移动通信的前提和保障。在b 3 g 通信系 统中，切换技术的适用范围更为广泛，并朝着软切换和硬切换相结合的方向发 展。 ( 3 ) 软件无线电 软件无线电是将标准化、模块化的硬件功能单元经过一个通用硬件平台， 利用软件加载方式来实现各种类型的无线电通信系统的一种具有开放式结构 的新技术“。通过下载不同的软件程序，在硬件平台上可以实现不同的功能， 用以实现在不同的系统中利用单一的终端进行漫游，它是解决移动终端在不同 系统中工作的关键技术，所以在b 3 g 中是必不可少的。 ( 4 ) 网络结构与协议 b 3 g 将突破3 g 采用的蜂窝这个概念，发展以数字宽带( d i g i t a lb r o a db a n d ) 为基础的网络，成为一个集无线l 脒、蜂窝、大区制无线宽带网络的混合网络， 这种基于i p 技术的网络架构使得在3 6 、b 3 g 、w - l a n 、固定网之间的漫游得以 实现。b 3 g 系统网络体系结构包括了适用于i p 分组传输的空中接口、位置寄存、 网络配置、无线q o s 控制、集成式3 g w l a n 无缝业务