（微电子学与固体电子学专业论文）适用于imtadvanced系统的综合优先级计算方案研究.pdf

适用于i m t a d v a n c e d 系统的综合优先级计算方案研究 摘要 i m t a d v a n c e d 移动通信系统将是一个支持高速多媒体业务的全 i p 传输通信系统 它不仅可提供从低速到高速的移动性的应用和很宽 范围的数据速率 满足多种用户环境下用户和业务的需求 还可提供 q o s 显著提升的高质量多媒体应用 在业务种类和特性上 i m t a d v a n c e d 系统将提供更为灵活 多样化 个性化的业务和应用 这就对q o s 提出了更高的要求 而优先级又是q o s 中重要的一环 它指系统为满足业务需求 保证用户q o s 为其分配的服务顺序 因 此对于如何对优先级进行定位 对提高频谱效率和保证q o s 就显得 尤为重要了 针对现有通信系统未考虑多种优先级范畴的联系 涉及影响因素 较少以及非实时用户避让过多等问题 本文结合i m t o a d v a n c e d 系统 的特点 通过对大量国内外最新科研成果和资料进行整理和深入分 析 提出自己的创新点 论文的贡献总结如下 本文提出了综合优先级计算方案 i n t e g r a t e dp r i o r i t yc o m p u t i n g i p c 联合考虑用户呼叫类型与业务属性两种因素的影响 并综合研 究其它方面因素 突破以往研究中计算优先级考虑因素比较单一的局 限 建立优先级体系 重新定义静态 动态综合优先级 确定不同业 务不同呼叫类型用户的服务优先级的关系 同时本文中基于应用o f d m 技术的i m t a d v a n c e d 仿真平台对方 案进行了正确性和有效性的研究 仿真结果表明通过理论f a h p 算法 计算得到的评价参数权重组合v 对应的系统的综合性能最好 理论 分析与仿真结果相符 该d i p c 算法具有可行性 仿真结果也表明 i m t a d v a n c e d 系统的切换掉话率降低 新呼叫阻塞率有下降 提升 了i m t a d v a n c e d 系统的整体性能 关键字 综合优先级 i m t a d v a n c e d q o s 模糊层次分析法 非实 时用户避让 a n o v e li n t e g ra t e dp r o r i t yc o 口u t i n g s c h e m 匣f o ri m t a d v a n c e ds y s t e m a b s 眦c t a si pa n dm o b i l ec o m m u n i c a t i o nh a r m o n i z e f u t u r ei m t a d v a n c e d m o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mw i l lb ef u l l i ps y s t e ms u p p o r t i n gh i g h s p e e dm u l t i m e d i as e r v i c e s i t i sn o to n l ya v a i l a b l ef o rl o wo rh i g h m o b i l i t ya p p l i c a t i o n s a n daw i d er a n g eo fd a t as e r v i c e s m e e t i n g s u b s c r i b e rn e e d si nm u l t i p l ee n v i r o n m e n t b u ta l s oc a np r o v i d eh i 曲q o s m u l t i m e d i aa p p l i c a t i o n s s i n c e i m t a d v a n c e dw i l lp r o v i d e m o r e f l e x i b l e d i v e r s i f i e da n dp e r s o n a l i z e ds e r v i c e s w h i c hm a k e sq o s g u a r a n t e et e c h n o l o g yh i g h e rc o m p l e x i t y p r i o r i t yp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nd e c i d i n gq o s w h i c h m e a n st h e s e r v i c eo r d e rf o ru s e rd i s t r i b u t e db ys y s t e m t oe n s u r e u s e rq o s t h e r e f o r e t h ed e t e r m i n a t i o no fp r i o r i t yi sp a r t i c u l a r l yi m p o r t a n tt o i m p r o v e t h es p e c t r u me f f i c i e n c ya n du s e rq o s i n l i g h to ft h es i m p l i c i t y o fu s e rp r i o r i t y si n f l u e n c i n gf a c t o r s w i t h o u tc o n s i d e r i n gr e l e v a n c y a n dt h e e x c e s s i v e l ya v o i d i n g o t n o n r e a l t i m eu s e ri n e x i s t i n g c o m m u n i c a t i o ns y s t e m t h i sp a p e r p r o p o s e san o v e ls c h e m eb yc o l l e c t i n ga n di n d e p t ha n a l y z i n gal a r g e n u m b e ro ft h el a t e s ts c i e n t i f i cr e s e a r c h t h i sp a p e rp r o p o s e si n t e g r a t e dp r i o r i t yc o m p u t i n g i p c s c h e m e w h i c hi si n t e g r a t e dw i t hq o sc h a r a c t e r i s t i c so ft h ei m t a d v a n c e ds y s t e m t h i ss c h e m ei n t r o d u c e sap r i o r i t ys y s t e ms t r u c t u r ei n c l u d i n gs t a t i c i n t e g r a t e dp r i o r i t ya n dd y n a m i ci n t e g r a t e dp r i o r i t yb yc o m p r e h e n s i v e l y t a k i n gi n t oa c c o u n tm u l t i p l ef a c t o r s s u c ha ss u b s c r i b e rc a l lt y p e s e r v i c e c h a r a c t e r i s t i ca n ds oo n a n da d o p t si t e r a t i o nm e t h o da n df u z z ya n a l y t i c h i e r a r c h yp r o c e s s f a h p t od e t e r m i n eu s e ri n t e g r a t e dp r i o r i t yb e t w e e n u s e r so fd i f f e r e n ts e r v i c e sa n dc a l lt y p e s i m t a d v a n c e ds 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 d r e a l i z e di n t h i sp 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 r s c h e m ei sr e s e a r c h e db a s e do ni t t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h e t h e o r e t i c a le v a l u a t i o np a r a m e t e r sw e i g h tvc a l c u l a t e db yf a 肿a l g o r i t h m c o r r e s p o n d s t h e b e s ts y s t e mp e r f o r m a n c e w h i c h p r o v e st h e o r e t i c a l a n a l y s i sm a t c h e ss i m u l a t i o nr e s u l t s d i p cs c h e m ei se f f e c t i v e a n da l s o t h er e s u l t ss h o wt h a td i p cs c h e m ec a nr e d u c eh a n d o v e rd r o p p i n g p 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 i m p r o v ei m t a d v a n c e d s y s t e mp e r f o r m a n c e k e yw o r d s i n t e g r a t e dp r i o r i t y i m t a d v a n c e d q o s f u z z ya n a l y t i c h i e r a r c h yp r o c e s s n o n r e a l t i m eu s e ra v o i d a n c e 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 本人签名 i 虱丝 本人承担一切相关责任 日期 坦 圭 l 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 日期 日期 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 科学技术的飞速发展给人们的生活带来了日新月异的变化 而通信技术的进 步更是对社会的文明与进步产生着深刻的影响 在过去几十年里 移动通信发生 了重大的变化并得到迅速的发展 特别是蜂窝小区的迅速发展 使用户彻底摆脱 终端设备的束缚 实现充分的个人移动性 可靠的传输和接续方式 经历了第一 代模拟移动通信系统 第二代数字移动通信系统和目前已商用的第三代宽带数字 移动通信系统 以及研究进入白热化的后三代移动通信系统 b e y o n d3 g 或第四 代移动通信系统 i m t a d v a n c e d 具体可以归纳为以下几个阶段 1 1 2 1 第一代移动通信系统 1 g 出现于2 0 世纪8 0 年代早期 主要采用的是模拟技术和频分多址 f d m a 技术 主流技术包括北美的a m p s 先进移动电话业务 欧洲的t a c s 全接 入系统 北欧的n m t 北欧移动电话 日本的n t t 日本电话和电报 等 但由于受到模拟信号传输带宽所限以及各个国家空中接口标准不统一 不能进行 移动通信的跨国漫游 同时也没有明确的网络结构和统一的接口标准 各个厂家 自行其是 不同厂商的设备根据无法互连 2 第二代移动通信系统 2 g 出现于8 0 年代末和9 0 年代初期 主要采用的t d m a g s m 系统 和窄带 c d m a i s 9 5 技术 系统容量远高于第一代移动通信系统 业务质量与有线 通信系统相当 业务种类上从单一话音转变到可以提供话音 中低速数据业务 在接口规范的制定上充分考虑了国际漫游的需要 形成了统一的区域性的国际标 准 同时也规定了明确的网络结构和系统接口标准 使不同厂商间设备的互连变 得简单易行 但随着人们对通信业务范围和业务速率要求不断提高 推动了第三 代移动通信系统的发展 3 第三代移动通信系统 3 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 nu n i o n t g s 1 早在19 8 5 年就提出了第 三代移动通信系统的概念 最初命名为f p l m t s 未来公共陆地移动通信系统 后在19 9 6 年始名为i m t 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 在欧洲称为全球移动通信系u m t s u n i v e r s a lm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n s y s t e m 是工作于2 g h z 频段的宽带移动通信系统 其多址方式的主流为宽带 c d m a 技术 在空中接口和核心网上又集中了许多的新技术 在核心网上使用 第l 页 北京邮电大学硕士研究生论文 了电信网络和计算机网络的a t m 和移动i p 技术 实现了话音 电路交换和分组 交换数据的多媒体传输 使移动用户可以方便灵活地接入到电信网和i n t e m e h 在终端和无线接入网上使用了智能天线 多用户检测 t u r b o 编码 软件无线电 等新技术 这些新技术的使用极大地增加了系统容量 发送了传输质量 降低了 功耗和干扰 使第三代移动通信系统可以在复杂的传输环境中提供比第二代移动 通信系统更大的系统容量和更高的服务质量 简单概括起来 第三代移动通信系 统的主要特点有 第一 全球化的系统 在世界范围内能够促成高度设计共同性的全球标准 能同时容纳不同的系统 可在世界范围内使用一个小型袖珍终端 具有世界统一 的频段和基于终端移动性的全球漫游特性 第二 提供比第二代系统更多的新的语音和数据业务 包括分组数据和多媒 体业务 其服务质量好 保密性高 能按需提供带宽 支持各种数率的业务 包 括低速寻呼 语音以及与视像和文件传送有关的高速业务 快速移动环境 最高 速率达1 4 4 k b s 室外到室内或步行环境 最高速率达3 8 4 k b s 室内环境 最高 速率达2 m b s 具有支持上行和下行数据速率不对称的能力 第三 具有系统从第二代系统演进 用户从第二代系统过渡以及在i m t 2 0 0 0 系统内部演进的灵活性 在其内部以及固定网之间的业务可相互兼容 具有能使 移动网业务不断扩充并能获取固定网业务和设施的构架 第四 具备适应多环境能力 i m t 2 0 0 0 在不同网络之间具有互通性 可向 用户提供大覆盖 无缝漫游和业务一致性 它综合地面与卫星通信网络 可在任 何一个覆盖区内由多个网络提供业务 4 第四代移动通信系统 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 日本 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i 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 将是基于i 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 第2 页 北京邮电大学硕士研究生论文 高性能的收发信机和多用户检测技术等 1 2 本文主要研究内容及论文创新性 随着口与移动通信标准的结合 i m t a d v a n c e d 移动通信系统将是一个支持 高速多媒体业务的全i p 传输通信系统 它不仅可提供从低到高的移动性的应用 和很宽范围的数据速率 满足多种用户环境下用户和业务的需求 还可提供q o s 显著提升的高质量多媒体应用 f t p h r r p 视频流 v o i p 和游戏等业务 在 业务种类和特性上 i m t a d v a n c e d 将提供更为灵活 多样化 个性化的业务和 应用 这就对q o s 提出了更高的要求 而优先级又是q o s 中重要的一环 它指 系统为满足业务需求 保证用户q o s 为其分配的服务顺序 因此对于如何提高 频谱效率和保证q o s 对优先级进行定位就显得尤为重要了 根据以往研究 优先级可从以下两个角度进行分类 根据类别不同 优先级 可分为用户呼叫类型优先级和业务属性优先级 用户呼叫类型优先级是根据用户 的呼叫类型如已接入用户 切换用户 新呼叫用户来划分 在以往的研究中 已 接入用户的优先级大于后面两者 切换用户的优先级高于目标小区的新呼叫 1 3 1 1 4 1 业务属性优先级是根据业务的基本q o s 参数时延 时延抖动 包丢失率 吞吐量等决定 其中时延特性是被关注最多的因素 比如 对时延敏感的实时业 务的优先级高于非实时业务 基于时延的优先级定位可保证对实时性要求比较高 的业务 用户提供高的级别 以获得实时交互的效果 从而提高其传输质量 l 5 j u 6 j 此外 目前的研究表明 为了取得更好的服务质量和付出更小的代价 业务和用 户的优先级在传输过程中是可以改变的 例如 非实时业务的优先级可以随着等 待服务时间的增长而逐渐增大 根据传输过程中优先级是否变化 优先级又可分 为静态和动态两种 静态优先级指在业务存在过程中 从系统角度出发用户优先 级相对不变 例如已接用户优先级大于切换用户优先级 大于新用户优先级 实 时用户优先级大于非实时用户优先级 而动态优先级指在服务过程中 用户优先 级根据传输过程中业务等待时间的改变而变化 例如随着等待时间的增加切换用 户的优先级逐渐提升 大于相同业务类型的优先级 现有的优先级定位方法存在以下的一些局限 1 将用户呼叫类型优先级与 业务属性优先级分化开来考虑 忽略了二者的彼此关联的情况 比如正在进行数 据文件下载 对时延的要求不高 的切换用户的优先级并不一定高于新呼的语音 或视频用户 2 虽然在文献中阐述了优先级动态变化的思想 考虑了等待时间 对用户优先性的影响 但是并没有打破以往的局限 考虑的影响业务优先级的参 数比较单一 i m t a d v a n c e d 系统q o s 的衡量将是一个动态的多指标系统 1 7 3 3 1 第3 页 北京邮电大学硕士研究生论文 不同的业务具有由多种特征参数所组成的特征集 接入网络与移动终端的状态均 处于不断变化之中 网络资源状态 用户移动模式等多种动态变化的参数对q o s 的满足均存在着直接的影响 此外 目前的实时业务相对于非实时业务存在优先 级过高的问题 导致非实时业务被迫在缓冲区等待 产生过多的 非实时业务避 让 现象 降低了系统的传输效率和用户的服务质量 因此 除了业务驻留时间 以外 其它因素同样可以改变优先级的大小 业务优先级应该是综合网络 业务 用户的多种因素动态变化的 鉴于上述的分析 本文提出了综合优先级计算方法 i n t e g r a t e dp r i o r i t y c o m p u t i n g i p c 联合考虑用户呼叫类型与业务属性两种因素的影响 并综合 研究其它方面因素的影响 突破以往研究中计算优先级考虑因素比较单一的局 限 建立优先级体系 重新定义静态 动态综合优先级 确定不同业务不同呼叫 类型用户的服务优先级的关系 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 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i m t a d v a n c e d 移动通信系统做了简要的介绍 然后详细论述 了i m t a d v a n c e d 系统的特点及系统中采用的关键技术 如o f d m 技术和全i p 技术 第三章介绍了综合优先级计算方案 首先分析了i m t a d v a n c e d 系统业务特 点 然后论述了现有优先级算法存在的问题 最后从优先级影响因素的确定 静 态综合优先级和动态综合优先级三个方面对综合优先级计算切换方案进行了详 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综合优先级计算方案的性能 通过借助雷达 分析法和对比其他算法 验证了该方案的正确有其事性和有效性 最后一章总结了论文所做的工作 并简要讨论了新型方案对i m t a d v a n c e d 系统的影响 探讨了进一步的研究工作方向 第4 页 北京邮电大学硕士研究生论文 第2 章i m t a d v a n c e d 移动通信系统简介 同3 g 等已有的数字移动通信系统相比 i m t a d v a n e e d 系统应具有更高的数 据率 更好的业务质量 q o s 更高的频谱利用率 更高的安全性 更高的智 能性 更高的传输质量 更高的灵活性 i m t a d v a n c e d 系统应能支持非对称性 业务 并能支持多种业务 i m t a d v a n c e d 系统应体现移动与无线接入网和p 网 络不断融合的发展趋势 因此i m t a d v a n c e d 系统应当是一个全p 的网络 本章 对i m t a d v a n c e d 系统特点及采用的关键技术 正交频分复用 o f d m 技术 多入多出 m i m o 技术和全口技术进行了重点研究和分析 2 1i m t a d v a n c e d 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 i m t a d v a n c e d 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 i m t a d v a n c e d 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 宽带无线局域网 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 i m t a d v a n c e d 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i m t a d v a n c e d 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i m t a d v a n c e d 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i m t a d v a n c e d 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 第5 页 北京邮电大学硕士研究生论文 要想使i m t a d v a n c e d 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i m t a d v a n c e d 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i m t a d v a n e e d 信道将占用约1 0 0 m h z 的频谱 相当于w c d m a 3 g 网络的2 0 倍 3 通信更加灵活 从严格意义上说 i m t a d v a n c e d 手机的功能已不能简单划归电话机的范畴 因为话音数据的传输只是i m t a d v a n c e d 移动电话的功能之一而已 而且 i m t a d v a n c e d 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i m t a d v a n c e d 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i m t a d v a n c e d 通信的终端设备 的设计和操作具有智能化 更重要的是i m t a d v a n c e d 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i m t a d v a n c e d 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i m t a d v a n c e d 通信 因此 i m t a d v a n c e d 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 i m t a d v a n c e d 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i m t a d v a n c e d 也称为多媒体移动通信 第6 页 北京邮电大学硕士研究生论文 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 和固定网络之间无缝隙漫游 实现真正意义上 的全球漫游f 1 8 1 9 1 2 2i m t a d v a n c e d 关键技术 下面将对l m t a d v a n c e d 移动通信系统采用的一些关键技术进行介绍 2 2 1 正交频分复用技术o f d m 2 2 1 1o 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i 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 l 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 l 2 2 i 2o f d m 的关键技术 1 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 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 第7 页 北京邮电大学硕士研究生论文 1 0 l o g n 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 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间干扰造成的 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 证载波间的正交性 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 图2 1 频率误差造成o f d m 系统产生载波间干扰 3 3 1 时间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 t 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 符号间干扰 i s i 越翁皴爱f f t 处理留蘧避放置秘可缝璎宦 瓦 r 一 图2 2f f t 处理窗位置与o f d m 符号时序的相对关系 3 3 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 第8 页 北京邮电大学硕士研究生论文 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 接收端侧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 2 1 2 引 2 2 1 3o 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间弥散所带来的i s i 降低了接收 机均衡器的复杂度 如果保护间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 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 易受频率偏差的影响 第9 页 北京邮电大学硕士研究生论文 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 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 2 2 2 多入多出m i m o 技术 m i m o m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t 系统 该技术最早是由m a r c o n i 于 1 9 0 8 年提出的 它利用多天线来抑制信道衰落 m i m o 技术的空间复用就是在 接收端和发射端使用多个天线 充分利用空间传播中的多径分量 在同一频带上 使用多个数据通道 m i m o 子信道 发射信号 从而使得容量随着天线数量的增 加而线性增加 这种信道容量的增加不占用额外的带宽 也不消耗额外的发射功 率 因此是增加信道和系统容量的一种非常有效的手段 2 9 1 1 3 0 l m i m o 的核心思想是空时信号处理 即在原来时间维的基础上 通过使用多 副天线来增加空间维 从而实现多维信号处理 获得空间复用增益或空间分集增 益 m i m o 技术通过在发射端和接收端同时配置多个天线 可以大幅度地提高信 道的容量 理论证明 当m i m o 信道的天线间的信道衰落彼此独立时 信道的 容量和收发两端的最小天线数成正比 m i m o 技术可以分为两种不同的类型 一 是空间复用以提高频谱利用率 二是发送分集以提高系统的传输性能 第1 0 页 北京邮电大学硕士研究生论文 2 2 2 1 第一类m i m o 空间复用 第一类m i m o 就是将高速数据源按照天线的数目进行串并变换为若干子数 据流 独立进行编码调制 分别从各自的天线发送出去 如图2 3 所示 萋 辇 薹 董一 器i x k b 3 鼍 董 蒌一 图2 3m i m o 系统原理图 3 0 信息序列经过处理对应形成相应信息流 根据天线的数目n 进行串并变换 分成n 路信号 各自经过星座映射和调制后分别在n 个对应发送天线上发出 经由无线信道传输送达接收端 接收端以相同的天线数对应接收 即每个天线只 解调出与自己对应的天线发送的信号 然后几个天线解出的信号再经过串并变换 合成一个高速数据流 可以看出 该方案充分利用了多个天线带来的信道容量来提高数据的传输速 率 但并没有利用分集来提高传输可靠性 所以其追求的是传输速率的最大化 在不降低传输可靠性的情况下成倍的提高了系统的传输速率 适合高信噪比的信 道条件 2 2 2 2 第二类m i m o 发送分集 第二类m i m o 依靠多天线带来的信道容量用于发送冗余比特来提高传输性 能 利用空时编码技术达到分集效果 结合了编码 调制和分集技术 获得分集 增益的同时还可获得编码增益 用空时编码将信息源变成两路或多路信号 在传 输的速率不变的情况下 提高了系统传输的可靠性 其基本结构如图2 4 所示 丫 jv 料l p a a o s p a a 当 彤翌 t i m e t h n o e n c o d c fd f e i 魏妇 一 砷 k 图2 4 空时编译码m i m o 系统原理图 3 0 第1 l 页 北京邮电大学硕士研究生论文 主要的编码技术包括空时块码 s t b c s p a c e t i m eb l o c kc o d i n g 和空时格 码 s t t c s p a c e t i m e t r e l l i sc o d i n g 空时块码可以在获得分集增益的同时降 低译码复杂度 空时格码主要是在信号点之间引入了相关性 但是相比s t b c 比 较复杂 下面介绍空时块码中最简单的一种a l a m o u t i 空时编码 如图2 5 所示 将经过星座映射的两个调制符号经过编码变成两路各两个符号 使其问保持了正 交性 接收端解码变得相对简单 2 9 1 1 3 0 1 2 2 3 全i p 技术 图2 5a l a m o u t i 空时块码 未来的i m t a d v a n c e d 系统总的技术目标和特点可以概括为 同3 g 等已有 的数字移动通信系统相比 i m t a d v a n c e d 系统应具有更高的数据率 更好的业 务质量 q o s 更高的频谱利用率 更高的安全性 更高的智能性 更高的传输 质量 更高的灵活性 i m t a d v a n c e d 系统应能支持非对称性业务 并能支持多 种业务 i m t a d v a n c e d 系统应体现移动与无线接入网和i p 网络不断融合的发 展趋势 因此i m t a d v a n c e d 系统应当是一个全i p 的网络 集成广播电视网络 无线蜂窝网络 无绳网络 无线局域网 w l a n 短距离应用的蓝牙等系统和 固定的有线网络为一体的全i p 网络结构 各种类型的接入网都能无缝的接入基 于i p 的核心网 核心网独立于各种具体的无线接入方案 能提供端到端的i p 业 务 能同已有的核心网和p s t n 共存 要实现全i p 的核心网有许多问题需要解 决 如鉴权 计费等 核心网应具有开放的结构 从而能允许各种空中接口接入 核心网 同时核心网应把业务 控制和传输等分开 2 2 3 1 全i p 网络结构 i m t a d v a n c e d 网络的主要功能有 无线接入网络和核心网络的连接层完成 移动性管理任务 完成各种无线接入网络之间以及网络内部间的互连 切换 q o s 协商 安全性和移动性管理 核心网络和各种新的无线接入网络及各种原 有的无线接入网络互通 1 1 1 6 第1 2 页 北京邮电大学硕士研究生论文 图2 6i m t a d v a n c e d 全i p 网络结构图 i m t a d v m a c e d 全i p 网络结构如图2 6 所示 其中m 核心网 通常称为c n 它不仅仅服务于移动通信 还作为一种统一的网络 支持有线和无线接入 主要 功能是完成位置管理和控制 呼叫控制和业务控制 i m t a d v a n c e d 无线接入网 i m t a d v a n c e d 融蛾 主要完成无线传输和无 线资源 移动性管理则是通过c n 和r a n 共同完成 移动的网络 m n 当一个处于移动的l a n 需要接入i m t a d v m a c e d 网络 时 就需要通过m n 进行接入 因此m n 就像一个为小型网络提供接入的网关 在i m t a d v a n c e d 系统中 网元间的协议是基于i p 的 每一个m t 移动终 端 都有各自的i p 地址 当i m t a d v a n c e d 网与其他的网络连接时 如p t s n i s d n 则需要网关进行连接 另外 与传统的2 g 3 g 接入网连接时也需