华中科技大学通信工程专业实习报告.doc

（生产）实习报告用纸目录一绪言二实习内容记述2.1实习时间2.2实习单位2.3实习地点2.4实习目的2.5导师简介2.6实习详述三专题内容分析3.1移动通信技术演进专题3.1.1 第三代移动通信系统（3G）3.1.2 第四代移动通信系统（4G）3.1.3 3G向4G演化的原因 3.1.4 3G与4G的比较3.1.5 3G向4G演化的路径3.1.6 第五代移动通信的提出3.1.7 第五代移动通信的特点3.1.8 5G中可能涉及的核心技术3.2 HAPS技术在5G通信中的应用专题3.2.1高空平流层平台站3.2.2 HAPS的优势3.2.3 HAPS的研究现状3.2.4 功率分配策略3.2.5 低仰角区的性能分析四学习收获、总结五对实习工作的改进意见一绪言二零一三年暑期（7月8日7月21日），我们小组在葛#老师的指导下在他工作的实验室进行了为期两周的生产实习。对于一名电子与信息工程系通信工程专业的本科生来说，这样的专业实习是我们专业学习的重要组成部分，我们都给予了非常高的重视。在这两周的实习生活中，我们以初步了解第五代移动通信（5G）为主要目的，在#学长的指导下，通过收集并阅读相关论文，查阅最新新闻资料，整合搜集的资料撰写综述性的论文来达到这一目的。加深了对专业课程所学知识的印象，达到了理论联系实际的作用；同时对通信领域比较前沿的技术有了一点点感知，对自己所处的领域有了更多真切的触碰，提高了继续学习的兴趣。收获颇丰，受益匪浅。实习过程中，我们小组查阅大量资料，完成了一篇移动通信技术演进方面的综述性论文；并且在#学长的分配布置下，每位成员就第五代移动通信某一技术方面完成了一篇综述性论文，这些内容都将在后面的报告中作相当详细的记载和说明。二实习内容记述2.1实习时间2013年7月8日2013年7月21日2.2实习单位电子与信息工程系通信探测研究所2.3实习地点华中科技大学西校区（紫菘百惠园旁边）通信探测研究所2.4实习目的作为信息大类各专业的一个重要分支，我所在的通信工程专业以通信过程中的信息传输和信号处理的原理和应用为主，与国民经济各部门和国防工业中通信技术的开发、应用息息相关，而第五代移动通信（5G）作为通信领域一个很有前景的研究方向，它的出现和成熟必将给国民经济和通信技术带来全方位的体验和革新。通信行业展示出的创造力和生命力令人振奋，刚刚步入这一领域的我们学好课本上的专业知识的重要性毋庸置疑，但是我们必须清楚地意识到这也是远远不够的。为了达到理论与实践相结合的目的，强化我们的专业知识，并且对通信领域的前沿技术有个初略的窥探和浅层次的把握，我们在葛#教授的实验室开展了这次颇具意义的暑期专业实习工作。在为期两周的实习生活中，葛教授详细的给我们介绍了他主要的研究方向和第五代移动通信的一些相关知识，让我们对接下来两周的任务有了一个大体的把握。然后在#学长的布置和具体指导之下，我们搜集大量相关资料，撰写论文，通过自身的整合学习进一步认识了第五代移动通信的一些热点话题。这些都是不可多得的实践财富，既强化了我们的专业素质和情报检索能力，又提供了很多实践经验。通过本次实习，我们也真切的体会到如何通过现有资源，快速的达到对某一陌生技术的感知与大体把握，增强了自己的学习能力，这些正是我们本次实习的最终目的所在。2.5导师简介华中科技大学电信系教授，博士生导师，通信与探测研究所副所长。2003年毕业于华中科技大学获通信与信息系统博士学位， 2004年担任韩国亚洲大学电子与计算机工程系研究员，2005年担任意大利都灵理工大学电子系博士后助理研究员。 2005年获意大利Galilei Grant，2009年获挪威政府奖学金资助短期访问挪威多所大学，2010年6-8月以visiting researcher身份访问英国Heriot-Watt University，2011年11月-2012年11月以Visiting Professor身份访问挪威University of Agder。近年来主持承担了10余项国家级科研课题和多项国际高水平科技合作项目。担任国家科技部和国家自然基金委项目评审专家，湖北省科技厅自然基金项目评审专家，IEEE高级会员（Senior Member），中国通信学会高级会员，中国电子学会高级会员。担任International of Communication Systems (John Wiley) （SCI收录）等5份国际期刊编委，是IEEE Communications Magazine，IEEE Trans. Wireless communications等国际期刊的审稿人，担任Executive Chair of the 2013 IEEE International Conference on Green Computing and Communications (GreenCom2013)以及IEEE CMC 2009-2012，ICCT 2011, VTC 2012，CITS 2012，IWCMC 2008等30多个国际会议的Symposium chair和TPC成员和审稿人，组织创建湖北省国际科技合作基地绿色宽带无线通信国际科技合作基地，并担任该国际合作基地负责人。目前主要研究方向是：移动通信，无线网络，绿色通信。2.6实习详述7月8日 上午：跟葛#教授见面，葛老师了解了大家的情况，给我们讲解其主要研究方向，详细给大家说明了实习任务和后续安排；安排我们跟訾然学长见面，并把任务的具体实施部分交由訾然学长分配安排。下午：#学长收集了大家的联系方式，并安排大家上网收集关于3G到4G、4G到5G的演进相关的论文和信息。7月9日 #学长布置第一周任务，要求写一篇综述性的文档，要求简要说明3G到4G的演进主要体现在哪些方面；详细说明4G到5G（B4G）的演进包含哪些方面，5G有哪些技术方面的突破。7月10号7月11号主要是完成论文前期的情报检索工作，收集整理了一些与移动通信发展和演进相关论文。并大体上对移动通信的发展有了了解。7月12号白天主要着手完成布置下来的综述性论文，并提交。晚上#学长通过邮件给每位同学分配某一领域的研究任务。具体分配到我的是高空平流层平台站的部分，要求完成一篇该领域的综述性文章。阐述清楚该项技术在5G系统中的适用环境，应用价值，国内外研究现状，并重点分析物理原理及机制，尽可能理解数学原理。7月13号后主要是在学校图书馆的数据库资源和Google scholar上查找相关最新的资料，完成学长分配下来的任务。三 专题内容分析3.1移动通信技术演进专题3.1.1 第三代移动通信系统（3G）第三代移动通信系统（3rd Generation Mobile System，3G），最早由国际电信联盟（International Telecommunication union，ITU）于1985年提出的。1996年，ITU将其更名为全球移动通信系统（International Mobile Telecommunication，IMT-2000）,后缀指其工作在2000MHZ频段，且预计于2000年商用。3.1.2 第四代移动通信系统（4G）4G是第四代移动通信及其技术的简称，是能够传输高质量视频图像以及图像传输质量与高清晰度电视不相上下的技术产品。4G的概念可称为广带(Broad-band)接入和分布网络具有超过2Mbps的非对称数据传输能力。对全速移动用户能提供150Mbps的高质量的影像服务，并首次实现三维图像的高质量传输，无线用户之间可以进行三维虚拟现实通信。它包括广带无线固定接人、W-LAN、移动广带系统和互操作的广播网络。在不同的固定无线平台和跨越不同频带的网络中，4G可提供无线服务，并在任何地方宽带接入互联网(包括卫星通信和平流层通信)，提供信息通信以外的定位定时、数据采集、远程控制等综合功能。同时，4G系统还是多功能集成的宽带移动通信系统，是宽带接入IP系统。3.1.3 3G向4G演化的原因 经ITU认可的3G标准有WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA。虽然3G和2G相比，有很多优点，但是3G还是存在着很多不尽人意的地方，如：3G缺乏全球统的标准；3G所采用的语音交换架构仍承袭了2G系统的电路交换，而不是纯IP的方式；3G的业务提供和业务管理不够灵活；流媒体(视频)的应用不尽如人意；3G的高速数据传输不成熟，接入速率有限；安全方面存在算法过多、认证协议容易被攻击等安全缺陷。伴随着无线技术的种类越来越多，迫切需要将这些无线技术整合到一个统一的网络环境中去，这就是正在形成的超三代移动通信系统(B3G)通信系统和未来的4G通信系统。B3G和4G通信系统将是未来提供宽带接入，全球无缝漫游和无处不在的数据，语音业务等方面的最合适和最好的技术。3.1.4 3G与4G的比较（1）核心技术：3G系统以码分多址(CDMA)为技术基础。码分多址是将相互正交的不同的码分配给不同用户调制信号，实现多用户同时使用同一频率接入系统。由于利用相互正交(或尽可能正交)的码去调制信号，会将原用户信号频谱带宽扩展，因此CDMA通信系统足一种典型的扩频通信技术的应用。4G系统的核心技术正交频分复用技术(OFDM)属于多载波调制(MCM)，它将指配的信道分成许多正交子信道，在每个子信道上进行窄带调制和传输，间时要求信号带宽小于信道的相关带宽。（2）通信系统的结构3G采用的主要是蜂窝组网，它的核心网是在GSM系统的核心网GSM-MAP和AMPS，IS-95的核心网ANSI-41的基础发展而来的，其空中接口与相应的2G系统后向兼容。它的3种工作模式为：单载波频分双工、多载波频分双工和时分双工方式。4G发展为数字广带(broad band)为基础的网络。4G系统的核心网是一个基于全IP的网络，因此核心网独立于各种具体的无线接入方案，能提供端到端的IP业务，能同已有的核心网和PSTN共存。3.1.5 3G向4G演化的路径3G向4G的演进路径主要有3条：一是WCDMA和TD-SCDMA，均从HSPA演进至HSPA+，进而到LTE。全世界大多数电信运营商，以及爱立信、诺基亚西门子、华为等主要电信设备生产商均坚定支持这一路线。 二是CDMA2000沿着EV-DO Rev.0/Rev.A/Rev.B，最终到UMB。近年来，全球CDMA投资趋于萎缩，主要的CDMA运营商美国Verizon+Alltel、Sprint、中国电信、日本KDDI、韩国SK电讯等均已明确表示将选择LTE建设后3G网络；世界最大的CDMA设备商阿尔卡特朗讯和北电网络均已裁减了CDMA部门，且UMB技术至今没有一家运营商宣布采用或测试，因此产业链主要只有高通一家。（现高通已宣布放弃）三是802.16m的WiMAX路线。以英特尔、三星电子、阿尔卡特朗讯、奥维通等为代表的WiMAX厂商，和一些新兴运营商仍然在这一路线坚持探索。3.1.6 第五代移动通信的提出仅管4G相对于3G具有更高的数据率和频谱利用率，更高的安全性、智慧性和灵活性，更高的传输质量和服务质量（QoS），但是4G高速移动时网络速度问题等方面还存在问题,有待研究解决。在4G问题的基础上,人们开始考虑5G来解决。如美国纽约理工大学的科学家们近日正投入5G网络的研发,希望在2020年能够投人使用。在针对4G网络速度问题方面,科研人员将利用频谱技术研发比4G快1000倍的网络,将来利用5G网络处理的信息量将提升50-100倍。近来报道韩国成功研发的第五代移动通信技术,手机利用该技术无线下载速度可以达到3.6G/s。这一新的通信技术名为Nomadic Local Area Wireless Aeeess,简称NoLA。NoLA可作为铺设5G网络的基础技术,使用NoLA技术下载一部DVD格式标准电影只需要几秒时间。目前世界上最快的无线通讯技术是由三星公司研发的,使用三星的这一技术可实现每秒1G的下载速度。韩国电子通信研究院代表称,他们投入1960万美元开始研发这一技术,通过同三星、LG等大公司的合作成功研发NoLA技术。3.1.7 第五代移动通信的特点第五代移动通信会满足高移动性、无缝漫游和无缝覆盖(实现系统间如HAPS、HDR与ITS之间的切换,可以达到真正的无缝覆盖)。从原理上讲,实现宽带高速数据率和高移动性是比较困难的。还有系统性能(如小区的大小、传输数据率等)很大部分要都要取决于频带。考虑到这些因素,第五代移动通信系统将会包括很多个不同的系统,其中将会有专门为提供高速数据率的业务系统,也会研究出专门解决覆盖和移动性问题的其他系统。把几个系统集成在另一个系统内,就可能同时提供高速数据和移动性业务。作为未来系统之间的无缝漫游乃是一个极为重要的概念。这里的无缝漫游将兼有高速数据、高速移动性和宽带固定接续等。5G技术包括几乎所有以前几代移动通信的先进功能。用户可以把5G技术用于手机和其他移动通信设备上网,就好像笔记本电脑宽带上网一样。通过5G技术,相机拍照、MP3录音、视频播放器、手机内存、拨号速度、音频播放器的高质量更好。5G网络中使用的路由器和交换机技术将会提供高连通性。5G技术分发网络连接建筑物内的节点,可以部署各种有线或无线网络连接。它将会拥有一个全球统一的标准,用户可以同时连接到多个无线接人技术之间,实现无缝地移动。5G网络将是以用户为中心的网络。对用户的服务质量将会成为其考虑的一个重方向,用户能同时连接多个无线接入技术并可以在它们之间切换。3.1.8 5G中可能涉及的核心技术在第四代移动通信还没有在全球全面展开的时候,已经有不少国家和组织已经开始了对第五代移动通信系统的研究。5G接人和服务区域没有限制,其传输速率不会有太大的提高。但是5G被认为是一种更加完美的无线通信,它将成为真正的无线世界。5G会有重大的突破,有更多的业务和更多的智能技术被应用。5G中可能涉及的核心技术有认知无线电技术和高空平流层平台站系统技术等。3.2 HAPS技术在5G通信中的应用专题3.2.1高空平流层平台站高空平流层平台系统(High Altitude Platform Stations,HAPS),为陆地无线通信和卫星通信之后的第三个通信系统。该系统将通信设备置于平流层平台HAP(High Altitude Platform)上,由于其高度介于陆地基站和卫星高度之间,所以兼具了陆地移动通信系统和卫星通信系统的优点,有着造价低、系统容量大、覆盖范围广、布网速度快,适合于人口密度较少的地区和有突发情况的应急通信等显著优势,是目前被广泛考虑的第三代移动通信系统的补充和扩展,吸引了电信界的广泛关注。HAPS通信网络是指在近地空间的高度约20-100Km，由长驻空间5-10年，准静止、可装载一定规模有效载荷的高空平台通过光互联链路在空中构成网状网络。宽带接人链路为平台站与用户站之间的链路,接入频率拟采用毫米波，可提供超视距、大容量、机动灵活的通信服务。在近地空间范围内使用稳定的通信平台作为微波中继站，与地面控制设备、入口设备以及多种无线用户构成的通信系统，高空平台既可以与卫星地面综合组网，也可以单独与地面组网。其中通信平台与地球自转保持同步，可长期驻留空中。高空平台通信系统具有费用低、部署快速、地面设备少、使用灵活、回收方便等特点，可迅速建立起空中信息收集和交换通道，将近地信息迅速、准确地传输，从而达到实时的目的，这些优良特性使得其成为第五代移动通信的可能关键技术支撑之一。3.2.2 HAPS的优势HAPS作为5G的可能关键技术之一，其相对于其同类技术有着跟多自己的优势。改善接人平台的HAPS技术很有可能在第五代无线通信中能够被广泛应用。下面就是HAPS优势主要体现： （1）灵活方便：平流层通信系统不受地理位置限制,机动灵活。该系统不仅适用于城市,还特别适用于海洋、山区等边缘地带。还可以提供战役、灾难等应急情况下的临时服务,通信平台可以快速部署,所需地面设备少。一旦平台到位,就可以迅速地建立起战区或应急通信系统。（2）低成本：平流层平台的放飞、回收和H常监测的费用只有卫星通信的几分之一,而且每个平台可以独立运行,不用像低轨卫星组成星座才能工作,因此建设周期短,投资少。由于平流层平台可用于多种用途,可以提供数据业务这有利于收回平流层信息平台建设成本。同时,每个用户终端的造价可不超过1000元人民币,相应的业务费用也较卫星系统低。（3）链路特性优良：平流层通信系统较卫里通信系统有着平台高度低、路径损耗小,信号延迟小等良好的链路特性。在通信仰角大的情况下,平台与地面用户终端之间的通信链路存在可视路径的概率很大,路径损耗可用空间损耗代替,大约是20 dB每10倍程;而陆地无线通信系统中,山于周边环境复杂,存在可视路径概率小,阴影衰落严重,多径现象严重,信号服从瑞利衰落,路径损耗一般为40-60 dB每10倍程。同时,与平流层通信平台与地面的距离只有高轨卫星高度的1/1800,中轨的1/500,低轨的1/50,传播时延从250ms减少到0. 5ms,自由空间损耗分别减少了 65dB、54 dB、34 dB。由于平流层通信有较好的电磁波传播特性,因此具有相同通信容量所需的通信设备复杂度和造价都大大降低。（4）稳定性好：平流层平台主要交换节点可以与地面相对静止,网络拓扑结构相对稳定。与卫星通信相比,卫星与用户终端、卫星与地面站之间存在速度很快的相对运动,接收端收到的发射端载频发生很大的多普勒频移。而平流层通信系统中,多普勒频移是由移动用户的运动造成的,最大多普勒频移约为几十Hz。（5）容量大，覆盖面积广：平流层平台通信的距离远,覆盖区域大,系统容量大。按照不同的仰角,平流层平台的通信覆盖区域分为UAC、SAC和RAC三个区。每个区可再分割为700个蜂窝小区,每个平流层通信平台产生2100个蜂窝小区。此时,一个升空22km高的平流层平台,视距覆盖地面直径超过1000km,面积90万平方公里以上,约为地面接力站的20倍。如果拥有250个平流层平台的通信网络可以为15亿个64kbps的数字电话用户或3. 75亿个256kbps的视听业务用户提供服务。随着调制效率的提高、波束形成技术的发展,用户数还可大幅度增加。3.2.3 HAPS的研究现状：(1)与其他系统干扰分析目前,大量的通信系统已经存在。在ITU和世界无线电大会规定的频段中，平流层通信系统与现有陆地系统共用某些频段,在这些频段进行平流层通信系统对其他现有系统的干扰估计是必须的。国内外研究目前主要涉及了平流层通信系统对地面现存的通信系统造成的干扰,其中主要考虑了地面用户的仰角、平流层平台的移动、通信系统负载大小等方面对系统频谱利用率的影响。(2)容量估算平流层通信系统的系统容量是其是否造合推广的重要考虑依据。目前HAPS系统容量的研究主要集中于,各通信技术对系统容量的影响,包括天线技术,呼叫控制等。3.2.4 低仰角区的性能分析当覆盖半径较大时，直射波与反射波的夹角很小，地面反射渡也进入了天线的主瓣，构成主要干扰分量；同时由于升空平台的随机摆动，将会在俯仰和方位上对地面接收系统产生电平衰落，而处于低仰角区域，地物地貌以及植被等对电渡反射也造成多径干扰，这些随机的干扰分量(概率密度函数服从瑞利分布)与HAPS的直射分量同时进入地面接收站，信道衰落具有莱斯分布特征。3.2.5 功率分配策略在基于资源代理的高空平台通信网络资源分配算法中，高空平台通信网络的资源集中统一分配，RA 集中控制平台发射功率，通过某中策略把平台发射的总功率作为一种单独的共享资源，以满足系统的要求。本文假设在服务区内有M个激活的移动节点，以i为索引则我们定义1iM。我们定义pi为分配给移动节点i的上行接收功率，那么向量P=p1，pm就代表了M个节点的功率情况。进一步假设移动节点i的信号被高空平台准确接收，此时节点i的Eb/No值（记为值i）