移动通信第10章移动通信的展望.ppt

当代移动通信的发展历程可分为四个阶段 1 第一代移动通信 1G 以模拟调频 频分多址为主体技术 包括以蜂窝网系统为代表的公用移动通信系统 以集群系统为代表的专用移动通信系统以及无绳电话系统等 主要向用户提供模拟话音业务 2 第二代移动通信 2G 以数字传输 时分多址或码分多址为主体技术 简称数字移动通信 包括数字蜂窝系统 数字无绳电话系统和数字集群系统等 主要向用户提供数字话音业务和低速数据业务 3 第三代 3G 移动通信 以CDMA为主要技术 向用户提供2Mb s到10Mb s的多媒体业务 4 超 后 三代 B3G 或第四代 4G 移动通信的研究和开发 采用OFDM和多天线等新技术 将向用户提供100Mb s甚至1Gb s的数据速率 1 个人通信的概念 5W无论任何人 Whoever 在任何时候 Whenever 和任何地点 Wherever 都能和另一个人 Whomever 进行任何方式 Whatever 的通信 人们把这种向往中的通信称为 个人通信 而把实现个人通信的网络称为个人通信网 PCN 10 1个人通信 2 实现个人通信的途径 1 规划 设计和开发一种覆盖世界范围的全新个人通信网 可以按照个人通信的理想目标 自由地精选先进技术和优化网络结构 而不受现有通信设施和现用技术体制的影响和约束 2 选择现有的某一种移动通信网络进行扩充和改造 实现一个遍及全球 功能齐全和适应各种运行环境的个人通信网 这种办法对现有各种通信设备的开发者 制造商和运营公司特别有吸引力 3 综合利用现有各种通信网络 发挥各自的优点 取长补短 在统一要求和统一标准的条件下 突破关键技术 解决各种网络之间的互连互通 加强通信网络的智能化管理功能 以实现全球性的个人通信网 10 2关于个人通信的国际标准和研究进展 1 第三代移动通信系统标准制定的过程 3G的主要发展目标 能提供高质量业务 话音 低速和高速数据 从几kb s到2Mb s 并具有多媒体接口 能支持面向电路和面向分组业务 能工作在各种通信环境 城市和乡村 丘陵和山地 空中和海上以及室内场所 具有更高的频谱效率 能提供更大的通信容量 能与固定网络兼容 和现有移动通信网互连互通并实现全球漫游 网络结构可配置成不同形式 以适应各种服务需要 具有高级的移动性管理 能保证大量用户数据的存储 更新 交换和实时处理等 关于3G的标准 开始主要是由国际电信联盟 ITU 主导的 最初系统名称为 未来公共陆上移动通信系统 FPLMTS 后改名为 国际移动通信2000 IMT 2000 1998年12月 世界各国已向ITU提交的无线传输技术 RTT 建议有 1 以TDMA为基础 DECT 来自ETSI计划 EP DECT UWC 136 UniversalWirelessCommunications 来自美国TIATR45 3 2 以CDMA为基础 WINSW CDMA WirelessMultimediaandMessagingServiceWidebandCDMA 来自美国TR46 1 TD SCDMA Time DivisionSynchronousCDMA 来自中国电信技术研究院 CATT W CDMA WidebandCDMA 来自日本ARIB CDMA AsynchronousDS CDMA 来自韩国TTA UTRA UMTSTerrestrialRadioAccess 来自ESTISMG2 W CDMA NorthAmericanWidebandCDMA 来自美国TIPI ATIS cdma2000 WidebandCDMA IS 95 来自美国TIATR45 5 CDMA MultibandSynchronousDS CDMA 来自韩国TTA 3 用于卫星系统 SAT CDMA 轨道高度2000km 轨道平面7个 总共49颗低轨道卫星 来自韩国TTA SW CDMA SatelliteWidebandCDMA 来自ESA SW CTDMA Satellite Wideband HybridCDMA TDMA 来自ESA ICO RTT 轨道高度10390km 轨道平面2个 总共10颗中轨道卫星 来自ICOGlobalCommunication Horizons HorizonsSatelliteSystem 来自Inmarsat 1999年11月赫尔辛基TG8 1会议通过了 IMT 2000无线接口技术规范 建议 最终确定3G无线传输技术分为CDMA和TDMA两类 具体包括 CDMADS UTRAFDD WCDMA CDMAMC cdma2000MC CDMATDD UTRATDD及TD SCDMA TDMASC UWC 136 TDMAMC DECT 2 后三代 B3G 或第四代 4G 移动通信的研究和开发第三代移动通信已经开始商用 2003年底全球已发放120个IMT 2000的运行牌照 日本第三代移动通信2001年10月开始商用 WCDMA技术 2004年3月已有300万用户 网络已覆盖99 以上的地区 在3G移动通信开始商用后 即开始了B3G或4G移动通信的研究和开发 发展分为两个思路 一是对现有3G标准的增强 以满足未来用户的需求 二是研制全新的标准 第一种思路可以称为3G的演进 如3GPP提出了高速下行分组接入 HSDPA 其数据率可以达到10 8Mb s 3GPP2提出了1xEV DV 其速率可以达到5 4Mb s ITU R对未来系统的发展的看法包括两部分 一是IMT 2000的未来发展 二是超IMT 2000的系统 IMT 2000将继续发展以支持新的应用 产品和服务 WWRF WirelessWorldResearchForum 认为未来的系统不可能仅用一个标准来满足用户的所有要求 应当用一组标准来满足完全不同的用户需求 应当利用多模终端 在一组可选的空中接口中选择一个最适合给定环境的空中接口 此外 还要满足100Mb s或1Gb s的数据速率 IEEE802下的多个工作组也在进行未来无线通信的标准化工作 IEEE802 11n希望下一代WLAN的实际传输速率达到100Mb s 2004年8月底有两个组织提交了提案 TGnSync组织的提案希望传输速率能够达到640Mb s左右 而WWiSE组织的提案最高速率为540Mb s 它们都选择使用多输入与多出 MIMO MultipleInputandMultipleOutput 技术作为规范的核心 图10 1移动通信的发展进程 10 3未来移动通信中的关键技术 1 自适应编码调制技术 1 可变速率调制技术未来移动通信系统不仅要传输不同速率和不同质量要求的多种业务 而且移动信道的传播性能经常会随时间和传播地点而随机变化 移动通信系统必须具有自适应改变其传输速率的能力 以便能灵活地为多种业务提供合适的传输速率 而且能在保证传输质量的前提下 根据传播条件实时地调整其传输速率 以充分发挥所用频谱的效率 实现可变速率调制的方法 1 可变速率正交振幅调制 VR QAM QAM是一种振幅和相位联合键控技术 电平数越多 每码元携带的信息比特数就越多 图10 2星型QAM的星座图 2 可变扩频增益码分多址 VSG CDMA 动态改变扩频增益和发射功率以实现不同业务速率的传输 在传输高速业务时降低扩频增益 为保证传输质量 可相应提高其发射功率 在传输低速业务时增大扩频增益 在保证业务质量的条件下 可适当降低其发射功率 以减少多址干扰 3 多码码分多址 MC CDMA 待传输的业务数据流经串 并变换器后 分成多个 1 2 M 支路 支路的数目随业务数据流的不同速率而变 当业务数据速率小于等于1基本速率时 串 并变换器只输出1个支路 当业务数据速率大于基本速率而小于2倍基本速率时 串 并变换器输出2个支路 最多可达M个支路 即最大业务速率可达基本速率的M倍 4 可变扩频因子 正交频分和码分复用 VSF OFCDM 是OFDM和CDM 码分复用 的结合 根据小区的干扰情况动态调整扩频因子 通过选用不同的子载波数和在时间或频域上的扩展来实现不同速率的传输 2 自适应编码调制 AMC 将不同速率的编码与不同的调制方式结合起来 系统根据收发信道的情况动态选择最佳的编码组合 采用QPSK 8PSK 16QAM 64QAM等调制方式 采用码率为R 1 4 1 2 或3 4的Turbo码 有以下七种调制和码率的组合 QPSKR 1 4 QPSKR 1 2 QPSKR 3 4 8PSKR 1 2 16QAMR 1 2 16QAMR 3 4和64QAMR 3 4 如表10 1所示 表10 1不同调制编码方案 MCS 提供的信息速率 3 多输入多输出技术广义的多输入多输出 MIMO 技术包括 智能天线技术 空时编码 用于提高系统容量的MIMO等技术 1 智能天线 自适应阵列天线智能天线的理想目标是在发射机或接收机快速移动时 以一个或多个高增益的窄波束分别对准并跟踪所需信号的方向 同时以波束零点对准并跟踪干扰信号的方向 此时系统中的许多用户可以占用同一个信道工作而互不干扰 实现所谓的 空分多址 SDMA 系统可为每一新用户增加一个新的波束 图10 4利用智能天线实现空分多址示意图 智能天线类似空间滤波器 突出优点是能够减少或者滤除同道干扰和多址干扰 显著提高通信系统的通信容量 目前移动台要使用自适应天线 因受体积 重量和造型等方面的限制 尚有一定困难 但基站使用自适应天线已被证明是非常有效的 图10 5自适应波束形成示意图 图10 5是一种基于信号到达方向的 DOA 自适应波束形成示意图 其中天线阵列由N个空间分布的天线阵元组成 阵元排列可以是直线型 环型或平面型 阵元之间的距离一般为信号波长 的一半 即 2 W是复加权因子 自适应阵列需要判别所有信号的到达方向 然后根据信号的到达方向 计算和选择合适的复加权因子 将方向图的主瓣指向所需信号 而把凹陷对准干扰信号 从而提高有用信号的信干比 这种方法在阵元数多于用户数 且不存在多径传播时比较有效 另一种办法是图10 6所示的基于基准信号的阵列天线示意图 需要提供一种与所需信号密切相关而与噪声和干扰无关的基准信号 用此基准信号和方向图形成网络的输出信号相减 产生一误差信号 然后按照选定的算法准则 如最小均方差 LMS 准则 递归最小平方 RLS 准则等 对复加权因子W进行调整 使形成网络的输出信号尽可能接近基准信号 并从输出信号中消除与基准信号不相关的噪声和干扰信号 图10 6基于基准信号的阵列天线示意图 无论采用哪一种自适应算法 都要在保证性能要求的前提下 尽可能减少运算量 缩短收敛时间 以期能跟踪移动通信环境的动态变化 基准信号产生的方法 a 利用发送同步信号的引导序列来产生参考信号 因为各个用户的同步引导序列通常不是独特的 所以这种方法不能区分所需信号和同道干扰 b 为各个用户发送专门的训练序列或引导序列 用来产生参考信号 这种方法会增大信道的额外开销 c 在码分多址移动通信系统中 因接收端知道发送端所用的扩频码 利用提取环路很容易获得所需的参考信号 2 空时编码 SpaceTimeCoding 指对发送符号进行联合编码 然后在多个天线上同时发送 从而实现接收端的有效分集合并 以提高系统的可靠性 空时编码分为两类 空时分组编码 STBC 和空时格型编码 STTC 一个简单的空时分组编码如图10 7所示 输入的信息经过调制 星座映射 后生成符号序列 假定符号序列分为两个符号一组 每一组的符号为s0和s1经过编码生成两个新的码组 s0 s 1 和 s1 s 0 前一组在天线0上发送 后一组在天线1上发送 其接收机的框图如10 8所示 图10 7一个简单的空时分组编码 图10 8空时分组编码的单接收天线接收机 3 多输入多输出 MIMO 系统前面讨论的多输入多输出 MIMO 系统主要是为提高系统的可靠性 增加分集增益 MIMO系统的另一个重要的用途是提高系统的传输容量 一个有N个发送天线和M个接收天线的系统 用MIMO M N 来表示 一个MIMO 3 3 系统如图10 10所示 输入调制符号b1 b2 b3 轮流在发送天线1 2和3上发送 接收端通过信号处理算法 V BLAST算法 将空间中已混合在一起的信号分离出来 以后每一路再单独解调 图10 10MIMO 3 3 原理图 4 软件无线电由于移动通信的迅猛发展 目前多种多样的通信体制层出不穷 形形色色的通信标准竞争激烈 频谱资源日益紧张 提高频谱利用率的新技术迅速发展 通信产品的更新换代越来越快 产品生存周期越来越短 而对多种通信体制之间的互联和对移动终端的兼容性要求也日益迫切 无线通信新体制 新系统和新