新一代移动通信的关键技术(新版)

2020/5/28,1,OFDMForNextGenerationMobileWirelessInternet,RajivLaroiaCTO,FlarionTechnologies,新一代移动通信的关键技术和CDMA系统抗干扰,2020/5/28,2,主要内容,移动通信发展现状第四代移动通信及其关键技术CDMA系统多用户检测未来移动通信的发展前景,2020/5/28,3,一、移动通信的发展现状,2020/5/28,4,巨大的商机：每年约1000亿美元用户数的飞速发展1990年，1G1000万户2004:2G、2.5G10亿户2005:无线有线预计到2006至2008：20亿户无线业务的变化：话音数据多媒体,关注移动通信,2020/5/28,5,Source:CTIA,-Asof05/01/01,therewere114,546,113,inU.S.,accordingtowww.wow-Every2.25secs.,anewsubscribersignsupforcellularinU.S.,全球移动用户增长曲线,2020/5/28,6,MobilePhonesMarketPenetration,2004,Courtesyof:TomSugrue(FCC),全球移动电话的渗透率,2020/5/28,7,中国巨大的通信市场机遇,总用户,Source:MinistryofInformationIndustry,BDAConsultants,世界上最大的有线和无线通信网络预测到2005年中国电信市场是美国的2倍,Internet,Mobile,Wireline,MobileInternet,120M,86M,58M,21M,273M,224M,183M,147M,85M,43M,25M,234M,211M,188M,170M,145M,110M,89M,64M,35M,7M,2M,10M,1.6M,.6M,36M,移动通信发展简史,蜂窝移动通信系统,移动卫星通信,WLAN,无绳电话,1992:GSM,1994:DCS1800,2001:IMT-2000,1987:CT1+,1982:Inmarsat-A,1992:Inmarsat-BInmarsat-M,1998:Iridium,1989:CT2,1991:DECT,199x:proprietary,1997:IEEE802.11,1999:802.11b,Bluetooth,1988:Inmarsat-C,1991:D-AMPS,1991:CDMA,1981:NMT450,1986:NMT900,1980:CT0,1984:CT1,1983:AMPS,1993:PDC,4Gfourthgeneration:whenandhow?,2000:GPRS,2000:IEEE802.11a,200?:FourthGeneration(Internetbased),2020/5/28,9,GSM标准欧洲GSM全球计费、短消息业务和网络层互操作的先进性，使GSM在全球无线通信市场上占据了主导地位。IS-95CDMA标准美国QualcommCDMA能提供额外的信道容量，基带信号处理能降低移动终端的复杂性。,20世纪成功转化为生产力的移动通信技术,2020/5/28,10,“铱”星系统Metricom公司利用IP技术，采用低功率设备在非许可频谱上，给移动用户提供无限制Internet接入城域网和基于跳飞(Ricochet)分组的无线数据业务。然而，2001年Metricom公司的投资受到GPRS的冲击而中断研发。,20世纪移动通信领域失败的教训,移动通信主要驱动力：是需求(市场)，而不是技术,2020/5/28,11,高速数据传输无缝网络覆盖合理的资源分配(满足qualityofservice-QoS)对抗各种物理损害：衰落、干扰、噪声等良好的移动性(快速变化的物理信道)便携性：电池寿命保密/安全,移动通信发展面临的挑战,2020/5/28,12,几个方面的折衷,速率vs.覆盖能力速率vs.功率速率vs.时延性能vs.容量性能vs.成本容量vs.资源,折衷:复杂度、成本、容量、性能、容量.,2020/5/28,13,衰落(Fading)、多径干扰有限带宽(LimitedBandwidth)：数据速率,信道色散移动的本质:随机接入、移动性、突发数据的接入功率有限:至少在一端干扰(interference):码间串扰、多址干扰、共信道干扰,移动信道的特征,2020/5/28,14,信息压缩：信源编码与信道编码冗余度的变化发射分集(解决衰落的反措施):扩展频谱:CDMA,OFDM时域纠错编码空时编码先进的接收机技术多址干扰(MAI)抑制(多用户检测multiuserdetection)多径合并(RAKE接收)&空时二维处理均衡(Equalization)：抑制码间串扰信道估计(Channelestimation)：得到辅助信息阵列信号处理：智能天线技术多天线(MIMO)技术：实现高速率、大容量、高传输质量的空间分集技术,解决移动通信中难题的主要技术,2020/5/28,15,移动通信标准的演进,第一代(80年代)模拟,第三代（3G）多媒体,GSM900/1800/1900,CDMAIS-95,TDMAIS-136,PDC,AMPS,TACS,WCDMA,cdma2000,TD-SCDMA,WiMAX,2020/5/28,16,IMT-2000的目标,全球统一频段、统一标准、无缝漫游频谱效率高高服务质量，高保密性能提供移动多媒体业务车速环境：144kb/s步行环境：384kb/s室内环境：2Mb/s易于第二代系统的过渡、演进低成本,2020/5/28,17,中国的3G标准,LAS-CDMA采用三值编码，无干扰窗，无需功率控制和RAKE接收机，手机很便宜可以从基站直接接入IP网，没有MSC方正、普天支持TD-SCDMA智能天线、软件无线电、接力切换等技术大唐电讯,2020/5/28,18,TTA,T1P1,ARIB/TTC,GSM-basedUMTS,MobileIP,IMT-2000Standards:aGlobalPartnership,IS-41+CDMA2000+M-IPArchitecture,IMT-2000,ITU-TSSGITU-RWP8F,GlobalWirelessEvolution,1995,1999,2000,2001,2002,2003,cdmaOneIS-95-B,Voice64kbpsPacket,2.4MbpsPacket,384kbpsPacket,EDGE,W-CDMA,cdmaOneIS-95-A,Voice14.4kbpsCSD&PD,Voice9.6kbpsCSD,3GCDMA-IMT-2000Compliant,HighCapacityVoice153kbpsPacketRel.A-307kbps,2MbpsPacketHigherCapVoice,CDMA20001xEV-DV,2004,W-CDMAHSDPA,HighCapacityVoice2MbpsPacket,2.4MbpsPacketHigherCapVoice,114kbpsPacket,GSMGPRS,TDMAIS-136,CDMA20001xEV-DO,GSM:GlobalSystemforMobileCommunicationsHSDPA:HighSpeedDownlinkPacketAccessCDMA:CodeDivisionMultipleAccessEDGE:EnhancedDataratesforGSMEvolutionTDMA:TimeDivisionMultipleAccessEV:EVolvedGPRS:GeneralPacketRadioSystemDV:DataandVoiceW-CDMA:WidebandCDMADO:DataOptimized,B3G,2020/5/28,20,AnnouncedWCDMALaunchDates,Q42001,H12002,H22002,H12003,H22003,Sources:operatorwebsites,interimreports,DagensIndustri,CellularExpress,Vision,Reuters,TotalTele,3GTechnologies,2020/5/28,21,3G未能大规模商用的主要障碍,全球电信业的低靡影响到3G的商用化新业务的开发不力，缺乏需求推动信产部政策性地推迟，为TD-SCDMA标准的商用争取了宝贵的时间老牌运营商的抵触，使3G牌照尚未发放,2020/5/28,22,3G面临挑战,Flash-OFDM数据速率是3G网络的十倍，而成本却只有3G网络的1/10，被称为“无线版ADSL”。WiMAXWiMAX是英特尔推出的一项广域无线宽带技术，数据传输速度可达70Mb/s，与VoIP技术相结合后，WiMAX很可能在未来成为3G通信的终结者。,2020/5/28,23,二、第四代移动通信及其关键技术,2020/5/28,24,Voice,Wideband,Broadband,Analog,Digital,Integrated,Data,Narrowband,4G,3G,2G,Multi-function,1G,Multimedia,Smart,Pointfrequency,2020/5/28,25,对于4G的共识,以数据通信和图像通信为主；数据通信的速率比第三代要大大提高，室外移动通信的速率20Mb以上，室内移动通信速率100Mb以上；与因特网结合，通信以IP协议为基础；可能是没有基站的完全与1G、2G、3G代不同的网络结构，包括AdHoc网（自组织网络）。,2020/5/28,26,我国4G研究的进展,4G已被正式列入我国863“十五”计划，并于2002年启动武汉汉网、华中科技大学和上海交通大学联手开发出全IP移动通信技术，是国际公认的4G技术核心，传输速度比3G快50倍，到2005年，该技术将赶上世界电信巨头的先进水平。中科院计算所移动通信技术研发中心(MCR)与瑞萨科技公司合作，共同打造移动通信联合实验室，建立3G和4G手机的研发平台，并解决未来手机技术应用方案计划和日本联手对第四代(4G)手机进行IPv6测试,2020/5/28,27,当前移动通信领域研究的热点技术,提高频谱利用率的技术OFDM、UWB、空时编码高速无线数传技术：WLAN+VoIP,Adhoc，自适应调制，混合ARQ和快速调度空时处理技术：智能天线、MIMO增大CDMA系统下行异步传输容量的方法：快速功率控制、发射分集和接收分集建筑物内无线通信提供宽带数据接入和含有Web无线设备的Internet业务：Flash-OFDM,2020/5/28,28,4G中的关键技术,多载波技术：OFDM、MC-CDMA可重组的无线接入点和接入技术动态带宽分配，对信道和通信流量自适应。智能天线、多天线（MIMO）技术高性能编码、空时编码多用户检测自适应调制功率控制software-radio是体制兼容、信息载荷自适应的需要。,2020/5/28,29,Thesmartantennasbeamtrackstheuserashetravelsaroundinhissector.,SDMAwillallowbothuserstosharethesamecodesincetheyarespatiallyseparated.,1、智能天线(SmartAntennas),2020/5/28,30,2020/5/28,31,BB,signal,processing,RF,RF,RF,.,.,.,RF,BB,signal,processing,RF,frontend,RF,frontend,BB,signal,processing,RF,RF,RF,RF,.,.,.,Diversityconcepts,Multipleantennaconcepts,智能天线系统,2020/5/28,32,智能天线的研究方向,波束形成算法在时域中对信号进行处理,确定权重W以便获得天线的最优加权在空域对频谱进行分析以获得对信号的波达方向(DOA)的估计空时二维阵列信号处理：将时间域处理和空间域处理相结合的谱估计方法CyclicDOA方法,1.自适应波束形成,2020/5/28,33,2.自适应零点控制3.空间谱估计最大似然谱估计最大熵谱估计特征空间正交谱估计,2020/5/28,34,2.软件无线电技术（SoftwareDefinedRadio）,multimodeterminalwith,parallel,modes,RF,RF,RF,mode,1,mode,2,mode,n,multimodeterminalwithsoftware,definedsignalprocessing,BB,signal,processing,RF1,RF2,RFn,memoryfor,parameter,sets,fullyadaptivesoftwarereconfigurableterminal,2020/5/28,35,3、OFDM技术,2020/5/28,36,OFDM的频谱示意图,OFDM技术（续）,2020/5/28,37,MC-DS-CDMA的一种实现,OFDM技术（续）,2020/5/28,38,频率分集克服了多径衰落频率非选择性衰落可忽略ISI正交子载波接收机设计简单,对载波偏移和相位误差太敏感高的峰值平均功率比(Highpeak-to-averagepowerratio),优点,缺点,OFDM技术（续）,2020/5/28,39,峰均比(PAR)的降低克服对载波偏移和香味误差敏感的技术信道估计方法OFDM技术的实现,OFDM技术需要解决的问题,OFDM技术（续）,2020/5/28,40,flash-OFDM技术,FlarionTechnologieshasdevelopedflash-OFDM,anewpacketdataair-interfacetechnologyformobilewirelessInternet.,2020/5/28,41,PublicInternet,OperatorsIPNetwork,UserTerminals,BaseStations,flash-OFDMNetworkArchitecture(续),Gateway,CellularAirInterface,PSTN,Gateway,End-to-EndIP,2020/5/28,42,发射天线分集自主无线路由无需公共参考定时(不需要GPS)无需频率和编码规划不需要知道相邻的无限路由可升级的灵活的结构低成本:系统规划系统建设系统维护,flash-OFDM技术的优点(续),2020/5/28,43,flash-OFDM技术的优点(续),速度比3G快10倍但价格更便宜(带宽价格只有3G网络的1/10)。即使用户在基站之间切换时，也能够提供不间断的高速连接。Flash-OFDM无线技术可以把大量数据塞入比较小的带宽里面，这意味着运营商可以利用已经拥有的有限带宽为更多用户提供服务。大多数3G服务至少需要5MHz的带宽，而Flash-OFDM的信号却只需要1.25MHz。Flarion称，它的技术有望使运营商把升级至3G基站的成本节省90%。,2020/5/28,44,xk,yk,k,u,k,u,Encoder,Decoder,Noise,Modulator(write),Channel(medium),Demodulator(read),4、高效编码技术(续),2020/5/28,45,0,1,2,3,4,5,6,10,-4,10,-3,10,-2,10,-1,10,0,SNR,BER,SNRvs.BERforrate1/2codes,Iterative,Code,Conv.Code,MLdecoding,Uncoded,Capacity,Bound,KeyProblem:ImplementationComplexity!Blocksizeof107bits.,C.BerrouandA.Glavieux,NearOptimumErrorCorrectingCodingAndDecoding:Turbo-Codes,IEEETrans.Comms.,Vol.44,No.10,Oct1996.,4dB,高效编码技术(续),2020/5/28,46,ShannonbeatsMoore(续),Industryhasprimarilybeenplayingcatch-up,2020/5/28,47,5.AMC（AdaptiveModulationandCoding）,自适应调制和编码系统框图,AMC的基本原理：属于链路自适应的范畴。通过改变调制和编码的格式，使其和信道条件相适应，而信道条件可以通过发送反馈来估计。采用AMC的好处：处于有利位置的用户可以具有更高的数据速率，使蜂窝系统平均吞吐量提高；在链路自适应过程中，通过调整调制编码方案而不是调整发射功率的方法可以降低干扰水平。,2020/5/28,48,AMC：AdaptiveModulationandCoding（OFDM参数）,OFDM参数：信道带宽20MHz子载波数750子载波间隔25kHzIFFT/FFT点数1024每符号信息位长度40us循环前缀（CP）长度10us符号总长度50us符号速率25kHz,2020/5/28,49,6、MIMO和空时编码（续）,系统模型：,44天线转移矩阵：,2020/5/28,50,MIMO和空时编码（续）,空时分组码：Alamouti码,有文献证明了实正交设计仅存在发送天线数N=2,4,8三种空时分组码。对于复正交设计，当发射天线数多于2时，必须依靠牺牲发送速率来保持编码的正交性。,2020/5/28,51,MIMO和空时编码（续）,解决办法：复信号空时扩频（C-STS）在第一个标准发送周期,2020/5/28,52,然后用下列解码方法：,MIMO和空时编码（续）,再发一个周期,提高了数据传输速率，改善了误码性能,2020/5/28,53,四、抗干扰技术,2020/5/28,54,军事通信的干扰环境,干扰种类设备内部的干扰，如：收发干扰、邻道干扰等。非人为干扰。如：多径干扰、多用户干扰、环境噪声干扰、其它电台的干扰等。人为干扰。指敌方为电子战需要而施放的干扰。通信抗干扰主要指对抗敌方的有意干扰。,敌意干扰的式样阻塞干扰、压制干扰跟踪干扰、瞄准干扰窄带干扰、单频干扰宽带干扰、梳状干扰、脉冲干扰智能化干扰,2020/5/28,55,通信抗干扰分类,频域处理采用频率域处理，如；直扩、跳频、跳扩。时域处理采用时间域处理，如：瞬时、跳时等。空域处理采用空间域处理，如：自适应天线等。其它数字处理如：干扰抵销、纠错编码等,2020/5/28,56,抗干扰体制的比较,阻塞干扰可以是窄带、部分带、梳状干扰等。一般跳频优于一般直扩这是因为直扩增益一般都小于滤波器的防护度。跳频+纠错编码措施某些跳频点碰上干扰，可以通过纠错消除误码。跳频+自适应调零天线，增加对抗特强干扰的能力。,跟踪干扰过程：对信号进行侦测、分析，引导干扰机跟上信号。快跳频是对付跟踪干扰的最好方法。如果跳速做不快，可以采用跳扩结合的方法。因为扩频增加了信号的隐蔽