通信原理1系统演进介绍

1、2022-3-21移动通信原理与技术移动通信原理与技术宽带无线与多媒体中心王德胜20092022-3-22第第1 1章章 概论概论1.1 1.1 引言引言 移动通信已成为当代通信领域内发展潜力最大、移动通信已成为当代通信领域内发展潜力最大、市场前景最广的热点技术，市场前景最广的热点技术，移动通信用户的增长远远超过了人们的预期，移动通信用户的增长远远超过了人们的预期，未来的无线便携终端数量会超过目前计算机联未来的无线便携终端数量会超过目前计算机联网的数量，网的数量，其业务也从面向语音通信转变为面向多媒体数其业务也从面向语音通信转变为面向多媒体数据通信据通信 2022-3-23展望展望高频谱效率高

2、频谱效率高功率效率高功率效率高性价比高性价比高质量的服务体系：扁平、透明、按需区高质量的服务体系：扁平、透明、按需区分服务分服务2022-3-24传输方式变化传输方式变化交换方式变化交换方式变化服务内容变化服务内容变化用户容量增大用户容量增大覆盖范围与全球漫游覆盖范围与全球漫游效率提高效率提高1.2从从1G到到4G的发展的发展2022-3-25European research on 3G started in 1989 within the RACE I program and 1991 in RACE IIEuropean research on systems beyond 3Gstar

3、ted in 1999 within the IST programAnalogWideband Digital?DigitalEuropean research on 3G continuedin 1995 within the ACTS programFramework Program 6 on future systemsfullcommercialdeploymenttrialsstandardisationresearchEvolution of mobile communication systems2022-3-26Wireless data already be introdu

4、ced in second generation mobileFirst GenerationAnalogueCircuit switchedBasic voice telephonyLow capacityLimited local and regional coverageSecond Generation Digital Circuit switched Voice plus basic data applications Low data speed Enhancements towardspacket switchinghigher data rates Trans-national

5、 and global roamingDigitalPacket and circuit switchedAdvanced data (multimedia) applicationsFast data accessGlobal coverageGlobal roamingThird GenerationBeyond ThirdGenerationDigitalPacket switchedAll IP based (IPv6)More advanced multimedia applicationsUser in controlFlexible platform of complementa

6、ry access systemsHigh speed dataImproved QoSGlobal coverageGlobal roaming5.1.3 Paradigm shift from 1st generation towards beyond 3G2022-3-272022-3-28一体化网络架构一体化网络架构Wi-Fi (WaveLAN)Radio HubCable, xDSL, V9010/100-BaseTWireless LANBluetoothWireless PANMultimedia &MessagingServer integrated voice and

7、 data video postcards in-call image up/download codec converter bandwidth manager store & forward playbackContentMicroBSBTSUMTS/GSMCDMA2000Wireless Backbone and GatewaysLocation ServicesIP Network2022-3-29Drivers of 3G Beyond3G evolution but difficult lto extend to higher data rate with CDMA onl

8、y technology;lto provide various services with different QoSlto have enough frequency resource to accommodate more subscribersn DrawbacklLow system capacitylLow spectrum efficiency02519981999200020015075100125150Tbit/dayReal Time(e.g. Voice)Non Real Time(e.g. Internet access)MobileInternetUserMobile

9、User0200400600800100012001400160018001995200020052010Subscriptions (millions)MobileFixedMobile InternetFixed Internet2022-3-210Drivers of 3G Beyond3G2GRevolution from subscriber service expectationsEvolution from 2G systemsIPRevolution from IP infrastructureand Beyond 2022-3-21105101520251999(Foreca

10、st by ITU-R TG-8/1 for Asia)2015(Extrapolation)UpDownUp DownUpDown63%23?5.4119.8101030%15%28%8%3.40.50.591 %91 %Multimedia (U:128k,D:10Mbps) (U:128k, D:2Mbps) (U:64k,D:384kbps) (U/D:128kbpsn)1G/2G servicesVoice (U/D: 16k, VOX0.5)Others (64 kbps)9 %9 % Multimedia traffic increases 40%/year. 10Mbps do

11、wnstream service emerges. Saturation of 1G/2G services traffic.Subscribers 1.5Voice : Multimedia traffic ratio 1 : 2 (in 2010)3.91.5Relative traffic value in bits (Ref: 1999)Year2010Sources: NTT DoCoMo亚洲地区通信网络发展趋势 2022-3-212（1）4G系统要为用户提供高频谱效率、高可靠性的数据和语音服务，其空中接口应该能支持100Mbps以上的数据传输速率；（2）4G系统应该能有效支持全范围

12、的多速率业务，并能满足用户对于服务质量的不同需求；（3）4G系统应该能够融合目前存在的多种无线接入技术，如无线局域网、Bluetooth、3G蜂窝系统等，使用户的终端设备能够在不同的制式之间透明地切换；（4）4G系统需要支持个性化服务等等。4G4G网络的主要需求网络的主要需求2022-3-213interconnectionIMT-2000低高1101001000峰值用户速率峰值用户速率(Mb/s)EnhancedIMT-2000EnhancementIMT-2000移动性移动性1101001000Area Wireless AccessEnhancedIMT-2000EnhancementD

13、igital Broadcast SystemsNomadic / Local Area Access SystemsNew Nomadic / Local超超3G超超3G的新能力的新能力New Mobile Access2022-3-214移动无线通信的推进移动无线通信的推进2022-3-2151.3 1.3 影响无线通信的关键因素影响无线通信的关键因素 移动时变无线信道的时间选择性、频率选择性衰落移动时变无线信道的时间选择性、频率选择性衰落以及功率与带宽受限特性构成了阻碍实现高速无线传以及功率与带宽受限特性构成了阻碍实现高速无线传输的几个主要因素，输的几个主要因素，相应地，对这些不利条件的

14、克服以实现高速、高性相应地，对这些不利条件的克服以实现高速、高性能的数字传输则构成了当前移动通信研究的主旋律，能的数字传输则构成了当前移动通信研究的主旋律，MIMO-OFDMMIMO-OFDM技术作为下一代移动通信系统的架构技术作为下一代移动通信系统的架构受到广泛的关注。目前普遍认为，受到广泛的关注。目前普遍认为，MIMOMIMO与与OFDMOFDM技技术的结合能够有效地对抗上述不利因素。术的结合能够有效地对抗上述不利因素。2022-3-216矛盾的解决思路矛盾的解决思路 有效性、可靠性的矛盾统一有效性、可靠性的矛盾统一 从信息论角度看，解决这种矛盾的方法从信息论角度看，解决这种矛盾的方法主要

15、是来自于挖掘各种各样的自由度，比如主要是来自于挖掘各种各样的自由度，比如空域，时域，频域以及其它一些来自于系统空域，时域，频域以及其它一些来自于系统建模得到的数据结构上的自由度。建模得到的数据结构上的自由度。 这种自由度既可以被用来增加系统容这种自由度既可以被用来增加系统容量，扩展有效性；也可以被用来增加冗余改量，扩展有效性；也可以被用来增加冗余改善链路质量，提高可靠性。善链路质量，提高可靠性。2022-3-217在频域，时域等领域的自由度开发已经取得巨大进展的情况下，在频域，时域等领域的自由度开发已经取得巨大进展的情况下，在传统的蜂窝移动通信系统中，空域的优势没能得到充分挖掘。在传统的蜂窝移

16、动通信系统中，空域的优势没能得到充分挖掘。上个世纪上个世纪9090年代，年代，FoschiniFoschini和和TelatarTelatar等人得出一个研究结论：在等人得出一个研究结论：在独立平坦衰落条件下，多入多出独立平坦衰落条件下，多入多出(Multiple-Input Multiple-Output(Multiple-Input Multiple-Output，MIMO)MIMO)多天线系统的信道容量将随发射和接收天线数而线性增加。多天线系统的信道容量将随发射和接收天线数而线性增加。在此基础上，在此基础上，BellBell实验室建立了著名的垂直分层空时码试验系统，实验室建立了著名的垂直

17、分层空时码试验系统，在具有丰富发散的独立同分布瑞利在具有丰富发散的独立同分布瑞利(Rayleigh)(Rayleigh)平坦准静态平坦准静态(Qua(Qua衰落衰落信道下，取得了高达信道下，取得了高达202040bps/Hz40bps/Hz的频谱利用率。的频谱利用率。 MIMOMIMO与与“空域空域”自由度的发挥自由度的发挥2022-3-218空分复用技术1996年，Bell实验室的Foschini提出D-BLAST系统。1997年，Wolniansky、Foschini等人提出简化系统V-BLAST。BLAST系统框图MIMOMIMO信号检测算法研究现状信号检测算法研究现状2022-3-21

18、9 MIMOMIMO空时二维处理技术：发掘空分复用和空空时二维处理技术：发掘空分复用和空间分集自由度，间分集自由度，发射机和接收机采用多元天线阵列结构，发射机和接收机采用多元天线阵列结构，在发射端设计合适的空时码空分复用增益，在发射端设计合适的空时码空分复用增益，在接收阵列设计接收信号处理算法，以提高数据在接收阵列设计接收信号处理算法，以提高数据传输率并（或）改善传输质量。空间分集增益传输率并（或）改善传输质量。空间分集增益2022-3-220MIMOMIMO技术在一定程度上可以利用传播中的多径分技术在一定程度上可以利用传播中的多径分量，也就是说量，也就是说MIMOMIMO系统可以抗多径衰落，

19、系统可以抗多径衰落，作为现代通信中对抗无线衰落、提高频谱效率的重作为现代通信中对抗无线衰落、提高频谱效率的重要手段之一，要手段之一，它是编码、调制、通信信号处理、阵列处理等技术它是编码、调制、通信信号处理、阵列处理等技术有机结合的产物，有机结合的产物，不需要额外的频谱资源和发送功率而显著提高无线不需要额外的频谱资源和发送功率而显著提高无线系统的信道容量和传输可靠性。系统的信道容量和传输可靠性。2022-3-221目前的目前的MIMOMIMO空时系统研究中，大多是基于独立同分布空时系统研究中，大多是基于独立同分布平坦瑞利衰落信道假设展开的，并已取得了长足进步。平坦瑞利衰落信道假设展开的，并已取得

20、了长足进步。在实际的无线通信环境中，与不同天线对应的信道通常在实际的无线通信环境中，与不同天线对应的信道通常呈现一定的相关性，这种相关性会造成系统性能的下降，呈现一定的相关性，这种相关性会造成系统性能的下降，削弱多天线结构带来的好处，降低系统性能，削弱多天线结构带来的好处，降低系统性能，如何针对相关衰落的信道特点和统计特性，克服相关衰如何针对相关衰落的信道特点和统计特性，克服相关衰落的影响，改进系统的性能具有非常重要的理论和实践意落的影响，改进系统的性能具有非常重要的理论和实践意义。义。2022-3-222OFDMOFDM在频谱效率方面发挥优势在频谱效率方面发挥优势2022-3-223OFDM

21、OFDM技术是一种并行的传输技术，它利用许多技术是一种并行的传输技术，它利用许多并行频率正交的、低传输速率的数据子载波来实现并行频率正交的、低传输速率的数据子载波来实现高数据速率的通信，高数据速率的通信，由于每个码元相对持续时间较长，以及由于每个码元相对持续时间较长，以及OFDMOFDM符符号的循环前缀，符号间的干扰可以有效的消除，号的循环前缀，符号间的干扰可以有效的消除，OFDMOFDM技术以其频谱效率高、均衡简单、频率资技术以其频谱效率高、均衡简单、频率资源分配灵活等优点而在过去的十几年间受到了广泛源分配灵活等优点而在过去的十几年间受到了广泛的研究与应用。的研究与应用。 OFDMOFDM在

22、频谱效率方面发挥优势在频谱效率方面发挥优势2022-3-224OFDMOFDM技术主要有以下优点：技术主要有以下优点：1 1）OFDMOFDM是抗多径的有效方法。多径通常表现在时域信号中，而是抗多径的有效方法。多径通常表现在时域信号中，而OFDMOFDM处理的是频域中的信号，因而能够抵抗多径干扰，具有较处理的是频域中的信号，因而能够抵抗多径干扰，具有较强的抗信道频率选择性衰落的性能；强的抗信道频率选择性衰落的性能； 2 2）OFDMOFDM将信道划分为若干子信道，而每个子信道内部可以认为将信道划分为若干子信道，而每个子信道内部可以认为是平坦衰落的，这是是平坦衰落的，这是OFDMOFDM得以应用

23、的根本性条件。根据每个所得以应用的根本性条件。根据每个所划分子信道信噪比的不同，可为其划分不同的传输码率，有效的划分子信道信噪比的不同，可为其划分不同的传输码率，有效的提高系统容量，为自适应编码提供有效平台；提高系统容量，为自适应编码提供有效平台；3 3）可以选用基于）可以选用基于IFFT/FFTIFFT/FFT的的OFDMOFDM快速实现方法；系统的频谱利快速实现方法；系统的频谱利用率趋于用率趋于2Baud/Hz2Baud/Hz，频带资源节约，频带资源节约50%50%。4 4）OFDMOFDM技术延长了每个信号的信号周期，因此突发干扰仅能影技术延长了每个信号的信号周期，因此突发干扰仅能影响信

24、号很小的部分，因此具有较强的抗突发干扰能力。响信号很小的部分，因此具有较强的抗突发干扰能力。 2022-3-225MIMOMIMO与与OFDMOFDM技术的结合：技术的结合：OFDMOFDM带宽占用带宽占用率降低了近乎率降低了近乎5050，而，而MIMOMIMO技术的采用理论上技术的采用理论上能够使频率效率达到能够使频率效率达到42bits/Hz/s42bits/Hz/s。多载波和多天线的引入带来了传输策略选择的更多载波和多天线的引入带来了传输策略选择的更多可能，再加上业务的多样性以及空时信道的时变多可能，再加上业务的多样性以及空时信道的时变性都使得这种通信体制传输策略显得更加重要，其性都使得

25、这种通信体制传输策略显得更加重要，其目的是使系统的吞吐率、服务质量以及服务的公平目的是使系统的吞吐率、服务质量以及服务的公平性等指标达到最优性等指标达到最优 MIMOMIMOOFDMOFDM形成主旋律形成主旋律2022-3-226Academic Achievements(1)PDMA systemlFull IP ArchitecturelPDMA（Packet Division Multiple Access）lCombine with QoS ControllUse our patent at the link layerlProvide voice, text, image, vide

26、o services at the same timelProvide Internet service and other services by cellular wireless accessIP 骨 干 网IP 接 入 网接 入 服 务 器接 入 服 务 器边 界 网 关AAA应 用服 务 器本 地网 管HAPSTN 电 信 网PSTN 网 关IP 基 站IP 基 站IP 基 站. . . .IP 基 站IP 基 站. . . . . . .2022-3-227全全IPIP交换交换BWMBWM试验网试验网2022-3-228Academic Achievements(2)nArchit

27、ecture of our data link layer protocolOSI层层37MIPTCPUDP分组数据应用分组数据应用语音应用语音应用电路数据应用电路数据应用IP物理层物理层（Packet OFDM）MAC控制实体控制实体无线带无线带宽分配宽分配信道适配实体信道适配实体数据链路数据链路管理实体管理实体可靠模式可靠模式RLC实体实体非确认非确认RLC实体实体MPPPMAC子层子层RLC子层子层OSI层层2OSI层层1尽力可靠模式尽力可靠模式RLC实体实体信道映射信道映射数据分发数据分发 & QoS映射实体映射实体2022-3-229Academic Achievements

28、（3）nThe research of wireless communication group covers the follow 3 main topics lMIMO-OFDM and Space-Time CodinglAdaptive Resource AllocationlCross Layer Joint OptimizationnPublished about 120 papersnApplied for about 25 patents2022-3-230FuTURE 验证系统验证系统技术特征技术特征： RoF分布式无线小区分布式无线小区 混合混合FDD/TDD组网组网 GM

29、C/OFDM传输技术传输技术 环境自适应传输技术环境自适应传输技术 分布式分布式MIMO结构结构 迭代接收机技术迭代接收机技术 L1-RAU切换技术切换技术 交织多址复用技术交织多址复用技术 统一硬软件试验平台统一硬软件试验平台 40-100Mbps大范围覆盖大范围覆盖 2-10bps/Hz的频谱效率的频谱效率 低功率、高电磁兼容低功率、高电磁兼容FuTURE FuTURE 验证系统验证系统2022-3-2312022-3-2322022-3-233332022-3-234上海上海FuTURE集成外场试验环境集成外场试验环境2022-3-235领导感言领导感言(2006.11.1)激动人心激动

30、人心, ,耳目一新耳目一新, ,非常兴奋非常兴奋, ,深受鼓舞深受鼓舞! !科学研究是多数人服从少数人的过程科学研究是多数人服从少数人的过程这三项成果渗透了科学家的心血这三项成果渗透了科学家的心血, ,没有创没有创新献身新献身, ,舒舒服服是得不来的舒舒服服是得不来的要从体制和机制上做总结要从体制和机制上做总结2022-3-236领导感言领导感言(2006.11.1) 中国的未来在于这中国的未来在于这批国家的脊梁批国家的脊梁,2020,2020年年进入创新型国家行列进入创新型国家行列, ,一定能做到一定能做到! !2022-3-2371.4 1.4 从蜂窝网络到从蜂窝网络到ROFROF2022

31、-3-2382022-3-239GSM Architecture2022-3-240RoF的体系结构的体系结构2022-3-241How Distributed Radio for B3G? A Radio over Fiber Solution: The ConceptCU1CU2FiberAntVB1GC1MT2MT1GC2MT3To BaseStation CtrlTo BaseStation Ctrl Making the antennas as close as possible to the MTs! 2022-3-242 System structure of the distr

32、ibuted radio Possible handover mechanism, e.g., L1 handover; Radio resource management, especially dynamical spacial resource allocation; Power efficiency evaluation; Interference analysis; Spectral efficiency evaluation.Key Research Topics on Distributed Radio2022-3-243B3GB3G网络结构图网络结构图2022-3-244“十一

33、五十一五”发展重点：总体框架发展重点：总体框架下一代网下一代网络与服务络与服务宽带无线宽带无线移动通信移动通信B3G/4GE3G宽带无线接入宽带无线接入短距离无线互联短距离无线互联网络体系架构网络体系架构动态灵活光网络动态灵活光网络新型新型IP网络网络网络服务支撑技术网络服务支撑技术家庭网络技术家庭网络技术下一代网络试验床下一代网络试验床（CNGI+、3Tnet+)网络体系结构网络体系结构业务与应用环境业务与应用环境异构系统融合与互通异构系统融合与互通微电子微电子/光电子光电子核心软件核心软件信息安全信息安全先进传感先进传感2022-3-245通信网研究重点及目标凝练Tbit/s路由器路由器

34、Tbit/光传输光传输新一代信息网新一代信息网自动交换光自动交换光网络网络(ASON)运营支运营支撑撑宽带流媒体宽带流媒体光通信光通信个人通信个人通信网络体系结网络体系结构构下一代互联下一代互联网网(IPv6)软交换软交换城域以太城域以太网网宽带宽带光接光接入入通用无线环境通用无线环境无线宽带分无线宽带分组通信组通信超长距离光超长距离光传输传输(ULH)Tbit/s光网络光网络3T网网重大专项重大专项节点光节点光交换交换新一代蜂窝移动通新一代蜂窝移动通信（信（B3G)“4443”四大关键技术四大关键技术“4443”四大应用四大应用NGN重大装备重大装备开展超前研究开展超前研究 形成知识产权形成

35、知识产权 建立合作机制建立合作机制实现同步发展实现同步发展研制节点设备研制节点设备建立示范网络建立示范网络 开展宽带应用开展宽带应用攻克核心技术攻克核心技术 研制关键设备研制关键设备 实现上网应用实现上网应用2022-3-246第一期第一期863“十五十五”“十一十一五五” 2020年年网络交换网络交换光通信光通信无线移动通无线移动通信信 2G（GSM/cdma)3G(WCDMA/cdma2000/TD-SCDMAB3G/4GSDHWDMULHOXC/OADMASONATMINCRSSIPv6/TSR新一代宽带信息网络新一代宽带信息网络分组交换分组交换可扩展性可扩展性端端-端端QoS安全性安全

36、性开放性开放性移动性移动性多业务多业务低成本低成本BIP-ISDNBINNGBIN2022-3-247迈向迈向4G的的Mobile WiMAX(WiBro)MobilityHighSpeedLowSpeed802.11b2.4 GHzWLAN802.11a/gCDMA/GSM/TDMAWPANHigh speedWLANMediumSpeedWi-Max5 GHz WLANBluetoothRFIDZigBeeMANet199520002005100 Mbps 14.4 kbps50 Mbps384 kbps144 kbpsAMPSETACSJTACSNMTPANData Rates2010+

37、1G( Analog )2G( Digital )Mobile WiMAX(WiBro)3G LTE3G( IMT2000 )CDMA2000 EV-DO/DV W-CDMA/HSDPA2022-3-2484G4G网络特征网络特征开放与扁平化结构开放与扁平化结构低成本、高质量低成本、高质量高的频谱效率高的频谱效率高速无线传输高速无线传输2022-3-249课程主体内容课程主体内容一、通信演进介绍一、通信演进介绍 系统、基带、链路协议、上层应用；系统、基带、链路协议、上层应用；二、二、OFDM技术技术 系统、信道估计、同步；系统、信道估计、同步；三、三、MIMO 容量、空时编码容量、空时编码STBC、VBLAST；BeamForming；四、无线信道四、无线信道 信道统计模型、衰落计算方法；信道统计模型、衰落计算方法；五、信道编码五、信道编码 概念、常用分组码、卷积码、概念、常用分组码、卷积码、LDPC码；