通信系统演进介绍.ppt

数字无线传输 宽带无线与多媒体中心 王德胜 2011 *1 第1章 概论 1.1 引言 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， 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 网的数量， 其业务也从面向语音通信转变为面向多媒体数 据通信 Date2 展望 高频谱效率 高功率效率 高性价比 高质量的服务体系：扁平、透明、按需区 分服务 Date3 传输方式变化 交换方式变化 服务内容变化 用户容量增大 覆盖范围与全球漫游 效率提高 1.2从1G到4G的发展 Date4 European research on 3G started in 1989 within the RACE I program and 1991 in RACE II European research on systems beyond 3G started in 1999 within the IST program 1980s1980s1990s1990s2000s2000s2010s2010s 1G+1G+ 1G1G 2G+2G+ 2G2G 3G+3G+ 3G3G Beyond 3G+Beyond 3G+ Beyond 3GBeyond 3G AnalogWideband Digital?Digital European research on 3G continued in 1995 within the ACTS program Framework Program 6 on future systems full commercial deployment trials standardisation research Evolution of mobile communication systems Date5 Wireless data already be introduced in second generation mobile First Generation Analogue Circuit switched Basic voice telephony Low capacity Limited local and regional coverage Second Generation Digital Circuit switched Voice plus basic data applications Low data speed Enhancements towards packet switching higher data rates Trans-national and global roaming Digital Packet and circuit switched Advanced data (multimedia) applications Fast data access Global coverage Global roaming Third Generation Beyond Third Generation Digital Packet switched All IP based (IPv6) More advanced multimedia applications User in control Flexible platform of complementary access systems High speed data Improved QoS Global coverage Global roaming 5.1.3 Paradigm shift from 1st generation towards beyond 3G Date6 Date7 一体化网络架构 Wi-Fi (WaveLAN) Radio Hub Cable, xDSL, V90 10/100-BaseT Wireless LAN Bluetooth Wireless PAN Multimedia lto provide various services with different QoS lto have enough frequency resource to accommodate more subscribers n Drawback lLow system capacity lLow spectrum efficiency 0 25 1998199920002001 50 75 100 125 150 Tbit/day Real Time (e.g. Voice) Non Real Time (e.g. Internet access) Mobile Internet User Mobile User 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 1995200020052010 Subscriptions (millions) Mobile Fixed Mobile Internet Fixed Internet Date9 Drivers of 3G Beyond 3G2G Revolution from subscriber service expectations Evolution from 2G systems IP Revolution from IP infrastructure and Beyond Date10 0 5 10 15 20 25 1999 (Forecast by ITU-R TG-8/1 for Asia) 2015 (Extrapolation) UpDownUp DownUpDown 63% 23? 5.4 1 19.8 10 30% 15% 28% 8% 3.4 0.50.5 91 % Multimedia (U:128k,D:10Mbps) (U:128k, D:2Mbps) (U:64k,D:384kbps) (U/D:128kbpsn) 1G/2G services Voice (U/D: 16k, VOX0.5) Others (64 kbps) 9 % Multimedia traffic increases 40%/year. 10Mbps downstream service emerges. Saturation of 1G/2G services traffic. Subscribers 1.5 Voice : Multimedia traffic ratio 1 : 2 (in 2010) 3.9 1.5 Relative traffic value in bits (Ref: 1999) Year2010 Sources: NTT DoCoMo 亚洲地区通信网络发展趋势 Date11 （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。 4G网络的主要需求 Date12 interconnection IMT-2000 低 高 1101001000 峰值用户速率(Mb/s) Enhanced IMT-2000 Enhancement IMT-2000 移动性 1101001000 Area Wireless Access Enhanced IMT-2000 Enhancement Digital Broadcast Systems Nomadic / Local Area Access Systems New Nomadic / Local 超3G 超3G的新能力 New Mobile Access Date13 移动无线通信的推进 Date14 1.3 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 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， 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， MIMO-OFDM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，MIMO与OFDM技 术的结合能够有效地对抗上述不利因素。 Date15 矛盾的解决思路 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 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 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。 Date16 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。 上个世纪90年代，Foschini和Telatar等人得出一个研究结论：在 独立平坦衰落条件下，多入多出(Multiple-Input Multiple-Output， 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。 在此基础上，Bell实验室建立了著名的垂直分层空时码试验系统 ，在具有丰富发散的独立同分布瑞利(Rayleigh)平坦准静态(Qua衰 落信道下，取得了高达2040bps/Hz的频谱利用率。 MIMO与“空域”自由度的发挥 Date17 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 MIMO信号检测算法研究现状 Date18 MIMO空时二维处理技术：发掘空分复用和空 间分集自由度， 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 Date19 MIMO技术在一定程度上可以利用传播中的多径分 量，也就是说MIMO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 要手段之一， 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， 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。 Date20 目前的MIMO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。 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， 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 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。 Date21 OFDM在频谱效率方面发挥优势 Date22 OFDM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 高数据速率的通信， 由于每个码元相对持续时间较长，以及OFDM符 号的循环前缀，符号间的干扰可以有效的消除， OFDM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 的研究与应用。 OFDM在频谱效率方面发挥优势 Date23 OFDM技术主要有以下优点： 1）OFDM是抗多径的有效方法。多径通常表现在时域信号中，而 OFDM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； 2）OFDM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OFDM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 提高系统容量，为自适应编码提供有效平台； 3）可以选用基于IFFT/FFT的OFDM快速实现方法；系统的频谱利 用率趋于2Baud/Hz，频带资源节约50%。 4）OFDM技术延长了每个信号的信号周期，因此突发干扰仅能影 响信号很小的部分，因此具有较强的抗突发干扰能力。 Date24 MIMO与OFDM技术的结合：OFDM带宽占用 率降低了近乎50，而MIMO技术的采用理论上 能够使频率效率达到42bits/Hz/s。 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 性都使得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 性等指标达到最优 MIMOOFDM形成主旋律 Date25 Academic Achievements(1) PDMA system lFull IP Architecture lPDMA（Packet Division Multiple Access） lCombine with QoS Control lUse our patent at the link layer lProvide voice, text, image, video services at the same time lProvide Internet service and other services by cellular wireless access Date26 全IP交换BWM试验网 Date27 Academic Achievements(2) nArchitecture of our data link layer protocol OSI 层37 MIP TCPUDP 分组数据应用语音应用电路数据应用 IP 物理层（Packet OFDM） MAC 控制实体 无线带 宽分配 信道适配实体 数据链路 管理实体 可靠模式 RLC实体 非确认 RLC实体 MPPP MAC 子层 RLC 子层OSI 层2 OSI 层1 尽力可靠模式 RLC实体 信道映射 数据分发 Radio resource management, especially dynamical spacial resource allocation; Power efficiency evaluation; Interference analysis; Spectral efficiency evaluation. Key Research Topics on Distributed Radio Date42 B3G网络结构图 Date43 “十一五”发展重点：总体框架 下一代网 络与服务 宽带无线 移动通信 B3G/4G E3G 宽带无线接入 短距离无线互联 网络体系架构 动态灵活光网络 新型IP网络 网络服务支撑技术 家庭网络技术 下一代网络试验床 （CNGI+、3Tnet+) 网络体系结构 业务与应用环境 异构系统融合与互通 微电子/光电子 核心软件 信息安全 先进传感 Date44 通信网研究重点及目标凝练 Tbit/s路由器 Tbit/光传输 新一代信息网 自动交换光 网络(ASON) 运营支 撑 宽带流媒体 光通信 个人通信 网络体系结 构 下一代互联 网(IPv6) 软交换 城域以太 网 宽带 光接 入 通用无线环境 无线宽带分 组通信 超长距离光 传输(ULH) Tbit/s 光网络 3T网 重大专项 节点光 交换 新一代蜂窝移动通信 （B3G) “4443”四大关键技术 “4443”四大应用 NGN重大装备 开展超前研究 形成知识产权 建立合作机制 实现同步发展 研制节点设备 建立示范网络 开展宽带应用 攻克核心技术 研制关键设备 实现上网应用 Date45 第一期863“十五”“十一五 ” 2020年 网络交换 光通信 无线移动通 信 2G（ GSM/cdma) 3G(WCDMA/cd ma2000/TD- SCDMA B3G/4G SDHWDMULH OXC/OAD M ASON ATM IN CR SS IPv6/TSR 新一代宽带信息网络 分组交换 可扩展性 端-端QoS 安全性 开放性 移动性 多业务 低成本 BIP- ISDN BINNGBIN Date46 迈向4G的Mobile WiMAX(WiBro) Mobility High Speed Low Speed 802.11b 2.4 GHz WLAN 802.11a/g CDMA/GSM/TDMA WPAN High speed WLAN Medium Speed Wi-Max 5 GHz WLAN Bluetooth RFID ZigBee MANet 199520002005 100 Mbps 14.4 kbps50 Mbps384 kbps144 kbps AMPS ETACS JTACS NMT PAN Data R