（通信与信息系统专业论文）基于ldpc码的mimo系统关键技术研究.pdf

摘要 近年来，无线个人通信有了长足的发展。然而，在有限的频谱资源上实现高 速、可靠的无线信息传输仍然是一个巨大的挑战。本论文针对选择性衰落信道下 的实时高速无线通信，提出了一种基于非规则重复累积( i r a ) 码的纹状分层空时频 系统。该系统使用了多输入多输出( m i m o ) 、低密度奇偶校验( l d p c ) 码、正交频分 复用( o f d m ) 、t u r b o 接收等技术。针对这些技术所存在的一些实际问题，本论文 给出了相应的解决方案，重点放在相关信号处理算法的设计上。设计具体算法时， 在保证性能的前提下，力求复杂度最低，而且对算法的稳健性做了充分考虑。 其一，在未编码m i m o 系统方面，针对完美空时分组码( p e r f e c t - s t b c ) 提出了 一种高效解码器。结合p e r f e c t s t b c 的结构特点，推导出一种等效的垂直贝尔实 验室分层空时( v - b l a s t ) 解码模型；在对该模型作最小均方误差一判决反馈均衡 ( m m s e d f e ) 预处理之后，给出了一种具有边界约束的f a n o 树搜索解码算法。该 解码器能以较低的复杂度逼近最大似然( m l ) 解码性能，而且对天线配置、调制星 座均具有较好的适应性。 其二，针对空时比特交织编码调制( s t - b i c m ) 系统，给出了外信息转移( e x i t ) 图的分析计算方法。对于实际应用中的有限长度系统，引入了e x i t 带分析技术， 并给出了具体分析算法。利用e x i t 带分析工具，对几种典型的软输入软输出 m i m o 检测器做了对比分析。 其三，在软输入软输出m i m o 检测器的设计方面，对l i s t t m 算法做了改进， 得到l i s t m t m 检测器。首先对m i m o 信道矩阵作无偏m m s e d f e 排序和滤波， 得到一种树结构，使用t m 树搜索算法构造出幸存路径集合；然后选择性地对部 分长度路径进行扩展；最后联合使用幸存路径和扩展路径作软信息计算。l i s t m t m 检测器具有灵活的性能一复杂度折中特性，而且为基于宽度优先的树搜索类 m i m o 检测器提供了一个统一框架。另外，通过添加一位互补矢量和设置特殊参 数，由l i s t m t m 检测器导出另一种高效检测器，称作u m m s e i t s 检测器。该 检测器不但能以相对较低的复杂度获得很好的检测性能，而且具有较强的稳健性； 其处理复杂度几乎不随信道状况的变化而改变，有利于硬件实现。 其四，在l d p c 码的编码和构造方面，首先针对一般l d p c 码的编码问题， 给出了将校验矩阵通过行列置换转化为近似下三角结构的一种实用算法，使用该 方法完成在线编码只需准线性复杂度。其次，针对短长度i r a 码的构造，结合i r a 码的结构特点，对循序边增长( p e g ) 算法做了约束优化，并使用优化算法构造出了 短长度好码。 其五，在l d p c 码的解码器设计方面，结合l d p c 编码m i m o 系统的迭代接 收机结构特点，对标准置信传播( b p ) 算法从校验节点信息保留、消息传递策略、校 验节点信息更新计算方法等方面做了改进，得到一种高效率解码器。该解码器的 收敛速率很快( 只需大约5 次迭代) ，而且节点的信息更新计算只需作少量加法和乘 法操作；在解码性能方面，和标准b p 算法相比，没有明显损失。 最后，结合以上研究结果，针对选择性信道下的低时延高速无线通信，本文 提出了一种基于i r a 码的纹状分层空时频系统。仿真结果表明，该系统能以较低 的处理复杂度实现可靠的高速无线传输，而且系统对于天线配置和信道状况具有 较好的鲁棒性。 关键词：多输入多输出低密度奇偶校验码空时比特交织编码调制正交频分 复用迭代接收机 a b s t r a c t u i t h ep a s td e c a d eh a ss e e ng r e a ti m p r o v e m e n t si nw i r e l e s sp e r s o n a lc o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g i e s h o w e v e r , t op r o v i d en e ws e r v i c e so v e rt h ew i r e l e s sc h a n n e lo fs t r i c t l y l i m i t e db a n d w i d t hi ss t i l lv e r yc h a l l e n g i n gf o rr e s e a r c h e r sa n de n g i n e e r s f o rh i g hs p e e d i n f o r m a t i o nt r a n s m i t i o nw i t l ll o w d e l a ya n dh i g hr e l i a b i l i t yi ns e l e c t i v e f a d i n gc h a n n e l s a i l i r r e g u l a rr e p e a t - a c c u m u l a t e ( i r a ) c o d e s b a s e d ，t h r e a d e dl a y e r e d s p a c e - t i m e - f r e q u e n c ys y s t e mi sp r o p o s e d t h ep r o p o s e ds y s t e me m p l o y ss e v e r a ln e w t e c h n i q u e s ，s u c ha sm u l t i i n p u tm u l t i - o u t p u t ( m i m o ) ，l o w d e n s i t yp a r i t y - c h e c k ( l d p c ) c o d e s ，o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ( o f d m ) ，a n dt u r b oi t e r a t i v er e c e i v e r w eg i v es o m es o l u t i o n st os o l v et h ep r a c t i c a lp r o b l e m st h a ta r i s ei ns u c ht e c h n o l o g i e s ， w i t he m p h a s i so nt h ed e s i g no fi n v o l v e ds i g n a lp r o c e s s i n ga l g o r i t h m s i nt h ed e s i g no f t h e s ea l g o r i t h m s ，w en o to n l ye m p h a s i z et h et r a d e o f fb e t w e e np e r f o r m a n c ea n d c o m p l e x i t yb u ta l s og i v ec o n s i d e r a t i o nt ot h er o b u s t n e s so ft h e m f i r s t l y , a l l e f f i c i e n td e c o d e ri s p r o p o s e d f o rt h e p e r f e c ts p a c e t i m e b l o c k ( p e r f e c t s t b c ) c o d e s b a s e do nt h es p e c i a ls t r u c t u r eo fp e r f e c t s t b c ，a l le q u i v a l e n t v e r t i c a lb e l ll a b sl a y e r e ds p a c e - t i m e ( v - b l a s t ) d e c o d i n gm o d e li sd e r i v e d m i n i m u m m e a n - s q u a r ee r r o rd e c i s i o nf e e d b a c ke q u a l i z e r ( m m s e - d f e ) p r e p r o c e s s i n gi sa p p l i e d t ot h i sm o d e la n dad e c o d e rw i t hb o u n d a r yc o n t r o l l e df a n ot r e es e a r c ha l g o r i t h mi s g i v e n t h i sd e c o d e ra c h i e v e sa l m o s tm a x i m u ml i k e l i h o o d ( m l ) d e c o d i n gp e r f o r m a n c e a tl o w e rc o m p l e x i t yt h a nt h a to fe x i s t e dn e a r - m ld e c o d e r s f u r t h e r m o r e ，t h ed e c o d e ri s r o b u s tt oa n t e n n ac o n f i g u r a t i o n sa n dt om o d u l a t i o nc o n s t e l l a t i o n s s e c o n d l y , f o rs p a c e t i m eb i t - i n t e r l e a v e dc o d e dm o d u l a t i o n ( s t - b i c m ) s y s t e m ，t h e a n a l y t i c a lc a l c u l a t i o no fe x t r i n s i ci n f o r m a t i o nt r a n s f e r ( e x i t ) c h a r ti s d e r i v e d i n p a r t i c u l a r , t h ee x i t - b a n dt e c h n i q u ei si n t r o d u c e dt ot h ep r a c t i c a lf i n i t e l e n g t hs t - b i c m s y s t e ma n dad e t a i l e da l g o r i t h mf o rt h ee x i t - b a n da n a l y s i sa n dc a l c u l a t i o ni sg i v e n u s i n gt h i sa l g o r i t h m ，w eg i v ea na n a l y s i sa n dc o m p a r i s o nt os e v e r a lt y p i c a ls o f t - i n p u t s o f t o u t p u t ( s i s o ) m i m od e t e c t o r s t h i r d l y , a st ot h es i s om i m od e t e c t o rd e s i g n ，w ei m p r o v et h el i s t t md e t e c t o r a n do b t a i nar o b u s td e t e c t i o na l g o r i t h mn a m e dl i s t m t m f i r s t ，t h eu n b i a s e d m m s e - - d f ef i l t e ri su s e dt op r e p r o c e s st h em i m oc h a n n e la n dat r e e - s e a r c hs t r u c t u r e i sg i v e n s e c o n d ，t h es u r v i v e dp a t h sa r ec o n s t r u c t e db yt h et ma l g o r i t h m t h e n ，s o m e p a r t i a l l e n g t hp a t h sa r ea u g m e n t e ds e l e c t i v e l y f i n a l l y , t h es o f ti n f o r m a t i o no fc o d e d i v b i t si sc a l c u l a t e da c c o r d i n gt ob o t ht h es u r v i v e dp a t h sa n dt h ea u g m e n t e dp a t h s t h e p r o p o s e dl i s t m t md e t e c t o rb e h a v e sf l e x i b l ei np e r f o r m a n c e c o m p l e x i t yt r a d e o f fa n d p r o v i d e sau n i f i e df r a m e w o r kf o rt h eb r e a d t h f i r s tt r e e - s e a r c hb a s e dm i m od e t e c t o r s i n a d d i t i o n ，b ya d d i n go n e - b i tc o m p l e m e n tv e c t o r sa n db ys e t t i n gp a r t i c u l a rp a r a m e t e r st o t h el i s t m t ma l g o r i t h m ，a n o t h e re f f i c i e n tm i m od e t e c t o rn a m e du m m s e i t si s d e r i v e d t h i sd e t e c t o rn o to n l yp r o v i d e sh i g hd e t e c t i o np e r f o r m a n c ea tv e r yl o w c o m p l e x i t yb u ta l s o i sr o b u s tt oa n t e n n ac o n f i g u r a t i o n sa n dt om i m oc h a n n e l c o n d i t i o n s t h ec o m p l e x i t yo ft h eu m m s e i t sd e t e c t o ri sa l m o s ti n v a r i a n tf o ra l l c h a n n e lc o n d i t i o n s ，w h i c hm a k e st h eh a r d w a r ei m p l e m e n t a t i o nc o n v e n i e n t l y f o u r t h l y , f o rg e n e r a ll d p cc o d e se n c o d i n g ，w eg i v eap r a c t i c a la l g o r i t h mt h a t t r a n s f o r m st h ep a r i t yc h e c km a t r i xi n t oa l la p p r o x i m a t el o w e rt r i a n g u l a rf o r mb y p e r f o r m i n gr o wa n dc o l u m np e r m u t a t i o n so n l y o n l i n ee n c o d i n ga c c o r d i n gt ot h ec h e c k m a t r i xo ft h i sa p p r o x i m a t el o w e rt r i a n g u l a rf o r mn e e d so n l yl i n e a rt i m ec o m p l e x i t y i n a d d i t i o n ，f o rt h es h o r t l e n g t hi r ac o d e sc o n s t r u c t i o n ，w ep r o p o s e d ac o n s t r a i n t o p t i m i z a t i o nt ot h ep r o g r e s s i v ee d g eg r o w t h ( p e g ) a l g o r i t h mb a s e do nt h es p e c i a l s t r u c t u r eo fi r ac o d e s s h o r t l e n g t hi r ac o d e sc o n s t r u c t e db yt h eo p t i m i z e dp e g a l g o r i t h me x h i b i tv e r yg o o dp e r f o r m a n c e f i f t h l y , b a s e do nt h ei t e r a t i v er e c e i v e rs t r u c t u r eo ft h el d p cc o d e dm i m os y s t e m ， w ei m p r o v et h es t a n d a r db e l i e f p r o p a g a t i o n ( b p ) d e c o d i n ga l g o r i t h mf r o mt h ef o l l o w i n g t h r e e a s p e c t s ：c h e c k - n o d e si n f o r m a t i o nr e t a i n ，m e s s a g e p a s s i n gs c h e d u l e ，a n d c h e c k n o d e si n f o r m a t i o nc a l c u l a t i o nm e t h o d t h ei m p r o v e dd e c o d e rn o to n l yc o n v e r g e s v e r yf a s t ( 5i t e r a t i o n si ss u f f i c i e n t ) b u ta l s ot a k e so n l yas m a l la m o u n to fa d do p e r a t i o n a n dm u l t i p l yo p e r a t i o nt oc a l c u l a t et h ei n f o r m a t i o nu p d a t i n g c o m p a r e dt ot h es t a n d a r d b p d e c o d e r , i th a sa l m o s tn op e r f o r m a n c e l o s s ， f i n a l l y , b a s e do n t h ea b o v er e s e a r c h ，a ni r ac o d e sb a s e dt h r e a d e d l a y e r e d s p a c e t i m e - f r e q u e n c ys y s t e mi sp r o p o s e d t h es i m u l a t i o nr e s u l t sd e m o n s t r a t et h a t ，w i t h l o wp r o c e s s i n gc o m p l e x i t y , t h ep r o p o s e ds y s t e mc a np r o v i d e sh i 曲d a t ar a t ew i t l lh i 曲 r e l i a b i l i t yo v e rs e l e c t i v e f a d i n gc h a n n e l s f u r t h e r m o r e ，t h i ss y s t e mi sr o b u s tt oa r b i t r a r y a n t e n n ac o n f i g u r a t i o n sa n dt oa n ym i m oc h a n n e l s k e y w o r d s ：m u l t i - i n p u tm u l t i o u t p u t ( m i m o ) ，l o w - d e n s i t yp a r i t y - c h e e k ( l d p c ) c o d e s ，s p a c e - t i m e b i t - i n t e r l e a v e dc o d e dm o d u l a t i o n ( s t - b i c m ) ，o r t h o g o n a l f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ( o f d m ) ，i t e r a t i v er e c e i v e r a c e a w g n b e r b i c m b l a s t b p c d a c d m a c s c g c s i c p d e d f e d m g e m d e x i t f d m a f s h l s t f h s s i f f t i i d i r a i t s l d p c l d s t c l l r m i m o m l m m s e m r c o f d m 主要缩略语对照表 a p p r o x i m a t ec y c l ee m d a d d i t i v e 惋t eg a u s s i a nn o i s e b i te r r o rr a t e b i t i n t e r l e a v e dc o d e dm o d u l a t i o n b e l ll a b o r a t o r i e sl a y e r e ds p a c et i m e b e l i e fp r o p a g a t i o n c y c l i c - - d i v i s i o n - a l g e b r a c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s c i r c u l a r l ys y m m e t r i cc o m p l e xg a u s s i a n c h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n c y c l i c - p r e f i x d e n s i t ye v o l u t i o n d e c i s i o nf e e d b a c ke q u a l i z e r d i v e r s i t y - m u l t i p l e x i n gg a i n ( t r a d e o f f ) e x t r i n s i cm e s s a g ed e g r e e e x t r i n s i ci n f o r m a t i o nt r a n s f e r ( c h a r t ) f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s f l o o d i n gs c h e d u l e h o r i z o n t a ll a y e r e ds p a c e - t i m e - f r e q u e n c y h o r i z o n t a ls h u 衄es c h e d u l e i n v e r s ef a s tf o u r i e rt r a n s f o r m i n d e p e n d e n ti d e n t i c a l l yd i s t r i b u t e d i r r e g u l a rr e p e a t - a c c u m u l a t e ( c o d e s ) i t e r 撕v et r e es e a r c h l o w d e n s i t yp a r i t y c h e c k ( c o d e s ) l i n e a rd i s p e r s i o ns p a c e - t i m ec o d e s l o g l i k e l i h o o dr a t i o m u l t i - i n p u tm u l t i o u t p u t m a x i m u m l i k e l i h o o d m i n i m u mm e a n s q u a r ee r r o r m a x i m u mr a t i oc o m b i n i n g o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g i x 环的近似外信息度 加性白高斯噪声 误比特率 比特交织编码调制 贝尔实验室分层空时 置信传播 循环可除代数 码分多址 循环对称复高斯 信道状态信息 循环前缀 密度进化 判决反馈均衡 分集复用增益( 折中) 外信息度 外信息转移( 图) 频分多址 泛洪策略 水平分层空时频 水平混合策略 快速傅利叶逆变换 独立同分布 非规则重复累积( 码) 迭代树搜索 低密度奇偶校验( 码) 线性弥散空时码 对数似然比 多输入多输出 最大似然 最小均方误差 最大比合并 正交频分复用 x o s t b c p e g p s k q a m s d s i c s i s 0 s n r s p a s t b c o r t h o g o n a ls p a c e t i m eb l o c k c o d e s p r o g r e s s i v ee d g eg r o w t h ( a l g o r i t h m ) p h a s es h i f tk e y i n g q u a d r a t u r ea m p l i t u d em o d u l a t i o n s p h e r ed e c o d i n g s o f ti n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o n s o f t - i n p u ts o f t - o u t p u t s i g n a l - t o - n o i s er a t i o s u m - p r o d u c ta l g o r i t h m s p a c e t i m eb l o c kc o d e s s t - b i c m s p a c e t i m eb i t - i n t e r l e a v e dc o d e d m o d u l a t i o n s t c s t t c t a s t t - l s t f v l s i v 二l s t f v s s w e r w l a n z f s p a c et i m ec o d i n g s p a c e - t i m et r e l l i sc o d e s t h r e a d e da l g e b r a i cs p a c e t i m e ( c o d e s ) t h r e a d e dl a y e r e ds p a c e t i m e - f r e q u e n c y v e r yl a r g es c a l ei n t e g r a t e d ( c i r c u i t s ) v e r t i c a ll a y e r e ds p a c e - t i m e f r e q u e n c y v e r t i c a ls h u m es c h e d u l e r de r r o rr a t e h e l e s sl o c a la r e an e t w o r k z e r o f o r c i n g 正交空时分组码 循序边增长( 算法) 相移键控 正交幅度调制 球形译码 软干扰抵消 软输入软输出 信噪比 和积算法 空时分组码 空时一比特交织编码 调制 空时( 编) 码 空时网格码 纹状代数空时( 码) 纹状分层空时频 超大规模集成( 电路) 垂直分层空时频 垂直混合策略 误字率 无线局域网 迫零 工 工 x x 。或 x 】。 in o r 、z 、c 壬， r 、z 、c 主要数学符号汇总 小写斜体字母表示标量 小写粗斜体字母表示向量( 矢量) 或序列 大写粗斜体字母表示矩阵 大写花体表示集合 矩阵x 的第m 行、第，2 列元素 维单位阵 全零矩阵 实数域、整数域、复数域 调制星座集 维度为m x n 的实数空间、整数空间、复数空间 复共轭 矩阵或矢量转置 矩阵或矢量共轭转置 方矩阵的逆 对角矩阵 将矩阵彳逐行展开成列矢量 矩阵么的行列式 绝对值或模 矩阵或矢量的f r e b i o u s 范数 取实部 取虚部 数学期望( 集平均) 指数运算e 。 自然对数 以a 为底的对数 双曲正切函数 反双曲正切函数 对实数域矢量x 的所有元素求总和 符号函数 最大值 最小值 目标函数取最大值对应的自变量值 卅4 ， 布飞t凇 吲毗岬h州州州嘶吲叫_!委叫洲啦嘶一 x i l a r g m i n ( ) ( ，仃) 叫( ，仃) m o d ( m ，n ) f - 1 ( ) r ( a ) 目标函数取最小值对应的自变量值 均值为、方差为仃的高斯分布 均值为、方差为仃的复高斯分布 对m 作模操作 f 的逆函数( 或逆映射) 矩阵彳的秩 独创性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再攥写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 本人签名： 导师签名： 日期型壁：仁7 日期卫西 峰咩箨 第一章绪论 第一章绪论 本章对论文的研究背景、研究目的、研究内容等做了概括说明。首先回顾了 无线通信的发展历程，重点讨论新一代移动通信的发展趋势和所面临的挑战。然 后概述了多天线通信系统和低密度校验码的研究现状。最后对本论文的主要贡献 做了说明，并给出了论文的结构安排。 1 1 研究背景 1 1 1 无线通信的发展 自1 8 9 7 年马克尼( g u g l i e l m om a r c h e s em a r c o n i ，1 8 7 4 1 9 3 7 ) 第一次向世人展示 无线电通信以来，无线通信技术取得了长足的发展。随着后工业时代的到来和不 断深化，高效的社会生产和高质量的人性化生活已经成为这个时代的显著特征。 “任何人在任何时间、任何地点以任何方式与任何人”( 简称5 a ) 1 进行通信的人性化 服务成为了人们的追求目标，无线通信则是现阶段人们实现5 a 的唯一选择。到目 前为止，人们已经开发利用了许多无线通信系统，其中无线蜂窝移动通信系统是 目前为止最为成功的无线个人通信系统。 第一代移动通信系统诞生于上世纪7 0 年代。其标志性技术是频分多址 ( f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ，f d m a ) 和模拟调制。第一代移动通信系统采用 模拟调频技术，局限于语音业务。其通信质量差、用户容量小、价格高、业务单 一，难以适应社会的需求。 到了上世纪9 0 年代初，酝酿十年之久的第二代蜂窝移动通信系统投入商业运 营。代表性的第二代移动通信系统包括g s m 、i s 5 4 和i s 9 5 等。与第一代移动通信 系统相比，第二代移动通信系统采用了更多的数字信号处理技术，包括语音编码、 信道编码和自适应均衡等。第二代移动通信系统的主要业务包括数字移动电话和 低速率数据业务，它较好地满足了人们对语音的需求，因此在世界范围内得以广 泛应用，成为了人们生活当中不可缺少的通信手段之一。 随着用户数量的急剧增长以及信息网络中多媒体业务的不断涌现，一个大容 量、具有多媒体接入能力的新型移动通信系统成为人们的期待目标，于是第三代 移动通信系统( 3 r dg e n e r a t i o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o n ，简称3 g ) 应运而生。在3 g 标准 的讨论阶段，人们的目标是建立一个统一的系统，而最后的结果却是成立了一个 以码分多址( c o d ed i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s ，c d m a ) 技术为主体的、包含多种体系的 2 西安电子科技大学博士学位论文：基于l d p c 码的m i m o 系统关键技术研究 标准族。最具代表性的有欧洲标准w c d m a 、北美标准c d m a 2 0 0 0 和中国标准 t d s c d m a 等。目前，3 g 正在全球范围内逐步推向市场。 尽管第三代移动通信的目的是提供一个具有多媒体接入能力的无线接入手 段，但目前3 g 所能提供的通信带宽并不能满足人们的需求，在用户容量上也存在 着很大的不足。如今，虽然3 g 在技术上已经基本成熟，但该系统实际上处于一个“尴 尬”的境地。一方面，与第二代移动通信相比，它含有很多先进的技术因素，将频 谱利用率从0 1 5 b p s h z 提高到了0 3 b p s h z ；另一方面，它的通信能力与人们正在 不断增长的需求相比还存在着一定的差距。 这一问题已经被有关专家清楚地注意到，并正从两方面来加以解决。一方面， 由3 g 的两个标准化组织3 g p p 和3 g p p 2 继续研究在3 g 基础上的增强技术。另一方 面，则是研制一套容量更大、频谱利用率更高的全新系统。在目前的文献中，将 这套新系统称为超三代( b e y o n d3 r dg e n e r a t i o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o n ，简称b 3 g ) 或者第四代移动通信系统( 4 t hg e n e r a t i o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o n ，简称4 g ) 。 1 1 2 4 g 移动通信的发展 1 4 g 移动通信的特征和挑战 目前，关于4 g 的定义还没能达成统一，有来自国际电信联盟( i n t e r n a t i o n a l t e l e c o m m u n i c a t i o nu n i o n ，i t u ) 和w i m a x ( w o r l d w i d ei n t e r o p e r a b i l i t yf o rm i c r o w a v e a c c e s s ) 等观点，但都尚未定论。尽管业界的描述各有不同，但有几点是大家公认 的，即4 g 将实现移动化、宽带化、p 化。移动化将人们从地理的限制上解脱出来， 实现无时不在、无处不在的信息传递。宽带化能满足用户对视频、流媒体等宽带 业务的需求。新一代网络将是全口网，从核心网到用户设备均支持i p 协议。随着向 4 g 演进，趋势将是不同的无线技术在下一代网络( n e x tg e n e r a t i o nn e t w o r k ，n g n ) 架构下融合、共存、发挥各自的优势，形成多层次的无线网络环境m 一。 4 g 移动通信系统既是在已有通信系统上的平滑演进，也有着自己的显著特点， 这些特点主要有m “： 1 ) 支持更高速率的通信。为了适应用户对宽带业务的需求，要求4 g 系统能够 提供高达1 0 0 m b p s ( 移动用户) 到1g b p s ( 固定无线接入) 的传输速率。频谱利 用率在单小区和多小区情况下分别要达至l j 5 一1 0 b p s h z 和l b p s h z 。 2 ) 支持更丰富的移动业务。与i n t e m e t 的结合更加密切，不仅包括现有的语音 业务，而且包括高清晰度的图像业务、网上银行、无线定位和虚拟现实业 务等，使用户在任何时间、任何地点都可以获得任何所需的信息服务。 3 ) 具有开放的结构。将更充分地与无线局域( w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k ， w - l a n ) 、蓝牙、a dh o c 、w i m a x 和u w b ( u l t r a w i d e b a n d ) 等网络相结合。 第一章绪论 4 ) 是一个高度自治的自适应网络，能对其结构进行自适应管理，可采用分布 式管理和多跳结构，从而满足用户在业务和容量上的变化和演进。 5 ) 为了满足对特定数据业务的要求，新一代移动通信系统将采用更先进的算 法提高网络的安全性。 6 ) 能够很好地兼容以往的无线通信网络，使得现有的网络投资可以得到很好 的使用，这也是新一代移动通信系统能够商用的重要保证。 2 4 g 移动通信的发展现状 在2 0 0 7 年的世界无线电通信大会上，i t u 向各国发出了正式通函。i t u 为4 g 制 定了明确的时间表：从2 0 0 8 年年底至1 2 0 0 9 年年中将集中征集技术标准，2 0 1 0 年会 推出第一个4 g 版本，预计2 0 1 5 年左右投入商用。目前，全球范围内许多国家和地 区都在加紧对4 g 的研究，致力于在4 g 的正式标准化组织成立之前，联合更多的力 量，推广自己的技术标准，以便在4 g 时代获得更多的利益p 。 1 ) 日本的领跑优势 2 0 0 7 年日本n t td o c o m o 公司发布新闻公报称，该公司在2 0 0 6 年年底进行的 4 g p b 场试验中，创下5 g b p s 的最大下行速率纪录。此前，n t td o c o m o 公司曾在2 0 0 5 年1 2 月的4 g ：；r b 场试验中实现2 5 g b p s 的最大下行速率。n t td o c o m o 公司从2 0 0 6 年 8 月起提供3 6 g b p s 的3 5 代手机通信服务，并计划在2 0 1 0 年左右开始4 g 网络的商业 运作。 2 ) 韩国三星从w i b r o 到4 g w i b r o ( w i r e l e s sb r o a d b a n da c c e s ss e r v i c e ) 最初是由韩国电子通信协会、三星 电子和韩国主要运营商发起的h p i ( h i 曲一s p e e dp o r t a b l ei n t e r n e t ) 项目发展而来， 2 0 0 4 年1 月开始制订标准时被命名为w i b r o 。经过“2 0 0 6 年三星4 g 论坛”服务演示， 使得三星极力推广的w i b r o 得到了广泛关注。三星电子展示了多输入多输出 ( m u l t i i n p u tm u l t i o u t p u t ，m i m o ) 技术的优势，分别采用8 根发射天线和8 根接收天 线，实现了3 5 g b p s 的高速数据传输。虽然与4 g 的目标相比仍有较大差别，但是 w i b r o 的商用步伐明显加快。 3 ) 欧洲积极完善4