数字移动通信技术10

1、第,10,章,移动通信的展望,第,10,章,移动通信的展望,10.1,个人通信概述,10.2,关于个人通信的国际标准和研究进展,10.3,未来移动通信中的关键技术,思考题与习题,第,10,章,移动通信的展望,10.1,个人通信概述,纵观移动通信的发展历程，,当代移动通信可分为四个阶段：,（,1,）,第一代移动通信以模拟调频、,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,主要向用户提供模拟话,音业务。,(2),第二代移动通信以数字传输、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

2、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。,第,10,章,移动通信的展望,(3),第三代,(3G),移动通信以,CDMA,为主要技术，向用户提,供,2 Mb/s,到,10 Mb/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,100,Mb/s,甚至,1 Gb/s,的数据速率。,第,10,章,移动通信的展望,10.1.1,个人通信的概念,长期以来，,人们就有一种美好的愿望：,未来总有一天会,做到无论任何人,(Whoever),在任何时候,(Whenever),和任何地点,(Where

3、ver),都,能,和,另,一,个,人,(Whomever),进,行,任,何,方,式,(Whatever),的通信。以往，人们曾把这种愿望称之为幻想，,然而随着科学技术的发展，,这种愿望已经不是幻想，,而是可,以实现的了。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之为个人通信网,(PCN),。,第,10,章,移动通信的展望,个人通信的愿望虽然早已存在，但个人通信网的设想却,是在,1988,年才正式提出来的。其后，,PCN,在世界范围内立即,引起了巨大的反响和共鸣，一些通信发达的国家纷纷开展了,PCN,的体系结构和实现技术的研究，,提出了形形色色的设想,和方案，,有关,PC

4、N,的国际标准的制定也受到许多国际组织的,重视。,第,10,章,移动通信的展望,10.1.2,实现个人通信的途径,个人通信的设想激发了人们的浓厚兴趣。从,1988,年以来，,人们对如何实现个人通信曾提出过各种各样的方案，,也发,生过一些争论，,甚至相互非议。,一般来说，,实现个人通信,的途径有以下几种。,(1),规划、,设计和开发一种覆盖世界范围的全新个人通,信网。,这种方法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。,第,10,章,移动通信的展望,(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、,

5、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。,第,10,章,移动通信的展望,利用和改造某一种通信网络向个人通信网发展的方案都,带有一定的局限性，,主要表现在以下几个方面：,把蜂窝通信系统的小区分为宏小区、,微小区和微微,小区，,混合配置，,以适应城市和乡村、,户内和户外的不同,需要和扩大个人通信的服务范围。,把无绳电话系统由室内应用扩展到室外应用，,通过,Telepoint,覆盖整个服务地区，,并赋予双向呼叫、,越区切换,和漫游功能，,以提供个人通信业务。,第,10,章,移动通信的展望,利用中、,低轨道移动通信卫星实现个人通

6、信网络。,因为移动卫星通信在海上、,空中和地形复杂而人口稀疏的环,境中应用具有独特的优点，,不仅覆盖范围大，,而且不受地,形的限制，,对于解决边远地区的通信和形成陆海空联合的立,体通信系统而言是最有效的办法。,第,10,章,移动通信的展望,(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。,第,10,章,移动通信的展望,10.2,关于个人通信的国际标准和研究进展,10.2.1,第三代移动通信系统标准制定的过程,第三代移动通信的主要发展目标是

7、：能提供高质量业务，,包括话音、低速和高速数据,(,从几,kb,s,到,2,Mb,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，包括城市和乡村、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，,如公用、,专用、,商用和家用；,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。,第,10,章,移动通信的展望,关于第三代移动通信系统的标准，,开始主要是由国际电,信联盟,(ITU),

8、主导的，,最初提出时使用的系统名称为“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,为基础的两种：,DECT,，,来自,ETSI,计划,(EP)DECT,。,UWC-136(Universal,Wireless,Communications),，,来自美,国,TIA,TR45.3,。,第,10,章,移动通信的展望,(2),以,CDMA,为基础的八种：,WINS W-CDMA(Wireless Multimedia

9、 and Messaging,Service Wideband CDMA),，,来自美国,TR46.1,。,TD-SCDMA(Time,Division Synchronous CDMA),，,来,自中国电信技术研究院,(CATT),。,W-CDMA(Wideband,CDMA),，,来自日本,ARIB,。,CDMA,(Asynchronous,DS-CDMA),，,来自韩国,TTA,。,第,10,章,移动通信的展望,UTRA(UMTS,Terrestrial,Radio,Access),，,来,自,ESTI,SMG2,。,NA,：,W-CDMA(North,CDMA),，,来自美国,TIPI

10、-ATIS,。,American,Wideband,cdma2000(Wideband,CDMA(IS-95),，,来自美国,TIA,TR45.5,。,CDMA,(Multiband Synchronous DS-CDMA),，,来自韩国,TTA,。,第,10,章,移动通信的展望,(3),用于卫星系统的五种：,SAT-CDMA,，轨道高度,2000,km,，轨道平面,7,个，总共,49,颗低轨道卫星，来自韩国,TTA,。,SW-CDMA(Satellite,Wideband,CDMA),，,来自,ESA,。,SW-CTDMA(Satellite,TDMA),，,来自,ESA,。,Wideban

11、d,Hybrid,CDMA,ICO-RTT,，轨道高度,10,390,km,，,轨道平面,2,个，,总共,10,颗中轨道卫星，来自,ICO,Global,Communication,。,Horizons(Horizons Satellite System),，,来自,Inmarsat,。,第,10,章,移动通信的展望,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，该建议中最终确定下来的第三代移动,通信系统无线传输技术分为,CDMA,和,TDMA,两类，,具体包括：,CDMA,DS,：,UTRA,FDD(WCDMA),；,CDMA,MC,：

12、,cdma2000,MC,；,CDMA,TDD,：,UTRA,TDD,及,TD-SCDMA,；,TDMA,SC,：,UWC-136,；,TDMA,MC,：,DECT,。,第,10,章,移动通信的展望,10.2.2,超（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。,仅以日本为例，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。,第,10,章,移动通信的展望,在第三代（,3G,

13、）移动通信开始商用后，,大家就开始考,虑今后该如何发展，,即开始了超（后）三代（,B3G,）或第四,代,(4G),移动通信的研究和开发。今后的发展分为两个思路：,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,10.8 Mb/s,；,3GPP2,提出了,1xEV-DV,，,其速率可以达到,5.4,Mb/s,。,第,10,章,移动通信的展望,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。

14、,IMT-2000,将继续,发展以支持新的应用、产品和服务。,WWRF,（,Wireless,World,Research,Forum,）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,100,Mb/s,或,1,Gb/s,的数据速率。,第,10,章,移动通信的展望,IEEE 802,下的多个工作组也在进行未来无线通信的标准,化工作。,如,IEEE 802.11n,希望下一代,WLAN,的实际传输速率,达到,100 Mb/s,，,完整的,802.

15、11n,标准则预计在,2006,年年底至,2007,年年初之间问世；,2004,年,8,月底有两个组织提交了提案，,TGn Sync,组织的提案希望传输速率能够达到,640 Mb/s,左右，,而,WWiSE,组织的提案最高速率为,540 Mb/s,；,它们都选择使,用了“多重输入与多重输出”,(MIMO,，,Multiple Input and,Multiple Output),技术作为规范的核心。,综上所述，,我们可用图,10-1,来概括移动和无线通信的发,展进程。,它包括广域覆盖（,Wide,Area,Coverage,）的移动通,信系统和局域覆盖,(Local,Area,Coverage

16、),的无线局域网。,第,10,章,移动通信的展望,图,10-1,移动通信的发展进程,第,10,章,移动通信的展望,10.3,未来移动通信中的关键技术,10.3.1,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，,而且因为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，,所以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,(,信道条件好，,提高速率；,信道条件差，,降低速率,),，,以充分发挥所用频谱的效率。,第,1

17、0,章,移动通信的展望,实现可变速率调制的方法有以下几种：,(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。,第,10,章,移动通信的展望,图,10-2,星型,QAM,的星座图,第,10,章,移动通信的展望,(2),可变扩频增益码分多址,(VSG-CDMA),。,这种技术靠,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。

18、,第,10,章,移动通信的展望,(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；,依此类推，,最多可达,M,个支路，,即最大业务速率可,达基本速率的,M,倍。,第,10,章,移动通信的展望,（,4,）,可变扩频因子,-,正交频分和码分复用（,VSF-,OFCDM,）。,可变扩频因子,-,正交频分和码分复用（,VSF-,

19、OFCDM,）是,OFDM,和,CDM,（码分复用）的结合，,它根据小,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。,第,10,章,移动通信的展望,2.,自适应编码调制,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。,例如，我们可以采用,QPSK,、,8PSK,、,16QAM,、,64QAM,等调制方式，,可以采用码率为,R=1/4,、,1/2,、或,3/4,的,Turbo,码。,可以有下列七种调制和码率的组合：,QPSK,R=1/4,QPSK,R=1/2,QPSK

20、,R=3/4,8PSK,R=1/2,16QAM,R=1/2,16QAM,R=3/4,和,64QAM,R=3/4,，如表,10-1,所示。,在码片速率为,3.84,Mc/s,，,采用,20,个码字、,64QAM,、,R=3/4,时可以达到,10.8,Mb/s,的数据速率；如改用,QPSK,R=1/4,，,则速率为,1.2,Mb/s,。,第,10,章,移动通信的展望,表,10-1,不同调制编码方案（,MCS,）提供的信息速率,第,10,章,移动通信的展望,图,10-3,自适应调制编码的通过率,第,10,章,移动通信的展望,NTT DoCoMo,在,4.635 GHz,频段、,101.5 MHz,带

21、宽内利用,自适应调制编码的方法，配合,VSF-OFCDM,调制可以达到的,通过率如图,10-3,所示。系统在时域的扩展因子为,16,，,频域的,扩展因子为,1,，,采用,15,个码字，,6,种调制编码的方案,（,MCS,）；,在每个天线测量到的接收,SNR,为,6.0,、,14.0,、,22.0 dB,时,可以达到的通过量为,100,、,200,和,300 Mb/s,。,从图,中可以看到，,通过采用自适应调制编码（,AMC,），,系统可,以达到每一种调制的最佳传输速率。,第,10,章,移动通信的展望,10.3.2,多输入多输出技术,1.,智能天线,智能天线是一种自适应阵列天线。,自适应阵列天线

22、已经,经历了,40,年的发展历史。,智能天线的理想目标是能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，,此时通信,系统中的许多用户可以占用同一个信道工作而互不干扰，,这,就实现了所谓的“空分多址,(SDMA),”,，,如图,10-4,所示。,系,统可以为每一个新用户增加一个新的波束。,第,10,章,移动通信的展望,图,10-4,利用智能天线实现空分多址示意图,第,10,章,移动通信的展望,智能天线类似一个空间滤波器，,其突出的优点是,能够减少或者滤除同道干扰和多址干扰，,因而能显著,提高通信系统的通信容量。,

23、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。,第,10,章,移动通信的展望,图,10-5,自适应波束形成示意图,第,10,章,移动通信的展望,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。,这种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

24、信号，,而把凹陷对准干扰信号，,从而提高有用信号的信干比。,这种做法在阵元数多于用户数，,且不存在多径传播时,比较有效。,第,10,章,移动通信的展望,另一种办法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,是基于基准信号的阵列天线示意图。,第,10,章,移动通信的展望

25、,图,10-6,基于基准信号的阵列天线示意图,第,10,章,移动通信的展望,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。,基准信号的产生可以采用下列几种,(1),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。,第,10,章,移动通信的展望,(2),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。,显然，,这种方法会增大信道的额,外开销。,(3),在码分多址移动通信系统中，,因为接收端知,道发送端所用的扩频码，,

26、所以利用提取环路很容易获,得所需的参考信号。,第,10,章,移动通信的展望,2.,空时编码,空时编码（,Space,Time,Coding,）是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,s,0,和,s,1,，经过编码生成两个,新的码组,s,0,，,-s*,1,和,s,1,，,s*,0,，,前一组在天

27、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。,第,10,章,移动通信的展望,图,10-7,一个简单的空时分组编码,第,10,章,移动通信的展望,图,10-8,空时分组编码的单接收天线接收机,第,10,章,移动通信的展望,在时间,t,的信道模型为：,发送天线,0,到接收天线的传输损,耗函数为,h,0,(,t,),，,发送天线,1,到接收天线的传输损耗函数为,h,1,(,t,),。,假定衰落在两个符号区间内是恒定的，,h,0,(,t,),?,h,0,(,t,?,T,),?,h,0,?,?,0,e,h,1,(,t,),?,h,1,(,t,?,T,),?,h,1,

28、?,?,1,e,式中，,T,表示符号周期。,r,0,=,r,(,t,)=,h,0,s,0,+,h,1,s,1,+,n,0,r,1,=,r,(,t,+,T,)=-,h,0,s,*,1,+,h,1,s,*,0,+,n,1,j,?,0,j,?,0,(10-1),(10-2),第,10,章,移动通信的展望,图,10-8,中的合路器生成以下两个合并后的信号送往最大,似然检测器,:,s,0,?,h,r,?,h,r,s,1,?,h,r,?,h,r,2,0,2,1,?,0,0,?,1,1,?,1,0,?,0,1,(10-3),将式,(10-1),和式,(10-2),代入式,(10-3),，,有,s,0,?,(

29、,?,?,?,),s,0,?,h,n,?,h,n,s,1,?,(,?,?,?,),s,1,?,h,n,?,h,n,2,0,2,1,?,0,1,?,0,0,?,1,1,?,1,1,(10-4),上式的合并与发端使用一个天线、收端使用两个天线进行最,大比合并的效果是相同的。合并后的信号送给最大似然检测,器进行解调判决。,第,10,章,移动通信的展望,令,s,?,?,s,0,s,?,s,0,则,s,1,?,r,?,?,s,0,T,s,1,?,n,?,?,n,0,T,T,n,1,?,T,?,s,1,?,T,?,h,0,h,1,?,H,?,?,?,?,?,?,h,1,?,h,0,?,r,m,?,H,?,

30、s,?,n,s,?,arg,max,r,?,H,?,s,s,?,S,（,10-5,）,（,10-6,）,第,10,章,移动通信的展望,上述空时码可以拓展到多个接收天线的情况，,此,时式（,10-5,）就是每一个天线上信号的表达式，,即,r,m,?,H,m,?,s,?,n,m,M,（,10-7,）,s,?,arg,max,?,r,m,?,H,m,?,s,s,?,S,m,?,1,M,2,（,10-8,）,第,10,章,移动通信的展望,上述例子中的空时编码的速率为,1,，,我们也可以将其推,广到更多的发送天线，构造不同码率的空时分组编码。,例如,一个,4,发送天线且码率为,1/2,的空时分组编码矩阵

31、如下，,矩阵,中的每一行在一个天线上发送：,?,?,s,0,?,?,s,1,?,s,?,?,?,s,2,?,?,?,s,3,?,s,1,?,s,0,?,s,3,?,s,2,?,s,2,?,s,3,?,s,0,?,s,1,?,s,3,?,s,2,?,s,1,?,s,0,?,s,?,s,?,s,?,s,?,0,?,1,?,2,?,3,?,s,?,s,?,s,?,s,?,1,?,0,?,3,?,2,?,s,?,s,?,s,?,s,?,2,?,3,?,0,?,1,?,s,?,?,?,s,?,（,10-9,）,?,s,?,?,?,s,?,?,3,?,2,?,1,?,0,第,10,章,移动通信的展望,图,10-9 2,发送天线采用,8PSK,调制的,8,状态空时编码,第,10,章,移动通信的展望,3.,多输入多输出（,MIMO,）系统,前面讨论的多发送天线多接收天线系统,(,或称为多输入多,输出（,MIMO,）系统,),主要是为了提高系统的可靠性，增加分,集增益。,MIMO,系统的另一个非常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