移动通信的展望ppt课件

1、第第1010章章 移动通信的展望移动通信的展望 第第10章章 挪动通讯的展望挪动通讯的展望 10.1 个人通讯概述个人通讯概述 10.2 关于个人通讯的国际规范和研讨进展关于个人通讯的国际规范和研讨进展 10.3 未来挪动通讯中的关键技术未来挪动通讯中的关键技术 思索题与习题思索题与习题 第第1010章章 移动通信的展望移动通信的展望 10.1 个人通讯概述个人通讯概述 挪动通讯从产生到如今的历史并不长， 然而其开展速度却远远超出了人们的预料。 尤其是最近十几年来， 随着微电子技术、 计算机和软件工程的开展， 挪动通讯设备在质量、 运用方便和可靠性等方面的开展日新月异。 第第1010章章 移动

2、通信的展望移动通信的展望 纵观挪动通讯的开展历程， 当代挪动通讯可分为四个阶段： 1 第一代挪动通讯以模拟调频、 频分多址为主体技术， 包括以蜂窝网系统为代表的公用挪动通讯系统、 以集群系统为代表的公用挪动通讯系统以及无绳, 主要向用户提供模拟话音业务。 第第1010章章 移动通信的展望移动通信的展望 (2) 第二代挪动通讯以数字传输、 时分多址或码分多址为主体技术， 简称数字挪动通讯， 包括数字蜂窝系统、 数字无绳系统和数字集群系统等， 主要向用户提供数字话音业务和低速数据业务。 第第1010章章 移动通信的展望移动通信的展望 (3) 第三代(3G)挪动通讯以CDMA为主要技术， 向用户提供

3、2 Mb/s到10 Mb/s的多媒体业务。 (4) 超后三代B3G或第四代(4G)挪动通讯的研讨和开发， 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。 第第1010章章 移动通信的展望移动通信的展望 10.1.1 个人通讯的概念 长期以来， 人们就有一种愉快的愿望： 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(Wherever)都能和另一个人(Whomever)进展任何方式(Whatever)的通讯。 以往， 人们曾把这种愿望称之为梦想， 然而随着科学技术的开展， 这种愿望曾经不是梦想， 而是可以实现的了。

4、 人们把这种向往中的通讯称为“个人通讯， 而把实现个人通讯的网络称之为个人通讯网(PCN)。 第第1010章章 移动通信的展望移动通信的展望 个人通讯的愿望虽然早已存在， 但个人通讯网的想象却是在1988年才正式提出来的。 其后， PCN在世界范围内立刻引起了宏大的反响和共鸣， 一些通讯兴隆的国家纷纷开展了PCN的体系构造和实现技术的研讨， 提出了形形色色的想象和方案， 有关PCN的国际规范的制定也遭到许多国际组织的注重。 第第1010章章 移动通信的展望移动通信的展望 10.1.2 实现个人通讯的途径 个人通讯的想象激发了人们的浓重兴趣。 从1988年以来， 人们对如何实现个人通讯曾提出过各

5、种各样的方案， 也发生过一些争论， 甚至相互非议。 普通来说， 实现个人通讯的途径有以下几种。 (1) 规划、 设计和开发一种覆盖世界范围的全新个人通讯网。 这种方法可以按照个人通讯的理想目的， 自在地精选先进技术和优化网络构造， 而不受现有通讯设备和现用技术体制的影响和约束。 第第1010章章 移动通信的展望移动通信的展望 (2) 选择现有的某一种挪动通讯网络进展扩展和改造， 实现一个普及全球、 功能齐全和顺应各种运转环境的个人通讯网。 这种方法对现有各种通讯设备的开发者、 制造商和运营公司特别有吸引力。 第第1010章章 移动通信的展望移动通信的展望 利用和改造某一种通讯网络向个人通讯网开

6、展的方案都带有一定的局限性， 主要表如今以下几个方面： 把蜂窝通讯系统的小区分为宏小区、 微小区和悄然小区， 混合配置， 以顺应城市和乡村、 户内和户外的不同需求和扩展个人通讯的效力范围。 把无绳系统由室内运用扩展到室外运用， 经过Telepoint覆盖整个效力地域， 并赋予双向呼叫、 越区切换和遨游功能， 以提供个人通讯业务。 第第1010章章 移动通信的展望移动通信的展望 利用中、 低轨道挪动通讯卫星实现个人通讯网络。 由于挪动卫星通讯在海上、 空中和地形复杂而人口稀疏的环境中应器具有独特的优点， 不仅覆盖范围大， 而且不受地形的限制， 对于处理遥远地域的通讯和构成陆海空结合的立体通讯系统

7、而言是最有效的方法。 第第1010章章 移动通信的展望移动通信的展望 (3) 综合利用现有各种通讯网络， 发扬各自的优点， 取长补短， 在一致要求和一致规范的条件下， 突破关键技术， 处理各种网络之间的互连互通， 加强通讯网络的智能化管理功能， 以实现全球性的个人通讯网。 第第1010章章 移动通信的展望移动通信的展望 10.2 关于个人通讯的国际规范和研讨进展关于个人通讯的国际规范和研讨进展 10.2.1 第三代挪动通讯系统规范制定的过程 第三代挪动通讯系统的实际研讨、 技术开发和规范制定任务早在20世纪80年代中期就曾经开场了。 第三代挪动通讯的主要开展目的是： 能提供高质量业务， 包括话

8、音、 低速和高速数据(从几kbs到2 Mbs)， 并具有多媒体接口； 能支持面向电路和面向分组业务； 第第1010章章 移动通信的展望移动通信的展望 能任务在各种通讯环境， 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， 能提供更大的通讯容量； 能与固定网络兼容， 和现有挪动通讯网互连互通并实现全球遨游；网络构造可配置成不同方式， 以顺应各种效力需求， 如公用、 公用、 商用和家用； 具有高级的挪动性管理， 能保证大量用户数据的存储、 更新、 交换和实时处置等。 第第1010章章 移动通信的展望移动通信的展望 关于第三代挪动通讯系统的规范， 开场主要是由国际电信

9、联盟(ITU)主导的， 最初提出时运用的系统称号为“未来公共陆上挪动通讯系统(FPLMTS)， 后改名为“国际挪动通讯2000(IMT-2000)。 2019年12月， 世界各国已向ITU提交的无线传输技术(RTT)建议有： 第第1010章章 移动通信的展望移动通信的展望 (1) 以TDMA为根底的两种： DECT， 来自ETSI方案(EP)DECT。 UWC-(Universal Wireless Communications)， 来自美国TIA TR45.3。 第第1010章章 移动通信的展望移动通信的展望 (2) 以CDMA为根底的八种： WINS W-CDMA(Wireless Mul

10、timedia and Messaging Service Wideband CDMA)， 来自美国TR46.1。 TD-SCDMA(TimeDivision Synchronous CDMA)， 来自中国电信技术研讨院(CATT)。 W-CDMA(Wideband CDMA)， 来自日本ARIB。 CDMA(Asynchronous DS-CDMA)， 来自韩国TTA。 第第1010章章 移动通信的展望移动通信的展望 UTRA(UMTS Terrestrial Radio Access)， 来自ESTI SMG2。 NA：W-CDMA(North American Wideband CDMA

11、)， 来自美国TIPI-ATIS。 cdma2000(Wideband CDMA(IS-95)， 来自美国TIA TR45.5。 CDMA (Multiband Synchronous DS-CDMA)， 来自韩国TTA。 第第1010章章 移动通信的展望移动通信的展望 (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 Wideband Hybrid CDMATDMA)， 来自ESA。 第第1

12、010章章 移动通信的展望移动通信的展望 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。 第第1010章章 移动通信的展望移动通信的展望 2019年11月赫尔辛基TG81会议经过了“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挪动通讯系统无线传输技术分为CDMA和TDMA两类， 详细包括： CDMA DS： UTRA FDD(WCDMA)； CDMA MC： cdma2000 M

13、C； CDMA TDD： UTRA TDD及TD-SCDMA； TDMA SC： UWC-； TDMA MC： DECT。 第第1010章章 移动通信的展望移动通信的展望 10.2.2 超后三代B3G或第四代(4G)挪动通讯的研讨和开发 第三代挪动通讯曾经开场商用， 2019年底全球已发放120个IMT-2000的运转牌照。 仅以日本为例， 第三代挪动通讯2019年10月开场商用WCDMA技术， 2019年3月已有300万用户， 网络已覆盖99%以上的地域。 第第1010章章 移动通信的展望移动通信的展望 在第三代3G挪动通讯开场商用后， 大家就开场思索今后该如何开展， 即开场了超后三代B3G

14、或第四代(4G)挪动通讯的研讨和开发。 今后的开展分为两个思绪： 一是对现有3G规范的加强， 以满足未来用户的需求； 二是研制全新的规范。 第一种思绪可以称为3G的演进， 如3GPP提出了高速下行分组接入HSDPA， 其数据率可以到达10.8 Mb/s； 3GPP2提出了1xEV-DV， 其速率可以到达5.4 Mb/s。 第第1010章章 移动通信的展望移动通信的展望 ITU-R对未来系统的开展的看法包括两部分： 一是IMT-2000的未来开展， 二是超IMT-2000的系统。 IMT-2000将继续开展以支持新的运用、 产品和效力。 WWRFWireless World Research F

15、orum以为未来的系统不能够仅用一个规范来满足用户的一切要求， 该当用一组规范来满足完全不同的用户需求； 该当利用多模终端， 在一组可选的空中接口中选择一个最适宜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。 第第1010章章 移动通信的展望移动通信的展望 IEEE 802下的多个任务组也在进展未来无线通讯的规范化任务。 如IEEE 802.11n希望下一代WLAN的实践传输速率到达100 Mb/s， 完好的802.11n规范那么估计在2019年年底至2019年年初之间问世； 2019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可以到

16、达640 Mb/s左右， 而WWiSE组织的提案最高速率为540 Mb/s； 它们都选择运用了“多重输入与多重输出(MIMO， Multiple Input and Multiple Output)技术作为规范的中心。 第第1010章章 移动通信的展望移动通信的展望 综上所述， 我们可用图10-1来概括挪动和无线通讯的开展进程。 它包括广域覆盖Wide Area Coverage的挪动通讯系统和局域覆盖(Local Area Coverage)的无线局域网。 第第1010章章 移动通信的展望移动通信的展望 图10-1 挪动通讯的开展进程 1.25 MHz54 Mb/s54 Mb/s15.2 k

17、b/s30 kHzGSM(MAP)HSCSGPRSEDGETDMA(IS-41)CDPDWCDMAFDDcdma2000与HL2协调的IEEE 802.11a标准HiperLAN2IEEE 802.11aPDC/PDC-PCDMA(IS-41)WLAN802.11b170 kb/s473 kb/s200 kHz43.2 kb/s14.4 kb/s76.8 kb/s本地覆盖11 Mb/s5 MHz2 Mb/s307.kb/s广域覆盖473 kb/s实时 IPEDGE Ph.2GERAN3 G的演进WCDMA TDDWCDMAHSPA2 Mb/s变速下行分组接入10 Mb/sT-SCDMA2.4

18、Mb/s5.4 Mb/s未来无线20002001200220032010以后1xEV DO阶段1xEV -DV阶段1X第第1010章章 移动通信的展望移动通信的展望 10.3 未来挪动通讯中的关键技术未来挪动通讯中的关键技术 10.3.1 自顺应编码调制技术 1. 可变速率调制技术 未来挪动通讯系统不仅要传输不同速率和不同质量要求的多种业务， 而且由于挪动信道的传播性能经常会随时间和传播地点而随机变化， 所以挪动通讯系统必需具有自顺应改动其传输速率的才干， 以便能灵敏地为多种业务提供适宜的传输速率，第第1010章章 移动通信的展望移动通信的展望 而且能在保证传输质量的前提下， 根据传播条件实时

19、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)， 以充分发扬所用频谱的效率。 第第1010章章 移动通信的展望移动通信的展望 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是一种振幅和相位结合键控技术。 电平数越多， 每码元携带的信息比特数就越多。 第第1010章章 移动通信的展望移动通信的展望 图10-2 星型QAM的星座图 星型8QAM星型16 QAM星型64 QAM星型32 QAM第第1010章章 移动通信的展望移动通信的展望 (2) 可变扩频增益码分多址(VSG-CDMA)。 这种技术靠动态改动扩频增益和发射功率以实现不

20、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。 第第1010章章 移动通信的展望移动通信的展望 (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根本速率时， 串并变换器只输出1个支路； 当业务数据速率大于根本速率而小于2倍根本速率时，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根本速率的M

21、倍。 第第1010章章 移动通信的展望移动通信的展望 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-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， 经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。 第第1010章章 移动通信的展望移动通信的展望 2. 自顺应编码调制 自顺应编码调制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正确的编码组合。 第第1010章章 移动通信的展望移动通信的展望 例如， 我们可以采用QPSK、 8PSK、 16QAM、 6

22、4QAM等调制方式， 可以采用码率为R=1/4、 1/2、 或3/4的Turbo码。 可以有以下七种调制和码率的组合： QPSK R=1/4, QPSK R=1/2, QPSK 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 时可以到达10.8 Mb/s的数据速率；如改用QPSK R=1/4， 那么速率为1.2 Mb/s。 第第1010章章 移动通信的展望移动通信的展望 表10-1 不同调制编码方案MCS提供的信息速率 第第1010章

23、章 移动通信的展望移动通信的展望 图10-3 自顺应调制编码的经过率MCS6MCS5MCS4MCS3MCS2MCS125201510505050100150200250300每个天线平均测量到的接收 SNR /dB通过量/(Mb/s)MCS1(QPSK, R1/3)MCS2(QPSK, R1/2)MCS3(QPSK, R3/4)MCS4(16QAM, R1/2)MCS5(16QAM, R3/4)MCS6(64QAM, R3/4)AMCAMC第第1010章章 移动通信的展望移动通信的展望 NTT DoCoMo在4.635 GHz频段、 101.5 MHz带宽内利用自顺应调制编码的方法， 配合VS

24、F-OFCDM调制可以到达的经过率如图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； 在每个天线丈量到的接纳SNR为6.0、 14.0、 22.0 dB时, 可以到达的经过量为100、 200和300 Mb/s。 从图中可以看到， 经过采用自顺应调制编码AMC， 系统可以到达每一种调制的最正确传输速率。 第第1010章章 移动通信的展望移动通信的展望 10.3.2 多输入多输出技术 广义的多输入多输出MIMO技术包括： 智能天线技术、 空时编码、 用于提高系统容量的MIMO等技术。 1. 智能天线 智能天线是一种自顺应阵列天线。

25、 自顺应阵列天线曾经阅历了40年的开展历史。 第第1010章章 移动通信的展望移动通信的展望 图10-4 利用智能天线实现空分多址表示图 新用户第第1010章章 移动通信的展望移动通信的展望 智能天线的理想目的是能在发射机或接纳机快速挪动时， 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， 此时通讯系统中的许多用户可以占用同一个信道任务而互不干扰， 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添加一个新的波束。 第第1010章章 移动通信的展望移动通信的展望 智能天线类似一个空间滤波器， 其突出的优点

26、是可以减少或者滤除同道干扰和多址干扰， 因此能显著提高通讯系统的通讯容量。 目前， 挪动台要运用自顺应天线， 因受体积、 分量和外型等方面的限制， 尚有一定困难， 但基站运用自顺应天线已被证明是非常有效的。 第第1010章章 移动通信的展望移动通信的展望 图10-5 自顺应波束构成表示图 aaa可变衰减可变相移Wd信号源波前第第1010章章 移动通信的展望移动通信的展望 图10-5是一种基于信号到达方向的(DOA)自顺应波束构成表示图， 其中天线阵列由N个空间分布的天线阵元组成， 阵元陈列可以是直线型、 环型或平面型， 阵元之间的间隔普通为信号波长的一半， 即2； W是复加权因子。 这种自顺应

27、阵列需求判别一切信号的到达方向， 然后根据信号的到达方向， 计算和选择适宜的复加权因子， 将方向图的主瓣指向所需信号， 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。 第第1010章章 移动通信的展望移动通信的展望 另一种方法需求提供一种与所需信号亲密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构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那么(如最小均方差(LMS)准那么、 递归最小平方(RLS)准那么等)， 对复加权因子W进展调整， 使构成网络的输出信号尽能够接近基准信号， 并从输出信号中消除与基

28、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表示图。第第1010章章 移动通信的展望移动通信的展望 图10-6 基于基准信号的阵列天线表示图 x1(t)x2(t)xN(t)反馈控制W1W2WNs(t)r(t)阵输出基准信号误差信号(t)第第1010章章 移动通信的展望移动通信的展望 无论采用哪一种自顺应算法， 都要在保证性能要求的前提下， 尽能够减少运算量， 缩短收敛时间， 以期能跟踪挪动通讯环境的动态变化。 基准信号的产生可以采用以下几种方法： (1) 利用发送同步信号的引导序列来产生参考信号。 由于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

29、同道干扰。 第第1010章章 移动通信的展望移动通信的展望 (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) 在码分多址挪动通讯系统中， 由于接纳端知道发送端所用的扩频码， 所以利用提取环路很容易获得所需的参考信号。 第第1010章章 移动通信的展望移动通信的展望 2. 空时编码 空时编码Space Time Coding是指对发送符号进展结合编码， 然后在多个天线上同时发送， 从而实现接纳端的有效分集合并， 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。 第第1010章章 移动通信

30、的展望移动通信的展望 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s0和s1， 经过编码生成两个新的码组s0， -s*1和s1， s*0， 前一组在天线0上发送， 后一组在天线1上发送， 其接纳机的框图如10-8所示。 第第1010章章 移动通信的展望移动通信的展望 图10-7 一个简单的空时分组编码 信源星座映射空时分组编码信号1信号0s0 s1*01*10 ssss第第1010章章 移动通信的展望移动通信的展望 图10-8 空时分组编码的单接纳天线接纳机 信道估计器合路器最大似然检测器h0h1h1h0n

31、1n0干扰和噪声接收天线1s0s0j00eh1j11eh发送天线1发送天线00s*1s1s*0s第第1010章章 移动通信的展望移动通信的展望 在时间t的信道模型为： 发送天线0到接纳天线的传输损耗函数为h0(t)， 发送天线1到接纳天线的传输损耗函数为h1(t)。 假定衰落在两个符号区间内是恒定的， 即 0011110000)()()()(jjehTththehTthth(10-1)第第1010章章 移动通信的展望移动通信的展望 式中， T表示符号周期。 接纳信号可以表示为 r0=r(t)=h0s0+h1s1+n0 r1=r(t+T)=-h0s*1+h1s*0+n1 (10-2) 图10-8

32、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: 1001111000rhrhsrhrhs(10-3) 第第1010章章 移动通信的展望移动通信的展望 将式(10-1)和式(10-2)代入式(10-3)， 有11101212011100021200)()(nhnhssnhnhss(10-4) 上式的合并与发端运用一个天线、 收端运用两个天线进展最大比合并的效果是一样的。 合并后的信号送给最大似然检测器进展解调判决。 第第1010章章 移动通信的展望移动通信的展望 令 TTTTThhhhHsssnnnssrsss011010101010,那么 sHrsnsHrSsmmaxarg10-5 1

33、0-6 第第1010章章 移动通信的展望移动通信的展望 上述空时码可以拓展到多个接纳天线的情况， 此时式10-5就是每一个天线上信号的表达式， 即 mmmnsHr10-7 M个接纳天线的表达式为 21maxargsHrsmmMmSs10-8 第第1010章章 移动通信的展望移动通信的展望 上述例子中的空时编码的速率为1， 我们也可以将其推行到更多的发送天线， 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如下， 矩阵中的每一行在一个天线上发送： 01230123103210322301230132103210ssssssssssssssssssssssss

34、sssssssss 10-9 第第1010章章 移动通信的展望移动通信的展望 图10-9 2发送天线采用8PSK调制的8形状空时编码 012345678PSK星座输入数据00 ， 01 ，02，03，04，05，06，0750 ， 51 ，52，53，54，55 ，56，5720 ， 21 ，22，23，24，25 ，26，2770 ， 71 ，72，73，74，75 ，76，7740 ， 41 ，42，43，44，45 ，46，4760 ， 61 ，62，63， 64， 65 ，66，6730 ， 31 ，32，33， 34， 35 ， 36 ，3701234567当前的状态输入：0 1 5 7 6 4TX 1： 0 0 5 1 3 6TX 2： 0 1 5 7 6 410 ， 11 ，12，13，14，15 ，16， 17TX1TX2第第1010章章 移动通信的展望移动通信的展望 3. 多输入多输出MIMO系统 前面讨论的多发送天线多接纳天线系统(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， 添加分集增益。 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个接纳天线的系统， 用MIMOM， N来表示。 一个MIMO3， 3系统如图10-10所示， 输入调制