4G和B3G移动通信物理层传输关键技术

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1、4G/B3G移动通信物理层传输关键技术山东大学杜岩3G的背景 3G概念始于1980年代初，1985到1990年概念明确下来，标准完成于2000年 信道射频带宽：5MHz 3G的目标室内：2Mbps室外步行：384Kbps城区车速：144Kbps频谱效率1bps/Hz3G的背景 3G的尴尬局面：前有埋伏，后有追兵 埋伏：4G的概念始于90年代末，2002年至今，概念与目标逐步明确。现已有许多重要进展；一些被认为是4G的技术（如WLAN，WMAN）已开始应用，特别是最近WiMax联盟提出的WMAN的移动计划和IEEE 80（MBWA，移动宽带无线接入)如取得成功将对3G形成强大的冲击。 追兵：2G

2、的增强版（GPRS，EDGE等）许多功能接近3G GPRS的最高速率可以达到ps，EDGE甚至可以高达554Kbps3G的背景 许多学者预言：3G将是短命的一代！ 3G的目标制定的太低 3G可提供给用户的业务，2G的增强版基本都可以提供 许多国家，包括一些发达国家，计划跨过3G，直接采用4G 3G是一个专利 “地雷阵”4G的目标 传输速率 室内：100Mbps-1Gbps 室外步行：数10至数100Mbps 车速：数10Mbps 信道射频带宽：数10MHz 一般认为应该在20MHz到50MHz之间。 频谱效率 几到数10bps/Hz4G的目标 通信业务 移动多媒体，包括移动过程中的HDTV（I

3、PTV） 移动过程中的视频、音频：视频 、聊天 互动多媒体游戏、网络游戏 高速数据通信 以上业务，3G大多不能提供！4G网络 异构互连网 基于IP的核心网 移动IPv6 多模式终端4G的挑战 信道：频率选择性/时间选择性衰落（1） 频率选择性衰落 由于信号的多径传播引起不同信道频率处的增益不同（可达数十dB），表现在时域上为符号间干扰，可达数十甚至数百个符号，时域均衡是的复杂性是不可接收的 OFDM可以很好的对付频率选择性衰落4G的挑战 信道：频率选择性/时间选择性衰落（2） 时间选择性衰落 由于信道的时变引起，表现为不同时间接收到的信号强度不同，变化范围可达到数10dB 目前有一些技术对付时

4、间选择性衰落 对于频率选择性时间选择性衰落的双选择性信道，目前还没有有效的应对技术公开发表。 我们提出的一个框架，可以有效对付双选择性！目前在国内外文献上还找不到对手！02004006000100200时间/频率双选择性信道仿真图43210300Tim eF requenc y4G的挑战 射频放大器： 信号的高PAPR要求大线性动态范围放大器 宽带 高速D/A、A/D转换器 带宽大，抽样率要求就高，软件无线电技术的采用更加剧了这个问题 高速数字信号处理器 现代通信发射接收机的许多工作由数字信号处理器完成，高速通信的数据处理量特别大 高效率数字信号处理算法 高效率（计算量、存储量）的（通信）数字

5、信号处理算法是现代通信的最核心技术4G物理层传输关键技术 多天线技术 包括MIMO、智能天线、发射、接收机的多天线分集接收 分块传输技术 正交频分复用（OFDM）技术 单载波频域均衡（SC-FDE）技术（称为OTDM比较好） 软件无线电（SDR）技术 接入技术关键技术MIMO MIMO（Multiple Input Multiple Output）模型 图关键技术MIMO MIMO信道容量 随发射、接收天线的较小者线性增长（在不增加信噪比的条件下） 假设：足够多的多径环境、时延扩展可忽略 Rich Scattering Environment 窄带技术关键技术MIMO 信道容量的利用 BLAS

6、T：提高频谱效率 2000年前后，Foschini小组用30Khz的射频带宽，采用MIMO技术得到了1Mbps的传输速率（实际实验结果）关键技术MIMO x1 x x 关键技术MIMO 信道容量利用 空时码（Space-Time Coding）：提高功率效率 发射机发射的符号在空间（天线）和时间（帧）上都不是独立的，即有相互约束。这种约束是通过编码引入的。 例如：Alamouti Space-Time Coding编码矩阵：*2*1X = x2编码框图关键技术MIMO关键技术MIMO MIMO对工作环境的要求特别高 丰富多径假设不成立的情况 信道有相关性：信道容量减小 有直射路径的情况 信道降

7、秩：信道容量锐减关键技术MIMO MIMO实际上是一种窄带传输技术 仅靠MIMO技术能支持的传输速率不可能太高（数Mbps就相当困难了），要进一步通过传输速率，必须增加带宽。但又要满足MIMO的时延扩展可忽略的假设，这要求MIMO必须结合其他技术 可以结合的技术：OFDM，时域均衡，OTDM MIMO实现太复杂，结合上以上技术后更加复杂关键技术OFDM OFDM系统框图信 源映 射IFFT加CPD/A射频调制均 衡解映射FFT去CPA/D射频解调信道关键技术OFDM 优点（1） 抗多径能力强 频谱效率高OFDM子载波间隔OFDM子信道频谱主瓣普通FDM子载波间隔保护间隔普通FDM系统子信道频谱

8、主瓣关键技术OFDM 优点（2） 实现简单 FFT实现：调制解调都由(I)DFT实现（FFT是DFT的快速算法） 有成熟的自适应技术 易与其他技术结合 MIMO+OFDM MC-CDMAFrequency ResponseFrequency Response关键技术OFDM 优点（3） 多径环境中均衡容易实现 ZF均衡、MMSE均衡 均衡比较简单，单抽头的均衡器频率选择性衰落信道FrequencyOFDM子信道FrequencyReal Part AmplitudeReal Part Amplitude关键技术OFDM 缺点（1） PAPR过大（需要线性范围大的功率放大器）0501001502

9、0025007654321Time102040506000765432130Time关键技术OFDM OFDM符号I支路信号功率统计特性0204060801001200121086425x 10Real Part PowerReal Part Power Distribution-8-6-4-20246810-1010关键技术OFDM信号带宽OFDM频域信号 缺点（2）带外辐射衰减慢关键技术OFDM 缺点（3） 对频偏敏感即OFDM的频率载波同步问题，我们已经提出了低代价解决方法，并已公开发表关键技术MIMO+OFDM 基本思想 利用OFDM将宽带信道转化成若干个平坦的窄带子信道 利用MIMO

10、多天线技术在每一个窄带平坦子信道上获得巨大信道容量关键技术MIMO+OFDM 关键技术 信道估计 要估计的信道参数太多，一般要用发训练帧的方式估计信道，而且各天线一般不能同时发训练帧 检测顺序的确定 其实普通MIMO中就有这个问题，这里更加复杂关键技术MIMO+OFDM 主要优点 频谱效率高 可以轻易达到10bps/Hz以上 极高速无线传输 可以支持高达1Gbps的传输速率（2002年Foschini小组利用一个812系统，在射频带宽为75MHz的条件下实现了1Gbps的传输）关键技术MIMOOFDM 主要缺点 对环境要求太高 要求丰富多径，而且比较怕直射路径能量明显大的情况，基本只有室内才能

11、满足 技术太复杂 信道估计和检测算法的计算量都特别大 支持移动十分有限 移动起来信道估计压力太大，往往信道估计过程还没有完成，信道就已经变化了，而且移动过程中难以保持丰富多径的要求关键技术OTDM OTDM和SC-FDE OTDM：Orthogonal Time Division Multiplexing正交时分复用（根据与OFDM对偶的观点，我们首先提出此名字，2003年） SC-FDE：Single Carrier with Frequency DomainEqualization（1994年Sari提出该系统并以此命名） 单载波频域均衡关键技术OTDM 系统框图信 源映 射加CPD/A射