浅析4G移动通信中的关键技术

浅析4G移动通信中的关键技术班级：1508102学号：040820423姓名：査希超通信技术日新月异，给人们带来不少享受。移动通信技术已经历了三个主要发展阶段。每一代的发展都是技术的突破和观念的创新。第一代起源于20世纪80年代，主要采用模拟和频分多址(FDMA)技术。第二代(2G)起源于90年代初期，主要采用时分多址(TDMA)和码分多址(CDMA)技术。第三代移动通信系统(3G)可以提供更宽的频带，不仅传输话音，还能传输高速数据，从而提供快捷方便的无线应用。然而，第三代移动通信系统仍是基于地面标准不一的区域性通信系统，尽管其传输速率可高达2Mb/s，但仍无法满足多媒体通信的要求，随着数据通信与多媒体业务需求的发展，适应移动数据、移动计算及移动多媒体运作需要的第四代移动通信开始兴起，因此有理由期待这种第四代移动通信技术给人们带来更加美好的未来。一．4G通信技术的概念简述4G是第四代移动通信及其技术的简称，是集3G与WLAN于一体并能够传输高质量视频图像以及图像传输质量与高清晰度电视不相上下的技术产品。4G系统能够以100Mbps的速度下载，比拨号上网快2000倍，上传的速度也能达到20Mbps，并能够满足几乎所有用户对于无线服务的要求。而在用户最为关注的价格方面，4G与固定宽带网络在价格方面不相上下，而且计费方式更加灵活机动，用户完全可以根据自身的需求确定所需的服务。此外，4G可以在DSL和有线电视调制解调器没有覆盖的地方部署，然后再扩展到整个地区。很明显，4G有着不可比拟的优越性。二、4G通信的关键技术4G通信的关键技术包括OFDM技术、智能天线技术、软件无线电技术、多用户检测技术、IPv6技术等。下面就OFDM技术作主要阐述。1.OFDM技术的基本原理OFDM(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing)即正交频分复用技术，实际上OFDM是MCMMulti-CarrierModulation，多载波调制的一种。其主要思想是：将信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数OFDM系统框图据流，调制到在每个子信道上进行传输。正交信号可以通过在接收端采用相关技术来分开，这样可以减少子信道之间的相互干扰ICI。每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，因此每个子信道上的可以看成平坦性衰落，从而可以消除符号间干扰。而且由于每个子信道的带宽仅仅是原信道带宽的一小部分，信道均衡变得相对容易，上图为OFDM系统的组成示意图。2.OFDM技术的优点（1）OFDM技术实现了多载波调制（MCM），克服了多径接收，提高了系统的传输码率。（2）OFDM技术将给定信道分成许多正交子信道，在每个子信道上使用一个子载波进行调制，并且各子载波并行传输，大大消除信号波形间的干扰，也提高了频谱效率。（3）OFDM技术可适应不同设计需求，灵活分配数据容量和功率，便于提供灵活的高速和变速综合数据传输。（4）OFDM技术能提供较大的系统容量，且具有较强的抗多径干扰、抗频率选择性衰落和频率扩散能力，适应多径和移动信道传播条件。（5）OFDM技术可以实现较高的安全传输性能，它允许数据在高速的射频上编码。（6）OFDM技术能够持续不断地监控传输介质上通信特性的突然变化。能动态地接通或切断相应的载波，以保证持续地进行成功的通信。3.OFDM技术的不足由于OFDM系统内存在多个正交子载波，而且其输出信号是多个子信道的叠加，因此对子信道的正交性有严格要求。而由于无线信道的时变性，还有发射机载波和本地振荡器的频率偏差，所以OFDM易受频率偏差的影响。如果多个子信号的相位一致时，所得到的叠加信号的瞬时功率会远大于信号的功率，出现较大的峰值与均值功率比(PAR)，这个比值的增大会降低射频放大器的功率效率，使系统性能恶化为克服这些缺陷所要解决OFDM系统的同步问题和减“PAR值问题是研究热点。4.OFDM的关键技术峰值平均功率(PAPR）由于OFDM信号在时域上为N个正交子载波信号的叠加，当这N个信号恰好都以峰值出现并将相加时，OFDM信号也产生最大峰值，该峰值功率是平均功率的N倍。这样，为了不失真地传输这些高峰均值比的OFDM信号，对发送端和接收端的功率放大器和A/D变换器的线性度要求较高，且发送效率较低。解决方法一般有下述3种途径。(1)信号失真技术采用峰值修剪技术和峰值窗口去除技术，使峰值振幅值简单地非线性去除；(2)采用编码方法将峰值功率控制和信道编码结合起来，选用合适的编码和解码方法，以避免出现较大的峰值信号；(3)采用扰码技术对所产生的OFDM信号的相位重新设置，使互相关性为零，这样可以减少OFDM的PAPR。这里所采用的典型方法为PTS(PartialTransmitSequence)和SLM(SelectiveMapping)。同步与其它数字通信系统一样，OFDM系统需要可靠的同步技术，包括定时同步、频率同步和相位同步，其中频率同步对系统的影响最大。移动无线信道存在时变性，在传输过程中会出现无线信号的频率偏移，这会使OFDM系统子载波间的正交性遭到破坏，使子信道间的信号相互干扰，因此频率同步是OFDM系统的一个重要问题。为了不破坏子载波间的正交性，在接收端进行FFT变换前，必须对频率偏差进行估计和补偿。可采用循环前缀方法对频率进行估计，即通过在时城内把OFDM符号的后面部分插入到该符号的开始部分，形成循环前缀。利用这一特性，可将信号延迟后与原信号进行相关运算，这样循环前缀的相关输出就可以用来估计频率偏差。信道编码和交织为了对抗无线衰落信道中的随机错误和突发错误，通常采用信道编码和交织技术。OFDM系统本身具有利用信道分集特性的能力，一般的信道特性信息已被OFDM调整方式本身所利用，可以在子载波间进行编码，形成编码的OFDM(COFDM)，OFDM技术与信道编码、频率时间交织结合起来，提高系统的性能，其编码可以采用各种码(如分组码和卷积码)。训练序列/导频及信道估计技术接收端使用差分检测时不需要信道估计，但仍需要一些导频信号提供初始的相位参考，差分检测可以降低系统的复杂度和导频的数量，但却损失了信噪比。尤其是在OFDM系统中，系统对频偏比较敏感，所以一般使用相干检测。在系统使用相干检测时，信道估计是必须的。此时可以使用训练序列和导频作为辅助信息，训练序列通常在非时变信道中，在时变信道中一般使用导频信号。在OFDM中，导频信号是时频二维的。为了提高估计的精度，可以插入连续导频和分散导频，导频的数量是估计精度和系统复杂度的折衷。导频信号之间的间隔取决于相干时间和相干带宽，在时域上，导频间隔应小于相干时间。在频域上，导频间隔应小于相干带宽。实际应用中，导频的模式的设计要根据具体情况而定。5.不同类型的0FDM采用OFDM技术的一个主要障碍是现在存在许多不兼容版本且没有统一标准。OFDM技术有以下几种。V-OFDM由宽带产品供应商Iospan公司和Cisco系统公司开发V-OFDM(VectorOFDM)。该系统使用空间分集技术，利用多重信号发射以提高带宽，通过使用特殊天线和信号处理来实现。天线接收信号再进行信号处理，使延迟信号合并变为更高的数据流。V-OFDM大多用于固定无线城域网(MAN)。W-OFDM目前，W-OFDM(WidebandOFDM)已经正式通过IEEE组织的认证，成为IEEE802.16a标准(无线城域网的国际通用标准)物理层调制技术。OFDM论坛称Wi-LAN公司的W-OFDM应该是标准版本。W-OFDM使用的不是紧压缩正交载波，而是在正交信道之间引入额外频率空间。通过在W-OFDM数据的每一帧插入一些已知数据计算出传输信道的“估计”(这个“估计”就是理论中的“传输函数”)，并利用这个“估计”来纠正选频衰落的影响。这能更好地减少干扰，并且对OFDM传输中存在的一些问题如抖动有了更高的容忍度。无线互联网商务服务供应商在城域网中使用W-OFDM，因为城域网中的收发信机往往是在室外并需要更高的容错能力。F-OFDMF-OFDM(FlashOFDM)是1998年由Bell实验室发明，后来由朗讯科技下设的Flarion公司推出商用化产品。相对V-OFDM、W-OFDM而言，它的特点是能在移动环境下工作，是一种移动宽带接入Internet解决方案。F-OFDM在OFDM中引入快速跳频扩频技术，该技术在传输中不断变换频率，即在每个时隙中可以根据跳频图样来选择每个用户所用的子载波频率。这种系统在比OFDM所需频带更宽的频带上传输信号，将信号能量扩展到更宽频谱上，提高了信号的抗干扰能力。且由于高速切换子载波，因而相邻节点可以使用相同频率的子载波，可提高频率利用效率。该技术与GSM后向兼容，可以为蜂窝电话用户和其他移动用户提供宽带服务。Flarion公司2004年3月17日发布了针对笔记本电脑、台式PC、PDA和手机的芯片组、参考设计包和两款调制解调器，希望以此提高其F-OFDM技术的采用率。美国通信运营商NextelCommunications于2004年4月14日开始提供无线互联网服务“NextelWirelessBroadband”，最大下行数据传输速度为3Mbit/s。用户每月交纳数十美元便可永久接入无线互联网。该服务采用就是F-OFDM。利用F-OFDM的无线互联网技术投入实际商用，此前尚无先例。MIMO-OFDM多输入多输出(MIMO)OFDM由IospanWireless公司开发，是OFDM和MIMO技术结合产生的一种新技术。MIMO是该项技术的核心，是在收发两端使用多个天线，每个收发天线对之间形成一个MIMO子信道，若各发射接收天线间的通道响应独立，则MIMO系统可以创造多个并行空间信道。通过这些并行空间信道独立地传输信息使得数据传输率得以提高。而OFDM技术有极好的抗衰落特性，通过在OFDM传输系统中采用阵列天线实现空间分集，可结合二者优点，使无线系统对噪声、干扰、多径的容限大大增加，而且大大提高频谱利用率和业务覆盖范围。由于MIMO和OFDM在提高无线链路的传输速率和可靠性的巨大潜力，使得这两种技术特别是二者的结合有望成为过渡到4G的潜在技术。MultibandOFDMMultibandOFDM联盟由50多个世界知名企业所组成，手机芯片制造商德州仪器(TI)是该联盟的发起人之一。Samsung、Panasonic及Nokia都是该联盟的成员。MultibandOFDM联盟称，与W-OFDM相比，该技术产品的数据将更为强大，其中包括能轻松处理视频流的能力。1999年12月，包括Erisson、Nokia和Wi-LAN在内的7家公司发起国际OFDM，致力于策划一个基于OFDM技术的全球性单一标准。据分析，Wi-LAN和Cisco很可能在OFDM的标准化方面相互争霸。我国的信息产业部也参加了OFDM论坛，可见OFDM在无线通信的应用已经引起国内通信界的重视。只有尽快开发出我国自主知识产权的技术，我国才能成为未来标准的真正制定者之一。6.OFDM的应用现状由于OFDM可以有效地消除信号多径传播所造成符号干扰(ISI)，OFDM技术良好的性能使得它在很多领域得到了广泛的应用。随着因特网的发展，人们对数据业务的需求也不断增大，人们希望移动通信系统能提供更广泛的业务种类，包括话音、视频、多媒体和宽带数据业务等。为了实现真正意义上的宽带无线系统，国际电信联盟已开始着手制定下一代移动通信系统，即4G。随着4G标准的制定，OFDM将作为主流技术写入4G标准中。而OFDM已存在的许多不兼容的标准，会影响其广泛的使用。正如任何新技术一样，OFDM技术的标准化还有漫长的道路要走，但是一旦其相关的技术标准出台并得到广大工业界的支持，其威力不可忽视。三．4G技术的展望4G移动通信系统目前还只是一个基本概念，4G网络的定义仍然还不明确，IEEE等标准化组织仍处于制定标准和规范的过程中。但是融合现有的各种无线接入技术的4G系统将成为一个无缝连接的统一系统，实现跨系统的全球漫游及业务的可携带性，是满足未来市