4G通信網(wǎng)中的關(guān)鍵技術(shù)研究(1)

1、4G通信網(wǎng)中的關(guān)鍵技術(shù)研究（吉林大學(xué) 通信工程學(xué)院 吉林長(zhǎng)春 130012）摘要 4G網(wǎng)絡(luò)的迅速發(fā)展意味著人類將獲得真正的溝通自由，越來(lái)越快的數(shù)據(jù)傳輸速度及多種網(wǎng)絡(luò)的融合將徹底改變?nèi)祟惖纳罘绞?，?G通信網(wǎng)絡(luò)的迅速崛起得益于一批關(guān)鍵技術(shù)的突破和融合，本文將簡(jiǎn)單介紹4G通信網(wǎng)中的一些關(guān)鍵技術(shù)。關(guān)鍵字 ofdm Mimo sa ipv6Abstract The rapid development of 4G network means that human beings will be truly free communication, fusion and faster data transf

2、er speeds and various network will completely change the human way of life, and the 4G communication network fast emergence benefited from a number of breakthroughs in key technologies and integration, this paper introduces some key technologies in 4G communication network 。Key wors ofdm Mimo sa ipv

3、60引言在新興通信技術(shù)的不斷推動(dòng)之下，3G已經(jīng)成為通信技術(shù)的主流。目前在中國(guó)，3G牌照已經(jīng)發(fā)放。該技術(shù)能為用戶帶來(lái)了最高2Mbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率，在這樣的傳輸速率下，現(xiàn)在計(jì)算機(jī)應(yīng)用的媒體可以通過無(wú)線網(wǎng)絡(luò)輕松傳遞。但是隨著無(wú)線上網(wǎng)和網(wǎng)絡(luò)游戲的用戶需求不斷的增加，對(duì)移動(dòng)通信系統(tǒng)的速率要求也越來(lái)越高，逐漸的人們之間溝通的瓶頸將由現(xiàn)在的網(wǎng)絡(luò)傳輸速率變?yōu)楦鞣N新的應(yīng)用的提供：如何讓無(wú)線網(wǎng)絡(luò)更好地為人們服務(wù)而不是給人們帶來(lái)騷擾，如何讓每個(gè)人都能從信息的海洋中快速的得到自己需要的信息，如何能夠讓變得攜帶、使用各種終端設(shè)備，個(gè)中專端設(shè)備之間如何更好的自動(dòng)協(xié)同工作，等等。在對(duì)通信技術(shù)的要求不斷增加的基礎(chǔ)上，無(wú)

4、線通信技術(shù)最終將邁向4G通信技術(shù)時(shí)代。 1.MIMO-OFDM1.1OFDMOFDM即正交頻分復(fù)用技術(shù)，實(shí)際上OFDM是MCM Multi-CarrierModulation，多載波調(diào)制的一種。是4g網(wǎng)的核心技術(shù) 。由于4g通信網(wǎng)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸速率高，而OFDM技術(shù)能在數(shù)據(jù)高速傳輸?shù)那闆r下有效減少符號(hào)間干擾ISI信道間干擾ICI，其系統(tǒng)可以通過使用不同數(shù)量的子信道來(lái)滿足無(wú)線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的非對(duì)稱性數(shù)據(jù)量傳輸特性。而且其系統(tǒng)本身頻譜利用率高又易于實(shí)現(xiàn)，是4g網(wǎng)絡(luò)中至關(guān)重要和契合度高的技術(shù)之一。1.1. 1OFDM調(diào)制和解調(diào)原理。OFDM是一種特殊的多載波傳輸方案，系統(tǒng)基本模型框圖如圖1.1. d0 d1

5、dN-1并/串+串/并積分 d0 積分積分信道 PSK d1 QAM dN-1 dN-1 圖1.1.1OFDM系統(tǒng)基本模型框圖圖中串/并變換將串行傳輸?shù)臄?shù)據(jù)變?yōu)椴⑿袀鬏數(shù)臄?shù)據(jù)，當(dāng)子載波為N時(shí)，將串行數(shù)據(jù)變?yōu)镹個(gè)一組的并行數(shù)據(jù)。d0，d1，d2。dn-1即為相移鍵控或者正交幅度調(diào)制星座映射后的一組并行數(shù)據(jù)，它對(duì)載頻為f0的N個(gè)子載波進(jìn)行調(diào)制，得到一個(gè)OFDM符號(hào)s（t）。設(shè)OFDM符號(hào)周期為T，且fi=fc+i/T,i=0,1N-1,fc為載波頻率。 （1）當(dāng)fc不為0時(shí)，s（t）=i=0N-1diexpj2fit-ts ts=t=ts+T式1.1.1（2）當(dāng)fc為0時(shí)，s（t）=i=0N-1d

6、iexpj2iTt-ts ts=t=ts+T式1.1.2其中是s（t）的實(shí)部和虛部分別對(duì)應(yīng)于OFDM符號(hào)的同向分量和正交分量?？梢耘c想贏子載波的COS分量和SIN分量相乘，構(gòu)成最終的子信道信號(hào)和合成的OFDM信號(hào)。在接收端同相分量和正交分量合成數(shù)據(jù)信息，完成子載波的解調(diào)。 如對(duì)式1.2中的第k個(gè)子載波進(jìn)行解調(diào)，在接收端一個(gè)OFDM符號(hào)是s（t）先于第k個(gè)子載波的貝蒂載波進(jìn)行相乘，仔仔時(shí)間長(zhǎng)度T內(nèi)進(jìn)行積分得到，如OFDM信號(hào)各個(gè)子載波之間滿足正交，既有1T0Texpjwntexpjwmtdt=1, m=n 0, mn式1.1.3=dk;式1.1.4由式1.1.4可以看出，利用OFDM符號(hào)子載波之

7、間的正交性，對(duì)滴K個(gè)子載波進(jìn)行解調(diào)可以恢復(fù)出期望信號(hào)。1.1.2. OFDM的主要優(yōu)點(diǎn)1.1.2.1 帶寬利用率很高。當(dāng)子載波個(gè)數(shù)足夠大時(shí)，系統(tǒng)的頻帶利用率可達(dá)2Baud/Hz。OFDM頻譜 對(duì)帶寬利用率高 頻率圖1.2OFDM帶寬利用率1.1.2.2可以采用快速離散傅里葉變換技術(shù)(DFT)實(shí)現(xiàn)調(diào)制和解調(diào),采用DFT技術(shù)，可以快速的實(shí)現(xiàn)調(diào)制與解調(diào)，而且電路也變得十分簡(jiǎn)單。近年來(lái)，隨著數(shù)字信號(hào)技術(shù)的迅速發(fā)展，許多DSP芯片的運(yùn)算能力越來(lái)越快，更進(jìn)一步推動(dòng)了OFDM技術(shù)的發(fā)展。 1.1.2.3可以有效的對(duì)抗符號(hào)間干擾和突發(fā)噪聲 OFDM系統(tǒng)采用多個(gè)正交的子載波并行傳輸數(shù)據(jù)，速率很高的數(shù)據(jù)流經(jīng)過串并

8、變換后，調(diào)制到各個(gè)子載波上進(jìn)行并發(fā)傳輸，這樣在每一路上的數(shù)據(jù)速率大大降低了，那么在衰落信道中所受到的ISI干擾就相對(duì)小多了。1.1.2.4支持動(dòng)態(tài)比特分配方法 由于無(wú)線信道存在頻率選擇性，不可能所有的子載波都同時(shí)處于比較深的衰落情況中，因此可以通過動(dòng)態(tài)比特分配以及動(dòng)態(tài)子信道分配的方法，充分利用信噪比比較高的子信道，從而提高系統(tǒng)的性能。1.2MIMO多輸入多輸出1.2.1研究MIMO的背景和意義任何一個(gè)無(wú)線通信系統(tǒng)，只要其發(fā)射端和接收端都采用了多個(gè)天線或者天線陣列，就構(gòu)成了一個(gè)無(wú)線 MIMO 系統(tǒng)。無(wú)線 MIMO 系統(tǒng)采用空時(shí)處理技術(shù)進(jìn)行信號(hào)處理。在多徑環(huán)境下，無(wú)線 MIMO 系統(tǒng)可以極大地提高

9、頻譜利用率，增加系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸率。在傳統(tǒng)的無(wú)線通信系統(tǒng)中，發(fā)射端和接收端通常是各使用一根天線，這種單天線系統(tǒng)也稱為單輸入和單輸出（SISO-Single Input Single Output）系統(tǒng)，對(duì)于這樣的系統(tǒng)，C. E. Shannon 提出了一個(gè)信道容量的計(jì)算公式：式1.2.1.1其中W 代表信道帶寬， S / N代表接收端的信噪比，用W 歸一化后，得到帶寬利用率：式1.2.1.2它確定了在有噪聲的信道中，進(jìn)行可靠通信的上限速率。以后的電信工作者無(wú)論使用怎樣的調(diào)制方案和信道編碼方法，只能一點(diǎn)一點(diǎn)地接近它，卻無(wú)法超越它，這似乎成了一個(gè)公認(rèn)的、不可逾越的界限，也成了現(xiàn)代無(wú)線通信的發(fā)展的一大

10、瓶頸。根據(jù) Shannon 給出的信道容量公式，增加信噪比可以提高頻譜的使用效率，信噪比每增加 3dB，信道容量每秒每赫茲增加 1 比特。對(duì)于單用戶方案，如果增大發(fā)射端的發(fā)射功率，接收端的信噪比便隨之增加，因?yàn)橐O(shè)計(jì)一個(gè)功率放大器能在很寬的線性范圍內(nèi)和很高的發(fā)射功率上工作，是件很困難的事情，而且當(dāng)發(fā)射功率很高時(shí)，器件的散熱也成問題。提高頻譜使用效率的另一種方法是使用分集技術(shù)。SIMO系統(tǒng)采用最佳合并的接收分集技術(shù)通常能改善接收端的 SNR，從而提高信道的容量和頻譜的使用效率。MISO系統(tǒng)發(fā)射端不知道信道的狀態(tài)信息，無(wú)法在多發(fā)射天線中采用波束形成技術(shù)和自適應(yīng)分配發(fā)射功率，信道容量的提高不是很多。

11、SIMO 和 MISO 技術(shù)的發(fā)展自然演變成 MIMO 技術(shù)，即在無(wú)線鏈路的兩端都使用多根天線，MIMO系統(tǒng)可以取得巨大的信道容量，該信道容量突破了傳統(tǒng)的單輸入單輸出信道容量的瓶頸，是 Shannon 信道容量的推廣。與目前已實(shí)現(xiàn)的信道容量相比，有望提高幾個(gè)數(shù)量級(jí)。目前，無(wú)線 MIMO 技術(shù)己成為了無(wú)線通信領(lǐng)域的一大研究熱點(diǎn)。粗略地說(shuō)，使用 MIMO 技術(shù)的好處在于能創(chuàng)建多個(gè)并行的正交子信道、能綜合使用發(fā)射分集和接收分集技術(shù)、能較大地增加天線的增益等等。1.2.2目前已取得進(jìn)展在蜂窩移動(dòng)通信中，目前還沒有商用化的 MIMO 產(chǎn)品，在 3G 中，除了使用純發(fā)射分集的解決方案（MISO）外，也沒有

12、使用 MIMO 技術(shù)。BLAST 研究小組最近取得了以前難以想象的無(wú)線頻譜效率：2040bps/Hz，比較而言，使用傳統(tǒng)的無(wú)線調(diào)制技術(shù)，對(duì)于蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)取得的頻譜效率為：15bps/Hz，對(duì)于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的微波通信系統(tǒng)取得的頻譜效率為：1012bps/Hz，對(duì)于 3GPP，表 1.1 給出了在平衰落條件下，24GHz 頻段、5MHz 載波間隔，在移動(dòng)通信的下行鏈路中，使用 MIMO 技術(shù)所取得的峰值數(shù)據(jù)速率。圖1.2.1MIMO系統(tǒng)1.3MIMO-OFDM 將MIMO技術(shù)和OFDM技術(shù)相結(jié)合，能充分利用這兩種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，既能提高分集增益和系統(tǒng)能量，又能增加頻譜利用率，有效對(duì)抗頻率選擇性衰弱。因此

13、，MIMOOFDM成為第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)中有效對(duì)抗頻率選擇性衰落，提高數(shù)據(jù)傳輸數(shù)率，增大系統(tǒng)容量的關(guān)鍵技術(shù)。 圖1.3.1 MIMO-OFDM發(fā)送系統(tǒng)圖1.3.2 MIMO-OFDM接收系統(tǒng)2. 移動(dòng)IPv6技術(shù)2.1IPv6技術(shù) 新一代互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議IPv6，及第6版的互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議，是支持今后信息技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一。采用IPv6后，可將計(jì)算機(jī)、移動(dòng)電話、家用電器和車輛都連接到一個(gè)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)之中，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信。IPv6解決了IPv4的許多問題，如地址短缺、服務(wù)質(zhì)量保證等。同時(shí)，IPv6還對(duì)IPv4作了大量的改進(jìn)，包括路由和網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)配置等。相對(duì)于目前互聯(lián)網(wǎng)來(lái)說(shuō)，新一代互聯(lián)網(wǎng)的特征是更大、更快、更

14、安全、更及時(shí)、更方便、更可管理和更有效。2.1.1更快新一代互聯(lián)將比現(xiàn)在的網(wǎng)絡(luò)速度提高1000倍以上，可以實(shí)現(xiàn)端到端的性能通信；更大：新一代互聯(lián)網(wǎng)將逐漸放棄IPv4，啟用IPv6地址協(xié)議，想電話號(hào)碼升級(jí)一樣，具有無(wú)比巨大的地址空間和網(wǎng)絡(luò)規(guī)模。接入網(wǎng)的終端種類和數(shù)量以及應(yīng)用都將及廣泛，就可以給家庭中的每一個(gè)可能的家電甚至物件分配一個(gè)自己的IP地址，讓數(shù)字化生活變成現(xiàn)實(shí)，將把人類帶入真正的數(shù)字化時(shí)代，一切都可以通過網(wǎng)絡(luò)來(lái)控制；2.1.2更安全目前的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)存在大量安全隱患，新一代互聯(lián)網(wǎng)充分考慮安全問題，具有數(shù)據(jù)加密功能，可以有效控制、解決網(wǎng)絡(luò)安全問題；2.1.3更方便可提供無(wú)處不在的移動(dòng)和無(wú)線通

15、信應(yīng)用。移動(dòng)IPv6協(xié)議為用戶提供可以動(dòng)的IP數(shù)據(jù)服務(wù)，讓用戶可以在世界各地都使用同樣的IPv6地址，非常合適未來(lái)的無(wú)線上網(wǎng)。IPv6中的移動(dòng)性支持是在制訂IPv6的同時(shí)作為一個(gè)必需的協(xié)議內(nèi)嵌在IP協(xié)議中的。和IPv4相比，IPv6的移動(dòng)支持取消了異地代理，完全支持路由優(yōu)化，徹底消除了三角路有問題，并且為移動(dòng)終端提供了足夠的地址資源，使得移動(dòng)IP的實(shí)際應(yīng)用成為可能。2.2移動(dòng)通信系統(tǒng)中IPv6的特點(diǎn)在4G通信系統(tǒng)中，選擇了采用基于IP的全分組的方式傳送數(shù)據(jù)流，因此IPv6技術(shù)將成為下一代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的核心協(xié)議。選擇IPv6協(xié)議主要基于以下幾點(diǎn)的考慮：2.2.1巨大的地址空間在一段可預(yù)見的時(shí)期內(nèi)，它

16、能夠?yàn)樗锌梢韵胂蟪龅木W(wǎng)絡(luò)設(shè)備提供一個(gè)全球唯一的地址。2.2.2自動(dòng)控制IPv6還有另一個(gè)基本特性就是它支持無(wú)狀態(tài)和有狀態(tài)兩種地址自動(dòng)配置的方式。無(wú)狀態(tài)地址自動(dòng)配置方式是獲得地址的關(guān)鍵。它使用另一種即插即用的機(jī)制，在沒有任何人工干預(yù)的情況下，獲得一個(gè)全球唯一的路由地址。有狀態(tài)配置機(jī)制，如DHCP（動(dòng)態(tài)主機(jī)配置協(xié)議），需要一個(gè)額外的服務(wù)器，因此也需要很多額外的操作和維護(hù)。2.2.3服務(wù)質(zhì)量服務(wù)質(zhì)量（QoS）包含幾個(gè)方面的內(nèi)容，從協(xié)議的角度來(lái)，IPv6與目前的IPv4提供相同的QoS，但是IPv6的優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在能提供不同的服務(wù)。這些優(yōu)點(diǎn)來(lái)自于IPv6報(bào)頭中新增加的字段“流標(biāo)志”。有了這個(gè)20位字長(zhǎng)的

17、字段，在傳輸過程中，中國(guó)的各節(jié)點(diǎn)就可以識(shí)別和分開處理任何IP地址流。盡管這對(duì)這個(gè)流標(biāo)志的準(zhǔn)確應(yīng)用還沒有制定出有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，但將來(lái)它用于基于服務(wù)級(jí)別的新計(jì)費(fèi)系統(tǒng)。2.2.4移動(dòng)性移動(dòng)IPv6（MIPv6）在新功能核心服務(wù)方面可提供更大的靈活性。每個(gè)移動(dòng)設(shè)備設(shè)有一個(gè)固定的家鄉(xiāng)地址（home address），這個(gè)地址與設(shè)備當(dāng)前接入和聯(lián)網(wǎng)的位置無(wú)關(guān)。當(dāng)設(shè)備在家鄉(xiāng)以外的地方使用時(shí)，通過一個(gè)轉(zhuǎn)交地址（care-of address）來(lái)提供移動(dòng)節(jié)點(diǎn)當(dāng)前的位置信息。3 智能天線（sa）所謂“智能天線”就是利用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，在空間產(chǎn)生指向性波束，使陣列主瓣對(duì)準(zhǔn)用戶到達(dá)方向，旁瓣或零陷對(duì)準(zhǔn)干擾信號(hào)到達(dá)方向，從而

18、可以高效地利用移動(dòng)用戶信號(hào)的空域信息最大化接收期望信號(hào)并刪除或抑制干擾信號(hào)的目的.3.1 智能天線（sa）的基本概念及原理 智能天線的“天線”不僅是指將傳統(tǒng)的電磁波轉(zhuǎn)化為無(wú)線頻率信號(hào)，或反之將無(wú)線信號(hào)轉(zhuǎn)化為電磁波的器件，這在智能天線中稱為傳感器件。此外，還包括合成模式網(wǎng)由若干個(gè)線性時(shí)變?yōu)V波器組成。由圖1所示的智能天線組成可看出，當(dāng)系統(tǒng)處于接收狀態(tài)時(shí)，由各個(gè)天線單元接收到的信號(hào)，首先經(jīng)過射頻單元進(jìn)行放大和下變頻等處理后，再進(jìn)行A/D變換，送入自適應(yīng)信號(hào)處理器中與一組權(quán)值進(jìn)行加權(quán)處理，合成后一路得到輸出信號(hào)；另一路生成誤差信號(hào)，并用它在某個(gè)選定的準(zhǔn)則下按照一定的算法控制自適應(yīng)信號(hào)處理器進(jìn)行權(quán)值的更

19、新、完成自適應(yīng)信號(hào)處理。智能天線系統(tǒng)開發(fā)出一維新的通信資源，在相同時(shí)隙、相同頻率或相同地址碼情況下，不同的用戶仍可以根據(jù)信號(hào)不同的空間傳播路徑進(jìn)行區(qū)分。智能天線相當(dāng)于空時(shí)濾波器，在下行方向采用選擇性發(fā)送，避免了基站的全向功率發(fā)送，使基站發(fā)射功率大為降低，同時(shí)降低了對(duì)其他用戶的干擾；在上行方向，由于陣列的分集合并作用帶來(lái)的天線陣的較高的增益，使得移動(dòng)臺(tái)的發(fā)射功率也可以相應(yīng)降低。兩者使小區(qū)內(nèi)總功率水平降低，小區(qū)內(nèi)、小區(qū)間的干擾大大減少。采用智能天線系統(tǒng)會(huì)帶來(lái)更大的系統(tǒng)容量。同時(shí)智能天線的空間選擇性還可以減少遠(yuǎn)近效應(yīng)的影響和前向功率控制的開銷。 圖3.1.1 自適應(yīng)智能天線結(jié)構(gòu)示意圖3.2 智能天線的分類智能天線，一般可以分為三類：空間分集接收、開關(guān)波束天線和自適應(yīng)天線陣列。它們的復(fù)雜度依次遞增，性能也依次遞增。3.2.1 空間分集接收在無(wú)線移動(dòng)信道中，最大的一個(gè)特點(diǎn)就是每一個(gè)用戶的信號(hào)或多或少地要受到