3G4G5G系統(tǒng)天線技術(shù)的差異要點(diǎn)

1、3G/4G/5G 通信系統(tǒng)天線技術(shù)的差異姓名： 學(xué)號(hào)： 電話： 學(xué)院：1 3G/4G/5G通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù) 11.1 3G通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù) 11.2 4G通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù) 11.3 5G 通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù) 22 無線通信信道衰落特性 32.1 信道噪聲干擾 42.1.1 高斯白噪聲 42.1.2 瑞麗分布信道模型 42.1.3 如何對(duì)抗無線通信的衰落 52.2 3G/4G/5G通信系統(tǒng)中天線技術(shù)差異 62.2.1 3G 通信系統(tǒng)中智能天線 62.2.2 4G 通信系統(tǒng)中MIMO 技術(shù) 62.2.3 5G 通信系統(tǒng)的MassiveMIMO 技術(shù) 73 總結(jié) 114 參考文獻(xiàn)113G/4G

2、/5G 的天線技術(shù)差異本文討論3G/4G/5G（第三代/第四代 /第五代）通信系統(tǒng)中關(guān)鍵技術(shù)，然后討論它們所采用天線技術(shù)的差異。在參閱和研究了有關(guān)3G/4G/5G通信系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的大量論文之后，在此，我做出自己的一些分析和總結(jié)。隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，移動(dòng)通信技術(shù)發(fā)生了深刻變革，從1G到 2G，到3G，再到4G和 5G，不斷變革和延續(xù)。2013 年 12 月 4 日，第四代移動(dòng)通信4G技術(shù)正式在中國市場運(yùn)營，意味著中國移動(dòng)通信事業(yè)進(jìn)入4G時(shí)代。而此時(shí)，在各國研究所和全球知名從事通信技術(shù)研究的企業(yè)都已經(jīng)進(jìn)入新一代移動(dòng)通信，即5G（第五代移動(dòng)通信系統(tǒng)），的研發(fā)當(dāng)中。無論哪代通信系統(tǒng)，所研究的技術(shù)都

3、是要從無線通信信道特性分析，克服噪聲干擾。現(xiàn)在大量研究人員在關(guān)注Massive（大規(guī)模）MIMO技術(shù)，它與3G/4G通信系統(tǒng)所采用的天線技術(shù)差異在哪里？它是否會(huì)成為新一代無線通信的核心技術(shù)？1 3G/4G/5G通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)1.1 3G通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)從 20世紀(jì)90年代早期，移動(dòng)通信業(yè)界開始積極研究第三代移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)。2009年 1月，中國工業(yè)和信息化部為中國移動(dòng)、中國電信和中國聯(lián)通發(fā)放3G牌照，意味著我國進(jìn)入3G移動(dòng)通信時(shí)代。第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)主要有 WCDM、 ACD-MA200和0 TD-SCDMA 種技術(shù)體制。它的主要關(guān)鍵技術(shù)有， 3a. Rake接收技術(shù)；b. 信道編譯

4、碼技術(shù)；c. 功率控制技術(shù)；d. 多用戶檢測技術(shù)；e. 智能天線；f. 軟件無線電。1.2 4G通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)2013年 12月，我國正式進(jìn)入4G（第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)）的通信網(wǎng)絡(luò)時(shí)代，在 4G移動(dòng)通信系統(tǒng)中，采用OFDM正交頻分復(fù)用（）技術(shù)，OFDM技術(shù)因其頻譜利用率高和抗多徑衰落性能好而被普遍看好，未來 5G通信網(wǎng)絡(luò)也將進(jìn)行與OFDM技術(shù)相關(guān)的研究。4G通信系統(tǒng)主要關(guān)鍵技術(shù)有，a. OFDM技術(shù)；b. MIMO技術(shù)；c. 多用戶檢測技術(shù)；d. 軟件無線電；e. 智能天線技術(shù)；f. IPv6技術(shù)。1.3 5G通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)中國工業(yè)和信息化部剛剛給三大運(yùn)營商發(fā)放4G牌照， 他們還在大規(guī)模

5、布網(wǎng)，用戶數(shù)量也不多。此時(shí)中國移動(dòng)表示啟動(dòng)5G通信系統(tǒng)研發(fā)，分析人士指出，目前三大運(yùn)營商均在參與5G研發(fā)，一是為了技術(shù)跟上時(shí)代變化，二是需求快于技術(shù)發(fā)展。中國移動(dòng)副總裁李正茂在2014 年巴塞羅那世界通信大會(huì)（MW）表示： C“中國移動(dòng)將全力支持5G項(xiàng)目發(fā)展，希望能引導(dǎo)產(chǎn)業(yè)界5G技術(shù)研發(fā)和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的制定。”隨著移動(dòng)通信技術(shù)研究的不斷深入，5G 關(guān)鍵支撐技術(shù)將逐步得以明確，并在未來幾年內(nèi)進(jìn)入實(shí)質(zhì)性的標(biāo)準(zhǔn)化研究與制定階段。未來將采用何種核心技術(shù)，目前還沒有定論。不過，綜合各大高端移動(dòng)通信論壇討論的焦點(diǎn)，我收集了9大關(guān)鍵技術(shù)。a. 大規(guī)模MIMO 技術(shù)；b. 基于濾波器組的多載波技術(shù)；c. 全雙工技

6、術(shù)；d. 超密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)；e. 自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)；f. 高頻段的使用；g. 軟件定義無線網(wǎng)絡(luò)；h. 無線接入技術(shù)：（1） BDM（射束分割多址技術(shù)）A（2） NOMA 非正交多址接入技術(shù)（）i. D2D（設(shè)備對(duì)設(shè)備）通信。圖 1是 5G通信網(wǎng)絡(luò)中大規(guī)模MIMO天線的布局，我在實(shí)驗(yàn)室正在研究Massive MIMO技術(shù)。圖1顯示了用戶以大規(guī)模天線為中心，相互之間進(jìn)行通信。1. 大規(guī)模天線協(xié)作無線通信網(wǎng)絡(luò)2 無線通信信道衰落特性無線通信系統(tǒng)的性能主要受移動(dòng)無線信道的制約。無線信道非常復(fù)雜，對(duì)它的建模一直是系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)，一般是利用統(tǒng)計(jì)方法，根據(jù)對(duì)特定頻帶上的通信系統(tǒng)的測量值來進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。無線信道

7、衰落信道分為大尺度衰落信道模型和小尺度衰落信道模型。所謂大尺度衰落模型，描述的是發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間長距離（幾百米或幾千米）上的場強(qiáng)變化，反映由路徑損耗和陰影效應(yīng)所引起的接收信號(hào)功率隨距離變化的規(guī)律。小尺度衰落模型，描述短距離或短時(shí)間內(nèi)的接收?qǐng)鰪?qiáng)的快速波動(dòng)。大尺度衰落信道模型由收、發(fā)端之間地表輪廓（如高山、森林、建筑等）的影響引起。小尺度衰落信道模型由多徑效應(yīng)和多普勒效應(yīng)引起，如果存在大量反射路徑而沒有LOS（直射信號(hào)）信號(hào)分量，此時(shí)的小尺度衰落稱為Rayleigh 衰落，接收信號(hào)的包絡(luò)由Rayleigh 概率密度函數(shù)統(tǒng)計(jì)描述；若存在LOS，則包絡(luò)服從Rician 分布。多徑效應(yīng)現(xiàn)象引起平坦衰落

8、和頻率選擇性衰落。在 3G/4G/5G無線通信系統(tǒng)中，如何克服多徑效應(yīng)現(xiàn)象，就我所研究的，在此進(jìn)行一些分析和看法？2.1 信道噪聲干擾2.1.1 高斯白噪聲在分析無線通信系統(tǒng)的性能時(shí)，通常以理想的加性高斯白噪聲( AWG) N信道作為分析的基礎(chǔ)。在該信道上，統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的高斯遭受疊加在信號(hào)上。高斯噪聲指頻譜非常寬(10 12Hz)、 幅度隨時(shí)間連續(xù)隨機(jī)變化，也稱為起伏噪聲。所謂”白”，指噪聲功率譜密度(PSD)在整個(gè)頻率軸上為常數(shù)。wn (w) n0 (w/ Hz), w( 1)22.1.2 瑞麗分布信道模型數(shù)學(xué)描述：概率密度函數(shù)(pdf) 、累積積分函數(shù)(CDF)及其數(shù)字特征(數(shù)學(xué)期望、方差、中

9、值)。2)3)4)5)6)2. 接收信道包絡(luò)電壓2.1.3 如何對(duì)抗無線通信的衰落a. 減少通信距離；增加發(fā)送功率；調(diào)整天線高度；選擇合適路由；b. 在移動(dòng)通信中采用微蜂窩、直放站；c. 采用分集技術(shù)、均衡技術(shù)、瑞克技術(shù)、糾錯(cuò)技術(shù)等；d. 頻率選擇性衰落主要是由于多徑效應(yīng)引起的；e. 多徑效應(yīng)最嚴(yán)重的后果之一是在信道傳遞函數(shù)中引入一個(gè)非理想的Hc(f) ，破壞奈奎斯特準(zhǔn)則和匹配濾波準(zhǔn)則，從而產(chǎn)生碼間串?dāng)_(ISI )，使有效的Eb/No惡化；f. 對(duì)抗頻率選擇性衰落就是要消除非理想Hc(f) 的影響；g. 在接收端采用均衡、接收分集、糾錯(cuò)技術(shù)等技術(shù)，而在發(fā)送端可以采用擴(kuò)頻、多載波調(diào)制OFD、發(fā)送

10、分集等技術(shù)。M由此可見，提高無線通信性能的方法和技術(shù)很多。這里我分析3G/4G/5G通信系統(tǒng)中使用天線技術(shù)的差異。2.23G/4G/5G 通信系統(tǒng)中天線技術(shù)差異2.2.1 3G通信系統(tǒng)中智能天線3G通信系統(tǒng)以 CDM技術(shù)A 為 核心技術(shù)。使用的天線是智能天線。從 1G 到 4G，通信設(shè)備都離不開天線，當(dāng)傳統(tǒng)的天線不滿足通信網(wǎng)絡(luò)需求時(shí)，移動(dòng)通信進(jìn)入3G 時(shí)代，研究人員研發(fā)了智能天線，但在3G 標(biāo)準(zhǔn)中，由于智能天線的算法及其復(fù)雜，WCDMA 和 CDMA2000 不采用這種技術(shù)，只有TD-SCDMA 系統(tǒng)采用了這種技術(shù)。智能天線是一種基于自適應(yīng)天線原理的移動(dòng)通信新技術(shù)，它在消除干擾、擴(kuò)大小區(qū)半徑、

11、降低系統(tǒng)成本、提高系統(tǒng)容量等方面具有不可比擬的優(yōu)越性。為了達(dá)到高速通信的目的，智能天線是不可缺少的，必須更加有效的使用智能天線。3G 通信網(wǎng)絡(luò)中智能天線無法解決的時(shí)延超過碼片寬度的多徑干擾和高速移動(dòng)引起的多普勒效應(yīng)等問題，將在4G 中得到有效的解決。2.2.2 4G通信系統(tǒng)中MIMO 技術(shù)4G通信系統(tǒng)采用了多輸入多輸出（MIMO）技術(shù)，3G系統(tǒng)中都沒有采用這種技術(shù)。在4G通信網(wǎng)絡(luò)中，多數(shù)基站的天線采用一發(fā)兩收的結(jié)構(gòu)。MIMO技術(shù)與4G系統(tǒng)所采用的核心技術(shù)OFD技術(shù)相結(jié)合，即MMIMO-OFD技術(shù)，形成滿足人們需 M求的新型技術(shù)，極大的提高了數(shù)據(jù)速率，避免窄帶衰落，提高了頻譜利用率和抗多徑衰落的

12、能力。其原因一是，OFDM技術(shù)屬于多載波調(diào)制（MCM技術(shù)，）OFDM技術(shù)具有良好的抗噪聲性能和抗多徑干擾的能力，以及頻譜利用率高的特點(diǎn)。其原因二是，采用MIMO技術(shù)不僅成倍地提高無線信道容量，而且在不增加帶寬和天線發(fā)送功率的情況下，頻譜利用率也可以成倍地提高。對(duì)提高抗干擾能力，起到非常關(guān)鍵作用。MIMO技術(shù)系統(tǒng)具有顯著的優(yōu)點(diǎn)：a. 降低了碼間干擾；b. 提高了空間分集增益；c. 提高了無線信道容量和頻譜利用率。2.2.3 5G通信系統(tǒng)的MassiveMIMO 技術(shù)在 4G通信系統(tǒng)中利用MIMO技術(shù)與OFDM技術(shù)融合，克服多徑效應(yīng)信道衰落。鑒于MIMO技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，5G系統(tǒng)也采用了MIMO技術(shù)，但

13、是為了滿足人們對(duì)移動(dòng)通信視頻、高速數(shù)據(jù)傳送需求而開發(fā)新一代技術(shù)，Massive MIMO（大規(guī)模多輸入多輸出）技術(shù)。未來5G網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)多網(wǎng)絡(luò)、多頻道、多制式的混合網(wǎng)絡(luò)，研究人員以大規(guī)模MIMO技術(shù)為研究熱點(diǎn)，天線數(shù)量比4G傳統(tǒng)的MIMO天線多出好幾十倍甚至幾百倍。其大規(guī)模天線的特點(diǎn)不僅繼承MIMO技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，而且提高通信質(zhì)量的魯棒性，讓網(wǎng)絡(luò)的容量成倍增加，同時(shí)提高了網(wǎng)絡(luò)的能量效率?？傊琈assive MIMO技術(shù)能更好地提高通信網(wǎng)絡(luò)的有效性和可靠性。以下是我在研究5G關(guān)鍵技術(shù)中的一些理解，主要針對(duì)Massive（大規(guī)模）MIMO技術(shù)的幾個(gè)基本技術(shù)方案。1. STBC（ Orthogonal S

14、pace-Time Block Code ）方案它利用矩陣特性設(shè)計(jì)行列正交矩陣的符號(hào)陣，消除符號(hào)間干擾和信道間干擾，提高空間分集增益和編碼增益，降低無線通信系統(tǒng)誤碼率。最早出現(xiàn)的是Alamouti1 提出的典型基本方案：發(fā)送端使用兩條天線，接收端使用一根天線或者兩個(gè)天線，在發(fā)送端進(jìn)行編碼調(diào)制，形成一個(gè)正交矩陣。7）式中，A是一個(gè)編碼調(diào)制符號(hào)，一個(gè)正交矩陣，直接通過天線發(fā)送每行符號(hào)；x1, x2為調(diào)制符號(hào)（從M-QAM/PSK的符號(hào)得到）。進(jìn)一步發(fā)展，將Alamouti 碼擴(kuò)展為一般的STBC2碼，還有STTC3空時(shí)格碼等，STTC有優(yōu)良的分集增益和編碼增益， 但其譯碼的復(fù)雜度很高。為了滿足自由

15、度和分集度，最多能編碼映射成8 行 8 列的正交矩陣。超過之，就會(huì)降低速率的性能，得不到全速的速率。2. VBLAS方案TP.W.Wolniansky,G.J.Foschini,et al.4 研究了BLAST技術(shù)，在發(fā)送端，各層獨(dú)立編碼；在接收端，通過干擾抵消的算法，降低無線通信系統(tǒng)的誤碼率。隨著收發(fā)天線數(shù)目的增加，提高傳輸質(zhì)量所帶來的好處會(huì)逐漸減少。因此，在天線數(shù)目較多的MIMO系統(tǒng)中，更加著重于提高傳輸速率。它的優(yōu)點(diǎn)：a. 數(shù)據(jù)率很高b. 接收檢測復(fù)雜度低它的缺點(diǎn)：c. 要求發(fā)送天線數(shù)小于或等于接收天線數(shù)d. 時(shí)域和空域處理未聯(lián)合，誤碼性能不及空時(shí)碼3. Linear Dispersio

16、n Code(LDC) 方案Hassibi and Hochwald 5 研究了一種MIMO空時(shí)處理結(jié)構(gòu)的LDC碼，它合并( STC) 和空時(shí)分布復(fù)用( SDM) 的優(yōu)勢，權(quán)衡了靈活的分集復(fù)用增益。圖 3. LDC 碼結(jié)構(gòu)圖LDC碼原理：在結(jié)構(gòu)圖中，矩陣Aq(q 1, Q)是由一定的準(zhǔn)則構(gòu)成，在源比特?cái)?shù)據(jù)流串并之后，經(jīng)過M-PSK/QA調(diào)制，然后每一路調(diào)制符號(hào)分別與各路上的M矩陣Aq 相乘，形成矩陣符號(hào)，各個(gè)矩陣符號(hào)對(duì)應(yīng)相加，最后經(jīng)過MIMO天線發(fā)送。LDC碼是OSTBC方案 s , BLAST方案的總結(jié)，或者說OSTBCs, BLAS是T LDC碼的特例。17LDC碼，STBC， BLAST

17、和 ST Trellis Code 四者在MIMO技術(shù)的比較復(fù)雜度數(shù)據(jù)率性能ST Trellis CodeST Block CodeLinear Dispersion Code4. 比較圖4 Spatial Modulation/Space-Shift KeyingR.Mesleh,H.Haas等研究人員6,7,8,9 研究了SM/SSK方案SM/SSK的優(yōu)點(diǎn)：克服了發(fā)射天線間同步和信道間的干擾，傳輸額外比特?cái)?shù)，與傳統(tǒng)通信系統(tǒng)B log2(LM) log2L log2M。它的缺點(diǎn)：沒有得到有效的空間分集、時(shí)間分集。SM基本方案的映射結(jié)構(gòu)圖如下：圖 5.SM的映射圖信息比特流映射的工作原理：如下

18、表1，輸入比特?cái)?shù)為B=3比特，前兩個(gè)比后一個(gè)比特是作為調(diào)制器輸入，然后激活BPSK符號(hào)發(fā)送給接收端。表 1. 映射工作原理5.STSK(Space-Time Shift Keying) 方案這個(gè)方案是Sugiura10 提出的， 這個(gè)方案是由LDC碼和SM方案基本思想結(jié)合得到的。與LDC碼和SM方案相比，STSK方案是權(quán)衡了他們的優(yōu)勢，獲得了可達(dá)到的分集增益和高速率傳輸。CSTS系統(tǒng)模型如圖K6所示圖 6. CSTSK 結(jié)構(gòu)圖工作原理：在系統(tǒng)模型中，輸入的源數(shù)據(jù)流，經(jīng)過串并轉(zhuǎn)換之后，把源數(shù)據(jù)流分成兩路數(shù)據(jù)，一路數(shù)據(jù)流用作選擇矩陣Aq(q 1, Q)中一個(gè)。 另一路數(shù)據(jù)流輸入調(diào)制器進(jìn)行映射，輸出

19、調(diào)制符號(hào)。在第一路選擇好A(i) 之后， 與調(diào)制符號(hào)相乘，得到的S(i)符號(hào)陣，經(jīng)過Space-time Mapper 發(fā)送給接收端。STSK方案的優(yōu)點(diǎn)：增強(qiáng)了空間分集、時(shí)間分集。進(jìn)一步克服了多徑效應(yīng)衰落。STSK與 OFDM技術(shù)結(jié)合，形成STSK-MIMO-OFD系統(tǒng)，獲得空間、時(shí)間、頻率分 M集增益，大大提高了無線通信的性能。未來的5G通信系統(tǒng)中，在大規(guī)模MIMO技術(shù)中是否使用STSK與 MIMO-OFD技術(shù) M相結(jié)合，尚未定論，現(xiàn)在還處于實(shí)驗(yàn)室研究當(dāng)中。3 總結(jié)從事移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)業(yè)界認(rèn)為，未來5G通信網(wǎng)絡(luò)將是一個(gè)多網(wǎng)絡(luò)、多頻段、多制式的混合通信網(wǎng)絡(luò)，大規(guī)模MIMO技術(shù)是必須備受關(guān)注和值得研

20、究的。盡管此時(shí)5G通信核心技術(shù)尚沒有確定最終的標(biāo)準(zhǔn)，但是大部分國家科研所和從事通信技術(shù)研究的知名企業(yè)都已經(jīng)投入了大量資金到5G技術(shù)的研發(fā)當(dāng)中，爭分奪秒地?fù)寠Z未來制定5G通信系統(tǒng)規(guī)則的話語權(quán)。不過， 明確來講，大規(guī)模MIMO技術(shù)的科研成果，必然與3G通信技術(shù)和4G通信技術(shù)一起融合發(fā)展，將實(shí)現(xiàn)與3G/4G通信網(wǎng)絡(luò)共存發(fā)展，形成一個(gè)完全的融合網(wǎng)絡(luò)。未來5G究竟如何發(fā)展，讓我們，乃至全球研究人員共同努力。4 參考文獻(xiàn)1 . S. M. Alamouti, “ A simple transmit diversity techniquewfiorer less communications, IE” EE

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