4G和B3G移動通信物理層傳輸關(guān)鍵技術(shù)

1、4G/B3G移動通信物理層傳輸關(guān)鍵技術(shù)山東大學(xué)杜巖3G的背景 3G概念始于1980年代初，1985到1990年概念明確下來，標(biāo)準(zhǔn)完成于2000年 信道射頻帶寬：5MHz 3G的目標(biāo)室內(nèi)：2Mbps室外步行：384Kbps城區(qū)車速：144Kbps頻譜效率1bps/Hz3G的背景 3G的尷尬局面：前有埋伏，后有追兵 埋伏：4G的概念始于90年代末，2002年至今，概念與目標(biāo)逐步明確?，F(xiàn)已有許多重要進展；一些被認(rèn)為是4G的技術(shù)（如WLAN，WMAN）已開始應(yīng)用，特別是最近WiMax聯(lián)盟提出的WMAN的移動計劃和IEEE 80（MBWA，移動寬帶無線接入)如取得成功將對3G形成強大的沖擊。 追兵：2G

2、的增強版（GPRS，EDGE等）許多功能接近3G GPRS的最高速率可以達到ps，EDGE甚至可以高達554Kbps3G的背景 許多學(xué)者預(yù)言：3G將是短命的一代！ 3G的目標(biāo)制定的太低 3G可提供給用戶的業(yè)務(wù)，2G的增強版基本都可以提供 許多國家，包括一些發(fā)達國家，計劃跨過3G，直接采用4G 3G是一個專利 “地雷陣”4G的目標(biāo) 傳輸速率 室內(nèi)：100Mbps-1Gbps 室外步行：數(shù)10至數(shù)100Mbps 車速：數(shù)10Mbps 信道射頻帶寬：數(shù)10MHz 一般認(rèn)為應(yīng)該在20MHz到50MHz之間。 頻譜效率 幾到數(shù)10bps/Hz4G的目標(biāo) 通信業(yè)務(wù) 移動多媒體，包括移動過程中的HDTV（I

3、PTV） 移動過程中的視頻、音頻：視頻 、聊天 互動多媒體游戲、網(wǎng)絡(luò)游戲 高速數(shù)據(jù)通信 以上業(yè)務(wù)，3G大多不能提供！4G網(wǎng)絡(luò) 異構(gòu)互連網(wǎng) 基于IP的核心網(wǎng) 移動IPv6 多模式終端4G的挑戰(zhàn) 信道：頻率選擇性/時間選擇性衰落（1） 頻率選擇性衰落 由于信號的多徑傳播引起不同信道頻率處的增益不同（可達數(shù)十dB），表現(xiàn)在時域上為符號間干擾，可達數(shù)十甚至數(shù)百個符號，時域均衡是的復(fù)雜性是不可接收的 OFDM可以很好的對付頻率選擇性衰落4G的挑戰(zhàn) 信道：頻率選擇性/時間選擇性衰落（2） 時間選擇性衰落 由于信道的時變引起，表現(xiàn)為不同時間接收到的信號強度不同，變化范圍可達到數(shù)10dB 目前有一些技術(shù)對付時

4、間選擇性衰落 對于頻率選擇性時間選擇性衰落的雙選擇性信道，目前還沒有有效的應(yīng)對技術(shù)公開發(fā)表。 我們提出的一個框架，可以有效對付雙選擇性！目前在國內(nèi)外文獻上還找不到對手！02004006000100200時間/頻率雙選擇性信道仿真圖43210300Tim eF requenc y4G的挑戰(zhàn) 射頻放大器： 信號的高PAPR要求大線性動態(tài)范圍放大器 寬帶 高速D/A、A/D轉(zhuǎn)換器 帶寬大，抽樣率要求就高，軟件無線電技術(shù)的采用更加劇了這個問題 高速數(shù)字信號處理器 現(xiàn)代通信發(fā)射接收機的許多工作由數(shù)字信號處理器完成，高速通信的數(shù)據(jù)處理量特別大 高效率數(shù)字信號處理算法 高效率（計算量、存儲量）的（通信）數(shù)字

5、信號處理算法是現(xiàn)代通信的最核心技術(shù)4G物理層傳輸關(guān)鍵技術(shù) 多天線技術(shù) 包括MIMO、智能天線、發(fā)射、接收機的多天線分集接收 分塊傳輸技術(shù) 正交頻分復(fù)用（OFDM）技術(shù) 單載波頻域均衡（SC-FDE）技術(shù)（稱為OTDM比較好） 軟件無線電（SDR）技術(shù) 接入技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)MIMO MIMO（Multiple Input Multiple Output）模型 圖關(guān)鍵技術(shù)MIMO MIMO信道容量 隨發(fā)射、接收天線的較小者線性增長（在不增加信噪比的條件下） 假設(shè)：足夠多的多徑環(huán)境、時延擴展可忽略 Rich Scattering Environment 窄帶技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)MIMO 信道容量的利用 BLAS

6、T：提高頻譜效率 2000年前后，F(xiàn)oschini小組用30Khz的射頻帶寬，采用MIMO技術(shù)得到了1Mbps的傳輸速率（實際實驗結(jié)果）關(guān)鍵技術(shù)MIMO x1 x x 關(guān)鍵技術(shù)MIMO 信道容量利用 空時碼（Space-Time Coding）：提高功率效率 發(fā)射機發(fā)射的符號在空間（天線）和時間（幀）上都不是獨立的，即有相互約束。這種約束是通過編碼引入的。 例如：Alamouti Space-Time Coding編碼矩陣：*2*1X = x2編碼框圖關(guān)鍵技術(shù)MIMO關(guān)鍵技術(shù)MIMO MIMO對工作環(huán)境的要求特別高 豐富多徑假設(shè)不成立的情況 信道有相關(guān)性：信道容量減小 有直射路徑的情況 信道降

7、秩：信道容量銳減關(guān)鍵技術(shù)MIMO MIMO實際上是一種窄帶傳輸技術(shù) 僅靠MIMO技術(shù)能支持的傳輸速率不可能太高（數(shù)Mbps就相當(dāng)困難了），要進一步通過傳輸速率，必須增加帶寬。但又要滿足MIMO的時延擴展可忽略的假設(shè)，這要求MIMO必須結(jié)合其他技術(shù) 可以結(jié)合的技術(shù)：OFDM，時域均衡，OTDM MIMO實現(xiàn)太復(fù)雜，結(jié)合上以上技術(shù)后更加復(fù)雜關(guān)鍵技術(shù)OFDM OFDM系統(tǒng)框圖信 源映 射IFFT加CPD/A射頻調(diào)制均 衡解映射FFT去CPA/D射頻解調(diào)信道關(guān)鍵技術(shù)OFDM 優(yōu)點（1） 抗多徑能力強 頻譜效率高OFDM子載波間隔OFDM子信道頻譜主瓣普通FDM子載波間隔保護間隔普通FDM系統(tǒng)子信道頻譜

8、主瓣關(guān)鍵技術(shù)OFDM 優(yōu)點（2） 實現(xiàn)簡單 FFT實現(xiàn)：調(diào)制解調(diào)都由(I)DFT實現(xiàn)（FFT是DFT的快速算法） 有成熟的自適應(yīng)技術(shù) 易與其他技術(shù)結(jié)合 MIMO+OFDM MC-CDMAFrequency ResponseFrequency Response關(guān)鍵技術(shù)OFDM 優(yōu)點（3） 多徑環(huán)境中均衡容易實現(xiàn) ZF均衡、MMSE均衡 均衡比較簡單，單抽頭的均衡器頻率選擇性衰落信道FrequencyOFDM子信道FrequencyReal Part AmplitudeReal Part Amplitude關(guān)鍵技術(shù)OFDM 缺點（1） PAPR過大（需要線性范圍大的功率放大器）0501001502

9、0025007654321Time102040506000765432130Time關(guān)鍵技術(shù)OFDM OFDM符號I支路信號功率統(tǒng)計特性0204060801001200121086425x 10Real Part PowerReal Part Power Distribution-8-6-4-20246810-1010關(guān)鍵技術(shù)OFDM信號帶寬OFDM頻域信號 缺點（2）帶外輻射衰減慢關(guān)鍵技術(shù)OFDM 缺點（3） 對頻偏敏感即OFDM的頻率載波同步問題，我們已經(jīng)提出了低代價解決方法，并已公開發(fā)表關(guān)鍵技術(shù)MIMO+OFDM 基本思想 利用OFDM將寬帶信道轉(zhuǎn)化成若干個平坦的窄帶子信道 利用MIMO

10、多天線技術(shù)在每一個窄帶平坦子信道上獲得巨大信道容量關(guān)鍵技術(shù)MIMO+OFDM 關(guān)鍵技術(shù) 信道估計 要估計的信道參數(shù)太多，一般要用發(fā)訓(xùn)練幀的方式估計信道，而且各天線一般不能同時發(fā)訓(xùn)練幀 檢測順序的確定 其實普通MIMO中就有這個問題，這里更加復(fù)雜關(guān)鍵技術(shù)MIMO+OFDM 主要優(yōu)點 頻譜效率高 可以輕易達到10bps/Hz以上 極高速無線傳輸 可以支持高達1Gbps的傳輸速率（2002年Foschini小組利用一個812系統(tǒng)，在射頻帶寬為75MHz的條件下實現(xiàn)了1Gbps的傳輸）關(guān)鍵技術(shù)MIMOOFDM 主要缺點 對環(huán)境要求太高 要求豐富多徑，而且比較怕直射路徑能量明顯大的情況，基本只有室內(nèi)才能

11、滿足 技術(shù)太復(fù)雜 信道估計和檢測算法的計算量都特別大 支持移動十分有限 移動起來信道估計壓力太大，往往信道估計過程還沒有完成，信道就已經(jīng)變化了，而且移動過程中難以保持豐富多徑的要求關(guān)鍵技術(shù)OTDM OTDM和SC-FDE OTDM：Orthogonal Time Division Multiplexing正交時分復(fù)用（根據(jù)與OFDM對偶的觀點，我們首先提出此名字，2003年） SC-FDE：Single Carrier with Frequency DomainEqualization（1994年Sari提出該系統(tǒng)并以此命名） 單載波頻域均衡關(guān)鍵技術(shù)OTDM 系統(tǒng)框圖信 源映 射加CPD/A射

12、頻調(diào)制均 衡解映射FFT去CPA/D射頻解調(diào)信道IFFT關(guān)鍵技術(shù)OTDM 優(yōu)點 抗多徑能力強 頻譜效率高（與OFDM類似，甚至稍高） 沒有PAPR 帶外輻射小 實現(xiàn)簡單 自適應(yīng)技術(shù)！關(guān)鍵技術(shù)OTDM 頻域均衡 接收端FFT變換到頻域進行均衡 ZF均衡信道存在深衰點時，容易過分放大噪聲，系統(tǒng)誤碼率過高 MMSE均衡使信號產(chǎn)生畸變，系統(tǒng)誤碼率也不會太低關(guān)鍵技術(shù)OTDM 與其他技術(shù)結(jié)合 CP-CDMA CP-DS-CDMA MIMO+OTDM：檢測算法比MIMO+OFDM復(fù)雜，特別是天線數(shù)比較多時 OTDM智能天線：發(fā)射機，簡單易實現(xiàn) OTDM分集接收：接收機，簡單易實現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)OTDM 自適應(yīng)技術(shù)

13、 發(fā)射端CSI（信道狀態(tài)信息）的利用 基于最優(yōu)信號子空間的方法。已申請專利。 利用部分/全部CSI方便、充分 Bit-Loading，功率控制。已申請專利3項。 城區(qū)移動信道中的自適應(yīng)技術(shù)：正在申請專利（34項） 與CDMA結(jié)合的自適應(yīng)技術(shù)：正在申請專利（2項）。關(guān)鍵技術(shù)OTDM 自適應(yīng)OTDM系統(tǒng)框圖信 源映 射加CPD/A射頻調(diào)制均 衡解映射去CPA/D射頻解調(diào)信道IFFT信號變換反向信道形成自適應(yīng)調(diào)制信息FFT信號反變換沒有同步誤差沒有考慮回傳信息的延遲誤差信道為估計信道(有估計誤差)信號(射頻)帶寬：11MHz城區(qū)移動環(huán)境中自適應(yīng)OTDM技術(shù) 仿真條件： 256子信道，CP64，調(diào)制方

14、式QPSKSNR(dB)fd(Hz)BER正向速率(bps)反向速率(bps)1210031.5 *1011.8M355.2K1310044.56 *1011.8M316.8K14100-41.41 *1011.7M289.6K 仿真結(jié)果： COST207(12徑 TU信道)城區(qū)移動環(huán)境中自適應(yīng)OTDM技術(shù)SNR(dB)fd(Hz)BER正向速率(bps)反向速率(bps)1220032.36 *1011.9M619.2K1320049.2 *1011.85M575.1K14200-43.26 *1011.84M550.5K 仿真結(jié)果： COST207(12徑 TU信道)城區(qū)移動環(huán)境中自適應(yīng)O

15、TDM技術(shù)SNR(dB)fd(Hz)BER正向速率(bps)反向速率(bps)12300-34.82 *1011.97M865.3K1330032.24 *1011.95M824.6K14300-31.2 *1011.94M798.4K 仿真結(jié)果： COST207(12徑 TU信道)城區(qū)移動環(huán)境中自適應(yīng)OTDM技術(shù)SNR(dB)fd(Hz)BER正向速率(bps)反向速率(bps)12100-31.14*1010.88M314.01K1310043.84*1010.78M266.95K14100-59.46 *1010.82M251.06K 仿真結(jié)果： IMT2000 車速 Channel A

16、城區(qū)移動環(huán)境中自適應(yīng)OTDM技術(shù)SNR(dB)fd(Hz)BER正向速率(bps)反向速率(bps)12200-31.93*1011.03M499.04K1320046.87*1011.00M474.47K1420042.6 *1010.96M439.92K 仿真結(jié)果： IMT2000 車速 Channel A城區(qū)移動環(huán)境中自適應(yīng)OTDM技術(shù)SNR(dB)fd(Hz)BER正向速率(bps)反向速率(bps)12300-33.58*1010.93M676.39K1330031.64*1010.92M647.80K1430049.35*1010.87M616.58K 仿真結(jié)果： IMT2000

17、車速 Channel A城區(qū)移動環(huán)境中自適應(yīng)OTDM技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)智能天線（SA) 來源于軍用的相控陣?yán)走_技術(shù) 基本思想 發(fā)射機采用多個獨立的發(fā)射天線，發(fā)射攜帶相同信息但幅度和相位有差別的信號，使疊加出的電磁波具有很好的方向性 接收機采用多個獨立的發(fā)射天線，增強期望方向的接收靈敏度，抑制非期望方向的信號關(guān)鍵技術(shù)智能天線（SA) 示意圖關(guān)鍵技術(shù)智能天線 關(guān)鍵技術(shù) 天線陣的結(jié)構(gòu)及設(shè)計 確定加權(quán)因子的算法（陣列處理算法） 發(fā)射端：形成窄波束 接收端：抑制非期望方向的信號 DOA（波達方向）估計方法關(guān)鍵技術(shù)SA+OTDM 該框架是我們提出的！ 基本思想 利用智能天線（SA）形成方向性很強的波束，將空間劃

18、分成若干個扇區(qū)，不同扇區(qū)的用戶進行空分復(fù)用，提高系統(tǒng)用戶容量 利用自適應(yīng)OTDM可以在雙選擇性信道中選“好路”走的特點，有效利用信道狀態(tài)信息（CSI)關(guān)鍵技術(shù)SA+OTDM 關(guān)鍵技術(shù) 智能天線的自適應(yīng)波束形成 接收天線的自適應(yīng)干擾抑制 OTDM的自適應(yīng)調(diào)制技術(shù) 基礎(chǔ)專利目前都在我們手中，該方向是我們開拓的，目前還沒有其他小組做這方面的研究！關(guān)鍵技術(shù)SA+OTDM 主要優(yōu)點（1） 可以支持高達數(shù)10Mbps至150Mbps的速率 依賴信號強度、信道帶寬和用戶數(shù) 室外足夠大的用戶容量 空分復(fù)用也是用空間資源換頻譜資源的技術(shù) OTDM本身的頻譜效率比較高（與OFDM相同甚至稍高） 能有效支持移動 S

19、A的自適應(yīng)算法支持移動沒問題 OTDM支持移動的工作是我們開拓的關(guān)鍵技術(shù)SA+OTDM 主要優(yōu)點（2） 實現(xiàn)簡單 SA的自適應(yīng)算法和OTDM的自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)主要的工作也是計算，但計算復(fù)雜性比MIMO+OFDM不在同一層次 OTDM沒用PAPR問題，適合室外移動通信終端 室外環(huán)境適應(yīng)能力強 不怕多徑干擾，也不怕有直射路徑（有直射路徑更好），信道估計簡單關(guān)鍵技術(shù)SA+OTDM 主要缺點 支持200Mbps以上的速率比較困難（需要信噪比太高或帶寬太寬） 室內(nèi)環(huán)境中（豐富多徑環(huán)境）SA自適應(yīng)算法復(fù)雜，效果降低關(guān)鍵技術(shù)接入技術(shù)FDMA：頻域劃分：需要保護頻帶TDMA：時域劃分：需要保護時間CDMA：碼字

20、劃分OFDMAOTDMA？SDMA：空間劃分 依賴于智能天線 CSMA/CA：載波偵聽/碰撞回避 ALOHA關(guān)鍵技術(shù)接入技術(shù) CDMA下行鏈路 可以用正交碼：沒有用戶間干擾 用偽隨機碼：獲得軟容量 比FDMA、TDMA有明顯大的容量，技術(shù)也不太復(fù)雜 信道估計不很方便：一般信噪比太低 難以支持多用戶高速通信（移動幾十Mbps）關(guān)鍵技術(shù)接入技術(shù) CDMA上行鏈路 技術(shù)復(fù)雜 即使正交碼也不能消除多址干擾 需要復(fù)雜的功率控制技術(shù) 多用戶檢測技術(shù)雖然理論上可行，實現(xiàn)復(fù)雜性太高，還依賴于較好的信道估計 信道估計比較下行鏈路更加困難 難以支持移動高速通信（幾十Mbps） 上行鏈路采用CDMA明智嗎？關(guān)鍵技術(shù)軟件無線電（SDR) 技術(shù)背景 新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，新技術(shù)的生命周期變短 多模式終端 基本思想 調(diào)