下一代通信网络关键技术

1下一代通信网络关键技术下一代通信网络关键技术 2内容内容v第四代移第四代移动通信通信 vOFDM技技术vMIMO技技术vMIMO-OFDM技技术v软件无件无线电技技术v网网络融合技融合技术3移动通信发展历程移动通信发展历程v1G v第一代移第一代移动通信从通信从发明蜂明蜂窝概念开始，通概念开始，通过频率复用增大率复用增大了系了系统容量，容量，实现了了语音移音移动通信；通信；v 2Gv第二代移第二代移动通信用数字技通信用数字技术取代模取代模拟技技术，增加了数据，增加了数据业务；v3G v第三代移第三代移动通信的通信的频带利用率更高，每用利用率更高，每用户比特速率更大，比特速率更大，并使移并使移动通信与通信与Internet进一步融合，一步融合，为移移动中的人中的人们提提供广泛的基于供广泛的基于IP的多媒体的多媒体业务。v4Gv未来移未来移动通信的目通信的目标是是为每个人提供每个人提供综合的广合的广带业务，并，并在在业务获得及网得及网络性能上提供前所未有的灵活性。性能上提供前所未有的灵活性。第四代移动通信第四代移动通信4蜂窝移动通信标准的演进蜂窝移动通信标准的演进第一代(80年代)模拟第三代(2000)IMT-2000第二代(90年代)GSM900/1800/1900CDMA IS-95TDMA IS-136PDC NMT AMPS TACS J-TACS 其他数字FDMATDMA为主为主、CDMACDMA为主为主、TDMA450/800/900MHz800/900/1800/1900MHz2GHz、扩展频段第四代移动通信第四代移动通信53G的后续演进的后续演进interconnectionIMT-2000低高1101001000峰值用户速率峰值用户速率(Mb/s)EnhancedIMT-2000EnhancementIMT-2000移动性移动性1101001000Area Wireless AccessEnhancedIMT-2000EnhancementDigital Broadcast SystemsNomadic/Local Area Access SystemsNew Nomadic/Local超超3G超超3G的新能力的新能力New Mobile Access第四代移动通信第四代移动通信6超超3G网络网络-各种互连的接入无缝网络各种互连的接入无缝网络IMT-2000WLANtypeCellular2nd gen.Short RangeConnectivityWirelinexDSLotherentitiesDigitalBroadcastreturn channele.g.cellulardownload channelNew RadioInterfaceServices andApplicationsIP based Core NetworkIMT-2000WLANtypeCellular2nd gen.Short RangeConnectivityWirelinexDSLotherentitiesDigitalBroadcastreturn channele.g.cellulardownload channelNew RadioInterfaceServices andApplicationsIP based Core Network第四代移动通信第四代移动通信7移动通信发展趋势（移动通信发展趋势（1）v广广带化的化的趋势 v提供最大提供最大150Mb/s传输速率的新的广速率的新的广带无无线接入系接入系统 v移移动广广带系系统（MBS）的研究）的研究 v先先进移移动广广带应用系用系统SAMBA：40GHz，34Mb/s v专业及住宅多媒体广及住宅多媒体广带MEDIAN CPN/LAN：60GHz,150Mb/s v无无线ATM网网络演示演示WAND：5GHz，20Mb/s vATM无无线接入通信系接入通信系统AWACS：19GHz，34Mb/s v卫星移星移动多媒体通信多媒体通信EHF SECOMSvACTS广广带通信通信联合合试验和展示和展示ACCORD v基于基于IP的广的广带接入无接入无线网网络（BRAIN）v无无线室内灵活高比特速率室内灵活高比特速率Modem结构（构（WIND-FLEX）v自适自适应广广带固定和移固定和移动无无线接入网接入网络光波束成形天光波束成形天线（OBANET）v高数据速率多媒体高数据速率多媒体卫星广星广带接入（接入（BRAHMS）第四代移动通信第四代移动通信8移动通信发展趋势（移动通信发展趋势（2）v网网络互互联/综合合/重叠的重叠的趋势 v提供固定和移提供固定和移动用用户无无缝的广的广带业务 v互互联或或综合的子系合的子系统 v移移动广广带系系统（MBS）v固定无固定无线接入（接入（FWA）系）系统v广广带卫星多媒体（星多媒体（BSM）v可支持高速移可支持高速移动的的UMTS和和GSM 第四代移动通信第四代移动通信9移动通信发展趋势（移动通信发展趋势（3）v软件无件无线电的的趋势 v用用户终端必端必须是可多模、多是可多模、多频带操作，而且必操作，而且必须能自能自动进行模式行模式识别，并可在用，并可在用户和网和网络指示下指示下或根据用或根据用户及及QoS要求，自适要求，自适应地地进行模式切行模式切换以及相以及相应的一系列操作的一系列操作，这样的的终端称端称为可配置可配置终端端 v可配置可配置终端端v主要基于主要基于软件无件无线电技技术v模式模式识别功能功能：盲：盲识别和和辅助助识别 v模式模式转换功能：功能：终端和网端和网络的重新配置，网的重新配置，网络资源的重新分配源的重新分配 第四代移动通信第四代移动通信10移动通信发展趋势（移动通信发展趋势（4）v灵活和自适灵活和自适应的的发展展趋势v灵活的灵活的资源管理源管理结构：分布式构：分布式结构构 v自适自适应的端到端的端到端QoS保保证：多种：多种RAT和网和网络 第四代移动通信第四代移动通信11下一代移动通信将能满足如下需求：下一代移动通信将能满足如下需求：v(1)更快的通信速度更快的通信速度v速度达到速度达到10 Mbit/s20 Mbit/s，最高可以达到，最高可以达到100 Mbit/s。v(2)更更宽的网的网络频谱v每个信道将占有每个信道将占有100 MHz的的频谱，相当于，相当于WCDMA网网络的的20倍。倍。v(3)更灵活的通信方式更灵活的通信方式v终端从功能到式端从功能到式样将有更惊人的突破。将有更惊人的突破。v(4)更高的智能化更高的智能化v智能性更高，智能性更高，终端端设备的的设计和操作具有智能化和操作具有智能化 v(5)更平滑的兼容性能更平滑的兼容性能v终端将具端将具备全球漫游、接口开放、网全球漫游、接口开放、网络互互连、终端多端多样化，以及能从化，以及能从2G、2.5G/3G平平稳过渡等特点。渡等特点。v(6)更高更高质量的多媒体通信量的多媒体通信v提供的无提供的无线多媒体通信服多媒体通信服务将包括将包括语音、数据、影像等，也可称音、数据、影像等，也可称为“多媒体多媒体移移动通信通信”v(7)更低的通信更低的通信费用用v通通过解决与解决与3G的兼容性的兼容性问题，从而使，从而使现有通信用有通信用户能能轻易地升易地升级；通；通过引入引入多多项尖端通信技尖端通信技术，使下一代移，使下一代移动通信部署起来相通信部署起来相对容易，将有效地降低运容易，将有效地降低运营成本。成本。第四代移动通信第四代移动通信12下一代移动通信技术应具备如下特征：下一代移动通信技术应具备如下特征：v(1)融合多种融合多种业务v各种各种业务应用、各种系用、各种系统平台平台间的互的互连应更便捷、安全，更便捷、安全，更富有个性化。更富有个性化。v(2)高速移高速移动中的无中的无缝连接接v用用户在高速移在高速移动中，能中，能够按需接入系按需接入系统，并在不同系，并在不同系统间无无缝切切换v(3)各种用各种用户设备入网便捷入网便捷v更多新的人机交互方式将会不断出更多新的人机交互方式将会不断出现。v(4)网网络高度智能化高度智能化v网网络应具有良好的重构性、可伸具有良好的重构性、可伸缩性、自性、自组织性。性。v(5)软件平台件平台趋于独立于独立v软件平台件平台趋于独立，从而加快于独立，从而加快实现计算机网、算机网、电信网、广信网、广播播电视网和网和卫星通信网的融合。星通信网的融合。第四代移动通信第四代移动通信13下一代移动通信的接入系统下一代移动通信的接入系统 v下一代移下一代移动通信接入系通信接入系统的的显著特点是智能化多模著特点是智能化多模式式终端基于公共平台。端基于公共平台。v下一代移下一代移动通信的主要接入技通信的主要接入技术v无无线蜂蜂窝移移动通信系通信系统v无无绳系系统(如如DECT)v短距离接入系短距离接入系统(如如蓝牙牙)v无无线局域网局域网(WLAN)系系统v固定接入和无固定接入和无线环路系路系统v卫星系星系统v平流平流层通信通信(STS)v广播广播电视接入通信系接入通信系统(如如DAB和和DVB-T)v有有线系系统(双双绞线的的xDSL和同和同轴线的的CATV系系统)第四代移动通信第四代移动通信14下一代移动通信的网络互连结构下一代移动通信的网络互连结构第四代移动通信第四代移动通信15下一代移动通信的网络分层结构下一代移动通信的网络分层结构v(1)分配分配层v主要由平流主要由平流层通信、通信、卫星通信和广播星通信和广播电视通信通信组成，服成，服务小区范小区范围较大，特大，特别适合广播适合广播业务。另外，它。另外，它们可与可与GSM、通用移、通用移动通信系通信系统(UMTS)、公众、公众交交换电话网网(PSTN)、综合合业务数字网数字网(ISDN)结合，由合，由这些系些系统提供上行提供上行链路，路，而由广播而由广播电视接入通信系接入通信系统提供提供宽带下下载信道。信道。v(2)蜂蜂窝层v主要包括主要包括2G、2.5G、3G通信系通信系统以及新的无以及新的无线接口接口(用于提供更高速率的信用于提供更高速率的信息服息服务)，这些系些系统主要是主要是为个人通信服个人通信服务的，它的，它们有有较大的系大的系统容量。容量。v(3)热点小区点小区层v主要由主要由WLAN网网络组成，服成，服务范范围集中在校园、社区、公司、机集中在校园、社区、公司、机场、会、会议中中心等，支持自适心等，支持自适应的的调制方式、不制方式、不对称的数据通信以及高速的信号称的数据通信以及高速的信号传输。v(4)个人网个人网络层v主要主要应用于家庭、用于家庭、办公室等短距离公室等短距离应用用环境，服境，服务范范围覆盖面覆盖面积很小。不同很小。不同的的设备之之间可以通可以通过蓝牙、牙、DECT等系等系统连接在一起。另外，接在一起。另外，这些系些系统也可也可以作以作为个人个人链路路连接到其他的网接到其他的网络层或直接或直接连接到媒体接入系接到媒体接入系统。v(5)固定固定层v主要指双主要指双绞线、同、同轴电缆、光、光纤组成的固定通信系成的固定通信系统。固定无。固定无线接入或无接入或无线本地本地环路系路系统也可以也可以归到到这一一类。它。它们主要提供高的系主要提供高的系统容量，用以支持个容量，用以支持个人通信服人通信服务。第四代移动通信第四代移动通信16移动终端接入系统技术移动终端接入系统技术v在接入系在接入系统的物理的物理层，优化信道化信道调制、信道制、信道编码和和信号信号传输技技术，提高信号，提高信号处理算法、信号理算法、信号检测和数和数据据压缩技技术，进一步改善一步改善频谱共享和天共享和天线技技术，最，最大限度地开大限度地开发利用有限利用有限频率率资源。源。v在接入系在接入系统的高的高层协议方面，研究网方面，研究网络自我自我优化和化和自自动重构技重构技术、动态频谱分配和分配和资源分配技源分配技术以及以及网网络管理和不同接入系管理和不同接入系统间的的协作，从而提高网作，从而提高网络性能。性能。v加加强软件无件无线电技技术，并，并优化无化无线电传输技技术，如，如支持支持实时和非和非实时业务、无、无缝连接技接技术和网和网络安全安全技技术，从而提高和，从而提高和扩展展IP技技术在移在移动网网络中的中的应用。用。第四代移动通信第四代移动通信17下一代移动通信的软件系统下一代移动通信的软件系统v趋于于标准化、复准化、复杂化、智能化，其首要任化、智能化，其首要任务是是创建建一个公共的一个公共的软件平台，使不同通信系件平台，使不同通信系统和和终端的端的应用用软件通件通过此平台此平台实现“互互连互通互通”，并通，并通过该软件平台，件平台，实现对不同通信系不同通信系统和和终端的管理和端的管理和监控。控。v逐步采用逐步采用Web服服务模式，以取代模式，以取代现行的客行的客户机机/服服务器器(C/S)模式；新的模式；新的计算机算机语言言(如如XML)将用于未来将用于未来的的这种基于种基于Web的分布式服的分布式服务；在网；在网络安全上，将安全上，将进一步保障通信网一步保障通信网络的网的网络安全、数据完整和其他安全、数据完整和其他特殊需要。特殊需要。v新的新的业务、新的需求；、新的需求；终端用端用户漫游于不同的系漫游于不同的系统中中时，需要做到系，需要做到系统间以及系以及系统内部的无内部的无缝切切换。这些都需些都需对终端和网端和网络节点点进行重新配置，因而需行重新配置，因而需要一个分布式的配置控制方式。要一个分布式的配置控制方式。第四代移动通信第四代移动通信18下一代移动通信系统配置结构下一代移动通信系统配置结构 第四代移动通信第四代移动通信19下一代移动通信的关键技术下一代移动通信的关键技术v信道信道传输与与调制制v信号信号传输v系系统资源管理源管理v软件无件无线电v智能天智能天线v基于基于IP技技术的网的网络结构构v数字化数据交易数字化数据交易v光网光网络 第四代移动通信第四代移动通信204G技术特点技术特点v高速率高速率:10Mbit/s。v灵活性灵活性强:自适自适应地地进行行资源分配源分配v兼容性好兼容性好:兼容目前的兼容目前的GSM、CDMA和和TDMAv用用户共存性共存性:低、高速用低、高速用户能能够并存与互通并存与互通v业务多多样性性:个人通信、信息系个人通信、信息系统、广播和、广播和娱乐等整等整体化体化v技技术基基础较好：好：OFDM、无、无线接入、接入、软件无件无线电等等v随随时随地的移随地的移动接入：多媒体接入：多媒体业务接入，随接入，随时随地随地接入接入v自治的网自治的网络结构：自构：自动管理、管理、动态改改变自己的自己的结构构第四代移动通信第四代移动通信214G网络结构网络结构v支持支持现有的系有的系统和将来系和将来系统通用接入的基通用接入的基础结构构v与与Internet集成集成统一，移一，移动通信网通信网仅仅作作为一个无一个无线接入网；接入网；v具有开放、灵活的具有开放、灵活的结构，易于构，易于扩展；展；v可重构的、自可重构的、自组织的、自适的、自适应网网络；v智能化的智能化的环境，个人通信、信息系境，个人通信、信息系统、广播、广播、娱乐等等业务无无缝连接接为一个整体，一个整体，满足用足用户的各种需求的各种需求v用用户在高速移在高速移动中，能中，能够按需接入系按需接入系统，并在不同，并在不同系系统无无缝切切换，传送高速多媒体送高速多媒体业务数据；数据；v支持接入技支持接入技术和网和网络技技术各自独立各自独立发展。展。第四代移动通信第四代移动通信224G关键技术关键技术v4G关关键技技术vOFDM调制技制技术v软件无件无线电v智能天智能天线（SA）：天）：天线阵和相干无和相干无线收收发信机信机 vMIMO技技术：空：空间复用增益和空复用增益和空间分集增益分集增益 第四代移动通信第四代移动通信234G发展趋势发展趋势v从从4G的的发展前景看，除展前景看，除0FDM和智能天和智能天线等等核心技核心技术外外还包含一些相关技包含一些相关技术。v交互干交互干扰抑制和多用抑制和多用户识别：v可重构性自愈网可重构性自愈网络：v微微无微微无线电接收器：接收器：v无无线接入网（接入网（RAN）第四代移动通信第四代移动通信244G网络开始布署网络开始布署 v从从2011年开始，年开始，发达国家的无达国家的无线运运营商将开始布署商将开始布署4G，以提，以提高网高网络速度，速度，满足智能手机使用激增所足智能手机使用激增所带来的来的强烈的数据流烈的数据流量需求。量需求。v运运营商将把商将把LTE作作为4G的首的首选技技术，WiMAX受冷落。受冷落。v4G网网络旨在支持无旨在支持无线移移动接入，具有非常高的数据接入，具有非常高的数据传输速度。速度。发达国家向达国家向4G网网络过渡之渡之际，3.5G网网络的的扩建活建活动正在接近正在接近尾声。尾声。v虽然日本、美国和西欧等地的无然日本、美国和西欧等地的无线运运营商考商考虑在在2011年推出年推出4G服服务，但，但发展中地区的运展中地区的运营商将商将继续投投资完善完善3G网网络。v对于拉美、中国、印度和其它于拉美、中国、印度和其它发展中地区，无展中地区，无线通通讯尚未尚未扩展到展到许多多农村地区，目前村地区，目前4G并不十分可行。并不十分可行。第四代移动通信第四代移动通信254G标准标准 vWiMAX802.16m vLTE-Advanced vTD-LTE-AdvancedvFDD-LTE-Advanced第四代移动通信第四代移动通信264G LTE-Advanced vLTE Release 8v20MHz的通信的通信带宽v下行峰下行峰值速率速率300Mbit/sv上行峰上行峰值速率速率80Mbit/s。vLTE Release 10（LTE-Advanced）v100MHz的通信的通信带宽v空中接口的峰空中接口的峰值速率速率1Gbit/s。第四代移动通信第四代移动通信27LTE技术发展技术发展 vLTE技技术发展展第四代移动通信第四代移动通信28LTE-Advanced技术特点（技术特点（1）v多址方式与多址方式与资源分配源分配 vLTE采用采用OFDM技技术为基基础，根据上行和下行，根据上行和下行链路各自的特点，分路各自的特点，分别采用采用单载波波DFT-SOFDM和和OFDMA作作为两个方向上多址方式的具体两个方向上多址方式的具体实现。vOFDM技技术以子以子载波波为单位位进行行频率率资源的分配，源的分配，LTE系系统采用采用15kHz的子的子载波波带宽，按照不同的子，按照不同的子载波数目，可以支持波数目，可以支持1.4，3，5，10，15和和20MHz各种不同的系各种不同的系统带宽。vRelease 10版本中将要引入的版本中将要引入的载波聚合技波聚合技术，可以，可以通通过聚合聚合5个个20MHz的的单元元载波波实现100MHz的全的全系系统带宽 第四代移动通信第四代移动通信294G LTE-Advanced技术特点（技术特点（1）v多址方式与多址方式与资源分配源分配v载波聚合波聚合 第四代移动通信第四代移动通信30LTE-Advanced技术特点（技术特点（2）v快速的分快速的分组调度度v无无线衰落信道在衰落信道在时间上和上和频率上是率上是变化的，在化的，在LTE中采用中采用1ms时间长度的度的TTI（传输时间间隔）隔）结合合12个子个子载波（波（180KHz）频率率宽度，形成度，形成PRB（物理（物理资源源块）。）。vAMC（自适（自适应编码调制）技制）技术，形成，形成资源的最佳源的最佳利用。利用。这样的自适的自适应调度，从整个系度，从整个系统的角度的角度实现资源源优化的分配和利用，提高全系化的分配和利用，提高全系统性能。同性能。同时，灵活的，灵活的调度也可以根据度也可以根据业务特点特点为单个用个用户提供合理的提供合理的QoS保保证，相关的机制已，相关的机制已经成成为所有所有新一代移新一代移动通信系通信系统设计中的一中的一项基本技基本技术。第四代移动通信第四代移动通信31LTE-Advanced技术特点（技术特点（3）v多天多天线技技术vLTE Release 8版本支持下行最多版本支持下行最多4天天线的的发送，送，最大可以空最大可以空间复用复用4个数据流的并行个数据流的并行传输，在，在20MHz带宽的情况下，可以的情况下，可以实现超超过300Mbit/s的的峰峰值速率。速率。v在在Release 10中，下行天中，下行天线数目数目扩展到展到8个。峰个。峰值频谱效率提高一倍，达到效率提高一倍，达到30bit/s/Hz。上行也将引。上行也将引入入MIMO的功能，支持最多的功能，支持最多4天天线的的发送，达到送，达到16bit/s/Hz的上行峰的上行峰值频谱效率效率第四代移动通信第四代移动通信324G LTE-Advanced技术特点（技术特点（3）v多天多天线技技术第四代移动通信第四代移动通信334G LTE-Advanced技术特点（技术特点（4）v中中继技技术v中中继（Relay）技）技术是是LTE将在将在Release 10版本中版本中开始引入的另一开始引入的另一项重要功能。重要功能。v传统基站需要在站点上提供有基站需要在站点上提供有线链路的路的连接以接以进行行“回程回程传输”，而中，而中继站通站通过无无线链路路进行网行网络端的回程端的回程传输，因此可以更方便地，因此可以更方便地进行部署。行部署。第四代移动通信第四代移动通信344G LTE-Advanced技术特点（技术特点（4）v中中继技技术第四代移动通信第四代移动通信35国内国内6城市开展城市开展LTE规模试验规模试验v工工业和信息化部和信息化部(下下简称称“工信部工信部”)去年去年12月底正式批复同意了准月底正式批复同意了准4G标准准TD-LTE规模模试验总体方案，将在上体方案，将在上 海、杭州、南京、广海、杭州、南京、广州、深圳、厦州、深圳、厦门6个城市个城市组织开展开展TD-LTE规模技模技术试验。v这6个开展个开展TD-LTE研研发的城市的城市总规模达模达3060个基站，即每个城市个基站，即每个城市500个左右。个左右。v从从2011年一季度开始年一季度开始进行行规模技模技术实验。v中国移中国移动计划用划用612个月个月时间让TDLTE在在技技术上达到商用水平，上达到商用水平，第四代移动通信第四代移动通信36OFDM技术技术vOFDM的基本原理的基本原理vOFDM的关的关键技技术vOFDM中的峰均比中的峰均比问题 vOFDM系系统中的同步技中的同步技术 vOFDM系系统中的信道估中的信道估计技技术 vOFDM多址接入技多址接入技术vOFDM系系统下的下的资源源调度度 OFDM技术技术37OFDM技术技术vOFDM(正交正交频分复用分复用)技技术实际上是上是MCM(Multi-Carrier Modulation，多，多载波波调制制)的一种。的一种。v主要思想是：主要思想是：v将信道分成若干正交子信道，将高速数据信号将信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行成并行的低速子数据流，的低速子数据流，调制到在每个子信道上制到在每个子信道上进行行传输。v正交信号可以通正交信号可以通过在接收端采用相关技在接收端采用相关技术来分开，来分开，这样可可以减少子信道之以减少子信道之间的相互干的相互干扰(ICI)。每个子信道上的信号。每个子信道上的信号带宽小于信道的相关小于信道的相关带宽，因此每个子信道上的可以看成，因此每个子信道上的可以看成平坦性衰落，从而可以消除符号平坦性衰落，从而可以消除符号间干干扰。而且由于每个子。而且由于每个子信道的信道的带宽仅仅是原信道是原信道带宽的一小部分，信道均衡的一小部分，信道均衡变得得相相对容易。容易。OFDM技术技术38单载波和多载波单载波和多载波OFDM技术技术39传统传统ODM多载波和多载波和OFDM多载波多载波OFDM技术技术40时延引起符号间干扰时延引起符号间干扰41插入循环扩展消除符号间干扰插入循环扩展消除符号间干扰42OFDM发射接收系统发射接收系统43OFDM信号频谱信号频谱 vOFDM信号信号频谱 OFDM技术技术44OFDM系统的工作原理系统的工作原理OFDM技术技术45OFDM的类型的类型vV-OFDM。vV-OFDM(vector orthogonal frequency division multiplexing)矢量正交矢量正交频分复用，它使分复用，它使用空用空间分集技分集技术，利用多重信号，利用多重信号发射以提高射以提高带宽，通，通过使用特殊天使用特殊天线和信号和信号处理来理来实现，天，天线接收信号再接收信号再进行信号行信号处理，使延理，使延迟信号合并信号合并变为更高的数据流，大多用于固更高的数据流，大多用于固定无定无线城域网城域网(MAN)。vW-OFDM。vW-OFDM(Wideband orthogonal frequency division multiplexing)宽频带正交正交频分复用，分复用，标准的物理准的物理层调制技制技术。W-OFDM使用的是在正交信道之使用的是在正交信道之间引入引入额外外频率空率空间，通，通过在在W-OFDM数据的每一数据的每一帧插入一些已知数据插入一些已知数据计算出算出传输信道的估信道的估计(传输函数函数)，并利，并利用用这个估个估计来来纠正正选频衰落的影响，更好地减少干衰落的影响，更好地减少干扰，并且，并且对OFDM传输中存在的一中存在的一些些问题有了更高的兼容度。有了更高的兼容度。vF-OFDM。vF-OFDM(Flash OFDM)能在移能在移动环境下工作，是一种移境下工作，是一种移动宽带接入接入Internet解决方案。解决方案。F-OFDM在在OFDM中引入快速跳中引入快速跳频扩频技技术，根据跳，根据跳频图样来来选择每个用每个用户所用的子所用的子载波波频率。率。这种系种系统在比在比OFDM所需所需频带更更宽的的频带上上传输信号，将信号能量信号，将信号能量扩展到展到更更宽频谱上，提高了信号的抗干上，提高了信号的抗干扰能力。由于高速切能力。由于高速切换子子载波，因而相波，因而相邻节点可以使点可以使用相同用相同频率的子率的子载波，可提高波，可提高频率利用效率。率利用效率。vMIMO-OFDM。vMIMO系系统在在发射端和接收端均采用多天射端和接收端均采用多天线和多通道，信号通和多通道，信号通过多重切割之后，多重切割之后，经过多重天多重天线进行同步行同步传送。接收端同送。接收端同时采用多重天采用多重天线接收，然后利用接收，然后利用DSP重新重新计算的方式，算的方式，根据根据时间差的因素，将分开的各信号重新差的因素，将分开的各信号重新组合，并且快速正确地合，并且快速正确地还原出原来信号原出原来信号OFDM技术技术46OFDM的优点的优点 v频谱利用率很高，利用率很高，频谱效率比串行系效率比串行系统高近一倍高近一倍v抗多径干抗多径干扰与与频率率选择性衰落能力性衰落能力强v采用采用动态子子载波分配技波分配技术能使系能使系统达到最大比特率达到最大比特率v“注水定理注水定理”，亦即，亦即优质信道多信道多传送，送，较差信道少差信道少传送，送，劣劣质信道不信道不传送的原送的原则v子子载波的波的联合合编码，可具有很，可具有很强的抗衰落能力。的抗衰落能力。v基于离散傅立叶基于离散傅立叶变换(DFT)的的OFDM有快速算法有快速算法OFDM技术技术47OFDM技术的两个缺陷（技术的两个缺陷（1）v对频率偏移和相位噪声很敏感。率偏移和相位噪声很敏感。OFDM技术技术48OFDM技术的两个缺陷（技术的两个缺陷（2）v峰峰值与均与均值功率比相功率比相对较大，大，这个比个比值的增的增大会降低射大会降低射频放大器的功率效率。放大器的功率效率。OFDM技术技术49OFDM系统的关键技术系统的关键技术v时域和域和频域同步域同步v信道估信道估计v信道信道编码和交和交织v降低峰均功率比降低峰均功率比v均衡均衡OFDM技术技术50OFDM系统的关键技术（系统的关键技术（1）v时域和域和频域同步域同步vOFDM系系统对定定时和和频率偏移敏感，特率偏移敏感，特别是是实际应用中可用中可能与能与FDMA、TDMA和和CDMA等多址方式等多址方式结合使用合使用时，时域和域和频率同步率同步显得尤得尤为重要。重要。v与其它数字通信系与其它数字通信系统一一样，同步分捕，同步分捕获和跟踪两个和跟踪两个阶段。段。v在下行在下行链路中，基站向各个移路中，基站向各个移动终端广播式端广播式发同步信号，同步信号，所以，下行所以，下行链路同步相路同步相对简单，较易易实现。v在上行在上行链路中，来自不同移路中，来自不同移动终端的信号必端的信号必须同步到达基同步到达基站，才能保站，才能保证子子载波波间的正交性。基站根据各移的正交性。基站根据各移动终端端发来的子来的子载波携波携带信息信息进行行时域和域和频域同步信息的提取，再域同步信息的提取，再由基站由基站发回移回移动终端，以便端，以便让移移动终端端进行同步。行同步。OFDM技术技术51OFDM系统的关键技术（系统的关键技术（2）v信道估信道估计v在在OFDM系系统中，信道估中，信道估计器的器的设计主要有两个主要有两个问题：v导频信息的信息的选择。由于无。由于无线信道常常是衰落信道，需要不断信道常常是衰落信道，需要不断对信道信道进行跟踪，因此行跟踪，因此导频信息也必信息也必须不断的不断的传送。送。v既有既有较低的复低的复杂度又有良好的度又有良好的导频跟踪能力的信道估跟踪能力的信道估计器的器的设计。在在实际设计中，中，导频信息信息选择和最佳估和最佳估计器的器的设计通常又是相互关通常又是相互关联的，因的，因为估估计器的性能与器的性能与导频信息的信息的传输方式有关。方式有关。OFDM技术技术52OFDM系统的关键技术（系统的关键技术（3）v信道信道编码和交和交织v对于衰落信道中的随机于衰落信道中的随机错误，可以采用信道，可以采用信道编码；v对于衰落信道中的突于衰落信道中的突发错误，可以采用交，可以采用交织。v实际应用中，通常同用中，通常同时采用信道采用信道编码和交和交织，进一步改善一步改善整个系整个系统的性能。的性能。v在在OFDM系系统中，如果信道衰落不是太深，均衡是无法再中，如果信道衰落不是太深，均衡是无法再利用信道的分集特性来改善系利用信道的分集特性来改善系统性能的，因性能的，因为OFDM系系统自身具有利用信道分集特性的能力，一般的信道特性信息自身具有利用信道分集特性的能力，一般的信道特性信息已已经被被OFDM这种种调制方式本身所利用了。但是，制方式本身所利用了。但是，OFDM系系统的的结构却构却为在子在子载波波间进行行编码提供了机会，形成提供了机会，形成COFDM方式。方式。编码可以采用各种可以采用各种码，如分，如分组码、卷、卷积码等，卷等，卷积码的效果要比分的效果要比分组码好。好。OFDM技术技术53OFDM系统的关键技术（系统的关键技术（4）v降低峰均功率比降低峰均功率比v由于由于OFDM信号信号时域上表域上表现为个正交子个正交子载波信号的叠加，波信号的叠加，当当这个信号恰好均以峰个信号恰好均以峰值相加相加时，OFDM信号也将信号也将产生最生最大峰大峰值，该峰峰值功率是平均功率的倍。尽管峰功率是平均功率的倍。尽管峰值功率出功率出现的概率的概率较低，但低，但为了不失真地了不失真地传输这些高峰均功率比些高峰均功率比（Peak to Average Power Ratio,PAPR）的）的OFDM信号，信号，发送端送端对高功率放大器（高功率放大器（HPA）的）的线性度要求很高且性度要求很高且发送送效率极低，接收端效率极低，接收端对前端放大器以及前端放大器以及A/D变换器的器的线性度性度要求也很高。因此，高的要求也很高。因此，高的PAPR使得使得OFDM系系统的性能大的性能大大下降甚至直接影响大下降甚至直接影响实际应用。用。v为了解决了解决这一一问题，人，人们提出了基于信号畸提出了基于信号畸变技技术、信号、信号扰码技技术和基于信号空和基于信号空间扩展等降低展等降低OFDM系系统PAPR的的方法。方法。OFDM技术技术54OFDM系统的关键技术（系统的关键技术（5）v均衡均衡v均衡的均衡的实质是是补偿多径信道引起的多径信道引起的码间干干扰，而，而OFDM技技术本身已本身已经利用了多径信道的分集特性，利用了多径信道的分集特性，因此在一般情况下，因此在一般情况下，OFDM系系统就不必再做均衡就不必再做均衡了。了。v在高度散射的信道中，信道在高度散射的信道中，信道记忆长度很度很长，循，循环前前缀CP（Cyclic Prefix）的）的长度必度必须很很长，才能，才能够使使ISI尽量不出尽量不出现。但是，。但是，CP长度度过长必然必然导致致能量大量能量大量损失，尤其失，尤其对子子载波个数不是很大的系波个数不是很大的系统。这时，可以考，可以考虑加均衡器以使加均衡器以使CP的的长度适当度适当减小，即通减小，即通过增加系增加系统的复的复杂性性换取系取系统频带利利用率的提高。用率的提高。OFDM技术技术55OFDM应用应用（1）v数字音数字音频广播（广播（DAB）v数字音数字音频广播（广播（DAB）标准是第一个正式使用准是第一个正式使用OFDM的的标准。准。vDAB是在是在现有模有模拟AM和和FM音音频广播的基广播的基础上上发展起来展起来的，它可以提供更的，它可以提供更优质的的语音音质量、更新的数据量、更新的数据业务以及以及更高的更高的频谱效率，它所提供的效率，它所提供的语音音质量可以与量可以与CD音音质相相媲美。媲美。v使用使用OFDM主要的原因主要的原因OFDM技技术可以有效地解决多径可以有效地解决多径时延延扩展展问题。v使用使用OFDM的一个重要原因就是可以使用的一个重要原因就是可以使用单频网网络，这样就可以大大提高系就可以大大提高系统的的频谱效率。在效率。在单频网网络中，用中，用户从从不同的接收机同不同的接收机同时接收相同的信号。接收相同的信号。OFDM技术技术56OFDM应用（应用（2）v数字数字电视广播（广播（DVB）v地面地面DVB通通过两种模式利用两种模式利用OFDM，即分，即分别采用子采用子载波个波个数数为1705和和6817的的OFDM技技术，根据两种子，根据两种子载波数量所需波数量所需要的要的FFT/IFFT的的规模，模，这两种模式也分两种模式也分别被当作被当作2k模式模式和和8k模式。存在两种模式的主要原因在于人模式。存在两种模式的主要原因在于人们对8k子子载波波模式存有疑模式存有疑虑，而，而2k系系统是是8k系系统的的简化版本，其中只需化版本，其中只需要要1/4的子的子载波数量。由于保波数量。由于保护间隔也隔也缩小了四倍，因此在小了四倍，因此在单频网网络内，内，2k系系统处理理时延延扩展以及展以及发射机之射机之间传输差差异的能力就要下降。异的能力就要下降。8k系系统的的FFT长度度为896s，而保，而保护间隔可以介于隔可以介于28s到到224s之之间。而。而2k系系统内的相内的相应取取值都要都要缩小小4倍。倍。OFDM技术技术57OFDM应用（应用（3）vMagic WAND vMagic WAND（无（无线ATM网网络演示演示设备）是欧洲）是欧洲ACTS（高（高级通信技通信技术和服和服务器）器）项目中一个目中一个组成成部分。部分。Magic WAND研制人研制人员在在OFDM调制的基制的基础上，上，设计实施施ATM网网络。这一一设计方案方案为5GHz频段内的段内的标准化工作准化工作带来巨大的影响。首先，来巨大的影响。首先，通通过采用基于采用基于OFDM的的调制解制解调器，使器，使OFDM得得到了广泛的到了广泛的认可，使其可以作可，使其可以作为高速无高速无线通信中通信中的可的可变速率速率调制制类型。其次，型。其次，Magic WAND中基中基于于ATM的无的无线方案构成方案构成HIPERLAN/2标准中的数准中的数据据链路路层的基的基础。OFDM技术技术58OFDM应用（应用（4）vIEEE 802 11、HIPERLAN/2和和MMAC无无线局域网局域网标准准vWLAN系系统的一个典型例子就是的一个典型例子就是Lucent公司的公司的WaveLAN，其早期系，其早期系统在在900MHz或或24GHz频段中采用直接序段中采用直接序列列扩频（DSSS）或跳）或跳频扩频（FHSS）的物理）的物理层技技术，提供提供2Mbit/s的数据的数据传输速率，速率，现在的系在的系统能提供能提供55Mbit/s和和11Mbit/s的速率，甚至的速率，甚至实现54Mbit/s的的传输速率。速率。WaveLAN的的LLC子子层使用使用CRC校校验，MAC子子层使用使用带有冲突避免的有冲突避免的载波波监听多址接入技听多址接入技术（CSMA/CA），并且可以与以太网兼容。），并且可以与以太网兼容。OFDM技术技术59OFDM应用（应用（5）v非非对称数字用称数字用户线（ADSL）v数字音数字音频广播（广播（DAB）标准是第一个正式使用准是第一个正式使用OFDM的的标准。准。ADSL是由是由Bellcore的的Joe Lechleider于于20世世纪80年代末首先提出的利用年代末首先提出的利用电话网用网用户环路中的路中的铜双胶双胶线传送双向不送双向不对称比特率称比特率数据的方法。数据的方法。OFDM技术技术60MIMO技术技术vMIMO用于通信系用于通信系统的概念早在的概念早在20世世纪70年代就有人提出，年代就有人提出，但是但是对无无线移移动通信系通信系统MIMO技技术产生巨大推生巨大推动的奠基工的奠基工作作则是是20世世纪90年代由年代由AT&T Bell实验室学者完成的。室学者完成的。v1995年年Teladar给出了在衰落情况下的出了在衰落情况下的MIMO容量；容量；v1996年年Foshini给出了一种出了一种MIMO处理算法理算法D-BLAST(Diagonal-BLAST，对角角BLAST)算法；算法；v1998年年Tarokh等等讨论了用于了用于MIMO的空的空时码；v1998年年Wolinansky等采用等采用V-BLAST(Vertical-BLAST，垂直，垂直BLAST)算算法建立了一个法建立了一个MIMO实验系系统，在室内，在室内试验中达到了中达到了20bps/Hz以上的以上的频谱利用率。利用率。v类别：vSISO(Single-Input Single-Output)vSIMO(Single-Input Multiple-Output)vMISO(Multiple-Input Single-Output)vMIMO(Multiple-Input Multiple-Output)MIMO技术技术61MIMO技术技术v提高信道的容量提高信道的容量v利用利用MIMO信道提供的空信道提供的空间复用增益，复用增益，v提高信道的可靠性，降低提高信道的可靠性，降低误码率率v利用利用MIMO信道提供的空信道提供的空间分集增益。分集增益。vML算法具有很好的算法具有很好的译码性能，但是复性能，但是复杂度比度比较大，大，对于于实时性要求性要求较高的无高的无线通信不能通信不能满足要求。足要求。vZF算法算法简单容易容易实现，但是，但是对信道的信噪比要求信道的信噪比要求较高。高。v性能和复性能和复杂度最度最优的就是的就是BLAST算法。算法。该算法算法实际上是上是使用使用ZF算法加上干算法加上干扰删除技除技术得出的。得出的。v目前目前MIMO技技术领域另一个研究域另一个研究热点就是空点就是空时编码。常。常见的空的空时码有空有空时块码、空、空时格格码。空。空时码的主要思想是利的主要思想是利用空用空间和和时间上的上的编码实现一定的空一定的空间分集和分集和时间分集，分集，从而降低信道从而降低信道误码率。率。MIMO技术技术62MIMO技术的研究热点（技术的研究热点（1）vMIMO信道的建模和仿真信道的建模和仿真vMIMO信道大多数情况下都具有一定的空信道大多数情况下都具有一定的空间相关相关性，而不是相互独立的。性，而不是相互独立的。v3GPP和和3GPP2推荐的推荐的链路路级MIMO信道的建模信道的建模方法有两个：方法有两个：v基于相关基于相关(Corrlration-Based)的方法的方法v基于子径基于子径(EAGC-A14H)的方法。的方法。MIMO技术技术63MIMO技术的研究热点（技术的研究热点（2）vMIMO系系统的天的天线选择技技术v最最优天天线子集子集选择技技术v选择准准则也可分也可分为两种：两种：v最大化多天最大化多天线提供的分集来提高提供的分集来提高传输质量；量；v最大化多天最大化多天线提供的容量来提高提供的容量来提高传输效率。效率。MIMO技术技术64MIMO技术的研究热点（技术的研究热点（3）vMIMO系系统的信号的信号处理理v空分多址空分多址(SCDMA)v典型的典型的“最佳最佳问题”v功率受限功率受限时的容量的容量问题(最大化和信息速率最大化和信息速率)v或用以或用以满足每个用足每个用户特定特定QoS的功率控制的功率控制问题(最小化最小化发射功率射功率)v闭环解决方案解决方案v块对角化角化v逐次最逐次最优化化v波束成形法波束成形法v结合空合空时编码MIMO技术技术65MIMO技术的研究热点（技术的研究热点（4）v多天多天线系系统在多址信道中的容量分析在多址信道中的容量分析v非非线性性优化化问题v采用采用传统的凸的凸优化的方法化的方法虽然可以得到解决，但然可以得到解决，但是是计算量会非常算量会非常庞大，必大，必须寻找找简单快速的方法。快速的方法。在某些特殊情况下，比如，多用在某些特殊情况下，比如，多用户和容量和容量(所有用所有用户的速率加的速率加权值一一样)的的优化化问题，v高斯矢量多址信道，采用高斯矢量多址信道，采用标准算法会非常复准算法会非常复杂，即使利用矩即使利用矩阵行列式最行列式最优化算法也会非常复化算法也会非常复杂。MIMO技术技术66MIMO技术的研究热点（技术的研究热点（5）v天天线在广播信道中的容量分析在广播信道中的容量分析v对于可退化于可退化(degraded)的广播信道，比如的广播信道，比如单天天线的广播信的广播信道，其容量域以及各个用道，其容量域以及各个用户的速率分配方法已的速率分配方法已经得到了解得到了解决。，决。，v由于存在天由于存在天线间和用和用户间干干扰，所以多天，所以多天线广播信道属于广播信道属于非退化非退化(non-degraded)的广播信道，并且其容量域一直不的广播信道，并且其容量域一直不明确。明确。vDPC(脏纸编码)技技术是解决多天是解决多天线广播信道容量域的关广播信道容量域的关键v波束成形波束成形(BF)技技术通通过在在发送端送端设计加加权矢量使不同用矢量使不同用户的信号完全正交的信号完全正交v联合信道合信道对角化角化v扰动的的预信道均衡信道均衡MIMO技术技术67MIMO技术的研究热点（技术的研究热点（6）vMIMO技技术与与OFDM技技术的的结合合vOFDM传输系系统中采用中采用阵列天列天线实现空空间分集，分集，提高了信号提高了信号质量。量。v利用利用时间、频率和空率和空间三种分集技三种分集技术，使无，使无线系系统对噪声、干噪声、干扰、多径的容限大大增加。、多径的容限大大增加。v实现两者两者结合的关合的关键技技术包括：包括：发送分集、空送分集、空间复用、接收分集和干复用、接收分集和干扰消除、消除、软译码、信道估、信道估计以及同步。以及同步。MIMO技术技术68多用户多用户MIMOv多用多用户MIMO信道模型信道模型v上行上行链路通常被称作多址接入信道（路通常被称作多址接入信道（MAC），所有用），所有用户工作在相同的工作在相同的频段上，向同一个基站段上，向同一个基站发送信号，然后基站通送信号，然后基站通过适当的方法来区分用适当的方法来区分用户数据。数据。问题：多用：多用户检测（MUD）v下行下行链路路则为广播信道（广播信道（BC）。基站将通）。基站将通过处理的数据串并理的数据串并转换成成多个数据流，每一路数据流多个数据流，每一路数据流经脉冲成形、脉冲成形、调制，然后通制，然后通过多根天多根天线同同时发送到无送到无线空空间，每一个接收天，每一个接收天线接收到的是基站接收到的是基站发送送给所有通信所有通信用用户的信号与干的信号与干扰噪噪 声的叠加。声的叠加。问题：多址干：多址干扰（MAI）。）。v用用户一般能一般能够知道自己的信道状知道自己的信道状态信息，却很信息，却很难获得其他用得其他用户的信道的信道信息，而信息，而获得其他用得其他用户信道信息需要付出很大的代价。因此一般都是信道信息需要付出很大的代价。因此一般都是由基站在由基站在发射信号前做信号射信号前做信号预处理（比如波束成形），以消除、抑制理（比如波束成形），以消除、抑制干干扰或者在接收到信号之后或者在接收到信号之后进行后行后处理来区分用理来区分用户。v多用多用户MIMO系系统的容量是一个多的容量是一个多维的区域。的区域。对于于K个用个用户，信道容，信道容量区域量区域则用用K维的容量来表示。的容量来表示。MIMO技术技术69多用户多用户MIMOv收收发两端的信号两端的信号处理理 v由于多用由于多用户MIMO系系统使用同一使用同一频段，故可以段，故可以应用除用除频分分多址（多址（FDMA）之外的其他多址接入方式。其中，）之外的其他多址接入方式。其中，时分多分多址（址（TDMA）频谱效率效率较低，低，码分多址（分多址（CDMA）需要消）需要消耗大量的耗大量的码资源，而空分多址（源，而空分多址（SDMA）没有）没有这两个缺点。两个缺点。同同时，多用，多用户MIMO的多天的多天线也能也能够很好地很好地满足空分多址足空分多址对空空间维数的要求，因此空分多址（数的要求，因此空分多址（SDMA）成）成为多用多用户MIMO系系统的一种重要的多址方式。的一种重要的多址方式。v以多用以多用户MIMO下行下行链路路为例，其空例，其空时处理方法主要有理方法主要有线性和非性和非线性两种。性两种。线性性处理方法包括信道求逆法、理方法包括信道求逆法、块对角角化（化（BD）算法等。非）算法等。非线性性处理方法即理方法即污纸编码（DPC）主要有主要有QR分解、网格分解、网格编码等。等。MIMO技术技术70多用户多用户MIMOv网网络调度度 v考考虑实际网网络的的应用将引出很多与用将引出很多与调度度问题相关相关的的问题。对于广播信道，当大量用于广播信道，当大量用户通通过快速快速时变信道共享一个网信道共享一个网络的的时候，基站通候，基站通过用智能用智能调度算法改度算法改进信道。一种方法就是以系信道。一种方法就是以系统吞吐量最吞吐量最大化大化为目目标，即在用，即在用户信道容量达到最大的信道容量达到最大的时候候向其向其发射信息，射信息，这就需要考就需要考虑网网络中哪些用中哪些用户在在某一某一时刻被刻被组合在一起同合在一起同时进行通信。用行通信。用户组内内利用空分多址接入，而利用空分多址接入，而组与与组之之间用其他接入方用其他接入方式，因此也必式，因此也必须考考虑用用户之之间的空的空间相关性。相关性。v另外，如果要兼另外，如果要兼顾有效性和公平性，有效性和公平性，问题就更加就更加复复杂了，必了，必须整体考整体考虑，找一个折衷点。，找一个折衷点。MIMO技术技术71多用户多用户MIMOv存在的存在的问题复复杂度与性能的折衷度与性能的折衷v虽然多用然多用户通信的通信的传统领域已域已经被充分研究被充分研究过了，但在无了，但在无线网网络中引入多天中引入多天线之后，之后，问题又又变得复得复杂起来了。多用起来了。多用户MIMO具有很多具有很多优点，比如利用多天点，比如利用多天线的复用增益来的复用增益来扩大系大系统的吞吐量，利用多天的吞吐量，利用多天线的分集增益来提高系的分集增益来提高系统性能，性能，利用天利用天线的方向性增益来区分用的方向性增益来区分用户而消除用而消除用户间的干的干扰等等等。然而，如果等。然而，如果联系系实际应用的用的实现问题，则必必须把算法把算法实现的复的复杂度也考度也考虑进来，需要在性能和复来，需要在性能和复杂度之度之间找一找一个折