通信工程毕业论文第四代移动通信系统展望

河北北方学院毕业论文 题 目： 第四代移动通信系统展望姓 名： 赵 晗 院 系： 信息工程系 专 业： 通信工程 年 级： 05 级 学 号： 2005540042 指导教师： 张效荣 河北北方学院教务处制【contents&summary】 This paper introduces the fourth generation mobile communication systemthe basic situation, focus on the orthogonal frequency division multiplexing (OF-DM) and Multiple Input Multiple Output (MIMO) technology in two new syste-ms to reduce interference and increase capacity by two to take the measures. Stu-dy based on an analysis of a number of useful conclusions, the conclusions of thestudy for the new system is very important.【key phrase】The Fourth GenerationOrthogonal Frequency Division MultiplexingMultiple Input Multiple OutputReduce InterferenceIncrease Capacity【内容提要】 本文介绍了第四代移动通信系统的基本情况，重点研究了正交频分复用（OFDM）和多输入多输出（MIMO）两种技术在新系统中降低干扰和增加容量两方面所采取的措施。根据分析研究得出了一些有益的结论，该结论对于新系统的研究具有十分重要的意义。【关键词】 第四代移动通信系统正交频分复用（OFDM）多输入多输出（MIMO）降低干扰增加容量 目 录引言- 3 -（三）OFDM系统中的同步技术- 9 -引言 2一、移动通信概述 2（一）第一代模拟移动通信系统 2（二）第二代数字移动通信系统 2（三）第三代移动通信系统 3（四）我国移动通信的发展 3（五）未来移动通信的发展4G 4二、4G的关键技术OFDM 7（一）OFDM的基本原理 7（二）OFDM中的峰均比问题 8（三）OFDM系统中的同步技术 8（四）OFDM系统中的信道估计技术 9（五）OFDM多址接入技术 9三、多天线传输技术MIMO11（一）MIMO系统模型及信道容量 11（二）MIMO系统工作过程及技术特点 12四、MIMO-OFDM系统 15（一）MIMO-OFDM系统模型 15（二）MIMO-OFDM系统的信道估计 16五、结束语 17六、致 谢 18引言移动通信是当今通信领域内最为活跃、发展最为迅速的领域之一，也是将在新世纪对人类生活和社会发展有重大影响的科学技术领域之一。这里首先简要回顾一下移动通信的发展历史。一、移动通信概述1864年，MAXWELL从理论上证明了电磁波的存在，这一理论在1876年被赫兹用电磁波辐射的实验证实。到1896年，意大利人马可尼首次用人造电磁波传递信息，并建立了第一座无线电发射和接收电台。无线通信已经走过了100多年的历史。现在意义上的无线通信的概念最早出现在20世纪40年代，无线电台在第二次世界大战中的广泛应用开创了移动通信的第一步。到20世纪70年代，美国贝尔实验室最早提出了蜂窝的概念，解决了频分复用的问题。80年代，大规模集成电路技术及计算机技术获得了突飞猛进的发展，长期困扰移动通信的终端小型化的问题得到了初步解决，给移动通信的发展打下了基础。于是，美国为了满足用户增长的需求，提出了建立在小区制上的第一个蜂窝移动通信系统先进移动电话系统(AMPS，Advanced Mobile Phone Service）。这也是世界上第一个现在意义的、商用的、能够满足随时随地通信的大容量移动通信系统。该系统在频分复用的技术上，解决了频谱资源受限的问题，并拥有更大的容量和更好的话音质量。在移动通信发展史上AMPS具有里程碑的意义。AMPS系统在北美商业上获得的巨大成功，有力的促进了蜂窝移动通信技术的研究和发展。随后，欧洲各国和日本都开发了自己的蜂窝移动通信网络，如欧洲的TACS(Total Access Communication System,完全接入通信系统)、北欧的NMT(Nordic Mobile Telephone System，北欧移动电话系统)和日本的NTT(Nippon Telegraph and Telephone,日本电报与电话系统)等。这些系统都是基于频分多址(FDMA)的模拟制式的系统，一般统称为第一代蜂窝移动通信系统，到目前为止已经出现了三代移动通信系统。(一) 第一代模拟移动通信系统第一代模拟移动系统主要建立在频分多址接入和蜂窝频分复用的理论基础上，在商业上取得了巨大的成功。但是，该系统主要问题是所支持的业务（主要是语音）单一、频谱效率低、保密性差等，特别是在欧洲，一个国家有一个自己的标准和体制，无法解决跨国家的漫游问题。模拟移动通信系统经过10余年的发展后，终于在20世纪90年代初逐步被先进的数字蜂窝移动通信系统所代替。这些系统均采用FDMA接入技术，在移动通信信道中传输调制模拟电话信号，所以它们具有很多相似的地方，但是并没有发展出一个全球的公用标准。各个国家和地区都选择了与其国情相适用的系统进行研究和无线网络配置，包括各个国家采用不同的通信频段。（二） 第二代数字移动通信系统推动第二代移动通信发展的主要动力来源于欧洲，欧洲国家比较小，要解决标准和制式的统一才可能解决跨国家漫游。从20世纪80年代开始，欧洲就展开了数字蜂窝移动通信系统的研究，一般称其为第二代移动通信系统。它是随着超大规模集成电路和计算机技术的飞速发展，语音数字处理技术的成熟而发展起来的。1982年，欧洲邮电管理协会（CEPT）成立了移动通信特别小组（GSM），开发数字蜂窝式移动通信技术，即全球通移动通信系统（GSM:Global System for Mobile Communication）。1987年，GSM就泛欧数字蜂窝系统的GSM协议达成一致意见。1991年，GSM数字蜂窝移动通信系统在欧洲问世，紧接着以TDMA标准为基础的其它第二代数字蜂窝移动通信系统如DAMPS/JDC等也相继投入使用。同时以IS-95技术标准为基础的COMA上用系统已分别在香港、韩国等地区和国家投入使用，取得了良好的用户反应。第二代数字蜂窝移动通信系统最引人瞩目的优点之一就是抗干扰能力和潜在的大容量，也就是说，它可以在环境更为恶劣和需求量更大的地区使用。第二代移动通信在发展的过程中没有形成全球统一的标准系统。在欧洲建立了以TDMA为基础的GSM系统；日本成立了以TDMA为基础的JDC系统；美国建立了以FDMA和以数字TDMA为基础的IS-136混合系统以及以N-CDMA为基础的IS-95系统。所以这些系统之间无法实现全球漫游，并且主要是话音服务只能传递间断消息，同时该面临严重的通信容量不足等问题。（三） 第三代移动通信系统第三代移动通信系统由卫星移动通信网和地面移动通信网组成，将形成一个对全球无缝覆盖的立体通信网络，以满足城市和偏远地区各种用户密度的需求，支持高速移动环境，提供语音、数据和多媒体等多种业务（最好速率可达2Mbits/s）的先进移动通信网，基本实现个人通信的要求。1999年11月5日国际电联ITU-12 TG8/1最后一次会议第18次会议在芬兰首都赫尔辛基落下帷幕。本次会议通过了第三次移动通信系统（IMT-2000 Radio interface Specification）；为今后全球第三代移动通信产业的发展指明了方向。第三代无线接口技术规范为简介、范围定义、相关建议、说明、地面部分建议、卫星部分建议、发射限制建议等共七个章节。该建议的通过标志着第三代移动通信系统的开发和应用进入实质阶段。IMT2000核心网络部分的标准化工作到2000年底才最终完成。这次会议确认了如下5种第三代移动通信RTT技术，其中有两种是TDMA技术：SC-TDMA(UMC-136)和MC-TDMA(EP-DECT)；有三种是CDMA技术：MC-CDMA（CDMA200 MC）、DS-CDMA(包括UTRA/WCDMA和CDMA2000/DS)和TDD CDMA（包括TD-SCDMA和UTRA TDD），如表所示：表1.1 ITU确认的5种第三代移动通信RTTCDMATDMAMCDSTDDSCMCCDMACDMACDMATDMATDMA（四）我国移动通信的发展我国移动通信起步较晚，其中大致经历了一下几个阶段。(1)1982年2000年“无线寻呼”发展阶段1982年，上海首先使用150mhz频段开通了我国第一个型模拟寻呼系统。1984年，广州用同样的频段开通了一个数字寻呼系统。寻呼系统应用大约十几年时间，到2000年，据不完全统计，全国寻呼用户已超过5000万。(2)无线移动电话移动通信发展阶段1.第一代移动通信模拟移动电话1987年，我国第一个模拟移动电话网在广东珠江三角洲开通，采用的体制为TACS。随后在北京、上海等地相继建成模拟移动电话系统，用户年增长率一直高达100%。2.第二代移动通信数字移动电话1994年11月，我国开始建成GSM数字网。1998年，模拟用户数量开始下降，2001年7月，关闭模拟网。随后，2000年开始建成CDMA数字网（IS-95标准），CDMA是一种码分多址，是由多个码分信道共享在频频道的多址连接方式。目前使用的第二代数字移动通信系统可以提供话音及低速数据业务，能够基本满足人们信息交流的需要。截止到2007年6月，中国的手机用户已经达到6亿多，并且仍然以较高的速度发展。手持机的迅速普及驱动通信向个人化方向发展，互联网用户数以翻番的速度膨胀又带来了移动数据通信的发展机遇。特别是移动多媒体和高速数据业务的迅速发展，迫切需要设计和建设一种新的网络以提供更宽的工作频带、支持更加活泼的多种类业务（高速率数据、多媒体及对称或非对称业务等），并使移动终端能在不同的网络间进行漫游。3G由此产生。TD-SCDMA系统全面满足IMT-2000的基本要求，采用不需配对频率的TDD（时分双工）工作方式，以及FDMA/TDMA/CDMA相结合的多址接入方式，同时使用1.28Mchip/s的低码片速率，扩频宽带为1.6MHz。TD-SCDMA第三代移动通信标准是信息产业部电信科学技术研究院在国家有关部门的支持下，根据多年的研究而提出的具有一定特色的3G通信标准，是中国百年通信史上第一个具有完全自主产权的国际通信标准，在我国通信发展史上具有里程碑的意义并将产生深远的影响，是整个中国通信业的重大突破。（五） 未来移动通信的发展4G1. 概述未来移动通信系统或称第四代移动通信系统可以在不同的平台和网络中提供无线服务，可以在任何地方宽带接入互联网，能够提供信息通信之外的定位定时、数据采集、远程控制等综合功能。简单来说，4G就是能够解决目前3G系统不足的下一代系统。1999年成立了ITU-R的WP8F工作组，其主要任务是负责3G未来发展和超3G的研究。在2001年10月在日本举行的第六次会议上讨论提出了“IMT-2000未来发展及超IMT-2000的远景框架与总目标（IMT-VIS）”，该文件定义的目标数据传输速率为：IMT-2000的未来发展在2005年左右实现最高约30Mbit/s的速率，而超3G（IMT-advanced）在2010年左右高速移动环境支持最高100Mbit/s的速率，在低速移动环境达到1Gbit/s的速率。2. 第四代移动通信系统的特征4G系统应该具有下面的特征：a. 通信速率更高专家称，4G的实际速率将达到1020Mbit/s，最高可达100Mbit/s。b. 网络占用频谱更宽据研究，每个4G信道将占用100MHz的频谱，相当于WCDMA 3G网络的20倍。c. 通信终端更加灵活4G终端的功能已不能简单划归“电话机”的范畴，因为语音数据的传输只是4G移动电话的功能之一。而且4G终端的外观和样式上将有惊人的突破，可以想象，眼镜、手表、鞋都有可能是终端。d. 智能性能更高这里不仅指4G终端设备的设计和操作上，更重要的是4G终端可以实现许多难以想象的功能。e. 兼容性能更高，过渡更平稳为了让更多的用户在投资更少的情况下平稳地过渡到4G系统，4G通信系统应当具备全球漫游、接口开放、能跟多种网络互联、终端多样化以及能从3G平稳过渡等特点。f. 高质量的多媒体通信 4G通信系统提供的宽带无线多媒体通信服务将包括语音、数据、影像等多种业务应用。g. 通信费用更加便宜4G通信与其他技术相比，部署起来容易迅速得多，同时在建设4G通信网络系统时，通信运营商们将考虑直接在3G通信网络的基础设施之上，采用逐步引入的方法，这样就能够有效地降低运营成本。 3.第四代移动通信系统的关键技术a. 新的调制技术新的调制技术要求数据速率从2Mbit/s提高到100Mbit/s，对全速移动用户能够提供150Mbit/s的高质量影像服务。第三代移动通信系统主要是以CDMA为核心技术，而第四代移动通信系统采用的OFDM技术最受瞩目，OFDM是一种无线环境下的高速传输技术。b. 软件无线电技术软件无线电技术可使移动终端和基站从3G到4G的发展速度大大加快，系统升级变得十分便捷。软件无线电是将标准化、模块化的硬件功能单元经过一个通用硬件平台，利用软件加载方式来实现各种类型的无线电通信系统的一种具有开放式结构的新技术。其核心思想是在尽可能靠近天线的地方使用宽带A/D和D/A变换器，并尽可能多的用软件来定义无线功能，各种信号处理和功能都尽可能用软件来实现，其软件系统包括各类无线信令规则与处理软件、信号流变换软件、调制解调算法软件、信道纠错编码软件、信源编码软件等。c. 智能天线系统智能天线原名自适应天线阵列（AAA，Adaptive Antenna Array），最初应用于雷达、声纳等军事方面，主要用来完成空间滤波和定位，大家熟悉的相控阵雷达就是一种较简单的自适应天线阵。智能天线具有抑制信号干扰、自动跟踪以及数字波束调节等智能功能，用于移动通信，既可改善信号质量又能增加传输容量，其基本原理是在无线基站端使用天线阵和相干无线收发信机来实现射频信号的接收和发射，同时，通过基带数字信号处理器，对各个天线链路上接收到的信号按一定算法进行合并，实现上行波束赋形。目前，智能天线的工作方式主要有两种：全自适应方式和基于预多波束的波束切换方式。由于全自适应方式的缺陷，提出了基于预多波束的波束切换方式。后者更容易实现，实际上我们将其看做是介于扇形天线与自适应天线间的一种技术，也是未来智能天线技术发展的方向。d. 网络技术 4G系统要满足3G不能达到的高速数据和高分辨率多媒体服务的需要，应能与宽带IP网络、宽带综合业务数据网（B-ISDN）和异步传送模式兼容，实现多媒体通信，形成综合宽带通信网。 二、4G的调制技术OFDM（一）OFDM的基本原理 正交频分复用（OFDM）技术在20世纪50年代就已经提出来了，在当时由于实现等原因，未能引起人们广泛的重视。直到70年代采用DFT实现多载波调制算法的提出，实现IFFT/FFT快速算法芯片的出现，使得多载波调制的实现变得非常简单。由此，OFDM技术开始被人们所接收和重视。在通信的各个领域，OFDM利用许多并行的、低速率数据传输的子载波来实现一个高速率的数据通信。 其主要思想是在频域内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，这样，尽管总的信道是非平坦的，即具有频率选择性，但是每个自信道是相对平坦的，并且在每个子信道上进行的是窄带传输，信号带宽小于信道的相应带宽，因此就可以大大消除信号波形间的干扰。OFDM技术的最大优点是能对抗频率选择性衰落或窄带干扰。在OFDM系统中各个子信道的载波相互正交，于是它们的频谱是相互重叠的，这样不但减少了子载波间的相互干扰，同时又提高了频谱利用率。 简介OFDM的工作原理，输入数据信元的速率为R，经过串并转换后，分成M个并行的子数据流，每个子数据流的速率为R/M，在每个子数据流中的若干个比特分成一组，每组的数目取决于对应子载波上的调制方式，如PSK、QAM等。M个并行的子数据信元编码交织后进行IFFT变换，将频域信号转换到时域，IFFT块的输出是 N个时域的样点，再将长为Lp的CP(循环前缀)加到N个样点前，形成循环扩展的OFDM信元，因此，实际发送的OFDM信元的长度为LpN，经过并/串转换后发射。接收端接收到的信号是时域信号，此信号经过串并转换后移去CP，如果CP长度大于信道的记忆长度时，ISI仅仅影响CP，而不影响有用数据，去掉CP也就去掉了ISI的影响。图1 OFDM系统图示由于OFDM信号是经过IFFT得到的，发送的数据在频域被充分随机化，OFDM信号可以认为是独立同步分布的随机变量的线性组合。当子载波非常大时，由中心极限定理知OFDM信号近似服从复高斯分布，从而OFDM信号具有较大的峰值平均功率比（PAPR），此为OFDM系统的一个缺点。由于OFDM系统各个子载波间相互正交，OFDM系统另外一个缺点是对系统频偏比较敏感。（二）OFDM中的峰均比问题由于OFDM信号是有一系列的子信道信号重叠起来的，所以很容易造成较大的PAPR。大的PAPR 信号通过功率放大器时会有很大的频谱扩展和带内失真。但是由于大的PARP的概率并不大，可以把大的PAPR值的OFDM信号去掉。但是把大的PAPR值的OFDM信号去掉会影响信号的性能，所以采用的技术必须保证这样的影响尽量小。一般通过以下几种技术解决： （1）信号失真技术。采用修剪技术、峰值窗口去除技术或峰值删除技术使峰值振幅值简单地线性去除。 （2）编码技术。采用专门的前向纠错码会使产生非常大的PAPR的OFDM符号去除。 （3）扰码技术。采用扰码技术，使生成的OFDM的互相关性尽量为0，从而使OFDM的PAPR减少。这里的扰码技术可以对生成的OFDM信号的相位进行重置，典型的有PTS（部分传输序列）和SLM（选择映射）。这三种方法都有自己的着眼点和特色，但每类方法都存在在各自的缺陷。限幅类技术直接对信号的峰值进行非线性操作，它最直接，最简单。但因为它采用了非线性操作，因此会带来带内噪声和带外干扰，从而降低系统的误比特率性能和频谱效率。编码类技术利用编码将原来的信息码字映射到一个具有比较好的PAPR特性的传输码集上，从而避开了那些会出现信号峰值的码字。该类技术为线性过程，它不会使信号产生畸变，因此也没有限幅类的缺陷。但其计算复杂度非常高，编解码都比较麻烦。重要的是，这类技术，它不像编码类计数，完全避开信号的峰值，而是着眼于努力使信号峰值出现的概率降低。该类技术采用的方法也为线性过程，因此，它不会对信号产生畸变。这类技术能够很有效的降低信号的PAPR值，它的缺点也是计算复杂度太大。总的来说，这三种技术中，概率类技术最有希望解决OFDM中的峰均比问题。从实用的角度看，限幅类技术简单而最实用，但其会带来一定的干扰和系统性能损失。因此，到目前为止，很多人都在努力研究这类技术，已经提出了很多有效的方法。但还需要继续研究。（三）OFDM系统中的同步技术同步技术是任何一个通信系统都需要解决的实际问题，直接关系到通信系统的整体性能。没有准确的同步算法，就不可能进行可靠的数据传输，同步技术是信息可靠传输的前提。在单载波系统中，载波频率从偏移只会对接受信号造成一定的衰减和相位旋转。OFDM系统中，个符号的并行传输会使符号的延续时间更长，因此它对时间的偏差不敏感。对于无线通信来说，无线信道存在时变性，在传输中存在的频率偏移会使OFDM系统子载波之间的正交性遭到破坏，相位噪声对系统也有很大的损害。由于发送端和接受端之间的采样时钟有偏差，每个信号样本都一定程度地偏离它正确的采样时间，此偏差随样本数量的增加而线性增大，尽管时间偏差会破坏子载波之间的正交性，但是通常情况下可以忽略不计。当采样错误可以被校正时，就可以用内插滤波器来控制正确的时间进行采样。载波频率的偏移会使子信道之间产生干扰。OFDM系统的输出信号是多个相互覆盖的子信道的叠加，它们之间的正交性有严格的要求。无线信道时变性的一种具体体现就是多普勒频移，多普勒频移与载波频率以及移动台的移动速度都成正比。多普勒扩展会导致频率发生弥散，引起信号发生畸变。从频域上看，信号失真会随发送信道的多普勒扩展的增加而加剧。因此对于要求子载波严格同步的OFDM系统来说，载波的频率偏移所带来的影响会更加严重，如果不采取措施对这种信道间干扰（ICI）加以克服，系统的性能很难得到改善。 OFDM中的同步通常包括3方面的内容： （1）帧检测； （2）载波频率偏差及校正； （3）采样偏差及校正。 由于同步是OFDM技术中的一个难点，因此，很多人也提出了很多OFDM同步算法，主要是针对循环扩展和特殊的训练序列以及导频信号来进行，其中较常用的有利用奇异值分解的ESPRIT同步算法和ML估计算法，其中ESPRIT算法虽然估计精度高，但计算复杂，计算量大，而ML算法利用OFDM信号的循环前缀，可以有效地对OFDM信号进行频偏和时偏的联合估计，而且与ESPRIT算法相比，其计算量要小得多。对OFDM技术的同步算法研究得比较多，需要根据具体的系统具体设计和研究，利用各种算法融合进行联合估计才是可行的。OFDM系统对定时频偏的要求是小于OFDM符号间隔的4%，对频率偏移的要求大约要小于子载波间隔的1%2%，系统产生的-3dB相位噪声带宽大约为子载波间隔的0.01% 0.1%。（四）OFDM系统中的信道估计技术OFDM系统中信道估计器的设计主要有两个问题。一个是导频信息的选择问题，由于无线信道的时变特性，需要接收机不断地对信道进行跟踪，因此导频信息必须不断地被传送。二是既有较低计算复杂度又有良好信道跟踪能力的信道估计器的设计问题，即在确定的导频发送方式和信道估计准则条件下，寻找最佳的信道估计器结构。OFDM系统中的经典信道估计技术。有常见的最小平方（LS）、线性最小均方误差（LMMSE）信道估计，以及基于离散傅立叶变换（DFT）的信道估计算法、基于奇异值分解（SVD）的信道估计算法和最大似然信道估计算法。（五）OFDM多址接入技术频分多址（FDMA）、时分多址（TDMA）和码分多址（FDMA）是无线通信系统中常见的三种主要接入技术。而OFDM是一种高效的信号复用技术，与多址技术相结合能允许多个用户共享有限的无线资源，获得较高的系统容量。1. 与FDMA结合的系统OFDM系统在频域划分为一系列的并行子载波并在频域内进行数据调制，很自然地可以通过不同子载波集来区分用户，即OFDM复用技术与频分多址的结合方案。根据细节的不同，主要有以下几种：a. OFDMA方案OFDMA多址接入系统将传输带宽划分成正交的互不重叠的一系列子载波集，将不同的子载波集分配给不同的用户实现多址。OFDMA系统可动态地把可用带宽资源分配给需要的用户，很容易实现系统资源的优化。由于不同用户占用互不重叠的子载波集，在理想同步情况下，系统无多户间干扰，即无多址干扰（MAI）。b. FH-OFDMA方案跳频OFDMA（FH-OFDMA）通过不同的跳频图案来区分用户。在每个时隙中，根据跳频图样来选择每个用户所使用的子载波位置，每个用户使用不同的调频图样进行跳频，且互不碰撞。这是一种灵活的多址方案，其主要优点是可以获得频率分集增益，并可以避免或减少小区间干扰，主要缺点在于较难根据信道状况产生一种简单有效的调频图样。c. IFDMA技术交织频分多址（IFDMA）系统结合了单载波和多载波系统的优点，具有低PAPR特性，无多用户间干扰，在上行系统中受到了广泛的关注。将需要传送的比特信息首先进行信道编码、调制，然后分组进行码片压缩和重复并加入循环前缀，将每个用户的信号乘以用户相应的相位偏移序列后经根升余弦滤波器发送出去。在接收端，首先用根升余弦滤波器对接收信号进行滤波，并乘以用户的共轭相位序列以提取所需用户的信号，在合并重复的码片后经FFT变换到频域，在频域里采用MMSE均衡器进行信道均衡，并用IEFT变换回时域并进行后续的解调和解码恢复出传送的原始比特信息。d DFT-SOFDM技术单载波频分多址（SC-FDMA）系统可以在频域实现，称之为DFT-SOFDM系统。该系统的信号是在频域内构造，具有良好的灵活性。各用户占用的子载波可以不一样，可根据各用户的具体需要进行动态分配。虽然该系统的PAPR特性比在时域内构造的IFDMA系统差，但仍比FDMA系统的PAPR特性好很多。2. 与TDMA结合的系统即不同用户在不同时隙内独占系统资源进行数据传输，称之为OFDM-TDMA方案。OFDM-TDMA方案具有以下特点：（1） OFDM-TDMA方案在特定OFDM符号内将全部带宽分配给一个用户，这种分配方式不可避免地存在带宽资源浪费，频带利用率降低，灵活性差的特点。（2）OFDM-TDMA的信令开销很大程度上取决于是否采用滤除具有较低信噪比子载波的技术和自适应调制/编码技术，采用上述技术虽然可以改善性能，但也会增加信令开销。3. 与CDMA结合的系统a. MC-CDMA方案该系统的原理：调制后的数据符号在频域上进行拷贝扩展并乘以相应的扩频码，并调制在一组相应的子载波上。可见，一个数据符号信息被分散到一组子载波上进行携带，即进行了“分”的操作。在接收端需要进行相应的合并操作，即“集”的操作，从而获得频率分集增益。b. MC-DS-CDMA技术MC-DS-CDMA系统跟MC-CDMA系统类似，不同的是，数据在不用的OFDM符号间进行扩展。数据经串并变换后，每条数据用扩频码在时间方向上进行扩展，在复用了其他用户的数据后，在每一OFDM符号时间内用IFFT将各路子载波上的数据变换到时域上。MC-DS-CDMA系统的好处是可以获得时间分集增益。三、多天线传输技术MIMOMIMO(Multiple-Input Multiple-Out-put)系统，该技术最早是由Marconi于1908年提出的，它利用多天线来抑制信道衰落。根据收发两端天线数量，相对于普通的SISO(Single-Input Single-Output)系统，MIMO还可以包括SIMO(Single-Input Multi-ple-Output)系统和MISO(Multiple-Input Single-Output)系统。（一）MIMO系统模型及信道容量图2 MIMO系统可以看出，此时的信道容量随着天线数量的增大而线性增大。也就是说可以利用MIMO信道成倍地提高无线信道容量，在不增加带宽和天线发送功率的情况下，频谱利用率可以成倍地提高。假定发送端有N个发送天线，有M个接收天线，在收发天线之间形成MN信道矩阵H，在某一时刻t，信道矩阵为：其中H的元素是任意一对收发天线之间的增益。对于信道矩阵参数确定的MIMO信道，假定发送端不知道信道信息，总的发送功率为，与发送天线的数量M无关；接收端的噪声用N1向量n表示，是独立零均值高斯复变量，各个接收天线的噪声功率均为；发送功率平均分配到每一个发送天线上，则容量公式为：令M不变，增大N，使得HH，这时可以得出容量的表达式：从上式可以看出，此时的信道容量随着天线数量的增大而线性增大。也就是说可以利用MIMO信道成倍地提高无线信道容量，在不增加带宽和天线发送功率的情况下，频谱利用率可以成倍地提高。利用MIMO技术可以成倍提高信道的容量，同时也可以提高信道的可靠性，降低误码率。前者是利用MIMO信道提供的空间复用增益，后者是利用MIMO信道提供的空间分集增益。目前MIMO技术领域另一个研究热点就是空时编码。常见的空时码有空时块码（STBC）、空时格码（STTC）。空时码的主要思想是利用空间和时间上的编码实现一定的空间分集和时间分集，从而降低信道误码率。（二）MIMO系统工作过程及技术特点我们再来看一下MIMO系统的工作图比特流在经过编码、调制和空时处理（波束成行或空时编码）后，映射成不同的信息符号，从多个天线同时发射出去；在接收端用多个天线接收，进行相应解调、解码及空时处理。MIMO系统中的空时处理技术主要包括波束成形（beamforming）、空时编码（space-timecoding）、空间复用（spacemultiplexing）等。波束成形是智能天线中的关键技术，通过将主要能量对准期望用户以提高信噪比。波束成形能有效地抑制共道干扰，其关键是波束成行权值的确定。1. MIMO系统的发射方案MIMO系统的发射方案主要分为两种类型：最大化数据率的发射方案（空间复用SDM）和最大化分集增益的发射方案（空时编码STC）。最大化数据率发射方案主要通过在不同天线发射相互独立的信号实现空间复用。空时编码的方案是指在发射端对数据流进行联合编码以减小由于信道衰落和噪声所导致的符号错误率，它通过在发射端的联合编码增加信号的冗余度，从而使信号在接收端获得分集增益，但空时编码方案不能提高数据率。（1）空时编码STC我们目前已知的大量的发射机制分别可以使频谱效率最大、速率最高、信噪比（SNR，SignaltoNoise Ratio）最大，它们都依赖信道状态信息（CSI，Channel State Information）在发射端和接收端的已知程度。CSI在接收端通过信道估计可以获得，然后，通过反馈可以通知发射端。 对于发射端不需要CSI的发射机制，可以引入空时编码或者采用空间复用增益来利用空间维数。空时编码主要分为空时格码和空时块码。接收到的信号通过最大似然（ML，MaximumLikelihood）译码器进行检测。最早的空时编码是空时格码STTC（Space-TimeTrellisCode），在这种方式下，接收端需要多维维特比算法。STTC可以提供的分集等于发射天线的数目，提供的编码增益取决于码字的复杂度而无需牺牲带宽效率。空时分组编码（STBC，Space-Time Block Code）可以提供与STTC相同的分集增益，但是它没有编码增益。又由于STBC在译码时只需要线性处理，因此，通常都使用STBC。空时编码技术一般假设CSI在接收端是完全已知的，当CSI在两端都未知时，提出了酉空时编码和差分空时编码。（2）空间复用空间复用是指在发射端发射相互独立的信号，在接收端用ZF，MMSE，ML，V-BLAST3等方法进行解码。它能最大化MIMO系统的平均发射速率，可牺牲一些数据率获得更高的分集增益。（3）空间复用和空时编码结合将空间复用和空时编码相结合，在保证每个数据流获得最小分集增益的条件下，最大化平均数据率。目前，将空间复用和空时编码相结合的方案主要有两种，链接编码和使用块码映射的自适应MIMO系统。链接编码方案是指在内部使用空时编码，外部使用传统的信道纠错码（TCM，卷积码，RS码）的编码方案4，这种方案既能提供分集增益，又能提高系统容量。因为信道间的相关性将影响多天线系统的频谱效率，当信道处于理想状态或信道间相关性小时，发射端采用空间复用的发射方案，当信道间相关性大时，采用空时编码的发射方案。2.MIMO的接收分集技术MIMO系统在接收端的解码算法主要有ZF(Zero Forcing，迫零)算法、MMSE（Minimum Mean Square Error，最小均方误差）算法、判决反馈解码算法、最大似然解码算法和分层空时处理算法（BLAST，belllabslayeredspace-time）。其中，ZF算法和MMSE算法是线性算法，而判决解码算法，最大似然解码算法和分层空时处理算法是非线性算法。在SIMO或者MIMO通信链路的接收端，接收机或者均衡器利用多径信号重构发射信号。在非频率选择SIMO信道下，最优接收机制是最大比合并（MRC，Maximum Ratio Combining）；而对于频率选择SIMO信道，最优接收机制是ML检测，但它是非线性的，其复杂度与天线数目成指数关系（可以用线性译码器来代替，但是性能会有所下降）。ZF均衡器通过信道的逆可以消除符号间干扰ISI（InterSymbol Interference），但是其代价是对噪声产生了放大。MMSE接收机可以在噪声放大和ISI消除之间进行折衷。基于判决反馈的一种次优非线性机制判决反馈均衡（DFE，Decision Feedback Equalizer）可以用于改善线性均衡器的性能，它通过反馈滤波器将以前符号产生的部分ISI从目前的符号中消除。ML和线性均衡可以扩展到MIMO信道中，与MIMO接收机相关的问题就是多流干扰（MSI，Multistream）的存在。MSI会导致多个数据流之间的相互干扰。非线性连续抵消均衡器或者V-BLAST均衡器可以将MIMO信道转换成一些并行信道，但是该机制可能存在差错传播现象。3.MIMO系统中的波束成形技术（1）特征波束成形MIMO系统的系统模型为r=Hs+n，将信道矩阵H进行奇异值分解，如果发射端已知信道信息，通过发射端的特征波束成形和接收端的线性处理，可将MIMO信道分成平行的子信道。如果发射端不知道信道状态信息，在多用户的环境下，可以采用随机波束成形方法实现多用户分集。（2）波束成形与空时编码结合大多数情况下，假设CSI的部分信息在发射端已知是合理的，因而提出了空时编码和波束成形相结合的混合机制。空时编码和波束成形是两种不同的发送分集技术。空时编码属于开环分集技术，在发送端不需信道信息；阵列波束成形属于闭环分集技术，利用信道反馈信息进行空间滤波或干扰抑制，信道反馈的准确性会严重影响波束成形的效果。当发送端获得部分信道状态信息时（如信道均值或信道协方差矩阵），可以根据信道信息选择发射策略（波束成形或空时编码5）。波束成形的权值在保证接收端达到信噪比和误码率要求的条件下，由反馈信道信息决定，文献67中指出结合功率分配，波束成形和空时编码对发射机进行联合优化，在不增加设备复杂度和损失发射速率的条件下，提供了比传统空时编码更好的性能。总之，描述多入多出智能天线收发机特征的性能度量为均方误差（MSE，MeanSquareError）、SNR、误比特率（BER，BitError Rate）、可达吞吐量、需要的发射功率和信道容量。发射和接收机制都是根据这些准则进行优化的。设计它的收发机要特别关注以下4个关键参数：（1）在发射端和接收端CSI的可靠性；（2）发射信号的特征（调制、复用和训练信息）；（3）要优化的性能度量；（4）计算复杂度的大小。四、MIMO-OFDM系统前面已经介绍了OFDM和MIMO两种技术：MIMO技术充分开发空间资源,利用多个天线实现多发多收，在不需要增加频谱资源和天线发送功率的情况下，可以成倍地提高信道容量。OFDM技术是多载波传输的一种，其多载波之间相互正交,可以高效地利用频谱资源，另外，OFDM将总带宽分割为若干个窄带子载波可以有效地抵抗频率选择性衰落。因此充分开发这两种技术的潜力,将二者结合起来可以成为第四代移动通信核心技术的解决方案。（一）MIMO-OFDM系统模型MIMO系统在一定程度上可以利用传播中多径分量，也就是说MIMO可以抗多径衰落，但是对于频率选择性深衰落，MIMO系统依然是无能为力。目前解决MIMO系统中的频率选择性衰落的方案一般是利用均衡技术，还有一种是利用OFDM。大多数研究人员认为OFDM技术是4G的核心技术，4G需要极高频谱利用率的技术，而OFDM提高频谱利用率的作用毕竟是有限的，在OFDM的基础上合理开发空间资源，也就是MIMO-OFDM，可以提供更高的数据传输速率。另外ODFM由于码率低和加入了时间保护间隔而具有极强的抗多径干扰能力。由于多径时延小于保护间隔，所以系统不受码间干扰的困扰，这就允许单频网络（SFN）可以用于宽带OFDM系统，依靠多天线来实现，即采用由大量低功率发射机组成的发射机阵列消除阴影效应，来实现完全覆盖。下面给出MIMO-OFDM的结合方案。图3 MIMO-OFDM系统框图在本方案中的数据进行两次串并转换，首先将数据分成N个并行数据流，将这N个数据流中的第n（n1，N）个数据流进行第二次串并转换成L个并行数据流，分别对应L个子载波，将这L个并行数据流进行IFFT变换，将信号从频域转换到时域，然后从第n（n1，N）个天线上发送出去。这样共有NL个M-QAM符号被发送。整个MIMO系统假定具有N个发送天线，M个接收天线。在接收端第m（m1，M）个天线接收到的第l个子载波的接收信号为：其中Hm,n,l是第l个子载波频率上的从第n个发送天线到第m个接收天线之间的信道矩阵，并且假定该信道矩阵在接收端是已知的，Cn,l是第个子载波频率上的从第n个发送天线发送的符号，m,l是第l个子载波频率上的从第m个接收天线接收到的高斯白噪声。这样在接收端接收到的第l个子载波频率上的N个符号可以通过V-BLAST算法进行解译码，重复进行L次以后，NL个M-QAM符号可以被恢复。（二）MIMO-OFDM系统的信道估计在一个传输分集的OFDM系统中，只有在收端有很好的信道信息时，空时码才能进行有效的解码。估计信道参数的难度在于，对于每一个天线每一个子载波都对应多个信道参数。但好在对于不同的子载波，同一空分信道的参数是相关的。根据这一相关性，可以得到参数的估计方法。MIMO-OFDM系统信道估计方法一般有三种：非盲信道估计、盲信道估计和半盲信道估计。a. 非盲信道估计非盲信道估计是通过在发送端发送导频信号或训练序列，接收端根据所接收的信号估计出导频处或训练序列处的信道参数，然后根据导频或训练序列处的信道参数得到数据信号处的信道参数。当信道为时变信道时，即使是慢时变信道，也必须周期性的发射训练序列，以便及时更新信道估计。这类方法的好处是估计误差小，收敛速度快，不足是由于发送导频或训练序列而浪费了一定的系统资源。b. 盲信道估计盲信道估计是利用信道的输出以及与输入有关的统计信息，在无需知道导频或训练序列的情况下估计信道参数。其好处是传输效率高，不足是稳定抗干扰能力相对较差、收敛速度慢，而且运算量较大。c. 半盲信道估计半盲信道估计是在盲信道估计的基础上发展起来的，它利用尽量少的导频信号或训练序列来确定盲信道估计算法所需的初始值，然后利用盲信道估计算法进行跟踪、优化，获得信道参数。由于盲信道算法运算复杂度较高，目前还存在很多问题，难以实用化。而半盲信道估计算法有望在非盲算法和盲算法的基础上进行折衷处理，从而降低运算复杂度。可以预计，对盲信道及半盲信道估计的研究将成为MIMO-OFDM信道估计研究的热点。五、结束语展望第四代移动通信系统。面对未来的宽带无线通信系统中存在两个最严峻的挑战：多径衰落信道和带宽效率，OFDM将频率选择性多径衰落信道在频域内转换为平坦信道，减小了多径衰落的影响，而MIMO技术能够在空间中产生独立的并行信道同时传输多路数据流，这样就有效地提高了系统的传输速率，即在不增加系统带宽的情况下增加频谱效率。这样，将OFDM和MIMO两种技术相结合就能达到两种效果：一种是实现很高的传输速率，另一种是通过分集实现很强的可靠性，同时，在MIMO-OFDM中加入合适的数字信号处理的算法能更好地增强系统的稳定性。MIMO-FDM技术是OFDM与MIMO技术结合形成的新技术，通过在OFDM传输系统中采用阵列天线实现空间分集，提高了信号质量，充分利用了时间、频率和空间3种分集技术，大大增加了无线系统对噪声、干扰、多径的容限。因此，基于OFDM的MIMO系统具有逼近极限的系统容量和良好的抗衰落特性，可以预见，它将是下一代网络采用的核心技术。但是就目前来看，OFDM-MIMO技术实现度杂度很大，性能有待于检验；并且该系统在各层协议上还不成熟，其系统性能也有待于检验。六、致谢本文是在导师张效荣老师的悉心指导下完成的，导师在学业上的谆谆教诲和身体力行、在生活上的默默关心和无私帮助将使我受益终身，在此谨向导师表示衷心的感谢！导师对科学事业的献身精神以及高度的敬业精神，为学生们树立了良好的风范，也是我今后所追求的目标。“登泰山始懂尊冠五岳，遇先生才知德高智睿”，师恩浩瀚，溢于言表！感谢所有曾在2005级信息工程系任教的老师，老师们教会我的不仅仅是专业知识，更多的是对待学习、对待生活的态度。感谢身边所有的朋友与同学，谢谢你们四年来的关照与宽容，与你们一起走过的缤纷时代，将会是我一生最珍贵的回忆。参考文献：【1】 彭艺,查光明. 第四代移动通信系统及展望J电信科学, 2002,(06) 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