3G4G5G系统天线技术的差异

3G/4G/5G通信系统天线技术的差异_ ：学院：10 / 12目录13G/4G/5G通信系统的关键技术11.13G通信系统的关键技术11.24G通信系统的关键技术11.35G通信系统的关键技术22无线通信信道衰落特性32.1信道噪声干扰42.1.1 高斯白噪声42.1.2 瑞丽分布信道模型42.1.3 如何对抗无线通信的衰落52.23G/4G/5G通信系统中天线技术差异62.2.1 3G通信系统中智能天线62.2.2 4G通信系统中MIMO技术62.2.3 5G通信系统的MassiveMIMO技术73总结114参考文献113G/4G/5G的天线技术差异本文讨论3G/4G/5G第三代/第四代/第五代通信系统中关键技术,然后讨论它们所采用天线技术的差异.在参阅和研究了有关3G/4G/5G通信系统关键技术的大量论文之后,在此,我做出自己的一些分析和总结.随着科学技术的迅猛发展,移动通信技术发生了深刻变革,从1G到2G,到3G,再到4G和5G,不断变革和延续.2013年12月4日,第四代移动通信4G技术正式在中国市场运营,意味着中国移动通信事业进入4G时代.而此时,在各国研究所和全球知名从事通信技术研究的企业都已经进入新一代移动通信,即5G第五代移动通信系统,的研发当中.无论哪代通信系统,所研究的技术都是要从无线通信信道特性分析,克服噪声干扰.现在大量研究人员在关注Massive大规模MIMO技术,它与3G/4G通信系统所采用的天线技术差异在哪里？它是否会成为新一代无线通信的核心技术？1 3G/4G/5G通信系统的关键技术1.1 3G通信系统的关键技术从20世纪90年代早期,移动通信业界开始积极研究第三代移动通信标准和技术.2009年1月,中国工业和信息化部为中国移动、中国电信和中国联通发放3G牌照,意味着我国进入3G移动通信时代.第三代移动通信系统主要有WCDMA、CD-MA2000和TD-SCDMA 3种技术体制.它的主要关键技术有,a. Rake接收技术；b. 信道编译码技术；c. 功率控制技术；d. 多用户检测技术；e. 智能天线；f. 软件无线电.1.2 4G通信系统的关键技术2013年12月,我国正式进入4G第四代移动通信系统的通信网络时代,在4G移动通信系统中,采用OFDM技术,OFDM技术因其频谱利用率高和抗多径衰落性能好而被普遍看好,未来5G通信网络也将进行与OFDM技术相关的研究.4G通信系统主要关键技术有,a. OFDM技术；b. MIMO技术；c. 多用户检测技术；d. 软件无线电；e. 智能天线技术；f. IPv6技术.1.3 5G通信系统的关键技术中国工业和信息化部刚刚给三大运营商发放4G牌照,他们还在大规模布网,用户数量也不多.此时中国移动表示启动5G通信系统研发,分析人士指出,目前三大运营商均在参与5G研发,一是为了技术跟上时代变化,二是需求快于技术发展.中国移动副总裁李正茂在2014年巴塞罗那世界通信大会MWC表示：中国移动将全力支持5G项目发展,希望能引导产业界5G技术研发和技术标准的制定.随着移动通信技术研究的不断深入,5G 关键支撑技术将逐步得以明确, 并在未来几年内进入实质性的标准化研究与制定阶段.未来将采用何种核心技术,目前还没有定论.不过,综合各大高端移动通信论坛讨论的焦点,我收集了9大关键技术.a. 大规模 MIMO 技术；b. 基于滤波器组的多载波技术；c. 全双工技术；d. 超密集异构网络技术；e. 自组织网络技术；f. 高频段的使用；g. 软件定义无线网络；h. 无线接入技术：(1) BDMA射束分割多址技术(2) NOMA i. D2D设备对设备通信.图1是5G通信网络中大规模MIMO天线的布局,我在实验室正在研究Massive MIMO技术.图1显示了用户以大规模天线为中心,相互之间进行通信.图1.大规模天线协作无线通信网络2 无线通信信道衰落特性无线通信系统的性能主要受移动无线信道的制约.无线信道非常复杂,对它的建模一直是系统设计中的难点,一般是利用统计方法,根据对特定频带上的通信系统的测量值来进行统计.无线信道衰落信道分为大尺度衰落信道模型和小尺度衰落信道模型.所谓大尺度衰落模型,描述的是发射机和接收机之间长距离几百米或几千米上的场强变化,反映由路径损耗和阴影效应所引起的接收信号功率随距离变化的规律.小尺度衰落模型,描述短距离或短时间内的接收场强的快速波动.大尺度衰落信道模型由收、发端之间地表轮廓如高山、森林、建筑等的影响引起.小尺度衰落信道模型由多径效应和多普勒效应引起,如果存在大量反射路径而没有LOS直射信号信号分量,此时的小尺度衰落称为Rayleigh衰落,接收信号的包络由Rayleigh概率密度函数统计描述；若存在LOS,则包络服从Rician分布.多径效应现象引起平坦衰落和频率选择性衰落.在3G/4G/5G无线通信系统中,如何克服多径效应现象,就我所研究的,在此进行一些分析和看法？2.1 信道噪声干扰高斯白噪声在分析无线通信系统的性能时,通常以理想的加性高斯白噪声AWGN信道作为分析的基础.在该信道上,统计独立的高斯遭受叠加在信号上.高斯噪声指频谱非常宽、幅度随时间连续随机变化,也称为起伏噪声.所谓白,指噪声功率谱密度在整个频率轴上为常数. 1瑞丽分布信道模型数学描述：概率密度函数pdf、累积积分函数CDF与其数字特征数学期望、方差、中值.2345 6图2. 接收信道包络电压如何对抗无线通信的衰落a. 减少通信距离；增加发送功率；调整天线高度；选择合适路由；b. 在移动通信中采用微蜂窝、直放站；c. 采用分集技术、均衡技术、瑞克技术、纠错技术等；d. 频率选择性衰落主要是由于多径效应引起的；e. 多径效应最严重的后果之一是在信道传递函数中引入一个非理想的Hc,破坏奈奎斯特准则和匹配滤波准则,从而产生码间串扰ISI,使有效的Eb/No恶化；f. 对抗频率选择性衰落就是要消除非理想Hc的影响；g. 在接收端采用均衡、接收分集、纠错技术等技术,而在发送端可以采用扩频、多载波调制OFDM、发送分集等技术.由此可见,提高无线通信性能的方法和技术很多.这里我分析3G/4G/5G通信系统中使用天线技术的差异.2.2 3G/4G/5G通信系统中天线技术差异2.2.1 3G通信系统中智能天线3G通信系统以CDMA技术为核心技术.使用的天线是智能天线.从1G到4G,通信设备都离不开天线,当传统的天线不满足通信网络需求时,移动通信进入3G时代,研究人员研发了智能天线,但在3G标准中,由于智能天线的算法与其复杂,WCDMA和CDMA2000不采用这种技术,只有TD-SCDMA系统采用了这种技术.智能天线是一种基于自适应天线原理的移动通信新技术,它在消除干扰、扩大小区半径、降低系统成本、提高系统容量等方面具有不可比拟的优越性.为了达到高速通信的目的,智能天线是不可缺少的,必须更加有效的使用智能天线.3G通信网络中智能天线无法解决的时延超过码片宽度的多径干扰和高速移动引起的多普勒效应等问题,将在4G中得到有效的解决.2.2.2 4G通信系统中MIMO技术4G通信系统采用了多输入多输出MIMO技术,3G系统中都没有采用这种技术.在4G通信网络中,多数基站的天线采用一发两收的结构.MIMO技术与4G系统所采用的核心技术OFDM技术相结合,即MIMO-OFDM技术,形成满足人们需求的新型技术,极大的提高了数据速率,避免窄带衰落,提高了频谱利用率和抗多径衰落的能力.其原因一是,OFDM技术属于多载波调制技术,OFDM 技术具有良好的抗噪声性能和抗多径干扰的能力,以与频谱利用率高的特点.其原因二是,采用MIMO技术不仅成倍地提高无线信道容量,而且在不增加带宽和天线发送功率的情况下,频谱利用率也可以成倍地提高.对提高抗干扰能力,起到非常关键作用.MIMO技术系统具有显著的优点：a. 降低了码间干扰；b. 提高了空间分集增益；c. 提高了无线信道容量和频谱利用率.2.2.3 5G通信系统的MassiveMIMO技术在4G通信系统中利用MIMO技术与OFDM技术融合,克服多径效应信道衰落.鉴于MIMO技术的优点,5G系统也采用了MIMO技术,但是为了满足人们对移动通信视频、高速数据传送需求而开发新一代技术,Massive MIMO大规模多输入多输出技术.未来5G网络是一个多网络、多频道、多制式的混合网络,研究人员以大规模MIMO技术为研究热点,天线数量比4G传统的MIMO天线多出好几十倍甚至几百倍.其大规模天线的特点不仅继承MIMO技术优点,而且提高通信质量的鲁棒性,让网络的容量成倍增加,同时提高了网络的能量效率.总之,Massive MIMO技术能更好地提高通信网络的有效性和可靠性.以下是我在研究5G关键技术中的一些理解,主要针对Massive大规模MIMO技术的几个基本技术方案.1. STBCOrthogonal Space-Time Block Code方案它利用矩阵特性设计行列正交矩阵的符号阵,消除符号间干扰和信道间干扰, 提高空间分集增益和编码增益,降低无线通信系统误码率.最早出现的是Alamouti1提出的典型基本方案：发送端使用两条天线,接收端使用一根天线或者两个天线,在发送端进行编码调制,形成一个正交矩阵.7式中,是一个编码调制符号,一个正交矩阵,直接通过天线发送每行符号；为调制符号从M-QAM/PSK的符号得到.进一步发展,将Alamouti码扩展为一般的STBC2码,还有STTC3空时格码等,STTC有优良的分集增益和编码增益,但其译码的复杂度很高.为了满足自由度和分集度,最多能编码映射成8行8列的正交矩阵.超过之,就会降低速率的性能,得不到全速的速率.2. VBLAST方案P.W.Wolniansky,G.J.Foschini,et al.4研究了BLAST技术,在发送端,各层独立编码；在接收端,通过干扰抵消的算法,降低无线通信系统的误码率.随着收发天线数目的增加,提高传输质量所带来的好处会逐渐减少.因此,在天线数目较多的MIMO系统中,更加着重于提高传输速率.它的优点：a. 数据率很高b. 接收检测复杂度低它的缺点：a. 要求发送天线数小于或等于接收天线数b. 时域和空域处理未联合,误码性能不与空时码3. Linear Dispersion Code方案Hassibi and Hochwald 5研究了一种MIMO空时处理结构的LDC码,它合并了空时编码STC和空时分布复用SDM的优势,权衡了灵活的分集复用增益.图3. LDC码结构图LDC码原理：在结构图中,矩阵是由一定的准则构成,在源比特数据流串并之后,经过M-PSK/QAM调制,然后每一路调制符号分别与各路上的矩阵相乘,形成矩阵符号,各个矩阵符号对应相加,最后经过MIMO天线发送.LDC码是OSTBCs方案, BLAST方案的总结,或者说OSTBCs, BLAST是LDC码的特例.LDC码,STBC,BLAST和ST Trellis Code四者在MIMO技术的比较图4. 比较图4Spatial Modulation/Space-Shift KeyingR.Mesleh,H.Haas等研究人员6,7,8,9研究了SM/SSK方案SM/SSK的优点：克服了发射天线间同步和信道间的干扰,传输额外比特数,与传统通信系统相比,增加了传输速率：.它的缺点：没有得到有效的空间分集、时间分集.SM基本方案的映射结构图如下：图5.SM的映射图信息比特流映射的工作原理：如下表1,输入比特数为B=3比特,前两个比特作用是在四条天线中激活一条天线,后一个比特是作为调制器输入,然后激活的天线把调制好的BPSK符号发送给接收端.表1. 映射工作原理5.STSK方案这个方案是Sugiura10提出的,这个方案是由LDC码和SM方案基本思想结合得到的.与LDC码和SM方案相比,STSK方案是权衡了他们的优势,获得了可达到的分集增益和高速率传输.CSTSK系统模型如图6所示图 6. CSTSK结构图工作原理：在系统模型中,输入的源数据流,经过串并转换之后,把源数据流分成两路数据,一路数据流用作选择矩阵中一个.另一路数据流输入调制器进行映射,输出调制符号.在第一路选择好之后,与调制符号相乘,得到的符号阵,经过Space-time Mapper发送给接收端.STSK方案的优点：增强了空间分集、时间分集.进一步克服了多径效应衰落.STSK与OFDM技术结合,形成STSK-MIMO-OFDM系统,获得空间、时间、频率分集增益,大大提高了无线通信的性能.未来的5G通信系统中,在大规模MIMO技术中是否使用STSK与MIMO-OFDM技术相结合,尚未定论,现在还处于实验室研究当中.3 总结从事移动通信网络业界认为,未来5G通信网络将是一个多网络、多频段、多制式的混合通信网络,大规模MIMO技术是必须备受关注和值得研究的.尽管此时5G通信核心技术尚没有确定最终的标准,但是大部分国家科研所和从事通信技术研究的知名企业都已经投入了大量资金到5G技术的研发当中,争分夺秒地抢夺未来制定5G通信系统规则的话语权.不过,明确来讲,大规模MIMO技术的科研成果,必然与3G通信技术和4G通信技术一起融合发展,将实现与3G/4G通信网络共存发展,形成一个完全的融合网络.未来5G究竟如何发展,让我们,乃至全球研究人员共同努力.4 参考文献1. S. M. Alamouti, A simple transmit diversity technique for wirelessmunications, IEEE J. Sel. Areas mun., vol. 16, no. 8, pp.14511458, 1998.2. Zeng, X., Ghrayeb, A.: Antenna selection for spacetime block codes overcorrelated Rayleigh fading channels, IEEE Can. J. Electr. put. Eng., 2004,29, , pp. 219226.3. G. A. da Silva,F. 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