G系统关键技术的研究

13G系统关键技术的研究摘要：第三代移动通信系统（3G）的目标主要是全球化、综合化和个人化，可以提供各种各样的更为丰富多彩的业务。在未来，随着各种先进信息技术的融合，3G信息将是会有互相取长补短的功能。发展第三代移动通信系统在全球也形成共识，本文先分析了移动通信的发展趋势，重点阐述了3G系统关键技术及其特点，并讨论了3G在中国的应用，对未来移动通信系统做了展望。关键词：3G系统功率控制分集接收智能天线OFDM技术课程设计的教学目的1）培养学生正确的设计思想，理论联系实际的工作作风，严肃认真、实事求是的科学态度和勇于探索的创新精神。2）巩固所学的移动通信技术知识，培养学生综合运用所学知识与生产实践经验，分析和解决工程技术问题的能力，培养初步的独立设计能力；3）掌握文献资料的检索与运用，并学会撰写严谨流畅的设计文档。1移动通信的发展趋势第一代移动通信系统（如AMPS和TACS等）是采用FDMA制式的模拟蜂窝系统，其主要缺点是频谱利用率低、系统容量小、业务种类有限，不能满足移动通信飞速发展的需要。第二代移动通信系统（如采用TDMA制式的欧洲GSM/DCS1800，北美IS-54和采用CDMA制式的美国IS-95等）则是数字蜂窝系统。虽然其容量和功能与第一代相比有了很大的提高，但其业务主要限于话音和低速率数据（9.6kb/s），远不能满足新业务和高传输速率的需要。第三代移动通信系统简称3G系统，它最早是国际电联（ITU-R）于1985年提出的，当时命名为未来公众陆地移动通信系统(FPLMTS)。由于当时预期该系统在2000年使用，并工作在2000MHZ频段，故于1996年正式改名为IMT-2000。根据IMT-2000系统的基本标准，第三代移动通信系统主要由4个功能子系统构成，它们是核心网（CN）、无线接入网（RAN）、移动台（MT）和用户识别模块（UIM）。其中核心网和无线接入网是第三代移动通信系统的重要内容，也是第三代移动通信标准制订中最难办的技术内容。第三代移动通信系统大致目标是全球化、综合化和个人化。全球化就是提供全球海陆空三维的2无缝隙覆盖，支持全球漫游业务；综合化就是提供多种话音和非话音业务，特别是多媒体业务；个人化就是有足够的系统容量、强大的多种用户管理能力、高保密性能和服务质量。23G标准国际电信联盟（ITU）在2000年5月确定WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA以及WiMAX四大主流无线接口标准，写入3G技术指导性文件《2000年国际移动通讯计划》（简称IMT—2000）。CDMA是CodeDivisionMultipleAccess(码分多址)的缩写，是第三代移动通信系统的技术基础。第一代移动通信系统采用频分多址(FDMA)的模拟调制方式，这种系统的主要缺点是频谱利用率低，信令干扰话音业务。第二代移动通信系统主要采用时分多址(TDMA)的数字调制方式，提高了系统容量，并采用独立信道传送信令，使系统性能大大改善，但TDMA的系统容量仍然有限，越区切换性能仍不完善。CDMA系统以其频率规划简单、系统容量大、频率复用系数高、抗多径能力强、通信质量好、软容量、软切换等特点显示出巨大的发展潜力。2.1W-CDMA也称为WCDMA，全称为WidebandCDMA，也称为CDMADirectSpread，意为宽频分码多重存取，这是基于GSM网发展出来的3G技术规范，是欧洲提出的宽带CDMA技术，它与日本提出的宽带CDMA技术基本相同，目前正在进一步融合。W-CDMA的支持者主要是以GSM系统为主的欧洲厂商，日本公司也或多或少参与其中，包括欧美的爱立信、阿尔卡特、诺基亚、朗讯、北电，以及日本的NTT、富士通、夏普等厂商。该标准提出了GSM(2G)-GPRS-EDGE-WCDMA(3G)的演进策略。这套系统能够架设在现有的GSM网络上，对于系统提供商而言可以较轻易地过渡。预计在GSM系统相当普及的亚洲，对这套新技术的接受度会相当高，因此W-CDMA具有先天的市场优势。2.2CDMA2000CDMA2000是由窄带CDMA(CDMAIS95)技术发展而来的宽带CDMA技术，也称为CDMAMulti-Carrier，它是由美国高通北美公司为主导提出，摩托罗拉、Lucent和后来加入的韩国三星都有参与，韩国现在成为该标准的主导者。这套系统是从窄频CDMAOne数字标准衍生出来的，可以从原有的CDMAOne结构直接升级到3G，建设成本低廉。但目前使用CDMA的地区只有日、韩和北美，所以CDMA2000的支持者不如W-CDMA多。不过CDMA2000的研发技术却是目前各标准中进度最快的，许多3G手机已经率先面世。该标准提出了CDMAIS95(2G)-CDMA20001x-CDMA20003x(3G)的演进策。CDMA20001x3被称为2.5代移动通信技术。CDMA20003x与CDMA20001x的主要区别在于应用了多路载波技术，通过采用三载波使带宽提高。目前中国电信正在采用这一方案向3G过渡，并已建成了CDMAIS95网络。2.3TD-SCDMA全称为TimeDivision-SynchronousCDMA(时分同步CDMA)，该标准是由中国大陆独自制定的3G标准，1999年6月29日，中国原邮电部电信科学技术研究院（大唐电信）向ITU提出。该标准将智能无线、同步CDMA和软件无线电等当今国际领先技术融于其中，在频谱利用率、对业务支持具有灵活性、频率灵活性及成本等方面的独特优势。另外，由于中国内的庞大的市场，该标准受到各大主要电信设备厂商的重视，全球一半以上的设备厂商都宣布可以支持TD—SCDMA标准。该标准提出不经过2.5代的中间环节，直接向3G过渡，非常适用于GSM系统向3G升级。2.4WiMAXWiMAX的全名是微波存取全球互通，又称为802·16无线城域网，是又一种为企业和家庭用户提供“最后一英里”的宽带无线连接方案。将此技术与需要授权或免授权的微波设备相结合之后，由于成本较低，将扩大宽带无线市场，改善企业与服务供应商的认知度。2007年10月19日，国际电信联盟在日内瓦举行的无线通信全体会议上，经过多数国家投票通过，WiMAX正式被批准成为继WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA之后的第四个全球3G标准。33G系统的关键技术3.1功率控制技术3.1.1功率控制的基本概念功率控制技术是指在满足网络连通度BD235的前提下，通过节点功率控制或动态调整节点的发射功率，精简节点间的无线通信链路，保留生成一个高效的数据转发网络拓扑结构，在保证网络拓扑结构连通的基础上，使得网络中节点的能量消耗最小。典型的功率控制技术主要研究关键传输距离问题。3.1.2功率控制的作用因为CDMA系统是一个干扰受限系统，所有用户共享频段和空间时间，相对于某一个特定的用户，其他所有用户的功率跟背景干扰一起组成了噪音。基站跟手机之间的信息4交互以帧为单位，为了保证控制一定的误帧率FER水平，就必须保证帧信息到达对方的时候功率不能太弱，但是也不能太强，因为会给其他用户造成干扰而降低系统容量。所以，功率控制就是要在保证FER的前提下，使每一个用户都使用尽可能低的发射功率，而且使每一个用户到达基站的功率都相等。3.1.3功率控制的应用情况在WCDMA系统中，作为无线资源管理的功率管理是非常重要的环节。这是因为在WCDMA系统中，功率是最终的无线资源，一方面，提高针对用户的发射功率能够改善用户的服务质量；另一方面，WCDMA采用宽带扩频技术，所有信号共享相同的频谱，每个移动台的信号能量被分配在整个频带范围内，这样对其他移动台来说就成为宽带噪声，这种提高会带来对其他用户接收质量的降低。且各用户的扩频码之间存在着非理想的相关特性，用户发射功率的大小将直接影响系统的总容量，所以功率的使用在CDMA系统是矛盾的，从而使得功率控制技术成为CDMA系统中的最为重要的关键技术之一。3.2分集接收技术3.2.1分集接收的基本概念分集接收就是克服这种衰落的一种方法。分集接收是利用信号和信道的性质，将接收到的多径信号分离成互不相关的多径信号，然后将多径衰落信道分散的能量更有效地接收起来处理之后进行判决，从而达到抗衰落的目的。分集技术包括2个方面：一是分散传输,使接收机能够获得多个统计独立的、携带同一信息的衰落信号;二是集中处理,即把接收机收到的多个统计独立的衰落信号进行合并以降低衰落的影响。因此，要获得分集效果最重要的条件是各个信号之间应该是“不相关”。3.2.2分集接收的基本原理分集的基本思想是将接收到的多径信号分离成不相关的多路信号，然后把这些多路信号分离信号的能量按一定的规则合并起来，使接收到的有用信号能量最大，进而提高接收信号的信噪比，正确的恢复出原发送信号。如果不采用分集技术，在噪声受限的条件下，发射机必须要发送较高的功率，才能保证信道情况较差时链路正常连接。在移动无线环境中，由于手持终端的电池容量非常有限，所以反向链路中所能获得的功率也非常有限，而采用分集方法可以降低发射功率，这在移动通信中非常重要。3.2.3分集接收的作用分集接受技术是一项主要的抗衰落技术，他可以大大提高多径衰落信道传输下的可5靠性，在实际的移动通信系统中，移动台常常工作在城市建筑群或其他复杂的地理环境中，而且移动的速度和方向是任意的。发送的信号经过反射、散射等的传播路径后，到达接收端的信号往往是多个幅度和相位各不相同的信号的叠加，使接收到的信号幅度出现随机起伏变化，形成多径衰落。不同路径的信号分量具有不同的传播时延、相位和振幅，并附加有信道噪声，它们的叠加会使复合信号相互抵消或增强，导致严重的衰落。这种衰落会降低可获得的有用信号功率并增加干扰的影响，使得接收机的接收信号产生失真、波形展宽、波形重叠和畸变，甚至造成通信系统解调器输出出现大量差错，以至完全不能通信。此外，如果发射机或接收机处于移动状态，或者信道环境发生变化，会引起信道特性随时间随机变化，接收到的信号由于多普勒效应会产生更为严重的失真。在实际的移动通信中，除了多径衰落外还有阴影衰落。当信号受到高大建筑物或地形起伏等的阻挡，接收到的信号幅度将降低。另外，气象条件等的变化也都影响信号的传播，使接收到的信号幅度和相位发生变化。这些都是移动信道独有的特性，它给移动通信带来了不利的影响。3.3智能天线技术3.3.1智能天线的基本概念智能天线也叫自适应阵列天线它由天线阵、波束形成网络．波未形成算法三部分组成。它通过满足某种准则的算法去调节各阵元信号的加权幅度和相位。从而调节天线阵列的方向图形状。达到增强所需信号抑制干扰信号的目的。近年来，智能天线技术已经成为移动通信中最具有吸引力的技术之一。智能天线采用空分多址技术，利用信号在传输方向上的差别，将同频率或同时隙、同码道的信号区分开来，最大限度地利用有限的信道资源。与无方向性天线相比较，其上、下行链路的天线增益大大提高，降低了发射功率电平，提高了信噪比，有效地克服了信道传输衰落的影响。同时，由于天线波瓣直接指向用户，减小了与本小区内其它用户之间，以及与相邻小区用户之间的干扰，而且也减少了移动通信信道的多径效应。CDMA系统是个功率受限系统，智能天线的应用达到了提高天线增益和减少系统干扰两大目的，从而显著地扩大了系统容量，提高了频谱利用率。3.3.2智能天线的工作原理TD－SCDMA的智能天线使用一个环形天线阵，由8个完全相同的天线元素均匀地分布在一个半径为R的圆上所组成。智能天线的功能是由天线阵及与其相连接的基带数字信号处理部分共同完成的。该智能天线的仰角方向辐射图形与每个天线元相同。在方位角的6方向图由基带处理器控制，可同时产生多个波束，按照通信用户的分布，在360°的范围内任意赋形。为了消除干扰，波束赋形时还可以在有干扰的地方设置零点，该零点处的天线辐射电平要比最大辐射方向低约40dB。TD－SCDMA使用的智能天线当N＝8时，比无方向性的单振子天线的增益分别大9dB（对接收）和18dB（对发射）。每个振子的增益为8dB，则该天线的最大接收增益为17dB，最大发射增益为2