4G移动通信系统的关键技术

南京信息职业技术学院课程专题研究论文作者第四组(王薛涛、陆钰霞、笪陈阳、吉小芳、马一鸣、袁瑶瑶)学号36、6、20、4、29、45系部5系专业通信技术（通信工程与监理）题目4G移动通信系统的关键技术指导教师顾艳华评阅教师顾艳华完成时间：2015年5月26日III摘要题目：4G移动通信系统的关键技术摘要：LTE标准在3GPP的研讨下在2009年正式出台，下行速率可以达到100Mbps，标志着百兆时代正式来临。本文主要针对4G移动通信系统其中的4个关键技术针对它们的原理，优势等方面进行简略的介绍，分别是OFDMA、SC-FDMA、智能天线以及MIMO、自适应调制编码技术以及全IP组网方式。其中4G系统上下行接入方式并不一样，在讲究速率的下行采用的是OFDM接入方式，而下行采用的是单载波的SC-FDMA。MIMO技术指在发射端和接收端分别使用多个发射天线和接收天线，使信号通过发射端与接收端的多个天线传送和接收，从而改善通信质量。自适应调制编码技术是根据无线信道变化选择合适的调制和编码方式，网络侧根据用户瞬时信道质量状况和目前资源选择最合适的下行链路调制和编码方式，使用户达到尽量高的数据吞吐率。文章最后同时针对4G网络架构进行简要点评。二、关键词：高速率、OFDMA、SC-FDMA、全IP、MIMOIII目录第一章绪论.................................................................................................................................1第二章接入方式与多址方案.........................................................................................................22.1OFDMA技术【1】...........................................................................................................22.1.1OFDMA技术原理..................................................................................................22.1.2OFDM系统参数分析与设计................................................................................32.2SC-FDMA技术【2】.......................................................................................................32.2.1SC-FDMA技术原理.............................................................................................32.2.2SC-FDMA、OFDMA技术.................................................................................4第三章自适应调制编码技术【3】...............................................................................................4第四章MIMO技术【4】............................................................................................................64.1MIMO技术原理................................................................................................................64.1.1空间分集（SpatialDiversity）...............................................................................64.1.2MIMO模式自适应转换.........................................................................................64.1.3MIMO容量分析.....................................................................................................64.1.4MIMO容量与天线数关系.....................................................................................74.1.5MIMO-OFDMA-SCFDMA技术结合及总结.....................................................8第五章全IP组网方式.................................................................................................................95.1巨大的地址空间.................................................................................................................95.2自动控制.............................................................................................................................95.3核心网具有开放的结构.....................................................................................................91第一章绪论进入21世纪，计算机网络在全球迅速普及，宽带无线接入市场开始兴起，由于采用了基于标准的IP网作为核心网并考虑了突发型数据业务的需求，宽带无线接入速率可达几百kbps甚至几十Mbps，明显优于基于蜂窝移动网络的2.5G/3G手机移动业务，为了抢占宽带接入无线接入市场，3GPP早在2002年6月就确定了通用移动通信系统（UMTS）演进R5版本，在接入网部分通过引入IP技术实现核心网与接入网的全免IP化，成为了全IP的第一个版本。其中，在下行链路R5使用了高速下行分组接入（HSDPA）技术，使得峰值速率可高达10Mbps。在2004年12月，3GPP确定了R6版本，使用高速上行分组接入（HSUPA）技术，以解决上行链路分组化问题。与此同时，随着全球微波互联接入（WorldinteroperabilityforMicrowaveAccess，WIMAX）技术的崛起，其为用户所提供的在20MHz的带宽下能提供高达70Mbps的峰值速率让3GPP感受到来自市场的巨大竞争压力。为了应对WIMAX带来的挑战，4G技术随之诞生。对比前几代LTE中的关键技术都有了相当大的提高。2第二章接入方式与多址方案2.1OFDMA技术【1】OFDMA和SC-FDMA技术为了在有限的宽带内传送更多更大的信息量，LTE通信标准中选取了OFDM技术和SC-FDMA技术作为LTE技术中的调制型技术。SC-FDMA技术是应用在上行的通信过程中的，是一种相对特定的优化的OFDMA技术，这种技术具有更低的峰值比可以提高用户终端产品在上行通信中的功能效率OFDMA技术的应用可以在多个正交子载波对高速数据流中进行分流，这样就降低了相同数据量在不同情况下需要的传输速率，增大单个符号的传输时间就可以增强LTE系统的实际抗干扰力，减小了信息通信数据之间的干扰效果。2.1.1OFDMA技术原理OFDMA：正交频分多址OrthogonalFrequencyDivisionMultipleAccess（OFDMA）：主要思想：将信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到在每个子信道上进行传输，然后在部分子载波上加载传输数据。OFDMA技术优点：频谱效率高，来源于正交传输；采用CP回避用户间干扰，频谱效率高。OFDMA技术克服的是由于多径效应产生的频率选择性衰弱。图2-1图2-232.1.2OFDM系统参数分析与设计图2-3图2-4由上图分析表明：采用IFFT产生OFDM信号决定了：子载波间隔△f=1/T（T为OFDM符号周期）。△f不能太小：必须能容忍一定车速下的多普勒频移动效应，起到分隔干扰效果。△f不能太大：T过小，则对应CP开销过大，增加系统负担。典型△f值：10-20kHZ，LTE实际经验建议值:15kHZ（符号长度66.67us）。CP不能太小：必须能覆盖主要多径的时延扩展，容忍一定的定时误差。CP不能太大：信令开销限制了CP不能无限扩大。CP可以采用多个选项：LTE：常规CP:4.687ms扩展CP:16.67ms超长CP:33.33。2.2SC-FDMA技术【2】2.2.1SC-FDMA技术原理SC-FDMA（Single-carrierFrequency-DivisionMultipleAccess，单载波频分多址），是LTE推荐的上行链路多址技术。SC-FDMA产生方法：是在OFDM的IFFT调制之前对信号进行DFT扩展,SC-FDMA由于采用单载波的方式，与OFDMA相比之下具有较低的PAPR（峰值/平均功率比，peak-to-averagepowerratio），比多载波的PAPR低1-3dB左右。较低的PAPR可以使手机終降低硬件集成度门槛，减少突发性的高功耗硬件，进而可以延长手机电池的使用时间。4图2-52.2.2SC-FDMA、OFDMA技术对比及联合采用SC-FDMA和OFDMA在传输性能方面，无论编码方式是QPSK还是16QAM，都有比较接近的曲线.上图可以看出：SC-FDMA能对于单用户获得低PAPR的效果。SC-FDMA特别适合单用户的情况下进行传输，此时的SC-FDMA的PAPR远低于OFDMA技术的，所以SC-FD-MA是特别为上行链路量身定制的LTE关键技术，能提高终端电池使用时间。第三章自适应调制编码技术【3】自适应调制编码（AdaptiveModulationandCoding，AMC）技术[1]就是根据信道条件的变化，动态地选择适当的调制和编码方式（ModulationandCodingScheme，MCS），变化的周期为一个传输时间间隔（TransmissionTimeInterval，TTI）。将自适应调制编码技术运用于LTE系统中，可以在保证系统误码率或者误帧率前提下，获得较高的系统吞吐量，从而提高了系统的频谱利用率。自适应技术在OFDM系统中的实现OFDM系统中的自适应技术，其实现过程可分为以下3步：3.1信道估计自适应技术根据时变信道的变化情况，改变下一个信号帧（或时隙）的发送参数，因此首先需要对时变信道的质量进行估计，得到信道状态信息（CSI）。信道的5状态信息可以由多种参数来表征，最常用的信道状态