下一代移动通信(完成)

LOGO下一代移动通信（4G）—第六小组LOGO下一代移动通信（4G）的基本概念和要求4G的相关技术标准移动通信未来的发展方向LOGO随着对带宽的需求的增加，通信技术的发展一度出现2.5G和2.75G的中间过渡代。当3G移动业务刚刚迈出脚步，就出现了支持语音、数据和视频三种格式的传输技术高速下行链路分组接入技术。与此同时，真正意义上的宽带数据速率标准4G概念也开始出现，它包括宽带无线固定接入、宽带无线局域网、移动宽带系统、互操作的广播网络和卫星系统等，将是多功能集成的宽带移动通信系统，可以提供的数据传输速率高达100Mbit/s甚至更高，也是宽带接入IP系统。简单而言，4G是一种超高速无线网络，一种不需要电缆的信息超级高速公路。这种新网络可使电话用户以无线形式实现全方位虚拟连接。4G最突出的特点之一，就是网路传输速率达到了前所未有的100Mbit/s，完全能够满足用户的上网需求。4G系统总的技术目标和特点可以概括为：系统应具有更高的数据率、更好的业务质量(QoS)、更高的频谱利用率、更高的安全性、更高的智能性、更高的传输质量、更高的灵活性;4G系统应能支持非对称性业务，并能支持多种业务;4G系统应体现移动与无线接入网和IP网络不断融合的发展趋势。以下从不同的角度讨论4G系统的要求。4G的基本概念和要求LOGO从网络角度统一的移动性和安全性管理，要求考虑不同网络对等实体的交互。主要解决的问题是漫游时会话的不间断性和服务的流动性，目前已经出现一些解决方案来完成此项功能，如移动IP技术和会话初始协议(SIP)。端到端的QoS协商支持，涉及到网络层及以上的互联网协议体系。3GPP起草了UMTS网络的综合QoS架构，现在正致力于通用的QoS架构的研究。采用中介服务器进行用户认证、授权和计费。随着IP网络的发展，运营商需要必需为上千并发用户经由不同技术同时接入网络提供AAA服务，还必须能安全地支持跨网AAA服务，且应具有良好的扩展性，这就要求扩展现有AAA协议的功能。鉴此，IETF正着手开发下一代AAA协议，即Diameter协议。Diameter是一个轻型的对等式的AAA协议，采用了改进的重发机制，提高网络可靠性，同时还提供一种新的端到端的安全机制。下图示为Diameter新引入的中介服务器向漫游用户提供AAA服务。采用中介服务器可以减少访问网络代理服务器的配置工作量，网络扩展时只需要更新中介服务器的配置，有利于提高协议的可扩展性。4G的基本概念和要求LOGO4G的基本概念和要求LOGO从终端角度支持多种通信模式，具有适应能力和重配置能力。终端可以通过自身的重配置来改变接入方式，开放式的软件无线电架构和标准化环境为此提供可能。软件无线电使得系统具有灵活性和适应性，能够适应不同的网络和空中接口。软件无线电技术能支持采用不同空中接口的多模式手机和基站，能实现各种应用的可变QoS。软件无线电技术有助于不同标准和系统的融合。采用软件无线电实现的基站可同时为多个网络服务;当终端移动时，可重新配置，如当移动终端移动到一个采用不同标准的移动系统中时，终端可按照该系统的标准重新自动配置该终端。ABC连接。ABC(AlwaysBestConnected)使终端在不同无线接入网中实现无缝切换，通过给每个用户提供最合适的服务来达到整个网络的最优性能和资源利用率。实现ABC业务的关键技术在于接入网络的选择，影响接入网选择的QoS因子有：可达性、吞吐量、时间集、可靠性、安全性和成本。我们用X代表越小越好的因子集，如功率，误码率等，用Y代表越大越好的因子集，如安全性，可靠性，吞吐量等。Sb代表大于门限值Ts才符合要求的元素集合，如带宽、覆盖面积，Ss代表小于门限值Tb才符合要求的元素集合，如抖动、时延。这样网络选择就可归结为基于约束的优化问题：4G的基本概念和要求LOGO-W1，W2是权重，用户可以通过改变形W1，W2和Ts，Tb的值来选择满足自己要求的接入网，从而实现个性化服务。-接入网的发现和选择。在GSM网中，基站通过周期性地广播信号到终端进行业务处理，但在4G异构网络中，如图2所示，由于不同的接入协议和无线技术，需要用到比较复杂的技术，这里提供两种参考方案：一种是使用软件无线电技术扫描可用网络;另一种是使用无线广播信道广播终端用户所能到达的接入网。4G的基本概念和要求LOGO从用户角度用户信息管理。在ABC服务中，需要考虑用户的参数选择来决定网络的选择。通过广播自己的配置参数，用户可以接入相同的无线广播信道并发现可达接入网。单识别机制。每个用户分配一个独立于终端和接入网的唯一标识码和动态的移动IP地址，并且运用动态的移动IP地址管理架构方便内部用户交互式地实时通信管理。4G的基本概念和要求LOGO从业务角度在有限的接入网和终端资源条件下，业务相对于接入网和终端的适应性以及复杂环境中的业务部署和实施，需要充分利用终端和基础网络的可配置性，才可以使资源利用率达到最优。可以使用相同的无线广播信道，完成接入网的业务广播和检测功能。这样做有利于业务的快速建立，保证业务连续性和ABS(AlwaysBestService)。根据前面提到的ABC技术，网络总是能给用户提供一个在相对区域范围内的最好服务。4G的基本概念和要求LOGO4G的IP网络架构在4G中网络的设计架构将会简化。对于基于IP网络的宽带无线接入，可以有两种设计架构：一种是全IP网络架构。在这种网络设计模型中，基站不仅可以具有信号的物理传输功能，还可以对无线资源进行管理，扮演接入路由器的功能，缺点是会引入较大的开销，尤其是在移动终端进行切换时对移动IP地址进行的配置的过程。4G的基本概念和要求LOGO另一种是基于子网的IP架构，如图4所示，其中几个相邻基站组成子网接入基于IP接入网的路由器。这时，基站和接入路由器分别负责管理第二层和第三层的协议，当用户在相邻基站间发生切换时，只涉及到第二层的切换协议，不需要改变第三层的移动IP的地址。表1是两种网络的比较。4G的基本概念和要求LOGO4G的基本概念和要求两种构架的比较LOGO下一代移动通信（4G）中的关键技术LOGOOFDM技术智能天线软件无线电MIMO技术基于IP的核心网LOGO正交频分复用（OFDM）技术OFDM的特点为了提高频率利用率和增大传输速率，各路子载波的已调信号频谱有部分重叠；各路已调信号是严格正交的，以便接收端能完全地分离各路信号；每路子载波的调制是多进制调制；每路子载波的调制制度可以不同，根据各个子载波处信道特性的优劣不同采用不同的体制。并且可以自适应地改变调制体制以适应信道特性的变化。对信道产生的频率偏移和相位噪声很敏感；信号峰值功率和平均功率的比值较大，这将会降低射频功率放大器的效率。LOGO正交频分复用（OFDM）技术正交频分复用(OFDM)的基本原理—OFDM的基本原理是将高速的数据流分解为多路并行的低速数据流，在多个载波上同时进行传输。对于低速并行的子载波而言，由于符号周期展宽，多径效应造成的时延扩展相对变小。当每个OFDM符号中插入定的保护时间后，码间干扰几乎就可以忽略。表示式设在一个OFDM系统中有N个子信道，每个子信道采用的子载波为式中，Bk－第k路子载波的振幅，它受基带码元的调制fk－第k路子载波的频率k－第k路子载波的初始相位1,,1,0)2cos()(NktfBtxkkkkLOGO正交频分复用（OFDM）技术则在此系统中的N路子信号之和可以表示为上式可以改写成式中，Bk是一个复数，为第k路子信道中的复输入数据。因此，上式右端是一个复函数。但是，物理信号s(t)是实函数。所以若希望用上式的形式表示一个实函数，式中的输入复数据Bk应该使上式右端的虚部等于零。102)(NktfjkkketsB1010)2cos()()(NkkkkNkktfBtxts＝LOGOOFDM信号的产生–码元分组：先将输入码元序列分成帧，每帧中有F个码元，即有F比特。然后将此F比特分成N组，每组中的比特数可以不同，如下图所示。图8-165码元的分组tttB0B1B2B3BN-1F比特F比特F比特帧tB0B1BNb0比特b1比特b3比特b2Tf………………Ts正交频分复用（OFDM）技术LOGOOFDM调制原理方框图分帧分组串/并变换编码映射......IDFT...并/串变换D/A变换上变频OFDM信号二进制输入信号正交频分复用（OFDM）技术LOGO正交频分复用（OFDM）技术OFDM收发信机结构LOGO智能天线智能天线的基本概念:智能天线利用数字信号处理(DSP)技术，在空间产生指向性波束，使阵列主瓣对准用户信号到达方向，旁瓣或零陷对准干扰信号到达方向，从而可以高效地利用移动用户信号的空域信息最大化接收期望信号并删除或抑制干扰信号的目的。智能天线的分类智能天线分为两大类：多波束天线与自适应天线阵列。1.多波束天线利用多个并行波束覆盖整个用户区，每个波束的指向是固定的，波束宽度也随天线元数目而确定。。当用户在小区中移动时，基站在不同的相应波束中进行选择，使接收信号最强。因为用户信号并不一定在波束中心，当用户位于波束边缘及干扰信号位于波束中央时，接收效果最差，所以多波束天线不能实现信号最佳接收，一般只用作接收天线。2.自适应天线阵列一般采用天线阵元结构，阵元间距为半个波长。天线阵元分布方式有直线型、圆环型和平面型。自适应天线阵列是智能天线的主要类型，可以完成用户信号接收和发送。自适应天线阵列系统采用数字信号处理技术识别用户信号到达方向，并在此方向形成天线主波束。LOGO智能天线3.与自适应天线阵列相比，多波束天线具有结构简单、无须判定用户信号到达方向的优点。智能天线具有如下技术优势：抗衰落，减少多径效应：采用智能天线控制接收方向，天线能自适应地在用户方向形成波束，并对接收到的信号进行自适应加权处理，使有用接收信号的增益最大，延迟波方向的增益最小，减小了信号衰落的影响。抗干扰：抗干扰技术的实质是空间域滤波。智能天线波束具有方向性，可区别不同入射角的无线电波，可调整控制天线阵单元的激励“权值”。智能天线的调整方式与具有时域滤波特性的自适应均衡器类似，可以自适应电波传播环境的变化，优化天线阵列方向图，将天线“零点”自动对准干扰方向，大大提高阵列的输出信噪比，提高系统可靠性。增加系统容量：自适应阵列天线另外一个好处是增加系统容量。首先，由于自适应阵列天线波束变窄，提高了天线增益及载干比(CIR)指标，减少了移动通信系统的同频干扰，降低了频率复用系数，提高了频谱利用效率。LOGO增加基站覆盖面积：采用自适应阵列天线的基站由于改进了系统CIR和信干噪比（SINR）指标，同时对单个或某组用户的覆盖定向增强，可以大大提高蜂窝小区的覆盖面积，并使基站之间的距离可以更远。提高频谱利用效率：由于使用了自适应智能天线技术，基站通过上行信息分析每个用户及干扰源的位置，为每个用户波束赋形，以增强用户的信号增益，同时最大限度地降低对其他用户的干扰。这样，网络的频率复用模式可以从传统的（7,3）复用，改为（4,3）复用，甚至（1,3）复用，频率的复用距离可以缩短1倍或缩短数倍，且网络的服务质量不变。在此基础上，SDMA技术的应用，可以使得系统增加多达1倍的空分信道，使系统的总容量产生成倍的增加。提高通信的安全性：通信技术中，在整个小区内都可以拦截用户的空中接口无线信号。由于自适应无线技术对某个特定用户形成的波束方向性很强，且可以跟随用户移动，这样就提高了窃听的难度，使采用自适应阵列无线技术后，通信的安全性得到大大增强。智能天线LOGO实现移动台定位业务：在移动通信中，如果基站采用智能天线阵，一旦收到信号，即可对每个天线元所连接收机产生的响应作相应处理，获得该信号的空间特征矢量及矩阵，由此获得信号的功率估值和到达方向，从而计算出用户终端的方位。智能天线LOGO软件无线电软件无线电的基本概念：软件无线电(SWR)是指一种全部