第一章通信系统演进介绍教学提纲.ppt

单击此处编辑母版标题样式n单击此处编辑母版副标题样式*1数字无线传输宽带无线与多媒体中心王德胜2011第1章 概论1.1 引言 移动通信已成为当代通信领域内发展潜力最大、市场前景最广的热点技术，移动通信用户的增长远远超过了人们的预期，未来的无线便携终端数量会超过目前计算机联网的数量，其业务也从面向语音通信转变为面向多媒体数据通信 Date2展望高频谱效率高功率效率高性价比高质量的服务体系：扁平、透明、按需区分服务Date3European research on 3G started in 1989 within the RACE I program and 1991 in RACE IIEuropean research on systems beyond 3Gstarted in 1999 within the IST program1980s1980s1990s1990s2000s2000s2010s2010s1G+1G+1G1G2G+2G+2G2G3G+3G+3G3GBeyond 3G+Beyond 3G+Beyond 3GBeyond 3GAnalogWideband Digital?DigitalEuropean research on 3G continuedin 1995 within the ACTS programFramework Program 6 on future systemsfullcommercialdeploymenttrialsstandardisationresearchEvolution of mobile communication systemsDate5Wireless data already be introduced in second generation mobileFirst GenerationAnalogueCircuit switchedBasic voice telephonyLow capacityLimited local and regional coverageSecond Generation Digital Circuit switched Voice plus basic data applications Low data speed Enhancements towardspacket switchinghigher data rates Trans-national and global roamingDigitalPacket and circuit switchedAdvanced data (multimedia) applicationsFast data accessGlobal coverageGlobal roamingThird GenerationBeyond ThirdGenerationDigitalPacket switchedAll IP based (IPv6)More advanced multimedia applicationsUser in controlFlexible platform of complementary access systemsHigh speed dataImproved QoSGlobal coverageGlobal roaming5.1.3 Paradigm shift from 1st generation towards beyond 3GDate6Date7一体化网络架构Wi-Fi (WaveLAN)Radio HubCable, xDSL, V9010/100-BaseTWireless LANBluetoothWireless PANMultimedia &MessagingServer integrated voice and data video postcards in-call image up/download codec converter bandwidth manager store & forward playbackContentMicroBSBTSUMTS/GSMCDMA2000Wireless Backbone and GatewaysLocation ServicesIP NetworkDate8Drivers of 3G Beyond3G evolution but difficult lto extend to higher data rate with CDMA only technology;lto provide various services with different QoSlto have enough frequency resource to accommodate more subscribersn DrawbacklLow system capacitylLow spectrum efficiency02519981999200020015075100125150Tbit/dayReal Time(e.g. Voice)Non Real Time(e.g. Internet access)MobileInternetUserMobileUser0200400600800100012001400160018001995200020052010Subscriptions (millions)MobileFixedMobile InternetFixed InternetDate9Drivers of 3G Beyond3G2GRevolution from subscriber service expectationsEvolution from 2G systemsIPRevolution from IP infrastructureand Beyond Date1005101520251999(Forecast by ITU-R TG-8/1 for Asia)2015(Extrapolation)UpDownUp DownUpDown63%23?5.4119.81030%15%28%8%3.40.50.591 %Multimedia (U:128k,D:10Mbps) (U:128k, D:2Mbps) (U:64k,D:384kbps) (U/D:128kbpsn)1G/2G servicesVoice (U/D: 16k, VOX0.5)Others (64 kbps)9 % Multimedia traffic increases 40%/year. 10Mbps downstream service emerges. Saturation of 1G/2G services traffic.Subscribers 1.5Voice : Multimedia traffic ratio 1 : 2 (in 2010)3.91.5Relative traffic value in bits (Ref: 1999)Year2010Sources: NTT DoCoMo亚洲地区通信网络发展趋势 Date11（1）4G系统要为用户提供高频谱效率、高可靠性的数据和语音服务，其空中接口应该能支持100Mbps以上的数据传输速率；（2）4G系统应该能有效支持全范围的多速率业务，并能满足用户对于服务质量的不同需求；（3）4G系统应该能够融合目前存在的多种无线接入技术，如无线局域网、Bluetooth、3G蜂窝系统等，使用户的终端设备能够在不同的制式之间透明地切换；（4）4G系统需要支持个性化服务等等。

4G网络的主要需求Date12interconnectionIMT-2000低高1101001000峰值用户速率(Mb/s)EnhancedIMT-2000EnhancementIMT-2000移动性1101001000Area Wireless AccessEnhancedIMT-2000EnhancementDigital Broadcast SystemsNomadic / Local Area Access SystemsNew Nomadic / Local超3G超3G的新能力New Mobile AccessDate13移动无线通信的推进Date141.3 影响无线通信的关键因素 移动时变无线信道的时间选择性、频率选择性衰落以及功率与带宽受限特性构成了阻碍实现高速无线传输的几个主要因素，相应地，对这些不利条件的克服以实现高速、高性能的数字传输则构成了当前移动通信研究的主旋律，MIMO-OFDM技术作为下一代移动通信系统的架构受到广泛的关注目前普遍认为，MIMO与OFDM技术的结合能够有效地对抗上述不利因素Date15矛盾的解决思路 有效性、可靠性的矛盾统一 从信息论角度看，解决这种矛盾的方法主要是来自于挖掘各种各样的自由度，比如空域，时域，频域以及其它一些来自于系统建模得到的数据结构上的自由度。

这种自由度既可以被用来增加系统容量，扩展有效性；也可以被用来增加冗余改善链路质量，提高可靠性Date16在频域，时域等领域的自由度开发已经取得巨大进展的情况下，在传统的蜂窝移动通信系统中，空域的优势没能得到充分挖掘上个世纪90年代，Foschini和Telatar等人得出一个研究结论：在独立平坦衰落条件下，多入多出(Multiple-Input Multiple-Output，MIMO)多天线系统的信道容量将随发射和接收天线数而线性增加在此基础上，Bell实验室建立了著名的垂直分层空时码试验系统，在具有丰富发散的独立同分布瑞利(Rayleigh)平坦准静态(Qua衰落信道下，取得了高达2040bps/Hz的频谱利用率 MIMO与“空域”自由度的发挥Date17空分复用技术1996年，Bell实验室的Foschini提出D-BLAST系统1997年，Wolniansky、Foschini等人提出简化系统V-BLASTBLAST系统框图MIMO信号检测算法研究现状Date18 MIMO空时二维处理技术：发掘空分复用和空间分集自由度，发射机和接收机采用多元天线阵列结构，在发射端设计合适的空时码空分复用增益，在接收阵列设计接收信号处理算法，以提高数据传输率并（或）改善传输质量。

空间分集增益Date19MIMO技术在一定程度上可以利用传播中的多径分量，也就是说MIMO系统可以抗多径衰落，作为现代通信中对抗无线衰落、提高频谱效率的重要手段之一，它是编码、调制、通信信号处理、阵列处理等技术有机结合的产物，不需要额外的频谱资源和发送功率而显著提高无线系统的信道容量和传输可靠性Date20目前的MIMO空时系统研究中，大多是基于独立同分布平坦瑞利衰落信道假设展开的，并已取得了长足进步在实际的无线通信环境中，与不同天线对应的信道通常呈现一定的相关性，这种相关性会造成系统性能的下降，削弱多天线结构带来的好处，降低系统性能，如何针对相关衰落的信道特点和统计特性，克服相关衰落的影响，改进系统的性能具有非常重要的理论和实践意义Date21OFDM在频谱效率方面发挥优势Date22OFDM技术是一种并行的传输技术，它利用许多并行频率正交的、低传输速率的数据子载波来实现高数据速率的通信，由于每个码元相对持续时间较长，以及OFDM符号的循环前缀，符号间的干扰可以有效的消除，OFDM技术以其频谱效率高、均衡简单、频率资源分配灵活等优点而在过去的十几年间受到了广泛的研究与应用 OFDM在频谱效率方面发挥优势Date23OFDM技术主要有以下优点：1）OFDM是抗多径的有效方法。

多径通常表现在时域信号中，而OFDM处理的是频域中的信号，因而能够抵抗多径干扰，具有较强的抗信道频率选择性衰落的性能； 2）OFDM将信道划分为若干子信道，而每个子信道内部可以认为是平坦衰落的，这是OFDM得以应用的根本性条件根据每个所划分。