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1、,4G/B3G移动通信,物理层传输关键技术,山东大学,杜岩,3G的背景 3G概念始于1980年代初，1985到1990年概念明确下来，标准完成于2000年 信道射频带宽：5MHz 3G的目标,室内：2Mbps室外步行：384Kbps城区车速：144Kbps频谱效率1bps/Hz,3G的背景,3G的尴尬局面：前有埋伏，后有追兵,埋伏：4G的概念始于90年代末，2002年至今，概念与目标逐步明确。现已有许多重要进展；一些被认为是4G的技术（如WLAN，WMAN）已开始应用，特别是最近WiMax联盟提出的WMAN的移动计划和IEEE 802.20（MBWA，移动宽带无线接入)如取得成功将对3G形成强
2、大的冲击。,追兵：2G的增强版（GPRS，EDGE等）许多功能接,近3G,GPRS的最高速率可以达到171.2Kbps，EDGE甚至可以高,达554Kbps,3G的背景,许多学者预言：3G将是短命的一代！,3G的目标制定的太低,3G可提供给用户的业务，2G的增强版基本,都可以提供,许多国家，包括一些发达国家，计划跨过,3G，直接采用4G,3G是一个专利“地雷阵”,4G的目标,传输速率,室内：100Mbps-1Gbps,室外步行：数10至数100Mbps 车速：数10Mbps,信道射频带宽：数10MHz,一般认为应该在20MHz到50MHz之间。,频谱效率,几到数10bps/Hz,4G的目标,通
3、信业务,移动多媒体，包括移动过程中的HDTV,（IPTV）,移动过程中的视频、音频：视频电话、聊天 互动多媒体游戏、网络游戏 高速数据通信,以上业务，3G大多不能提供！,4G网络,异构互连网,基于IP的核心网 移动IPv6,多模式终端,4G的挑战,信道：频率选择性/时间选择性衰落（1）,频率选择性衰落,由于信号的多径传播引起不同信道频率处的增益不同（可达数十dB），表现在时域上为符号间干扰，可达数十甚至数百个符号，时域均衡是的复杂性是不可接收的,OFDM可以很好的对付频率选择性衰落,4G的挑战,信道：频率选择性/时间选择性衰落（2）,时间选择性衰落,由于信道的时变引起，表现为不同时间接收到的,
4、信号强度不同，变化范围可达到数10dB 目前有一些技术对付时间选择性衰落,对于频率选择性时间选择性衰落的双选择性信道，目前还没有有效的应对技术公开发表。,我们提出的一个框架，可以有效对付双选择,性！目前在国内外文献上还找不到对手！,0,200,400,600,0,100,200,时间/频率双选择性信道仿真图43210300,Tim e,F requenc y,4G的挑战,射频放大器：,信号的高PAPR要求大线性动态范围放大器 宽带,高速D/A、A/D转换器,带宽大，抽样率要求就高，软件无线电技术的采用更加剧了,这个问题,高速数字信号处理器,现代通信发射接收机的许多工作由数字信号处理器完成，高,
5、速通信的数据处理量特别大,高效率数字信号处理算法,高效率（计算量、存储量）的（通信）数字信号处理算法是,现代通信的最核心技术,4G物理层传输关键技术,多天线技术,包括MIMO、智能天线、发射、接收机的多天,线分集接收,分块传输技术,正交频分复用（OFDM）技术,单载波频域均衡（SC-FDE）技术（称为OTDM,比较好）,软件无线电（SDR）技术 接入技术,关键技术MIMO,MIMO（Multiple Input Multiple Output）,模型,图,关键技术MIMO,MIMO信道容量,随发射、接收天线的较小者线性增长（在不,增加信噪比的条件下）,假设：足够多的多径环境、时延扩展可,忽略,
6、Rich Scattering Environment,窄带技术,关键技术MIMO,信道容量的利用,BLAST：提高频谱效率,2000年前后，Foschini小组用30Khz的射频带宽，采用MIMO技术得到了1Mbps的传输速率（实际实验结果）,关键技术MIMO,x1,x,x,关键技术MIMO 信道容量利用 空时码（Space-Time Coding）：提高功率效率 发射机发射的符号在空间（天线）和时间（帧）上都不是独立的，即有相互约束。这种约束是通过编码引入的。例如：Alamouti Space-Time Coding编码矩阵：,*2*1,X=x2,编码框图,关键技术MIMO,关键技术MIM
7、O,MIMO对工作环境的要求特别高,丰富多径假设不成立的情况,信道有相关性：信道容量减小,有直射路径的情况,信道降秩：信道容量锐减,关键技术MIMO,MIMO实际上是一种窄带传输技术,仅靠MIMO技术能支持的传输速率不可能太高（数Mbps就相当困难了），要进一步通过传输速率，必须增加带宽。但又要满足MIMO的时延扩展可忽略的假设，这要求MIMO必须结合其他技术,可以结合的技术：OFDM，时域均衡，OTDM,MIMO实现太复杂，结合上以上技术后,更加复杂,关键技术OFDM OFDM系统框图,信 源,映 射,IFFT,加CP,D/A,射频调制,均 衡,解映射,FFT,去CP,A/D,射频解调,信道
8、,关键技术OFDM 优点（1）抗多径能力强 频谱效率高,OFDM子载波间隔OFDM子信道频谱主瓣,普通FDM子载波间隔保护间隔普通FDM系统子信道频谱主瓣,关键技术OFDM,优点（2）,实现简单,FFT实现：调制解调都由(I)DFT实现（FFT是,DFT的快速算法）,有成熟的自适应技术 易与其他技术结合,MIMO+OFDM MC-CDMA,Frequency Response,Frequency Response,关键技术OFDM 优点（3）多径环境中均衡容易实现 ZF均衡、MMSE均衡 均衡比较简单，单抽头的均衡器,频率选择性衰落信道Frequency,OFDM子信道Frequency,Re
9、al Part Amplitude,Real Part Amplitude,关键技术OFDM 缺点（1）PAPR过大（需要线性范围大的功率放大器）,0,50,100,150,200,250,0,7654321,Time,10,20,40,50,60,00,7654321,30Time,关键技术OFDM OFDM符号I支路信号功率统计特性,0,20,40,60,80,100,120,0,12108642,5x 10,Real Part Power,Real Part Power Distribution,-8,-6,-4,-2,0,2,4,6,8,10,-0.4-10,10.80.60.40.2
10、0-0.2,关键技术OFDM信号带宽,OFDM频域信号,缺点（2）带外辐射衰减慢,关键技术OFDM,缺点（3）,对频偏敏感,即OFDM的频率载波同步问题，我们已经提出了低代价解决方法，并已公开发表,关键技术MIMO+OFDM,基本思想,利用OFDM将宽带信道转化成若干个平坦的,窄带子信道,利用MIMO多天线技术在每一个窄带平坦子,信道上获得巨大信道容量,关键技术MIMO+OFDM,关键技术,信道估计,要估计的信道参数太多，一般要用发训练帧的方式,估计信道，而且各天线一般不能同时发训练帧,检测顺序的确定,其实普通MIMO中就有这个问题，这里更加复杂,关键技术MIMO+OFDM,主要优点,频谱效率
11、高,可以轻易达到10bps/Hz以上,极高速无线传输,可以支持高达1Gbps的传输速率（2002年Foschini小组利用一个812系统，在射频带宽为75MHz的条件下实现了1Gbps的传输）,关键技术MIMOOFDM,主要缺点,对环境要求太高,要求丰富多径，而且比较怕直射路径能量明显大的情况，,基本只有室内才能满足,技术太复杂,信道估计和检测算法的计算量都特别大,支持移动十分有限,移动起来信道估计压力太大，往往信道估计过程还没有完成，信道就已经变化了，而且移动过程中难以保持丰富多径的要求,关键技术OTDM,OTDM和SC-FDE,OTDM：Orthogonal Time Division M
12、ultiplexing正交时分复用（根据与OFDM对偶的观点，我,们首先提出此名字，2003年）,SC-FDE：Single Carrier with Frequency DomainEqualization（1994年Sari提出该系统并以此命名）单载波频域均衡,关键技术OTDM 系统框图,信 源,映 射,加CP,D/A,射频调制,均 衡,解映射,FFT,去CP,A/D,射频解调,信道,IFFT,关键技术OTDM,优点,抗多径能力强,频谱效率高（与OFDM类似，甚至稍高）没有PAPR 带外辐射小 实现简单,自适应技术！,关键技术OTDM,频域均衡,接收端FFT变换到频域进行均衡 ZF均衡,信
13、道存在深衰点时，容易过分放大噪声，系,统误码率过高 MMSE均衡,使信号产生畸变，系统误码率也不会太低,关键技术OTDM,与其他技术结合,CP-CDMA,CP-DS-CDMA,MIMO+OTDM：检测算法比MIMO+OFDM,复杂，特别是天线数比较多时,OTDM智能天线：发射机，简单易实现 OTDM分集接收：接收机，简单易实现,关键技术OTDM,自适应技术,发射端CSI（信道状态信息）的利用,基于最优信号子空间的方法。已申请专利。,利用部分/全部CSI方便、充分,Bit-Loading，功率控制。已申请专利3项。,城区移动信道中的自适应技术：正在申请专,利（34项）,与CDMA结合的自适应技术
14、：正在申请专利,（2项）。,关键技术OTDM 自适应OTDM系统框图,信 源,映 射,加CP,D/A,射频调制,均 衡,解映射,去CP,A/D,射频解调,信道,IFFT,信号变换,反向信道形成自适应调制信息,FFT,信号反变换,没有同步误差没有考虑回传信息的延迟误差信道为估计信道(有估计误差)信号(射频)带宽：11MHz,城区移动环境中自适应OTDM技术 仿真条件：256子信道，CP64，调制方式QPSK,仿真结果：COST207(12径 TU信道),城区移动环境中自适应OTDM技术,仿真结果：COST207(12径 TU信道),城区移动环境中自适应OTDM技术,仿真结果：COST207(12
15、径 TU信道),城区移动环境中自适应OTDM技术,仿真结果：IMT2000 车速 Channel A,城区移动环境中自适应OTDM技术,仿真结果：IMT2000 车速 Channel A,城区移动环境中自适应OTDM技术,仿真结果：IMT2000 车速 Channel A,城区移动环境中自适应OTDM技术,关键技术智能天线（SA),来源于军用的相控阵雷达技术 基本思想,发射机采用多个独立的发射天线，发射携带相同信息但幅度和相位有差别的信号，使叠加出的电磁波具有很好的方向性,接收机采用多个独立的发射天线，增强期望方向的接收灵敏度，抑制非期望方向的信号,关键技术智能天线（SA),示意图,关键技术智
16、能天线,关键技术,天线阵的结构及设计,确定加权因子的算法（阵列处理算法）,发射端：形成窄波束,接收端：抑制非期望方向的信号,DOA（波达方向）估计方法,关键技术SA+OTDM,该框架是我们提出的！基本思想,利用智能天线（SA）形成方向性很强的波束，将空间划分成若干个扇区，不同扇区的用户进行空分复用，提高系统用户容量,利用自适应OTDM可以在双选,择性信道中选“好路”走的特点，有效利用信道状态信息（CSI),关键技术SA+OTDM,关键技术,智能天线的自适应波束形成 接收天线的自适应干扰抑制 OTDM的自适应调制技术,基础专利目前都在我们手中，该方向是我们开拓,的，目前还没有其他小组做这方面的研
17、究！,关键技术SA+OTDM,主要优点（1）,可以支持高达数10Mbps至150Mbps的速率,依赖信号强度、信道带宽和用户数,室外足够大的用户容量,空分复用也是用空间资源换频谱资源的技术 OTDM本身的频谱效率比较高（与OFDM相同甚,至稍高）,能有效支持移动,SA的自适应算法支持移动没问题 OTDM支持移动的工作是我们开拓的,关键技术SA+OTDM,主要优点（2）,实现简单,SA的自适应算法和OTDM的自适应调制技术主要的工作也是计算，但计算复杂性比MIMO+OFDM不在同一层次,OTDM没用PAPR问题，适合室外移动通信终端,室外环境适应能力强,不怕多径干扰，也不怕有直射路径（有直射路径
18、更,好），信道估计简单,关键技术SA+OTDM,主要缺点,支持200Mbps以上的速率比较困难（需要信,噪比太高或带宽太宽）,室内环境中（丰富多径环境）SA自适应算,法复杂，效果降低,关键技术接入技术,FDMA：频域划分：需要保护频带TDMA：时域划分：需要保护时间CDMA：码字划分OFDMAOTDMA？SDMA：空间划分,依赖于智能天线 CSMA/CA：载波侦听/碰撞回避 ALOHA,关键技术接入技术,CDMA下行链路,可以用正交码：没有用户间干扰 用伪随机码：获得软容量,比FDMA、TDMA有明显大的容量，技术也,不太复杂,信道估计不很方便：一般信噪比太低,难以支持多用户高速通信（移动几十
19、Mbps）,关键技术接入技术,CDMA上行链路,技术复杂,即使正交码也不能消除多址干扰 需要复杂的功率控制技术,多用户检测技术虽然理论上可行，实现复杂性太,高，还依赖于较好的信道估计,信道估计比较下行链路更加困难,难以支持移动高速通信（几十Mbps）,上行链路采用CDMA明智吗？,关键技术软件无线电（SDR),技术背景,新技术不断涌现，新技术的生命周期变短 多模式终端,基本思想,调制解调尽可能采用数字信号处理技术，用,软件实现，升级方便、多模式切换方便,A/D、D/A转换尽可能靠近射频端,关键技术SDR,关键技术,高速、高精度A/D、D/A转换器 高速可编程处理器,有效的算法：算法（软件）是S
20、DR技术的灵,魂,关键技术SDR,4G中的应用,框架模式切换,OFDM与OTDM的切换,MIMO+OFDM与SA+OTDM的切换,调制方式切换,2PSK、QPSK、16QAM、64QAM,模块升级,信道估计算法 同步算法,纠错编码模块,关键技术SDR,4G中的应用,同样的天线、射频模块利用SDR技术可以在MIMO+OFDM和SA+OTDM模式之间切换！,结论,室内环境条件下MIMO+OFDM将是4G的,支撑技术,高达1Gbps的传输速率；,频谱效率可以到几十bps/Hz；,室内环境中SA技术复杂性高，优势不明,显；,这种框架难以支持宽带移动通信。适合室内高速（100Mbps以上）,结论,室外移动、特别是城区车速移动环境条件下，,SA+OTDM是很有希望的技术,在城区车速移动条件下，目前还没有公开报导的支持高速通信（数10Mbps）的技术，自适应OTDM是我们认为最有希望的技术,SA+OTDM技术复杂性低、适应性强，可以高效支,持宽带移动通信,室内高速（100Mbps以上），SA+OTDM分集接,收框架相比MIMOOFDM框架没有优势,室内中速（几十Mbps）：自适应OTDM有优势,结论,在4G中，MIMO+OFDM与SA+OTDM是,互补关系，而非竞争关系,软件无线电技术将成为4G的支撑技术,多模式终端的支撑技术 升级方便 通用性好,
