毕业论文—第四代移动通信及发展趋势预测.doc

毕业设计（论文）课题:第四代移动通信及发展趋势预测学生:XXXXX 系部: 通信工程系班级:XXXX 学号: XXXXXXXX指导教师:XXXXX装订交卷日期 装订顺序: （1）封面（2）毕业设计（论文）成绩评定记录（3）标题、中文摘要及关键词（4）正文（5）附录（6）参考文献 毕业设计（论文）成绩评定记录表指导教师评语（包含学生在毕业实习期间的表现）:成绩（平时成绩）: 指导教师签名：年 月 日评阅教师评语：成绩（评阅成绩）: 指导教师签名：年 月 日答辩情况记录:答辩成绩:答辩委员会主任(或答辩教师小组组长)签名:年 月 日总评成绩:注：1.此表适用于参加毕业答辩学生的毕业设计（论文）成绩评定；2.平时成绩占20%、卷面评阅成绩占50%、答辩成绩占30%，在上面的评分表中，可分别按20分、50分、30分来量化评分，三项相加所得总分即为总评成绩，总评成绩请转换为优秀、良好、中等、及格、不及格五等级计分。毕业设计（论文）成绩评定记录表指导教师评语（包含学生在毕业实习期间的表现）:成绩（平时成绩）: 指导教师签名：年 月 日评阅教师评语：成绩（评阅成绩）: 指导教师签名：年 月 日总评成绩:注：1.此表适用于不参加毕业答辩学生的毕业设计（论文）成绩评定；2.平时成绩占40%、卷面评阅成绩占60%，在上面的评分表中，可分别按40分、60分来量化评分，二项相加所得总分即为总评成绩，总评成绩请转换为优秀、良好、中等、及格、不及格五等级计分。教务处制毕 业 论 文第四代移动通信及发展趋势预测学 生：XXXX指导教师：XXXXXXXXXX学院通信工程系二O一一年四月Paper of graduatedFourth Generation Mobile Communication and Development TrendsStudent: XXXXXXSupervisor: XXXXXXTelecommunication Engineering Dept.XXXXXXXXXXXXXXXXXXXApril 2011摘 要移动通信技术在现代人们的生活中起到了越来越重要的作用，改变了人们的生活方式,在通信技术和计算机技术的融合，使通信技术的发展日新月异。本文首先介绍移动通信的概念。然后讲述了移动通信的发展历程，介绍了第四代移动通信产生的背景及技术特点，主要技术、性能指标和关键技术等，以及第四代移动通信国内外的发展态势。而第四代移动通信技术还不够成熟，但是它是不可忽视的，可能在未来它会给我们的生活带来又一次的革新。不管怎样，这些技术在正以惊人速度发展，特别是第四代移动通信系统将会给人们带来很大的方便和无穷的利益。关键词：第四代移动通信 （4G）、移动通信技术、OFDM目 录中文摘要I1 绪 论11.1 移动通信的概念11.2 本文主要内容和结构安排12 移动通信发展史22.1 第一代模拟移动通信系统22.2 第二代数字移动通信系统32.3 第三代移动通信系统32.4 我国移动通信发展史43 第四代移动通信概述6 3.1 第四代移动通信产生的背景63.2 第四代移动通信的概念73.3 第四代移动通信的特点73.4 第四代移动通信的网络结构83.5第四代移动通信的接入系统和软件系统103.5.1 第四代移动通信的接入系统103.5.2 第四代移动通信的软件系统113.6第四代移动通信的关键技术113.6.1 OFDM技术113.6.2 软件无线电技术143.6.3 智能天线153.6.4多处天线（MIMO）技术153.6.5 IPv6技术174 第四代移动通信国内外发展态势194.1 国外发展态势及状况194.2 国内发展现状205 对第四代移动通信的思考和展望22 5.1 对第四代移动通信的思考22 5.2 对第四代移动通信的展望226 总结24致 谢25参考文献261 绪 论1.1 移动通信的概念所谓移动通信是指移动体之间或移动体与固定体之间的通信。移动通信可以说从无线电通信发明之日就产生了。1897年，M.G马可尼所完成的无线通信试验就是在固定站与一艘拖船之间进行的，距离为18海里。移动通信的最终目标是通信个人化，简称为5W，即无论任何人(Whoever)，在任何时候(Whenever)和任何地方(Wherever)，都能自由地与世界上其他任何人(Whomever)进行任何情势(Whatever)的通讯。又随着电子技术的发展，特别是半导体、集成电路和计算机技术的发展，世界电信发生了巨大的变化，移动通信特别是蜂窝小区的迅速发展，使用户彻底摆脱终端设备的束缚，实现完整的个人移动性、可靠的传输手段和接续方式。随着其应用领域的扩大和对性能要求的提高，促使移动通信在技术上和理论上向更高水平发展。进入21世纪，移动通信已成为现代通信网中不可缺少并发展最快的通信方式之一。1.2 本文主要内容和结构安排本文的主要介绍了移动通信的概念，移动通信的发展史，及每个阶段的技术指标。主要介绍了第四代移动通信的产生背景，相关技术内容和特点，及国内外发展态势等。主要内容和结果如下：第一章为绪论。对移动通信的概念和移动通信的终极目标进行了介绍。第二章是移动通信发展史。本章主要介绍了移动通信产生的背景及发展史，和每个阶段的技术要求和特点。第三章为第四代移动通信概述。本章主要介绍了第四代移动通信的产生背景、第四代移动通信的概念及特点，以及第四代移动通信的网络结构、系统；和第四代移动通信所用的关键技术。第四章第四代移动通信国内外发展态势。本章主要介绍了第四代移动通信目前国内外的发展态势及发展趋势。第五章对第四代移动通信的思考和展望。本章主要介绍对于第四代移动通信的发展思考，和对未来的美好展望。第六章对本文主要的贡献和研究工作进行总结。2 移动通信发展史1864年，MAXWELL从理论上证明了电磁波的存在，这一理论在1876年被赫兹用电磁波辐射的实验证实。到1896年，意大利人马可尼首次用人造电磁波传递信息，并建立了第一座无线电发射和接收电台。无线通信已经走过了100多年的历史。现在意义上的无线通信的概念最早出现在20世纪40年代，无线电台在第二次世界大战中的广泛应用开创了移动通信的第一步。到20世纪70年代，美国贝尔实验室最早提出了蜂窝的概念，解决了频分复用的问题。80年代，大规模集成电路技术及计算机技术获得了突飞猛进的发展，长期困扰移动通信的终端小型化的问题得到了初步解决，给移动通信的发展打下了基础。于是，美国为了满足用户增长的需求，提出了建立在小区制上的第一个蜂窝移动通信系统先进移动电话系统(AMPS，Advanced Mobile Phone Service）。这也是世界上第一个现在意义的、商用的、能够满足随时随地通信的大容量移动通信系统。该系统在频分复用的技术上，解决了频谱资源受限的问题，并拥有更大的容量和更好的话音质量。在移动通信发展史上AMPS具有里程碑的意义。AMPS系统在北美商业上获得的巨大成功，有力的促进了蜂窝移动通信技术的研究和发展。随后，欧洲各国和日本都开发了自己的蜂窝移动通信网络，如欧洲的TACS(Total Access Communication System,完全接入通信系统)、北欧的NMT(Nordic Mobile Telephone System，北欧移动电话系统)和日本的NTT(Nippon Telegraph and Telephone,日本电报与电话系统)等。这些系统都是基于频分多址(FDMA)的模拟制式的系统，一般统称为第一代蜂窝移动通信系统，到目前为止已经出现了四代移动通信系统。2.1 第一代模拟移动通信系统第一代模拟移动系统主要建立在频分多址接入和蜂窝频分复用的理论基础上，在商业上取得了巨大的成功。但是，该系统主要问题是所支持的业务（主要是语音）单一、频谱效率低、保密性差等，特别是在欧洲，一个国家有一个自己的标准和体制，无法解决跨国家的漫游问题。模拟移动通信系统经过10余年的发展后，终于在20世纪90年代初逐步被先进的数字蜂窝移动通信系统所代替。这些系统均采用FDMA接入技术，在移动通信信道中传输调制模拟电话信号，所以它们具有很多相似的地方，但是并没有发展出一个全球的公用标准。各个国家和地区都选择了与其国情相适用的系统进行研究和无线网络配置，包括各个国家采用不同的通信频段。2.2 第二代数字移动通信系统 推动第二代移动通信发展的主要动力来源于欧洲，欧洲国家比较小，要解决标准和制式的统一才可能解决跨国家漫游。从20世纪80年代开始，欧洲就展开了数字蜂窝移动通信系统的研究，一般称其为第二代移动通信系统。它是随着超大规模集成电路和计算机技术的飞速发展，语音数字处理技术的成熟而发展起来的。1982年，欧洲邮电管理协会（CEPT）成立了移动通信特别小组（GSM），开发数字蜂窝式移动通信技术，即全球通移动通信系统（GSM:Global System for Mobile Communication）。1987年，GSM就泛欧数字蜂窝系统的GSM协议达成一致意见。1991年，GSM数字蜂窝移动通信系统在欧洲问世，紧接着以TDMA标准为基础的其它第二代数字蜂窝移动通信系统如DAMPS/JDC等也相继投入使用。同时以IS-95技术标准为基础的COMA上用系统已分别在香港、韩国等地区和国家投入使用，取得了良好的用户反应。第二代数字蜂窝移动通信系统最引人瞩目的优点之一就是抗干扰能力和潜在的大容量，也就是说，它可以在环境更为恶劣和需求量更大的地区使用。第二代移动通信在发展的过程中没有形成全球统一的标准系统。在欧洲建立了以TDMA为基础的GSM系统；日本成立了以TDMA为基础的JDC系统；美国建立了以FDMA和以数字TDMA为基础的IS-136混合系统以及以N-CDMA为基础的IS-95系统。所以这些系统之间无法实现全球漫游，并且主要是话音服务只能传递间断消息，同时面临着严重的通信容量不足等问题。2.3 第三代移动通信系统移动通信经历了第一代与第二代的发展，特别在GSM和窄带CDMA第二代移动通信时期，可以实现全球漫游，用户急剧上升，不过也出现了一些有待解决的问题，主要有以下几点：系统容量依然比较小、频率利用率不高、抗干扰能力不强，并且不适合传输高数据及多媒体业务等。随着信息社会的发展，移动IP、宽带数据和多媒体业务也在迅速地增加，第二代移动通信系统的缺点和局限也开始暴露出来。人们在信息时代的召唤下研究出了新的通信系统，也就是第三代移动通信系统（3G）。第三代移动通信系统由卫星移动通信网和地面移动通信网组成，将形成一个对全球无缝覆盖的立体通信网络，以满足城市和偏远地区各种用户密度的需求，支持高速移动环境，提供语音、数据和多媒体等多种业务（最好速率可达2Mbits/s）的先进移动通信网，基本实现个人通信的要求。1999年11月5日国际电联ITU-12 TG8/1最后一次会议第18次会议在芬兰首都赫尔辛基落下帷幕。本次会议通过了第三次移动通信系统（IMT-2000 Radio interface Specification）；为今后全球第三代移动通信产业的发展指明了方向。第三代无线接口技术规范为简介、范围定义、相关建议、说明、地面部分建议、卫星部分建议、发射限制建议等共七个章节。该建议的通过标志着第三代移动通信系统的开发和应用进入实质阶段。IMT2000核心网络部分的标准化工作到2000年底才最终完成。ITU在2000年5月确定了WCDMA(UMTS)、CDMA2000和TD-SCDMA三大主流无线接口标准，写入3G技术指导性文件2000年国际移动通信计划（简称IMT2000）。WCDMA：它可支持从384Kbps到2Mbps不等的数据传输速率，支持者主要以GSM系统为主的欧洲厂商。CDMA2000：由美国高通北美公司为主导提出，摩托罗拉、Lucent和韩国三星公司都有参与，后来加入的韩国现在成为该标准的主导者。TD-SCDMA：时分-同步码分多址接入。该标准是由中国独自制定的3G标准，由于中国的庞大市场，该标准受到各大主要电信设备商的重视，全球一半以上的设备厂商宣布支持TD-SCDMA标准。2.4 我国移动通信发展史我国移动通信起步较晚，其中大致经历了一下几个阶段。(1) 1982年2000年“无线寻呼”发展阶段1982年，上海首先使用150mhz频段开通了我国第一个型模拟寻呼系统。1984年，广州用同样的频段开通了一个数字寻呼系统。寻呼系统应用大约十几年时间，到2000年，据不完全统计，全国寻呼用户已超过5000万。(2) 无线移动电话移动通信发展阶段1.第一代移动通信模拟移动电话1987年，我国第一个模拟移动电话网在广东珠江三角洲开通，采用的体制为TACS。随后在北京、上海等地相继建成模拟移动电话系统，用户年增长率一直高达100%。2.第二代移动通信数字移动电话1994年11月，我国开始建成GSM数字网。1998年，模拟用户数量开始下降，2001年7月，关闭模拟网。随后，2000年开始建成CDMA数字网（IS-95标准），CDMA是一种码分多址，是由多个码分信道共享在频频道的多址连接方式。目前使用的第二代数字移动通信系统可以提供话音及低速数据业务，能够基本满足人们信息交流的需要。截止到2007年6月，中国的手机用户已经达到6亿多，并且仍然以较高的速度发展。3.第三代移动通信手持机的迅速普及驱动通信向个人化方向发展，互联网用户数以翻番的速度膨胀又带来了移动数据通信的发展机遇。特别是移动多媒体和高速数据业务的迅速发展，迫切需要设计和建设一种新的网络以提供更宽的工作频带、支持更加活泼的多种类业务（高速率数据、多媒体及对称或非对称业务等），并使移动终端能在不同的网络间进行漫游。3G由此产生。2009年1月7日，工业和信息化部宣布，批准中国移动通信集团公司增加基于TD-SCDMA技术制式的3G业务经营许可，批准中国电信集团公司增加基于CDMA2000技术制式的3G业务经营许可，批准中国联合网络通信集团公司增加基于WCDMA技术制式的3G业务经营许可。中国3G的拍照正式发放，由此，中国3G大幕正式拉开TD-SCDMA第三代移动通信标准是信息产业部电信科学技术研究院在国家有关部门的支持下，根据多年的研究而提出的具有一定特色的3G通信标准，是中国百年通信史上第一个具有完全自主产权的国际通信标准，在我国通信发展史上具有里程碑的意义并将产生深远的影响，是整个中国通信业的重大突破。3 第四代移动通信概述3.1第四代移动通信产生的背景 随着人们的生活空间、活动空间和参与领域在不断地扩大，对手机的功能要求，已不仅仅是对话和通信，还有许许多多其他方面的功能。要实现这些功能，就必须要有新型的通信技术来做保证，在这种情况下各种新兴的通信技术就应运而生了，但是，因为各个通信商家的利益得不到很好的协调，这些新兴的通信技术如今被分化成了三大阵营。然而，统一的呼声在业界仍然留存，希望在未来能够统一。这种趋势迫使人们考虑新一代的系统，它能在所有的环境和各种移动状态中传送无线多媒体服务，满足用户服务质量(QoS)的要求。目前相互兼容的第四代移动通信标准（亦称为后三代移动通信标准）已在业界萌动。从移动通信系统数据传输速率的比较来看，第一代模拟式仅提供语音服务；第二代数字式移动通信系统传输速率也只有9.6kbit/s，最高可达32kbit/s，如PHS；而第三代移动通信系统数据传输速率可达到2Mbit/s；预计，第四代移动通信系统可以达到10Mbit/s至20Mbit/s。虽然第三代移动通信可以比现有传输速率快上千倍，但是未来仍无法满足多媒体的通信需求，第四代移动通信系统的提出便是希望能满足更大的频宽需求。第四代移动通信系统与第三代移动通信系统都是为未来无线通信服务的，将多媒体包括语音、数据、影像等大量信息透过宽频的信道传送出去，我们可暂且将第四代移动通信系统称之为多媒体移动通信(Multi-Mobile Communication)，通常也简称为4G。第四代移动通信不仅是为了因应用户数的增加，更重要的是，必须要因应多媒体的传输需求，当然还包括通信品质的要求。总的来说，必须可以容纳庞大的用户数、改善现有通信品质以及达到高速数据传输的要求。第四代移动通信系统在业务、功能、频带上都将不同于第三代系统，第四代移动通信的概念也可称为宽带接入和分布式网络，具有非对称的超过2Mbit/s的数据传输能力。它包括宽带无线固定接入、宽带无线局域网、移动宽带系统和互操作的广播网络(基于地面和卫星系统)。另外，第四代移动通信将在不同的固定和无线平台和跨越不同频带的网络运行中提供无线服务，可以在任何地方宽带接入因特网，包含卫星通信，能提供信息通信之外的定位、数据采集、远程控制等综合功能。同时，第四代移动通信系统将是多功能集成的宽带移动通信系统，是宽带接入IP系统。$ l5t/o,I'pMSCBSC 移动通信论坛第四代移动通信系统技术目前还只是一个基本概念，就是无线互联网技术，但可以肯定的是，随着互联网高速发展4G也会继续高速发展；电脑日趋小型化、简便化，最终将所有技术整合为一个类似PDA的产品；卫星通信和空间技术会成为常用技术。而移动通信应用的相关技术，如更高频宽的应用、智能信号处理技术、业务功能综合能力、网络技术及卫星技术等亦急速发展。第四代移动通信系统技术与第三代移动通信系统技术相比，除了通信速度大为提高之外,还可以借助IP进行通话。第四代移动通信技术的国际标准化作业,将由国际电联的无线部门负责实施。3.2第四代移动通信的概念     目前，关于第四代移动通信技术的叫法很多，4G只是一个通用的名称。国际电信联盟(ITU)认为：4G是基于IP协议的高速蜂窝移动通信网，是现有的各种无线通信技术从3G的进一步演进和提升。2008年10月，ITU正式制定了4G技术规范"IMT-Advanced(International MobileTelecommunications Advanced)"：静态传输速率达到1Gbit/s，高速移动状态下传输速率达到100Mbit/s。换而言之，只要能满足上述指标的任何移动通信技术都可作为4G技术。目前国际电信联盟已经公布了4G网络的五大标准制式，即WiMax，HSPA+，LTE，以及之前的LTE-Advanced和WirelessMAN-Advcanced。    通俗而言，4G可理解为广带接入和分布网络，它包括广带无线固定接入、广带无线局域网、移动广带系统和互操作的广播网络(基于地面卫星系统)。其广带无线局域网能与B-ISDN(BroadbandIntegratedServiceDigitalNetwork，宽带综合业务数字网)及ATM(Asynchronous Transfer Mode，异步转移模式)兼容，实现广带多媒体通信，形成IBCN(Integrated Broadband Communication Network，综合广带通信网)，还能提供定位定时、数据采集、远程控制等综合功能。3.3第四代移动通信的特点 第四代移动通信具有以下主要特点：  一是高速率。4G的信息传输速率要比3G高一个等级，从2Mbit/s提高到10Mbit/s。二是灵活性强。4G拟采用智能技术，可自适应地进行资源分配。采用智能信号处理技术对信道条件不同的各种复杂环境进行信号的正常收发，有很强的智能性、适应性和灵活性。三是兼容性好。目前ITU承认的、已有相当规模的移动通信标准有GSM(Global System for Mobile Communications，全球移动通讯系统)、CDMA(Code-Division Multiple Access，码分多址)和TDMA(Time Division Multiple Access，时分多址)三大分支，可通过4G标准的制定来解决它们之间的兼容问题。四是用户共存性。4G能根据网络的状况和信道条件进行自适应处理，使低、高速用户和各种用户设备能够并存与互通，从而满足多类型用户的需求。五是业务多样性。未来通信中所需的是多媒体通信，个人通信、信息系统、广播和娱乐等将结合成一个整体。4G能够提供各种标准的通信业务，满足多种业务需求。六是技术基础较好。4G将以几项突破性技术为基础，如OFDM(0rthogonal Frequency Division Multiplexing，正交频分复用)、无线接入、软件无线电等，从而大幅提高频率使用效率和系统可实现性。七是随时随地的移动接入。4G利用无线接入技术，提供话音、高速信息业务、广播及娱乐等多媒体业务接入方式，用户可随时随地接入系统。八是自治的网络结构。4G网络将是一个完全自治、自适应的网络。可自动管理、动态改变自己的结构以满足系统变化和发展的要求。3.4第四代移动通信系统的网络结构 在第四代移动通信系统中，为了满足不同用户对不同业务的需求，将各种针对不同业务的接入系统通过多媒体接入系统连接到基于IP的核心网中，形成一个公共的、灵活的、可扩展的平台，网络的连接如图1所示： 图14G系统的网络结构从图1中可看出基于IP技术的网络架构使得用户在2G、3G、4G、WLAN、固定网之间无缝漫游可以实现。我们可将系统网络体系结构分为三层，如图2所示： 图24G系统的网络分层从图2可看出，第四代移动通信系统的网络体系结构可以由下而上分为：物理层、网络业务执行技术层、应用层等3层。物理层提供接入和选路功能，网络业务执行技术层作为桥接层提供QoS映射、地址转换、即插即用、安全管理、有源网络。物理层与网络业务执行技术层提供开放式IP接口。应用层与网络业务执行技术层之间也是开放式接口，用于第三方开发和提供新业务。结合移动通信市场发展和用户需求，4G移动网络的根本任务是能够接收、获取到终端的呼叫，在多个运行网络(平台)之间或者多个无线接口之间，建立其最有效的通信路径，并对其进行实时的定位和跟踪。在移动通信过程中，移动网络还要保持良好的无缝连接能力，保证数据传输的高质量、高速率。4G移动网络将基于多层蜂窝结构，通过多个无线接口，由多个业务提供者和众多网络运营者提供多媒体业务。同时，技术的发展和市场的需求，将加快并实现目前的计算机网、电信网、广播电视网和卫星通信网等网络融为一体，宽带IP技术和光网络将成为多网融合的支撑和结合点。数字化数据交易点是4G移动网络的一个重要技术。它用于预处理各个不同网络平台之间的呼叫。在网络平台之间的特定协议条件下，帮助业务供应者提供高质量、低费用的业务应用。例如，两个网络平台之间传送电视数据信息，首先经由数字化数据交易所处理。在数字化数据交易所里，这个电视数据信息将被分离成视频信号和音频信号，经由不同信道传送。音频信号将由覆盖广泛的网络传送，视频信号将由只能处理、接收视频信号的网络传送，从而达到降低通信成本和有效利用传输信道的目的。未来的全球互联网系统和骨干网系统，将以结合宽带IP技术和光纤网技术为主。 3.5第四代移动通信的接入系统和软件系统 3.5.1 第四代移动通信的接入系统第四代移动通信接入系统的显著特点是，智能化多模式终端基于公共平台，通过各种接入技术，在各种网络系统(平台)之间实现无缝连接和协作。在4G移动通信中，各种专门的接入系统都基于一个公共平台，相互协作，以最优化的方式工作，来满足不同用户的通信需求。当多模式终端接入系统时，网络会自适应分配频带，给出最优化路由，以达到最佳通信效果。目前，4G移动通信的主要接入技术有：无线蜂窝移动通信系统(例如2G、3G)、无绳系统(如DECT)、短距离连接系统(如蓝牙)、WLAN系统、固定无线接入系统、卫星系统、平流层通信(STS)、广播电视接入系统(如DAB、DVB-T、CATV)。随着技术发展和市场需求变化，新的接入技术将不断出现。 网络接入系统在整个移动网络中处于十分重要的位置。未来的接入系统将主要在以下三个方面进行技术革新和突破： (1)为最大限度开发利用有限的频率资源，在接入系统的物理层，优化调制、信道编码和信号传输技术，提高信号处理算法、信号检测和数据压缩技术，并在频谱共享和新型天线方面做进一步研究。 (2)为提高网络性能，在接入系统的高层协议方面，研究网络自我优化和自动重构技术，动态频谱分配和资源分配技术，网络管理和不同接入系统间协作。 (3)提高和扩展IP技术在移动网络中的应用；加强软件无线电技术；优化无线电传输技术，如支持实时和非实时业务、无缝连接和网络安全。 3.5.2 第四代移动通信的软件系统第四代移动通信的软件系统趋于标准化、复杂化、智能化。软件系统的首要任务是，创建一个公共的软件平台，使不同通信系统和终端的应用软件，通过此平台“互联互通”；并且，通过此软件平台，实现对不同通信系统和终端的管理和监控。因此，建立一个统一的软件标准和互联协议，是4G移动通信软件系统的关键。软件系统将逐步采用Web服务模式，以代替现行的客户/服务器模式。新的计算机语言如XML，将用于未来的这种基于Web的分布式服务。另一方面，软件系统还将在网络安全上做进一步研究，以保障通信网络的正常工作、数据完整和其他特殊需要。3.6第四代移动通信的关键技术3.6.1 OFDM技术（一） OFDM的基本原理正交频分复用（OFDM）技术在20世纪50年代就已经提出来了，在当时由于实现等原因，未能引起人们广泛的重视。直到70年代采用DFT实现多载波调制算法的提出，实现IFFT/FFT快速算法芯片的出现，使得多载波调制的实现变得非常简单。由此，OFDM技术开始被人们所接收和重视。在通信的各个领域，OFDM利用许多并行的、低速率数据传输的子载波来实现一个高速率的数据通信。其主要思想是在频域内将给定信道分成许多正交子信道，在每个子信道上使用一个子载波进行调制，并且各子载波并行传输，这样，尽管总的信道是非平坦的，即具有频率选择性，但是每个自信道是相对平坦的，并且在每个子信道上进行的是窄带传输，信号带宽小于信道的相应带宽，因此就可以大大消除信号波形间的干扰。OFDM技术的最大优点是能对抗频率选择性衰落或窄带干扰。在OFDM系统中各个子信道的载波相互正交，于是它们的频谱是相互重叠的，这样不但减少了子载波间的相互干扰，同时又提高了频谱利用率。OFDM的工作原理简介，输入数据信元的速率为R，经过串并转换后，分成M个并行的子数据流，每个子数据流的速率为R/M，在每个子数据流中的若干个比特分成一组，每组的数目取决于对应子载波上的调制方式，如PSK、QAM等。M个并行的子数据信元编码交织后进行IFFT变换，将频域信号转换到时域，IFFT块的输出是 N个时域的样点，再将长为Lp的CP(循环前缀)加到N个样点前，形成循环扩展的OFDM信元，因此，实际发送的OFDM信元的长度为LpN，经过并/串转换后发射。接收端接收到的信号是时域信号，此信号经过串并转换后移去CP，如果CP长度大于信道的记忆长度时，ISI仅仅影响CP，而不影响有用数据，去掉CP也就去掉了ISI的影响。图3 OFDM系统图示由于OFDM信号是经过IFFT得到的，发送的数据在频域被充分随机化，OFDM信号可以认为是独立同步分布的随机变量的线性组合。当子载波非常大时，由中心极限定理知OFDM信号近似服从复高斯分布，从而OFDM信号具有较大的峰值平均功率比（PAPR），此为OFDM系统的一个缺点。由于OFDM系统各个子载波间相互正交，OFDM系统另外一个缺点是对系统频偏比较敏感。（二） OFDM的优点OFDM技术之所以运用于4G中，是因为OFDM有很多独特的优点：（1）频谱利用率很高，频谱效率比串行系统高近一倍。这一点在频谱资源有限的无线环境中很重要。OFDM信号的相邻子载波相互重叠，从理论上讲其频谱利用率可以接近Nyquist极限，如下图4所示：图4 FDM和OFDM技术（2）抗多径能力强。 每个子载波的数据速率远远小于相干带宽，符号间干扰ISI很小。（3）传输数据率高。OFDM自适应调制机制使不同的子载波可以按照信道情况和噪声背景的不同使用不同的调制方式。当信道条件好的时候，采用效率高的调制方式。当信道条件差的时候，采用抗干扰能力强的调制方式。再有，OFDM加载算法的采用，使系统可以把更多的数据集中放在条件好的信道上以高速率进行传送。因此，OFDM技术非常适合高速数据传输。（4）抗码间干扰（ISI）能力强。码间干扰是数字通信系统中除噪声干扰之外最主要的干扰，它与加性的噪声干扰不同，是一种乘性的干扰。造成码间干扰的原因有很多，实际上，只要传输信道的频带是有限的，就会造成一定的码间干扰。OFDM由于采用了循环前缀（CP），对抗码间干扰的能力很强。（三）OFDM关键技术 （1）峰值平均功率(PAPR) 由于OFDM信号在时域上为N个正交子载波信号的叠加，当这N个信号恰好都以峰值出现并将相加时，OFDM信号也产生最大峰值，该峰值功率是平均功率的N倍。这样，为了不失真地传输这些高峰均值比的OFDM信号，对发送端和接收端的功率放大器和A/D变换器的线性度要求较高，且发送效率较低。解决方法一般有下述3种途径：信号失真技术采用峰值修剪技术和峰值窗口去除技术，使峰值振幅值简单地非线性去除；采用编码方法将峰值功率控制和信道编码结合起来，选用合适的编码和解码方法，以避免出现较大的峰值信号；采用扰码技术对所产生的OFDM信号的相位重新设置，使互相关性为零，这样可以减少OFDM的PAPR。这里所采用的典型方法为PTS(Partial Transmit Sequence)和SLM(Selective Mapping)。 （2）同步 与其它数字通信系统一样，OFDM系统需要可靠的同步技术，包括定时同步、频率同步和相位同步，其中频率同步对系统的影响最大。移动无线信道存在时变性，在传输过程中会出现无线信号的频率偏移，这会使OFDM系统子载波间的正交性遭到破坏，使子信道间的信号相互干扰，因此频率同步是OFDM系统的一个重要问题。为了不破坏子载波间的正交性，在接收端进行FFT变换前，必须对频率偏差进行估计和补偿。 可采用循环前缀方法对频率进行估计，即通过在时城内把OFDM符号的后面部分插入到该符号的开始部分，形成循环前缀。利用这一特性，可将信号延迟后与原信号进行相关运算，这样循环前缀的相关输出就可以用来估计频率偏差。 （3）信道编码和交织 为了对抗无线衰落信道中的随机错误和突发错误，通常采用信道编码和交织技术。OFDM系统本身具有利用信道分集特性的能力，一般的信道特性信息已被OFDM调整方式本身所利用，可以在子载波间进行编码，形成编码的OFDM(COFDM)，OFDM技术与信道编码、频率时间交织结合起来，提高系统的性能，其编码可以采用各种码(如分组码和卷积码)。 （4）训练序列/导频及信道估计技术 接收端使用差分检测时不需要信道估计，但仍需要一些导频信号提供初始的相位参考，差分检测可以降低系统的复杂度和导频的数量，但却损失了信噪比。尤其是在OFDM系统中，系统对频偏比较敏感，所以一般使用相干检测。 在系统使用相干检测时，信道估计是必须的。此时可以使用训练序列和导频作为辅助信息，训练序列通常在非时变信道中，在时变信道中一般使用导频信号。在OFDM中，导频信号是时频二维的。为了提高估计的精度，可以插入连续导频和分散导频，导频的数量是估计精度和系统复杂度的折衷。导频信号之间的间隔取决于相干时间和相干带宽，在时域上，导频间隔应小于相干时间。在频域上，导频间隔应小于相干带宽。实际应用中，导频的模式的设计要根据具体情况而定。 3.6.2 软件无线电技术所谓软件无线电（Software Defined Radio,简称SDR），就是采用数字信号处理技术，在可编程控制的通用硬件平台上，利用软件来定义实现无线电台的各部分功能：包括前端接收、中频处理以及信号的基带处理等。即整个无线电台从高频、中频、基带直到控制协议部分全部由软件编程来完成。其核心思想是在尽可能靠近天线的地方使用宽带的"数字/模拟"转换器，尽早地完成信号的数字化，从而使得无线电台的功能尽可能地用软件来定义和实现。总之，软件无线电是一种基于数字信号处理(DSP)芯片，以软件为核心的崭新的无线通信体系结构。3.6.3 智能天线智能天线是一种安装在基站现场的双向天线，通过一组带有可编程电子相位关系的固定天线单元获取方向性，并可以同时获取基站和移动台之间各个链路的方向特性。在不增加系统复杂度的情况下，使用智能天线可满足服务质量和网络扩容的需要。目前智能天线定义为波束间没有切换的多波束和自适应阵列天线。多波束天线在一个扇区中使用多个固定波束，而在自适应阵列中，多个天线的接收信号被加权并且合成在一起使信噪比达到最大。智能天线可以提高信噪比，提升系统通信质量，缓解无线通信日益发展与频谱资源不足的矛盾，降低系统整体造价。3.6.4多处天线（MIMO）技术(1)MIMO简介MIMO(Multiple-Input Multiple-Out-put)即是多输入多输出技术，是指在发射端和接收端分别使用多个发射天线和接收天线，信号通过发射端和接收端的多个天线传送和接收，从而改善每个用户的服务质量（误比特率或数据速率），其原理如图5所示。图5 MIMO系统原理MIMO系统是一项运用于802.11n的核心技术。802.11n是IEEE继802.11bag后全新的无线局域网技术，速度可达600Mbps。同时，专有MIMO技术可改进已有802.11a/b/g网络的性能。该技术最早是由Marconi于1908年提出的，它利用多天线来抑制信道衰落。根据收发两端天线数量，相对于普通的SISO(Single-Input Single-Output)系统，MIMO还可以包括SIMO(Single-Input Multiple-Output)系统和MISO(Multiple-Input Single-Output)系统。 MIMO技术对于传统的单天线系统来说，能够大大提高频谱利用率，使得系统能在有限的无线频带下传输更高速率的数据业务。随着无线通信技术的快速发展，频谱资源的严重不足已经日益