4G和B3G移动通信物理层传输关键技术.ppt
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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
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- 关 键 词:
- B3G 移动 通信 物理层 传输 关键技术
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