畢業(yè)論文：4G通信在高速移動(dòng)環(huán)境中的挑戰(zhàn)與對(duì)策研究

4G通信在高速移動(dòng)環(huán)境中的挑戰(zhàn)與對(duì)策研究
院（系） 　　　信息科學(xué)與工程學(xué)院　　
專 業(yè) 　　　通信工程　　 　
屆 別 　　　08 級(jí)

摘要

4G寬帶移動(dòng)通信技術(shù)在現(xiàn)代人們的生活中起到了越來越重要的作用，改變了人們的生活方式。OFDM系統(tǒng)因其對(duì)信號(hào)頻譜的高效利用而成為寬帶移動(dòng)通信中備受矚目的技術(shù)。但在無線信道中，因傳輸時(shí)延和多徑衰落的影響而產(chǎn)生的符號(hào)間
干擾和子載波間干擾會(huì)嚴(yán)重影響 OFDM 系統(tǒng)的性能。因此要求在接收端采用有效的信號(hào)處理方法來降低系統(tǒng)的誤碼率，實(shí)現(xiàn)性能的提高。本文首先介紹了第四代移動(dòng)通信產(chǎn)生的背景及技術(shù)特點(diǎn)，之后主要分析了高速移動(dòng)的環(huán)境下OFDM通信系統(tǒng)的信道模型和信道均衡。最后利用MATLAB工具對(duì)OFDM通信系統(tǒng)進(jìn)行了相應(yīng)的仿真，對(duì)系統(tǒng)的性能做出了分析。
關(guān)鍵詞：第四代移動(dòng)通信4G，正交頻分復(fù)用OFDM，信道均衡，時(shí)變信道，MATLAB通信系統(tǒng)仿真

ABSTRACT

As the mobile communication technology plays an increasingly important role in the life of modern people, it really changes the way people live. The system of OFDM has become the high-profile technology of 4G because of its efficient use of the signal spectrum.But in the wireless channel,the interference of inner symbols and carriers can seriously affect the performance of the system of OFDM ,which coursed by the delay of transmission and the fading of multipath.So it re
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術(shù)的成熟而發(fā)展起來的。1982年，歐洲郵電管理協(xié)會(huì)（CEPT）成立了移動(dòng)通信特別小組（GSM），開發(fā)數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信技術(shù)。1987年，GSM就泛歐洲數(shù)字蜂窩系統(tǒng)的GSM協(xié)議達(dá)成一致意見。1991年，GSM數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)在歐洲問世，緊接著以TDMA標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)的其它第二代數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)如DAMPS/JDC等也相繼投入使用。同時(shí)以IS-95技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)的CDMA系統(tǒng)已經(jīng)分別在香港、韓國等地區(qū)和國家投入使用，取得了良好的用戶反應(yīng)。
移動(dòng)通信經(jīng)歷了第一代與第二代的發(fā)展，特別在GSM和窄帶CDMA第二代移動(dòng)通信時(shí)期，可以實(shí)現(xiàn)全球漫游，用戶急劇上升，不過也出現(xiàn)了一些有待解決的問題，主要有以下幾點(diǎn)：系統(tǒng)容量依然比較小，頻率利用率不高，抗干擾能力不強(qiáng)，并且不適合傳輸高數(shù)據(jù)及多媒體業(yè)務(wù)等。隨著信息社會(huì)的發(fā)展，移動(dòng)IP寬帶數(shù)據(jù)和多媒體業(yè)務(wù)也在增加，第二代移動(dòng)通信系統(tǒng)的缺點(diǎn)和局限也開始暴露出來。人們?cè)谛畔r(shí)代的召喚下研究出了新的通信系統(tǒng)，也就是第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)。
第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)由衛(wèi)星移動(dòng)通信網(wǎng)和地面移動(dòng)通信網(wǎng)組成，獎(jiǎng)形成一個(gè)對(duì)全球無縫覆蓋的立方體通信網(wǎng)絡(luò)，以滿足城市和偏遠(yuǎn)地區(qū)各種用戶密度的需求，支持高速移環(huán)境，提供語音、數(shù)據(jù)和多媒體等多種業(yè)務(wù)，在最好情況下速率可達(dá)2Mbit/s的先進(jìn)移動(dòng)通信網(wǎng)。
ITU在2000年5月確定了WCDMA(UMTS)、CDMA2000和TD-SCDMA三大主流無線接口標(biāo)準(zhǔn)，寫入3G技術(shù)指導(dǎo)性文件。
3G 之前的移動(dòng)通信系統(tǒng)稱為窄帶系統(tǒng)，從 3G 系統(tǒng)開始，移動(dòng)通信進(jìn)入寬帶時(shí)代，3G 系統(tǒng)的峰值數(shù)據(jù)速率可達(dá) 2Mbps。未來的高速無線傳輸要求數(shù)據(jù)速率達(dá)到 100Mbps~1Gbps，因此 3G系統(tǒng)與未來高速無線通信（4G）的要求還有很大的差距。為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)的傳輸速率，WCDMA 相繼推出了高速下行分組接入技術(shù)(HSDPA)、長期演進(jìn)技術(shù)(LTE)等演化標(biāo)準(zhǔn)。LTE 又稱為 B3G(Beyond 3G)，其下行鏈路峰值速率為 100Mbps、上行鏈路峰值速率為 50Mbps。如圖1．1展示了無線通信的發(fā)展趨勢(shì)。



1.2 OFDM系統(tǒng)的產(chǎn)生
若從技術(shù)層面來看，第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)主要是以CDMA為核心技術(shù)，三代以后的移動(dòng)通信系統(tǒng)[1]則以正交頻分復(fù)用OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiple*ing）最受矚目，特別是有不少專家學(xué)者針對(duì)OFDM技術(shù)在無線通信技術(shù)上的應(yīng)用[2]，提供了相關(guān)的理論基礎(chǔ)，例如無線區(qū)域環(huán)路（WLL：Wireless Local Loop）、數(shù)字音訊廣播（DAB: Digital Audio Broadcasting）等，都將在未來采用OFDM技術(shù)。
目前世界范圍內(nèi)存在有多種數(shù)字無線通信系統(tǒng)，然而基于支持話音業(yè)務(wù)的電路交換模式的第二代移動(dòng)通信系統(tǒng)不能滿足多媒體業(yè)務(wù)的需要,但是對(duì)于高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)來說，單載波TDMA（Time Division Multiple Access）系統(tǒng)和窄帶CDMA系統(tǒng)中都存在很大的缺陷。由于無線信道存在時(shí)延擴(kuò)展，而且高速信息流的符號(hào)寬度又相對(duì)較窄，所以符號(hào)之間會(huì)存在較嚴(yán)重的符號(hào)間干擾（ISI：Inter-Symbol Interference），因此對(duì)單載波TDMA系統(tǒng)中使用的均衡器提出非常高的要求，即抽頭數(shù)量要足夠大，訓(xùn)練符號(hào)要足夠多，訓(xùn)練時(shí)間要足夠長，而均衡算法的復(fù)雜度也會(huì)大大增加。對(duì)于窄帶CDMA來說，其主要問題在于擴(kuò)頻增益與高速數(shù)據(jù)流之間的矛盾。保證相同帶寬的前提下，高速數(shù)據(jù)流所使用的擴(kuò)頻增益就不能太高，這樣就大大限制了CDMA系統(tǒng)噪聲平均的優(yōu)點(diǎn)，從而使得系統(tǒng)的軟容量受到一定的影響，如果保持原來的擴(kuò)頻增益，則必須要相應(yīng)的提高帶寬。此外，CDMA系統(tǒng)內(nèi)的一個(gè)非常重要的特點(diǎn)是采用閉環(huán)的功率控制，這在電路交換系統(tǒng)中比較容易實(shí)現(xiàn)，但對(duì)于分組業(yè)務(wù)來說，對(duì)信道進(jìn)行探測(cè)，然后再返回功率控制命令會(huì)導(dǎo)致較大的時(shí)延，因此對(duì)于高速的無線分組業(yè)務(wù)來說，這種閉環(huán)的功率控制問題也存在缺陷。
因此，人們開始關(guān)注正交頻分復(fù)用（OFDM）系統(tǒng)，希望通過這種方法來解決高速信息流在無線信道中的傳輸問題，從而可以滿足帶寬要求更高的多種多媒體業(yè)務(wù)和更快的網(wǎng)絡(luò)瀏覽速度[3][4]。
正交頻分復(fù)用(OFDM：Orthogonal Frequency Division Multiple*ing)的提出已有近40年的歷史，第一個(gè)OFDM技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用是軍用的無線高頻通信鏈路。但這種多載波傳輸技術(shù)在雙向無線數(shù)據(jù)方面的應(yīng)用卻是近十年來的新趨勢(shì)。經(jīng)過多年的發(fā)展，該技術(shù)在廣播式的音頻和視頻領(lǐng)域已得到廣泛的應(yīng)用。近年來，由于DSP（digital signal processing）技術(shù)的飛速發(fā)展，OFDM作為一種可以有效對(duì)抗ISI的高速傳輸技術(shù)，引起了廣泛關(guān)注。OFDM技術(shù)已經(jīng)成功地應(yīng)用于數(shù)字音頻廣播（DAB）、高清晰度電視HDTV（High-definition Television）、無線局域網(wǎng)WLAN（Wireless Local Area Network），它在移動(dòng)通信中的運(yùn)用也是大勢(shì)所趨。1999年IEEE802．11a通過了一個(gè)5GHz的無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，其中OFDM調(diào)制技術(shù)被采用并作為它的物理層標(biāo)準(zhǔn)。

1.3 寬帶無線通信系統(tǒng)中的信道均衡概述
未來的無線通信系統(tǒng)要求能在高速移動(dòng)的環(huán)境下提供高速的數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)率的提高要求有更寬的帶寬，而帶寬的增加會(huì)使采樣間隔小于信道的時(shí)延擴(kuò)展，這樣就產(chǎn)生了多徑環(huán)境下的頻率選擇性衰落。同時(shí)移動(dòng)臺(tái)和基站之間的高速相對(duì)移動(dòng)帶來多普勒效應(yīng)，多普勒效應(yīng)使得傳輸信道隨時(shí)間而快速變化，從而引起信道的時(shí)間選擇性衰落。收發(fā)信機(jī)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)和載波頻偏都會(huì)導(dǎo)致信道快速時(shí)變，而且隨著載頻和移動(dòng)速度的提高，信道的時(shí)變特性越來越明顯，因此，未來寬帶移動(dòng)通信系統(tǒng)將遭受信道時(shí)-頻雙選擇性衰落的嚴(yán)重影響。







































第二章 OFDM系統(tǒng)基本介紹

正交頻分復(fù)用（OFDM）系統(tǒng)是一種特殊的多載波傳輸方案，它可以被看作是一種調(diào)制技術(shù)，也可以被當(dāng)作一種復(fù)用技術(shù)。多載波傳輸把數(shù)據(jù)流分解成若干個(gè)子比特流，這樣每個(gè)子數(shù)據(jù)流將具有低得多的比特速率，用這樣的低比特率形成的低速率多狀態(tài)符號(hào)再去調(diào)制相應(yīng)的子載波，就構(gòu)成多個(gè)低速率符號(hào)并行發(fā)送的傳輸系統(tǒng)。正交頻分復(fù)用是對(duì)多載波調(diào)制（MCM：Multi-Carrier Modulation）的一種改進(jìn)。它的特點(diǎn)是各子載波相互正交，所以擴(kuò)頻調(diào)制后的頻譜可以相互重疊，不但減小了子載波間的相互干擾，還大大提高了頻譜利用率。選擇OFDM的一個(gè)主要原因在于該系統(tǒng)能夠很好地對(duì)抗頻率選擇性衰落和窄帶干擾。
正交頻分復(fù)用（OFDM）技術(shù)與FDM基本原理相同，OFDM把高速的數(shù)據(jù)流通過串并變換，分配到速率相對(duì)較低的若干個(gè)頻率子信道中進(jìn)行傳輸，不同的是，OFDM技術(shù)利用了更好的控制方法，使頻譜利用率有所提高

圖 2-1 FDM與OFDM帶寬利用率的比較

2.1 OFDM的基本原理
2.1.1 OFDM系統(tǒng)基本組成
圖 2-2為OFDM系統(tǒng)的典型框圖。

在發(fā)送端，首先對(duì)二進(jìn)制數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼和交織，這樣可以克服隨機(jī)噪聲和突發(fā)噪聲的影響，然后進(jìn)行PSK或者QAM調(diào)制，再進(jìn)行串并(S/P)變換，將一路信號(hào)分成N路，通過N點(diǎn)的IFFT處理把數(shù)據(jù)調(diào)制到多個(gè)相互正交的子載 ……（未完，全文共22534字，當(dāng)前僅顯示4053字，請(qǐng)閱讀下面提示信息。收藏《畢業(yè)論文：4G通信在高速移動(dòng)環(huán)境中的挑戰(zhàn)與對(duì)策研究》）