1、4G通信网中的关键技术研究（吉林大学 通信工程学院 吉林长春 130012）摘要 4G网络的迅速发展意味着人类将获得真正的沟通自由，越来越快的数据传输速度及多种网络的融合将彻底改变人类的生活方式，而4G通信网络的迅速崛起得益于一批关键技术的突破和融合，本文将简单介绍4G通信网中的一些关键技术。关键字 ofdm Mimo sa ipv6Abstract The rapid development of 4G network means that human beings will be truly free communication, fusion and faster data transf
2、er speeds and various network will completely change the human way of life, and the 4G communication network fast emergence benefited from a number of breakthroughs in key technologies and integration, this paper introduces some key technologies in 4G communication network 。Key wors ofdm Mimo sa ipv
3、60引言在新兴通信技术的不断推动之下，3G已经成为通信技术的主流。目前在中国，3G牌照已经发放。该技术能为用户带来了最高2Mbit/s的数据传输速率，在这样的传输速率下，现在计算机应用的媒体可以通过无线网络轻松传递。但是随着无线上网和网络游戏的用户需求不断的增加，对移动通信系统的速率要求也越来越高，逐渐的人们之间沟通的瓶颈将由现在的网络传输速率变为各种新的应用的提供：如何让无线网络更好地为人们服务而不是给人们带来骚扰，如何让每个人都能从信息的海洋中快速的得到自己需要的信息，如何能够让变得携带、使用各种终端设备，个中专端设备之间如何更好的自动协同工作，等等。在对通信技术的要求不断增加的基础上，无
4、线通信技术最终将迈向4G通信技术时代。 1.MIMO-OFDM1.1OFDMOFDM即正交频分复用技术，实际上OFDM是MCM Multi-CarrierModulation，多载波调制的一种。是4g网的核心技术 。由于4g通信网对数据传输速率高，而OFDM技术能在数据高速传输的情况下有效减少符号间干扰ISI信道间干扰ICI，其系统可以通过使用不同数量的子信道来满足无线数据业务的非对称性数据量传输特性。而且其系统本身频谱利用率高又易于实现，是4g网络中至关重要和契合度高的技术之一。1.1. 1OFDM调制和解调原理。OFDM是一种特殊的多载波传输方案，系统基本模型框图如图1.1. d0 d1
5、dN-1并/串+串/并积分 d0 积分积分信道 PSK d1 QAM dN-1 dN-1 图1.1.1OFDM系统基本模型框图图中串/并变换将串行传输的数据变为并行传输的数据，当子载波为N时，将串行数据变为N个一组的并行数据。d0，d1，d2。dn-1即为相移键控或者正交幅度调制星座映射后的一组并行数据，它对载频为f0的N个子载波进行调制，得到一个OFDM符号s（t）。设OFDM符号周期为T，且fi=fc+i/T,i=0,1N-1,fc为载波频率。 （1）当fc不为0时，s（t）=i=0N-1diexpj2fit-ts ts=t=ts+T式1.1.1（2）当fc为0时，s（t）=i=0N-1d
6、iexpj2iTt-ts ts=t=ts+T式1.1.2其中是s（t）的实部和虚部分别对应于OFDM符号的同向分量和正交分量。可以与想赢子载波的COS分量和SIN分量相乘，构成最终的子信道信号和合成的OFDM信号。在接收端同相分量和正交分量合成数据信息，完成子载波的解调。 如对式1.2中的第k个子载波进行解调，在接收端一个OFDM符号是s（t）先于第k个子载波的贝蒂载波进行相乘，仔仔时间长度T内进行积分得到d()，如OFDM信号各个子载波之间满足正交，既有1T0Texpjwntexpjwmtdt=1, m=n 0, mn式1.1.3d()=dk;式1.1.4由式1.1.4可以看出，利用OFDM
7、符号子载波之间的正交性，对滴K个子载波进行解调可以恢复出期望信号。1.1.2. OFDM的主要优点1.1.2.1 带宽利用率很高。当子载波个数足够大时，系统的频带利用率可达2Baud/Hz。OFDM频谱 对带宽利用率高 频率图1.2OFDM带宽利用率1.1.2.2可以采用快速离散傅里叶变换技术(DFT)实现调制和解调,采用DFT技术，可以快速的实现调制与解调，而且电路也变得十分简单。近年来，随着数字信号技术的迅速发展，许多DSP芯片的运算能力越来越快，更进一步推动了OFDM技术的发展。 1.1.2.3可以有效的对抗符号间干扰和突发噪声 OFDM系统采用多个正交的子载波并行传输数据，速率很高的数
8、据流经过串并变换后，调制到各个子载波上进行并发传输，这样在每一路上的数据速率大大降低了，那么在衰落信道中所受到的ISI干扰就相对小多了。1.1.2.4支持动态比特分配方法 由于无线信道存在频率选择性，不可能所有的子载波都同时处于比较深的衰落情况中，因此可以通过动态比特分配以及动态子信道分配的方法，充分利用信噪比比较高的子信道，从而提高系统的性能。1.2MIMO多输入多输出1.2.1研究MIMO的背景和意义任何一个无线通信系统，只要其发射端和接收端都采用了多个天线或者天线阵列，就构成了一个无线 MIMO 系统。无线 MIMO 系统采用空时处理技术进行信号处理。在多径环境下，无线 MIMO 系统可
9、以极大地提高频谱利用率，增加系统的数据传输率。在传统的无线通信系统中，发射端和接收端通常是各使用一根天线，这种单天线系统也称为单输入和单输出（SISO-Single Input Single Output）系统，对于这样的系统，C. E. Shannon 提出了一个信道容量的计算公式：式1.2.1.1其中W 代表信道带宽， S / N代表接收端的信噪比，用W 归一化后，得到带宽利用率：式1.2.1.2它确定了在有噪声的信道中，进行可靠通信的上限速率。以后的电信工作者无论使用怎样的调制方案和信道编码方法，只能一点一点地接近它，却无法超越它，这似乎成了一个公认的、不可逾越的界限，也成了现代无线通信
10、的发展的一大瓶颈。根据 Shannon 给出的信道容量公式，增加信噪比可以提高频谱的使用效率，信噪比每增加 3dB，信道容量每秒每赫兹增加 1 比特。对于单用户方案，如果增大发射端的发射功率，接收端的信噪比便随之增加，因为要设计一个功率放大器能在很宽的线性范围内和很高的发射功率上工作，是件很困难的事情，而且当发射功率很高时，器件的散热也成问题。提高频谱使用效率的另一种方法是使用分集技术。SIMO系统采用最佳合并的接收分集技术通常能改善接收端的 SNR，从而提高信道的容量和频谱的使用效率。MISO系统发射端不知道信道的状态信息，无法在多发射天线中采用波束形成技术和自适应分配发射功率，信道容量的提
11、高不是很多。SIMO 和 MISO 技术的发展自然演变成 MIMO 技术，即在无线链路的两端都使用多根天线，MIMO系统可以取得巨大的信道容量，该信道容量突破了传统的单输入单输出信道容量的瓶颈，是 Shannon 信道容量的推广。与目前已实现的信道容量相比，有望提高几个数量级。目前，无线 MIMO 技术己成为了无线通信领域的一大研究热点。粗略地说，使用 MIMO 技术的好处在于能创建多个并行的正交子信道、能综合使用发射分集和接收分集技术、能较大地增加天线的增益等等。1.2.2目前已取得进展在蜂窝移动通信中，目前还没有商用化的 MIMO 产品，在 3G 中，除了使用纯发射分集的解决方案（MISO
12、）外，也没有使用 MIMO 技术。BLAST 研究小组最近取得了以前难以想象的无线频谱效率：2040bps/Hz，比较而言，使用传统的无线调制技术，对于蜂窝移动通信系统取得的频谱效率为：15bps/Hz，对于点对点的微波通信系统取得的频谱效率为：1012bps/Hz，对于 3GPP，表 1.1 给出了在平衰落条件下，24GHz 频段、5MHz 载波间隔，在移动通信的下行链路中，使用 MIMO 技术所取得的峰值数据速率。图1.2.1MIMO系统1.3MIMO-OFDM 将MIMO技术和OFDM技术相结合，能充分利用这两种技术的优点，既能提高分集增益和系统能量，又能增加频谱利用率，有效对抗频率选择
13、性衰弱。因此，MIMOOFDM成为第四代移动通信系统中有效对抗频率选择性衰落，提高数据传输数率，增大系统容量的关键技术。 图1.3.1 MIMO-OFDM发送系统图1.3.2 MIMO-OFDM接收系统2. 移动IPv6技术2.1IPv6技术 新一代互联网协议IPv6，及第6版的互联网协议，是支持今后信息技术发展的关键技术之一。采用IPv6后，可将计算机、移动电话、家用电器和车辆都连接到一个网络平台之中，实现点对点的通信。IPv6解决了IPv4的许多问题，如地址短缺、服务质量保证等。同时，IPv6还对IPv4作了大量的改进，包括路由和网络自动配置等。相对于目前互联网来说，新一代互联网的特征是更
14、大、更快、更安全、更及时、更方便、更可管理和更有效。2.1.1更快新一代互联将比现在的网络速度提高1000倍以上，可以实现端到端的性能通信；更大：新一代互联网将逐渐放弃IPv4，启用IPv6地址协议，想电话号码升级一样，具有无比巨大的地址空间和网络规模。接入网的终端种类和数量以及应用都将及广泛，就可以给家庭中的每一个可能的家电甚至物件分配一个自己的IP地址，让数字化生活变成现实，将把人类带入真正的数字化时代，一切都可以通过网络来控制；2.1.2更安全目前的计算机网络存在大量安全隐患，新一代互联网充分考虑安全问题，具有数据加密功能，可以有效控制、解决网络安全问题；2.1.3更方便可提供无处不在的
15、移动和无线通信应用。移动IPv6协议为用户提供可以动的IP数据服务，让用户可以在世界各地都使用同样的IPv6地址，非常合适未来的无线上网。IPv6中的移动性支持是在制订IPv6的同时作为一个必需的协议内嵌在IP协议中的。和IPv4相比，IPv6的移动支持取消了异地代理，完全支持路由优化，彻底消除了三角路有问题，并且为移动终端提供了足够的地址资源，使得移动IP的实际应用成为可能。2.2移动通信系统中IPv6的特点在4G通信系统中，选择了采用基于IP的全分组的方式传送数据流，因此IPv6技术将成为下一代网络技术的核心协议。选择IPv6协议主要基于以下几点的考虑：2.2.1巨大的地址空间在一段可预见
16、的时期内，它能够为所有可以想象出的网络设备提供一个全球唯一的地址。2.2.2自动控制IPv6还有另一个基本特性就是它支持无状态和有状态两种地址自动配置的方式。无状态地址自动配置方式是获得地址的关键。它使用另一种即插即用的机制，在没有任何人工干预的情况下，获得一个全球唯一的路由地址。有状态配置机制，如DHCP（动态主机配置协议），需要一个额外的服务器，因此也需要很多额外的操作和维护。2.2.3服务质量服务质量（QoS）包含几个方面的内容，从协议的角度来，IPv6与目前的IPv4提供相同的QoS，但是IPv6的优点体现在能提供不同的服务。这些优点来自于IPv6报头中新增加的字段“流标志”。有了这个
17、20位字长的字段，在传输过程中，中国的各节点就可以识别和分开处理任何IP地址流。尽管这对这个流标志的准确应用还没有制定出有关标准，但将来它用于基于服务级别的新计费系统。2.2.4移动性移动IPv6（MIPv6）在新功能核心服务方面可提供更大的灵活性。每个移动设备设有一个固定的家乡地址（home address），这个地址与设备当前接入和联网的位置无关。当设备在家乡以外的地方使用时，通过一个转交地址（care-of address）来提供移动节点当前的位置信息。3 智能天线（sa）所谓“智能天线”就是利用数字信号处理技术，在空间产生指向性波束，使阵列主瓣对准用户到达方向，旁瓣或零陷对准干扰信号到
18、达方向，从而可以高效地利用移动用户信号的空域信息最大化接收期望信号并删除或抑制干扰信号的目的.3.1 智能天线（sa）的基本概念及原理 智能天线的“天线”不仅是指将传统的电磁波转化为无线频率信号，或反之将无线信号转化为电磁波的器件，这在智能天线中称为传感器件。此外，还包括合成模式网由若干个线性时变滤波器组成。由图1所示的智能天线组成可看出，当系统处于接收状态时，由各个天线单元接收到的信号，首先经过射频单元进行放大和下变频等处理后，再进行A/D变换，送入自适应信号处理器中与一组权值进行加权处理，合成后一路得到输出信号；另一路生成误差信号，并用它在某个选定的准则下按照一定的算法控制自适应信号处理器
19、进行权值的更新、完成自适应信号处理。智能天线系统开发出一维新的通信资源，在相同时隙、相同频率或相同地址码情况下，不同的用户仍可以根据信号不同的空间传播路径进行区分。智能天线相当于空时滤波器，在下行方向采用选择性发送，避免了基站的全向功率发送，使基站发射功率大为降低，同时降低了对其他用户的干扰；在上行方向，由于阵列的分集合并作用带来的天线阵的较高的增益，使得移动台的发射功率也可以相应降低。两者使小区内总功率水平降低，小区内、小区间的干扰大大减少。采用智能天线系统会带来更大的系统容量。同时智能天线的空间选择性还可以减少远近效应的影响和前向功率控制的开销。 图3.1.1 自适应智能天线结构示意图3.
20、2 智能天线的分类智能天线，一般可以分为三类：空间分集接收、开关波束天线和自适应天线阵列。它们的复杂度依次递增，性能也依次递增。3.2.1 空间分集接收在无线移动信道中，最大的一个特点就是每一个用户的信号或多或少地要受到信道衰落的影响，信道衰落持续时间的长短有时会成为决定误码率高低的一个重要方面。空间分集中由于每个天线之间相隔较远，接收到的信号之间的相关性很小，利用这个特点可以减小信道深衰落的影响，降低输出信号的误码率。如图23.2.2 开关波束天线 图3是开关波束天线接收机的示意图。接收机中空间角度搜索模块的作用是寻找移动用户所在用的波束；信号滤波器只对波束指向的用户进行信号处理，TDD方式
21、下可以结合一些联合检测的技术进行滤波。在开关天线系统中，利用天线阵列发射一系列相互重叠的波束，对整个小区进行全方位覆盖，每一个波束能量集中方向不同，相互之间以一定的角度区分。3.2.3 自适应天线阵列 自适应天线主要采用一个天线阵列，对每一个用户进行到达角度估计，在对移动用户正确定位的基础上，估计用户信道，最后得到想要的信号。参考文献1 崔 群.新一代互联网协议IPv6的关键技术J.潍坊学院学报，2005.72 闻立群 胡海波 庚志成 . 4G发证特征及趋势分析J.移动通信论坛，2008.13 王志淳 吴峰. IPv6关键技术的分析.J.中国有线电视，2003.234 凌 敏. 4G通信系统的研究. J.电脑知识与技术，2007.85 佟学俭，罗涛。OFDM移动通信技术原理与应用M。北京：北京邮电大学出版社，2003。6 jodephC.Liberti,Theodore S.Rappaport.无线通信中的智能天线:IS-95和第3代CDMA应用【M】.马凉等译.北京：机械工业出版社,2002.
