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

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

摘要

4G寬帶移動通信技術(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)因其對信號頻譜的高效利用而成為寬帶移動通信中備受矚目的技術(shù)。但在無線信道中，因傳輸時延和多徑衰落的影響而產(chǎn)生的符號間
干擾和子載波間干擾會嚴(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處理方法來降低系統(tǒng)的誤碼率，實現(xiàn)性能的提高。本文首先介紹了第四代移動通信產(chǎn)生的背景及技術(shù)特點，之后主要分析了高速移動的環(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OFDM通信系統(tǒng)進行了相應(yīng)的仿真，對系統(tǒng)的性能做出了分析。
關(guān)鍵詞：第四代移動通信4G，正交頻分復(fù)用OFDM，信道均衡，時變信道，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（CEPT）成立了移動通信特別小組（GSM），開發(fā)數(shù)字蜂窩移動通信技術(shù)。1987年，GSM就泛歐洲數(shù)字蜂窩系統(tǒng)的GSM協(xié)議達成一致意見。1991年，GSM數(shù)字蜂窩移動通信系統(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)字蜂窩移動通信系統(tǒng)如DAMPS/JDC等也相繼投入使用。同時以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第二代移動通信時期，可以實現(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：系統(tǒng)容量依然比較小，頻率利用率不高，抗干擾能力不強，并且不適合傳輸高數(shù)據(jù)及多媒體業(yè)務(wù)等。隨著信息社會的發(fā)展，移動IP寬帶數(shù)據(jù)和多媒體業(yè)務(wù)也在增加，第二代移動通信系統(tǒng)的缺點和局限也開始暴露出來。人們在信息時代的召喚下研究出了新的通信系統(tǒng)，也就是第三代移動通信系統(tǒng)。
第三代移動通信系統(tǒng)由衛(wèi)星移動通信網(wǎng)和地面移動通信網(wǎng)組成，獎形成一個對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2Mbit/s的先進移動通信網(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 之前的移動通信系統(tǒng)稱為窄帶系統(tǒng)，從 3G 系統(tǒng)開始，移動通信進入寬帶時代，3G 系統(tǒng)的峰值數(shù)據(jù)速率可達 2Mbps。未來的高速無線傳輸要求數(shù)據(jù)速率達到 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。



1.2 OFDM系統(tǒng)的產(chǎn)生
若從技術(shù)層面來看，第三代移動通信系統(tǒng)主要是以CDMA為核心技術(shù)，三代以后的移動通信系統(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通信系統(tǒng)不能滿足多媒體業(yè)務(wù)的需要,但是對于高速數(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延擴展，而且高速信息流的符號寬度又相對較窄，所以符號之間會存在較嚴(yán)重的符號間干擾（ISI：Inter-Symbol Interference），因此對單載波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)練符號要足夠多，訓(xùn)練時間要足夠長，而均衡算法的復(fù)雜度也會大大增加。對于窄帶CDMA來說，其主要問題在于擴頻增益與高速數(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，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)的一個非常重要的特點是采用閉環(huán)的功率控制，這在電路交換系統(tǒng)中比較容易實現(xiàn)，但對于分組業(yè)務(wù)來說，對信道進行探測，然后再返回功率控制命令會導(dǎo)致較大的時延，因此對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OFDM技術(shù)的實際應(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。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），它在移動通信中的運用也是大勢所趨。1999年IEEE802．11a通過了一個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，而帶寬的增加會使采樣間隔小于信道的時延擴展，這樣就產(chǎn)生了多徑環(huán)境下的頻率選擇性衰落。同時移動臺和基站之間的高速相對移動帶來多普勒效應(yīng)，多普勒效應(yīng)使得傳輸信道隨時間而快速變化，從而引起信道的時間選擇性衰落。收發(fā)信機之間的相對運動和載波頻偏都會導(dǎo)致信道快速時變，而且隨著載頻和移動速度的提高，信道的時變特性越來越明顯，因此，未來寬帶移動通信系統(tǒng)將遭受信道時-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)流分解成若干個子比特流，這樣每個子數(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)符號再去調(diào)制相應(yīng)的子載波，就構(gòu)成多個低速率符號并行發(fā)送的傳輸系統(tǒng)。正交頻分復(fù)用是對多載波調(diào)制（MCM：Multi-Carrier Modulation）的一種改進。它的特點是各子載波相互正交，所以擴頻調(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的一個主要原因在于該系統(tǒng)能夠很好地對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，分配到速率相對較低的若干個頻率子信道中進行傳輸，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，首先對二進制數(shù)據(jù)進行編碼和交織，這樣可以克服隨機噪聲和突發(fā)噪聲的影響，然后進行PSK或者QAM調(diào)制，再進行串并(S/P)變換，將一路信號分成N路，通過N點的IFFT處理把數(shù)據(jù)調(diào)制到多個相互正交的子載 ……（未完，全文共22534字，當(dāng)前僅顯示4053字，請閱讀下面提示信息。收藏《畢業(yè)論文：4G通信在高速移動環(huán)境中的挑戰(zhàn)與對策研究》）