第四代移动通信系统4G

域和频域同步信息的提取，再由基站发回移动终端，以便让移动
终端进行同步。具体实现时，同步可以分别在时域或频域进行， 也可以时频域同步同时进行。
第7章 第四代移动通信系统(4G)
2) 信道估计
在OFDM系统中，信道估计器的设计主要有两个问题：
一是导频信息的选择，由于无线信道常常是衰落信道，需要
不断对信道进行跟踪，因此导频信息也必须不断地传送；二 是既有较低的复杂度又有良好的导频跟踪能力的信道估计器 的设计。在实际设计中，导频信息的选择和最佳估计器的设 计通常又是相互关联的，因为估计器的性能与导频信息的传 输方式有关。
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7.1.2 4G的概念
第四代移动通信可称为宽带接入和分布式的网络,它具 有非对称的超过2 Mb/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、移动宽带系统和交互式广播网络。 第四代移动通信系统超越标准可以在不同的固定、无线平台 和跨越不同的频带的网络中提供无线服务，可以在任何地方 用宽带接入互联网(包括卫星通信和平流层通信)，能够提供
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2. OFDM系统结构
OFDM系统的典型框图如图7-2所示。图中，上半部分 对应于发射机链路，下半部分对应于接收机链路。发送端将 被传输的数字数据转换成子载波幅度和相位的映射，并进 行IDFT(反离散傅立叶变换)将数据的频域表达式变到时域上。 图中的IFFT(反快速傅立叶变换)与IDFT的作用相同，只是有 更高的计算效率，所以适用于所有的系统。接收端进行与发
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前3代移动通信技术的回顾
第1代通信技术 第2代通信技术 第3代通信技术
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第1代通信技术
主要采用的是模拟技术和频分多址技术。由于受到传输带 宽的限制，不能进行移动通信的长途漫游游，只能是一种区域 性的移动通信系统。第一代移动通信有多种制式，我国主要采 用的是TACS。第一代移动通信有很多不足之处，比如容量有 限、制式太多、互不兼容、保密性差、通话质量不高、不能提
交换方式
3G保留了2G所使用的电路交换，采用的是电路 交换和分组交换并存的方式，而4G将完全采用基 于IP的分组交换，使网络能根据用户需要分配带 宽。
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7.4 4G的关键技术
7.4.1 OFDM技术 1. OFDM的基本原理 OFDM(正交频分复用)是一种无线环境下的高速传输技术， 其基本原理是：将高速数据信号通过串/并变换，分配到传输速率 相对较低的若干个子信道中进行传输。在频域内将信道划分成若
送端相反的操作，将RF信号与本振信号进行混频处理，并
用FFT变换分解为时域信号，子载波的幅度和相位被采集出 来并转换回数字信号。
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图7-2 OFDM收/发机框图
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3. OFDM系统的优势
(1) 高速率的数据流通过串/并变换使得每个子载波的数据符 号持续长度相对增加，这有效地减少了无线信道的时间弥散所带
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第3代通信技术
第三代移动通信网络能将高速移动接入和基于互联 网协议的服务结合起来，提高无线频率利用效率。提 供包括卫星在内的全球覆盖并实现有线和无线以及不 同无线网络之间业务的无缝连接。满足多媒体业务的 要求，从而为用户提供更经济、内容更丰富的无线通 信服务。
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干个互相正交的子信道，每个子信道均拥有自己的载波，分别对
其进行调制，信号通过各个子信道独立地进行传输。如果各个子 信道的带宽被划分得足够窄，每个子信道的频率特性就可近似地
看做是平坦的，即每个子信道都可看做无符号间干扰的理想信道。
这样在接收端不需要使用复杂的信道均衡技术即可对接收信号可 靠地进行解调。
业务。
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7.3 4G的网络结构
虽然4G系统尚处于研究的起步阶段，其网络结构也还 没有成型，但是对于这方面的研究已有很多，网络的融合趋 势是显而易见的。基于网络融合的4G网络架构如图7-1所示。 从图7-1中可以看出，基于人们目前对4G宽带接入和分布网
络的普遍理解，未来的4G网络将是一种全IPv6的网络结构(
与FDMA、TDMA和CDMA等多址方式结合使用时，时域和频域
同步显得尤为重要。与其他数字通信系统一样，同步分为捕获和 跟踪两个阶段。在下行链路中，基站向各个移动终端广播式发送
同步信息，所以，下行链路同步相对简单，较易实现。在上行链
路中来自不同移动终端的信号必须同步到达基站，才能保证载波 间的正交性。基站根据各移动终端发来的子载波携带信息进行时
Mb/s；对于低速移动用户(室内或步行者)，数据速率为100 Mb/s。 4G系统容量至少应是3G系统容量的10倍以上。
(2) 网络频带更宽。每个4G信道将占有100 MHz频谱，相当
于WCDMA 3G网络的20倍。 (3) 兼容性更加平滑。4G应该接口开放，能够跟多种网络互
连，并且具备很强的对2G、3G手机的兼容性，以完成对多种用
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网络结构
3G采用的主要是蜂窝组网，4G将突破这个概念，
发展以数字广带(Broad band)为基础的网络，成为一个 集无线LAN和基站宽带网络的混合网络，这种基于IP 技术的网络架构使得在3G,4G,W-LAN,固定网之间的漫 游得以实现。
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地振荡器之间存在的频率偏差，都会使OFDM系统子载波的
正交性遭到破坏，导致子信道的信号相互干扰。这种对频率 偏差的敏感是OFDM系统的主要缺点。
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(2) 存在较高的峰值平均功率比。多载波系统的输出是
多个子信道信号的叠加，如果多个信号的相位一致，所得到
的叠加信号的瞬时功率就会远远高于信号的平均功率，这样
第4代通信技术
第四代移动通信标准应该比第三代标准具有更多的功 能。第四代移动通信可以在不同的固定、无线平台和跨 越不同的频带的网络中提供无线服务，可以在任何地方 宽带接入互联网（包括卫星通信），能够提供信息通信 之外的定位定时、数据采集、远程控制等综合功能。同 时，第四代移动通信系统还应该是多功能集成的宽带移 动通信系统，是宽带接入IP系统。
谱相互重叠，因此与常规的频分复用系统相比，OFDM系统可以
最大限度地利用频谱资源。当子载波个数很多时，系统的频谱利 用率趋于2 Baud/Hz。
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(3) 各个子信道中的正交调制和解调可以通过反离散傅
立叶变换(IDFT)和离散傅立叶变换(DFT)的方法来实现。对 于子载波数目较大的系统，可以通过快速傅立叶变换(FFT) 来实现。而随着大规模集成电路技术与DSP技术的发展， IFFT与FFT都是容易实现的。 (4) 无线业务一般存在非对称性，即下行链路中的数据 传输量大于上行链路中的数据传输量，这就要求物理层支持
第7章 第四代移动通信系统(4G)
7.1.1 4G的产生背景
尽管目前3G的各种标准和规范已达成协议，并已开始 商用，但3G技术仍存在一些不足。3G的局限性主要体现如 下： (1) 3G仍缺乏全球统一标准； (2) 3G所运用的语音交换架构仍承袭了2G的电路交换， 而不是完全IP形式；
(3) 由于采用CDMA技术，因此3G难以达到很高的通信
非对称高速率数据传输。OFDM系统可以通过使用不同数量
的子载波来实现上行和下行链路中不同的传输速率。
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(5) OFDM可以容易地与其他多种接入方式结合使用，
构成各种系统，其中包括多载波码分多址MC-CDMA、跳频
OFDM以及OFDM-TDMA等，从而使得多个用户可以同时
速率，无法满足用户对高速多媒体业务的需求；
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(4) 由于3G空中接口标准对核心网有所限制，因此3G难
以提供具有多种QoS及性能的各种速率的业务；
(5) 由于3G采用不同频段的不同业务环境，因此需要移
动终端配置有相应不同的软、硬件模块，而3G移动终端目 前尚不能够实现多业务环境的不同配置，也就无法实现不同 频段的不同业务环境间的无缝漫游。 所有这些局限性推动了人们对下一代通信系统—4G的 研究和期待。
利用OFDM技术进行信息传输。
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4. OFDM系统的缺点
OFDM系统内存在有多个正交的子载波，而且其输出信 号是多个子信道的叠加，因此与单载波系统相比存在如下缺 点： (1) 易受频率偏差的影响。子信道的频谱相互覆盖，这 对其正交性提出了严格的要求。由于无线信道的时变性，在 传输过程中出现无线信号的频谱偏移，或发射机与接收机本
第7章 第四代移动通信系统(4G)
会出现较大峰值平均比，可能带来信号畸变，使信号的频谱 发生变化，从而导致各个子信道之间的正交性遭到破坏，产 生干扰，使系统的性能恶化，这就对发射机内功率放大器提 出了很高的要求。
第7章 第四代移动通信系统(4G)
5. OFDM系统的主要技术
1) 时域和频域同步 OFDM系统对定时和频率偏移敏感，特别是实际应用中可能
供数据业务、不能提供自动漫游等。
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第2代通信技术
主要采用的是数字的时分多址（TDMA）技术和码分多址（CDMA） 技术。主要业务是语音。它克服了模拟移动通信系统的弱点，话 音质量、保密性能得到大的提高，并可进行省内、省际自动漫游。 第二代移动通信替代第一代移动通信系统完成模拟技术向数字技 术的转变，但由于第二代采用不同的制式，移动通信标准不统一， 用户只能在同一制式覆盖的范围内进行漫游，因而无法进行全球 漫游，由于第二代数字移动通信系统带宽有限，限制了数据业务 的应用，也无法实现高速率的业务如移动的多媒体业务。
包括各种接入网和核心网)，4G系统将是一个集成广播电视 网络、无线蜂窝网络、卫星网络、无线局域网、蓝牙等系统
和固定的有线网络为一体的结构，各种类型的接入网通过媒
体接入系统都能够无缝地接入基于IP的核心网，形成一个公 共的、灵活的、可扩展的平台。
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图7-1 4G网络架构
定位定时、数据采集、远程控制等综合功能。此外，第四代
移动通信系统是多功能集成的宽带移动通信系统，是宽带接 入IP系统。
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7.1.3 4G的特点
4G主要具有以下特点： (1) 高速率，高容量。对于大范围高速移动用户(250 km/h)，
数据速率为2 Mb/s；对于中速移动用户(60 km/h)，数据速率为20
来的符号间干扰，从而减少了接收机内均衡的复杂度。有时甚至
不采用均衡器，而仅仅通过插入循环前缀的方法即可消除符号间 干扰的不利影响。
(2) 传统的频分多路传输方法是将频带分为若干个不相交的
子频带来传输并行数据流，子信道之间要保留足够的保护频带。 而OFDM系统由于各个子载波之间存在正交性，允许子信道的频
户的融合；在不同系统间进行无缝切换，传送高速多媒体业务数 据。
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(4) 灵活性更强。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。 (5) 具有用户共存性。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。 运营商或用户花费更低的费用就可随时随地地接入各种
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3) 信道编码与交织
为了提高数字通信系统性能，信道编码和交织是通常采 用的方法。对于衰落信道中的随机错误，可以采用信道编码； 对于衰落信道中的突发错误，可以采用交织。实际应用中通 常同时采用信道编码和交织，进一步改善整个系统的性能。 在OFDM系统中，如果信道频域特性比较平缓，均衡是无法 再利用信道的分集特性来改善系统性能的，因为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 经被OFDM这种调制方式本身所利用了。但是OFDM系统的 结构却为在子载波间进行编码提供了机会，形成OFDM编码 方式。