移动通信技术课程设计

《移动通信技术的未来发展》
课
程
设
计
报
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院系：X X X
专业：X X X
班级：X X X
姓名：X X X
学号：X X X
指导老师：X X X
前言
虽然现今移动通信已经发展的相当成熟了，但是在未来移动通信技术还是有相当大的发展空间，并且那是的移动通信与现在的也许不是一个可比的层次。

在这里我描述了在我的理解中以及在我的意念中未来的移动通信的发展模式和在这样模式中可能会用到的关键技术。

第一章主要讲了移动通行的概念、特征以及移动通信在过去的发展过程与应用，第二章主要讲了在未来移动通信发展的三种模式即4G技术的无线接入、光通信技术以及物联网技术。

现今可以说3G 技术已经相当成熟，4G已在研发阶段，那么不久4G技术必然会取代3G技术而拥有广阔的市场和前景。

现今光通信已经不是一个新鲜词，但如今还没有把光通信的作用发挥到极致，在未来三网融合是必然的，那时光通信才算趋于比较理想的应用。

在现今互联网发达的今天物联网也必定能再未来和互联网拥有等同或者更甚的重要性。

在第三章主要介绍了未来移动通信中可能应用到得主要关键技术，这些技术在现在已经有所应用但是在未来必将发展的更为成熟的。

由于本人是初次写此类课程设计，在编辑的过程中难免会有逻辑、构架、知识点含糊等诸多问题，还请老师谅解。

目录
第一章移动通信的概述 (1)
1. 1 移动通信的概念 (1)
1．2 移动通信的发展与应用趋势 (2)
1．3 移动通信的主要特点及系统构成 (4)
第二章移动通信技术在未来的发展与应用 (7)
2. 1 4G技术的无线接入….. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .……………………….. …. ... … ... ..7
2．2光通信技术 (8)
2．3物联网技术 (9)
第三章未来移动通信的关键技术 (11)
3.1无线信道的特点 (11)
3.2 MIMO与OFDM系统地基本原理 (13)
3.3分布式天线系统 (16)
3.4多用户分集技术 (18)
3.5分层覆盖网络结构 (18)
致谢 (21)
参考文献 (22)
第一章移动通信的概述
1．1移动通信的概念
随着社会的发展，人们对通信的需求日益迫切，对通信的要求也越来越高。

移动通信已成为现代通信中发展最为迅速的一种通信手段。

所谓移动通信是指通信双方，或至少一方，能够在可以动状态下进行信息传输和交换的一种通信方式。

通信双方可以不受时间及空间的限制，随时随地进行有效、可靠和安全的通信，例如，运动中的人与汽车的陆地通信、运动中的轮船与轮船建立的海上通信、运动中的汽车与卫星建立的空间通信等都属于移动通信。

1．2移动通信的发展与应用趋势
Ⅰ.无线通信发展历程
Ⅱ.蜂窝移动通信的飞速发展
第一代移动通信系统采用了模拟调制技术和FDMA接入方式，在使用中暴露出了很多缺点，例如设备体积大成本高，频谱利用率低，保密性差，只能提供低速语音业务等
典型的通信系统有：
先进移动电话业务(AMPS: Advanced Mobile Phone System)
欧移动电话标准(NMS: Nordic Mobile Telephone Standard)
第二代移动通信系统采用了数字调制技术以及TDMA或CDMA接入方式，具有频谱利用率较高、保密性好、系统容量大、接口标准明确等优点。

很好地满足了人们对语音业务以及低速数据业务的需求，因此在世界范围内得以广泛应用。

典型的通信系统有：
全球移动通信系统(GSM: Global System for Mobile)
个人手提电话系统(PHS: Personal Handy-phone System)
个人接入通信系统(PACS: Personal Access Commun. System)
IS-54系统与IS-95系统
第三代移动通信系统是宽带数字通信系统，其设计目标是实现144Kbps的车载通信速率、384Kbps的步行通信速率和2Mbps的室内通信速率；在业务上更加重视移动多媒体业务，能提供多种类型的高质量多媒体业务，语音业务占的比重越来越小；能实现全球无缝覆盖，具有全球漫游能力并与固定网络相互兼容。

第三代移动通信技术的标准化工作由3GPP和3GPP2两个标准化组织来推动和实施。

目前在世界范围内影响最广泛的第三代移动通信系统标准为WCDMA和CDMA2000 以及TD-SCDMA
Ⅲ. 我国移动通信发展历程
Ⅳ.21世纪前10年的无线通信技术
Ⅴ.各种无线通信技术互为补充共同发展
Ⅵ.近距离无线通信：构造个人与家庭网络
使你摆脱电线、电缆的约束，在各种家用电气和掌上设备之间方便的传送信息；
⏹在下班的路上就能开启家中的所有电器；
⏹出差的路途上就能看到你家中任何情况；
⏹……
Ⅶ.射频标签技术：让物体能够与人通信
⏹未来每个物体都带有一个无线接收和发射装置；
⏹每个物体都能应答你，不再为丢失你的钥匙、你的钢笔而烦恼；
⏹取得现有的条形码，物流管理变得极为方便；
⏹恐怖分子无处藏身；
⏹……
Ⅷ.无线自组织网络：军事、救灾……
Ⅸ.技术快速进步为无线通信带来美好发展前景
⏹高速的数字信号处理
⏹超大规模集成电路等技术
⏹数字电路和射频电路制造技术
⏹微处理器技术
⏹Internet网络技术
……
1．3 移动通信的主要特点及系统构成
▲与固定通信相比，移动通信主要存在以下几方面的特点：
1.必须利用无线电波进行信息传输
移动通信是借助无线电波进行信息传输的，通信中的用户可以在一定范围内自由活动，其位置不受束缚，但无线电波的传播特性在一些情况下很差。

一方面，电波传播的
环境十分复杂，会遭受到各种衰落的影响，电波不仅会随着传播距离的增加而发生传播损耗，并且会受到地形、地物的遮蔽而发生阴影衰落，而且电波在传播时会存在反射、绕射、衍射等，将从多条路径到达接收端，这种多径信号的幅度、相位和到达时间都不一样，它们相互叠加会产生多径衰落；另一方面，移动用户的快速移动会使其接受信号中含有附加频率的变化，产生随机调频，即发生了所谓的多普勒效应，从而影响通信质量。

2通信环境存在十分复杂的干扰
在移动通信系统工作于一个多频率、多电台同时工作的开放环境中，会受到各种各样的干扰。

这些干扰中有常见的外部干扰，如天线干扰、工业干扰、信道噪声等，也有来自系统本身的内部干扰，如邻频道干扰、同频干扰、互调干扰等。

因此，抗干扰措施在移动通信系统的设计过程中显得尤为重要。

3.可利用的频率资源有限
在移动通信中，随着移动用户数的不断增加，可利用的频率资源将十分有限。

为解决这一矛盾，一方面要开发新的频段，另一方面要采用各种新技术和新措施，缩小频道间隔、提高频率复用等，以提高频率谱利用率。

4.网络管理控制复杂
根据通信地区的不同需要，移动通信网络可以组成带状、面状或立体状等，可以单网运行，也可以多往并行并实现互联互通。

为此，移动通信网络必须具备很强的管理和控制功能，诸如用户的登记和定位，通信链路的建立和拆除，信道的分配和管理，通信的计费、鉴权、安全和保密管理以及用户过境切换和漫游的控制等。

5.移动设备必须适用于可变的移动环境
对手机的主要要求是体积小、重量轻、省电、操作剪刀和携带方便等。

车载台和机
载台除要求操作简单和维修方便外，还应保证在震动、冲击、高低温变化等恶劣环境中正常工作。

▲移动通信系统的构成
移动通信系统是移动用户之间、移动用户与固定用户之间，以及固定用户与移动用户之间，能够建立许多信息传输通道的传输系统。

系统中主要包括无限收发信机、交换控制设备等。

第二章移动通信技术在未来的发展与应用
纵观目前的移动通信状况，在未来移动通信至少在此三个领域有很大的发展与广阔的应用。

即4G技术的无线接入、光通信技术、物联网技术。

2. 1 4G技术的无线接入
1. 4G的定义
就目前来说,,没有第四代移动通信(4G)的确切定义,但比较认同的解释是“第四代移动通信可称为宽带接入和分布网络,具有非对称的和超过2Mbit/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、互操作的广播网络和卫星系统等。

此外，第四代移动通信系统将是多功能集成的宽带移动通信系统，可以提供的数据传输速率高达100Mbit/s，甚至更高，也是宽带接入ip系统”。

简单而言，4G是一种超高速无线网络，一种不需要电缆的信息超级高速公路。

这样，在有限的频率资源上实现搞速率和大容量，需要频谱效率极高的技术。

4G标准比3G标准具有更多的功能，在不同的固定无线平台和跨越不同频带的网络中，4G课提供无线服务，并可在任何地方实现宽带接入互联网（包括卫星通信和平流层通信），提供信息通道意外的定位定时、数据采集、远程控制等综合功能。

同时，4G系统还是多功能集成的宽带移动通信系统和宽带接入系统
2.
3. 4G的关键技术
第四代移动通信(4G)系统的无线接入网如果沿用传统蜂窝结构,很难满足设计要求
以后可能用于4G系统的改进蜂窝结构,如光纤无线电(RoF)、分布式接收站、多跳无线接入蜂窝、簇-蜂窝,以及全新设计的非蜂窝结构,如Adhoc和分布无线通信系统. 并且普遍认为采用分布式处理/控制和多跳技术的无线接入网比传统蜂窝接入网更符合4G系统的要求。

2．2光通信技术
1.光通信的特点
通信系统的传输容量取决于对载波调制的频带宽度，载波频率越高，频带宽度越宽。

通信技术发展的历史就是一个不断提高载波频率，增加传输容量和传输距离的历史。

电缆通信和微波通信的载波是电波，光纤通信的载波是光波。

虽然光波和点播都是电磁波，但是频率差别很大。

在电磁波谱中，传输的介质有毫米波、微波波导、金属导线及无线电波的大气,且使用的频率数量级范围为：109~1011。

而现在的光纤使用的频率数量级范围为:1014~1015.综上所述,光纤与传统的金属同轴电缆相比具有不可比拟的优越性:
1)巨大的传输容量
这是光纤通信优于其它通信的最显著的特点,光纤使用的频率数量级范围是常用微波的104~105.
2)极低的传输损耗
光纤的传输损耗比电缆的低得多,因此光纤传输比电缆传输的中继距离长得多.
3)抗电磁干扰
光纤是由电绝缘的石英材料制成的,它不怕电磁干扰,也不受外界光的影响.在核辐射的环境中,光纤通信也能正常进行.
4)信道串扰小,保密性好
光纤的结构保证了光在传输中很少向外泄露,因而在光线中传输的信号之间不会产生串扰,更不易被窃听,保密性由于传统的电通信方式.
5)尺寸小、重量轻，安全、易敷设
6)寿命长
由于光缆具有更强烈的适应环境变化和抗腐蚀的能力，光纤通信系统远比金属设施的使用寿命长。

2.光通信在未来的应用
根据我国目前的国情可以知道自由空间光通信的技术可以实现光纤到桌面，完成语音、数据、图像的高速传输，拉动了声讯服务业和互动影视传播，实现了“三网融合”，有利于电子政务、电子商务、远程教育及远程医疗的发展，并产生了巨大的效益。

目前光技术的两个主要发展为WDM和PON，这两个已经相对比较成熟。

多业务传输发展平台包括两个方面，一方面是更有效承载以太网业务、数据业务，另一方面是向业务方面发展。

展望未来，在光通信领域有几个发展热点，即超高速传输系统、超大容量WDM系统、光传送联网技术、新一代光纤、IPoverOptical以及光接入网技术。

2．3物联网技术
1.物联网的概念
物联网通俗点来说，物联网是“实物互联网”的简称。

实物互联网可进一步诠释为利用互联网基础设施构架物联网体系，实现对入网物品的感知、传输与应用。

2.物联网的特点
物联网具备几个主要的特征：互联网特征，即让需要联网的“物”能够实现互联互通；
识别与通信特征即纳入物联网的“物”一定要具备自动识别以及物与物通信(M2M)的功能；智能化特征，即网络系统应具有自动化、自我反馈与智能控制的特点。

3.物联网有3种应用架构模型
一是基于RFID的应用架构，电子标签可能是3类技术体系中最灵活的能够把“物”改
变成为智能物件的，它的主要应用是把移动和非移动资产贴上标签，实现各种跟踪和管理。

二是基于传感网络应用的架构，一般主要是指无线传感网络(WSN)，此外还有视觉传感网(VSN)、人体传感网(BSN)等其他传感网
三是基于M2M应用架构，业界认同的M2M理念和技术架构覆盖的范围应该是最广泛的，包含了EPCGlobal和WSN的部分内容，也覆盖了有线和无线两种通信方式;M2M也覆盖和拓展了工业信息化(两化融合)中传统的SCADA系统。

4.物联网要用到的技术
在物联网整个框架中EPCglobal提出了Auto-ID系统的5大技术组成，分别是EPC(电子产品码)标签、RFID标签阅读器、ALE中间件实现信息的过滤和采集、EPCIS信息服务系统、信息发现服务(包括ONS和PML)；其他技术还包括射频识别技术(RFID)、无线传感网络技术(WSN)、微电子机械系统技术、专用集成电路与嵌入式软件技术(SOC)等。

第三章未来移动通信的关键技术
移动通信的发展是庞大的，它需要多项高新技术的支持，未来移动通信的关键技术可能主要有信道建模理论、调制编码技术、分集接收技术、信道均衡技术、多用户检测技术、智能天线技术、功率控制技术、切换技术、无线网络技术、高速分组接入技术等。

在其中最主要的知识点有：
⏹无线信道特点
⏹MIMO系统的基本原理
⏹OFDM系统地基本原理
⏹分布式天线系统
⏹多用户分集技术
⏹分层覆盖网络结构
3.1无线信道的特点
移动信道是一个非常复杂的动态信道，取决于用户所在地点环境条件，其信道参数是时变的。

利用这类复杂的移动信道进行通信，首先必须分析和掌握信道的基本特点和实质，然后才能针对存在的问题一一对症下药给出相应技术解决方案
任何一种通信系统都是围绕着如何完成通信的三项基本指标——有效性，可靠性和安全性进行不断的优化。

1. 移动通信信道的主要三个特点
1)传播的开放性（直射波、反射波、绕射波）
2)接收地点地理环境的复杂性与多样性
3)通信用户的随机移动性
2. 三类不同层次的损耗
1) 路径传播损耗
2) 慢衰落损耗
空间选择性快衰落
3) 快衰落频率选择性快衰落
时间选择性快衰落
3. 移动通信四种主要效应
1) 阴影效应
由大型建筑物和其它物体的阻挡，在电波传播的接收区域中产生传播半盲区。

它类似于太阳光受阻挡后可产生的阴影，光波的波长较短，因此阴影可见，电磁波波长较长，阴影不可见，但是接收终端与专用仪表可以测试出来
2)多普勒效应
它是由于接收用户处于高速移动中比如车载通信时传播频率的扩散而引起的，其扩散程度与用户运动速度成正比。

这一现象只产生在高速(≥70km/h)车载通信时，而对于通常慢速移动的步行和准静态的室内通信，则不予考虑
3) 远近效应
由于接收用户的随机移动性，移动用户与基站之间的距离也是在随机变化，若各移动用户发射信号功率一样，那么到达基站时信号的强弱将不同，离基站近者信号强，离基站远者信号弱。

通信系统中的非线性将进一步加重信号强弱的不平衡性，甚至出现了以强压弱的现象，并使弱者，即离基站较远的用户产生掉话(通信中断)现象，通常称这一现象为远近效应。

4) 多径效应
由于接收者所处地理环境的复杂性、使得接收到的信号不仅有直射波的主径信号，还有从不同建筑物反射过来以及绕射过来的多条不同路径信号。

而且它们到达时的信号强度，到达时间以及到达时的载波相位都是不一样的。

所接收到的信号是上述各路径信号的矢量和，也就是说各径之间可能产生自干扰，称这类自干扰为多径干扰或多径效应。

这类多径干扰是非常复杂的，有时根本收不到主径直射波，收到的是一些连续反射波等等。

4. 三类多径干扰
1)第一类多径干扰：是由于快速移动用户附近的物体的反射而形成的干扰信号，其特
点是由于用户的快速移动因此在信号的频域上产生了多普勒(Doppler)频移扩散，而引起信号在时域上时间选择性衰落。

2)第二类多径干扰：用户信号由于远处的高大建筑物与山丘的反射而形成的干扰信
号。

其特点是传送的信号在空间与时间上产生了扩散。

空域上波束角度的扩散将引起接收点信号产生空间选择性衰落，时域上的扩散将引起接收点信号产生频率选择性衰落。

3)第三类多径干扰：它是由于接收信号受基站附近建筑物和其它物体的反射而引起的
干扰。

其特点是严重影响到达天线的信号入射角分布，从而引起信号在空间的选择性衰落。

三类多径干扰的示意图
3.2 MIMO与OFDM系统地基本原理
MIMO全称为Multiple Input Multiple Output，即多输入多输出。

MIMO技术就是在无线发射端和接收端均采用多个天线或者天线阵列，利用多天线进行多点传输，来抑制信道衰落和信号干扰。

2.MIMO的技术原理
假设在无线发射端和接收端都安装了三根无线天线，那么通过MIMO技术的多入多出原理，在发送端，传输的信息流经过MIMO信号处理（比如空时编码，这样可以降低信道误码率）之后形成三个信息子流，这三个子流由三根发送天线发射出去；在接收端，由三根接收天线接收。

在发射端的三个子流同时发送到信道，各发射信号占用同一频带，并未增加带宽。

天线的数量越多，信道容量也将随之增大，这样在不增加带宽和无线发射功率的情况下，频谱利用率将成倍提高。

3.MIMO的优势
归纳起来，MIMO主要有三大技术优势：
高速无线传输：采用MIMO技术的Wi-Fi网络传输速度是IEEE 802.11b标准的20倍，是IEEE 802.11a/g的4倍。

在下一代无线局域网标准IEEE 802.11n中将采用MIMO技术，传输速率高达320Mbps，净传输速率为108Mbps。

强抗干扰能力：MIMO技术是通过空间分集技术来克服无线传输中的信道衰落，该空间分集又分为接收分集（SIMO系统）和发射分集（MISO系统）。

高频谱利用率：通过MIMO技术可以在不增加带宽和无线发射功率的情况下，成倍提高频谱利用率，比如在室内环境下的频谱利用率可以达到20～40bps/Hz；而传统无线通信技术在移动蜂窝中的频谱利用率为1～5bps/HZ。

4. OFDM的基本原理
将高速的数据流分解为多路并行的低速数据流，在多个载波上同时进行传输。

对于低速并行的子载波而言，由于符号周期展宽，多径效应造成的时延扩展相对变小。

当每个OFDM 符号中插入一定的保护时间后，码间干扰几乎就可以忽略
1)OFDM的优点
抗衰落能力强
OFDM把用户信息通过多个子载波传输，在每个子载波上的信号时间就相应地比同速率的单载波系统上的信号时间长很多倍，使OFDM对脉冲噪声和信道快衰落的抵抗力更强。

同时，通过子载波的联合编码，达到了子信道间的频率分集的作用，也增强了对脉冲噪声和信道快衰落的抵抗力。

因此，如果衰落不是特别严重，就没有必要再添加时域均衡器。

⏹频率利用率高
OFDM允许重叠的正交子载波作为子信道，而不是传统的利用保护频带分离子信道的方式，提高了频率利用效率。

⏹适合高速数据传输
OFDM自适应调制机制使不同的子载波可以按照信道情况和噪音背景的不同使用不同的调制方式。

当信道条件好的时候，采用效率高的调制方式。

当信道条件差的时候，采用抗干扰能力强的调制方式。

再有，OFDM加载算法的采用，使系统可以把更多的数据集中放在条件好的信道上以高速率进行传送。

因此，OFDM技术非常适合高速数据传输。

⏹抗码间干扰能力强
ISI是数字通信系统中最主要的干扰之一，它与加性的噪声干扰不同，是一种乘性的干扰。

造成码间干扰的原因有很多，实际上，只要传输信道的频带是有限的，就会造成一定的码间干扰。

OFDM由于采用了循环前缀，对抗码间干扰的能力很强。

⏹MIMO系统可以抗多径衰落，但对于频率选择性衰落，MIMO仍是无能为力，现在一般
采用均衡技术来解决MIMO系统中的频率选择性衰落。

⏹ OFDM被认为是下一代移动通信中的核心技术。

4G需要高的频谱利用率的技术，但
OFDM提高频谱利用率的能力毕竟有限。

如果结合MIMO技术，可以在不增加系统带宽的情况下提高频谱效率。

2)OFDM技术的发展及应用
OFDM源于多载波调制(MCM)技术，上世纪60年代美国军方创建了世界上第一个MCM系统，进而在70年代出现了以多载波及频率重叠为核心内容的OFMD技术，其调制解调部分通过FFT技术实现。

80年代大规模集成电路极大的改善FFT性能，进而OFDM正式步入了通信的舞台。

其应用主要有：数字音频广播(DAB)，数字用户环路(xDSL)，陆地数字视频广播系统(DVB)，无线局域网(WLAN) ——IEEE 802.11, 802.16
3.3分布式天线系统
1.分布式天线结构
2. 分布式移动通信系统简介
分布式移动通信系统中，远程接入单元（RAU）通过射频光纤连接到BS，使有线宽带更接近于移动用户。

每个RAU的无线信号覆盖范围定义为射频小区（RF-Cell），连接到同一个BS的RAU总的覆盖区域定义为广义小区（GN-cell），这些RAU可以用于宏分集或者实现并行空分复用传输。

⏹分布式移动通信系统是对传统分布式天线系统的发展和对未来多天线移动通信系统
的高度概括。

3. 分布式移动通信系统的特点
⏹扩大了覆盖面积，有利于空间资源的充分利用：这是采用分布式系统的最大的优
势，由于RAU散布于整个覆盖区域，其空间资源将更有利于被充分地开发利用。

此外，通过RAU的灵活布置，无线信号能够更有效地传送到GN-cell的各个位置，且易于环境自适应地构造无线通信网络；
⏹适合于未来移动通信较高工作频点的要求：为缓解无线频段资源有限和带宽需求日
益增长之间的矛盾，移动通信的工作频点将逐步提升。

但是较高的系统工作频率将导致无线信号在空间传输中快速衰落，若采用传统的蜂窝结构，微蜂窝结构存在的问题就会重现，而在分布式移动通信系统中，RAU更靠近MS，更易于在低发射功率的情况下满足高频点的链路预算，同时也解决了微蜂窝结构导致的频繁切换的问题。

⏹提高了信号的传输质量：在分布式移动通信系统中，通过RAU选择代替Simulcasting
信号发送模式，因此不再是系统内所有分布式天线都发送相同的信号，而只是由激活集中的RAU与MS之间完成信号的收发，从而大大减小了系统的总干扰。

此外，在分布式移动通信系统中，RAU通过射频光纤连接到BS，相比传统的蜂窝系统大大缩短了信号的无线传输距离，以传输质量很高的光纤取代恶劣的无线信道，实际上是利用有线传输的优势来弥补了无线传输的缺憾，缩短了无线传输距离，有利于降低误码率，提高系统性能
⏹提高了系统的工作效率：传统的蜂窝系统通常通过缩小小区半径来改善链路质量解
决网络负载过大的问题，但随之带来的问题在于基站数目增多，切换次数增加。

分布式移动通信系统通过分布式的RAU完成无线覆盖，和BS相比，RAU仅需要完成信号的收发工作，并不完成信息处理的工作，其结构比BS简单且便宜，从而大。