无线广域网之4g

• TD-SCDMA(Time-Division Synchronous Code Division Multiple Access时分同步码分多 址):是由我国信息产业部电信科学技术研究院提 出，与德国西门子公司联合开发。主要技术特点: 时分同步码分多址技术，智能天线技术和软件无 线技术。它采用TDD双工模式，载波带宽为 1.6MHz。 • WCDMA(Wideband Code Division Multiple Access ):WCDMA源于欧洲和日本几种技术的融 合。WCDMA采用直扩模式，载波带宽为5MHz。 • (Code Division Multiple Access2000):CDMA2000是由美国高通公司提 出。它采用多载波方式，载波带宽为1.25MHz。
• 由于手机用户在一个小区内是随机分布的， 而且是经常变化的，同一手机用户可能有 时处在小区的边缘，有时靠近基站。如果 手机的发射功率按照最大通信距离设计， 则当手机靠近基站时，功率必定有过剩， 而且形成有害的电磁辐射。解决这个问题 的方法是根据通信距离的不同，实时地调 整手机的发射功率，即功率控制。
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• 智能天线技术
• 随着社会信息交流需求的急剧增加、个人 移动通信的迅速普及，频谱已成为越来越 宝贵的资源。智能天线采用空分复用 (SDMA)，利用在信号传播方向上的差别， 将同频率、同时隙的信号区分开来。它可 以成倍地扩展通信容量，并和其他复用技 术相结合，最大限度地利用有限的频谱资 源。对于阵列天线，可以通过调整阵列中 各个元素的加权参数来形成更具方向性的 天线方向图，形成主瓣方向具有较大增益， 而其它副瓣方向增益较小的形式。
• MIMO系统框图：
• 软件无线电技术 • 软件无线电是将标准化、模块化的硬件功 能单元经过一个通用硬件平台，在这个硬 件平台上尽量利用软件技术来实现电台的 各种功能模块。
• 例如使用数字信号处理器(DSP)技术，通过 软件编程来实现各种通信频段的选择，如 HF（高）、VHF（甚高）、UHF（特高） 和SHF（超高）等；通过软件编程来完成 传送信息抽样、量化、编码/解码、运算处 理和变换，以实现射频电台的收发功能； 通过软件编程实现不同的信道调制方式的 选择，如调幅、调频、单边带、数据、跳 频和扩频等；通过软件编程实现不同的保 密结构、网络协议和控制终端功能等。
• 基于IP的核心网
• 移动通信系统的核心网是一个基于全IP的 网络，同已有的移动网络相比具有根本性 的优点，即：可以实现不同网络间的无缝 互联。核心网独立于各种具体的无线接入 方案，能提供端到端的IP业务，能同已有 的核心网和PSTN(公用电话交换网)兼容。 核心网具有开放的结构，能允许各种空中 接口接入核心网；同时核心网能把业务、 控制和传输等分开。
• 多址干扰，是指同CDMA系统中多个用户 的信号在时域和频域上是混叠的。因为 CDMA系统为码分多址，CDMA系统采用 的是不同的地址码来区分每个用户，但多 个用户的信号在时域和频域上是混叠的， 所以在频域会产生一定的同频和邻频干扰。 • 远近效应，移动通信是在运动过程中进行 的，移动台之间会出现近处移动台干扰远 处移动台的现象，称为远近效应。
• 调制与编码技术 • 4G移动通信系统采用新的调制技术，如多 载波正交频分复用调制技术以及单载波自 适应均衡技术等调制方式，以提高频谱利 用率，克服码间串扰。4G移动通信系统采 用更高级的信道编码方案(如Turbo码、级 连码和LDPC等)、自动重发请求(ARQ)技 术和分集接收技术等，从而在低Eb/N0条件 下保证系统足够的性能。
• CDMA（码分多址）基本思想 • CDMA通信系统中，不同用户传输信息所 用的信号不是靠频率不同或时隙不同来区 分，而是用各自不同的编码序列来区分,或 者说，靠信号的不同波形来区分。如果从 频域或时域来观察，多个CDMA信号是互 相重叠的。接收机用相关器可以在多个 CDMA信号中选出其中使用预定码型的信 号。其它使用不同码型的信号因为和接收 机本地产生的码型不同而不能被解调。
• 2G（第二代移动通信技术）
• 相对于前一代直接以模拟信号的方式进行 语音传输，2G移动通信系统对语音系以数 字化方式传输，除具有通话功能外，某些 系统并引入了短信功能。 • 2G技术基本上可依照采用的多路复用 （Multiplexing）技术形式分成两类，一种 是基于TDMA所发展出来的系统，以GSM （移动联通）为代表，另一种则是基于 CDMA（电信）规格所发展出来的系统， 例如cdmaOne（IS-95）。 • 平均速率一般只有十几kbps
• 4G移动系统网络结构可分为三层：物理网 络层、中间环境层、应用网络层。物理网 络层提供接入和路由选择功能，它们由无 线和核心网的结合格式完成。中间环境层 的功能有QoS映射、地址变换和完全性管 理等。
• 4G标准 • LTE (Long Term Evolution，长期演进) 项目是3G的演进，它改进并增强了3G的空 中接入技术，采用OFDM和MIMO作为其无 线网络演进的唯一标准。主要特点是在 20MHz频谱带宽下能够提供下行100Mbit/s 与上行50Mbit/s的峰值速率，相对于3G网 络大大的提高了小区的容量，同时将网络 延迟大大降低。
4G核心技术
• 接入方式和多址方案
• OFDM（正交频分复用）是一种无线环境下的高 速传输技术，其主要思想就是在频域内将给定信 道分成许多子信道，在每个子信道上使用不同的 正交子载波进行调制，各子载波并行传输。尽管 总的信道是非平坦的，即具有频率选择性，但是 每个子信道是相对平坦的，在每个子信道上进行 的是窄带传输，信号带宽小于多径信道的相干带 宽。OFDM技术的优点是可以消除或减小信号波 形间的干扰，对多径衰落和多普勒频移不敏感， 提高了频谱利用率。
• 多用户检测技术 • 在多径衰落环境下，由于各个用户之间所 用的扩频码通常难以保持正交，因而造成 多个用户之间的相互干扰并限制系统容量 的提高。这就需要使用多用户检测技术。 多用户检测的基本思想就是把所有用户的 信号都当作有用信号而不是干扰信号来处 理。这样就可以充分利用各用户信号的用 户码、幅度、定时和延迟等信息，从而大 幅度地降低多径多址干扰，解决远近效应 问题。
• 分级技术结构示意图
• 高性能的接收机
• 4G移动通信系统对接收机提出了很高的要 求。Shannon定理给出了在带宽为BW的 信道中实现容量为C的可靠传输所需要的最 小SNR。按照Shannon定理，可以计算出， 对于3G系统如果信道带宽为5MHz，数据 速率为2Mb/s，所需的SNR为l.2dB；而对 于4G系统，要在5MHz的带宽上传输 20Mb/s的数据，则所需要的SNR为12dB。 可见对于4G系统，由于速率很高，对接收 机的性能要求也要高得多。
• 无线广域网(WWAN)指能覆盖很大面积范 围（一个国家或一个洲）的无线网络，它 能提供更大范围内的无线接入，与其它无 线网络相比较，应更能强调快速移动性。 • 典型的WWAN如GSM移动通信、卫星通信、 3G、4G等系统。 • 从目前的应用实际来看，WWAN的传输速 率还不是很高，对4G的发展充满了期待。
• EDGE是英文Enhanced Data Rate for GSM Evolution 的缩写，即增强型数据速 率GSM演进技术。EDGE是一种从GSM到 3G的过渡技术，俗称2.75G。它主要是在 GSM系统中采用了一种新的调制方法，即 最先进的多时隙操作和8PSK调制技术。由 于8PSK可将现有GSM网络采用的GMSK （高斯最小频移键控，一种正交的2FSK） 调制技术的符号携带信息空间从1扩展到3， 从而使每个符号所包含的信息是原来的3倍。
• 这一标准也是3GPP（一个组织）长期演进 (LTE) 项目，是近两年来3GPP启动的最大 的新技术研发项目，其演进的历史如下： • GSM-->GPRS-->EDGE-->WCDMA->HSDPA/HSUPA-->HSDPA+/HSUPA+->FDD-LTE长期演进 • GPRS可说是GSM的延续，俗称2.5G 。 GPRS和以往连续在频道传输的方式不同， 是以封包（Packet）式来传输，因此使用 者所负担的费用是以其传输资料单位计算。 GPRS的传输速率可提升至56甚至 114Kbps。
• 3G
• 3G是第三代移动通信技术，是指支持高速 数据传输的蜂窝移动通讯技术。3G服务能 够同时传送声音及数据信息，速率一般在 几百kbps以上，最高可达2Mbps 。3G是 指将无线通信与国际互联网等多媒体通信 结合的新一代移动通信系统，目前3G存在3 种标准：CDMA2000（电信3g）、 WCDMA（联通3g）、TD-SCDMA（移动 3g）。
• 香农（shannon）定理：在有随机热噪声 的信道上传输数据信号时，数据传输率 Rmax与信道带宽BW，信噪比S/N关系为： Rmax=BW*log2(1+S/N)=BW*log2(1+Eb/ n0)。 Eb=S*Tb，S为接收信号的功率，Tb 为比特的持续时间，Eb为每比特信号能量。
• 信噪比和分贝的关系：
• HSPA，一种移动通信协议，亦称为3.5G。 HSDPA（High Speed Downlink Packet Access)高速下行分组接入，能够实现高达 14.4Mbit/s的速率。HSUPA (high speed uplink packet access)高速上行链路分组 接入，能够实现高达5.76Mbit/s的速率 。 • LTE标准由TDD和FDD两种不同的双工模 式组成，TDD代表时分双工，也就是说上 下行在同一频段上按照时间分配交叉进行; 而FDD则是上下行分处不同频段同时进行。
• 为减少码间串扰的影响，通常需要在系统 中插入一种可调滤波器来矫正或补偿系统 特性，使系统传输总特性满足奈奎斯特第 一准则。这种起补偿作用的滤波器称为均 衡器。自适应均衡器随信道特性变化而自 适应调节，调整精度高，不需预调时间。 在高速数传系统中普遍使用自适应均衡器 来克服码间串扰。
• Turbo码是一种高效的信道编译码。信道编 码技术可改善数字信息在传输过程中噪声 和干扰造成的误差，提高系统可靠性。其 性能接近于理论上能够达到的最好性能， 纠错能力突出。 • 分集接收技术 分集技术是用来补偿衰落信道损耗的，它 通常利用无线传播环境中同一信号的独立 样本之间不相关的特点，使用一定的信号 合并技术改善接收信号，来抵抗衰落引起 的不良影响。
• 功率控制的原则是，当信道的传播条件突 然变好时，功率控制单元应在几微秒内快 速响应，以防止信号突然增强而对其他用 户产生附加干扰；相反当传播条件突然变 坏时，功率调整的速度可以相对慢一些。 也就是说，宁愿单个用户的信号质量短时 间恶化，也要防止对其他众多用户都产生 较大的背景干扰。
• 网络结构
• 智能天线正是一种能够根据通信的情况， 实时地调整阵列天线各元素的参数，形成 自适应的方向图的设备。这种方向图通常 以最大限度地放大有用信号、抑制干扰信 号为目的，例如将大增益的主瓣对准有用 信号，而在其它方向的干扰信号上使用小 增益的副瓣。
• MIMO技术 • 多输入多输出技术（Multiple-Input Multiple-Output，MIMO）是指在发射端 和接收端分别使用多个发射天线和接收天 线，使信号通过发射端与接收端的多个天 线传送和接收，从而改善通信质量。它能 充分利用空间资源，通过多个天线实现多 发多收，在不增加频谱资源和天线发射功 率的情况下，可以成倍的提高系统信道容 量。
• 4G（第四代移动通信技术） • 随着数据通信与多媒体业务需求的发展， 适应移动数据、移动计算及移动多媒体运 作需要的第四代移动通信开始兴起。4G也 因为其拥有的超高数据传输速度，被中国 物联网校企联盟誉为机器之间当之无愧的 “高速对话”。第四代移动通信系统传输 速率可达到20Mbps，甚至可达100Mbps （下行峰值速率）。
多址技术
CDMA
码 时间
用户3
TDMA
用户3 用户2
时间
用户2 用户1
频率
Байду номын сангаас时间
FDMA
所有用户在同 一时间、同一 频段上、根据 编码获得业务 信道
用户1
频率
用户1 用户2 用户3
业务信道在不同 时间分配给不同用户 如：GSM
频率
业务信道在不同 频段分配给不同用户 如：TACS(一种模拟 移动通信)系统