4G移动通信系统的关键技术.docx

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4G移动通信系统的关键技术

信息职业技术学院

课程专题研究论文

作者第四组（王薛涛、陆钰霞、笪阳、吉小芳、马一鸣、袁瑶瑶）学号36、6、20、4、29、45

系部5系

专业通信技术（通信工程与监理）

题目4G移动通信系统的关键技术

指导教师顾艳华

评阅教师顾艳华

完成时间：

2015年5月26日

题目：

4G移动通信系统的关键技术

摘要：

LTE标准在3GPP的研讨下在2009年正式出台，下行速率可以达到100Mbps，标志着百兆时代正式来临。

本文主要针对4G移动通信系统其中的4个关键技术针对它们的原理，优势等方面进行简略的介绍，分别是OFDMA、SC-FDMA、智能天线以及MIMO、自适应调制编码技术以及全IP组网方式。

其中4G系统上下行接入方式并不一样，在讲究速率的下行采用的是OFDM接入方式，而下行采用的是单载波的SC-FDMA。

MIMO技术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。

自适应调制编码技术是根据无线信道变化选择合适的调制和编码方式，网络侧根据用户瞬时信道质量状况和目前资源选择最合适的下行链路调制和编码方式，使用户达到尽量高的数据吞吐率。

文章最后同时针对4G网络架构进行简要点评。

二、关键词：

高速率、OFDMA、SC-FDMA、全IP、MIMO

摘要

第一章绪论

进入21世纪，计算机网络在全球迅速普及，宽带无线接入市场开始兴起，由于采用了基于标准的IP网作为核心网并考虑了突发型数据业务的需求，宽带无线接入速率可达几百kbps甚至几十Mbps，明显优于基于蜂窝移动网络的2.5G/3G手机移动业务，为了抢占宽带接入无线接入市场，3GPP早在2002年6月就确定了通用移动通信系统（UMTS）演进R5版本，在接入网部分通过引入IP技术实现核心网与接入网的全免IP化，成为了全IP的第一个版本。

其中，在下行链路R5使用了高速下行分组接入（HSDPA）技术，使得峰值速率可高达10Mbps。

在2004年12月，3GPP确定了R6版本，使用高速上行分组接入（HSUPA）技术，以解决上行链路分组化问题。

与此同时，随着全球微波互联接入（WorldinteroperabilityforMicrowaveAccess，WIMAX）技术的崛起，其为用户所提供的在20MHz的带宽下能提供高达70Mbps的峰值速率让3GPP感受到来自市场的巨大竞争压力。

为了应对WIMAX带来的挑战，4G技术随之诞生。

对比前几代LTE中的关键技术都有了相当大的提高。

第二章接入方式与多址方案

2.1OFDMA技术【1】

OFDMA和SC-FDMA技术为了在有限的宽带传送更多更大的信息量，LTE通信标准中选取了OFDM技术和SC-FDMA技术作为LTE技术中的调制型技术。

SC-FDMA技术是应用在上行的通信过程中的，是一种相对特定的优化的OFDMA技术，这种技术具有更低的峰值比可以提高用户终端产品在上行通信中的功能效率OFDMA技术的应用可以在多个正交子载波对高速数据流中进行分流，这样就降低了相同数据量在不同情况下需要的传输速率，增大单个符号的传输时间就可以增强LTE系统的实际抗干扰力，减小了信息通信数据之间的干扰效果。

2.1.1OFDMA技术原理

OFDMA：

正交频分多址OrthogonalFrequencyDivisionMultipleAccess（OFDMA）：

主要思想：

将信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到在每个子信道上进行传输，然后在部分子载波上加载传输数据。

OFDMA技术优点：

频谱效率高，来源于正交传输；采用CP回避用户间干扰，频谱效率高。

OFDMA技术克服的是由于多径效应产生的频率选择性衰弱。

图2-1图2-2

2.1.2OFDM系统参数分析与设计

图2-3图2-4

由上图分析表明：

采用IFFT产生OFDM信号决定了：

子载波间隔△f=1/T（T为OFDM符号周期）。

△f不能太小：

必须能容忍一定车速下的多普勒频移动效应，起到分隔干扰效果。

△f不能太大：

T过小，则对应CP开销过大，增加系统负担。

典型△f值：

10-20kHZ，LTE实际经验建议值:

15kHZ（符号长度66.67us）。

CP不能太小：

必须能覆盖主要多径的时延扩展，容忍一定的定时误差。

CP不能太大：

信令开销限制了CP不能无限扩大。

CP可以采用多个选项：

LTE：

常规CP:

4.687ms扩展CP:

16.67ms超长CP:

33.33。

2.2SC-FDMA技术【2】

2.2.1SC-FDMA技术原理

SC-FDMA（Single-carrierFrequency-DivisionMultipleAccess，单载波频分多址），是LTE推荐的上行链路多址技术。

SC-FDMA产生方法：

是在OFDM的IFFT调制之前对信号进行DFT扩展,SC-FDMA由于采用单载波的方式，与OFDMA相比之下具有较低的PAPR（峰值/平均功率比，peak-to-averagepowerratio），比多载波的PAPR低1-3dB左右。

较低的PAPR可以使手机終降低硬件集成度门槛，减少突发性的高功耗硬件，进而可以延长手机电池的使用时间。

图2-5

2.2.2SC-FDMA、OFDMA技术对比及联合采用SC-FDMA和OFDMA在传输性能方面，无论编码方式是QPSK还是16QAM，都有比较接近的曲线.上图可以看出：

SC-FDMA能对于单用户获得低PAPR的效果。

SC-FDMA特别适合单用户的情况下进行传输，此时的SC-FDMA的PAPR远低于OFDMA技术的，所以SC-FD-MA是特别为上行链路量身定制的LTE关键技术，能提高终端电池使用时间。

第三章自适应调制编码技术【3】

自适应调制编码（AdaptiveModulationandCoding，AMC）技术[1]就是根据信道条件的变化，动态地选择适当的调制和编码方式（ModulationandCodingScheme，MCS），变化的周期为一个传输时间间隔（TransmissionTimeInterval，TTI）。

将自适应调制编码技术运用于LTE系统中，可以在保证系统误码率或者误帧率前提下，获得较高的系统吞吐量，从而提高了系统的频谱利用率。

自适应技术在OFDM系统中的实现

OFDM系统中的自适应技术，其实现过程可分为以下3步：

3.1信道估计

自适应技术根据时变信道的变化情况，改变下一个信号帧（或时隙）的发送参数，因此首先需要对时变信道的质量进行估计，得到信道状态信息（CSI）。

信道的状态信息可以由多种参数来表征，最常用的信道状态信息是信道的传输函数，除了使用传输函数之外，还应该考虑各种干扰的影响，因此还可以使用以下的信道参数作为信道的状态信息：

信噪比、均方误差、误比特率、误帧率等。

在实际系统中，一般可以采用信道传输函数和信噪比作为短时的信道状态信息，而用误比特率和误帧率作为尝试的信道状态信息，两者结合使用。

3.2发送参数的选择

在自适应OFDM技术中可以改变参数分配的子载波数、调制方式（即分配比特数）和发送功率。

选择最佳的参数，一般是在限定条件下目标的最优化问题。

例如，在速率和发送功率一定的条件下，使差错概率最小，或者在保证一定错误概率和发送功率条件下传输速率最大等等，实际中可以使用一些简单的方法，如设定相应的变化门限等。

3.3系统所使用参数的信令传输

系统所使用参数的信令传输主要有3种方式：

3.3.1开环方式。

接收端根据接收情况估计信道，通过信令通知发送端。

或者在TDD方式下利用互易性，发送端直接估计信道，然后发送端根据信道情况选择参数，并通过信令信道通知接收端。

3.3.2闭环方式。

接收端根据接收情况估计信道，并选定参数，然后通过信令通知发送端。

3.3.3盲检测。

没有信令传送，发送端根据接收端盲检测估计的信道情况选择传输参数。

以上3步简要地说明了自适应技术在OFDM系统中的实现过程，在实际系统中还需考虑影响自适应OFDM系统性能的几个因素，它们是：

频率间隔、时间长度、信道估计误差、信道总时延等。

其中，对于频率间隔因素，当OFDM系统子载波个数较大时，分配算法较为复杂，需要较多的信令信息，考虑到信道频域的相关性，相邻子载波的频率响应相差不大，因此可以以相邻几个子载波为一组，进行分组自适应调制。

第四章MIMO技术【4】

4.1.1MIMO技术原理

（1）空间分集（SpatialDiversity）通过天线阵元间的较大间距的不相关属性，来发射/接收传输数据，从而避免单一信道的衰落对整段数据的影响。

（2）空分复用（SpatialMultiplexing）通过天线阵元间的较大间距的不相关属性的不相关性，向一个数据目的地并行发射多个数据流，提高链路单位时间的容量，即单用户峰值速率和系统容量。

（3）波束赋形（Beamforming）通过天线阵元间的较小间距的相关性，发射接收波之间形成干涉，集中能量于特定方向上，形成需要的波束形状，来达到扩大覆盖围和抑制干扰的目的。

（4）空分多址（SDMA）通过天线阵元间的较大间距的不相关属性，向多个终端同步发射或接收数据流，提高接入用户的容量和系统总吞吐量。

4.1.2MIMO模式自适应转换

MIMO通过分配最优的传输模式，模式间自适应转换，充分提速业务密集区域的VIP用户速率，开发低速环境中的业务增长，保障中速移动环境的业务流畅性，关注小区边缘的切换需求，高速环境尽力而为地实施单向传输，兼顾LTE小区容量及用户感知，以终端移动速度区间来预判业务类型，将有限的信道资源，兼顾用户感受和网络容量。

4.1.3MIMO容量分析

香农理论指出通信系统的信道容量可以用信道输入和输出之间的交互信息量来表示。

结合3GPP中LTE传播模型：

Y=Hx+n，H为信道矩阵模型，

为信道矩阵的奇异值，代表每个子信道衰落的幅度。

图4-1图4-2

综上，归纳出如下MIMO容量公式：

C=[min（M，N）]Blog2（ρ/2）下图为容量曲线图：

图4-3图4-4

4.1.4MIMO容量与天线数关系

根据这两幅图各四条不同的曲线我们可以得出结论：

1.当Y轴为定量时，信噪比不变的情况下，信道容量随天线数量的增加而增大。

MIMO发射天线在发射天线数量0到5的区间的斜率较大，说明在该区间随着发射天

线的增加，容量的发射提升效果显著。

2.当X轴为定量时，即发射天线和接收天线的数量为定值时，信道容量随信噪比的增大而增大。

3.接收天线在SNR=15这一曲线，随着天线数量增加保持着较高的斜率：

较高的容量增长率，其增长率远大于SNR=10，5，0的曲线，这就说明了在信噪比好的情况下，手机的传输速率将会获得质的飞跃，速率将仅受限于网络侧的处理能力，而不再受限于无线信道的传输环境。

4.MIMO发射天线在发射天线5到10天线区间，提升曲线略有提升，而随着天线数量的增加，硬件正本急剧增加。

10到15的区间，提升曲线斜率趋于平缓，即超过10天线的MIMO系统会有硬件成本高，而容量提升不明显的特点。

综上所述，这一实验结论论证了：

3GPP提出的MI-MO-LTE系统建议天线区间为0到8的这一经验理论，这是综合考虑了MIMO容量提升和硬件成本的结果。

4.1.5MIMO-OFDMA-SCFDMA技术结合及总结

MIMO技术利用空间维度资源在发射端和接收端同时采用多天线技术，而OFDMA技术的实现又帮助弥补了MIMO系统中由于分集产生的时延而带来的选择性衰弱，这两者优缺点完美互补，提高系统容量，提升用户感知。

同时在上行链路中采用SC-FDMA，就降低终端的硬件需求，起到延长终端电池使用时间的效果。

这三个技术的结合使LTE通信向着更高速率、更大容量、更好性能的方向发展。

第五章全IP组网方式

4G通信系统选择了采用IP的全分组方式传送数据流，从无线侧到承载全程所有设备都配备IP地址。

因此IPv6技术是下一代网络的核心协议。

选择IP主要基于以下几点考虑：

5.1巨大的地址空间

IPv6地址为128位，代替了IPv4的32位，地址空间大于3.41038。

如果整个地球表面（包括陆地和水面）都覆盖着计算机，那么IPv6允许每平方米拥有71023个IP地址。

可见，IPv6地址空间是巨大的。

在一段可预见的时期，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。

5.2自动控制

IPv6还有另一个基本特性就是它支持无状态或有状态两种地址自动配置方式。

无状态地址自动配置方式是获得地址的关键。

在这种方式下，需要配置地址的节点使用一种邻居发现机制获得一个局部连接地址。

一旦得到这个地址之后，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。

对于有状态地址配置机制，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。

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兼容。

5.3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。

IP与多种无线接入协议相兼容,因此在设计核心网络时具有很大的灵活性,不需要考虑无线接入究竟采用何种方式和协议。

图5-1

参考文献

【1】晶杰交通大学信息安全工程学院

【2】高速移动OFDMA_SC_FDMA传输系统关键技术研究_丽花

【3】LTE自适应调制编码技术研究_邹伟

【4】LTE关键技术研究_OFDMA_SC_FDMA_MIMO_晶杰

LTE标准在3GPP的研讨下在2009年正式出台，下行速率可以达到100Mbps，标志着百兆时代正式来临。

本文主要针对4G移动通信系统其中的4个关键技术针对它们的原理，优势等方面进行简略的介绍，分别是OFDMA、SC-FDMA、智能天线以及MIMO、自适应调制编码技术以及全IP组网方式。

其中4G系统上下行接入方式并不一样，在讲究速率的下行采用的是OFDM接入方式，而下行采用的是单载波的SC-FDMA。

MIMO技术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。

自适应调制编码技术是根据无线信道变化选择合适的调制和编码方式，网络侧根据用户瞬时信道质量状况和目前资源选择最合适的下行链路调制和编码方式，使用户达到尽量高的数据吞吐率。

文章最后同时针对4G网络架构进行简要点评。