面向5G移动通信系统的调制技术研究1.docx
《面向5G移动通信系统的调制技术研究1.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《面向5G移动通信系统的调制技术研究1.docx（12页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
面向5G移动通信系统的调制技术研究1
面向5G移动通信系统的调制技术研究
摘要
随着人们对通信技术的需求的不断提高，以及人们在通信技术领域的不断研究和突破，相比4G技术，5G技术在传输速度、覆盖性能、以及其他方面比4G技术更为优秀，5G技术是无线通信技术领域的一大突破。
5G技术是互联网在未来发展的一个重要方向，对通讯行业和未来的新兴业务以及各个领域的发展具有重要的作用。
但是在目前，5G技术在发展上仍然面临着一系列的问题和挑战。
5G将QAM与FSK相结合提高频谱效率，用于多区下行链路中，能够提高小区边缘用户的通信质量。
本次研究将着重研究5G的FSK与QAM调制技术，通过对两项技术优缺点的比对和5G移动通信系统的介绍，以及编写MATLAB仿真程序，进而对结果分析得出结论并预计结果，达到深度研究的性质。
在最后，也对我们在研究中存在的一些问题提出解决方案。
关键词：
5G移动通信系统调制技术研究
ABSTRACT
Withthecontinuousimprovementofpeople'sdemandtocommunicationtechnology,andtheconstantresearchandbreakthroughinthefieldofcommunicationtechnology,comparedwiththetechnologyof4g,5gtechnologyintransmissionspeed,coveringperformance,andotheraspectsmoreexcellentthan4gtechnology,5gtechnologyisabreakthroughinthefieldofwirelesscommunicationtechnology.5gtechnologyisanimportantdirectioninthedevelopmentoftheInternetinthefuture,forthefutureofcommunicationsindustryandnewbusinessandhasanimportantroleinthedevelopmentofeveryfield.Butatpresent,5gtechnologyonthedevelopmentstillfacesaseriesofproblemsandchallenges.5gcombiningQAMandFSKimprovespectrumefficiency,usedinmanyareadownlink,canimprovethecommunicationqualityofcelledgeusers.Thisstudywillfocusontheresearchof5gFSKandQAMmodulationtechnology,bycomparingtheadvantagesanddisadvantagesofthetwotechnologyand5gmobilecommunicationsystemisintroduced,andMATLABsimulationprogram,andthenanalyzetheresultsconcluded.Finally,weproposesolutionsontheproblemsexistingintheresearch.
Keywords:
5G、mobilecommunicationsystem、modulationt、echnology、research
第一章引言
在过去40年的时间里，移动通信经历了飞跃式发展，给人们生活方式、工作模式以及政治、经济等方面带来了深刻影响，人们一直在追求更高性能的移动通信网络。
2012年，欧盟正式启动METIS项目，进行5G移动通信网络的研究。
除了METIS之外，欧盟启动了规模更大的科研项目5G-PPP，旨在加速欧盟5G研究和创新，确立欧盟在5G领域的主导地位；英国政府联合多家企业在Surrey大学成立5G研发中心，致力于5G的研究。
在亚洲，韩国于2013年开启了“GIGAKorea”5G项目，中国IMT-2020推进组也于同年成立，团结亚洲地区的5G研究力量，共同推进5G技术标准的发展。
可见，5G已成为国内外移动通信领域的研究热点。
1.1研究背景及意义
5G作为新一代无线移动通信网络，主要用于满足2020年以后的移动通信需求。
在高速发展的移动互联网和不断增长的物联网业务需求共同推动下，要求5G具备低成本、低能耗、安全可靠的特点，同时传输速率提升10到100倍，峰值传输速率达到10Gbit/s，端到端时延达到ms级，连接设备密度增加10到100倍，流量密度提升1000倍，频谱效率提升5到10倍，能够在500km/h的速度下保证用户体验［7-9］。
5G将使信息通信突破时空限制，给用户带来极佳的交互体验；极大缩短人与物之间的距离，并快速地实现人与万物的互通互联［8］。
1．15G的应用场景3G与4G主要聚焦于“移动宽带”这一应用场景，致力于给用户提供更高的系统容量以及更快的无线接入速率。
预计到2020年，各种物联网应用将得到广泛普及，智能电网、智慧城市、移动医疗、车载娱乐、运动健身，未来5G网络支持虚拟现实、超清视频以及移动游戏等应用服务，这类移动交互式应用对无线接入带宽和通信延迟有很高的需求［9］。
在公共安全方面，如：
紧急语音通话、无人机远程监测、入侵监测、急救人员跟踪等场景，5G通信系统需要具有“零延迟”、高可靠性的特点。
5G移动通信，以满足广大用户的应用需求为前提，实现了无线组网、无线传输等关键技术的运用，它将不断地扩大中国在世界通信中的影响，加快中国面向信息化时代。
对5G移动通信系统的调制技术研究也就显现出了重要性和必要性。
1.2国内外研究综述
1.21国外
1）欧盟及其主要成员国
3G、4G期间，欧洲在移动通信领域总体上落后于亚洲，欧盟希望迅速发展5G以维持和加强欧洲的领导地位。
欧盟在2012年9月启动了“5GNOW”的研究课题。
该课题南6家科研机构承担，课题面向5G物理层的技术研究。
2015年2月结束。
在2012年l1月正式启动“METIS”5G研发项目，投资预算达2700万欧元。
南欧盟资助。
项目组由26个成员组成。
其中包括阿尔卡特、朗讯、爱立信、华为、诺基亚、两门子5家通信设备厂商以及德国电信、日本NTT、法同电信、意大利电信、西班牙电信5家电信运营商。
。
2014年1月正式推出“5GPPP”计划，总预算l4亿欧元，计划在2020年前开发5G技术，到2022年正式投入商业运营。
欧盟同时积极开展5G国际合作，先后与中国、韩国、日本、巴西签署了5G联合声明，5GPPP也与中美Et韩的5G组织签署了合作备忘录。
欧盟将于20l6年底发布5G行动计划。
并计划于2018年启动5G规模试验。
力争在2020年实现5G商用。
重点将推动5G与车联网等垂直行业结合。
英国于2012年10月率先推动同内的5G技术研发1作，并建立5G网络研发中心l1月，英国信息通信管理局为移动运营商发放700MHz频段的频谱。
20l5年9月15日。
设在英国萨里大学的全球顶级5G创新中心（5GIC）正式成立。
华为公司是创新中心的创始成员和重要合作伙伴，其他核心成员包括沃达丰、英同电信、Tefefonica、EE、BBC、三星、AeroflexAIRCOMInternational、FujitsuOfComRohde&Schwarz等。
华为公司按照业界最先进5G研究成果建设的5G测试床在英国萨里大学的5GIC正式开通。
测试床位于萨里大学吉尔福德校J，占地约4kmz。
以业务创新和核心技术验证为目标，旨在建设推动5G全球统一标准的产业协作平台。
德国于2012年6月在德累斯顿科技大学成立了5G无线通信系统专门实验室。
在物联网领域，将研究经费增加至7300万英镑，以实现十亿多的各种设备的低耗电低价格网络连接。
德国计划的第一步是在2018年制定5G频率商用的框架条件，第二步是建立电信行业与应用行业之间的对话论坛，第三步是推进5G研究。
使德国取得技术上的优势，并共同制定未来国际5G标准。
2017年第1期
第四步是应用项目，如5G实验城市。
联邦政府可为此资助200万欧元，总额超过8000万欧元的自动驾驶汽车项目也将促进5G发展。
第五步是促进基础设施建设，最迟到2025年在所有联邦主干道、最少20个大城市实现5G覆盖。
德联邦交通部长多布林特表示，5G将成为网络化时代数字核心化技术，德国希望成为5G市场引导者。
2）日本
2013年l0月，日本无线工业及商贸联合会（ARm）设立了5G研究组“2020andBeyondAdHoc”。
该研究组对5G服务、系统构成以及无线接入技术等行探讨。
主要任务是研究2020年及以后移动通信服务、系统概念和主要技术，如用户行为和需求、频谱、业务预测以及无线接入技术、网络技术等。
据日本NTTDoCoMo5G研究小组负责人奥村幸彦介绍。
从2014年5月开始，日本NTTDoCoMo与多家企业联合开展了5G实验。
2015年l1月2日。
该公司与诺基亚网络共同实施了5G技术实验，
在实际商业设施内以70GHz频带接收信号．实现了超过2Gbit／s的无线数据传输。
实验证明了在客流量较大的商业设施内也可以进行高速数据传输。
3）韩国
韩国在2013年6月成立了5G论坛推进组5GForum论坛提出了5G国家战略和中长期发展规划，并负责研究5G需求，明确5G网络和服务的概念等。
韩国MS1P在2014年1月宣布建立“未来移动通信产业发展战略”，并投资1．6万亿韩元用于5G核心技术研发。
预计将在2018年平昌冬奥会上首次示范5G应用。
韩国最大电信运营商SKT预计在2017年部署5G。
SKT计划在室外环境中用5G技术试验端到端解决方案。
其中包括用毫米波实现设备与网络间的高频无线连接，实现LTE、5G和WiGig（60GHz）互通。
网络功能虚拟化，网络分层及分布式核心网络。
SKT的目标是在2016年底将关键技术融合．在室外环境下进行系统的端到端5G试验。
4）美国
2012年7月．纽约大学理工学院成立了一个由政府和企业组成的研究5G的联盟。
美国国家科学基金会（NSF）为其提供8O万美元资助金，为合作者企业提供l20万美元研发资助。
另外．宽带无线接入技术与应用中心（BWAC）也在积极开展5G项目研发，自2013年后的5年．BWAC将获得NSF的l60万美元及产业界的400万美元专项资金支持。
今年以来，美国政府主导的对5G的投资正在加速。
2016年7月14日，美国联邦通信委员会（FCC）开放24GHz以上频段用于5G。
包括2GHz频段（27．5-28．35GHz）、37GHz频段（37～38．GHz）、39GHz频段（38．6～40GHz）和64～7lGHz频段。
7月15日白宫发表推进5G研究的先进无线电通信研究计划（AWRI）的声明，今后7年将通过NSF投入4亿美元进行5G研究。
AWRI将使用美同联邦通信委员会（FCC）开放的5G用频率，在美国4个城市进行5G技术推广和实验。
1.22国内
国际电信联盟（ITU）于2015年2月开展了5G标准的研究工作。
ITU明确提出：
2015年中期完成IMT-2020国际标准前期研究，2016年开展5G技术性能需求和评估方法研究，2017年底启动5G候选方案征集工作，2020年底完成IMT-2020通信标准制定工作。
中国的移动通信在3G时代取得了突破性进展，建立了具有自主知识产权的标准TD-SCDMA，中国提出的4G标准TD-LTE成为世界4G两大标准之一。
为了迎接新一轮的技术、标准及市场竞争，中国开始全方位布局5G技术的研发工作。
我国与全球同步推进5G研发工作。
1）我国率先成立了5G推进组，全面推进5G研发工作。
2013年2月，工业和信息化部、国家发展和改革委员会、科学技部成立了“IMT-2020（5G）推进组”，提出我国要在5G标准制定中发挥引领作用的宏伟目标。
2）科学技术部投入1.6亿元人民币，先期启动国家5G移动通信系统前期研究开发重点项目。
3）在2020年之前，系统研究5G领域关键技术，其中包括体系架构、无线组网与传输、新型天线与射频、新频谱开发与利用，完成性能评估和原型系统设计，进行技术试验和测试，实现支持业务总速率10Gbit/s，频谱和功率效率比4G系统提升1倍。
我国台湾地区在2014年1月召开了“5G发展产业策略会议”，成立了专职部门推动5G长期发展。
策略会议达成了3项共识：
a）建立学术界、法人和产业界有效的互动选题机制，消除产学鸿沟。
b）建立有效的智财专利策略，免受国际专利战干扰。
c）建立国际化的测验场域，验证新创产品的有效性。
台湾几个部门成立了规划小组，近期推出了（2020年TW-5G战略方案》。
当前国内5G研究进展情况：
a）推进组已基本完成5G愿景和需求研究，并发布了白皮书，b）初步完成了5G潜在关键技术的研究分析工作。
c）提出了5G概念和技术路线。
d）完成了2020年我国移动通信频谱需求预测和6GHz以下候选频段的研究工作。
迄今为止，中国5G推进组已经有55个成员，其中包括运营商、厂商、研究院及大专院校。
中国5G推进组中有两家外国公司。
②S为加强5G的国际合作、双边合作，2015年10月在里斯本签订了5G国际合作谅解备忘录。
2013年以来，中国IMT-2020（5G）推进组已经发布了四个白皮书，其中包括（5G的愿景和需求》、《5G的概念》、《5G的无线技术架构》和2016年6月发布的《5G的网络技术架构》。
美国时间2016年11月17日，国际无线标准化机构3GPP的RAN1（无线物理层）87次会议在美国拉斯维加斯召开，就5G短码方案进行讨论。
会议的三位主角是中国华为公司主推的PolarCode（极化码）方案，美国高通公司主推的LDPC方案，法国主推的Turbo2.0方案。
最终，华为公司的Polar方案从两大竞争对手中胜出。
第二章关键技术介绍
本章主要介绍一下FSK和QAM调制技术的基本原理，以及各自的优缺点，同时还有5G涉及到的一些技术和基本知识，
2.1FSK调制技术的基本原理
FSK（Frequency-shiftkeying）-频移键控是利用载波的频率变化来传递数字信息。
它是利用基带数字信号离散取值特点去键控载波频率以传递信息的一种数字调制技术。
FSK（Frequency-shiftkeying）是信息传输中使用得较早的一种调制方式。
最常见的是用两个频率承载二进制1和0的双频FSK系统。
技术上的FSK有两个分类，非相干和相干的FSK。
在非相干的FSK，瞬时频率之间的转移是两个分立的价值观命名为马克和空间频率。
在另一方面，在相干频移键控或二进制的FSK，是没有间断期在输出信号。
在数字化时代，电脑通信在数据线路（电话线、网络电缆、光纤或者无线媒介）上进行传输，就是用FSK调制信号进行的，即把二进制数据转换成FSK信号传输，反过来又将接收到的FSK信号解调成二进制数据，并将其转换为用高，低电平所表示的二进制语言，这是计算机能够直接识别的语言。
2.2QAM调制技术的基本原理
正交幅度调制（QAM，QuadratureAmplitudeModulation）是将振幅和相位结合的多进制调制方式。
根据通信理论，采用多进制调制可以在现有频带内提高信息传输率，其代价是增加信号功率。
多进制数字调制是利用多进制数字基带信号去调制载波的振幅、频率或相位，也可以把各种不同的调制方法结合起来，将载波的幅度和相位都进行不连续改变，得到幅度-相位混合调制方式。
正交振幅调制，这是近年来被国际上移动通信技术专家十分重视的一种信号调制方式。
QAM是数字信号的一种调制方式，在调制过程中，同时以载波信号的幅度和相位来代表不同的数字比特编码，把多进制与正交载波技术结合起来，进一步提高频带利用率。
QAM是一种矢量调制，将输入比特先映射（一般采用格雷码）到一个复平面（星座）上，形成复数调制符号，然后将符号的I、Q分量（对应复平面的实部和虚部，也就是水平和垂直方向）采用幅度调制，分别对应调制在相互正交（时域正交）的两个载波（coswt和sinwt）上。
这样与幅度调制（AM）相比，其频谱利用率将提高1倍。
QAM是幅度、相位联合调制的技术，它同时利用了载波的幅度和相位来传递信息比特，因此在最小距离相同的条件下可实现更高的频带利用率，QAM最高已达到1024-QAM（1024个样点）。
样点数目越多，其传输效率越高，例如具有16个样点的16-QAM信号，每个样点表示一种矢量状态，16-QAM有16态，每4位二进制数规定了16态中的一态，16-QAM中规定了16种载波和相位的组合，16-QAM的每个符号和周期传送4比特。
QAM调制器的原理是发送数据在比特/符号编码器（也就是串–并转换器）内被分成两路，各为原来两路信号的1/2，然后分别与一对正交调制分量相乘，求和后输出。
接收端完成相反过程，正交解调出两个相反码流，均衡器补偿由信道引起的失真，判决器识别复数信号并映射回原来的二进制信号。
如图4-2所示的是16-QAM的调制原理图。
作为调制信号的输入二进制数据流经过串–并变换后变成四路并行数据流。
这四路数据两两结合，分别进入两个电平转换器，转换成两路4电平数据。
例如，00转换成-3，01转换成-1，10转换成1，11转换成3。
这两路4电平数据g1（t）和g2（t）分别对载波cos2πfct和sin2πfct进行调制，然后相加，即可得到16-QAM信号。
采用QAM调制技术，信道带宽至少要等于码元速率，为了定时恢复，还需要另外的带宽，要增加15%左右。
与其他调制技术相比，QAM编码具有能充分利用带宽、抗噪声能力强等优点。
但QAM调制技术用于ADSL的主要问题是如何适应不同电话线路之间较大的性能差异。
要取得较为理想的工作特性，QAM接收器需要一个和发送端具有相同的频谱和相应特性的输入信号用于解码，QAM接收器利用自适应均衡器来补偿传输过程中信号产生的失真，因此采用QAM的ADSL系统的复杂性来自于它的自适应均衡器。
当对数据传输速率的要求高过8-PSK能提供的上限时，采用QAM的调制方式。
因为QAM的星座点比PSK的星座点更分散，星座点之间的距离因此更大，所以能提供更好的传输性能。
但是QAM星座点的幅度不是完全相同的，所以它的解调器需要能同时正确检测相位和幅度，不像PSK解调只需要检测相位，这增加了QAM解调器的复杂性。
2.35G移动通信系统
第五代移动电话行动通信标准，也称第五代移动通信技术，外语缩写：
5G。
也是4G之后的延伸，正在研究中，5G网络的理论下行速度为10Gb/s（相当于下载速度1.25GB/s）。
超密集异构网络
未来5G网络正朝着网络多元化、宽带化、综合化、智能化的方向发展。
随着各种智能终端的普及，面向2020年及以后，移动数据流量将呈现爆炸式增长。
在未来5G网络中，减小小区半径，增加低功率节点数量，是保证未来5G网络支持1000倍流量增长的核心技术之一。
因此，超密集异构网络成为未来5G网络提高数据流量的关键技术。
未来无线网络将部署超过现有站点10倍以上的各种无线节点，在宏站覆盖区内，站点间距离将保持10m以内，并且支持在每1km2范围内为25000个用户提供服务。
同时也可能出现活跃用户数和站点数的比例达到1∶1的现象，即用户与服务节点一一对应。
密集部署的网络拉近了终端与节点间的距离，使得网络的功率和频谱效率大幅度提高，同时也扩大了网络覆盖范围，扩展了系统容量，并且增强了业务在不同接入技术和各覆盖层次间的灵活性。
虽然超密集异构网络架构在5G中有很大的发展前景，但是节点间距离的减少，越发密集的网络部署将使得网络拓扑更加复杂，从而容易出现与现有移动通信系统不兼容的问题。
在5G移动通信网络中，干扰是一个必须解决的问题。
网络中的干扰主要有：
同频干扰，共享频谱资源干扰，不同覆盖层次间的干扰等。
现有通信系统的干扰协调算法只能解决单个干扰源问题，而在5G网络中，相邻节点的传输损耗一般差别不大，这将导致多个干扰源强度相近，进一步恶化网络性能，使得现有协调算法难以应对。
此外，由于业务和用户对QoS需求的差异性很大，5G网络需要采用一些列措施来保障系统性能，主要有：
不同业务在网络中的实现，各种节点间的协调方案，网络的选择，以及节能配置方法等。
准确有效地感知相邻节点是实现大规模节点协作的前提条件。
在超密集网络中，密集地部署使得小区边界数量剧增，加之形状的不规则，导致频繁复杂的切换。
为了满足移动性需求，势必出现新的切换算法；另外，网络动态部署技术也是研究的重点。
由于用户部署的大量节点的开启和关闭具有突发性和随机性，使得网络拓扑和干扰具有大范围动态变化特性；而各小站中较少的服务用户数也容易导致业务的空间和时间分布出现剧烈的动态变化。
自组织网络
传统移动通信网络中，主要依靠人工方式完成网络部署及运维，既耗费大量人力资源又增加运行成本，而且网络优化也不理想。
在未来5G网络中，将面临网络的部署、运营及维护的挑战，这主要是由于网络存在各种无线接入技术，且网络节点覆盖能力各不相同，它们之间的关系错综复杂。
因此，自组织网络（self-organizingnetwork，SON）的智能化将成为5G网络必不可少的一项关键技术。
自组织网络技术解决的关键问题主要有以下2点：
①网络部署阶段的自规划和自配；②网络维护阶段的自优化和自愈合。
自配置即新增网络节点的配置可实现即插即用，具有低成本、安装简易等优点。
自优化的目的是减少业务工作量，达到提升网络质量及性能的效果，其方法是通过UE和eNB测量，在本地eNB或网络管理方面进行参数自优化。
自愈合指系统能自动检测问题、定位问题和排除故障，大大减少维护成本并避免对网络质量和用户体验的影响。
自规划的目的是动态进行网络规划并执行，同时满足系统的容量扩展、业务监测或优化结果等方面的需求。
目前，主要有集中式、分布式以及混合式3种自组织网络架构。
其中，基于网管系统实现的集中式架构具有控制范围广、冲突小等优点，但也存在着运行速度慢、算法复杂度高等方面的不足；而分布式恰恰相反，主要通过SON分布在eNB上来实现，效率和响应速度高，网络扩展性较好，对系统依懒性小，缺点是协调困难；混合式结合集中式和分布式2种架构的优点，缺点是设计复杂。
SON技术应用于移动通信网络时，其优势体现在网络效率和维护方面，同时减少了运营商的资本性支出和运营成本投入。
由于现有的SON技术都是从各自网络的角度出发，自部署、自配置、自优化和自愈合等操作具有独立性和封闭性，在多网络之间缺乏协作。
因此，研究支持异构网络协作的SON技术具有深远意义。
内容分发网络
在未来5G中，面向大规模用户的音频、视频、图像等业务急剧增长，网络流量的爆炸式增长会极大地影响用户访问互联网的服务质量。
如何有效地分发大流量的业务内容，降低用户获取信息的时延，成为网络运营商和内容提供商面临的一大难题。
仅仅依靠增加带宽并不能解决问题，它还受到传输中路由阻塞和延迟、网站服务器的处理能力等因素的影响，这些问题的出现与用户服务器之间的距离有密切关系。
内容分发网络（contentdistributionnetwork，CDN）会对未来5G网络的容量与用户访问具有重要的支撑作用。
内容分发网络是在传统网络中添加新的层次，即智能虚拟网络。
CDN系统综合考虑各节点连接状态、负载情况以及用户距离等信息，通过将相关内容分发至靠近用户的CDN代
升级会员 