移动通信与智能技术

移动通讯与智能技术综述

学院：电子工程学院

专业：智能科学与技术

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4G时代移动通信关键技术浅析

一、引言

4G，即第四代移动电话行动通信标准，指的是第四代移动通信技术，外语缩写为4G。该技术包括TD-LTE和FDD-LTE两种制式。4G集3G与WLAN于一体，并能够快速传输数据、高质量、音频、视频和图像等。4G能够以100Mbps以上的速度下载，比目前的家用宽带ADSL （4兆）快25倍，并能够满足几乎所有用户对于无线服务的要求。此外，4G可以在DSL和有线电视调制解调器没有覆盖的地方部署，然后再扩展到整个地区。很明显，相对于传统的无线通信技术，4G有着不可比拟的优越性。

本文着重介绍一些4G通信技术中的关键部分。

二、关键技术介绍

1、OFDM(正交频分复用)

由于无线信道存在多径效应，数据信号在各种不同类型的无线信道上传输时，产生的时延会造成接收信号的码间干扰，尤其当码元速率提高而周期相应缩短时，时延将会跨越更多的码元，而使这种干扰变得更大。此外，码元速度的提高引起信号带宽相应增大，当信号带宽大干信道的相关带宽时会造成频率选择性衰落。目前单载波调制技术为了能够尽量减轻这种衰落而采用了均衡技术，但却不得不以增加信道噪声作为代价。

未来的无线多媒体业务首先要求数据传输速率要高，同时又要保证传输质量，这就要求所采用的调制解调技术既要有较高的信元速率，又要有较长的码元周期。基于这样的考虑，产生了OFDM技术，属于多载波调制技术(MCM)中的一种。OFDM是4G通信网的核心技术。其主要思想是：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，调制在每个子信道上进行传输。正交信号可以通过在接收端采用相关技术来分开，这样可以减少子信道之间的相互干扰(ICI)。每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，因此每个子信道上的可以看成平坦性衰落，从而可以消除符号间干扰。而且由于每个子信道的带宽仅仅是原信道带宽的一小部分，信道均衡变得相对容易。

OFDM技术之所以越来越受关注，是因为OFDM有很多独特的优点：

(1)频谱利用率很高，频谱效率比串行系统高近一倍。这一点在频谱资源有限的无线环境中很重要。OFDM信号的相邻子载波相互重叠，从理论上讲其频谱利用率可以接近Nyquist 极限。

(2)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(Impulse Noise)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，如衰落不特别严重，就没必要再添加时域均衡器。

(3)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声

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。

(4)抗码间干扰(ISI)能力强。码间干扰是数字通信系统中除噪声干扰之外最主要的干扰，它与加性的噪声干扰不同，是一种乘性干扰。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。

除上述优点外，OFDM也有3个较明显的缺点：

首先，对频偏和相位噪声敏感。频偏和相位噪声会使OFDM各子载波之间的正交性恶化，使信噪比下降。

其次，功率峰值与均值比(PARR)大，导致发送端放大器功率效率较低。由于OFDM的信号是由多个独立的经过调制的子载波信号相加合成的，因此有可能产生比较大的峰值功率，也就有可能产生较大的PARR值。而过高的PARR值通常会对发送端功率放大器提出较高的线性要求，从而增加基站和用户终端的成本。

第三，自适应的调制技术使系统复杂度有所增加。OFDM采用的自适应调制技术会增加发射机和接收机的复杂度，并且当移动终端达到车载的移动速度时，自适应的调制技术就没有很大意义了。

2、智能天线

智能天线定义为波束间没有切换的多波束或自适应阵列天线。多波束天线在一个扇区中使用多个固定波束，而在自适应阵列中，多个天线的接收信号被加权并且合成在一起使信噪比达到最大。与固定波束天线相比，天线阵列的优点是除了提供高的天线增益外，还能提供相应倍数的分集增益。但是它们要求每个天线有一个接收机，还能提供相应倍数的分集增益。

智能天线具有抑制信号干扰、自动跟踪以及数字波束调节等智能功能，其基本工作原理是根据信号来波的方向自适应地调整方向图，跟踪强信号，减少或抵消干扰信号。智能天线可以提高信噪比，提升系统通信质量，缓解无线通信日益发展与频谱资源不足的矛盾，降低系统整体造价，因此其势必会成为4G系统的关键技术。智能天线的核心是智能的算法，而算法决定电路实现的复杂程度和瞬时响应速率，因此需要选择较好算法实现波束的智能控制。

目前2G通信系统中采用的天线分为全向天线和定向天线两种，全向天线应用于360°覆盖的小区，定向天线应用于小区分裂后的部分覆盖小区。这两种天线覆盖的区域形状都是不变的，因此对于基站来说，给每个移动用户的下行信号是广播式发送的，这样势必会引起系统干扰，并降低了系统容量。

智能天线采用了空分多址(SDMA)的技术，利用信号在传输方向上的差别，将同频率或同

时隙、同码道的信号进行区分，动态改变信号的覆盖区域，使主波束对准用户方向，旁瓣或零陷对准干扰信号方向，并能够自动跟踪用户和监测环境变化，为每位用户提供优质的上行链路和下行链路信号，从而达到抑制干扰、准确提取有效信号的目的。

因此，智能天线技术更加适用于具有复杂电波传播环境的移动通信系统。在我国提出的3G标准TD-SCDMA中采用了智能天线技术。

智能天线具有以下优点：

(1)提高系统容量。智能天线采用了SDMA技术，利用空间方向的不同进行信道分割，在不同信道中可以在同一时间使用同一种频率而不会产生干扰，从而提高了系统容量。

(2)降低系统干扰。智能天线技术将波束的旁瓣或零陷对准干扰信号方向，因此能够有效抑制干扰。

(3)扩大覆盖区域。由于智能天线有了自适应的波束定向功能，因此与普通天线相比，在同等发射功率的条件下，采用智能天线技术的信号能够传送到更远的距离，从而增加了覆盖范围。

(4)降低系统建设成本。由于智能天线技术能扩大覆盖区域，因此基站建设数量可相对减少，降低了运营商的建设成本。智能天线技术的主要缺点是，使用它将增加通信系统的复杂度，并对元器件提出较高的性能要求。

3、软件无线电

所谓软件无线电(Software Defined Radio,简称SDR)，就是采用数字信号处理技术，在可编程控制的通用硬件平台上，利用软件来定义实现无线电台的各部分功能：包括前端接收、中频处理以及信号的基带处理等。即整个无线电台从高频、中频、基带直到控制协议部分全部由软件编程来完成。

软件无线电的基本思想是将硬件作为其通用的基本平台，把尽可能多的无线及个人通信功能通过可编程软件来实现，使其成为一种多工作频段、多工作模式、多信号传输与处理的无线电系统。也可以说，是一种用软件来实现物理层连接的无线通信方式。

软件无线电的核心技术是用宽频带无线接收机代替原来的窄带接收机，并将宽带的模拟/数字、数字/模拟变换器尽可能的靠近天线，从而使通信电台的功能尽可能多的采用可编程软件来实现。

软件无线电的优势主要体现在以下几个方面：

(1)系统结构通用，功能实现灵活，改进升级方便。工作模式可由软件编程改变，包括可编程的射频频段宽带信号接入方式和可编程调制方式等。所以可任意更换信道接入方式，改变调制方式或接收不同系统的信号；可通过软件工具来扩展业务、分析无线通信环境、定义所需增强的业务和实时环境测试，升级便捷。

(2)提供了不同系统间互操作的可能性。软件无线电可以使移动终端适合各种类型的空中接口，可以在不同类型的业务间转换。多个信道享有共同的射频前端与宽带A/D、D/A变

换器以获取每一信道的相对廉价的信号处理性能。

(3)由于通过软件实现系统的主要功能，因此更易于采用新的信号处理手段，从而提高了系统抗干扰的性能。

(4)拥有较强跟踪新技术的能力。由于它能在保证硬件平台基本结构不发生变化的情况下，通过改变软件来实现新业务和使用新技术，大大降低了设备商的新通信产品开发成本和周期，同时也降低了运营商的投资。

实现软件无线电还需克服以下技术难点：

(1)多频段天线的设计。软件无线电的天线需要覆盖多个频段，以满足多信道不同方式同时通信的需求，而射频频率和传播条件的不同，使得各频段对天线的要求存在着较大的差异，因此多频段天线的设计成为软件无线电技术实现的难点之一。

(2)宽带A/D、D/A转换。根据奈奎斯特抽样定理，要从抽样信号中无失真地恢复原信号，抽样频率应大于2倍信号最高频率。而目前A/D、D/A的最高采样频率受到其性能的限制，从而也限制了所能处理的已调信号频率。

(3)高速DSP(数字信号处理器)。高速DSP芯片主要完成各种波形的调制解调和编解码过程，它需要有更多的运算资源和更高的运算速度来处理经宽带A/D、D/A变换后的高速数据流，因此其芯片有待进一步研发。

三、总结

移动通信与智能技术这门课让我学到了很多以前没有接触到的知识，拓宽了自己的知识面，增强了自己的知识水平，了解到了关于移动通信领域里的一些技术原理以及演化进程。

个人认为移动通信在未来的发展方向一定是更便捷、更快速、更经济。这是移动通信崛起的初衷，也是一以贯之的宗旨。但是这不会一蹴而就，需要长久的积累与准备。在三五年内，新兴的4G技术还难以坐稳市场。一是因为还没有统一的国际标准，各运营商关于4G 的推广还有待商讨。再者，基础设施如4G信号塔的建设需要大量的时间以及人力物力，这是无法避免的。对通信技术的广大客户而言，更新旧有的通信设备也是一项巨大的工程。因此，在技术成熟之前，仍有很长的一段路要走。

参考文献：

【1】庞宝茂.移动通信【M】.西安电子科技大学出版社，2009.

【2】江晓林，杨明极.通信原理【M】.哈尔滨工业大学出版社，2010.

【3】吴伟陵.移动通信中的关键技术【M】.北京邮电大学出版社，2001.

【4】4G网络引领通信产业发展新方向【N】．中国产业信息网．2014-1.