毕业论文：4G通信在高速移动环境中的挑战与对策研究

4G通信在高速移动环境中的挑战与对策研究
院（系） 　　　信息科学与工程学院　　
专 业 　　　通信工程　　 　
届 别 　　　08 级

摘要

4G宽带移动通信技术在现代人们的生活中起到了越来越重要的作用，改变了人们的生活方式。OFDM系统因其对信号频谱的高效利用而成为宽带移动通信中备受瞩目的技术。但在无线信道中，因传输时延和多径衰落的影响而产生的符号间
干扰和子载波间干扰会严重影响 OFDM 系统的性能。因此要求在接收端采用有效的信号处理方法来降低系统的误码率，实现性能的提高。本文首先介绍了第四代移动通信产生的背景及技术特点，之后主要分析了高速移动的环境下OFDM通信系统的信道模型和信道均衡。最后利用MATLAB工具对OFDM通信系统进行了相应的仿真，对系统的性能做出了分析。
关键词：第四代移动通信4G，正交频分复用OFDM，信道均衡，时变信道，MATLAB通信系统仿真

ABSTRACT

As the mobile communication technology plays an increasingly important role in the life of modern people, it really changes the way people live. The system of OFDM has become the high-profile technology of 4G because of its efficient use of the signal spectrum.But in the wireless channel,the interference of inner symbols and carriers can seriously affect the performance of the system of OFDM ,which coursed by the delay of transmission and the fading of multipath.So it re
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术的成熟而发展起来的。1982年，欧洲邮电管理协会（CEPT）成立了移动通信特别小组（GSM），开发数字蜂窝移动通信技术。1987年，GSM就泛欧洲数字蜂窝系统的GSM协议达成一致意见。1991年，GSM数字蜂窝移动通信系统在欧洲问世，紧接着以TDMA标准为基础的其它第二代数字蜂窝移动通信系统如DAMPS/JDC等也相继投入使用。同时以IS-95技术标准为基础的CDMA系统已经分别在香港、韩国等地区和国家投入使用，取得了良好的用户反应。
移动通信经历了第一代与第二代的发展，特别在GSM和窄带CDMA第二代移动通信时期，可以实现全球漫游，用户急剧上升，不过也出现了一些有待解决的问题，主要有以下几点：系统容量依然比较小，频率利用率不高，抗干扰能力不强，并且不适合传输高数据及多媒体业务等。随着信息社会的发展，移动IP宽带数据和多媒体业务也在增加，第二代移动通信系统的缺点和局限也开始暴露出来。人们在信息时代的召唤下研究出了新的通信系统，也就是第三代移动通信系统。
第三代移动通信系统由卫星移动通信网和地面移动通信网组成，奖形成一个对全球无缝覆盖的立方体通信网络，以满足城市和偏远地区各种用户密度的需求，支持高速移环境，提供语音、数据和多媒体等多种业务，在最好情况下速率可达2Mbit/s的先进移动通信网。
ITU在2000年5月确定了WCDMA(UMTS)、CDMA2000和TD-SCDMA三大主流无线接口标准，写入3G技术指导性文件。
3G 之前的移动通信系统称为窄带系统，从 3G 系统开始，移动通信进入宽带时代，3G 系统的峰值数据速率可达 2Mbps。未来的高速无线传输要求数据速率达到 100Mbps~1Gbps，因此 3G系统与未来高速无线通信（4G）的要求还有很大的差距。为了进一步提高系统的传输速率，WCDMA 相继推出了高速下行分组接入技术(HSDPA)、长期演进技术(LTE)等演化标准。LTE 又称为 B3G(Beyond 3G)，其下行链路峰值速率为 100Mbps、上行链路峰值速率为 50Mbps。如图1．1展示了无线通信的发展趋势。



1.2 OFDM系统的产生
若从技术层面来看，第三代移动通信系统主要是以CDMA为核心技术，三代以后的移动通信系统[1]则以正交频分复用OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiple*ing）最受瞩目，特别是有不少专家学者针对OFDM技术在无线通信技术上的应用[2]，提供了相关的理论基础，例如无线区域环路（WLL：Wireless Local Loop）、数字音讯广播（DAB: Digital Audio Broadcasting）等，都将在未来采用OFDM技术。
目前世界范围内存在有多种数字无线通信系统，然而基于支持话音业务的电路交换模式的第二代移动通信系统不能满足多媒体业务的需要,但是对于高速数据业务来说，单载波TDMA（Time Division Multiple Access）系统和窄带CDMA系统中都存在很大的缺陷。由于无线信道存在时延扩展，而且高速信息流的符号宽度又相对较窄，所以符号之间会存在较严重的符号间干扰（ISI：Inter-Symbol Interference），因此对单载波TDMA系统中使用的均衡器提出非常高的要求，即抽头数量要足够大，训练符号要足够多，训练时间要足够长，而均衡算法的复杂度也会大大增加。对于窄带CDMA来说，其主要问题在于扩频增益与高速数据流之间的矛盾。保证相同带宽的前提下，高速数据流所使用的扩频增益就不能太高，这样就大大限制了CDMA系统噪声平均的优点，从而使得系统的软容量受到一定的影响，如果保持原来的扩频增益，则必须要相应的提高带宽。此外，CDMA系统内的一个非常重要的特点是采用闭环的功率控制，这在电路交换系统中比较容易实现，但对于分组业务来说，对信道进行探测，然后再返回功率控制命令会导致较大的时延，因此对于高速的无线分组业务来说，这种闭环的功率控制问题也存在缺陷。
因此，人们开始关注正交频分复用（OFDM）系统，希望通过这种方法来解决高速信息流在无线信道中的传输问题，从而可以满足带宽要求更高的多种多媒体业务和更快的网络浏览速度[3][4]。
正交频分复用(OFDM：Orthogonal Frequency Division Multiple*ing)的提出已有近40年的历史，第一个OFDM技术的实际应用是军用的无线高频通信链路。但这种多载波传输技术在双向无线数据方面的应用却是近十年来的新趋势。经过多年的发展，该技术在广播式的音频和视频领域已得到广泛的应用。近年来，由于DSP（digital signal processing）技术的飞速发展，OFDM作为一种可以有效对抗ISI的高速传输技术，引起了广泛关注。OFDM技术已经成功地应用于数字音频广播（DAB）、高清晰度电视HDTV（High-definition Television）、无线局域网WLAN（Wireless Local Area Network），它在移动通信中的运用也是大势所趋。1999年IEEE802．11a通过了一个5GHz的无线局域网标准，其中OFDM调制技术被采用并作为它的物理层标准。

1.3 宽带无线通信系统中的信道均衡概述
未来的无线通信系统要求能在高速移动的环境下提供高速的数据传输。数据率的提高要求有更宽的带宽，而带宽的增加会使采样间隔小于信道的时延扩展，这样就产生了多径环境下的频率选择性衰落。同时移动台和基站之间的高速相对移动带来多普勒效应，多普勒效应使得传输信道随时间而快速变化，从而引起信道的时间选择性衰落。收发信机之间的相对运动和载波频偏都会导致信道快速时变，而且随着载频和移动速度的提高，信道的时变特性越来越明显，因此，未来宽带移动通信系统将遭受信道时-频双选择性衰落的严重影响。







































第二章 OFDM系统基本介绍

正交频分复用（OFDM）系统是一种特殊的多载波传输方案，它可以被看作是一种调制技术，也可以被当作一种复用技术。多载波传输把数据流分解成若干个子比特流，这样每个子数据流将具有低得多的比特速率，用这样的低比特率形成的低速率多状态符号再去调制相应的子载波，就构成多个低速率符号并行发送的传输系统。正交频分复用是对多载波调制（MCM：Multi-Carrier Modulation）的一种改进。它的特点是各子载波相互正交，所以扩频调制后的频谱可以相互重叠，不但减小了子载波间的相互干扰，还大大提高了频谱利用率。选择OFDM的一个主要原因在于该系统能够很好地对抗频率选择性衰落和窄带干扰。
正交频分复用（OFDM）技术与FDM基本原理相同，OFDM把高速的数据流通过串并变换，分配到速率相对较低的若干个频率子信道中进行传输，不同的是，OFDM技术利用了更好的控制方法，使频谱利用率有所提高

图 2-1 FDM与OFDM带宽利用率的比较

2.1 OFDM的基本原理
2.1.1 OFDM系统基本组成
图 2-2为OFDM系统的典型框图。

在发送端，首先对二进制数据进行编码和交织，这样可以克服随机噪声和突发噪声的影响，然后进行PSK或者QAM调制，再进行串并(S/P)变换，将一路信号分成N路，通过N点的IFFT处理把数据调制到多个相互正交的子载 ……（未完，全文共22534字，当前仅显示4053字，请阅读下面提示信息。收藏《毕业论文：4G通信在高速移动环境中的挑战与对策研究》）