1、 通信信号处理 第一次作业1 概述 5G 无线通信技术的发展概况并与 4G 无线通信技术进行比较1.1 5G 无线通信技术概念5G 无线通信技术实际上就是无线互联网网络（见图 1） ，这个技术将支持 OFDM（正交频分复用） 、MC-CDMA（多载波码分多址） 、LAS-CDMA （大区域同步码分多址） 、UWB（超宽带） 、NETWORK-LMDS（区域多点传输服务）和 IPv6（互联网协议） 。事实上，IPv6 是 4G 和 5G 技术的基础协议。5G 技术是一个完整的无线通信系统，没有任何限制，所以我们将 5G 称为真正无线世界者 WWWW（Worldwide Wireless Web，
2、世界级无线网） 。1.2 5G 无线通信技术发展概况5G 无线通信技术发展跟踪与分析 一文将 5G 的关键技术分为 4 个类别进行阐述，即新型多天线传输技术、高频段传输关键技术、密集网络关键技术和新型网络架构。1.2.1 新型多天线传输技术随着通信产业的发展，频谱资源日益稀少，因此，提高频谱利用率成为未来通信技术发展的重要方向。在这种背景之下，基于大规模天线阵列（LSAS：Large Scale Antenna System） 和大规模 MIMO（Massive MIMO）等通信技术被相继提出。其中，利用 LSAS 技术可以带来巨大的阵列增益和干扰抑制增益，使小区总的频谱效率和边缘用户的频谱效
3、率得到极大的提升。同时，LSAS 技术还可以实现对空间位置的划分，利用空分多址，同时服务多个用户。1.2.2 高频传输技术由于各类无线通信和无线应用的快速发展，各国的低频段频谱资源都已经十分紧张，很第一次作业 2016.4.6难找到适合 5G 技术应用的新频段。同时，为了保证 5G 技术所需要的更大传输带宽，各种射频器件也势必要调整到更好的工作频率上。因此，未来 5G 技术须向高频段扩展，尤其是毫米波频段，该频段频谱资源丰富，具有连续的大带宽，可以满足短距离高速传输的需求。但是，由于电磁传播的特性，高频传输目前还面临很多实际的困难。由于空气的吸收作用，频段越高的电磁波路径损耗越大。例如，60G
4、Hz 的电磁波路径损耗要比 5GHz 的电子波高出 20 多个 dB。同时，高频段传输以直射路径为主，绕射能力较差，当基站与用户间的直视径受到阻挡，传输性能将显著下降。另外，高频段器件的技术难度较大，相关工艺还不成熟，因此，高频段相关器件较少且价格较贵，给高频段通信带来很大的技术挑战。1.2.3 密集网络技术为应对未来持续增长的数据业务需求，采用更加密集的小区部署将成为 5G 提升网络总体性能的一种方法。通过在网络中引入更多的低功率节点可以实现热点增强、消除盲点、改善网络覆盖、提高系统容量的目的。但是，随着小区密度的增加，整个网络的拓扑也会变得更为复杂，会带来更加严重的干扰问题。因此，密集网络
5、技术的一个主要难点就是要进行有效的干扰管理，提高网络抗干扰性能，特别是提高小区边缘用户的性能。1.2.4 新型网络架构未来的 5G 网络必将是多种网络共存的局面，融合多种通信方式将成为一个显著的特点。由于移动通信网络的演进特性，未来的网络将包括 3G、4G 以及 WLAN 网络等多种制式，是无缝、异构、融合的网络。因此，未来 5G 将形成蜂窝与 Wi-Fi 融合组网的新型网络架构，可以有效利用非授权频段实现业务分流。另一方面，随着移动通信业务量的不断增长，基站所承担的业务量和计算量也越来越大。为了减轻基站压力，提高传输速度，D2D（Device to Device）网络的概念被提出。目前，在
6、LTE Rel-13 中已经开始讨论 D2D 技术，未来也将成为 5G 中的关键技术。D2D 技术即终端直通技术，指终端之间通过复用小区资源直接进行通信的一种技术。D2D 技术无需基站转接而直接实现数据交换或服务提供（如图 6 所示） ，可以有效减轻蜂窝网络负担，减少移动终端的电池功耗、增加比特速率、提高网络基础设施的鲁棒性。然而，在蜂窝通信系统与 D2D 通信系统融合的系统中，网络需要决定何时启用 D2D 通信模式，以及 D2D 通信如何与蜂窝通信共享资源，是采用正交的方式，还是复用的方式，是复用系统的上行资源，还是下行资源，这些问题也增加了 D2D 辅助通信系统资源调度的复杂性。通信信号处
7、理 1.3 5G 无线通信技术与 4G 通信技术的比较1.3.1 LTE-Advanced：4G 和 5G 之间的桥梁LTE-Advanced（简称 LTE-A）是原始 LTE 技术朝着更高带宽的演变，承诺带来三倍于基本 LTE 网络的速度。LTE-A 主要由 5 个部分所组成，分别是载波聚合、提升的的 MIMO、协调式多点（COMP ） 、中继站、异构网络或 HetNet。1.3.2 4G 与 5G 网络的区别和相似之处载波聚合或新道具和是一种传输方案，可允许来自不同频谱的最多 20 个信号结合成单独一股数据流。接下来，LTE-A 会把 MIMO 的天线配置提升至 8x8，以增加使用波束转向
8、技术的无线电流的数量。随后，协调式多点技术可让移动设备从多个单元（Cell，指代信号覆盖的地理区域）发送和接收无线电信号，以减少来自其他单元的串扰，并确保单元边缘也能拥有最优性能。韩国运营商 SK Telecom 在 2012 年夏天率先推出了世界首个 LTE-A 网络，他们当时就使用了CoMP 的一种早期形式。LTE-A 设置中的中继是一种在单元边缘使用多跳通信的基站。它会接收较弱的信号，然后增强其质量并重发。HetNet 是最后也是最关键的一个环节，这是一套由大小单元所层叠的多层系统，可产生廉价带宽。作为蜂窝架构的逐步演变，HetNet 的复杂程度要高得多。在这套网络下，小单元会在蜂窝系统
9、当中添加数百甚至数千个接入点。值得注意的是，虽然 LTE-A 标准架起了 4G 和 5G 之间的桥梁，从很多方面来说，HetNet 的概念可以说是 LTE-A 和 5G 网络之间的粘合剂。这也就是为什么那么多的无线产业观察者会把 5G 网络称作是 LTE-A 的增强形式。第一次作业 2016.4.6下一代移动通信网络（NGMN）联盟对 5G 的定义如下：“5G 是一个端对端的生态系统，可带来一个全面移动和联网的设备。通过由可持续商业模式开启的、具备连贯体验的现有和新型的用例，它增强了面向消费者合作者的价值创造。 ”基本上讲，LTE-A 是 6GHz 以下 5G 无线电接入网络（RAN）的基础，
10、而从 6GHz 到100GHz 的频率则会同时进行新技术的探索。就拿 MIMO 来说，5G 将该技术升级成了Massive MIMO，当中的天线配置从 16x16 猛增至 256x256，这将会带来无线网络速度和覆盖的飞跃。2 从以下几个方面论述 4G 无线移动通信技术2.1 应用背景目前世界发达国家都正在积极进行第四代移动通信技术规格的研究制定工作,以期在全球第四代移动通信规格制定中能享有发言权。第四代移动通信设备“智能化”程度极高,移动通信面向个人、正反馈良好循环发展的特性,决定其市场潜力仍非常巨大。移动通信与互联网的结合,给移动通信与互联网的发展都将注入更大的活力。随着互联网高速发展,第
11、四代移动通信系统将会得到更快的发展。据预测,这种以宽带、接入因特网、具有多种综合功能第四代移动通信技术在 2010 年将成为移动通信市场主流技术。2.2 系统网络结构在第四代移动通信系统中,为了满足不同用户对不同业务的需求,将各种针对不同业务的接入系统通过多媒体接入系统连接到基于 IP 的核心网中,形成一个公共的、灵活的、可扩展的平台,网络的连接所示。从图 1 中可以看出基于 IP 技术的网络架构使得用户在 2G,3G,4G,WLAN,固定网之间无缝通信信号处理 漫游可以实现。我们可将系统网络体系结构分为 3 层,如图 2 所示。从图 2 可以看出,第四代移动通信系统的网络体系结构可以由下而上
12、分为:物理层、网络业务执行技术层、应用层等 3层。物理层提供接入和选路功能,网络业务执行技术层作为桥接层提供 QoS 映射、地址转换、即插即用、安全管理、有源网络。物理层与网络业务执行技术层提供开放式 IP 接口。应用层与网络业务执行技术层之间也是开放式接口,用于第三方开发和提供新业务。2.3 关键技术2.3.1 4G 网络结构分层4G 移动通信系统网络结构分为物理网络层、中间环境层、应用环境层三层。物理网络层提供网络接入和网络路由选择功能。中间环境层提供 QOS 机制、地址转换和安全管理等功能。应用环境层提供各种应用编程接口。2.3.2 OFDM 技术4G 移动通信系统采用了正交频分复用（O
13、FDM ）技术，OFDM 技术具有良好的抗噪声性能和抗多信道干扰能力，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，支持高速率、小时延的无线数据传输技术，在频域内将给定信道分成许多正交子信道，在每个子信道上使用一个子载波进行调制，各子载波并行传输。OFDM 的主要缺点是功率效率不高。2.3.3 调制与信道编码、信道传输技术4G 移动通信系统采用了多载波正交频分复用调制技术以及单载波自适应均衡调制技术，提高了频谱利用率，可延长用户终端电池的寿命。4G 移动通信系统采用了比 3G 系统更高级的信道编码方案以及自动重发请求技术和分集接收技术等，在低 Eb/No 条件
14、下可保证系统具有足够的性能。第一次作业 2016.4.62.3.4 高性能的接收机4G 移动通信系统由于数据速率很高，所以对接收机的性能要求也很高。按照 Shannon 定理，对于 3G 系统，如果信道带宽为 5MHz，数据速率为 2Mbps，则所需的 SNR 为 l.2dB。对于 4G 系统，要在 5MHz 带宽上传输 20Mbps 数据，所需的 SNR 为 12dB。2.3.5 智能天线技术智能天线具有抑制信号干扰、自动跟踪及数字波束调节等智能功能，智能天线技术既能改善信号质量，又能增加传输容量。智能天线应用数字信号处理技术，产生空间定向波束，使天线主波束对准用户信号到达方向，旁瓣或零陷对
15、准干扰信号到达方向，可实现充分利用移动用户信号并消除或抑制干扰信号的目的。2.3.6 多输入多输出技术MIMO（多输入多输出）技术又称为多天线技术，是 LTE 移动通信系统为了提高吞吐量而应用的一项关键技术，MIMO 技术是利用多发射、多接收天线进行空间分集和空间复用的技术，能够有效地将通信链路分解成许多并行的子信道，能够提高系统抗衰落与噪声性能，提高系统通信容量、数据传输速率和传输质量。2.3.7 软件无线电技术软件无线电技术是将标准化、模块化的硬件功能单元经过一个通用硬件平台，利用软件加载方式来实现无线电通信系统功能的一种具有开放式结构的新技术，各种功能和信号处理尽可能利用软件实现，包括各
16、类无线信令规则与处理软件、信号流变换软件、信源编码软件、信道纠错编码软件、调制解调算法软件等。软件无线电技术使无线电通信系统具有灵活性和适应性，能够适应不同的网络和接口，能支持不同接口的多模式手机和基站，能实现各种不同应用的可变 QOS。2.3.8 基于 IP 的核心网4G 移动通信系统的核心网是基于全 IP 的开放式移动网络，IP 兼容多种无线接入协议，便于灵活设计核心网络，可以实现不同网络间的无缝互联，能允许各种空中接口接入核心网，不必考虑无线接入究竟采用何种方式和协议，能够提供端到端的 IP 业务。2.3.9 多用户检测技术多用户检测技术是宽带通信系统中抗干扰的关键技术，传统的检测技术完
17、全按照经典直接序列扩频理论对每个用户信号分别进行扩频码匹配处理，因而抗多址干扰能力较差。多用户检测技术抗多址干扰能力较强，解决了远近效应问题，可以更加有效地利用链路频谱资源，提高系统通信容量。通信信号处理 2.4 优势与缺陷2.4.1 4G 系统的优点 根据研究人员的设想和实验，目前正在构思中的 4G 通信和传统的通信模式相比，具有下面的优点：(1) 由于人们研究 4G 通信的最初目的是提高蜂窝电话质量和其他移动装置无线访问Internet 的速率，因此 4G 通信的最大特征是它具有更快的无线通信速度。 3G 数据传输速率最高可达到 2 Mb/s，专家估计，第四代移动通信系统可以达到 10 M
18、b/s 至 20 Mb/s，甚至最高可以高达 100 Mb/s 的速度传输无线信息，这种速度远远超过了目前的手机的传输速率。(2) 要想使 4G 通信达到 100 Mb/s 的传输速度，通信营运商必须在 3G 通信网络的基础上，进行大幅度的改造和研究，以便使 4G 网络在通信带宽上比 3G 网络的蜂窝系统的带宽高出许多。据研究 4G 通信的 AT&T 的执行官们说，估计每个 4G 信道将占有 100 MHz 的频谱，相当于 W-CDMA 3G 网路的 20 倍。（3）从严格意义上说，4G 手机的功能，已不能简单划归“电话机”的范畴，因此未来4G 手机更应该算得上是一只小型电脑了，而且 4G 手
19、机从外观和式样上，以方便和个性为前提。未来的 4G 通信将使人们不仅可以随时随地通信，更可以双向下载传递资料、图画、影像。4G 技术的应用可以使通信更加灵活。（4）第四代移动通信的智能性更高，不仅表现在 4G 通信的终端设备的设计和操作具有智能化上，而且表现在 4G 手机可以实现许多难以想象的功能。各种技术的发展决定 4G 技术必然有更高的智能性。 （5）要使 4G 通信尽快地被人们接受，除了要考虑它的功能强大外，还应该考虑到现有通信的基础，以便让更多的现有通信用户在投资最少的情况下就能很轻易地过渡到 4G 通信。因此，从这个角度来看，未来的第四代移动通信系统应当具备全球漫游，接口开放，能跟多
20、种网络互联，终端多样化以及能从第二代平稳过渡等特点。 （6）4G 通信并不是从 3G 通信的基础上经过简单的升级而演变过来的，它们的核心建设技术是不同的，3G 移动通信系统主要是以 CDMA 为核心技术，而 4G 移动通信系统技术则以正交多任务分频技术(OFDM)最受瞩目，利用这种技术人们可以实现例如无线区域环路(WLL) 、数字音讯广播(DAB)等方面的无线通信增殖服务。 （7）尽管第三代移动通信系统也能实现各种多媒体通信，但未来的 4G 通信能满足第三代移动通信尚不能达到的在覆盖范围、通信质量、造价上支持的高速数据和高分辨率多媒体服务的需要，第四代移动通信系统提供的无线多媒体通信服务将包括
21、语音、数据、影像等大量信息透过宽频的信道传送出去，为此未来的第四代移动通信系统也称为“多媒体移动通信”第一次作业 2016.4.6。2.4.2 4G 系统的缺陷 对于现在的人来说，未来的 4G 通信的确显得很神秘，很多人都认为第四代无线通信网络系统是人类有史以来发明的最复杂的技术系统，所以也出现大量令人头痛的技术问题。总的来说，要顺利、全面地实施 4G 通信，将可能遇到下面的一些困难： （1）首先 4G 的标准难以统一，虽然从理论上讲，3G 手机用户在全球范围都可以进行移动通信，但是由于没有统一的国际标准，各种移动通信系统彼此互不兼容，给手机用户带来诸多不便。因此，开发第四代移动通信系统必须首
22、先解决通信制式等需要全球统一的标准化问题。 （2）尽管未来的 4G 通信能够给人带来非常大的方便，但是在当前情况下，技术上的实现是非常困难的。另外，要实现 4G 通信的下载速度还面临着一系列技术问题。例如，如何保证楼区、山区，及其他有障碍物等易受影响地区的信号强度等问题。 （3）4G 系统的最大特点是它的通信传输速度将会得到极大提升，从理论上说可达到 100 MB/s 的宽带速度，比目前手机信息传输速度要快得多，但手机的速度将受到通信系统容量的限制，如系统容量有限，手机用户越多，速度就越慢。 （4）目前，第三代移动通信的多媒体服务进一步发展，覆盖全球的 3G 网络已经基本建成，第三代技术仍然在
23、缓慢地进入市场，整个行业正在消化吸收第三代技术，对于第四代移动通信系统，人们接受它还需要一个逐步过渡的过程。另外，在过渡过程中，如果 4G 通信因为系统或终端的短缺而导致延迟的话，那么新一代的通信技术随时都有可能威胁到 4G 系统的实现。 （5）在部署 4G 通信网络系统之前，覆盖全球的大部分无线基础设施都是基于第三代移动通信系统建立的，如果要向第四代通信技术转移的话，那么全球的许多无线基础设施都需要经历着大量的变化和更新，这种变化和更新必然减缓 4G 通信技术全面进入市场、占领市场的速度。而且到那时，还必须要求 3G 通信终端升级到能进行更高速数据传输及支持 4G 通信各项数据业务的 4G
24、终端，也就是说 4G 通信终端要能在 4G 通信网络建成后及时提供，不能让通信终端的生产滞后于网络建设。 （6）因为手机的功能越来越强大，而无线通信网络也变得越来越复杂，同样 4G 通信在功能日益增多的同时，它的建设和开发也将会遇到比以前系统建设更多的困难和麻烦。对新的设备和技术推出的需要，配套的软件设计和开发必须及时能跟上步伐，才能使新的设备和技术得到很快推广和应用，但遗憾的是 4G 通信目前还只处于研究和开发阶段，具体的设备和用到的技术还没有完全成型，因此对应的软件开发也将会遇到困难。另外费率和计费方式通信信号处理 对于 4G 通信的移动数据市场的发展尤为重要。 2.5 对三大运营商的频谱
25、资源分配第一次作业 2016.4.6参考文献1钱勇,裴雷雷,曹亚飞. 关于 4G 移动通信技术的相关研究J. 信息通信,2014,01:229.2黄静,朱欣远. 4G 移动通信关键技术及其展望探究 J. 中国新通信,2014,03:119-120.3李炜键,孙飞. 基于 4G 通信技术的无线网络安全通信分析 J. 电力信息与通信技术,2014,01:127-131.4徐俭. 浅议 4G 移动通信技术 J. 有线电视技术,2014,01:17-19+24.5郑宇. 4G 无线网络安全若干关键技术研究D. 西南交通大学 ,2006.6王昆岗. 关于 4G 移动通信的技术现状分析A. .IT 时代周刊2013 年度论文集C.:,2013:5.7刘建华. 4G 移动通信特点和技术发展综述 J. 电脑知识与技术,2004,29:44-46.
