1、3G/4G/5G通信系統天線技術的差異姓名：學號：電話：目錄1 3G/4G/5G通信系統的關鍵技術 11.1 3G通信系統的關鍵技術 11.2 4G通信系統的關鍵技術 11.3 5G通信系統的關鍵技術 22 無線通信信道衰落特性 32.1 信道噪聲干擾 42.1.1 高斯白噪聲 42.1.2 瑞麗分布信道模型 42.1.3 如何對抗無線通信的衰落 52.2 3G/4G/5G通信系統中天線技術差異 62.2.1 3G通信系統中智能天線 62.2.2 4G通信系統中MIMO技術 62.2.3 5G通信系統的MassiveMIMO 技術 73 總結114 參考文獻113G/4G/5G的天線技術差異本

2、文討論3G/4G/5G （第三代/第四代/第五代）通信系統中關鍵技術，然后 討論它們所采用天線技術的差異。在參閱和研究了有關3G/4G/5G通信系統關鍵技術的大量論文之后，在此，我做出自己的一些分析和總結。隨著科學技術的迅猛發展，移動通信技術發生了深刻變革，從1G到2G到3G再到4G和5G不斷變革和延續。2013年12月4日，第四代移動通信4G 技術正式在中國市場運營，意味著中國移動通信事業進入4G時代。而此時，在各國研究所和全球知名從事通信技術研究的企業都已經進入新一代移動通信，即5G （第五代移動通信系統），的研發當中。無論哪代通信系統，所研究的技術都 是要從無線通信信道特性分析，克服噪聲

3、干擾。現在大量研究人員在關注 Massive （大規模）MIM或術，它與3G/4G通信系統所采用的天線技術差異在哪 里？它是否會成為新一代無線通信的核心技術？1 3G/4G/5G通信系統的關鍵技術1.1 3Gl信系統的關鍵技術從20世紀90年代早期，移動通信業界開始積極研究第三代移動通信標準 和技術。2009年1月，中國工業和信息化部為中國移動、中國電信和中國聯 通發放3GW照，意味著我國進入3彤動通信時代。第三代移動通信系統主要 有WCDMACD-MA2000 TD-SCDMA種技術體制。它的主要關鍵技術有,a. Rake接收技術；b. 信道編譯碼技術；c. 功率控制技術；d. 多用戶檢測技

4、術；e. 智能天線；f. 軟件無線電。1.2 4Gl信系統的關鍵技術2013年12月，我國正式進入4G （第四代移動通信系統）的通信網絡時代， 在4G移動通信系統中，采用OFDMf交頻分復用）技術，OFD或術因其頻譜利用 率高和抗多徑衰落性能好而被普遍看好，未來5G通信網絡也將進行與OFD瞰術 相關的研究。4G通信系統主要關鍵技術有，a. OFD朧術；b. MIM皴術；c.多用戶檢測技術；d.軟件無線電；e.智能天線技術；f. IPv6 技術。1.3 5Gl信系統的關鍵技術中國工業和信息化部剛剛給三大運營商發放 4G牌照，他們還在大規模布網， 用戶數量也不多。此時中國移動表示啟動 5G通信系統

5、研發，分析人士指出，目 前三大運營商均在參與5G研發，一是為了技術跟上時代變化，二是需求快于技 術發展。中國移動副總裁李正茂在 2014年巴塞羅那世界通信大會(MWC表示： “中國移動將全力支持5G項目發展，希望能引導產業界5G技術研發和技術標準 的制定。”隨著移動通信技術研究的不斷深入，5G關鍵支撐技術將逐步得以明確， 并 在未來幾年內進入實質性的標準化研究與制定階段。未來將采用何種核心技術， 目前還沒有定論。不過，綜合各大高端移動通信論壇討論的焦點，我收集了9大關鍵技術。a.大規模MIMO技術；b.基于濾波器組的多載波技術；c.全雙工技術；d.超密集異構網絡技術；e.自組織網絡技術；f.高

6、頻段的使用；g.軟件定義無線網絡；h.無線接入技術：（1） BDMA射束分割多址技術)（2） NOMA肝正交多址接入技術）i. D2D （設備對設備）通信。圖1是5G通信網絡中大規模 MIM改線的布局，我在實驗室正在研究 Massive MIMOU術。圖1顯示了用戶以大規模天線為中心，相互之間進行通 信。dhlribulrd XIHIO圖1.大規模天線協作無線通信網絡2無線通信信道衰落特性無線通信系統的性能主要受移動無線信道的制約。 無線信道非常復雜，對它 的建模一直是系統設計中的難點，一般是利用統計方法，根據對特定頻帶上的通 信系統的測量值來進行統計。無線信道衰落信道分為大尺度衰落信道模型和

7、小尺度衰落信道模型。 所謂大 尺度衰落模型，描述的是發射機和接收機之間長距離（幾百米或幾千米）上的場 強變化，反映由路徑損耗和陰影效應所引起的接收信號功率隨距離變化的規律。小尺度衰落模型，描述短距離或短時間內的接收場強的快速波動。大尺度衰落信道模型由收、發端之間地表輪廓（如高山、森林、建筑等）的 影響引起。小尺度衰落信道模型由多徑效應和多普勒效應引起，如果存在大量反射路徑而沒有LOS（直射信號）信號分量，此時的小尺度衰落稱為Rayleigh衰落, 接收信號的包絡由Rayleigh概率密度函數統計描述；若存在LOS則包絡服從Rician分布。多徑效應現象引起平坦衰落和頻率選擇性衰落。在3G/4G

8、/5G6線通信系統中，如何克服多徑效應現象，就我所研究的，在此進行一些分析和看法？2.1 信道噪聲干擾2.1.1 高斯白噪聲在分析無線通信系統的性能時，通常以理想的加性高斯白噪聲（AWGN信道 作為分析的基礎。在該信道上，統計獨立的高斯遭受疊加在信號上。 高斯噪聲指 頻譜非常寬（1012Hz）、幅度隨時間連續隨機變化，也稱為起伏噪聲。所謂“白"， 指噪聲功率譜密度（PSD）在整個頻率軸上為常數。wn （w） =-n°-（w/ Hz）, - < w <«（1）22.1.2 瑞麗分布信道模型數學描述：概率密度函數（pdf）、累積積分函數（CDF及其數字特征

9、（數 學期望、方差、中值)。p=)硬卜白)(0邙川)(2)(3)(4)(5)1 0<r<0)P(R)= Pr(r < R) = prdr = 1 - exp - -j I Jl £>U f,m+an -包- = p (，)©， 了 1 - 2533 <7tbffr * 磯產-= r2p(r)dr -J t=2 -= 0.4292a1r IddujiP(.r)dr(6)捺也信號包籍電唐Zh圖2.接收信道包絡電壓2.1.3如何對抗無線通信的衰落a.減少通信距離；增加發送功率；調整天線高度；選擇合適路由；b.在移動通信中采用微蜂窩、直放站；c.采用分

10、集技術、均衡技術、瑞克技術、糾錯技術等；d.頻率選擇性衰落主要是由于多徑效應引起的；e.多徑效應最嚴重的后果之一是在信道傳遞函數中引入一個非理想的Hc，破壞奈奎斯特準則和匹配濾波準則，從而產生碼問用擾（ISI ）, 使有效的Eb/No惡化；f.對抗頻率選擇性衰落就是要消除非理想 Hc的影響；g.在接收端采用均衡、接收分集、糾錯技術等技術，而在發送端可以采用 擴頻、多載波調制OFDM發送分集等技術。由此可見，提高無線通信性能的方法和技術很多。 這里我分析3G/4G/5Gl信 系統中使用天線技術的差異。2.23G/4G/5G通信系統中天線技術差異2.2.1 3G通信系統中智能天線3Gl信系統以CD

11、MA術為核心技術。使用的天線是智能天線。從1G到4G,通信設備都離不開天線，當傳統的天線不滿足通信網絡需求時，移動通信進入3G時代，研究人員研發了智能天線，但在 3G標準中，由于 智能天線的算法及其復雜，WCDMA和CDMA2000不采用這種技術，只有TD-SCDMA系統采用了這種技術。智能天線是一種基于自適應天線原理的移動 通信新技術，它在消除干擾、擴大小區半徑、降低系統成本、提高系統容量等方 面具有不可比擬的優越性。為了達到高速通信的目的，智能天線是不可缺少的，必須更加有效的使用智 能天線。3G通信網絡中智能天線無法解決的時延超過碼片寬度的多徑干擾和高 速移動引起的多普勒效應等問題，將在

12、4G中得到有效的解決。2.2.2 4G通信系統中 MIMO技術4G通信系統采用了多輸入多輸出（MIMO技術，3G系統中都沒有采用這種 技術。在4G通信網絡中，多數基站的天線采用一發兩收的結構。 MIMOJ術與 4蕨統所采用白核心技術OFDM術相結合，即MIMO-OFDM術，形成滿足人們需 求的新型技術，極大的提高了數據速率，避免窄帶衰落，提高了頻譜利用率和抗 多徑衰落的能力。其原因一是，OFD破術屬于多載波調制（MCM技術，OFDMK術具有良好的抗 噪聲性能和抗多徑干擾的能力，以及頻譜利用率高的特點。其原因二是，采用MIMOK術不僅成倍地提高無線信道容量，而且在不增加 帶寬和天線發送功率的情況

13、下，頻譜利用率也可以成倍地提高。對提高抗干擾能 力，起到非常關鍵作用。MIM仇術系統具有顯著的優點：a.降低了碼問干擾；b.提高了空間分集增益；c.提高了無線信道容量和頻譜利用率。2.2.3 5G通信系統的MassiveMIMO技術在4Gl信系統中利用MIM豉術與OFD朧術融合，克服多徑效應信道衰落。鑒于MIMOK術的優點，5G系統也采用了 MIMOfc術，但是為了滿足人們對移動通信視頻、高速數據傳送需求而開發新一代技術，Massive MIMO（大規模多輸入多輸出）技術。未來5G網絡是一個多網絡、多頻道、多制式的混合網絡， 研究人員以大規模MIMOK術為研究熱點,天線數量比4G傳統的MIMC

14、K線多出 好幾十倍甚至幾百倍。其大規模天線的特點不僅繼承MIMOK術優點，而且提高通信質量的魯棒性，讓網絡的容量成倍增加，同時提高了網絡的能量效率?？傊?， Massive MIMO技術能更好地提高通信網絡的有效性和可靠性。以下是我在研究5鼠鍵技術中的一些理解，主要針對Massive （大規模）MIMO 技術的幾個基本技術方案。1. STBC（Orthogonal Space-Time Block Code ）方案它利用矩陣特性設計行列正交矩陣的符號陣，消除符號間干擾和信道間干擾，提 高空間分集增益和編碼增益，降低無線通信系統誤碼率。最早出現的是Alamouti1提出的典型基本方案：發送端使用兩

15、條天線，接 收端使用一根天線或者兩個天線，在發送端進行編碼調制，形成一個正交矩陣。式中，A是一個編碼調制符號，一個正交矩陣，直接通過天線發送每行符號;0X2為調制符號（從 M-QAM/PS的符號得到）。進一步發展，將 Alamouti碼擴展為一般的STBC2碼，還有STTC3空時格碼等，STTCW優良的分集增益和編 碼增益，但其譯碼的復雜度很高。為了滿足自由度和分集度，最多能編碼映射成 8行8列的正交矩陣。超過之，就會降低速率的性能，得不到全速的速率。2. VBLAST案P.W.Wolniansky,G.J.Foschini,et al.4研究了 BLAS技術，在發送端，各 層獨立編碼；在接收

16、端，通過干擾抵消的算法，降低無線通信系統的誤碼率。隨著收發天線數目的增加，提高傳輸質量所帶來的好處會逐漸減少。因此， 在天線數目較多的MIMOC統中，更加著重于提高傳輸速率它的優點:a.數據率很高b.接收檢測復雜度低它的缺點：a.要求發送天線數小于或等于接收天線數 b.時域和空域處理未聯合，誤碼性能不及空時碼3. Linear Dispersion Code(LDC) 方案Hassibi and Hochwald 5研究了一種MIMO?時處理結構的LDM,它合并了空時編碼(STC和空時分布復用(SDM的優勢，權衡了靈活的分集復用增益。UJC blockSnurcL： Q PSK QAM 、PS

17、KQYM %.Sp：uc thiu tnpper -0-圖3. LDC碼結構圖LDM原理：在結才圖中，矩陣 Aq(q="|Q)是由一定的準則構成，在源比 特數據流串并之后，經過M-PSK/QAM制，然后每一路調制符號分別與各路上的 矩陣Aq相乘，形成矩陣符號，各個矩陣符號對應相加，最后經過MIM8線發送。LDM是OSTBCs案，BLAST方案的總結，或者說 OSTBCs, BLASTLDM的特例。LDM, STBC BLAS下口ST Trellis Code 四者在 MIM豉術的比較復雜度數據率性能ST Trellis CodeLinear Dispersion CodeBLAST圖

18、4.比較圖4. Spatial Modulation/Space-Shift KeyingR.Mesleh,H.Haas 等研究人員6,7,8,9研究了 SM/SS舊案SM/SS的優點：克服了發射天線間同步和信道間的干擾，傳輸額外比特數，與傳統通信系統相比，增加了傳輸速率：B=log2(LLM)=log2L+log2M o它的缺點：沒有得到有效的空間分集、時間分集。SM基本方案的映射結構圖如下：圖5.SM的映射圖I 2 3 4 并 目 目 # 丫丫 YJ 丫信息比特流映射的工作原理：如下表1,輸入比特數為B=3比特，前兩個比 特作用是在四條天線中激活一條天線，后一個比特是作為調制器輸入，然后激

19、活 的天線把調制好的BPSKf號發送給接收端Input bits IAntenna indexBPSK sx nibol000Bl+1001Hl一1010B2+1011t+2 .a一1100j3+1101i3一 1110H4+ 1111-1表1.映射工作原理5. STSK(Space-Time Shift Keying) 方案這個方案是Sugiura10提出的，這個方案是由LDM和S昉案基本思想結合 得到的。與LDM和$昉案相比，STS®案是權衡了他們的優勢，獲得了可達到 的分集增益和高速率傳輸。CSTSK統模型如圖6所示CSTSK blockSource o 41PEKQAH $

20、圖6. CSTSK結構圖工作原理：在系統模型中，輸入的源數據流，經過串并轉換之后，把源數據流分成兩路數據，一路數據流用作選擇矩陣Aq(q=1用Q)中一個。另一路數據流 q輸入調制器進行映射，輸出調制符號。在第一路選擇好A(i)之后，與調制符號相乘，得到的S(i)符號陣，經過Space-time Mapper發送給接收端。STSKf案的優點：增強了空間分集、時間分集。進一步克服了多徑效應衰落。STSKf OFD腋術結合，形成STSK-MIMO-OFDM,獲得空間、時間、頻率分集增益，大大提高了無線通信的性能。未來的5Gl信系統中，在大規模MIM皴術中是否使用STSKf MIMO-OFLW 相結合

21、，尚未定論，現在還處于實驗室研究當中。3總結從事移動通信網絡業界認為，未來 5G通信網絡將是一個多網絡、多頻段、 多制式的混合通信網絡，大規模 MIMOK術是必須備受關注和值得研究的。盡管 此時5G通信核心技術尚沒有確定最終的標準，但是大部分國家科研所和從事通 信技術研究的知名企業都已經投入了大量資金到5G技術的研發當中，爭分奪秒地搶奪未來制定5G通信系統規則的話語權。不過，明確來講，大規模MIMOK術 的科研成果，必然與3G通信技術和4G通信技術一起融合發展，將實現與 3G/4G 通信網絡共存發展，形成一個完全的融合網絡。未來5G究竟如何發展，讓我們， 乃至全球研究人員共同努力。4參考文獻2

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