下一代移动通信体系之关键传输科技研究

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1、下一代移动通信体系之关键传输科技研究第一章绪论在本章中，我们首先介绍了无线移动通信的最新发展趋势以及所面临的主要挑战；进而从无线接入层面对目前乃至未来移动通信系统发展过程中所依赖的关键传输理论与技术突破点做了简要分析，在此基础上重点介绍了与本论文研究相关的部分关键传输技术与发展现状，最后引出了我们的主要研究内容、整体研究思路与论文组织结构。§1.1研究背景无线通信在发展过程中所面对的核心问题是如何在无线通信资源和无线通信需求之间建立一种平衡。围绕这一核心问题，自上世纪八十年代第一代（1G)移动通信系

2、统诞生开始，无线移动通信系统基本上是以十年为一代的速度进行快速的演变。其中用于区分各代的典型指标是数据传输速率，它在本质上反映了无线通信需求的增长趋势.图1.1给出了近20年来无线通信系统的数据速率变化[1],图中除了蜂窝移动通信系统，还给出了无线局域网的数据速率变化曲线。从图中可以看出，无线通信数据传输速率基本上以摩尔定律进行指数式增长，而且其增长势头在进入3G/4G通信时代以来依然没有丝毫减弱.另一方面，全球移动用户的数量一直持续增长，根据国际电信联盟（ITU)的数据统计，截止2010年，全球每100个人

3、中就有78人拥有，12人拥有智能，而且增长势头还在持续[2]。这种增长趋势在发展中国家表现的尤其明显。此外，随着物联网等新兴应用的兴起，传统的用户类型也在发生根本性的变革，用户终端的种类和业务类型更趋多样化[3]。种种迹象表明，无线通信的需求依然旺盛，并呈井喷之势，这对无线通信系统的发展带来了巨大的挑战在以往的无线移动通信系统中，增加频带资源是新的移动通信系统获得容量增加的最有效手段，如在1G通信系统中我们分配了30kHz的频谱资源，到2G通信系统，频带宽度上升到200kHz，再到3G通信系统的5MHz，以及

4、4G通信标准的40MHz[5]。但是，目前无线通信系统所面临的主要困境是无线通信资源的日益短缺。主要体现在两个方面，一方面，适合无线通信传输的频段已经分配殆尽，硬性增加频带宽度已不现实.当然，也有研究幵始提议开发利用其他的频谱空间，如可见光频段[4],但是这方面的研究离实际应用尚有很大距离。另一方面，数据传输速率的指数式增长意味着能量消耗的指数式增长，这与目前节能环保、追求绿色通信的发展趋势是相违背的[6，7]。而且受功放线性工作范围的限制，无限制的增加发射功率也是不现实的。因此传统以增加带宽和提高发射功率为

5、主要手段的容量提升方式受到了前所未有的挑战，亟需开发新的容量提升措施[8]。§1.1.1无线传输容量增加的途径在过去的几十年间，伴随着无线移动通信的持续快速发展，信道容量赖以提升的无线传输技术也在不断的发生变革。基于传统的仙农容量公式，并仔细分析无线移动通信的发展历程，我们总结了信道容量赖以提升的主要措施以及所对应的关键传输技术，如图1.2所示。其中，B代表所用信道带宽，表示并行传输的信道数，PIN表示传输信噪比。从图中可以看出，增加系统传输容量无外乎三种技术手段：增加带宽、提高信噪比与增加并行传输

6、的信道数。如移动通信系统所用频段宽度已由1G通信系统的30kHz逐步提髙到4G通信系统的40MHz;用于提高信噪比的信道编码技术则从2G通信系统的简单分组码和卷积码逐步发展到目前3G和4G移动通信系统中的Turbo编码；调制也从2G通信系统的GMSK(GeneralizedMinimumShiftKeyingModulation)和QPSK调制发展到目前4G移动通信系统中的64QAM.此外，在最新的4G通信系统中（包括AX和LTE),还采用了频谱利用率更高的OFDM技术，并借助具有潜在频谱提升能力的MIMO技

7、术，将峰值传信率提高到了100Mbps以上[1]。应该讲，在以往的通信系统中，更多的是通过硬性增加系统带宽、采用先进编码技术，以及MIMO和OFDM技术等措施来获得信道容量的增加.但是随着无线通信资源的日益紧缺以及相关技术的不断进步，这些举措已倍显不足。如在Turbo码和LDPC码的相继发明并逐步走向标准应用之后，在信道编码领域能够做的工作已经不多；硬性增加无线频谱资源也已变得不现实，诸多不利因素促使一系列新兴技术的迅速兴起。第二章增强空时编码技术研究空时编码是多天线技术的一种发射分集实现形式，适应于在发射端

8、采用多根天线的场景[66]。这种场景在目前的无线通信系统中极为常见。最为典型的莫过于目前普遍采用的蜂窝移动通信系统，其中，基站端配置多根天线，而用户端配置单根天线。究其原因主要有二：第一，基站端较少受成本因素的制约，配置多根天线和射频链路相对比较容易，而无论从实现成本还是从健康环保角度考虑，都不适合采用多根天线配置；第二，在技术层面，目前无线通信系统的工作频段集中在2GHz左右，在这种条件下，端限于