數(shù)字移動通信第十八講

4G移動通信系統(tǒng)–1

4G系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及核心技術(shù)數(shù)字移動通信第十八講4G移動通信系統(tǒng)–124G移動通信系統(tǒng)內(nèi)容提要14G發(fā)展背景24G網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)34G協(xié)議棧 44G核心技術(shù)5LTE系統(tǒng)的無線接口64G增強(qiáng)技術(shù)第一次課第二次課24G移動通信系統(tǒng)內(nèi)容提要第一次課第二次課

本次課的要求與重難點(diǎn)要求與重點(diǎn)理解4G網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。理解MIMO技術(shù)的基本原理。重點(diǎn)：MIMO技術(shù)的抗衰落原理難點(diǎn)：Alamouti碼抗衰落的原理本次課的要求與重難點(diǎn)要求與重點(diǎn)本次課需要解決的主要問題4G移動通信系統(tǒng)有何基本特征？相比前幾代移動通信系統(tǒng)，4G系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的主要有哪些變化？從信號處理角度，MIMO技術(shù)可分為哪三類？為何Alamouti碼可實(shí)現(xiàn)空間分集？為何LST

碼可實(shí)現(xiàn)空間復(fù)用？協(xié)同通信和分布式MIMO出現(xiàn)的背景是什么？本次課需要解決的主要問題4G移動通信系統(tǒng)有何基本特征？54G移動通信系統(tǒng)14G發(fā)展背景24G網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)34G協(xié)議棧 44G核心技術(shù)5LTE系統(tǒng)的無線接口64G增強(qiáng)技術(shù)54G移動通信系統(tǒng)14G發(fā)展背景移動通信系統(tǒng)演進(jìn)示意圖4G發(fā)展背景1)3G能提供Mbit/s量級的傳輸速率，仍與人們的需求相去甚遠(yuǎn)；2)2005年，4G被正式命名為IMT-Advanced。移動通信系統(tǒng)演進(jìn)示意圖4G發(fā)展背景1)3G能提供Mbit/LTE技術(shù)發(fā)展示意圖4G發(fā)展背景3GPP組織啟動了以MIMO和OFDM為核心技術(shù)的LTE（LongTermEvolution）項(xiàng)目，LTE應(yīng)運(yùn)而生：LTE技術(shù)發(fā)展示意圖4G發(fā)展背景3GPP組織啟動了以MIMO4G基本特征4G移動通信系統(tǒng)具有以下基本特征：1、很高的傳輸速率和大范圍覆蓋100Mbit/s~1Gbit/s的峰值傳輸速率較大地域的連續(xù)覆蓋性能2、豐富的業(yè)務(wù)和QoS保證全面支持語音、圖像、視頻等豐富的數(shù)據(jù)及多媒體業(yè)務(wù)容納龐大的用戶群提供用戶滿意的QoS保證4G基本特征4G移動通信系統(tǒng)具有以下基本特征：4G基本特征4G移動通信系統(tǒng)具有以下基本特征：3、開放而融合的平臺移動終端、業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)及移動網(wǎng)絡(luò)機(jī)制具有“開放性”用戶能夠自由地選擇協(xié)議、應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)各類媒體、通信主機(jī)及網(wǎng)絡(luò)之間“無縫”鏈接用戶能夠自由地在各種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境間無縫漫游4、高度智能化的網(wǎng)絡(luò)高度自治、自適應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)具有很好的重構(gòu)性、可變性、自組織性4G基本特征4G移動通信系統(tǒng)具有以下基本特征：4G基本特征4G移動通信系統(tǒng)具有以下基本特征：5、高度可靠的鑒權(quán)及安全機(jī)制數(shù)據(jù)的安全可靠性直接影響到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生存力直接影響到用戶對整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的信任程度概括地說，4G技術(shù)是在傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)和技術(shù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提高了無線通信的網(wǎng)絡(luò)效率和功能。它包含的不僅僅是一項(xiàng)技術(shù)，而是多種技術(shù)的融合。4G基本特征4G移動通信系統(tǒng)具有以下基本特征：概括地說，4GLTE設(shè)計(jì)目標(biāo)目標(biāo)分項(xiàng)目標(biāo)要求主要實(shí)現(xiàn)方法頻譜靈活使用支持的系統(tǒng)帶寬包括：1.4MHz、3MHz、5MHz、10MHz、15MHz、20MHz帶寬可擴(kuò)展的OFDMA技術(shù)峰值速率在20MHz帶寬下，下行峰值速率可達(dá)100Mb/s

下行MIMO，高階QAM在20MHz帶寬下，上行峰值速率可達(dá)50Mb/sUE配置1根發(fā)送天線，高階QAM天線配置

下行支持：

高效的控制信令設(shè)計(jì)，支持天線端口數(shù)為2/4的高效導(dǎo)頻圖案

上行支持：

更高的頻譜效率下行：3~4倍于HSDPAR6（HSDPA：1發(fā)2收，LTE：2發(fā)2收）MIMO-OFDM，自適應(yīng)編碼調(diào)制，小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)(ICIC)上行：2~3倍于HSUPAR6（HSUPA：1發(fā)2收，LTE：1發(fā)2收）LTE設(shè)計(jì)目標(biāo)目標(biāo)分項(xiàng)目標(biāo)要求主要實(shí)現(xiàn)方法頻譜靈支持的系統(tǒng)帶LTE設(shè)計(jì)目標(biāo)（續(xù)）目標(biāo)分項(xiàng)目標(biāo)要求主要實(shí)現(xiàn)方法低延遲控制平面的時(shí)延應(yīng)小于50ms，建立用戶平面的時(shí)延要小于100ms取消RNC節(jié)點(diǎn)，采用扁平化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，優(yōu)化設(shè)計(jì)空中接口中的層2、層3設(shè)計(jì)從UE到服務(wù)器的用戶平面時(shí)延應(yīng)小于10ms移動性對低于15km/h的移動條件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)采用了相對較寬的15kHz子載波間隔，在開環(huán)MIMO、導(dǎo)頻密度上也有所考慮對低于120km/h的移動條件應(yīng)該保持高性能對達(dá)到350km/h的移動條件應(yīng)該能夠保持連接覆蓋性能針對覆蓋半徑<5km的場景優(yōu)化設(shè)計(jì)OFDM采用了長、短兩種CP長度，以適應(yīng)不同的覆蓋范圍針對覆蓋半徑在5~30km之間的場景，允許性能略有下降針對覆蓋半徑達(dá)到30~100km之間的場景，仍應(yīng)該能夠工作LTE設(shè)計(jì)目標(biāo)（續(xù)）目標(biāo)分項(xiàng)目標(biāo)要求主要實(shí)現(xiàn)方法低延遲控制平1999年9月，ITU-R提出4G的最初提法是SystemBeyondIMT-2000(B3G)。2003年，ITU-R對未來B3G的框架和目標(biāo)進(jìn)行了初步定義，未來移動通信系統(tǒng)應(yīng)能在高速移動狀態(tài)下達(dá)到100Mbit/s的傳輸速率，在低速移動時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)1Gbit/s的速率，并支持更多的業(yè)務(wù)和更靈活的頻率分配。2005年10月，ITU-R正式將SystemBeyondIMT-2000命名為IMT-Advanced，也就是所謂的4G。4G研究計(jì)劃1999年9月，ITU-R提出4G的最初提法是System2008年2月，ITU-R完成了IMT-Advanced需求定義，完成并發(fā)出了征集IMT-Advanced候選技術(shù)提案的通函。4G研究計(jì)劃2009年10月，ITU-R一共收到了6項(xiàng)來自不同政府或者標(biāo)準(zhǔn)化組織提交的候選技術(shù)提案，并開始了后續(xù)評估和標(biāo)準(zhǔn)融合的開發(fā)工作。2010年10月，在中國重慶舉行的ITU-RWP5D第9次會議上最終確定了IMT-Advanced的國際標(biāo)準(zhǔn)。2008年2月，ITU-R完成了IMT-Advanced需求編號提交組織技術(shù)方案技術(shù)基礎(chǔ)1IEEEFDD和TDD，UL/DLbasedonOFDMA基于IEEE802.16m2日本FDD和TDD，UL/DLbasedonOFDMA基于IEEE802.16m3韓國FDD和TDD，UL/DLbasedonOFDMA基于IEEE802.16m43GPPFDD和TDD，ULbasedonSC-FDMA(DFT-spreadOFDM)，DLbasedonOFDMA基于3GPPLTERelease10&beyond(LTE-Advanced)5日本FDD和TDD，ULbasedonSC-FDMA(DFT-spreadOFDM)，DLbasedonOFDMA基于3GPPLTERelease10&beyond(LTE-Advanced)6中國TDD,TD-LTE-Advanced，ULbasedonSC-FDMA(DFT-spreadOFDM)，DLbasedonOFDMA基于3GPPLTERelease10&beyond(LTE-Advanced)ITU認(rèn)定的6個(gè)有效4G候選提案4G研究計(jì)劃編號提交組織技術(shù)方案技術(shù)基礎(chǔ)1IEEEFDD和TDD，UL/從采用的技術(shù)方案和技術(shù)基礎(chǔ)的淵源看，提案1、2和3是同一類，提案4和5是同一類，中國的TD-LTE-Advanced提案僅包括TDD模式，且根源于3GPP-LTERelease10&beyond(LTE-Advanced)，因此，提案可以分為兩大陣容：3GPPLTE-Advanced和IEEE802.16m。最終LTE-Advanced和IEEE802.16m成為IMT-Advanced國際標(biāo)準(zhǔn)。4G研究計(jì)劃從采用的技術(shù)方案和技術(shù)基礎(chǔ)的淵源看，提案1、2和3是同一類，我國4G的產(chǎn)業(yè)發(fā)展首推中國移動公司的TD-LTE系統(tǒng)。4G產(chǎn)業(yè)發(fā)展中國移動"4G"：TD-LTE(Release9)4G國際標(biāo)準(zhǔn)：LTE-A(Release10+)在頻段方面，目前已部署的包括Band41中的60MHz頻段2575-2635MHz、Band39中的20M頻段(1880~1900MHz)和Band40(2320~2370MHz)頻段，其中Band40僅用于室內(nèi)覆蓋。我國4G的產(chǎn)業(yè)發(fā)展首推中國移動公司的TD-LTE系統(tǒng)。4G產(chǎn)4G產(chǎn)業(yè)發(fā)展目前，中國移動的商用移動蜂窩網(wǎng)絡(luò)處于4G規(guī)模發(fā)展、2G/3G存續(xù)發(fā)展的階段，在移動接入網(wǎng)和無線接入網(wǎng)方面，形成了四網(wǎng)共存的格局代表2G的GSM網(wǎng)代表3G的TD-SCDMA網(wǎng)代表4G的TD-LTE網(wǎng)代表無線熱點(diǎn)接入的WLAN網(wǎng)絡(luò)。四網(wǎng)共存的格局4G產(chǎn)業(yè)發(fā)展目前，中國移動的商用移動蜂窩網(wǎng)絡(luò)處于4G規(guī)模發(fā)展4G產(chǎn)業(yè)發(fā)展高速數(shù)據(jù)率的實(shí)現(xiàn)，催生了物聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)等新業(yè)態(tài)的產(chǎn)生；新業(yè)態(tài)的發(fā)展要求，反過來推動著移動通信產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。如何引入4G演進(jìn)技術(shù)，以平滑演進(jìn)到5G？如何對5G進(jìn)行技術(shù)、產(chǎn)業(yè)和頻譜推進(jìn)，以實(shí)現(xiàn)引領(lǐng)與先發(fā)？如何應(yīng)用非授權(quán)頻段資源，實(shí)現(xiàn)低成本高性能運(yùn)營？如何引入無線物聯(lián)技術(shù)，為垂直行業(yè)提供多樣化連接……新機(jī)遇新挑戰(zhàn)4G產(chǎn)業(yè)發(fā)展高速數(shù)據(jù)率的實(shí)現(xiàn)，催生了物聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)等新業(yè)態(tài)的204G移動通信系統(tǒng)14G發(fā)展背景24G網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)34G協(xié)議棧 44G核心技術(shù)5LTE系統(tǒng)的無線接口64G增強(qiáng)技術(shù)204G移動通信系統(tǒng)14G發(fā)展背景4G網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在Rel-6中，RNC主要負(fù)責(zé)對各種接口的管理，是無線資源管理的主體，主要包括移動性管理、呼叫控制、切換控制、功率控制、宏分集合并等功能。一個(gè)RNC控制一個(gè)或多個(gè)NodeB。NodeB主要實(shí)現(xiàn)空中接口與物理層間的相關(guān)處理并完成一部分無線資源管理功能，比如快功率控制。3GPPRel-6(HSDPA)4G網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在Rel-6中，RNC主要負(fù)責(zé)對各種接口的管理，4G網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為了達(dá)到簡化信令流程、縮短延遲和降低成本的目的，LTE舍棄了UTRAN的無線網(wǎng)絡(luò)控制器-基站(RNC-NodeB)結(jié)構(gòu)，精簡為核心網(wǎng)加基站(eNodeB)模式。具體為：取消RNC節(jié)點(diǎn)，整個(gè)LTE網(wǎng)絡(luò)由演進(jìn)分組核心網(wǎng)（EPC）和演進(jìn)無線接入網(wǎng)（E-UTRAN）組成。核心網(wǎng)由許多網(wǎng)元節(jié)點(diǎn)組成，而接入網(wǎng)只有一個(gè)節(jié)點(diǎn)，即與用戶終端（UE）相連的eNodeB。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖4G網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為了達(dá)到簡化信令流程、縮短延遲和降低成本的目的，4G網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相比前幾代移動通信系統(tǒng)，4G系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的主要變化為：實(shí)現(xiàn)了控制與承載的分離，MME負(fù)責(zé)移動性管理、信令處理等功能，AGW負(fù)責(zé)媒體流處理及轉(zhuǎn)發(fā)等功能;核心網(wǎng)取消了CS(電路域)，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)全I(xiàn)P化;取消了RNC，原來RNC功能被分散到了eNodeB和網(wǎng)關(guān)(GW)中，eNodeB直接接入EPC，LTE網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更加扁平化;傳輸帶寬需求大幅增加，峰值速率將達(dá)到1Gbit/s。4G網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相比前幾代移動通信系統(tǒng)，4G系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的主要變244G移動通信系統(tǒng)14G發(fā)展背景24G網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)34G協(xié)議棧

44G核心技術(shù)5LTE系統(tǒng)的無線接口64G增強(qiáng)技術(shù)244G移動通信系統(tǒng)14G發(fā)展背景空中接口是終端和接入網(wǎng)之間的接口，簡稱Uu接口，通常也稱之為無線接口。在4G中，空中接口是終端UE和eNodeB之間的接口。空中接口協(xié)議主要是用來建立、配置和釋放各種無線承載業(yè)務(wù)的?？罩薪涌趨f(xié)議棧主要分為三層兩面，三層指物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層，兩面指用戶平面和控制平面。4G協(xié)議?？罩薪涌谑墙K端和接入網(wǎng)之間的接口，簡稱Uu接口，通常也稱之為用戶平面用于執(zhí)行無線接入承載業(yè)務(wù)，主要負(fù)責(zé)用戶發(fā)送和接收的所有信息的處理。用戶平面協(xié)議棧4G協(xié)議棧用戶平面協(xié)議子層媒體訪問控制層（MAC）無線鏈路控制層（RLC）分組數(shù)據(jù)匯聚層(PDCP)用戶平面用于執(zhí)行無線接入承載業(yè)務(wù)，主要負(fù)責(zé)用戶發(fā)送和接收的所控制平面負(fù)責(zé)用戶無線資源的管理，無線連接的建立，業(yè)務(wù)的QoS保證和最終的資源釋放?？刂破矫鎱f(xié)議棧4G空中接口控制平面協(xié)議子層非接入層（NAS）無線資源控制層（RRC）分組數(shù)據(jù)匯聚層(PDCP)無線鏈路控制子層（RLC）媒體接入控制子層（MAC）控制平面負(fù)責(zé)用戶無線資源的管理，無線連接的建立，業(yè)務(wù)的QoS284G移動通信系統(tǒng)14G發(fā)展背景24G網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)34G協(xié)議棧 44G核心技術(shù)5LTE系統(tǒng)的無線接口64G增強(qiáng)技術(shù)284G移動通信系統(tǒng)14G發(fā)展背景4G關(guān)鍵技術(shù)為了滿足4G移動通信系統(tǒng)的高數(shù)據(jù)率、高終端移動性、高頻譜利用率和功率效率等方面的要求，人們發(fā)展了眾多的新理論與新技術(shù)。以MIMO為代表的多天線技術(shù)以O(shè)FDM為代表的多載波技術(shù)無線資源管理技術(shù)……4G關(guān)鍵技術(shù)為了滿足4G移動通信系統(tǒng)的高數(shù)據(jù)率、高終端移動性隨著用戶需求的不斷增加，移動通信系統(tǒng)在覆蓋、系統(tǒng)容量、業(yè)務(wù)動態(tài)性等方面的矛盾不斷增加，突出表現(xiàn)在頻譜資源嚴(yán)重不足。而MIMO技術(shù)的出現(xiàn)為解決頻譜利用率問題開辟了一條新路。MIMO技術(shù)

研究表明，MIMO技術(shù)在室內(nèi)傳播環(huán)境下的頻譜效率可以達(dá)20～40bit/s/Hz，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)蜂窩無線通信技術(shù)的1～5bit/s/Hz。隨著用戶需求的不斷增加，移動通信系統(tǒng)在覆蓋、系統(tǒng)容量、業(yè)務(wù)動MIMO技術(shù)的關(guān)鍵是有效地利用了隨機(jī)衰落和可能存在的多徑傳播，其本質(zhì)是引入了空間維進(jìn)行通信，從而能在不增加帶寬和總發(fā)射功率的情況下，顯著地提高系統(tǒng)的頻譜利用率，改善無線信號傳輸質(zhì)量。MIMO技術(shù)作為提高數(shù)據(jù)傳輸率的重要手段得到了人們的認(rèn)可，并被認(rèn)為是新一代無線通信技術(shù)的革命。MIMO技術(shù)MIMO技術(shù)的關(guān)鍵是有效地利用了隨機(jī)衰落和可能存在的多徑傳播空時(shí)編碼是MIMO技術(shù)的核心!從信號處理角度，MIMO技術(shù)可分為三類：提高分集增益和編碼增益的空間分集技術(shù)空時(shí)格型編碼（STTC，Space-TimeTrellisCodes）空時(shí)分組編碼（STBC，Space-TimeBlockCodes）提高系統(tǒng)容量的空間復(fù)用技術(shù)垂直結(jié)構(gòu)的分層空時(shí)編碼方案（V-BLAST，VerticalBellLabsLayeredSpace-Time）抑制干擾的空時(shí)預(yù)編碼技術(shù)波束賦形（Beamforming）有限反饋技術(shù)MIMO技術(shù)空時(shí)編碼是MIMO技術(shù)的核心!MIMO技術(shù)MIMO系統(tǒng)原理及分類示意圖MIMO技術(shù)

空間復(fù)用技術(shù)與分集技術(shù)的綜合優(yōu)化，能夠在復(fù)用增益與分集增益/編碼增益之間達(dá)到最優(yōu)折衷；分集技術(shù)與預(yù)編碼技術(shù)的聯(lián)合優(yōu)化，能夠在天線增益與分集增益/編碼增益之間達(dá)到最優(yōu)折衷。MIMO系統(tǒng)原理及分類示意圖MIMO技術(shù)空間復(fù)用技術(shù)MIMO空間分集舉例——Alamouti碼STBC編碼最先是由Alamouti提出的，采用了簡單的兩天線發(fā)射分集編碼的方式—Alamouti碼。在這種編碼方案中，每組m比特信息首先調(diào)制為M=2m進(jìn)制符號。然后編碼器選取連續(xù)的兩個(gè)符號，根據(jù)下述變換將其映射為發(fā)送信號矩陣。天線1發(fā)送信號矩陣的第一行，而天線2發(fā)送信號矩陣的第二行。MIMO空間分集舉例——Alamouti碼STBC編碼最先Alamouti空時(shí)塊編碼器結(jié)構(gòu)Alamouti空時(shí)編碼是在空域和時(shí)域上進(jìn)行編碼。令天線1和2的發(fā)送信號向量分別為：MIMO空間分集舉例——Alamouti碼Alamouti空時(shí)塊編碼器結(jié)構(gòu)Alamouti空時(shí)編碼是在這種空時(shí)編碼的關(guān)鍵思想在于兩個(gè)天線發(fā)送的信號向量相互正交，編碼矩陣具有如下性質(zhì)：其中I2是2×2的單位矩陣。MIMO空間分集舉例——Alamouti碼這種空時(shí)編碼的關(guān)鍵思想在于兩個(gè)天線發(fā)送的信號向量相互正交，編假設(shè)接收機(jī)采用單天線接收。發(fā)送天線1和2的塊衰落信道響應(yīng)系數(shù)為：在接收端，相鄰兩個(gè)符號周期接收到的信號可以表示為：其中n1和n2表示第一個(gè)符號和第二個(gè)符號的加性白高斯噪聲樣值。

MIMO空間分集舉例——Alamouti碼假設(shè)接收機(jī)采用單天線接收。MIMO空間分集舉例——Alamo假設(shè)接收機(jī)可以獲得理想信道估計(jì)，則最大似然譯碼算法要求在信號星座圖上最小化如下的歐式距離度量：其中都是星座圖上的信號點(diǎn)。將和代入上式中，最大似然譯碼可以表示為其中，C表示調(diào)制符號對的組合，和是判決統(tǒng)計(jì)量。MIMO空間分集舉例——Alamouti碼假設(shè)接收機(jī)可以獲得理想信道估計(jì)，則最大似然譯碼算法要求在信號由此可知，給定信道響應(yīng)，則兩個(gè)判決統(tǒng)計(jì)量分別只是各自發(fā)送信號的函數(shù)。則最大似然譯碼準(zhǔn)則可以分解為獨(dú)立的兩個(gè)準(zhǔn)則：MIMO空間分集舉例——Alamouti碼由此可知，給定信道響應(yīng)，則兩個(gè)判決統(tǒng)計(jì)量分別只是各自發(fā)送信號下圖給出了幾種Alamouti編碼方案在準(zhǔn)靜態(tài)衰落信道下的性能。仿真中接收端采用理想信道估計(jì)，調(diào)制方式是相干BPSK調(diào)制。

MIMO空間分集舉例——Alamouti碼下圖給出了幾種Alamouti編碼方案在準(zhǔn)靜態(tài)衰落信道下的性由圖可知，2發(fā)1收Alamouti編碼的分級增益與1發(fā)2收最大比合并收分集系統(tǒng)的分級增益相同，但信噪比損失3dB。這主要是由于在Alamouti編碼系統(tǒng)中，每個(gè)天線的發(fā)送信號功率是1發(fā)2收分集接收系統(tǒng)的發(fā)送信號功率的一半造成的。如果將每天線的發(fā)射功率提高一倍，則兩者的系統(tǒng)性能相同。

同理對于2發(fā)2收Alamouti系統(tǒng)和1發(fā)4收系統(tǒng)也有同樣的結(jié)果。一般的，2發(fā)nR收系統(tǒng)獲得的分集增益與1發(fā)2nR收分集系統(tǒng)所獲得的增益相同。MIMO空間分集舉例——Alamouti碼由圖可知，2發(fā)1收Alamouti編碼的分級增益與1發(fā)2收最分層空時(shí)碼(LayeredSpace-TimeCodes，簡稱LST)最早是貝爾實(shí)驗(yàn)室的Foschini等人提出的。最初提出的對角分層空時(shí)碼（D-BLAST）可以達(dá)到MIMO信道容量的下界。分層空時(shí)碼將信源數(shù)據(jù)分為多個(gè)子數(shù)據(jù)流，獨(dú)立地進(jìn)行編碼、調(diào)制。不是基于發(fā)送分集（而是信道空間復(fù)用）。分層空時(shí)碼最大的優(yōu)點(diǎn)在于允許采用一維的處理方法對多維空間信號進(jìn)行處理，因此極大地降低了譯碼復(fù)雜度。一般的，分層空時(shí)碼的接收機(jī)復(fù)雜度與數(shù)據(jù)速率成線性關(guān)系。MIMO空間復(fù)用舉例——LST碼分層空時(shí)碼(LayeredSpace-TimeCodesEncoder1Encoder2Encoder3Encoder4MIMO空間復(fù)用舉例——LST碼Encoder1Encoder2Encoder3EncInfo

EncoderinterleavingS/PMod.....EncoderinterleavingMod.........H-BLAST水平分層空時(shí)碼水平分層空時(shí)碼實(shí)現(xiàn)簡單，但空時(shí)特性較差，實(shí)際中很少采用。MIMO空間復(fù)用舉例——LST碼InfoEncoderinterleavingS/PModV-BLAST垂直分層空時(shí)碼InfoEncoderinterleavingS/PMod.Mod.....垂直分層空時(shí)碼實(shí)現(xiàn)簡單，空時(shí)特性和層次結(jié)構(gòu)較好，且沒有傳輸冗余，實(shí)際中應(yīng)用較多。MIMO空間復(fù)用舉例——LST碼V-BLAST垂直分層空時(shí)碼InfoEncoderinteInfoEncoderinterleavingS/PMod.....EncoderinterleavingMod.........SpatialInt.D-BLAST對角分層空時(shí)碼對角分層空時(shí)碼采用了空時(shí)二維交織，具有較好的空時(shí)特性和層次結(jié)構(gòu)，可以達(dá)到MIMO系統(tǒng)理論容量，但實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，且有nT(nT-1)/2的傳輸冗余，故在實(shí)際中較少采用。MIMO空間復(fù)用舉例——LST碼InfoEncoderinterleavingS/PMod.分層空時(shí)碼的譯碼有多種算法。最優(yōu)算法當(dāng)然是最大似然譯碼算法。但最大似然算法是指數(shù)復(fù)雜度的，無法實(shí)用化，因此學(xué)者們提出了各種簡化算法。常用的檢測算法包括：迫零(ZF)算法QR分解算法MMSE算法球形譯碼算法MIMO空間復(fù)用舉例——LST碼分層空時(shí)碼的譯碼有多種算法。最優(yōu)算法當(dāng)然是最大似然譯碼算法。MIMO技術(shù)將多徑無線信道與發(fā)射、接收視為一個(gè)整體進(jìn)行優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)高的通信容量和頻譜利用率。隨著新技術(shù)和人們新要求不斷出現(xiàn)，MIMO技術(shù)也在進(jìn)一步發(fā)展，值得一提的有以下兩個(gè)方面：MIMO技術(shù)-擴(kuò)展協(xié)同通信分布式MIMOMIMO技術(shù)將多徑無線信道與發(fā)射、接收視為一個(gè)整體進(jìn)行優(yōu)化，MIMO技術(shù)實(shí)際應(yīng)用的限制因素因視距傳播、天線間距等因素引起的天線之間的相關(guān)性會使MIMO系統(tǒng)性能大大降低。很多移動通信終端節(jié)點(diǎn)由于受到設(shè)備硬件的限制，只能配備一個(gè)天線。協(xié)同通信為突破這些限制，人們提出了協(xié)同通信（CooperativeCommunication）技術(shù)來提升無線網(wǎng)絡(luò)性能。MIMO技術(shù)實(shí)際應(yīng)用的限制因素協(xié)同通信為突破這些限制，人們提

思想：用戶間共享彼此的天線，通過無線中繼的方式形成一個(gè)虛擬的多天線陣列，從而將單輸入單輸出（Single-inputSingle-output,SISO）系統(tǒng)構(gòu)建成一個(gè)虛擬的MIMO系統(tǒng)，以獲得MIMO系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)。協(xié)同通信協(xié)同通信技術(shù)同時(shí)吸收了中繼技術(shù)和MIMO技術(shù)的特點(diǎn)，可以增加無線通信系統(tǒng)容量，減少數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹袛喔怕剩瑪U(kuò)大無線覆蓋范圍及連通性，減少傳輸節(jié)點(diǎn)的能量消耗。不過，要想構(gòu)建有效的協(xié)同通信系統(tǒng)，涉及協(xié)同策略與協(xié)議、協(xié)同信號處理以及基于協(xié)同通信的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議等問題仍有待研究解決。思想：用戶間共享彼此的天線，通過無線中繼的方式形成一個(gè)虛思想：分散在小區(qū)內(nèi)的多個(gè)天線通過光纖、電纜或無線傳輸方式連接到基站，具有多天線的移動臺和分散在附近的基站天線進(jìn)行通信，與基站建立MIMO鏈路，構(gòu)成分布式MIMO系統(tǒng)。分布式MIMO集中式MIMO分布式MIMO思想：分散在小區(qū)內(nèi)的多個(gè)天線通過光纖、電纜或無線傳輸方式連分布式MIMO這種系統(tǒng)不僅具有傳統(tǒng)分布式天線系統(tǒng)的優(yōu)勢，減小了路徑損耗，克服了陰影效應(yīng)，而且因不同天線與移動臺之間形成的不相關(guān)信道，帶來了信道容量的明顯提升，具有較高的系統(tǒng)功率效率。當(dāng)然，由于基站端的多個(gè)天線信號到達(dá)移動臺的延時(shí)不同所引出的同步、信道估計(jì)、信號檢測等諸多問題仍有待解決。分布式MIMO這種系統(tǒng)不僅具有傳統(tǒng)分布式天線系統(tǒng)的優(yōu)勢，減小1、4G系統(tǒng)基本特征2、4G系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)3、MIMO技術(shù)空間分集空間復(fù)用空時(shí)預(yù)編碼小結(jié)1、4G系統(tǒng)基本特征小結(jié)作業(yè)與思考題作業(yè)P37813思考題4G移動通信系統(tǒng)還采用了哪些抗多徑衰落的措施？作業(yè)與思考題作業(yè)謝謝！數(shù)字移動通信謝謝！數(shù)字移動通信數(shù)字移動通信第十八講

4G移動通信系統(tǒng)–1

4G系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及核心技術(shù)數(shù)字移動通信第十八講4G移動通信系統(tǒng)–1574G移動通信系統(tǒng)內(nèi)容提要14G發(fā)展背景24G網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)34G協(xié)議棧 44G核心技術(shù)5LTE系統(tǒng)的無線接口64G增強(qiáng)技術(shù)第一次課第二次課24G移動通信系統(tǒng)內(nèi)容提要第一次課第二次課

本次課的要求與重難點(diǎn)要求與重點(diǎn)理解4G網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。理解MIMO技術(shù)的基本原理。重點(diǎn)：MIMO技術(shù)的抗衰落原理難點(diǎn)：Alamouti碼抗衰落的原理本次課的要求與重難點(diǎn)要求與重點(diǎn)本次課需要解決的主要問題4G移動通信系統(tǒng)有何基本特征？相比前幾代移動通信系統(tǒng)，4G系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的主要有哪些變化？從信號處理角度，MIMO技術(shù)可分為哪三類？為何Alamouti碼可實(shí)現(xiàn)空間分集？為何LST

碼可實(shí)現(xiàn)空間復(fù)用？協(xié)同通信和分布式MIMO出現(xiàn)的背景是什么？本次課需要解決的主要問題4G移動通信系統(tǒng)有何基本特征？604G移動通信系統(tǒng)14G發(fā)展背景24G網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)34G協(xié)議棧 44G核心技術(shù)5LTE系統(tǒng)的無線接口64G增強(qiáng)技術(shù)54G移動通信系統(tǒng)14G發(fā)展背景移動通信系統(tǒng)演進(jìn)示意圖4G發(fā)展背景1)3G能提供Mbit/s量級的傳輸速率，仍與人們的需求相去甚遠(yuǎn)；2)2005年，4G被正式命名為IMT-Advanced。移動通信系統(tǒng)演進(jìn)示意圖4G發(fā)展背景1)3G能提供Mbit/LTE技術(shù)發(fā)展示意圖4G發(fā)展背景3GPP組織啟動了以MIMO和OFDM為核心技術(shù)的LTE（LongTermEvolution）項(xiàng)目，LTE應(yīng)運(yùn)而生：LTE技術(shù)發(fā)展示意圖4G發(fā)展背景3GPP組織啟動了以MIMO4G基本特征4G移動通信系統(tǒng)具有以下基本特征：1、很高的傳輸速率和大范圍覆蓋100Mbit/s~1Gbit/s的峰值傳輸速率較大地域的連續(xù)覆蓋性能2、豐富的業(yè)務(wù)和QoS保證全面支持語音、圖像、視頻等豐富的數(shù)據(jù)及多媒體業(yè)務(wù)容納龐大的用戶群提供用戶滿意的QoS保證4G基本特征4G移動通信系統(tǒng)具有以下基本特征：4G基本特征4G移動通信系統(tǒng)具有以下基本特征：3、開放而融合的平臺移動終端、業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)及移動網(wǎng)絡(luò)機(jī)制具有“開放性”用戶能夠自由地選擇協(xié)議、應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)各類媒體、通信主機(jī)及網(wǎng)絡(luò)之間“無縫”鏈接用戶能夠自由地在各種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境間無縫漫游4、高度智能化的網(wǎng)絡(luò)高度自治、自適應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)具有很好的重構(gòu)性、可變性、自組織性4G基本特征4G移動通信系統(tǒng)具有以下基本特征：4G基本特征4G移動通信系統(tǒng)具有以下基本特征：5、高度可靠的鑒權(quán)及安全機(jī)制數(shù)據(jù)的安全可靠性直接影響到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生存力直接影響到用戶對整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的信任程度概括地說，4G技術(shù)是在傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)和技術(shù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提高了無線通信的網(wǎng)絡(luò)效率和功能。它包含的不僅僅是一項(xiàng)技術(shù)，而是多種技術(shù)的融合。4G基本特征4G移動通信系統(tǒng)具有以下基本特征：概括地說，4GLTE設(shè)計(jì)目標(biāo)目標(biāo)分項(xiàng)目標(biāo)要求主要實(shí)現(xiàn)方法頻譜靈活使用支持的系統(tǒng)帶寬包括：1.4MHz、3MHz、5MHz、10MHz、15MHz、20MHz帶寬可擴(kuò)展的OFDMA技術(shù)峰值速率在20MHz帶寬下，下行峰值速率可達(dá)100Mb/s

下行MIMO，高階QAM在20MHz帶寬下，上行峰值速率可達(dá)50Mb/sUE配置1根發(fā)送天線，高階QAM天線配置

下行支持：

高效的控制信令設(shè)計(jì)，支持天線端口數(shù)為2/4的高效導(dǎo)頻圖案

上行支持：

更高的頻譜效率下行：3~4倍于HSDPAR6（HSDPA：1發(fā)2收，LTE：2發(fā)2收）MIMO-OFDM，自適應(yīng)編碼調(diào)制，小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)(ICIC)上行：2~3倍于HSUPAR6（HSUPA：1發(fā)2收，LTE：1發(fā)2收）LTE設(shè)計(jì)目標(biāo)目標(biāo)分項(xiàng)目標(biāo)要求主要實(shí)現(xiàn)方法頻譜靈支持的系統(tǒng)帶LTE設(shè)計(jì)目標(biāo)（續(xù)）目標(biāo)分項(xiàng)目標(biāo)要求主要實(shí)現(xiàn)方法低延遲控制平面的時(shí)延應(yīng)小于50ms，建立用戶平面的時(shí)延要小于100ms取消RNC節(jié)點(diǎn)，采用扁平化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，優(yōu)化設(shè)計(jì)空中接口中的層2、層3設(shè)計(jì)從UE到服務(wù)器的用戶平面時(shí)延應(yīng)小于10ms移動性對低于15km/h的移動條件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)采用了相對較寬的15kHz子載波間隔，在開環(huán)MIMO、導(dǎo)頻密度上也有所考慮對低于120km/h的移動條件應(yīng)該保持高性能對達(dá)到350km/h的移動條件應(yīng)該能夠保持連接覆蓋性能針對覆蓋半徑<5km的場景優(yōu)化設(shè)計(jì)OFDM采用了長、短兩種CP長度，以適應(yīng)不同的覆蓋范圍針對覆蓋半徑在5~30km之間的場景，允許性能略有下降針對覆蓋半徑達(dá)到30~100km之間的場景，仍應(yīng)該能夠工作LTE設(shè)計(jì)目標(biāo)（續(xù)）目標(biāo)分項(xiàng)目標(biāo)要求主要實(shí)現(xiàn)方法低延遲控制平1999年9月，ITU-R提出4G的最初提法是SystemBeyondIMT-2000(B3G)。2003年，ITU-R對未來B3G的框架和目標(biāo)進(jìn)行了初步定義，未來移動通信系統(tǒng)應(yīng)能在高速移動狀態(tài)下達(dá)到100Mbit/s的傳輸速率，在低速移動時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)1Gbit/s的速率，并支持更多的業(yè)務(wù)和更靈活的頻率分配。2005年10月，ITU-R正式將SystemBeyondIMT-2000命名為IMT-Advanced，也就是所謂的4G。4G研究計(jì)劃1999年9月，ITU-R提出4G的最初提法是System2008年2月，ITU-R完成了IMT-Advanced需求定義，完成并發(fā)出了征集IMT-Advanced候選技術(shù)提案的通函。4G研究計(jì)劃2009年10月，ITU-R一共收到了6項(xiàng)來自不同政府或者標(biāo)準(zhǔn)化組織提交的候選技術(shù)提案，并開始了后續(xù)評估和標(biāo)準(zhǔn)融合的開發(fā)工作。2010年10月，在中國重慶舉行的ITU-RWP5D第9次會議上最終確定了IMT-Advanced的國際標(biāo)準(zhǔn)。2008年2月，ITU-R完成了IMT-Advanced需求編號提交組織技術(shù)方案技術(shù)基礎(chǔ)1IEEEFDD和TDD，UL/DLbasedonOFDMA基于IEEE802.16m2日本FDD和TDD，UL/DLbasedonOFDMA基于IEEE802.16m3韓國FDD和TDD，UL/DLbasedonOFDMA基于IEEE802.16m43GPPFDD和TDD，ULbasedonSC-FDMA(DFT-spreadOFDM)，DLbasedonOFDMA基于3GPPLTERelease10&beyond(LTE-Advanced)5日本FDD和TDD，ULbasedonSC-FDMA(DFT-spreadOFDM)，DLbasedonOFDMA基于3GPPLTERelease10&beyond(LTE-Advanced)6中國TDD,TD-LTE-Advanced，ULbasedonSC-FDMA(DFT-spreadOFDM)，DLbasedonOFDMA基于3GPPLTERelease10&beyond(LTE-Advanced)ITU認(rèn)定的6個(gè)有效4G候選提案4G研究計(jì)劃編號提交組織技術(shù)方案技術(shù)基礎(chǔ)1IEEEFDD和TDD，UL/從采用的技術(shù)方案和技術(shù)基礎(chǔ)的淵源看，提案1、2和3是同一類，提案4和5是同一類，中國的TD-LTE-Advanced提案僅包括TDD模式，且根源于3GPP-LTERelease10&beyond(LTE-Advanced)，因此，提案可以分為兩大陣容：3GPPLTE-Advanced和IEEE802.16m。最終LTE-Advanced和IEEE802.16m成為IMT-Advanced國際標(biāo)準(zhǔn)。4G研究計(jì)劃從采用的技術(shù)方案和技術(shù)基礎(chǔ)的淵源看，提案1、2和3是同一類，我國4G的產(chǎn)業(yè)發(fā)展首推中國移動公司的TD-LTE系統(tǒng)。4G產(chǎn)業(yè)發(fā)展中國移動"4G"：TD-LTE(Release9)4G國際標(biāo)準(zhǔn)：LTE-A(Release10+)在頻段方面，目前已部署的包括Band41中的60MHz頻段2575-2635MHz、Band39中的20M頻段(1880~1900MHz)和Band40(2320~2370MHz)頻段，其中Band40僅用于室內(nèi)覆蓋。我國4G的產(chǎn)業(yè)發(fā)展首推中國移動公司的TD-LTE系統(tǒng)。4G產(chǎn)4G產(chǎn)業(yè)發(fā)展目前，中國移動的商用移動蜂窩網(wǎng)絡(luò)處于4G規(guī)模發(fā)展、2G/3G存續(xù)發(fā)展的階段，在移動接入網(wǎng)和無線接入網(wǎng)方面，形成了四網(wǎng)共存的格局代表2G的GSM網(wǎng)代表3G的TD-SCDMA網(wǎng)代表4G的TD-LTE網(wǎng)代表無線熱點(diǎn)接入的WLAN網(wǎng)絡(luò)。四網(wǎng)共存的格局4G產(chǎn)業(yè)發(fā)展目前，中國移動的商用移動蜂窩網(wǎng)絡(luò)處于4G規(guī)模發(fā)展4G產(chǎn)業(yè)發(fā)展高速數(shù)據(jù)率的實(shí)現(xiàn)，催生了物聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)等新業(yè)態(tài)的產(chǎn)生；新業(yè)態(tài)的發(fā)展要求，反過來推動著移動通信產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。如何引入4G演進(jìn)技術(shù)，以平滑演進(jìn)到5G？如何對5G進(jìn)行技術(shù)、產(chǎn)業(yè)和頻譜推進(jìn)，以實(shí)現(xiàn)引領(lǐng)與先發(fā)？如何應(yīng)用非授權(quán)頻段資源，實(shí)現(xiàn)低成本高性能運(yùn)營？如何引入無線物聯(lián)技術(shù)，為垂直行業(yè)提供多樣化連接……新機(jī)遇新挑戰(zhàn)4G產(chǎn)業(yè)發(fā)展高速數(shù)據(jù)率的實(shí)現(xiàn)，催生了物聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)等新業(yè)態(tài)的754G移動通信系統(tǒng)14G發(fā)展背景24G網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)34G協(xié)議棧 44G核心技術(shù)5LTE系統(tǒng)的無線接口64G增強(qiáng)技術(shù)204G移動通信系統(tǒng)14G發(fā)展背景4G網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在Rel-6中，RNC主要負(fù)責(zé)對各種接口的管理，是無線資源管理的主體，主要包括移動性管理、呼叫控制、切換控制、功率控制、宏分集合并等功能。一個(gè)RNC控制一個(gè)或多個(gè)NodeB。NodeB主要實(shí)現(xiàn)空中接口與物理層間的相關(guān)處理并完成一部分無線資源管理功能，比如快功率控制。3GPPRel-6(HSDPA)4G網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在Rel-6中，RNC主要負(fù)責(zé)對各種接口的管理，4G網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為了達(dá)到簡化信令流程、縮短延遲和降低成本的目的，LTE舍棄了UTRAN的無線網(wǎng)絡(luò)控制器-基站(RNC-NodeB)結(jié)構(gòu)，精簡為核心網(wǎng)加基站(eNodeB)模式。具體為：取消RNC節(jié)點(diǎn)，整個(gè)LTE網(wǎng)絡(luò)由演進(jìn)分組核心網(wǎng)（EPC）和演進(jìn)無線接入網(wǎng)（E-UTRAN）組成。核心網(wǎng)由許多網(wǎng)元節(jié)點(diǎn)組成，而接入網(wǎng)只有一個(gè)節(jié)點(diǎn)，即與用戶終端（UE）相連的eNodeB。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖4G網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為了達(dá)到簡化信令流程、縮短延遲和降低成本的目的，4G網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相比前幾代移動通信系統(tǒng)，4G系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的主要變化為：實(shí)現(xiàn)了控制與承載的分離，MME負(fù)責(zé)移動性管理、信令處理等功能，AGW負(fù)責(zé)媒體流處理及轉(zhuǎn)發(fā)等功能;核心網(wǎng)取消了CS(電路域)，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)全I(xiàn)P化;取消了RNC，原來RNC功能被分散到了eNodeB和網(wǎng)關(guān)(GW)中，eNodeB直接接入EPC，LTE網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更加扁平化;傳輸帶寬需求大幅增加，峰值速率將達(dá)到1Gbit/s。4G網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相比前幾代移動通信系統(tǒng)，4G系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的主要變794G移動通信系統(tǒng)14G發(fā)展背景24G網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)34G協(xié)議棧

44G核心技術(shù)5LTE系統(tǒng)的無線接口64G增強(qiáng)技術(shù)244G移動通信系統(tǒng)14G發(fā)展背景空中接口是終端和接入網(wǎng)之間的接口，簡稱Uu接口，通常也稱之為無線接口。在4G中，空中接口是終端UE和eNodeB之間的接口。空中接口協(xié)議主要是用來建立、配置和釋放各種無線承載業(yè)務(wù)的?？罩薪涌趨f(xié)議棧主要分為三層兩面，三層指物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層，兩面指用戶平面和控制平面。4G協(xié)議?？罩薪涌谑墙K端和接入網(wǎng)之間的接口，簡稱Uu接口，通常也稱之為用戶平面用于執(zhí)行無線接入承載業(yè)務(wù)，主要負(fù)責(zé)用戶發(fā)送和接收的所有信息的處理。用戶平面協(xié)議棧4G協(xié)議棧用戶平面協(xié)議子層媒體訪問控制層（MAC）無線鏈路控制層（RLC）分組數(shù)據(jù)匯聚層(PDCP)用戶平面用于執(zhí)行無線接入承載業(yè)務(wù)，主要負(fù)責(zé)用戶發(fā)送和接收的所控制平面負(fù)責(zé)用戶無線資源的管理，無線連接的建立，業(yè)務(wù)的QoS保證和最終的資源釋放?？刂破矫鎱f(xié)議棧4G空中接口控制平面協(xié)議子層非接入層（NAS）無線資源控制層（RRC）分組數(shù)據(jù)匯聚層(PDCP)無線鏈路控制子層（RLC）媒體接入控制子層（MAC）控制平面負(fù)責(zé)用戶無線資源的管理，無線連接的建立，業(yè)務(wù)的QoS834G移動通信系統(tǒng)14G發(fā)展背景24G網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)34G協(xié)議棧 44G核心技術(shù)5LTE系統(tǒng)的無線接口64G增強(qiáng)技術(shù)284G移動通信系統(tǒng)14G發(fā)展背景4G關(guān)鍵技術(shù)為了滿足4G移動通信系統(tǒng)的高數(shù)據(jù)率、高終端移動性、高頻譜利用率和功率效率等方面的要求，人們發(fā)展了眾多的新理論與新技術(shù)。以MIMO為代表的多天線技術(shù)以O(shè)FDM為代表的多載波技術(shù)無線資源管理技術(shù)……4G關(guān)鍵技術(shù)為了滿足4G移動通信系統(tǒng)的高數(shù)據(jù)率、高終端移動性隨著用戶需求的不斷增加，移動通信系統(tǒng)在覆蓋、系統(tǒng)容量、業(yè)務(wù)動態(tài)性等方面的矛盾不斷增加，突出表現(xiàn)在頻譜資源嚴(yán)重不足。而MIMO技術(shù)的出現(xiàn)為解決頻譜利用率問題開辟了一條新路。MIMO技術(shù)

研究表明，MIMO技術(shù)在室內(nèi)傳播環(huán)境下的頻譜效率可以達(dá)20～40bit/s/Hz，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)蜂窩無線通信技術(shù)的1～5bit/s/Hz。隨著用戶需求的不斷增加，移動通信系統(tǒng)在覆蓋、系統(tǒng)容量、業(yè)務(wù)動MIMO技術(shù)的關(guān)鍵是有效地利用了隨機(jī)衰落和可能存在的多徑傳播，其本質(zhì)是引入了空間維進(jìn)行通信，從而能在不增加帶寬和總發(fā)射功率的情況下，顯著地提高系統(tǒng)的頻譜利用率，改善無線信號傳輸質(zhì)量。MIMO技術(shù)作為提高數(shù)據(jù)傳輸率的重要手段得到了人們的認(rèn)可，并被認(rèn)為是新一代無線通信技術(shù)的革命。MIMO技術(shù)MIMO技術(shù)的關(guān)鍵是有效地利用了隨機(jī)衰落和可能存在的多徑傳播空時(shí)編碼是MIMO技術(shù)的核心!從信號處理角度，MIMO技術(shù)可分為三類：提高分集增益和編碼增益的空間分集技術(shù)空時(shí)格型編碼（STTC，Space-TimeTrellisCodes）空時(shí)分組編碼（STBC，Space-TimeBlockCodes）提高系統(tǒng)容量的空間復(fù)用技術(shù)垂直結(jié)構(gòu)的分層空時(shí)編碼方案（V-BLAST，VerticalBellLabsLayeredSpace-Time）抑制干擾的空時(shí)預(yù)編碼技術(shù)波束賦形（Beamforming）有限反饋技術(shù)MIMO技術(shù)空時(shí)編碼是MIMO技術(shù)的核心!MIMO技術(shù)MIMO系統(tǒng)原理及分類示意圖MIMO技術(shù)

空間復(fù)用技術(shù)與分集技術(shù)的綜合優(yōu)化，能夠在復(fù)用增益與分集增益/編碼增益之間達(dá)到最優(yōu)折衷；分集技術(shù)與預(yù)編碼技術(shù)的聯(lián)合優(yōu)化，能夠在天線增益與分集增益/編碼增益之間達(dá)到最優(yōu)折衷。MIMO系統(tǒng)原理及分類示意圖MIMO技術(shù)空間復(fù)用技術(shù)MIMO空間分集舉例——Alamouti碼STBC編碼最先是由Alamouti提出的，采用了簡單的兩天線發(fā)射分集編碼的方式—Alamouti碼。在這種編碼方案中，每組m比特信息首先調(diào)制為M=2m進(jìn)制符號。然后編碼器選取連續(xù)的兩個(gè)符號，根據(jù)下述變換將其映射為發(fā)送信號矩陣。天線1發(fā)送信號矩陣的第一行，而天線2發(fā)送信號矩陣的第二行。MIMO空間分集舉例——Alamouti碼STBC編碼最先Alamouti空時(shí)塊編碼器結(jié)構(gòu)Alamouti空時(shí)編碼是在空域和時(shí)域上進(jìn)行編碼。令天線1和2的發(fā)送信號向量分別為：MIMO空間分集舉例——Alamouti碼Alamouti空時(shí)塊編碼器結(jié)構(gòu)Alamouti空時(shí)編碼是在這種空時(shí)編碼的關(guān)鍵思想在于兩個(gè)天線發(fā)送的信號向量相互正交，編碼矩陣具有如下性質(zhì)：其中I2是2×2的單位矩陣。MIMO空間分集舉例——Alamouti碼這種空時(shí)編碼的關(guān)鍵思想在于兩個(gè)天線發(fā)送的信號向量相互正交，編假設(shè)接收機(jī)采用單天線接收。發(fā)送天線1和2的塊衰落信道響應(yīng)系數(shù)為：在接收端，相鄰兩個(gè)符號周期接收到的信號可以表示為：其中n1和n2表示第一個(gè)符號和第二個(gè)符號的加性白高斯噪聲樣值。

MIMO空間分集舉例——Alamouti碼假設(shè)接收機(jī)采用單天線接收。MIMO空間分集舉例——Alamo假設(shè)接收機(jī)可以獲得理想信道估計(jì)，則最大似然譯碼算法要求在信號星座圖上最小化如下的歐式距離度量：其中都是星座圖上的信號點(diǎn)。將和代入上式中，最大似然譯碼可以表示為其中，C表示調(diào)制符號對的組合，和是判決統(tǒng)計(jì)量。MIMO空間分集舉例——Alamouti碼假設(shè)接收機(jī)可以獲得理想信道估計(jì)，則最大似然譯碼算法要求在信號由此可知，給定信道響應(yīng)，則兩個(gè)判決統(tǒng)計(jì)量分別只是各自發(fā)送信號的函數(shù)。則最大似然譯碼準(zhǔn)則可以分解為獨(dú)立的兩個(gè)準(zhǔn)則：MIMO空間分集舉例——Alamouti碼由此可知，給定信道響應(yīng)，則兩個(gè)判決統(tǒng)計(jì)量分別只是各自發(fā)送信號下圖給出了幾種Alamouti編碼方案在準(zhǔn)靜態(tài)衰落信道下的性能。仿真中接收端采用理想信道估計(jì)，調(diào)制方式是相干BPSK調(diào)制。

MIMO空間分集舉例——Alamouti碼下圖給出了幾種Alamouti編碼方案在準(zhǔn)靜態(tài)衰落信道下的性由圖可知，2發(fā)1收Alamouti編碼的分級增益與1發(fā)2收最大比合并收分集系統(tǒng)的分級增益相同，但信噪比損失3dB。這主要是由于在Alamouti編碼系統(tǒng)中，每個(gè)天線的發(fā)送信號功率是1發(fā)2收分集接收系統(tǒng)的發(fā)送信號功率的一半造成的。如果將每天線的發(fā)射功率提高一倍，則兩者的系統(tǒng)性能相同。

同理對于2發(fā)2收Alamouti系統(tǒng)和1發(fā)4收系統(tǒng)也有同樣的結(jié)果。一般的，2發(fā)nR收系統(tǒng)獲得的分集增益與1發(fā)2nR收分集系統(tǒng)所獲得的增益相同。MIMO空間分集舉例——Alamouti碼由圖可知，2發(fā)1收Alamouti編碼的分級增益與1發(fā)2收最分層空時(shí)碼(LayeredSpace-TimeCodes，簡稱LST)最早是貝爾實(shí)驗(yàn)室的Foschini等人提出的。最初提出的對角分層空時(shí)碼（D-BLAST）可以達(dá)到MIMO信道容量的下界。分層空時(shí)碼將信源數(shù)據(jù)分為多個(gè)子數(shù)據(jù)流，獨(dú)立地進(jìn)行編碼、調(diào)制。不是基于發(fā)送分集（而是信道空間復(fù)用）。分層空時(shí)碼最大的優(yōu)