在4 g移动通信技术

R。Arunadevi, S.Selvakumari

计算机科学系助理教授,Dhanalakshmi Srinivasan艺术与科学学院对于女性来说,Perambalur,印度

文摘

第三代(3 g)移动网络面临着新的竞争对手:所谓的4 g。令人惊讶的是,新网络可能会有利可图。,著名的未来学家阿尔文•托夫勒曾说过,“未来总是太快,但在错误的秩序”。无线电信的状态是一个典型的例子。尽管3 g移动网络正在世界各地的开启,比原计划晚了几年之后,注意力转向接下来:一群新技术,不可避免地,被称为第四代(4 g)移动网络。4 g是一个集成的、全球网络,是基于一个开放的系统方法。4 g的目的是替换当前核心蜂窝网络与一个单一的全球扩散移动核心网络标准的基于IP的控制、视频、分组数据和VoIP。这个集成4 gmobile系统提供无线用户一个负担得起的宽带移动接入解决方案的应用获得了无线移动互联网服务与增值QoS。

关键字

全球流动性,手机服务,PAVR信号,收发器

介绍

虽然3 g没有完全到达时,设计师们已经思考4 g技术。是具有挑战性的射频和基带设计头痛。手机服务提供商正在慢慢开始部署第三代(3 g)移动通信服务。随着接入技术增加,语音、视频、多媒体、宽带数据服务正在成为集成到相同的网络。希望一旦3 g作为一个真正的宽带服务的设想几乎减少了。很明显,3 g系统,同时保持可能3 mbps的数据率标准,将实际实现384 kbps。实现真正的宽带移动电话服务的目标,系统必须使飞跃第四代(4 g)网络。

这不仅仅是一个数字游戏。4 g旨在提供高速度、高容量、低成本,基于IP的服务。目标是有数据率20 Mbps,即使在这样的场景中使用车辆行驶200公里每小时。搬到4 g是由试图规范在一个复杂的3 g协议。没有一个标准的建立,设计师面临大量额外的挑战。

4 g的动机研究3 g尚未部署之前?

 3 G 性能可能不足以满足未来需求的高性能应用程序像 multi-media, 全动态 video, 无线 teleconferencing.我们需要一个扩展的3 g网络技术能力的数量级。

 There 多个标准 3 G 很难跨 networks. 漫游和互操作我们需要全球流动性和服务的可移植性

 3 G 主要是基于广域 concept.我们需要混合网络,利用两个无线局域网(热点)和细胞或基站广域网的设计概念。

 We 需要更多的带宽

 Researchers 想出了可怕地更高效的调制方案 , 不能改装成 3 G 基础设施

 We 需要所有数字分组网络 , 在其充分利用 IP capability. 融合语音和数据形式

需要为未来构建4 g网络

实现4 g标准,需要新的方法来避免不和我们看到在3 g领域。实现这一承诺底层技术是多载波调制(MCM) frequencydivision多路复用的导数。形式的多载波系统目前用于数字用户线(DSL)调制解调器,和数字音频/视频广播(DAB / DVB)。罗马数字是一个基带的过程,使用平行相等的子信道的带宽来传输信息。通常用快速傅里叶变换(FFT)技术实现,MCM的优势包括更好的性能在国米符号干扰(ISI)环境中,和避免单频陷。然而,MCM peak-to-average比率增加(PAVR)的信号,和克服ISI循环扩展或保护带必须添加到数据中。

4 g是什么?

4 g需要同样的定义,取决于你跟谁说话。用最简单的术语来描述,4 g是下一代无线网络将取代3 g网络有时在未来。在另一个上下文中,4 g是一项通过学术研发实验室超越限制和问题很难获得的3 g部署和履行承诺的性能和吞吐量。在现实中,2002年上半年,4 g是一个概念性的框架或讨论以解决未来的需求的一个通用的高速无线网络,将与钢丝绳骨干网络无缝接口。

讨论

循环扩展工作如下:如果N是原始块的长度,长度和通道的反应是M,周期性扩展符号有一个新的N + M - 1的长度。这个序列所呈现的形象,与信道卷积,看起来好像是与一个周期卷积序列组成的重复原来的块的N .因此,长度N + M - 1的新符号采样时期没有ISI。成本的增加能源和未编码的位添加到数据中。在MCM接收器,只有N处理样品,和M - 1样本被丢弃,导致损失信噪比(信噪比)如公式1所示。

两种不同类型的MCM可能候选人4 g是表1中列出。其中包括多载波码分多址(mc - cdma)和正交频分复用(OFDM)使用时分多址(TDMA)。mc - CDMA实际上是OFDM CDMA覆盖。类似于单载波CDMA系统,用户在mc - CDMA多路复用与正交码来区分用户。然而,在mc - cdma,每个用户可以分配一些代码,数据传播在时间和频率。无论哪种方式,多个用户同时访问系统。在OFDM TDMA,用户分配时间间隔发送和接收数据。与3 g系统,4 g系统必须处理的问题多址干扰和时机。

为什么OFDM ?

OFDM克服的大部分问题FDMA和TDMA (ICI和ISI)。OFDM将许多窄带信道的可用带宽。每个通道彼此正交的航空公司允许他们间隔很近,没有FDMA开销。因为这个没有伟大的用户需要在TDMA时间多路复用,因此没有开销之间切换用户。每个载波OFDM信号有一个非常狭窄的带宽(即1 K赫兹),因此产生的符号率很低。这导致信号高宽容多路延迟传播,作为一个延迟传播必须很长导致ISI(例如> 500μsec)。

4 g收发器:

4 g收发机的结构类似于任何其他宽带无线收发器。差异的一个典型的收发器主要是基带处理。多载波调制信号似乎RF收发器的/如果部分宽带高PAVR信号。基站和手机是有区别的,基站传输和接收/解码一个以上的移动,移动时为单个用户。手机可能是一个手机,一台电脑,或其他个人通信设备。

射频和基带之间的界线将4 g系统。数据将从模拟到数字转换,反之亦然在高数据速率增加系统的灵活性。同时,典型的射频组件(如功率放大器和天线需要复杂的信号处理技术来创建所需的功能的宽带高数据率的信号。图1显示了一个典型的射频收发器/如果部分。在传输路径同相的和正交(我)信号upconverted IF,然后转换为射频传输和放大。在接收路径数据取自在射频天线,过滤、放大和降频转换器进行基带处理。收发器提供了功率控制、定时和同步和频率信息。当使用多载波调制,频率信息是至关重要的。如果数据不正确同步收发器将无法解码。

4 g处理

图2显示了一个收发器的高级框图基带处理部分。考虑到4 g是基于多载波技术,发射机和接收机的基带关键组件FFT和它的逆矩阵(传输线)。在传输路径数据生成、编码、调制、转换、周期延长,然后传递到射频/如果部分。在接收路径循环扩展被删除,数据转换,检测和解码。如果数据是声音,声码器。基带子系统实现的集成电路,包括数字信号处理器(dsp)、微控制器和asic。软件,收发器的一个重要组成部分,实现了不同的算法,编码,和收发器的整体状态机。基站可以众多dsp。例如,如果使用智能天线,每个用户需要访问一个DSP来执行所需的调整天线波束。

接收部分

4 g需要改善接收机部分,与3 g相比,在数据速率达到所需的性能和可靠性的通信。香农定理指定为可靠通信所需的最小信噪比:

C的通道容量(数据速率),和BW是3 g的带宽,使用3 mbps的数据率在5 mhz带宽、信噪比只有1.2 dB。在4 g,大约12分贝20-Mbps所需信噪比是5 mhz带宽的数据速率。这表明增加4 g的数据速率,收发机系统必须执行明显好于3 g。接收机前端提供了一个信号通路从天线到基带处理器。它由一个带通滤波器,低噪声放大器(LNA),和一个下变频器。De-pending类型的接收器

可能有两个downconversions(如一个超外差接收机),其中一个downconversion把信号转换为。然后过滤信号然后降频转换器或接近基带采样。

其他配置有一个downconversion,在零差(零如果或ZIF)接收器,数据直接转化成基带。在接收机设计的挑战是实现所需的灵敏度,互调,和虚假的拒绝,而操作在低功率。

基带处理

4 g的纠错编码尚未被提出,但是,众所周知,4 g将提供不同级别的QoS,包括数据传输速率和误比特率。很可能一种级联编码也会被使用,这可能是一个涡轮代码用于3 g,或者分组码和卷积码的组合。这增加的复杂性在接收基带处理部分。4 g基带信号处理组件将包括asic dsp、微控制器和fpga。基带处理技术,如智能天线和多用户检测将被要求减少干扰。

罗马数字是一个基带的过程。创建了副载波发射机利用传输线,和FFT用于接收机来恢复数据。需要一个快速DSP解析和处理数据。多用户检测(MUD)是用来消除多址干扰(MAI)出现在CDMA系统。

发射机部分

作为4 g的数据速率的增加,需要一个干净的信号也会增加。提高能力的一种方法是增加频率复用。与更广泛的带宽系统和高PAVR 4 g,很难实现良好的性能没有帮助的线性技术(例如,预失真信号的PA)。有效地完成这一任务,反馈在射频和基带是必需的。算法执行的反馈是在DSP完成的,这是基带数据处理的一部分。功率控制将在4 g也很重要,帮助实现所需的性能;这有助于控制高PAVR——不同的服务需要不同层次的权力由于不同的利率和QoS要求的水平。

数模转换器(DAC)是传输链的重要组成部分。它需要一个高转换速率减少失真,尤其是高PAVR MCM的信号。一般来说,数据采样过量2.5到4倍;通过增加DAC的过采样率,降低样本之间的步长。这最大限度地减少失真。在传输链的基带处理部分,信号编码,调制,将使用一个传输线,然后循环扩展添加。动态包分配或动态频率选择技术可以提高系统的容量。需要移动的反馈来完成这些技术。基带处理必须支持高数据速率快。

应用程序

1。虚拟导航和TELEGEOPROCESSING: -

你将能够看到一个建筑的内部布局在紧急救援。这种类型的应用程序是一段时间内被称为“telegeoprocessing”。

远程数据库包含的图形表示的街道,建筑和物理特征的大都市。这个数据库将在快速传播序列块车辆,渲染程序将允许使用者可视化环境。他们也可能“几乎”看到建筑物的内部布局计划紧急救援或与敌对元素隐藏在大楼

2.远程医疗:

一个护理人员协助交通事故的受害者在一个偏远的位置可以访问医疗记录(x射线),建立一个基于远程视频会议,以便医生能提供“现场”援助。

3所示。危机管理应用程序:-

在自然灾害事件的整个通信基础设施陷入混乱,迅速恢复通信是至关重要的。宽带无线移动通信、有限,甚至总沟通能力(包括互联网和视频服务)可以设置几个小时,而不是几天甚至几周时间恢复所需要的目前钢丝绳通信。

4所示。TELE-GEOPROCESSING应用程序:

这是一个结合GIS(地理信息系统)和GPS(全球定位系统),用户可以通过查询位置。

5。教育:

在终身教育感兴趣的人,4 g提供了一个很好的机会。在世界任何地方的人可以通过网络继续教育以成本有效的方式。

4 g的优点

1。支持交互式多媒体服务,比如电话会议和无线网络。

2。更广泛的带宽和更高的比特率。

3所示。全球流动性和服务的可移植性。

4所示。移动网络的可伸缩性。

5。完全的分组交换网络。

6。数字网络元素。

7所示。更高的频带宽度以较低的成本提供多媒体服务(高达100 Mbps)。

8。严格的网络安全

限制

 Although 4 G 通信的概念显示多 promise, 必须 addressed. 仍然有局限性主要关心的是信号之间的互操作性技术计划用于4 g (3 xrtt和WCDMA)。

 Cost 是另一个因素可能阻碍进步的 4 G technology.所需的设备实现下一代网络仍然是非常昂贵的。

 A Key 部署 4 G 技术面临的挑战是如何使网络架构与相互兼容这是3 g的未满足的目标之一。

 AS 视操作 area, 农村地区和许多建筑在大城市由现有无线 networks. 服务不周到

结论

系统设计师和服务提供者是期待一个真正的无线宽带蜂窝系统,或4 g。实现目标的4 g技术需要显著提高为了处理密集的基带处理算法和宽的带宽高PAVR信号。新技术也将被用来帮助系统实现所需的容量和吞吐量。高性能信号处理将会用于天线系统中,功率放大器,信号的检测。频谱分配决策,光谱标准化决策,频谱可用性决策,技术创新,组件开发、信号处理和切换增强和inter-vendor合作前4 g的愿景将实现。我们认为3 g的经验,好的或坏的,将有用的技术或业务——指导该行业在这方面。勾勒出一个世界,无处不在的移动设备和服务的承诺和未来的第四代(4 g)移动网络使事情只有梦想,我们相信,今天的4 g可能会成为一个基于ip的网络。

表乍一看

表1

数据乍一看


图1	图2

引用

移动通信(第二版)Jochen席勒

无线通信和网络由威廉切除第二版

细胞和移动通信诉JayasriArockiamary

介绍了3 g移动通信、Juhakorhonen

宽带无线通信:3 g、4 g无线局域网,Jiangzhouwang