《全双工通信中的自干扰消除技术..pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《全双工通信中的自干扰消除技术..pdf(42页珍藏版)》请在三一文库上搜索。
1、中 国 科 学 技 术 大 学 本 科 毕 业 论 文 题目全双工通信中的自干扰消除技术 英文The Technology of Self-Interference Cancellation in Full Duplex Communication 院系信息学院电子工程与信息科系 姓名金鹏飞 学号PB10210270 导师张四海 日期2014年 6 月 中国科学技术大学本科毕业论文 - 1 - 目录 摘要2 第一章引言3 1.1 背景资料 3 1.2 选题意义 6 1.3 我的任务 7 第二章无线传输技术综述 8 2.1 无线传输的历史及发展 8 2.2 TDD 和 FDD9 2.3 CDMA
2、.14 2.4 同时同频全双工 .16 第三章天线干扰消除 .19 3.1 天线消除原理 .19 3.2 天线消除效果 .20 3.3 小结.31 第四章射频干扰消除 .31 4.1 射频消除概念 .31 4.2 射频消除效果 .32 第五章数字干扰消除 .33 5.1 数字消除原理 .33 5.2 数字消除理论推导 .33 5.3 数字干扰消除分析与小结.38 第六章结束语 .38 参考资料 .39 致谢.41 中国科学技术大学本科毕业论文 - 2 - 摘要 要实现全双工通信,要克服诸多困难,其中最主要的瓶颈就是收发机的自干 扰问题。当发射机发送某个信号时, 其中的部分能量会被自身的接收装置
3、接收到。 如果正好发送与接收信号同频率,就会产生干扰。 并且由于信号源离自身的接收 机很近,所以自己发射出去的信号能量可能会比接收到的信号能量大,甚至高达 100dB 以上。为了能正确解码所需要接收的信号,就要求我们的自干扰消除性能 至少达到 100dB。目前世界上所研究的都是多级消除,即天线干扰消除、射频干 扰消除、数字干扰消除等来达到更好的消除性能。其中天线干扰消除一般可达 40+dB,射频域和数字域干扰消除均可达30+dB,已能初步满足实验条件下的全 双工通信。 关键词: 全双工、自干扰、干扰消除 Abstract To achieve full-duplex communication
4、 must overcome many difficulties, and what the most important is the self-interference of transceiver. When a transmitter transmits a signal, part of the energy will be received by the itself. If you send and receive signals exactly the same frequency will cause interference. Since the signal source
5、 and the receiver are placed close, the signal transmited by itself may be stronger than the received signal, even up to more than 100dB. In order to correctly decode the received signal, it is required that the performance of interference achieve at least 100dB. The study of the world are multi-sta
6、ge elimination, such as antenna interference cancellation, RF interference cancellation and digital interference cancellation to achieve better elimination. Which antenna interference cancellation generally up to 40 + dB, and the interference cancellation of RF domains and digital 中国科学技术大学本科毕业论文 - 3
7、 - domains can be up to 30 + dB, has been able to meet the initial full-duplex communication under experimental conditions. Keyword:full-duplex , self-interference , interference cancellation 第一章引 言 1.1 背景资料 从烽火狼烟到现在的移动无线设备,人类的通信方式发生了质的飞跃。自从 1864年著名物理学家麦克斯韦语言了电磁波存在以及1887年著名物理学家赫兹 验证了电磁波之后,无线通信技术开始慢慢
8、渗入我们的生活。 本文主要研究了现代移动通信技术的最新成果以及发展趋势。从20 世纪初 开始运营的第一代移动通信系统模拟移动通信系统到第二代数字移动通信 系统 GSM 及窄带 CDMA 再到第三代基于话音业务为主的支持高速数据传输的 蜂窝移动通讯技术, 我们的通信质量在提高, 我们的要求也越来越高, 所以我们 的通信技术仍然没有停止发展的脚步随着工信部为中国三大运营商颁发4G 牌照,标志着新一代移动通信系统正式投入商用。与此同时, 下一代无线通信技 术第五代移动通信技术也正在各个国家研究机构如火如荼的进行着没 有最好,只有更好,我们的通信技术正在朝更快速,更高效,更小错误率的方向 发展。 第一
9、代移动通信技术( 1G)是指最初的模拟蜂窝电话标准,只能语音通信, 该标准于上世纪80 年代制定。模拟移动通信系统是蜂窝移动通信系统发展的早 期阶段,在 1946 年,第一种公众移动电话服务被引进到美国的25 个主要城市, 每个系统使用单个大功率的发射机和高塔,覆盖地区超过50 公里,但仅能以半 双工模式提供语音服务,却使用120kHz 带宽。虽然经过了后来技术的进步而提 中国科学技术大学本科毕业论文 - 4 - 高了频谱使用效率, 提供了全双工、 自动拨号等功能, 但提供的服务由于频道的 数量很少以及呼叫阻塞等原理不能满足使用。在 50 和 60 年代,AT&T 的贝尔实 验室和全世界其他的
10、通信公司发展了蜂窝无线电话的原理和技术。利用在地域上 将覆盖范围划分成小单元, 每个单元复用频带的一部分以提高频带的利用率,即 利用在干扰受限的环境下,依赖于适当的频率复用规划(特定地区的传播特性) 和频分复用( FDMA )来提高容量。从而实现了真正意义上的蜂窝移动通信。 由于受到传输带宽的限制, 模拟移动通信系统不能进行长途漫游,只能是一 种区域性的移动通信系统。 第一代移动通信有很多不足之处,如容量有限、 制式 太多、互不兼容、保密性差、通话质量不高、不能提供数据业务和不能提供自动 漫游等,正是如此,模拟蜂窝服务在许多地方正被逐步淘汰。 正是由于第一代模拟移动通信系统的诸多不足,比如不能
11、全球漫游, 由此诞 生了第二代移动通信系统。 GSM 是 Global System for Mobile Communication“全 球移动通信系统”的简称。它是一种数字移动通信,较之以往的模拟移动通信, 有较多的优点。首先,客户与设备分离(人机分开 )。在 GSM 通信中, SIM 卡与 移动设备之间已设置一个开放式的公共接口,这样,使用者与自己的设备之间没 有互相依存的关系。在SIM 卡中存储有持卡者的客户数据、保安数据、鉴权加 密算法等, 只要客户手持此卡就可以借用、租用不同厂家的移动台, 得到卡内存 储的各种业务的服务,大大方便了客户,大大增强了GSM 通信的移动性,也大 大地增
12、强了各生产厂家的设备的共享性。其次,通信安全可靠。因为在SIM 卡 中有一个永久性的存储器, 既有存储能力, 又有进行计算的能力, 所以它属于智 能卡。最后,其成本低。它比电话磁卡的成本低, 并且质地结实耐用, 易于推广。 近年来,第三代移动通信技术正蓬勃发展,这种支持高速数据传输的蜂窝移 动通讯技术能够同时传送声音及数据信息,速率一般在几百 Kbps 以上。3G 系统 致力于为用户提供更好的语音、 文本和数据服务。 与现有的技术相比较而言, 3G 技术的主要优点是能极大地增加系统容量、提高通信质量和数据传输速率。此外 利用在不同网络间的无缝漫游技术,可将无线通信系统和Internet 连接起
13、来,从 而可对移动终端用户提供更多更高级的服务。3G 将无线通信与国际互联网等多 媒体通信结合, 成为了继第二代移动通信技术之后的新一代移动通信系统,目前 3G 存在 3 种标准: CDMA2000 、WCDMA 、TD-SCDMA 。 中国科学技术大学本科毕业论文 - 5 - 中国 国 内 支持 国际 电 联 确定 三个 无 线 接口标 准 ,分 别 是 中 国电信 的 CDMA2000 ,中国联通的 WCDMA ,中国移动的 TD-SCDMA ,GSM 设备采用的 是时分多址,而CDMA 使用码分扩频技术,先进功率和话音激活至少可提供大 于 3 倍 GSM 网络容量,业界将CDMA 技术作
14、为 3G 的主流技术, 3G 主要特征 是可提供移动宽带多媒体业务。目前已有538 个 WCDMA 运营商在 246 个国家 和地区开通了 WCDMA 网络, 3G 商用市场份额超过80%,而 WCDMA 向下兼 容的 GSM 网络已覆盖 184 个国家,遍布全球, WCDMA 用户数已超过 6 亿。 随着生活水平的不断提高, 人们对科技的需求也越来越大,于是第四代移动 通信技术应运而生。 4G 的概念可称为宽带接入和分布网络,具有非对称的超过 2Mb/s 的数据传输能力。它包括宽带无线固定接入、宽带无线局域网、移动宽带 系统和交互式广播网络。第四代移动通信标准比第三代标准具有更多的功能。 第
15、四代移动通信可以在不同的固定、 无线平台和跨越不同的频带的网络中提供无 线服务,可以在任何地方用宽带接入互联网(包括卫星通信和平流层通信),能 够提供定位定时、数据采集、远程控制等综合功能。此外,第四代移动通信系统 是集成多功能的宽带移动通信系统,是宽带接入IP 系统。 第四代移动通信系统采用TD-LTE 标准。 LTE 是基于 OFDMA 技术、 由 3GPP 组织制定的全球通用标准, 包括 FDD 和 TDD 两种模式用于成对频谱和非成对频 谱。LTE 标准中的 FDD 和 TDD 两个模式实质上是相同的, 两个模式间只存在较 小的差异,相似度达90%。TDD 即时分双工 (Time Di
16、vision Duplexing),是移动 通信技术使用的双工技术之一,与FDD 频分双工相对应。但是TD-LTE 与中国 移动公司采用的第三代标准TD-SCDMA 实际上没有关系, TD-LTE 是 TDD 版本 的 LTE 的技术, FDD-LTE 的技术是 FDD 版本的 LTE 技术。 TD-SCDMA 是 CDMA (码分多址)技术, TD-LTE 是 OFDM(正交频分复用)技术。两者从编解码、 帧格式、空口、信令,到网络架构,都不一样。 不过第四代通信技术仍然是采用半双半通信,为了让通信技术进一步发生质 的飞跃,全双工通信的概念渐渐凸显出了其重要性。对于目前正在筹划阶段的 5G
17、网络来说,全双工是一个核心技术。 另外,目前频谱利用率还不理想, 频谱段紧缺, 这也推动了新一代移动通信 技术的研发进程。 虽然第五代移动通信技术目前还没有一个具体标准,不过通信 中国科学技术大学本科毕业论文 - 6 - 相关的科研人员已经开始着手筹备5G 相关工作了。 1.2 选题意义 1、全双工通信的概念 全双工通信又称为双向同时通信, 即通信的双方可以同时发送和接受信息 的信息交互方式。 无线领域的全双工强调相同的时间、相同的频率, 同时发射和 接收无线信号,这样就使得无线通信链路的频谱效率提高了一倍。 同时同频全双工 (CCFD)近端设备与远端设备的无线业务相互传输发生在同 样的时间、
18、相同的频率带宽上,这与现有的时分双工(TDD: Time Division Duplexing)和频分双工 (FDD: Frequency Division Duplexing)体制相比,理论频率 效率可以提升 1 倍。 2、全双工通信的优势及前景 作为新一代移动通信技术的核心, 全双工通信动摇了人们脑海中已经根深 蒂固的观点:收发机在同一信道下只能在半双工模式下工作(既能发送也能接收, 但不能同时进行)。目前斯坦福大学和莱斯大学的研究人员,联合业内其他一些 学术组,提出了多种带内全双工收发机的设计方案。如果可以实现的话, 全双工 将对网络设计带来巨大的影响,可以在无线通信系统中发挥多种作用,
19、诸如: a、提高链路容量:理论上讲,真正的全双工可以使传统的半双工信道容量 翻倍,因为可用频谱资源能在时间和频率上得到充分的使用。 b、频谱虚拟化: 全双工可以看成是FDD 的一种极端情况, 只不过它的两个 信道是完全重叠的,并且利用 SIC 技术可以将成对的同频率的发送和接收信号分 离开来。本质上,它就像是一个软件控制的双工器,不仅可以减少维持多种零碎 频谱的成本,并且使无线收发机更有效地利用零散频谱。 c、任何分( ADD )双工: SIC 消除了 TDD 和 FDD 之间的区别, TDD 将 会被带内全双工取代,而传统的FDD 则大大受益于 SIC 的可配置性。 d、新颖的中继解决方案:
20、 应用自干扰消除技术, 频谱资源可以同时在发送 中国科学技术大学本科毕业论文 - 7 - 和接收端进行复用,使异构网络能够实现几乎瞬时重发和高吞吐量的网络操作。 e、 增强干扰协调能力:在传送数据时同时接收反馈信息 (如控制信道指令), 能够缩短无线接口的延迟,有利于干扰协调技术及时间/相位同步技术的作用。 1.3 我的任务 1、全双工通信中的自干扰现象 全双工有着如此巨大的好处, 为什么直到目前为止还处在试验阶段?因为 要实现全双工通信, 要克服诸多困难, 其中最主要的瓶颈就是收发机的自干扰问 题。如图 1 所示,当发射机发送某个信号时, 其中的部分能量会被自身的接收装 置接收到。 如果正好
21、发送与接收信号同频率,就会产生干扰。 并且由于信号源离 自身的接收机很近, 所以自己发射出去的信号能量可能会比接收到的信号能量高 数十亿倍( 100dB+) 。打个比方,要想同时同频发送和接收就相当于当你尽最大 能力大声呼喊的同时试图听别人说悄悄话,这显然是不太可能的。 这个问题一直 未能解决,所以到目前为止无线通信设备都只能以半双工模式工作,比如TDD, 在同一频率下将发送和接收信号的时间错开来避免自干扰。 鉴于自干扰的存在,或许只能进行半双工通信。但是如果收发机能够完全 消除自干扰, 未来的无线通信网络将会有怎样的改变呢?目前,通过在现实世界 环境中的几组现场演示结果来看,自干扰消除技术(
22、SIC)已经在工业界和学术 界取得了巨大的进步,这也为未来网络新的技术变革带来了福音。 2、自干扰的消除方法 为什么自干扰消除会成为阻碍全双工通信技术发展的瓶颈?很多人认为, 既然发送方知道被发送信号的相关参数,所以即使自身的接收机误接收了这些发 送信号,过滤它们应该也是相对容易实现的。但在实际中,却并非那么简单:尽 管无线收发机确切知道被发送的数字基带信号,但是一旦该信号转变成模拟信 号,并且还加上载波进行上变频之后,那么被发送信号和原来的基带信号会大不 相同。因为在无线设备天线中的许多电子电路会使信号发生失真,既包括线性失 真也含有非线性失真, 并且这些失真的模拟信号还会被加入噪声(例如功
23、率放大 中国科学技术大学本科毕业论文 - 8 - 器会产生噪声干扰到发送信号中) ,所以天线发射出去的模拟信号是不准确的, 并且不同频率信号还会有不同程度的时延和失真等等。由此可见, 直接减去“已 知的”基带信号而不考虑上述模拟失真是不行的。 SIC 体系结构的目标就是对干扰进行建模来预测扭曲失真,这样就可以在接 收机上对信号进行补偿。 这其中有两个效应要注意: 接收机饱和度和非线性自干 扰。如果输入信号超出了由它们模数转换器决定的某个特定阀值,无线设备的接 收机就会达到饱和。 任何对数字信号采取的消除技术必须先对扭曲失真进行建模 并且根据信号发生的变化随时进行调整。 第二章无线传输技术综述
24、2.1 无线传输的历史及发展 人类的无线通信历史不长, 但是却一直在突发猛进的发展。 1832 年莫尔斯发 明了电报,它传送的信息是由众所周知的点划码组成的,可以认为人类最早的无 线通信是采用数字方式进行的。 以后贝尔又发明了电话, 并由此造就一个电信产 业,这是一种模拟信号的方式来进行的无线通信。一个多世纪以来, 以电话服务 为主的电信业走了一条成功之路, 取得了极大的发展。 然而随着人类社会的发展, 电信业务也从早期的电报、 电话发展到今天多种业务并存的局面,通信的规模也 发生了翻天覆地的变化。 随着科学技术的发展, 现代通信又进入了数字时代。20 世纪 90 年代信息革命的浪潮,建设信息
25、高速公路的号角声,信息和知识爆炸式 的增长,特别是因特网商用化后的迅猛发展,使传统的电信业受到巨大的震动和 冲击。带给我们的启示是,问题的核心在于“信息”。在信息和知识已成为社会 和经济发展的战略资源和基本要素的时代中,人们更加需要随时随地获取信息, 原来点对点的固定电话通信方式已远不能满足需求了。人类需要宽带的无线通信 技术,来满足多媒体化、普及化、多样化、全球化和个性化的信息交流。 无线通信是指采用电磁波进行信息传递的通信方式。早在1897 年,马可尼 使用 800KHZ 中波信号进行了从英国至北美纽芬兰的世界上第一次横跨大西洋 中国科学技术大学本科毕业论文 - 9 - 的线无电报通信试验
26、, 开创了人类无线通信的新纪元。在无线通信初期, 受技术 条件的限制,人们大量使用长波及中波进行通信。20 世纪 20年代初人们发现的 短波通信,直到 20世纪 60 年代卫星通信兴起前, 它一直是远程国际通信的重要 手段,并且目前对应急通信和军用通信依然有一定实用价值。 20 世纪 40 年代到 50 年代产生了传输频带较宽、 性能较稳定的微波通信, 成 为长距离大容量地面干线无线传输的重要手段。模拟调频传输容量高达2700 路, 亦可同时传输高质量彩色电视信号;尔号逐步进入中容量至大容量数字微波传 输。80 年代中期以来,随着频率选择性色散衰落对数字微波传输中断影响的发 现及一系列自适应衰
27、落对抗技术与高状态调制与检测技术的发展,使数字微波传 输产生了一个革命性变化。特别应该指出的是20 世纪 80 年代到 90 年代发展起 来的一整套高速多状态自适应编码调制解调技术与信息号处理及信号检测技术, 对现今卫星通信、移动通信、全数字HDTV 传输、通用高速有线 /无线接入,乃 至高质量磁性记录等诸多领域的信号设计与信号处理及应用,发挥了重要作用。 随着国民经济和社会发展的信息化,人们要通信息化开创新的工作方式、管理方 式、商贸方式、金融方式、思想交流方式、文化教育方式、医疗保健方式以及消 费与生活方式。 2.2 FDD 和 TDD 1、FDD 与 TDD 概念 FDD(Frequen
28、cy Division Duplexing) ,即频分双工,操作时需要两个独立 的信道,一个信道用来向下传送信息,另一个信道用来向上传送信息,两个信道 之间存在一个保护频段, 以防止邻近的发射机和接收机之间产生相互干扰。FDD 模式的特点是在分离(上下行频率间隔190MHz)的两个对称频率信道上,系统 进行接收和传送,用保护频段来分离接收和传送信道。 TDD(Time Division Duplexing ) ,即时分双工, 是在帧周期的下行线路操作 中及时区分无线信道以及继续上行线路操作的一种技术,也是移动通信技术使用 的双工技术之一,与FDD 相对应。 中国科学技术大学本科毕业论文 - 1
29、0 - TDD 与 FDD 具体的特征是: FDD 采用两个对称的频率信道来分别发射和接收信号,发射和接收信道之间 存在着一定的频段保护间隔。 TDD 的发射和接收信号是在同一频率信道的不同时隙中进行的,彼此之间采 用一定的保证时间予以分离。 它不需要分配对称频段的频率,并可在每信道内灵 活控制、改变发送和接收时段的长短比例,在进行不对称的数据传输时,可充分 利用有限的无线电频谱资源。 FDD 和 TDD 原理图如下: 由上图可见,在 TDD 模式的移动通信系统中, 接收和传送在同一频率信道(即 载波)的不同时隙,用保证时间来分离接收和传送信道。FDD 模式的特点是在分 离(上下行频率间隔19
30、0MHz)的两个对称频率信道上,系统进行接收和传送, 用保护频段来分离接收和传送信道。 2、TDD 与 FDD 的对比 FDD 系统是指系统的发送和接收数据使用不同的频率,在上行和下行频 率之间有双工间隔, 如 GSM、CDMA 、 WCDMA 系统都是典型的 FDD 系统; 时分双工系统则是系统的发送和接收使用相同的频段,上下行数据发送在时 间上错开,通过在不同时隙发送上下行数据可有效避免上下行干扰,如 TD-SCDMA 就是 TDD 系统。 TDD 和 FDD 之间具体区别和联系如下: (1)使用 TDD 技术时,只要基站和移动台之间的上下行时间间隔不大, 中国科学技术大学本科毕业论文 -
31、 11 - 小于信道相干时间,就可以比较简单的根据对方的信号估计信道特征。而对 于一般的 FDD 技术,一般的上下行频率间隔远远大于信道相干带宽,几乎 无法利用上行信号估计下行,也无法用下行信号估计上行;这一特点使得 TDD 方式的移动通信体制在功率控制以及智能天线技术的使用方面有明显 的优势。但也是因为这一点, TDD 系统的覆盖范围半径要小, 由于上下行时 间间隔的缘故,基站覆盖半径明显小于FDD 基站。否则,小区边缘的用户 信号到达基站时会不能同步。 (2)TDD 技术可以灵活的设置上行和下行转换时刻,用于实现不对称 的上行和下行业务带宽, 有利于实现明显上下行不对称的互联网业务。但是,
32、 这种转换时刻的设置必须与相邻基站协同进行。 (3) 与 FDD 相比,TDD 可以使用零碎的频段, 因为上下行由时间区别, 不必要求带宽对称的频段。 (4)TDD 技术不需要收发隔离器,只需要一个开关即可。 (5) 移动台移动速度受限制。 在高速移动时, 多普勒效应会导致快衰落, 速度越高,衰落变换频率越高,衰落深度越深,因此必须要求移动速度不能 太高。例如在使用了 TDD 的 TD-SCDMA 系统中,在目前芯片处理速度和算 法的基础上,当数据率为144kb/s 时,TDD 的最大移动速度可达250km/h, 与 FDD 系统相比,还有一定差距。一般TDD 移动台的移动速度只能达到 FDD
33、 移动台的一半甚至更低。 (6)发射功率受限。如果TDD 要发送和 FDD 同样多的数据,但是发 射时间只有 FDD 的大约一半,这要求TDD 的发送功率要大。当然同时也需 要更加复杂的网络规划和优化技术。 根据 FDD、TDD 两种工作模式的特点, 在移动通信网络中, 它们各自有 着不同的适用范围:采用FDD 模式工作的系统是连续控制的系统,适应于 大区制的国家和国际间覆盖漫游,适合于对称业务如话音、交互式适时数据 等。采用 TDD 模式工作的系统是时间分隔控制的系统,适应于城市及近郊 等高密度地区的局部覆盖和对称及不对称数据业务。特别是它的可不对称传 输数据的功能,尤为适合接入当今世界流行
34、的Internet。因为,在互联网的 数据传输过程中,往往要求下行速率远远大于上行速率。 中国科学技术大学本科毕业论文 - 12 - FDD 是在分离的两个对称频率信道上进行接收和发送,用保护频段来分 离接收和发送信道。FDD 必须采用成对的频率, 依靠频率来区分上下行链路, 其单方向的资源在时间上是连续的。FDD 在支持对称业务时, 能充分利用上 下行的频谱,但在支持非对称业务时,频谱利用率将大大降低。 TDD 用时间来分离接收和发送信道。在TDD 方式的移动通信系统中 ,接 收和发送使用同一频率载波的不同时隙作为信道的承载,其单方向的资源在 时间上是不连续的,时间资源在两个方向上进行了分配
35、。某个时间段由基站 发送信号给移动台,另外的时间由移动台发送信号给基站,基站和移动台之 间必须协同一致才能顺利工作。 3、TDD 中存在的问题 (1) 干扰问题 TDD 模式的 CDMA 移动通信系统的干扰问题主要包括上下行链路之间 的干扰,不同运营者之间的干扰和来自功率脉冲的干扰。 上下行链路之间的干扰分为小区内上下行链路之间的干扰和小区间上下 行链路之间的干扰。 前者是因为在一个小区内用户间的同步受到破坏或上下 行链路的时间分配不平衡。对于后者,非对称的TDD 时隙将影响邻近小区 的无线资源并导致小区间的上下行链路干扰,另外高功率的基站会阻塞邻近 小区的基站接收本小区的终端,处在小区边界的
36、高功率终端也会阻塞邻近小 区的具有不同时隙分配的终端。 当同一地理环境有几个运营商用同一TDD 频率时,由于基站之间的同 步问题以及上下行链路之间非对称的动态分配,不同运营者之间会发生干 扰,这是 TDD 模式所特有的。 来自功率脉冲的干扰是由于短的TDD 帧的短传输时间,以及为了袖珍的 语音终端设计在终端内部的设备之间的脉冲传输。 (2) 同步要求高 由于基站不能同时接收和发送,移动终端的传送必须在基站停止发送时 开始,这意味着同一小区内的不同用户之间,用户与基站之间需严格同步, 后一同步破坏会发生通信阻塞,前一同步破坏将导致严重干扰,这是FDD 中国科学技术大学本科毕业论文 - 13 -
37、的 CDMA 移动通信系统所没有的问题。 另外,因为小区之间和不同操作者之间的干扰问题,邻近小区的基站之 间要求是同步的,并且一般是符号级的精确同步。这样的同步要求在基站有 GPS接收机或公共的分布式时钟,这些都增加了移动蜂窝网的费用。 (3) 移动速度受限 对于 TDD 模式的 CDMA 移动通信系统,上下行链路利用同一频率,根 据接收信号 TDD 发射机能知道多径信道的快衰落,这给 TDD 模式的系统带 来许多优势,但这是基于 TDD 帧长比相干时间短的前提。 因为 TDD 帧很短, 导致移动速度受到限制,所以通常人们认为TDD 模式适合于室内、低速移 动的微小区环境。不过目前已有研究显示
38、TDD 模式的移动通信系统在结合 智能天线和联合检测技术后可以用于高速移动的环境,在中国目前开发的第 三代移动通信系统TD-SCDMA 中采用了这个方案,模拟结果显示了较好的 性能。 4、FDD 的优缺点 采用 FDD 模式的移动系统与采用TDD 模式的移动系统相比,互有以下 优缺点: (1) FDD 必须使用成对的收发频率。 在支持对称业务时能充分利用上下 行的频谱,但在进行非对称的数据交换业务时,频谱的利用率则大为降低, 约为对称业务时的60%。而 TDD 则不需要成对的频率,通信网络可根据实 际情况灵活地变换信道上下行的切换点,有效地提高了系统传输不对称业务 时的频谱利用率。 (2) 根
39、据 ITU 对 3G 的要求, 采用 FDD 模式的系统的最高移动速度可达 500KM/h,而采用 TDD 模式的系统的最高移动速度只有120KM/h。两者相 比,TDD 系统明显稍逊一筹。因为,目前TDD 系统在芯片处理速度和算法 上还达不到更高的标准。 (3) 采用 TDD 模式工作的系统,上、下行工作于同一频率,其电波传 输的一致性使之很适于运用智能天线技术,通过智能天线具有的自适应波束 赋形,可有效减少多径干扰,提高设备的可靠性。而收、发采用一定频段间 中国科学技术大学本科毕业论文 - 14 - 隔的 FDD 系统则难以采用上述技术。同时,智能天线技术要求采用多个小 功率的线性功率放大
40、器代替单一的大功率线性放大器,其价格远低于单一大 功率线性放大器。据测算,TDD 系统的基站设备成本比FDD 系统的基站成 本低约 20%50%。 (4) 在抗干扰方面,使用FDD 可消除邻近蜂窝区基站和本区基站之间 的干扰。但仍存在邻区基站对本区移动机的干扰及邻区移动机对本区基站的 干扰。而使用 TDD 则能引起邻区基站对本区基站、邻区基站对本区移动机、 邻区移动机对本区基站及邻区移动机对本区移动机四项干扰。综比两者,可 见 FDD 系统的抗干扰性能要好于TDD 系统。 但随着新技术的不断出现, TDD 系统的抗干扰能力一定会有大幅度的提高。目前方正连宇公司推出的 LAS-TDMA 新技术就
41、在这方面有了新的突破。 5、未来发展 由于移动数据业务的增长、通信个人化和宽带化的要求,移动通信正在 向第五代发展,估计2020 年前后,第五代移动通信系统将开始全面商用。 回顾第一二代移动通信系统的建设,中国几乎100%依靠进口国外产品,而 现在的情况已经大不相同了。自从1997 年中国提交了第三代移动通信标准 草案( TD-SCDMA )之后,其 TDD 模式及智能天线新技术等特色受到高度 评价并成为三个主要候选标准之一,同时TD-SCDMA 移动通信系统的基站 设备正在加紧开发。目前第四代TD-LTE 移动通信系统也已经在国内正式商 用,在第一代和第二代移动通信系统中,FDD 模式一统天
42、下, TDD 模式没 有引起重视,但由于新业务的需要和新技术的发展,TDD 模式将日益受到重 视。尤其是第五代移动通信系统, 由于要实现同时同频全双工, TDD 模式基 本宣告终结,而对于FDD 来说,则有相当大的频谱资源被释放出来,大大 提高通信效率。 2.3 CDMA 中国科学技术大学本科毕业论文 - 15 - 1、基本概念 CDMA 即码分多址 (Code Division Multiple Access),它是在数字技术的分支 扩频通信技术上发展起来的一种崭新而成熟的无线通信技术。CDMA技术 的原理是基于扩频技术, 即将需传送的具有一定信号带宽信息数据,用一个带宽 远大于信号带宽的高
43、速伪随机码进行调制,使原数据信号的带宽被扩展, 再经载 波调制并发送出去。 接收端使用完全相同的伪随机码,与接收的带宽信号作相关 处理,把宽带信号换成原信息数据的窄带信号即解扩,以实现信息通信。 码分多址( CDMA )通信系统中,不同用户传输信息所用的信号不是靠频率 不同或时隙不同来区分, 而是用各自不同的编码序列来区,或者说,靠信号的不 同波形来区分。如果从频域或时域来观察,多个CDMA 信号是互相重叠的。接 收机用相关器可以在多个CDMA 信号中选出其中使用预定码型的信号。其它使 用不同码型的信号因为和接收机本地产生的码型不同而不能被解调。它们的存在 类似于在信道中引入了噪声和干扰,通常
44、称之为多址干扰。 在 CDMA 蜂窝通信系统中,用户之间的信息传输是由基站进行转发和控制 的。为了实现双工通信, 正向传输和反向传输各使用一个频率,即通常所谓的频 分双工。无论正向传输或反向传输, 除去传输业务信息外, 还必须传送相应的控 制信息。为了传送不同的信息,需要设置相应的信道。但是,CDMA 通信系统 既不分频道又不分时隙,无论传送何种信息的信道都靠采用不同的码型来区分。 类似的信道属于逻辑信道, 这些逻辑信道无论从频域或者时域来看都是相互重叠 的,或者说它们均占用相同的频段和时间。 2、CDMA 的优势 在扩频 CDMA 通信系统中,由于采用了新的关键技术而具有一些其他扩 频通信所
45、不具有的特点: (1) 采用了多种分集方式。除了传统的空间分集外。由于是宽带传输起 到了频率分集的作用, 同时在基站和移动台采用了RAKE 接收机技术, 相当 于时间分集的作用。 (2) 采用了话音激活技术和扇区化技术。因为CDMA 系统的容量直接 与所受的干扰有关,采用话音激活和扇区化技术可以减少干扰,可以使整个 中国科学技术大学本科毕业论文 - 16 - 系统的容量增大。 (3) 采用了移动台辅助的软切换。通过它可以实现无缝切换,保证了通 话的连续性,减少了掉话的可能性。处于切换区域的移动台通过分集接收多 个基站的信号,可以减低自身的发射功率,从而减少了对周围基站的干扰, 这样有利于提高反
46、向联路的容量和覆盖范围。 (4) 采用了功率控制技术,这样降低了平准发射功率。 (5) 具有软容量特性。可以在话务量高峰期通过提高误帧率来增加可以 用的信道数。当相邻小区的负荷一轻一重时,负荷重的小区可以通过减少导 频的发射功率,使本小区的边缘用户由于导频强度的不足而切换到相临小 区,使负担分担。 (6) 兼容性好。由于CDMA 的带宽很大,功率分布在广阔的频谱上, 功率话密度低, 对窄带模拟系统的干扰小, 因此两者可以共存。 即兼容性好。 (7) CDMA 的频率利用率高,不需频率规划,这也是CDMA 的特点之 一。 (8) CDMA 高效率的 OCELP 话音编码。话音编码技术是数字通信中
47、的 一个重要课题。 OCELP 是利用码表矢量量化差值的信号,并根据语音激活 的程度产生一个输出速率可变的信号。这种编码方式被认为是目前效率最高 的编码技术,在保证有较好话音质量的前提下,大大提高了系统的容量。 3、CDMA 的不足 (1) 在小区的规划问题上,虽然CDMA 无需频率规划,但它的小区规 划却并非十分容易。由于所有的基站都使用同一个频率,相互之间是存在干 扰的,如果小区规划做得不好,将直接影响话音质量和使系统容量打折扣, 因而在进行站距、天线高度等方面的设计时应当小心谨慎。 (2) 其次,在标准的问题上, CDMA 的标准并不十分完善。许多标准都 仍在研究才试制定之中。如A 接口
48、,目前各厂家有的提供IS 一 634 版本 0, 有的支持 Is634 版本。还有的使用 Is634/TSB80。 因此对于系统运营商 来说,选择统一的A 接口是比较困难的。 (3) 由于功率控制的误差所导致的系统容量的减少。 中国科学技术大学本科毕业论文 - 17 - 2.4 同时同频全双工 1、全双工简介 这里所讲的全双工是指同时同频全双工CCFD(Co-frequency Co-time Full Duplex) ,CCFD 无线通信设备使用相同的时间、相同的频率,同时发射 和接收无线信号,使得无线通信链路的频谱效率提高了一倍。 同时同频全双工 (CCFD)的近端设备与远端设备的无线业务
49、相互传输发 生在同样的时间、相同的频率带宽上,这与现有的时分双工(TDD: Time Division Duplexing)和频分双工 (FDD: Frequency Division Duplexing)体制相 比,理论频率效率可以提升1 倍。 2、全双工通信现状及前景 全双工通信技术目前还处在研究阶段,由于收发同时同频,CCFD 发射 机的发射信号会对本地接收机产生干扰,使用 CCFD 的首要工作是抑制强自 干扰。自干扰消除能力将直接影响CCFD 系统的通信质量。 自干扰消除技术最初应用在电话系统、多普勒雷达中,由于通信系统的 信号带宽、频率、自干扰信号消除量等指标与上述两个系统存在差别,原始 的自干扰消除技术并不能直接应用在CCFD 系统中,因此对自干扰消除技术 的模型研究、性能分析也成为了CCFD 的研究热点。 早在 1997 年, G. R. Kenworthy 申请 了 美国 专利 “ Self-Cancelling Full-Duplex RF Communication System” 。专利中明确描述了一种全双工通信 系统,该系统采用射频干扰抑制、数字干扰抑制两级进行自干扰消除,达到 同时同频收发信号的效果。 近年来,斯坦福大学、莱斯大学、加州大学等国际知名院校均进行了同 时同频全双工的理论探索以及工程实现,发表了多篇IEEE 顶级会议
链接地址:https://www.31doc.com/p-5162058.html