第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

摘要：在無線通信系統(tǒng)中，帶寬效率和多徑衰落一直受關(guān)注。文中在對這兩種技術(shù)相結(jié)合的方式來解決帶寬效率和多徑衰落問題。
關(guān)鍵詞：OFDM；MIMO；帶寬效率；多經(jīng)衰落；MIMO-OFDM；第四代移動(dòng)通信

    在過去的20年，移動(dòng)通信經(jīng)歷了從第一代模擬通信到第二代數(shù)字通信，再到第三代多媒體通信的三個(gè)階段。而在我國，移動(dòng)通信的發(fā)展?jié)摿€十分巨大。
    可以預(yù)見，為高速業(yè)務(wù)和多媒體業(yè)務(wù)設(shè)計(jì)的第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)(3G)在通信的容量與質(zhì)量等方面已不能滿足要求，世界各國都在推動(dòng)第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)商用化的同時(shí)，已把研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)入第四代移動(dòng)通信(Beyond 4G)的先期研究，并在概念和技術(shù)上尋求創(chuàng)新和突破，從而使無線通信的容量和速率有十倍甚至百倍的提高。

1 第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)概述
    第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)是多功能集成的寬帶高速移動(dòng)通信系統(tǒng)，也是寬帶接入IP系統(tǒng)，其標(biāo)準(zhǔn)比第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)具有更多的功能。它可以在不同的固定平臺(tái)、無線平臺(tái)、以及跨越不同頻帶的網(wǎng)絡(luò)中提供無線服務(wù)，也可以利用寬帶隨時(shí)隨地接入互連網(wǎng)，并能提供定位、定時(shí)、數(shù)據(jù)采集和遠(yuǎn)程控制等其他多種綜合功能。

2 第四代(4G)移動(dòng)通信的核心技術(shù)
    在4G移動(dòng)通信中，多輸入多輸出技術(shù)(MIMO)和正交頻分復(fù)用技術(shù)(OFDM)已經(jīng)得到廣泛的肯定，并被越來越多地應(yīng)用到4G移動(dòng)通信中。下面重點(diǎn)介紹這兩個(gè)技術(shù)的主要特點(diǎn)。
2．1 多輸入多輸出(MIMO)技術(shù)
    在4G的研究領(lǐng)域中，MIMO技術(shù)是非常重要的關(guān)鍵技術(shù)之一，它的高速率和高頻率利用率特性將會(huì)被廣泛應(yīng)用于無線局域網(wǎng)(Indoor wir-eless LANs)、無線本地環(huán)路(Wireless local loop)、UMTS、EDGE、4G和廣播系統(tǒng)(HDTV)中。在無線通信系統(tǒng)中，MIMO在傳輸鏈路的發(fā)送端和接收端都配備多個(gè)天線單元，從而形成天線矩陣。
    圖1所示是MIMO系統(tǒng)原理圖。圖中，傳輸信息流S (k)經(jīng)過空時(shí)編碼可形成N個(gè)信息子流Ci(k)，i=1，2…N。這N個(gè)子流由N個(gè)天線發(fā)射出去。多天線接收機(jī)利用先進(jìn)的空時(shí)編碼處理能夠分開并解碼這些數(shù)據(jù)流，從而實(shí)現(xiàn)最佳的處理。特別是這N個(gè)子流可同時(shí)發(fā)送到信道，且各發(fā)射信號(hào)占用同一頻帶，因而并未增加寬帶。若各發(fā)射、接收天線間的通道相應(yīng)獨(dú)立，則多輸入多輸出系統(tǒng)就可以創(chuàng)造出多個(gè)空間并行信道。通過這些并行空間信道獨(dú)立地傳輸信息，數(shù)據(jù)率必然可以成倍地提高。

    信道容量是表征通信系統(tǒng)地最重要標(biāo)志之一，可表示通信系統(tǒng)的最大傳輸速率。對于發(fā)射天線數(shù)為N，接收天線數(shù)為M的多輸入多輸出系統(tǒng)，假定信道為獨(dú)立的瑞利衰落信道，并設(shè)N和M很大，則信道容量可近似表示為：
   
    其中，B為信道帶寬，為接收端平均信噪比，為M、N的較小者。上式表明，功率和帶寬固定時(shí)，多輸入多輸出系統(tǒng)的最大容量隨最小天線數(shù)的增加而線性增加。因此可以利用MIMO成倍地提高無線信道的容量，從而在不增加帶寬和天線發(fā)射功率地情況下，使頻譜利用率成倍地提高。
2．2 正交頻分復(fù)用(OFDM)技術(shù)
    OFDM技術(shù)實(shí)際上是多載波調(diào)制(MCM，Muti-Carrier Modulation)的一種。其主要思想是將信道分成若干正交子信道，并將高速數(shù)據(jù)信號(hào)轉(zhuǎn)換成并行的低速子數(shù)據(jù)流，然后將其調(diào)制到每個(gè)子信道上進(jìn)行傳輸。
    OFDM的工作原理是首先將速率為R的輸入數(shù)據(jù)信元經(jīng)過串并轉(zhuǎn)換后，分成M個(gè)并行的子數(shù)據(jù)流，每個(gè)子數(shù)據(jù)流的速率為R／M，每個(gè)子數(shù)據(jù)流中的若干個(gè)比特可分成一組，每組的數(shù)目取決于對應(yīng)于載波上的調(diào)制方式(如PSK、QAM等)。M個(gè)并行的子數(shù)據(jù)信元編碼交織后，可進(jìn)行IFFF變換，以將頻域信號(hào)轉(zhuǎn)換到時(shí)域。IFFF塊的輸出是N個(gè)時(shí)域的樣點(diǎn)，然后再將長為Lp的CP(循環(huán)前綴)加到N個(gè)樣點(diǎn)前，就可形成循環(huán)擴(kuò)展的OFDM信元。因此，實(shí)際發(fā)送的OFDM信元的長度為Lp+N，經(jīng)過并、串轉(zhuǎn)換后即可發(fā)射。接收端接收到的信號(hào)通常是時(shí)域信號(hào)，此信號(hào)經(jīng)過串并轉(zhuǎn)換后即可移去CP，如果CP長度大于信道的記憶長度，ISI僅僅影響CO，而不影響有用數(shù)據(jù)，實(shí)際上，去掉CP也就去掉了ISI的影響。圖2所示是基于FFT實(shí)現(xiàn)的OFDM系統(tǒng)框圖。

2．3 MIMO-OFDM技術(shù)
    MIMO-OFDM技術(shù)在下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在無線局域網(wǎng)的發(fā)展中。為了進(jìn)一步增加系統(tǒng)的容量，提高系統(tǒng)傳輸速率，使用多載波調(diào)制技術(shù)的無線局域網(wǎng)一般都需要增加載波的數(shù)量，但這會(huì)增加系統(tǒng)復(fù)雜度和系統(tǒng)帶寬，因而對目前功率受限和帶寬受限的無線局域網(wǎng)系統(tǒng)不太合適。而MIMO技術(shù)則能在不增加帶寬的情況下，成倍地提高系統(tǒng)的通信容量和頻譜利用率，因此，把MIMO技術(shù)和OFDM技術(shù)相結(jié)合是下一代無線局域網(wǎng)發(fā)展的趨勢。研究表明，在瑞利衰落信道環(huán)境下，OFDM系統(tǒng)非常適合使用MIMO技術(shù)來提高通信系統(tǒng)的容量。
    圖3所示是MIMO-OFDM系統(tǒng)的發(fā)送和接收框圖。該系統(tǒng)有Nt個(gè)發(fā)送天線和Nr個(gè)接收天線。輸入的比特流串并變換分為多個(gè)分支，每個(gè)分支都進(jìn)行OFDM處理(即經(jīng)過編碼、交織、QPSK映射、插入保護(hù)間隔、IFFT變換、加循環(huán)前綴等過程)，然后再經(jīng)天線即可發(fā)送到無線信道：接收端則進(jìn)行與發(fā)送端相反的信號(hào)處理過程(例如去循環(huán)前綴、FFF變換、解碼等)，同時(shí)進(jìn)行信道估計(jì)、定時(shí)、同步、MIMO檢測等，這樣就可以恢復(fù)原來的比特流。

3 結(jié)束語
    將MIMO和OFDM兩種技術(shù)相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)很高的傳輸速率，并能通過分集實(shí)現(xiàn)很強(qiáng)的可靠性。而在MIMO-OFDM中加入合適的數(shù)字信號(hào)處理算法，則能更好地增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。MIMO-OFDM技術(shù)在提高無線鏈路的傳輸速率和可靠性方面具有巨大潛力，現(xiàn)已成為未來寬帶無線領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)之一。