第四代移动通信系统关键技术研究

摘要：在无线通信系统中，带宽效率和多径衰落一直受关注。文中在对这两种技术相结合的方式来解决带宽效率和多径衰落问题。
关键词：OFDM；MIMO；带宽效率；多经衰落；MIMO-OFDM；第四代移动通信

在过去的20年，移动通信经历了从第一代模拟通信到第二代数字通信，再到第三代多媒体通信的三个阶段。而在我国，移动通信的发展潜力还十分巨大。
可以预见，为高速业务和多媒体业务设计的第三代移动通信系统(3G)在通信的容量与质量等方面已不能满足要求，世界各国都在推动第三代移动通信系统商用化的同时，已把研究重点转入第四代移动通信(Beyond 4G)的先期研究，并在概念和技术上寻求创新和突破，从而使无线通信的容量和速率有十倍甚至百倍的提高。

1 第四代移动通信系统概述
第四代移动通信系统是多功能集成的宽带高速移动通信系统，也是宽带接入IP系统，其标准比第三代移动通信系统标准具有更多的功能。它可以在不同的固定平台、无线平台、以及跨越不同频带的网络中提供无线服务，也可以利用宽带随时随地接入互连网，并能提供定位、定时、数据采集和远程控制等其他多种综合功能。

2 第四代(4G)移动通信的核心技术
在4G移动通信中，多输入多输出技术(MIMO)和正交频分复用技术(OFDM)已经得到广泛的肯定，并被越来越多地应用到4G移动通信中。下面重点介绍这两个技术的主要特点。
2．1 多输入多输出(MIMO)技术
在4G的研究领域中，MIMO技术是非常重要的关键技术之一，它的高速率和高频率利用率特性将会被广泛应用于无线局域网(Indoor wir-eless LANs)、无线本地环路(Wireless local loop)、UMTS、EDGE、4G和广播系统(HDTV)中。在无线通信系统中，MIMO在传输链路的发送端和接收端都配备多个天线单元，从而形成天线矩阵。
图1所示是MIMO系统原理图。图中，传输信息流S (k)经过空时编码可形成N个信息子流Ci(k)，i=1，2…N。这N个子流由N个天线发射出去。多天线接收机利用先进的空时编码处理能够分开并解码这些数据流，从而实现最佳的处理。特别是这N个子流可同时发送到信道，且各发射信号占用同一频带，因而并未增加宽带。若各发射、接收天线间的通道相应独立，则多输入多输出系统就可以创造出多个空间并行信道。通过这些并行空间信道独立地传输信息，数据率必然可以成倍地提高。

信道容量是表征通信系统地最重要标志之一，可表示通信系统的最大传输速率。对于发射天线数为N，接收天线数为M的多输入多输出系统，假定信道为独立的瑞利衰落信道，并设N和M很大，则信道容量可近似表示为：

其中，B为信道带宽，为接收端平均信噪比，为M、N的较小者。上式表明，功率和带宽固定时，多输入多输出系统的最大容量随最小天线数的增加而线性增加。因此可以利用MIMO成倍地提高无线信道的容量，从而在不增加带宽和天线发射功率地情况下，使频谱利用率成倍地提高。
2．2 正交频分复用(OFDM)技术
OFDM技术实际上是多载波调制(MCM，Muti-Carrier Modulation)的一种。其主要思想是将信道分成若干正交子信道，并将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，然后将其调制到每个子信道上进行传输。
OFDM的工作原理是首先将速率为R的输入数据信元经过串并转换后，分成M个并行的子数据流，每个子数据流的速率为R／M，每个子数据流中的若干个比特可分成一组，每组的数目取决于对应于载波上的调制方式(如PSK、QAM等)。M个并行的子数据信元编码交织后，可进行IFFF变换，以将频域信号转换到时域。IFFF块的输出是N个时域的样点，然后再将长为Lp的CP(循环前缀)加到N个样点前，就可形成循环扩展的OFDM信元。因此，实际发送的OFDM信元的长度为Lp+N，经过并、串转换后即可发射。接收端接收到的信号通常是时域信号，此信号经过串并转换后即可移去CP，如果CP长度大于信道的记忆长度，ISI仅仅影响CO，而不影响有用数据，实际上，去掉CP也就去掉了ISI的影响。图2所示是基于FFT实现的OFDM系统框图。

2．3 MIMO-OFDM技术
MIMO-OFDM技术在下一代移动通信系统中的应用主要体现在无线局域网的发展中。为了进一步增加系统的容量，提高系统传输速率，使用多载波调制技术的无线局域网一般都需要增加载波的数量，但这会增加系统复杂度和系统带宽，因而对目前功率受限和带宽受限的无线局域网系统不太合适。而MIMO技术则能在不增加带宽的情况下，成倍地提高系统的通信容量和频谱利用率，因此，把MIMO技术和OFDM技术相结合是下一代无线局域网发展的趋势。研究表明，在瑞利衰落信道环境下，OFDM系统非常适合使用MIMO技术来提高通信系统的容量。
图3所示是MIMO-OFDM系统的发送和接收框图。该系统有Nt个发送天线和Nr个接收天线。输入的比特流串并变换分为多个分支，每个分支都进行OFDM处理(即经过编码、交织、QPSK映射、插入保护间隔、IFFT变换、加循环前缀等过程)，然后再经天线即可发送到无线信道：接收端则进行与发送端相反的信号处理过程(例如去循环前缀、FFF变换、解码等)，同时进行信道估计、定时、同步、MIMO检测等，这样就可以恢复原来的比特流。