4G-LTE无线通信网络关键技术分析

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　　摘 要 目前，采用4G-LTE技术的无线通信网络得到了前所未有的发展。随着便携式微机、掌上电脑以及智能手机等的普及，人们对通过无线方式随时随地接入互联网获取信息，将会有越来越迫切的需求。为了在复杂的无线环境中，提高无线数据的传输速率和增加频带利用率，本文详细地介绍了4G-LTE网络采用的先进的技术，并分析了这些技术的优势。
　　关键词 MIMO;分集技术;正交频分复用;认知无线电
　　MIMO多天线技术在对抗多径衰落中具有明显的优势，并已逐渐作为4G通信系统关键技术，但仍然存在一些問题。 现有的多天线都设置在基站端，而移动终端则很难安置多天线，这主要有两方面的原因：①移动终端对体积、质量和功耗的要求远比基站苛刻得多;②理想的MIMO 多天线系统要求相邻天线之间的间距要远大于电波波长，并且多个收发天线之间的传输信道是独立的，而移动终端由于体积限制，根本无法做到这一点。因此，未来的移动通信系统将不再是一种技术的应用，而是多种技术的结合。从简单的二进制调制到如今的多进制多维编码调制，从单载波传输到多载波传输，从单天线单入单出系统到多天线多入多出系统，从传统的全向天线系统到多波束智能天线，多种技术多元化的融合将是未来无线通信系统技术发展的一个必然趋势[1]。
　　1 无线通信面临的主要问题
　　与基于全封闭式传输线进行信息传输的有线通信相比，无线通信因其传播的开放性主要面临两大困难：
　　1.1 多径衰落
　　在无线电波传播环境中，由于接收端所处地理位置的复杂性，使得接收的信号中不仅有直射波，还有反射波、衍射波和散射波等。如果无线电波在传播过程中遇到了障碍物，并且此障碍物的大小与波长相比很大，那么就会发生反射。反射主要来自于地面、建筑物和墙面等。如果发射端和接收端之间的障碍物有比较尖锐的断面，无线电波会发生衍射，因而，即便在收发天线之间没有直达路径时，无线电波仍然可以绕过障碍物到达接收天线。如果无线电波传播的介质中分布有很多几何尺寸与波长相比很小的障碍物，就会发生散射。无线信道中粗糙的物体表面、树叶、街头标志牌以及电线杆等都可能使无线电波发生散射。由于各路无线电波到达接收端的时间、幅度和相位都不同，叠加导致的结果是因同相叠加而加强，反相叠加而减弱。因而，接收信号的幅度将急剧变化，产生多径衰落。
　　1.2 频率资源有限
　　无线通信由于不同传播路径之间信号的相互干扰，频谱资源非常有限，而用户数越来越多。为了解决这个问题，除开辟和启用新的频段外，要研究各种新技术和新措施，压缩信号占用的频带宽度和提高频谱利用率。
　　2 4G-LTE无线系统的关键的传输技术
　　为适应未来通信发展的需求，在通信系统物理层的实现上已经提出多种先进的传输技术。
　　2.1 分集技术
　　分集接收是为了克服各种衰落，提高无线传输系统性能而发展起来的一项重要技术。其基本思路是：接收来自多个信道的承载同一信息的多个独立的信号副本，由于各个信号不可能同时处于深衰落情况中，因此在任一给定的时刻至少可以保证有一个强度足够大的信号副本提供给接收机使用，从而提高了接收信号信噪比[2]。
　　根据获得独立路径信号的方法，分集技术可分为时间分集、频率分集和空间分集等。空间分集技术是在不牺牲信号频率带宽和保证数据传输速率的同时获得分集增益，因而得到了广泛的应用。MIMO技术，通过在接收端和发端同时安置多个天线，形成MIMO信道结构，从而充分利用了空域资源，大幅度提高了信道容量。MIMO系统既可以通过复用来提高数据速率，也可以通过分集来提高性能。复用是利用信道增益矩阵的结构来获得独立的信号通路，从而可以在这些通路上发送独立的数据。一种方法是将MIMO信道分解为多个并行信道，在不同的信道上复用不同的数据流，这种增益称为复用增益;另一种方法是波束成形，它将信道增益进行相干合并，形成了一个分集增益很高的可靠信道。
　　2.2 正交频分复用（OFDM）技术
　　为克服无线信道传输中多径效应所引起的频率选择性衰落，多载波调制（MCM）技术已经受到青睐。其中，在无线通信中应用最广的就是OFDM技术。其基本思想就是将信道在频域上划分成多个子信道，使每一个子信道的频谱特性都近似平坦，使用多个互相独立的子信道传输信号并在接收机中予以合并，以实现信号的频率分集。OFDM可以与多种技术相结合，例如MIMO-OFDM技术已经成为4G-LTE的标准传输方式。
　　2.3 认知无线电（CR）技术
　　目前，无线通信的频谱资源的稀缺成为制约无线通信发展的新瓶颈。有时，已经分配给现有很多无线系统的频谱资源却在时间和空间上存在不同程度的闲置。因此，人们提出采用认知无线电（CR）技术，CR技术具备的两大主要特征是认知能力（Cognitive Capability）和重新配置能力（Reconfigurability）。FCC提出一种被广泛接受的定义：CR是一种智能无线电系统，它能感知周围环境，运用“理解-构建”的方法学来从周围环境中获取信息，并通过实时改变传输功率、载频、调制方式等传输参数来适应环境的变化。CR的两个最主要目标是高度可靠的通信方式以及高效的频谱利用效率[3]。
　　3 结束语
　　协同通信为MIMO 技术的实用化提供了一个新的途径。它可应用于蜂窝移动通信系统、无线Ad hoc网络、无线局域网以及无线传感器网络等多种场合，具有研究价值与意义。而且，协同通信技术非常灵活，可以与现有多种技术相结合，与OFDM相结合，可以充分对抗频率选择性衰落;与空时编码相结合，可以得到编码增益;与认知无线电技术相结合，能够提高频谱检测概率或者获得更多的频谱接入机会。
　　参考文献
　　[1] 罗涛，乐光新.多天线无线通信原理与应用[M].北京：北京邮电大学出版社，2005：101.
　　[2] 周小飞，张宏纲.认知无线电原理及应用[M].北京：北京邮电大学出版社，2007：69.
　　[3] 罗涛，王健康，李祥明，等."基于空时分组编码的协同通信系统性能的研究，"电子与信息学报，2007，（9）：2142-2145.
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