关于4G移动通信系统关键技术的多入多出技术研究

来源:用户上传      作者: 王 娟

　　摘 要： 本文基于4G移动通信系统研究其多入多出技术的优缺点，以及多入多出技术与结合使用的技术理论。
　　关键词： 4G通信系统 多入多出技术 多载波传输
　　
　　当今社会3G移动通信系统即将成为主流，全国3G用户已经过亿，在移动通信迅猛发展的今天，4G通信技术是继第三代以后又一次无线通信技术演进，其开发更加具有明确的目标性：提高移动装置无线访问互联网的速度。
　　对于4G通信系统中可能采用的关键技术主要包括OFDM、软件无线电、智能天线、多入多出技术、IPv6，下面我将介绍4G通信系统中的关键技术中的MIMO（Multiple-Input Multiple-Out-put），即多入多出技术。
　　一代移动通信（beyond 3G/4G）将可以提供的数据传输速率高达100Mbit/s，甚至更高，支持的业务从语音到多媒体业务，包括实时的流媒体业务。数据传输速率可以根据这些业务所需的速率不同动态调整。新一代移动通信的另一个特点是低成本。在有限的频谱资源上实现高速率和大容量，需要频谱效率极高的技术。MIMO技术充分开发空间资源，利用多个天线实现多发多收，在不需要增加频谱资源和天线发送功率的情况下，可以成倍地提高信道容量。
　　MIMO（Multiple-Input Multiple-Output）系统，该技术最早是由Marconi于1908年提出的，它利用多天线来抑制信道衰落。可以看出，此时的信道容量随着天线数量的增大而线性增大。也就是说可以利用MIMO信道成倍地提高无线信道容量，在不增加带宽和天线发送功率的情况下，频谱利用率可以成倍地提高。
　　那么，多入多出技术有点具体表现在哪里呢？
　　利用MIMO技术可以提高信道的容量，同时也可以提高信道的可靠性，降低误码率。前者是利用MIMO信道提供的空间复用增益，后者是利用MIMO信道提供的空间分集增益。实现空间复用增益的算法主要有贝尔实验室的BLAST算法、ZF算法、MMSE算法、ML算法。ML算法具有很好的译码性能，但是复杂度比较高，对于实时性要求较高的无线通信不能满足要求。ZF算法简单容易实现，但是对信道的信噪比要求较高。性能和复杂度最优的就是BLAST算法。该算法实际上是使用ZF算法加上干扰删除技术得出的。目前MIMO技术领域另一个研究热点就是空时编码。常见的空时码有空时块码、空时格码。空时码的主要思想是利用空间和时间上的编码实现一定的空间分集和时间分集，从而降低信道误码率。
　　那么，多入多出技术就没有缺陷吗？不是，它的缺点和实施困难主要表现在下面几个方面。
　　空间复用能最大化MIMO系统的平均发射速率，但只能获得有限的分集增益，在信噪比较小时使用，可能无法使用高阶调制方式（如16QAM等）。
　　无线信号在密集城区、室内覆盖等环境中会频繁反射，使得多个空间信道之间的衰落特性更加独立，从而使得空间复用的效果更加显著。
　　无线信号在市郊、农村地区，多径分量少，各空间信道之间的相关性较大，因此空间复用的效果要差得多。
　　对发射信号进行空时编码可以获得额外的分集增益和编码增益，从而可以在信噪比相对较小的无线环境下使用高阶调制方式，但无法获取空间并行信道带来的速率红利。空时编码技术在无线相关性较大的场合也能很好地发挥效能。
　　另外，多入多出技术与OFDM技术是结合使用的，FDM技术是多载波传输的一种，其多载波之间相互正交，可以高效地利用频谱资源。因此充分开发这两种技术的潜力，将二者结合起来可以成为新一代移动通信核心技术的解决方案。
　　MIMO系统在一定程度上可以利用传播中多径分量，也就是说MIMO可以抗多径衰落，但是对于频率选择性深衰落，MIMO系统依然无能为力。目前解决MIMO系统中的频率选择性衰落的方案一般是利用均衡技术，还有一种是利用OFDM。大多数研究人员认为OFDM技术是4G的核心技术，4G需要极高频谱利用率的技术，而OFDM提高频谱利用率的作用毕竟是有限的，在OFDM的基础上合理开发空间资源，也就是MIMO+OFDM，可以提供更高的数据传输速率。另外，ODFM由于码率低和加入了时间保护间隔而具有极强的抗多径干扰能力。由于多径时延小于保护间隔，因此系统不受码间干扰的困扰，这就允许单频网络（SFN）用于宽带OFDM系统，依靠多天线来实现，即采用由大量低功率发射机组成的发射机阵列消除阴影效应，来实现完全覆盖。
　　虽然多入多出技术还存在很多不足之处，但由于4G还在研究发展阶段，未来多人多出技术支持下的4G系统是很值得期待的。
　　当然，第四代移动通信技术还在发展中，尽管4G比3G有着更快的通信速度、更宽的网络频谱、更加灵活等一系列优越性，但实现和发展中依然面临很多难题。所以，对第四代移动通信系统及其关键技术研究的探讨具有非常重要的意义。总之，随着新问题、新要求的不断出现，第四代移动通信技术将会相应地调整、完善和进一步发展。纵观移动通信技术的发展规律和第四代通信技术的优点，我们相信，不远的将来，人们将不受时间、地点限制，可以自由自在地利用移动网络获取和传递信息。人们的学习、工作、生活将会发生更深刻的变化。
　　
　　参考文献：
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