4G通信中MIMOOFDM技術(shù)的應(yīng)用研究

莫運(yùn)通

【摘要】隨著社會(huì)的快速發(fā)展，移動(dòng)通信技術(shù)的應(yīng)用越來越重要，本文主要介紹了第四代移動(dòng)通信技術(shù)所面臨的問題，MIMOOFDM技術(shù)的原理和優(yōu)勢(shì)以及 MIMO-OFDM技術(shù)在4G系統(tǒng)中應(yīng)用的必要性。

【關(guān)鍵詞】4G；MIMOOFDM技術(shù)；應(yīng)用；問題

1.引言

人們對(duì)通信技術(shù)的依賴和要求，使得移動(dòng)通信技術(shù)有了長(zhǎng)遠(yuǎn)的發(fā)展。無線通信與個(gè)人通信經(jīng)歷了從模擬通信到數(shù)字通信，從FDMA到CDMA的巨大變化。隨著移動(dòng)通信業(yè)務(wù)量的不斷擴(kuò)增，用戶量的激增，人們對(duì)各種多媒體業(yè)務(wù)高需求以及第三代移動(dòng)通信技術(shù)中存在的缺失和不足，于是第四代移動(dòng)通信技術(shù)響應(yīng)時(shí)代的潮流，應(yīng)運(yùn)而生。第四代移動(dòng)通信技術(shù)，作為目前移動(dòng)通信技術(shù)領(lǐng)域中的尖端技術(shù)，完全把高安全性、智能性和靈活性，優(yōu)質(zhì)的傳輸質(zhì)量和服務(wù)質(zhì)量以及更低的傳輸成本適時(shí)地運(yùn)用到了實(shí)際當(dāng)中。4G移動(dòng)通信技術(shù)的的核心技術(shù)在于巧妙地結(jié)合了MIMO技術(shù)的OFDM技術(shù)，進(jìn)一步的提高了4G移動(dòng)通信技術(shù)的廣泛使用。

2.4G通信技術(shù)面臨的問題

雖然4G移動(dòng)通信技術(shù)已經(jīng)在第三代技術(shù)原有的基礎(chǔ)上得到了進(jìn)一步提升，但4G移動(dòng)通信技術(shù)在擁有高速度的數(shù)據(jù)傳輸速率，可提供從語音到多媒體業(yè)務(wù)等多種業(yè)務(wù)的同時(shí)，也面臨著兩大問題：其一，由于移動(dòng)通信中缺乏帶寬資源，因此，必須在有限的資源上實(shí)現(xiàn)高速率和大容量的數(shù)據(jù)傳輸，以滿足多種業(yè)務(wù)的傳輸需求。其二，系統(tǒng)性能弱。為了達(dá)到改善系統(tǒng)性能，可采用OFDM技術(shù)和MIMO技術(shù)相結(jié)合的新興技術(shù)，從而解決高速數(shù)據(jù)在無線信道下的多徑衰落，噪聲及多徑干擾等固有的問題。OFDM技術(shù)通過將頻率選擇性多徑衰落信道在頻域內(nèi)轉(zhuǎn)化為平坦信道，從而來減小多徑衰落的干擾問題。此外，MIMO技術(shù)不僅可以在空間上產(chǎn)生獨(dú)立的并行信道，傳輸多路數(shù)據(jù)流，而且可以在不增加系統(tǒng)帶寬的情況下增加頻譜利用率，有效的提高了系統(tǒng)的傳輸速率。

3.MIMO-OFDM技術(shù)

MIMO-OFDM作為第四代通信系統(tǒng)中最為核心的技術(shù)，是通過結(jié)合OFDM和MIMO兩種技術(shù)而得到的一種新興技術(shù)。MIMO技術(shù)是目前最常見的無線技術(shù)之一，最早的功能是通過利用多天線從而抑制信道衰落的。MIMO技術(shù)在發(fā)送端和接收端使用多天線，可實(shí)現(xiàn)同時(shí)發(fā)送和接收信號(hào)，并且能夠在不增加帶寬的情況下成倍地提高通信系統(tǒng)的容量，MIMO技術(shù)的應(yīng)用是無線通信的重大突破和創(chuàng)新。雖然，MIMO技術(shù)在提高頻帶利用率上已有一定的成果，通過利用多徑效應(yīng)提高了信號(hào)的可靠性，但是，MIMO技術(shù)占用頻帶越寬，多徑效應(yīng)越明顯，對(duì)于頻率的選擇性衰弱的問題依然無法找到解決方法。然而，OFDM技術(shù)的出現(xiàn)剛好為MIMO技術(shù)中的不成熟了彌補(bǔ)了缺失。OFDM技術(shù)可以有效的減弱頻率選擇性衰落的影響以及碼間干擾，所以在OPDM技術(shù)在無線寬帶信道中實(shí)現(xiàn)高速率的數(shù)據(jù)傳輸發(fā)揮了很大的作用。除此之外，OFDM技術(shù)的可以更有效的使用頻帶，抵抗頻率選擇性衰落能力強(qiáng)，并且提高了頻譜資源的利用率。雖然，理論上說，MIMO系統(tǒng)通過利用空間復(fù)用技術(shù)可無限提高系統(tǒng)容量，利用空間分集技術(shù)可以抗多徑衰落，但是OFDM提高系統(tǒng)容量的能力也是有限的。因此，MIMO系統(tǒng)與OFDM技術(shù)相結(jié)合不但可以取長(zhǎng)補(bǔ)短，互補(bǔ)互足，而且又是4G移動(dòng)通信技術(shù)未來發(fā)展的趨勢(shì)所在。MIMO-OFDM技術(shù)在移動(dòng)通信中的應(yīng)用必定能為通信領(lǐng)域掀起一番革新的浪潮。

4.MIMO-OFDM的關(guān)鍵技術(shù)

4.1 空時(shí)信號(hào)處理技術(shù)

MIMO技術(shù)主要分為空時(shí)編碼和空間復(fù)用兩大類?？諘r(shí)編碼技術(shù)是通過在發(fā)射端對(duì)數(shù)據(jù)流進(jìn)行聯(lián)合編碼，從而降低信道衰落和噪聲所造成的符號(hào)錯(cuò)誤率，同時(shí)提高信號(hào)的冗余度，從而使信號(hào)在接收端獲取最大的分集增益和編碼增益。目前，4G移動(dòng)通信技術(shù)主要應(yīng)用的空時(shí)編碼方式有：分層空時(shí)編碼，空時(shí)格形碼，空時(shí)分組碼以及空時(shí)頻編碼四種。當(dāng)然，空時(shí)編碼技術(shù)也存在著缺點(diǎn)：數(shù)據(jù)傳輸速率無法提高。MIMO技術(shù)的空間復(fù)用就是在接收端和發(fā)射端使用多個(gè)天線，盡可能地在空間信道上傳輸相互獨(dú)立的數(shù)據(jù)，使空間傳播中的多徑分量得利用率最大化，從而使信道容量隨著天線數(shù)量的增加而增加。將空間復(fù)用與空時(shí)編碼二者相結(jié)合，能夠確保每個(gè)數(shù)據(jù)流在獲得最小分集增益的條件下，平均數(shù)據(jù)最大化。

4.2 自適應(yīng)技術(shù)

MIMO-OFDM系統(tǒng)需要依照各個(gè)子信道的實(shí)際傳輸情況靈活的分配發(fā)送功率和信息比特，以最大限度地提高系統(tǒng)容量。自適應(yīng)傳輸?shù)暮诵乃枷胧歉鶕?jù)傳輸信道的實(shí)際情況，改變發(fā)射功率及每個(gè)子信道的符號(hào)傳輸速率等以維持一定的誤碼率。此外，鏈路參數(shù)的設(shè)置，可以最大限度地提高系統(tǒng)容量。根據(jù)兩個(gè)用戶在特定位置和時(shí)間內(nèi)的用戶統(tǒng)計(jì)特征，可以提供多種編碼與調(diào)制方案，實(shí)現(xiàn)用戶數(shù)據(jù)流的最優(yōu)化。通過傳輸質(zhì)量?jī)?yōu)的子信道采用高速傳輸，質(zhì)量差的子信道低傳輸速率的方式來提供較高的頻譜使用效率。

4.3 分集技術(shù)

空間分集是主要針對(duì)無線傳輸中的信道衰落的一種技術(shù)。接收分集和發(fā)射分集構(gòu)成了分集技術(shù)。在復(fù)雜的無線信道中傳播，無線信號(hào)會(huì)產(chǎn)生瑞利衰落現(xiàn)象，衰落性質(zhì)在不同的空間有不同的體現(xiàn)?？臻g分集接收的實(shí)現(xiàn)必須確保兩個(gè)位置間距超過天線間的距離。分集技術(shù)有效的克服了多徑衰落。目前，分集技術(shù)分為時(shí)間上、頻率上、空間上的分集等。不同分集技術(shù)適用于不同場(chǎng)合，多技術(shù)的結(jié)合一般應(yīng)用比較多。在MIMO-OFDM中，通過時(shí)間、空間、頻率三種分集技術(shù)的應(yīng)用，有效的提供了系統(tǒng)對(duì)噪聲、干擾、多徑的容納限度。

4.4 信道估計(jì)

估計(jì)從發(fā)送天線到接收天線之間的無線信道的頻率響應(yīng)就稱之為信道估計(jì)。目前所采用的信道估計(jì)有以下兩類：第一類是基于訓(xùn)練序列或?qū)ьl的方法。第一類是采用盲分法。盲分法又可分為全盲和半盲信道估計(jì)。信道估計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是：準(zhǔn)確估計(jì)各子信道的頻域響應(yīng)或信道沖擊響應(yīng)，為信道解碼提供信道狀態(tài)信息及為同步算法提供信道參考信息。

5.MIMO-OFDM技術(shù)的問題

5.1 天線數(shù)量和距離的選擇

MIMO系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)是天線的數(shù)量和各個(gè)天線間的間距，如果要實(shí)現(xiàn)MIMO系統(tǒng)的高頻譜效率，各天線的間距是非常重要的因素。因?yàn)榛疽话愣及惭b在相對(duì)較高的位置，無法確保始終存在能使衰落散去的相關(guān)本地散射體，因此選擇合適的天線間距顯得尤為重要。基站如果安裝了大量的天線，周圍的環(huán)境勢(shì)必會(huì)被會(huì)遭到損害。因此，必須把天線的數(shù)量保持在中的水平。本地散射物之間的位置一般是終端，選擇天線距離必須要達(dá)到確保有相當(dāng)數(shù)量的不相關(guān)衰落，并且要考慮到終端實(shí)現(xiàn)及其外觀審美的需求。

5.2 系統(tǒng)的自適應(yīng)資源分配問題

理論上說，獲得無限大的信道容量的前提是，能為多根天線和相應(yīng)的射頻（RF）鏈路提供更大的空間，但在實(shí)際中并沒有這么簡(jiǎn)單，由于受限于實(shí)現(xiàn)操作和物理信道本身的實(shí)際情況，并不能達(dá)到理論上的水平。此外，MIMO系統(tǒng)可以利用傳播中的多徑分量，換句話就是說MIMO可以在某種程度上抵抗多徑衰落，但是對(duì)于頻率選擇性深衰落，MIMO系統(tǒng)并不能達(dá)到抗多徑衰落功能。因此，為了優(yōu)化系統(tǒng)的實(shí)際性能，有效的自適應(yīng)比特加載和功率分配方案是非常必要的。此外，信道估計(jì)、多普勒頻移等都是在實(shí)際操作過程中需要注意的問題。MIMO-OFDM技術(shù)還有很大的提升空間。

6.結(jié)語

隨著各種新需求的不斷出現(xiàn)以及新科技的飛速發(fā)展，4G終將成為未來移動(dòng)通信領(lǐng)域的主導(dǎo)技術(shù)和中堅(jiān)力量。而將MIMO技術(shù)和OFDM技術(shù)相結(jié)合，能夠充分利用這兩種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，不但能大大提高分集增益和系統(tǒng)容量，而且可以增加頻譜利用率，有效的解決頻率選擇性衰落問題。因此，MIMO和OFDM的結(jié)合成為第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)中有效對(duì)抗頻率選擇性衰落、提高數(shù)據(jù)傳輸數(shù)率，增大系統(tǒng)容量的關(guān)鍵技術(shù)。4G移動(dòng)通信技術(shù)的飛速發(fā)展，將使得廣大用戶享受更全新、更快捷、更豐富的通信生活。

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