多點(diǎn)協(xié)作通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)研究

摘 要：文章首先簡單地介紹了多點(diǎn)協(xié)作通信領(lǐng)域的現(xiàn)狀，并就無線通信系統(tǒng)中的多點(diǎn)協(xié)作通信技術(shù)的使用進(jìn)行針對性的研究，希望能夠?qū)ξ覈鵁o線通信系統(tǒng)的發(fā)展作出一定的貢獻(xiàn)。

關(guān)鍵詞：多點(diǎn)協(xié)作；通信系統(tǒng)；關(guān)鍵技術(shù)

1 多點(diǎn)協(xié)作通信領(lǐng)域的現(xiàn)狀概述

上行信道模型和下行信道模型是MIMO系統(tǒng)兩個(gè)主要的模型，這兩個(gè)模型分別被稱為多址接入信道（CMAC，Multiple Access Channel）模型以及廣播信道（BC，Broadcast Channel）模型。經(jīng)過試驗(yàn)證明，MAC模型和BC模型在用戶使用單一天線時(shí)會(huì)出現(xiàn)對偶性，而這種特點(diǎn)在發(fā)射端以及接收端同時(shí)配備多副天線時(shí)也是存在的。進(jìn)一步理論證明，在發(fā)射端以及接收端中的每一根天線在進(jìn)行獨(dú)立作業(yè)時(shí)也存在對偶性，因此我們可以這么假設(shè)將用戶端天線進(jìn)行分組，并將分組的天線設(shè)置為發(fā)射節(jié)點(diǎn)或者是接收節(jié)點(diǎn)，而MAC模型和BC模型就可以在此基礎(chǔ)上轉(zhuǎn)化為多點(diǎn)協(xié)作通信網(wǎng)絡(luò)來獲取容量的上線。目前多點(diǎn)協(xié)作通信技術(shù)依然成為我國無線通信學(xué)術(shù)界研究的重要方向。

2 多點(diǎn)協(xié)作通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 OFDM-MIMO技術(shù)

2.1.1 OFDM技術(shù)

1996年由R.W.Chang率先提出了OFDM技術(shù)，該技術(shù)與我國傳統(tǒng)的頻分復(fù)用的頻譜結(jié)構(gòu)比較，OFDM技術(shù)具有雙重身份，既是復(fù)用技術(shù)也是多載波調(diào)技術(shù)。OFDM技術(shù)主要運(yùn)用在軍事高頻通信系統(tǒng)中，然而沒有與之相匹配的功能強(qiáng)大的集成芯片輔助，因此OFDM技術(shù)應(yīng)用于軍事領(lǐng)域的想法失敗了。1971年，S.B.Weinstein和P. M. Ebert提出了一種利用離散傅立葉變換（DFT，Discrete Fourier Transform）實(shí)現(xiàn)OFDM基帶調(diào)制和解調(diào)的方法。在1980年，為了能夠有效的解決OFDM符號(hào)間串?dāng)_的問題，A. Peled和A. Ruiz兩位學(xué)者提出將循環(huán)前綴以及加窗插入到時(shí)域中，該想法的主要原理是將OFDM符號(hào)中循環(huán)延伸填充符合以及符號(hào)之間具備的保護(hù)間隔功能充分利用起來，從而實(shí)現(xiàn)了色散信道中信號(hào)的正交性。綜合上述我們可以看出，專家學(xué)者的不斷的研究，打破了技術(shù)上的限制，從而使OFDM技術(shù)成為了一項(xiàng)可實(shí)現(xiàn)的技術(shù)。

在LTE系統(tǒng)和LTE-A系統(tǒng)中，下行鏈路對不同的用戶通過不同的子載波接入到系統(tǒng)中，這種方式我們稱之為正交頻分多址接入。而在上行鏈路上我們采用單載波-正交頻分多址接入的方式，從而有效的減少上行發(fā)射信號(hào)的峰均功率比。而與OFDMA技術(shù)相比，兩者并存在著許多的差異，首先用戶需保證子載波的連續(xù)性，此外還要在連續(xù)的子載波中擴(kuò)頻調(diào)制用戶的數(shù)據(jù)。

2.1.2 MIMO技術(shù)

在應(yīng)用MIMO無線傳輸技術(shù)過程中，為了獲取空間復(fù)用增益（Multiplexing Gain）以及空間分集增益（Diversity Gain），通常會(huì)將多根天線安裝在發(fā)射端以及接受端中，利用無線傳輸信道的空間資源來實(shí)現(xiàn)目的。MIMO系統(tǒng)如圖1所示，在圖中可以看出多天線無線通信信道主要由發(fā)射端以及接收端的多根天線組成。

MIMO技術(shù)是在1908年由Marconi專家提出的，該技術(shù)在緩解信道衰落方面的問題有發(fā)揮著重要的作用。1996年G. J. Foschini為了解決多天線系統(tǒng)中存在的弊端提出了貝爾實(shí)驗(yàn)室中分層空時(shí)（BLAST， Bell Labs Layered Space-Time）編碼技術(shù)。直到1999年，首次對MIMO的系統(tǒng)容量進(jìn)行證明的專家E.I.Telatar利用信息論成功證明了MIMO的系統(tǒng)容量。不斷增加發(fā)射天線樹木以及接收天線數(shù)目的最小值，MIMO的系統(tǒng)容量會(huì)出現(xiàn)線性增長的情況，而這種線性增長的階數(shù)就是我們說的復(fù)用增益。

2.1.3 MIMO與OFDM的結(jié)合技術(shù)

MIMO為了能夠有效的降低多徑衰落的影響，在頻域內(nèi)用平坦信道替代頻率選擇性多徑衰落信道，從而在多徑和衰落的環(huán)境中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咝?。從技術(shù)方面來看，MIMO技術(shù)和OFDM技術(shù)都是窄帶技術(shù)的組成部分，而OFDM技術(shù)能夠結(jié)合資源調(diào)度以及鏈路適配技術(shù)，并通過利用信道的頻率選擇性提高通信的效率。而MIMO技術(shù)在OFDM技術(shù)的基礎(chǔ)上，同時(shí)還利用了信道空間選擇性的特點(diǎn)，既保證了系統(tǒng)寬帶的寬度，同時(shí)也使得頻譜的使用效率更上一層樓。而將這兩種技術(shù)放在一起使用，一方面能夠增加通信時(shí)選擇頻率和空間上的信道增益資源，另一方面有利于提高我國通信系統(tǒng)資源的使用效率。

2.2 MIMO中繼技術(shù)

2.2.1 中繼技術(shù)

由于通信頻譜資源較少，尤其是優(yōu)質(zhì)的低頻段無線頻譜資源更是稀有，因此極大的阻礙了無線移動(dòng)通信的發(fā)展。2007年10月，ITU組織在世界無線電通信大會(huì)上對第三代以及第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)的工作頻段進(jìn)行了劃分。

劃分后可以看出，載波頻率都在2GHz以上，這是為了能夠有效的提高4G無線移動(dòng)通信系統(tǒng)的信息傳輸效率。然而目前我國高頻無線電波呈現(xiàn)出一種不斷減少的狀態(tài)，造成未來基站的覆蓋半徑也隨著高頻無線電波的減少而變小。此外，在保證發(fā)射端功率不變的情況下，隨著數(shù)據(jù)速率不斷的增長，每個(gè)比特信號(hào)能量也會(huì)不斷的衰退，通信質(zhì)量嚴(yán)重下滑。

面對這些問題，我國學(xué)術(shù)界以及工業(yè)界對中繼技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行深入的研究，并討論出解決問題的基本思路。基本思路也就是在蜂窩網(wǎng)中安裝成本低、功能消耗少的固定中繼點(diǎn)，加長通信的距離，有效防止陰影衰落，并實(shí)現(xiàn)分布式空間密集的目的。其中，蜂窩小區(qū)中的用戶能夠共享無線資源，進(jìn)行協(xié)作傳輸，因此也能夠起到中繼的作用。

2.2.2 MIMO技術(shù)與中繼技術(shù)的結(jié)合

MIMO-Relay技術(shù)是中繼系統(tǒng)和MIMO技術(shù)相結(jié)合的結(jié)果。將MIMO技術(shù)應(yīng)用到源節(jié)點(diǎn)以及目的節(jié)點(diǎn)中能夠獲得分集增益以及復(fù)用增益。而為了讓源節(jié)點(diǎn)、中繼節(jié)點(diǎn)以及目的節(jié)點(diǎn)形成多跳MIMO節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)，可以將多根天線應(yīng)用于中繼節(jié)點(diǎn)處。

在多中繼MIMO系統(tǒng)中，多個(gè)中繼同時(shí)為用戶提供服務(wù)，能夠減少各中繼的信道衰落，然而這建立在多套射頻設(shè)備的支持的基礎(chǔ)上，不僅增加了硬件的成本同時(shí)也增加了干擾。這時(shí)候?yàn)榱擞行У慕鉀Q環(huán)境系統(tǒng)性能與成本之間存在的矛盾，可以選擇使用中繼/天線選擇技術(shù)。同時(shí)該技術(shù)還能將沒有閑置的中繼/天線繼續(xù)為其他用戶服務(wù)，進(jìn)一步提升了系統(tǒng)設(shè)備以及資源的使用效率。

3 結(jié)束語

綜上所述，多點(diǎn)協(xié)作通信技術(shù)在我國無線系統(tǒng)中的應(yīng)用，能夠有效的提高我國無線通信事業(yè)的發(fā)展，提高無線通信資源的利用率。而多點(diǎn)協(xié)作通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)主要有OFDM-MIMO技術(shù)，MIMO中繼技術(shù)等，這些技術(shù)都是我國第四代無線移動(dòng)通信技術(shù)中十分重要的研究方向，能夠?yàn)槎帱c(diǎn)協(xié)作通信系統(tǒng)的發(fā)展作出巨大的貢獻(xiàn)。

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