關(guān)于4G移動通信系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的多入多出技術(shù)研究

　　摘 要： 本文基于4G移動通信系統(tǒng)研究其多入多出技術(shù)的優(yōu)缺點，以及多入多出技術(shù)與結(jié)合使用的技術(shù)理論。
　　關(guān)鍵詞： 4G通信系統(tǒng) 多入多出技術(shù) 多載波傳輸
　　
　　當(dāng)今社會3G移動通信系統(tǒng)即將成為主流，全國3G用戶已經(jīng)過億，在移動通信迅猛發(fā)展的今天，4G通信技術(shù)是繼第三代以后又一次無線通信技術(shù)演進(jìn)，其開發(fā)更加具有明確的目標(biāo)性：提高移動裝置無線訪問互聯(lián)網(wǎng)的速度。
　　對于4G通信系統(tǒng)中可能采用的關(guān)鍵技術(shù)主要包括OFDM、軟件無線電、智能天線、多入多出技術(shù)、IPv6，下面我將介紹4G通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)中的MIMO（Multiple-Input Multiple-Out-put），即多入多出技術(shù)。
　　一代移動通信（beyond 3G/4G）將可以提供的數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)100Mbit/s，甚至更高，支持的業(yè)務(wù)從語音到多媒體業(yè)務(wù)，包括實時的流媒體業(yè)務(wù)。數(shù)據(jù)傳輸速率可以根據(jù)這些業(yè)務(wù)所需的速率不同動態(tài)調(diào)整。新一代移動通信的另一個特點是低成本。在有限的頻譜資源上實現(xiàn)高速率和大容量，需要頻譜效率極高的技術(shù)。MIMO技術(shù)充分開發(fā)空間資源，利用多個天線實現(xiàn)多發(fā)多收，在不需要增加頻譜資源和天線發(fā)送功率的情況下，可以成倍地提高信道容量。
　　MIMO（Multiple-Input Multiple-Output）系統(tǒng)，該技術(shù)最早是由Marconi于1908年提出的，它利用多天線來抑制信道衰落。可以看出，此時的信道容量隨著天線數(shù)量的增大而線性增大。也就是說可以利用MIMO信道成倍地提高無線信道容量，在不增加帶寬和天線發(fā)送功率的情況下，頻譜利用率可以成倍地提高。
　　那么，多入多出技術(shù)有點具體表現(xiàn)在哪里呢？
　　利用MIMO技術(shù)可以提高信道的容量，同時也可以提高信道的可靠性，降低誤碼率。前者是利用MIMO信道提供的空間復(fù)用增益，后者是利用MIMO信道提供的空間分集增益。實現(xiàn)空間復(fù)用增益的算法主要有貝爾實驗室的BLAST算法、ZF算法、MMSE算法、ML算法。ML算法具有很好的譯碼性能，但是復(fù)雜度比較高，對于實時性要求較高的無線通信不能滿足要求。ZF算法簡單容易實現(xiàn)，但是對信道的信噪比要求較高。性能和復(fù)雜度最優(yōu)的就是BLAST算法。該算法實際上是使用ZF算法加上干擾刪除技術(shù)得出的。目前MIMO技術(shù)領(lǐng)域另一個研究熱點就是空時編碼。常見的空時碼有空時塊碼、空時格碼。空時碼的主要思想是利用空間和時間上的編碼實現(xiàn)一定的空間分集和時間分集，從而降低信道誤碼率。
　　那么，多入多出技術(shù)就沒有缺陷嗎？不是，它的缺點和實施困難主要表現(xiàn)在下面幾個方面。
　　空間復(fù)用能最大化MIMO系統(tǒng)的平均發(fā)射速率，但只能獲得有限的分集增益，在信噪比較小時使用，可能無法使用高階調(diào)制方式（如16QAM等）。
　　無線信號在密集城區(qū)、室內(nèi)覆蓋等環(huán)境中會頻繁反射，使得多個空間信道之間的衰落特性更加獨立，從而使得空間復(fù)用的效果更加顯著。
　　無線信號在市郊、農(nóng)村地區(qū)，多徑分量少，各空間信道之間的相關(guān)性較大，因此空間復(fù)用的效果要差得多。
　　對發(fā)射信號進(jìn)行空時編碼可以獲得額外的分集增益和編碼增益，從而可以在信噪比相對較小的無線環(huán)境下使用高階調(diào)制方式，但無法獲取空間并行信道帶來的速率紅利。空時編碼技術(shù)在無線相關(guān)性較大的場合也能很好地發(fā)揮效能。
　　另外，多入多出技術(shù)與OFDM技術(shù)是結(jié)合使用的，F(xiàn)DM技術(shù)是多載波傳輸?shù)囊环N，其多載波之間相互正交，可以高效地利用頻譜資源。因此充分開發(fā)這兩種技術(shù)的潛力，將二者結(jié)合起來可以成為新一代移動通信核心技術(shù)的解決方案。
　　MIMO系統(tǒng)在一定程度上可以利用傳播中多徑分量，也就是說MIMO可以抗多徑衰落，但是對于頻率選擇性深衰落，MIMO系統(tǒng)依然無能為力。目前解決MIMO系統(tǒng)中的頻率選擇性衰落的方案一般是利用均衡技術(shù)，還有一種是利用OFDM。大多數(shù)研究人員認(rèn)為OFDM技術(shù)是4G的核心技術(shù)，4G需要極高頻譜利用率的技術(shù)，而OFDM提高頻譜利用率的作用畢竟是有限的，在OFDM的基礎(chǔ)上合理開發(fā)空間資源，也就是MIMO+OFDM，可以提供更高的數(shù)據(jù)傳輸速率。另外，ODFM由于碼率低和加入了時間保護(hù)間隔而具有極強(qiáng)的抗多徑干擾能力。由于多徑時延小于保護(hù)間隔，因此系統(tǒng)不受碼間干擾的困擾，這就允許單頻網(wǎng)絡(luò)（SFN）用于寬帶OFDM系統(tǒng)，依靠多天線來實現(xiàn)，即采用由大量低功率發(fā)射機(jī)組成的發(fā)射機(jī)陣列消除陰影效應(yīng)，來實現(xiàn)完全覆蓋。
　　雖然多入多出技術(shù)還存在很多不足之處，但由于4G還在研究發(fā)展階段，未來多人多出技術(shù)支持下的4G系統(tǒng)是很值得期待的。
　　當(dāng)然，第四代移動通信技術(shù)還在發(fā)展中，盡管4G比3G有著更快的通信速度、更寬的網(wǎng)絡(luò)頻譜、更加靈活等一系列優(yōu)越性，但實現(xiàn)和發(fā)展中依然面臨很多難題。所以，對第四代移動通信系統(tǒng)及其關(guān)鍵技術(shù)研究的探討具有非常重要的意義。總之，隨著新問題、新要求的不斷出現(xiàn)，第四代移動通信技術(shù)將會相應(yīng)地調(diào)整、完善和進(jìn)一步發(fā)展。縱觀移動通信技術(shù)的發(fā)展規(guī)律和第四代通信技術(shù)的優(yōu)點，我們相信，不遠(yuǎn)的將來，人們將不受時間、地點限制，可以自由自在地利用移動網(wǎng)絡(luò)獲取和傳遞信息。人們的學(xué)習(xí)、工作、生活將會發(fā)生更深刻的變化。
　　
　　參考文獻(xiàn)：
　　［1］Glisic，S.Makela，J.P.Advanced windness delwoke 4G technologies.In：Spend Spectrun Techniques and Applications 2006 IEEE Ninth International Sympasium Aug.2006.
　　［2］Steer，M.Beyond 3G.Mictowave Magazine Fed 2007.
　　［3］劉艷萍，章秀銀，胡斌杰.4G核心技術(shù)原理及其與3G系統(tǒng)的對比分析.移動通信，2004.7（10）：40-42.