4G通信中MIMOOFDM技術(shù)的應用研究

莫運通

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

【關(guān)鍵詞】4G；MIMOOFDM技術(shù)；應用；問題

1.引言

人們對通信技術(shù)的依賴和要求，使得移動通信技術(shù)有了長遠的發(fā)展。無線通信與個人通信經(jīng)歷了從模擬通信到數(shù)字通信，從FDMA到CDMA的巨大變化。隨著移動通信業(yè)務量的不斷擴增，用戶量的激增，人們對各種多媒體業(yè)務高需求以及第三代移動通信技術(shù)中存在的缺失和不足，于是第四代移動通信技術(shù)響應時代的潮流，應運而生。第四代移動通信技術(shù)，作為目前移動通信技術(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)量和服務質(zhì)量以及更低的傳輸成本適時地運用到了實際當中。4G移動通信技術(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)，進一步的提高了4G移動通信技術(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)上得到了進一步提升，但4G移動通信技術(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)務等多種業(yè)務的同時，也面臨著兩大問題：其一，由于移動通信中缺乏帶寬資源，因此，必須在有限的資源上實現(xiàn)高速率和大容量的數(shù)據(jù)傳輸，以滿足多種業(yè)務的傳輸需求。其二，系統(tǒng)性能弱。為了達到改善系統(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，可實現(xiàn)同時發(fā)送和接收信號，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，通過利用多徑效應提高了信號的可靠性，但是，MIMO技術(shù)占用頻帶越寬，多徑效應越明顯，對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，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)合不但可以取長補短，互補互足，而且又是4G移動通信技術(shù)未來發(fā)展的趨勢所在。MIMO-OFDM技術(shù)在移動通信中的應用必定能為通信領(lǐng)域掀起一番革新的浪潮。

4.MIMO-OFDM的關(guān)鍵技術(shù)

4.1 空時信號處理技術(shù)

MIMO技術(shù)主要分為空時編碼和空間復用兩大類。空時編碼技術(shù)是通過在發(fā)射端對數(shù)據(jù)流進行聯(lián)合編碼，從而降低信道衰落和噪聲所造成的符號錯誤率，同時提高信號的冗余度，從而使信號在接收端獲取最大的分集增益和編碼增益。目前，4G移動通信技術(shù)主要應用的空時編碼方式有：分層空時編碼，空時格形碼，空時分組碼以及空時頻編碼四種。當然，空時編碼技術(shù)也存在著缺點：數(shù)據(jù)傳輸速率無法提高。MIMO技術(shù)的空間復用就是在接收端和發(fā)射端使用多個天線，盡可能地在空間信道上傳輸相互獨立的數(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。將空間復用與空時編碼二者相結(jié)合，能夠確保每個數(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 自適應技術(shù)

MIMO-OFDM系統(tǒng)需要依照各個子信道的實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。自適應傳輸?shù)暮诵乃枷胧歉鶕?jù)傳輸信道的實際情況，改變發(fā)射功率及每個子信道的符號傳輸速率等以維持一定的誤碼率。此外，鏈路參數(shù)的設置，可以最大限度地提高系統(tǒng)容量。根據(jù)兩個用戶在特定位置和時間內(nèi)的用戶統(tǒng)計特征，可以提供多種編碼與調(diào)制方案，實現(xiàn)用戶數(shù)據(jù)流的最優(yōu)化。通過傳輸質(zhì)量優(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)。在復雜的無線信道中傳播，無線信號會產(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)。空間分集接收的實現(xiàn)必須確保兩個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)適用于不同場合，多技術(shù)的結(jié)合一般應用比較多。在MIMO-OFDM中，通過時間、空間、頻率三種分集技術(shù)的應用，有效的提供了系統(tǒng)對噪聲、干擾、多徑的容納限度。

4.4 信道估計

估計從發(fā)送天線到接收天線之間的無線信道的頻率響應就稱之為信道估計。目前所采用的信道估計有以下兩類：第一類是基于訓練序列或?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。信道估計的優(yōu)點是：準確估計各子信道的頻域響應或信道沖擊響應，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)設計的關(guān)鍵參數(shù)是天線的數(shù)量和各個天線間的間距，如果要實現(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。因為基站一般都安裝在相對較高的位置，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)境勢必會被會遭到損害。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到確保有相當數(shù)量的不相關(guān)衰落，并且要考慮到終端實現(xiàn)及其外觀審美的需求。

5.2 系統(tǒng)的自適應資源分配問題

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的射頻（RF）鏈路提供更大的空間，但在實際中并沒有這么簡單，由于受限于實現(xiàn)操作和物理信道本身的實際情況，并不能達到理論上的水平。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，但是對于頻率選擇性深衰落，MIMO系統(tǒng)并不能達到抗多徑衰落功能。因此，為了優(yōu)化系統(tǒng)的實際性能，有效的自適應比特加載和功率分配方案是非常必要的。此外，信道估計、多普勒頻移等都是在實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終將成為未來移動通信領(lǐng)域的主導技術(shù)和中堅力量。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，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)合成為第四代移動通信系統(tǒng)中有效對抗頻率選擇性衰落、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。

參考文獻

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