多點協作通信系統的關鍵技術研究

摘 要：文章首先簡單地介紹了多點協作通信領域的現狀，并就無線通信系統中的多點協作通信技術的使用進行針對性的研究，希望能夠對我國無線通信系統的發展作出一定的貢獻。

關鍵詞：多點協作；通信系統；關鍵技術

1 多點協作通信領域的現狀概述

上行信道模型和下行信道模型是MIMO系統兩個主要的模型，這兩個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。經過試驗證明，MAC模型和BC模型在用戶使用單一天線時會出現對偶性，而這種特點在發射端以及接收端同時配備多副天線時也是存在的。進一步理論證明，在發射端以及接收端中的每一根天線在進行獨立作業時也存在對偶性，因此我們可以這么假設將用戶端天線進行分組，并將分組的天線設置為發射節點或者是接收節點，而MAC模型和BC模型就可以在此基礎上轉化為多點協作通信網絡來獲取容量的上線。目前多點協作通信技術依然成為我國無線通信學術界研究的重要方向。

2 多點協作通信系統的關鍵技術研究

2.1 OFDM-MIMO技術

2.1.1 OFDM技術

1996年由R.W.Chang率先提出了OFDM技術，該技術與我國傳統的頻分復用的頻譜結構比較，OFDM技術具有雙重身份，既是復用技術也是多載波調技術。OFDM技術主要運用在軍事高頻通信系統中，然而沒有與之相匹配的功能強大的集成芯片輔助，因此OFDM技術應用于軍事領域的想法失敗了。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）實現OFDM基帶調制和解調的方法。在1980年，為了能夠有效的解決OFDM符號間串擾的問題，A. Peled和A. Ruiz兩位學者提出將循環前綴以及加窗插入到時域中，該想法的主要原理是將OFDM符號中循環延伸填充符合以及符號之間具備的保護間隔功能充分利用起來，從而實現了色散信道中信號的正交性。綜合上述我們可以看出，專家學者的不斷的研究，打破了技術上的限制，從而使OFDM技術成為了一項可實現的技術。

在LTE系統和LTE-A系統中，下行鏈路對不同的用戶通過不同的子載波接入到系統中，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射信號的峰均功率比。而與OFDMA技術相比，兩者并存在著許多的差異，首先用戶需保證子載波的連續性，此外還要在連續的子載波中擴頻調制用戶的數據。

2.1.2 MIMO技術

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

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

2.1.3 MIMO與OFDM的結合技術

MIMO為了能夠有效的降低多徑衰落的影響，在頻域內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境中實現數據傳輸的高效率。從技術方面來看，MIMO技術和OFDM技術都是窄帶技術的組成部分，而OFDM技術能夠結合資源調度以及鏈路適配技術，并通過利用信道的頻率選擇性提高通信的效率。而MIMO技術在OFDM技術的基礎上，同時還利用了信道空間選擇性的特點，既保證了系統寬帶的寬度，同時也使得頻譜的使用效率更上一層樓。而將這兩種技術放在一起使用，一方面能夠增加通信時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資源的使用效率。

2.2 MIMO中繼技術

2.2.1 中繼技術

由于通信頻譜資源較少，尤其是優質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通信的發展。2007年10月，ITU組織在世界無線電通信大會上對第三代以及第四代移動通信系統的工作頻段進行了劃分。

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無線移動通信系統的信息傳輸效率。然而目前我國高頻無線電波呈現出一種不斷減少的狀態，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，在保證發射端功率不變的情況下，隨著數據速率不斷的增長，每個比特信號能量也會不斷的衰退，通信質量嚴重下滑。

面對這些問題，我國學術界以及工業界對中繼技術的應用進行深入的研究，并討論出解決問題的基本思路。基本思路也就是在蜂窩網中安裝成本低、功能消耗少的固定中繼點，加長通信的距離，有效防止陰影衰落，并實現分布式空間密集的目的。其中，蜂窩小區中的用戶能夠共享無線資源，進行協作傳輸，因此也能夠起到中繼的作用。

2.2.2 MIMO技術與中繼技術的結合

MIMO-Relay技術是中繼系統和MIMO技術相結合的結果。將MIMO技術應用到源節點以及目的節點中能夠獲得分集增益以及復用增益。而為了讓源節點、中繼節點以及目的節點形成多跳MIMO節點的系統，可以將多根天線應用于中繼節點處。

在多中繼MIMO系統中，多個中繼同時為用戶提供服務，能夠減少各中繼的信道衰落，然而這建立在多套射頻設備的支持的基礎上，不僅增加了硬件的成本同時也增加了干擾。這時候為了有效的解決環境系統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。同時該技術還能將沒有閑置的中繼/天線繼續為其他用戶服務，進一步提升了系統設備以及資源的使用效率。

3 結束語

綜上所述，多點協作通信技術在我國無線系統中的應用，能夠有效的提高我國無線通信事業的發展，提高無線通信資源的利用率。而多點協作通信系統中的關鍵技術主要有OFDM-MIMO技術，MIMO中繼技術等，這些技術都是我國第四代無線移動通信技術中十分重要的研究方向，能夠為多點協作通信系統的發展作出巨大的貢獻。

參考文獻

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