第四代移動通信系統關鍵技術研究

摘要：在無線通信系統中，帶寬效率和多徑衰落一直受關注。文中在對這兩種技術相結合的方式來解決帶寬效率和多徑衰落問題。
關鍵詞：OFDM；MIMO；帶寬效率；多經衰落；MIMO-OFDM；第四代移動通信

在過去的20年，移動通信經歷了從第一代模擬通信到第二代數字通信，再到第三代多媒體通信的三個階段。而在我國，移動通信的發展潛力還十分巨大。
可以預見，為高速業務和多媒體業務設計的第三代移動通信系統(3G)在通信的容量與質量等方面已不能滿足要求，世界各國都在推動第三代移動通信系統商用化的同時，已把研究重點轉入第四代移動通信(Beyond 4G)的先期研究，并在概念和技術上尋求創新和突破，從而使無線通信的容量和速率有十倍甚至百倍的提高。

1 第四代移動通信系統概述
第四代移動通信系統是多功能集成的寬帶高速移動通信系統，也是寬帶接入IP系統，其標準比第三代移動通信系統標準具有更多的功能。它可以在不同的固定平臺、無線平臺、以及跨越不同頻帶的網絡中提供無線服務，也可以利用寬帶隨時隨地接入互連網，并能提供定位、定時、數據采集和遠程控制等其他多種綜合功能。

2 第四代(4G)移動通信的核心技術
在4G移動通信中，多輸入多輸出技術(MIMO)和正交頻分復用技術(OFDM)已經得到廣泛的肯定，并被越來越多地應用到4G移動通信中。下面重點介紹這兩個技術的主要特點。
2．1 多輸入多輸出(MIMO)技術
在4G的研究領域中，MIMO技術是非常重要的關鍵技術之一，它的高速率和高頻率利用率特性將會被廣泛應用于無線局域網(Indoor wir-eless LANs)、無線本地環路(Wireless local loop)、UMTS、EDGE、4G和廣播系統(HDTV)中。在無線通信系統中，MIMO在傳輸鏈路的發送端和接收端都配備多個天線單元，從而形成天線矩陣。
圖1所示是MIMO系統原理圖。圖中，傳輸信息流S (k)經過空時編碼可形成N個信息子流Ci(k)，i=1，2…N。這N個子流由N個天線發射出去。多天線接收機利用先進的空時編碼處理能夠分開并解碼這些數據流，從而實現最佳的處理。特別是這N個子流可同時發送到信道，且各發射信號占用同一頻帶，因而并未增加寬帶。若各發射、接收天線間的通道相應獨立，則多輸入多輸出系統就可以創造出多個空間并行信道。通過這些并行空間信道獨立地傳輸信息，數據率必然可以成倍地提高。

信道容量是表征通信系統地最重要標志之一，可表示通信系統的最大傳輸速率。對于發射天線數為N，接收天線數為M的多輸入多輸出系統，假定信道為獨立的瑞利衰落信道，并設N和M很大，則信道容量可近似表示為：

其中，B為信道帶寬，為接收端平均信噪比，為M、N的較小者。上式表明，功率和帶寬固定時，多輸入多輸出系統的最大容量隨最小天線數的增加而線性增加。因此可以利用MIMO成倍地提高無線信道的容量，從而在不增加帶寬和天線發射功率地情況下，使頻譜利用率成倍地提高。
2．2 正交頻分復用(OFDM)技術
OFDM技術實際上是多載波調制(MCM，Muti-Carrier Modulation)的一種。其主要思想是將信道分成若干正交子信道，并將高速數據信號轉換成并行的低速子數據流，然后將其調制到每個子信道上進行傳輸。