第四代移动通信系统关键技术研究

摘要：在无线通信系统中，带宽效率和多径衰落一直受关注。文中在对这两种技术相结合的方式来解决带宽效率和多径衰落问题。
关键词：OFDM；MIMO；带宽效率；多经衰落；MIMO-OFDM；第四代移动通信

在过去的20年，移动通信经历了从第一代模拟通信到第二代数字通信，再到第三代多媒体通信的三个阶段。而在我国，移动通信的发展潜力还十分巨大。
可以预见，为高速业务和多媒体业务设计的第三代移动通信系统(3G)在通信的容量与质量等方面已不能满足要求，世界各国都在推动第三代移动通信系统商用化的同时，已把研究重点转入第四代移动通信(Beyond 4G)的先期研究，并在概念和技术上寻求创新和突破，从而使无线通信的容量和速率有十倍甚至百倍的提高。

1 第四代移动通信系统概述
第四代移动通信系统是多功能集成的宽带高速移动通信系统，也是宽带接入IP系统，其标准比第三代移动通信系统标准具有更多的功能。它可以在不同的固定平台、无线平台、以及跨越不同频带的网络中提供无线服务，也可以利用宽带随时随地接入互连网，并能提供定位、定时、数据采集和远程控制等其他多种综合功能。

2 第四代(4G)移动通信的核心技术
在4G移动通信中，多输入多输出技术(MIMO)和正交频分复用技术(OFDM)已经得到广泛的肯定，并被越来越多地应用到4G移动通信中。下面重点介绍这两个技术的主要特点。
2．1 多输入多输出(MIMO)技术
在4G的研究领域中，MIMO技术是非常重要的关键技术之一，它的高速率和高频率利用率特性将会被广泛应用于无线局域网(Indoor wir-eless LANs)、无线本地环路(Wireless local loop)、UMTS、EDGE、4G和广播系统(HDTV)中。在无线通信系统中，MIMO在传输链路的发送端和接收端都配备多个天线单元，从而形成天线矩阵。
图1所示是MIMO系统原理图。图中，传输信息流S (k)经过空时编码可形成N个信息子流Ci(k)，i=1，2…N。这N个子流由N个天线发射出去。多天线接收机利用先进的空时编码处理能够分开并解码这些数据流，从而实现最佳的处理。特别是这N个子流可同时发送到信道，且各发射信号占用同一频带，因而并未增加宽带。若各发射、接收天线间的通道相应独立，则多输入多输出系统就可以创造出多个空间并行信道。通过这些并行空间信道独立地传输信息，数据率必然可以成倍地提高。

信道容量是表征通信系统地最重要标志之一，可表示通信系统的最大传输速率。对于发射天线数为N，接收天线数为M的多输入多输出系统，假定信道为独立的瑞利衰落信道，并设N和M很大，则信道容量可近似表示为：

其中，B为信道带宽，为接收端平均信噪比，为M、N的较小者。上式表明，功率和带宽固定时，多输入多输出系统的最大容量随最小天线数的增加而线性增加。因此可以利用MIMO成倍地提高无线信道的容量，从而在不增加带宽和天线发射功率地情况下，使频谱利用率成倍地提高。
2．2 正交频分复用(OFDM)技术
OFDM技术实际上是多载波调制(MCM，Muti-Carrier Modulation)的一种。其主要思想是将信道分成若干正交子信道，并将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，然后将其调制到每个子信道上进行传输。