摘 要:文章首先簡單地介紹了多點協(xié)作通信領(lǐng)域的現(xiàn)狀,并就無線通信系統(tǒng)中的多點協(xié)作通信技術(shù)的使用進行針對性的研究,希望能夠?qū)ξ覈鵁o線通信系統(tǒng)的發(fā)展作出一定的貢獻。
關(guān)鍵詞:多點協(xié)作;通信系統(tǒng);關(guān)鍵技術(shù)
1 多點協(xié)作通信領(lǐng)域的現(xiàn)狀概述
上行信道模型和下行信道模型是MIMO系統(tǒng)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(jīng)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(xiàn)對偶性,而這種特點在發(fā)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(fā)射端以及接收端中的每一根天線在進行獨立作業(yè)時也存在對偶性,因此我們可以這么假設(shè)將用戶端天線進行分組,并將分組的天線設(shè)置為發(fā)射節(jié)點或者是接收節(jié)點,而MAC模型和BC模型就可以在此基礎(chǔ)上轉(zhuǎn)化為多點協(xié)作通信網(wǎng)絡(luò)來獲取容量的上線。目前多點協(xié)作通信技術(shù)依然成為我國無線通信學術(shù)界研究的重要方向。
2 多點協(xié)作通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)研究
2.1 OFDM-MIMO技術(shù)
2.1.1 OFDM技術(shù)
1996年由R.W.Chang率先提出了OFDM技術(shù),該技術(shù)與我國傳統(tǒng)的頻分復(fù)用的頻譜結(jié)構(gòu)比較,OFDM技術(shù)具有雙重身份,既是復(fù)用技術(shù)也是多載波調(diào)技術(shù)。OFDM技術(shù)主要運用在軍事高頻通信系統(tǒng)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(shù)應(yīng)用于軍事領(lǐng)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(xiàn)OFDM基帶調(diào)制和解調(diào)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(huán)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(huán)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(xiàn)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(shù)上的限制,從而使OFDM技術(shù)成為了一項可實現(xiàn)的技術(shù)。
在LTE系統(tǒng)和LTE-A系統(tǒng)中,下行鏈路對不同的用戶通過不同的子載波接入到系統(tǒng)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(fā)射信號的峰均功率比。而與OFDMA技術(shù)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(xù)性,此外還要在連續(xù)的子載波中擴頻調(diào)制用戶的數(shù)據(jù)。
2.1.2 MIMO技術(shù)
在應(yīng)用MIMO無線傳輸技術(shù)過程中,為了獲取空間復(fù)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(fā)射端以及接受端中,利用無線傳輸信道的空間資源來實現(xiàn)目的。MIMO系統(tǒng)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(fā)射端以及接收端的多根天線組成。
MIMO技術(shù)是在1908年由Marconi專家提出的,該技術(shù)在緩解信道衰落方面的問題有發(fā)揮著重要的作用。1996年G. J. Foschini為了解決多天線系統(tǒng)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(shù)。直到1999年,首次對MIMO的系統(tǒng)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(tǒng)容量。不斷增加發(fā)射天線樹木以及接收天線數(shù)目的最小值,MIMO的系統(tǒng)容量會出現(xiàn)線性增長的情況,而這種線性增長的階數(shù)就是我們說的復(fù)用增益。
2.1.3 MIMO與OFDM的結(jié)合技術(shù)
MIMO為了能夠有效的降低多徑衰落的影響,在頻域內(nèi)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(huán)境中實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咝?。從技術(shù)方面來看,MIMO技術(shù)和OFDM技術(shù)都是窄帶技術(shù)的組成部分,而OFDM技術(shù)能夠結(jié)合資源調(diào)度以及鏈路適配技術(shù),并通過利用信道的頻率選擇性提高通信的效率。而MIMO技術(shù)在OFDM技術(shù)的基礎(chǔ)上,同時還利用了信道空間選擇性的特點,既保證了系統(tǒng)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(shù)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(tǒng)資源的使用效率。
2.2 MIMO中繼技術(shù)
2.2.1 中繼技術(shù)
由于通信頻譜資源較少,尤其是優(yōu)質(zhì)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(fā)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(tǒng)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(tǒng)的信息傳輸效率。然而目前我國高頻無線電波呈現(xiàn)出一種不斷減少的狀態(tài),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(fā)射端功率不變的情況下,隨著數(shù)據(jù)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(zhì)量嚴重下滑。
面對這些問題,我國學術(shù)界以及工業(yè)界對中繼技術(shù)的應(yīng)用進行深入的研究,并討論出解決問題的基本思路?;舅悸芬簿褪窃诜涓C網(wǎng)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(xiàn)分布式空間密集的目的。其中,蜂窩小區(qū)中的用戶能夠共享無線資源,進行協(xié)作傳輸,因此也能夠起到中繼的作用。
2.2.2 MIMO技術(shù)與中繼技術(shù)的結(jié)合
MIMO-Relay技術(shù)是中繼系統(tǒng)和MIMO技術(shù)相結(jié)合的結(jié)果。將MIMO技術(shù)應(yīng)用到源節(jié)點以及目的節(jié)點中能夠獲得分集增益以及復(fù)用增益。而為了讓源節(jié)點、中繼節(jié)點以及目的節(jié)點形成多跳MIMO節(jié)點的系統(tǒng),可以將多根天線應(yīng)用于中繼節(jié)點處。
在多中繼MIMO系統(tǒng)中,多個中繼同時為用戶提供服務(wù),能夠減少各中繼的信道衰落,然而這建立在多套射頻設(shè)備的支持的基礎(chǔ)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(huán)境系統(tǒng)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(shù)。同時該技術(shù)還能將沒有閑置的中繼/天線繼續(xù)為其他用戶服務(wù),進一步提升了系統(tǒng)設(shè)備以及資源的使用效率。
3 結(jié)束語
綜上所述,多點協(xié)作通信技術(shù)在我國無線系統(tǒng)中的應(yīng)用,能夠有效的提高我國無線通信事業(yè)的發(fā)展,提高無線通信資源的利用率。而多點協(xié)作通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)主要有OFDM-MIMO技術(shù),MIMO中繼技術(shù)等,這些技術(shù)都是我國第四代無線移動通信技術(shù)中十分重要的研究方向,能夠為多點協(xié)作通信系統(tǒng)的發(fā)展作出巨大的貢獻。
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