4G-LTE無線通信網絡關鍵技術分析

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　　摘 要 目前，采用4G-LTE技術的無線通信網絡得到了前所未有的發展。隨著便攜式微機、掌上電腦以及智能手機等的普及，人們對通過無線方式隨時隨地接入互聯網獲取信息，將會有越來越迫切的需求。為了在復雜的無線環境中，提高無線數據的傳輸速率和增加頻帶利用率，本文詳細地介紹了4G-LTE網絡采用的先進的技術，并分析了這些技術的優勢。
　　關鍵詞 MIMO;分集技術;正交頻分復用;認知無線電
　　MIMO多天線技術在對抗多徑衰落中具有明顯的優勢，并已逐漸作為4G通信系統關鍵技術，但仍然存在一些問題。 現有的多天線都設置在基站端，而移動終端則很難安置多天線，這主要有兩方面的原因：①移動終端對體積、質量和功耗的要求遠比基站苛刻得多;②理想的MIMO 多天線系統要求相鄰天線之間的間距要遠大于電波波長，并且多個收發天線之間的傳輸信道是獨立的，而移動終端由于體積限制，根本無法做到這一點。因此，未來的移動通信系統將不再是一種技術的應用，而是多種技術的結合。從簡單的二進制調制到如今的多進制多維編碼調制，從單載波傳輸到多載波傳輸，從單天線單入單出系統到多天線多入多出系統，從傳統的全向天線系統到多波束智能天線，多種技術多元化的融合將是未來無線通信系統技術發展的一個必然趨勢[1]。
　　1 無線通信面臨的主要問題
　　與基于全封閉式傳輸線進行信息傳輸的有線通信相比，無線通信因其傳播的開放性主要面臨兩大困難：
　　1.1 多徑衰落
　　在無線電波傳播環境中，由于接收端所處地理位置的復雜性，使得接收的信號中不僅有直射波，還有反射波、衍射波和散射波等。如果無線電波在傳播過程中遇到了障礙物，并且此障礙物的大小與波長相比很大，那么就會發生反射。反射主要來自于地面、建筑物和墻面等。如果發射端和接收端之間的障礙物有比較尖銳的斷面，無線電波會發生衍射，因而，即便在收發天線之間沒有直達路徑時，無線電波仍然可以繞過障礙物到達接收天線。如果無線電波傳播的介質中分布有很多幾何尺寸與波長相比很小的障礙物，就會發生散射。無線信道中粗糙的物體表面、樹葉、街頭標志牌以及電線桿等都可能使無線電波發生散射。由于各路無線電波到達接收端的時間、幅度和相位都不同，疊加導致的結果是因同相疊加而加強，反相疊加而減弱。因而，接收信號的幅度將急劇變化，產生多徑衰落。
　　1.2 頻率資源有限
　　無線通信由于不同傳播路徑之間信號的相互干擾，頻譜資源非常有限，而用戶數越來越多。為了解決這個問題，除開辟和啟用新的頻段外，要研究各種新技術和新措施，壓縮信號占用的頻帶寬度和提高頻譜利用率。
　　2 4G-LTE無線系統的關鍵的傳輸技術
　　為適應未來通信發展的需求，在通信系統物理層的實現上已經提出多種先進的傳輸技術。
　　2.1 分集技術
　　分集接收是為了克服各種衰落，提高無線傳輸系統性能而發展起來的一項重要技術。其基本思路是：接收來自多個信道的承載同一信息的多個獨立的信號副本，由于各個信號不可能同時處于深衰落情況中，因此在任一給定的時刻至少可以保證有一個強度足夠大的信號副本提供給接收機使用，從而提高了接收信號信噪比[2]。
　　根據獲得獨立路徑信號的方法，分集技術可分為時間分集、頻率分集和空間分集等?？臻g分集技術是在不犧牲信號頻率帶寬和保證數據傳輸速率的同時獲得分集增益，因而得到了廣泛的應用。MIMO技術，通過在接收端和發端同時安置多個天線，形成MIMO信道結構，從而充分利用了空域資源，大幅度提高了信道容量。MIMO系統既可以通過復用來提高數據速率，也可以通過分集來提高性能。復用是利用信道增益矩陣的結構來獲得獨立的信號通路，從而可以在這些通路上發送獨立的數據。一種方法是將MIMO信道分解為多個并行信道，在不同的信道上復用不同的數據流，這種增益稱為復用增益;另一種方法是波束成形，它將信道增益進行相干合并，形成了一個分集增益很高的可靠信道。
　　2.2 正交頻分復用（OFDM）技術
　　為克服無線信道傳輸中多徑效應所引起的頻率選擇性衰落，多載波調制（MCM）技術已經受到青睞。其中，在無線通信中應用最廣的就是OFDM技術。其基本思想就是將信道在頻域上劃分成多個子信道，使每一個子信道的頻譜特性都近似平坦，使用多個互相獨立的子信道傳輸信號并在接收機中予以合并，以實現信號的頻率分集。OFDM可以與多種技術相結合，例如MIMO-OFDM技術已經成為4G-LTE的標準傳輸方式。
　　2.3 認知無線電（CR）技術
　　目前，無線通信的頻譜資源的稀缺成為制約無線通信發展的新瓶頸。有時，已經分配給現有很多無線系統的頻譜資源卻在時間和空間上存在不同程度的閑置。因此，人們提出采用認知無線電（CR）技術，CR技術具備的兩大主要特征是認知能力（Cognitive Capability）和重新配置能力（Reconfigurability）。FCC提出一種被廣泛接受的定義：CR是一種智能無線電系統，它能感知周圍環境，運用“理解-構建”的方法學來從周圍環境中獲取信息，并通過實時改變傳輸功率、載頻、調制方式等傳輸參數來適應環境的變化。CR的兩個最主要目標是高度可靠的通信方式以及高效的頻譜利用效率[3]。
　　3 結束語
　　協同通信為MIMO 技術的實用化提供了一個新的途徑。它可應用于蜂窩移動通信系統、無線Ad hoc網絡、無線局域網以及無線傳感器網絡等多種場合，具有研究價值與意義。而且，協同通信技術非常靈活，可以與現有多種技術相結合，與OFDM相結合，可以充分對抗頻率選擇性衰落;與空時編碼相結合，可以得到編碼增益;與認知無線電技術相結合，能夠提高頻譜檢測概率或者獲得更多的頻譜接入機會。
　　參考文獻
　　[1] 羅濤，樂光新.多天線無線通信原理與應用[M].北京：北京郵電大學出版社，2005：101.
　　[2] 周小飛，張宏綱.認知無線電原理及應用[M].北京：北京郵電大學出版社，2007：69.
　　[3] 羅濤，王健康，李祥明，等."基于空時分組編碼的協同通信系統性能的研究，"電子與信息學報，2007，（9）：2142-2145.
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