未来无线通信的关键技术

未来无线通信的关键技术1．业务需求和技术相互推动大大促进了无线通信的发展1．1 无线通信业务严格意义上来说，无线通信的业务分类比较复杂，可以从不同角度来划分无线业务，例如可以划分为：语音业务和数据业务；宽带业务和窄带业务；实时业务和分组业务等等。

目前从用户的角度来说可以将无线通信的业务分为：基本的语音业务；数据业务，包括短消息等窄带数据业务和宽带无线Internet；流媒体业务，主要以实时图像业务为主。

有人将未来无线通信业务进行了进一步的分类研究给出：3层业务类型的概念。

根据业务的特性和成熟程度，将不同业务分为3层：底层(L1)、中间层(L2)和顶层(L3)。

3层业务的定义如下：●L1：基本业务技术层，一般由几种通信系统核心技术共同来支持和实现。

●L2：业务功能层，由部分L1业务联合组成业务功能，用户能直接访问。

●L3：业务范围层，能被用户在实际情况下使用的各种业务。

需要说明的是，L1的基本业务技术不同于其所对应的通信系统核心技术，通信系统核心技术涉及基本通信和信号处理技术，它是组成L1的基本业务技术所必需的技术基础。

而一种L1的基本业务技术一般由几种通信系统核心技术共同来支撑。

根据使用的核心技术不同可以将未来的无线通信系统所支撑的业务定义为不同的L1业务技术，例如VoIP、广播组播系统(MBMS)等，L1业务技术可以认为是支持所有高层业务的基本技术。

L2业务可以由部分L1业务联合实现，一个L3业务范围包含不同L2业务功能。

比如：交通业务包含导航业务、基于内容的业务、定位业务等。

1．2 无线通信系统为了支撑各种类型的无线业务，无线网络已从语音、低速数据业务的窄带网络发展到了可以支撑语音、高速分组以及多媒体业务的宽带网络。

当前支撑无线高速传输的各种技术和无线网络雨后春笋大量呈现，例如支撑宽带业务的3G无线网络已经逐步成熟，人们正在从3G商用网络的应用得到无线宽带业务高速、高质量的享受；与此同时3GPP LTE的标准化已经取得巨大进展，相信在不久的未来就会出现实用的产品；另外，基于IEEE802.16协议簇的下一代无线接入互联网络也在蓬勃发展；4G也正在从理论探讨和系统仿真评估逐步走向制定标准的最终阶段。

无线系统分为两大阵营：一个是以3GPP和3GPP2为代表所支持的蜂窝移动通信系统无线接入各种规范和演进标准；另外一个是以IEEE802系列为基础的宽带无线接入标准。

其中蜂窝网主要是3GPP支持的从2G的GSM到3G标准WCDMA、TD－SCDMA，进一步从HSPA 演进至HSPA+，进而到LTE。

另一个是3GPP2所支持的从2G的IS－95技术到3G标准（或称2.5G）CDMA2000，进一步沿着EV-DO Rev.0/Rev.A/Rev.B，最终到UMB；而以IEEE802系列为基础的宽带无线接入则是WiMAX（Worldwide Interoperability for Microwave Access）演进路线。

这其中LTE拥有最多的支持者，WiMAX次之。

表1－1给出了宽带无线接入的一些比较。

表1-1 宽带无线接入技术比较1．3 业务需求和无线通信网络技术互动无线通信的发展给我们的启示是，业务需求和技术的发展是相互促进共同发展的。

也就是业务需求为技术的发展提供了动力；同时技术的发展为新的业务的引入提供了空间。

2．支持无线通信发展的新技术当前和未来对无线通信的显著要求是提供高速的数据和实时业务，也就是说人们希望在不久的将来无线网络能够提供近100Mbit/s的传输速率。

为了适应这一要求逐步提高传输速率，在无线网络发展过程中人们应用了许多先进的无线链路传输技术、无线网络管理控制技术以及组网和网络优化技术等。

2．1 先进的链路传输技术这里主要说的是未来无线通信所要采用的无线传输技术。

●OFDM技术OFDM技术采用一组正交子载波多路并行传输业务数据，系统总吞吐量是所有并行子通道数据吞吐量之和，系统既可维持发送符号周期远远大于多径时延，又能支持高速数据业务。

OFDM尤其适用于多径传播所引起的频率选择性衰落较为严重的宽频带信道上的高速数据传输，并且具备均衡简单，基于快速傅立叶变换（FFT）的低成本接收机等优点。

因此，OFDM技术在数字广播电视、宽带无线接入系统（IEEE.802.11a、IEEE.802.16等）标准中得到十分广泛的应用，其在数字移动通信系统（IMT 2000、IMT-Advanced等）中的应用也逐渐受到越来越多的关注。

➢OFDM系统的基本模型OFDM系统的基本模型如图2-1所示。

其中，上半部分为发射机链路，下半部分为接收机链路。

图2-1 OFDM 系统的基本模型发送端将待传输的信号进行数字调制（一般采用MPSK 或MQAM ），将数字信号转换成子载波幅度和相位的映射，并进行逆傅立叶变换（IDFT ），将信号的频域表达式变为时域形式。

由于IDFT 可利用IFFT （逆快速傅立叶变换）高效实现，因此，在实际的通信系统中一般都采用IFFT 。

最后，将时域形式的数字信号插入循环前缀，并进行D/A 变换经射频发射出去。

其中，插入导频的作用是为了在接受端进行同步和信道估计。

接收端进行与发送端相反的操作，将射频信号进行混频处理，然后移去循环前缀，并采用FFT （快速傅立叶变换）将其分解为频域信号，子载波的幅度和相位被采集出来并转换为数字信号。

由于FFT 和IFFT 互为反变换，且操作相似，因此可采用同一硬件来实现。

➢ OFDM 基带传输基本原理基本原理是将串行高速数据信号先转换成并行的低速子数据流，再使用相互正交的一组子载波来传输各个子数据流如图2－2所示。

OFDM 子信道的频谱是相互重叠且正交的，因此，OFDM 是一种频谱效率高的调制方式。

图2-2时频域OFDM 信号在不考虑循环前缀情况下，OFDM 的等效低通信号也可以表示为：1,0()()N i kk i k s t Xg t iT +∞-=-∞==-∑∑ （2-1）,i k X 是在第i 个OFDM 符号的第k 个子载波上传输的样值，N 是OFDM 系统的子载波数，T 为OFDM 符号间隔，也就是每个子载波上传输的单个符号的持续时间，()k g t 为各个子载波函数，表示为：2()Re ()k j f t k g t e ct T π=1[0,)Re ()0t T ct T ∈⎧=⎨⎩其它k f 是第k 个子载波的频率，,0,...,1k c kf f k N T=+=-，c f 是最低的子载波频率。

Rect(T)表示用矩形窗对各个子载波成形。

这样设定保证了各个子载波在长度为T 的时域区间上的正交性：*0(,),(,)()()Ti k g t i g t k g t g t dt <>=⎰2222Re ()()i k i kTT j j f t j f tTeect T dt edt T i k πππδ--===-⎰⎰由于这种正交性，解调器能很方便地从接收信号中解出传输符号：(1)*,,1()()i T i k k i kiT r s t g t dt X T +==⎰ ， 0,...,1k N =-假定0,c f =以N/T 的速率对式（2-1）的等效低通信号进行采样，第i 个OFDM 符号可表示为：12,012,0,()Re ()1 =N (Re ())=N () 0n N-1n N j k Ni i k Tt iT nk Nn N j k N i k k i k T x n X e ct T N X e ct T N IFFT X ππ-=+=-==≤≤∑∑即发射调制我们可以采用IFFT 来实现，可以实现上百、千个子载波并行传输，并能保证各个子载波保持正交同步。

接收端解调过程同样可采用FFT 来实现：11122,,,,0001(())()kn nk N N N j j N Ni k i i k i k i k n k n R FFT x n X e e X k n X N ππδ----======-=∑∑∑这样就用简单实用的IFFT/FFT模块实现了多载波的调制解调过程，大大简化了OFDM 系统的硬件构成。

●MIMO技术MIMO技术被认为是未来移动通信与个人通信系统实现高速率数据传输，提高传输质量的重要途径。

近几年来，对无线系统中使用多天线以及空时编码与调制技术的研究己成为无线系统中新的领域，而且在理论和实践上也日渐成熟。

当前，空时处理技术已经引入3G系统、4G系统、固定和移动IEEE 802.11协议和无线局域网IEEE 802.21协议等标准中，而且使用空时技术的专利产品也己经出现。

从理论上可以证明，如果在发射端和接收端同时使用多天线，那么这种MIMO系统的内在信道并行性必然在提高整个系统容量的同时，提高系统性能。

如果接收端可以准确地估计信道信息，并保证不同发射接收天线对之间的衰落相互独立，对于一个拥有n个发射天线和m个接收天线的系统，能达到的信道容量随着min(n，m)的增加而线性增加。

也就是说，在其他条件都相同的前提下，多天线系统的容量是单天线系统的min(n，m)倍。

因此，多天线信道容量理论的提出无疑给解决高速无线通信问题开辟了一条新的思路。

➢MIMO系统模型考虑一个点到点的MIMO通信系统，该系统包括T n个发送天线和R n个接收天线。

系统框图如图2-3所示：图2-3 MIMO 系统结构图在系统的每一个符号周期内，发送信号可以用一个1T n ⨯的列向量12[]T Ti n x x x x x =⋅⋅⋅⋅⋅⋅表示，其中ix 表示在第i 个天线上发送的数据。

通常我们假设信道是高斯分布的，因此，根据信息论，最优的信号分布也应该是高斯的。

所以x 是一个均值为零、独立同分布的高斯变量。

发送信号的协方差可以表示为{}H xx R E xx =发送信号的功率可以表示为()xx P tr R =当发送信号所占用的带宽足够小的时候，信道可以被认为是平坦的，这样，MIMO 系统的信道用一个R Tn n ⨯的复数矩阵H 描述如下式 ,其中ijh 表示从第i 个发送天线到第j 个接收天线的信道衰落系数。

111212122212T T R R R T n n n n n n h h h h h h H h h h ⎡⎤⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦接收信号和噪声可以分别用两个1R n ⨯的列向量y 和n 表示。

n 均值为0，功率为2σ。

通过这样一个线性模型，接收信号可以表示为y Hx n =+ 接收信号的功率可表示为()([])()H H xx yy tr R tr E yy tr HR H ==OFDM 与MIMO 结合OFDM 调制的MIMO 系统，或称为MIMO-OFDM 系统，综合了MIMO 高频谱效率和OFDM 简化接收机的特点，受到了广泛的重视。