MIMO技术

含码字，层映射，天线端口，预编码，PMI，rank，TM模式，波束赋形，空间复用，空间分集，等内容

一般提高网速的路径有很多，其中之一是：增加带宽

 路径之二：MIMO技术郑仿芦

    此处的多天线，并不是指有多个天线板

    例如对于下图中，一套天线板有两套振子（双极化），就可以看成两套天线

1、有效提高信道容量 

2、有效提大笑高频谱利用率 

3、不需要使用额外的频谱资源以及增加发射功率

空间分集、空间复喊带用、波束赋形、空分多址（仍停留于纸面上）

（1）空间分集

（2）空间复用

RANK：

（3）波束赋形

天线的要求：

波束赋形简单原理：

另外，波束赋形里面使用多波束，也可以发射不同的数据，这就类似于空间复用的效果，实现速率翻倍

此前讲述的都是在天线发射及手机接收这一阶段的，下面是天线发射前的阶段

码字（code words, CW）：即信道编码

层：主要是 空间分集 的作用

天线端口：主要是 空间复用 的作用

预编码：将层的数据映射到端口，将层的数据与端口作对应

多天线传输系统和基站的天线配置情况密不可分，想要实现特定的MIMO传输工作方式，需要合理的基站侧天线配置。下面对主要的MIMO工作方案对天线配置的要求进行简要介绍。

–发射分集技术要求至少在发射端有较低的空间相关性握渗，因此在天线配置时至少要求在发射端使用正交的极化天线或有足够空间间隔的多个非级化天线，例如可以采用DIV（Diversity）或CLA（ClusterLinearArray）类型的清滚天线配置。DIV天线阵列使用多个单极化阵子，彼此间有较大空间隔离（如4个波长）。CLA天线阵列中的阵子对的间距虽然很小（如0.5个波长），但是每个阵子对内是两个交叉极化阵子，通过使用这两个正交的极化阵子可以保证较低的空间相关性。

–空间复用技术要求在发射端和接收端都有较低的空间相关性，因此在天线配置时，在发射端可以使用正交的极化天线或有足够空间间隔的多个非级化天线，可以采用DIV或CLA类型的天线配置。

–波束赋形技术要求答皮余在发射端有较高的空间相关性，因此在天线配置时在发射端需要使用较小的天线间距，例如使用CLA和ULA（UniformLinearArray）类型的天线。CLA的阵子间距较小，可以使用相同极化方向的不同阵子实现波束赋形效果。ULA类型的天线由排列非常紧密的单极化阵子构成，所以非常适合波束赋形 *** 作。

–MU-MIMO技术也要求在发射端有较高的空间相关性，所以一般可以使用ULA或CLA类型的天线。

4G移动通信系统研究进展与关键技术

刘伟 丁志杰 北京理工大学电子工程系

摘要 本文概要介绍了第四代移动通信系统的最新研究进展。文中详细讨论了4G系统的主要技术特点、主要技术目标，重点讨论了4G系统中可能采用的有关关键技术。

关键词 移动通信系统 4G系统 空中接口

1 概述

第四代（4G）移动通信系统与技术是目前移动通信领域的研究热点。第三代（3G）移动通信系统从2001年起先后在日本和韩国投入商用，但目前大多数国家运营的仍然是2G或2.5G的移动通信系统。我国运营的移动通信系统主要是2G的GSM和CDMA。目前用户对移动通信系统的速率要求越来越高，而3G系统实际所能提供的最高速率也只有384kbps（虽然标称最高速率为2Mbps），不能满足用亏弊户的实际需求，因此在3G系统还没有大规模投入商用的情况下，国内外移动通信领域的专家已经在进行4G系统的研究和开发工作。

90年代早期欧洲就开始4G移动通信系统的研究，其目标速率是100Mbps, 预期在2010左右投入商用。日本在2000年成立了一个特别委员会，领导日本的有关政府部门、大学研究机构和工业部门，从事4G系统的研究工作和制定4G 的有关标准。日本NTT的DoCoMo公司已经于2002年成功研制出一个包含移动终端和基站的4G空中接口实验系统，并在该系统上成功地进行了有关的传输和实验。

目前全球范围内有多个组织正在进行4G 系统的研究和标准化工作，如IPv6 论坛、SDR 论坛、3GPP、无线世界研究论坛（the Wireless World Research Forum）、IETF(The Internet Engineering Task Force)和MWIF(the Mobile Wireless Internet Forum )等。一些全球著名的移动通信设备厂商也在进行4G的研究和开发工作。AT&&T已经开发了名为4G接入的实验网络。NORTEL正进行软件无线电功率放大器技术的州洞研究，而HP实验室正在进行4G 网络上传输多媒体内容的相关研究。Ericsson在加州大学投入了1000万美元从事下一代CDMA和4G移动通信技术的研究。

按照目前的研究成果和专家的预测，4G 系统将会在2010年以后投入商业运营，最高下行速率将达到100Mbps。ITU-R 的WP8F工作组也估计下一代移动通信系统将在2010年左右投入商业运营。

2 4G系统的技术目标和特点

4G系统总的技术目标和特点可以概括为：同3G等已有的数字移动通信系统相比，4G系统应具有更高的数据率、更好的业务质量（QoS）、更高的频谱利用率、更高的安全性、更高的智能性、更高的传输质量、更高的灵活性；4G系统应能支持非对称性业务，并能支持多种业务；4G系统应体现移动与无线接入网和IP网络不断融合的发展趋势，因此4G系统应当是一个全IP的网络。下面是一些具体的技术目标和特点。

2.1 4G系统的容量

4G系统的容量至少为3G系统的10 倍。4G系统下行信道的最高速率将达100Mbps, 因此移动终端下载文件的速度将比3G系统快得多。4G系统也可把高清晰度的视频图像实时地传送给移动终端用户，从而使用户产生身临其境的感觉。

为了适应数据和多媒体业务不断增长的需求，4G系统自然应具有更高的容量，但所能分给4G系统的频谱仍然是有限的，因此4G系统的频谱效率应当为3G系统的5到10倍。

4G系统目册空枯标速率为：对于大范围高速移动用户（250km/h），数据速率为2Mbps对于中速移动用户（60km/h），数据速率为20Mbps对于低速移动用户（室内或步行者），数据速率为100Mbps。

2.2 4G系统是一个无缝网

4G系统应能实现全球范围内多个移动网络和无线网络间的无缝漫游。无线通信领域的一个发展趋势是移动网络和无线接入网络的融合。4G系统应当是一个移动网络和无线接入网的融合体，它应能实现与无线LAN 的无缝连接。

4G的无缝特性，包含系统、业务和覆盖等多方面的无缝性。系统的无缝性指的是用户既能在WLAN中使用，也能在蜂窝系统中使用；业务的无缝性指的是对话音、数据和图像的无缝性；而覆盖的无缝性则指4G系统应该能向全球提供业务。因此4G系统应当是一个综合系统，蜂窝部分提供广域移动性，而WLAN提供热点地区的高速业务，同时也应当包含家庭和办公室的个人LAN。

2.3 4G系统应具有良好的覆盖性能

4G系统应具有良好的覆盖性，并能提供高速可变速率传输。对于室内环境，由于要提供高速传输，因此小区的半径更小。

2.4 4G系统应当是一个基于IP的网络

4G应当是一个基于IP的移动网络，所以有些文献把4G系统称为“基于IP的第四代无线网络”（the Fourth Generation IP-based wireless network）。全IP 的4G网络同已有的移动网络相比具有根本性的优点。IP与实际所采用的各种无线接入方式是兼容的，并且与具体采用的无线接入方式是独立的，采用IP后，所采用的无线接入方式和协议与核心网络（CN）协议、链路层是分离独立的。IP与多种无线接入协议相兼容，因此在设计核心网络时就具有很大的灵活性，而不需要去考虑无线接入究竟采用何种方式和协议。一个采用IP的核心网络可以采用多种无线接入方式，比如IEEE 802.11、WCDMA、Bluetooth、HyperLAN等。全IP的核心网可以与无线接入方式独立地发展。4G系统将会采用Ipv6。Ipv6将能在IP网络上实现话音和多媒体业务。

2.5 4G系统将能实现不同QoS的业务

4G系统通过动态带宽分配和调节发射功率来提供不同质量的业务。

3 4G与3G的主要技术参数比较

4 4G系统的关键技术

4G 系统的有关关键技术为：宽带接受机、智能天线、空时编码、高性能的功率放大器、先进的调制解调技术、高性能的RF收发信机和多用户检测等。

4.1 无线接入方式与多址方案

在FDMA、TDMA、CDMA和OFDM等多址方式中，OFDM是4G系统最为合适的多址方案，从目前的研究进展来看，OFDM也是将来4G系统最有可能采用的多址方式。OFDM的主要优点有：各个信号间不会相互干扰；对多径衰落和多普勒频移不敏感；用户间和相邻小区间无干扰；可实现低成本的单波段接收机等。OFDM的主要缺点是功率效率不高。

日本NTT DoCoMo提出的4G移动系统方案的无线接入方式为：VSF-OFCDM。VSF 表示可变扩频因子（variable spreading factor），而OFCDM则表示正交频分与码分复用（orthogonal frequency and code division multiplexing）。VSF-OFCDM 属于多载波CDMA（MC-CDMA），这种无线接入方式可以提高频谱利用率，并且不受多径干扰的影响。

VSF-OFCDM实际上也是CDMA, 因此同一般的CDMA移动通信系统一样，频率可以在所有的小区中重复使用。由于VSF-OFCDM采用了可变扩频因子，因此通过改变扩频因子，可应用于高密度业务区和一般业务区。

NTT DoCoMo 已经于2002年10月成功进行了4G系统的有关试验。采用他们研制的4G移动通信试验系统，在室内环境成功进行了上行20Mbps，下行100Mbps的传输试验。

4.2 调制与编码

4G系统将会采用多载波调制（MCM）技术。4G系统可能会采用两种形式的MCM:多载波码分多址（MC-CDMA）和正交频分复用时分多址（OFDM-TDMA）

一般MC-CDMA采用QPSK调制，而OFDM-TDMA采用高电平调制，如M-QAM(M从4 到256)。对于M-QAM,为了提高系统的性能，一般认为需要采用自适应调制，按照实际测量的参数来确定QAM 的电平数和符号速率。

NTT DoCoMo的4G移动通信系统的基本调制方案为QPSK，相应的数据传输速率为103.68Mbps。当采用64-QAM调制时，数据速率高达331.776Mbps（相应的扩频因子为1）。

4G移动通信系统将采用更高级的信道编码方案，如Turbo码、级连码和LDPC等，从而在极低的Eb/N0下保证足够的性能。NTT DoCoMo的4G实验系统信道编码采用TURBO码。

4.3 无线链路增强技术

可以提高容量和覆盖的无线链路增强技术有：分集技术，如通过空间分集、时间分集（信道编码）、频率分集和极化分集等方法来获得最好的分集性能；多天线技术，如采用2或4 天线来实现发射分集，或者采用多输入多输出（MIMO）技术来实现发射和接受分集。

4.4 高效的频谱使用方案

提高频谱效率的方法有：使用3GHz以上的频段，由于可以使用的带宽更宽，因此将具有更高的传输容量。3G系统的频谱效率只有2 bps/Hz，而4G系统的频谱效率应达到5 bps/Hz。

4.5 基于IP的核心网

3G系统不是基于IP的，如CDMA2000基于ANSI-41，而WCDMA基于GSM-MAP。4G系统应当是一个全IP的网络。采用全IP 的优点有：可以实现不同网络间的无缝互连；全IP也是一种低成本的集成目前网络的方法。4G系统的核心网是一个基于全IP的网络，因此核心网独立于各种具体的无线接入方案，能提供端到端的IP业务，能同已有的核心网和PSTN共存。要实现全IP的核心网有许多问题需要解决，如鉴权、计费等；核心网应具有开放的结构，从而能允许各种空中接口接入核心网；同时核心网应把业务、控制和传输等分开。

4.6 软件无线电（SDR）技术

软件无线电技术将会在4G系统得到应用。软件无线电使得系统具有灵活性和适应性，能够适应不同的网络和空中接口。软件无线电技术能支持采用不同空中接口的多模式手机和基站，能实现各种应用的可变QoS。软件无线电技术有助于不同标准和系统的融合。软件无线电在4G中的可能应用为：采用软件无线电实现的基站可同时为多个网络服务；当终端移动时，可重新配置，如当移动终端移动到一个采用不同标准的移动系统中时，终端可按照该系统的标准重新自动配置该终端，从而该终端可获得服务。

采用软件无线电技术实现的移动终端或BS将采用模块化的结构，主要由天线模块、LNA模块、功率放大器模块、ADC\DAC模块、DSP模块和多媒体模块等组成。软件无线电中RF和基带器件都应当是可编程的。

4.7 高性能的接收机

4G系统对接收机提出了特别高的要求。我们知道Shannon定理指出了在带宽为BW的信道中实现容量为C的可靠传输所需要的最小SNR。按照Shannon定理，我们可以计算出，对于3G系统如果信道带宽为5MHz，而数据速率为2Mbps，则所需的SNR 为1.2 dB；而对于4G系统，要在5MHz的带宽上传输20Mbps的数据，则所需要的SNR为12dB。可见对于4G系统，由于速率很高，因此对接收机的性能要求也要高得多。

4.8 智能天线与MIMO技术

智能天线和MIMO技术可以降低多址干扰，实现空间分集，因此将会在4G系统中得到应用。图一左端为一个智能天线示意图，基站对各个用户可形成一个定向波束，因此既可降低来自小区内其它用户的多址干扰，也可降低对基站发射功率的要求。

4.9 多用户检测技术

随着多用户检测技术的不断发展，多用户检测器将会在4G系统的基站和终端中得到应用。多用户检测器可以提高系统的容量，因此将是4G系统必然采用的技术。随着多用户检测器研究的不断深入，各种高性能但算法不是特别复杂的多用户检测器算法不断提出来，因此在实际系统中采用多用户检测技术将是切实可行的。

参 考 文 献

[1] Young Kyun Kim.“new technological and standards toward beyond 3G”. cic 2002 . seoul，korea.

[2] Christian prehofer.“technologies for future mobile networks”, cic 2002, seoul, korea

[3] tatsuro masamura.“towards 4th generation mobile communications”. cic2002，seoul，korea.

[4] Rahim Tafazolli.“why we need 4G!”. 2001 Workshop on multiradio multimedia communications.

[5] v. kumar.“wireless communications beyond 3G”. Alcatel Telecommunications Review, 2002

[6] http://www.motorola.com. “beyond 3G”.

[7] http://dis.cnu.ac.kr/download/John-Beyond_3G.pdf

[8] http://www.fraunhofer.de/english/publications/df/df2002/magazine2-2002-26.pdf .

----《中国数据通信》

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