下一代移动通信关键技术在高速无线局域网中的应用

摘 要:随着时代的发展,多入多出(MIMO)技术已经成为了下一代无线局域网通讯技术的关键技术之一。由于其有着广阔的发展前景,不少研究单位已经纷纷对其进行MIMO的研究。但是实际的使用过程中,多入多出总是需要一个基站(BS)同时和多个移动台(MS)进行通信,比如最常见的蜂窝系统和无线局域网(WLAN)等。下一代移动通讯技术在高速无线局域网中,已经成研究的热点,值得我们进行关注。

关键词:多入多出(MIMO) 基站

中图分类号:TP39文献标识码:A文章编号:1672-3791(2011)08(a)-0011-01

1 多用户MIMO系统概述

多输入多输出(MIMO)技术是指在发射端和接收端分别使用多个发射天线和接收天线,信号通过发射端和接收端的多个天线传送和接收,从而改善每个用户的服务质量(误比特率或数据速率)。MIMO技术对于传统的单天线系统来说,能够大大提高频谱利用率,使得系统能在有限的无线频带下传输更高速率的数据业务。

1.1 MIMO系统的信号处理

早期关于MIMO技术的研究大多数还集中在单用户点到点的环境中,而没有考虑其他用户的共信道干扰。最近,人们将研究重点逐渐转移到多用户MIMO信道中。在多用户MIMO系统的下行链路中采用空分多址(SCDMA)可以给系统吞吐量带来可观的增益。这样的多用户MIMO系统的技术难点在于如何设计发射向量以消除用户间的共信道干扰。虽然对于一般的多用户MIMO信道,这两个问题都没有闭环解决方案,但是强加某些特定的限制时可以得到闭环解决方案。最常见的包括:块对角化、逐次最优化、波束成形法以及结合空时编码来消除多用户之间的干扰。

1.2 MIMO系统多信道的容量分析

从理论上来说,高速无线局域网系统的容量域已经非常清楚,但是如何让容量域满足各种用户对传输速率的要求,仍然没有很好地解决。从结构来看,这是一个非线性优化问题,采用传统的凸优化的方法虽然可以得到解决,但是计算量会非常庞大,必须寻找简单快速的方法。但是实际网络中不同用户位于网络中的不同位置,采用相同速率加权值的做法会导致网络边缘用户的传输速率得不到保证,所以应对长期传输速率比较低的用户给予较大的速率加权值以提高该用户的传输速率。

目前,各国已开始或者计划进行新一代移动通信技术(后3G或者4G)的研究,争取在未来移动通信领域内占有一席之地。随着技术的发展,未来移动通信宽带和无线接入融合系统成为当前热门的研究课题,而MIMO系统是人们研究较多的方向之一。由于多输入多输出(MIMO)系统可以成倍地提高系统容量,实现高频谱效率,使得点对多点的多用户MIMO下行链路系统逐渐增多,但其通信性能会受到多用户、多天线造成的共信道干扰(CCI)影响,需要在收发机两端采用一些必要的信号处理技术。

但是在实际的通信场景中,移动台之间无法进行协作,而一个基站可以和多个移动台同时通信,因此可以将复杂的信号处理放在基站中完成,从而实现空分多址复用(SDMA)并消除CCI。这种在基站侧消除干扰的技术称为预编码或者预均衡技术。

2 当前高速无线局域网的研究

当前无线网络通讯主要采用无线信号进行传递网络信息,其主要的分层协议模型为:物理层、链路层、网络层等。如果保持严格的模块化,也就是说每层只与相邻层通信,则网络效率较低,甚至可能产生负面影响。为了能够更高效率的使用网络通讯,因此采用跨层传递网络技术已经逐渐被引入无线局域网中,其主要的方法就是通过网络层间的算法,处理不同协议网络的信息传递的内容,例如安全数据、服务信息,移动数据等。由于媒体接入控制(MAC)层可以分配较长的信道占用时间给调质速率较低的链路,来满足吞吐量的限制;网络层的路由协议可以重传信息,以减小高速率下的拥塞;应用层可用编码解决不同路径的分集。对于网络跨层设计来说,其核心的内容是通过找出关键层以及次要层,其中,关键层即需要重点考虑的一层,次要层是指忽略该层之后系统所产生的性能损失能够达到最小的一层。

3 MIMO在无线局域网的应用

多用户MIMO的典型应用就是多天线基站的无线通信,即多天线基站同时和多个移动台进行通信。另外,向多个移动台发送数据的多个蜂窝小区基站的协调也受到关注。

其实,许多发射终端能够合作而MIMO信道接收端却不能够协作的情形,都可以应用这种模型来分析。比如,每个用户存在线间串扰的DSL系统下行链路就是这样一种情形,基站合作的多包多接入信道,高速电路的片对片互联,以及频率选择性信道中用于多址接入的正交频率复用(OFDM)等等都可以。和蜂窝系统中的多径一样,在这些情形下,如果在发射和接收端进行适当的信号处理,串扰和衰落就能提供额外的分集度。

在多用户MIMO技术优势的驱动下,不少公司也逐渐将其推向市场。例如,Airgo Networks、ArrayComm和Vivato公司在802.11无线网络中发展了多天线技术。当与多个无线用户通信时,这种多天线接入点具备多用户MIMO的提高吞吐量、增强分集度以及减少干扰的潜力。

目前,虚拟MIMO技术已逐渐向着商品化的方向迈进。2006年10月,北电网络进行了业界首次利用虚拟MIMO技术的无线传输试验。这一技术可以帮助移动运营商大幅度增加宽带用户。对于4G运营商来说,这一技术意味着同样的投资可以换来更大的收入。2007年5月,诺基亚西门子合资公司目前已经与德国Fraunhofer电信研究所共同完成了虚拟多入多出技术(Virtual MIMO)的测试,大大提高手机数据传输速度,下一代无线高速LTE(长期演进)手机的数据上传速度能够达到108Mb/s。这些无疑都为运营商向4G移动通信技术演化提供了更加明确的途径。

4 结语

多入多出(MIMO)技术已经成为下一代无线通信系统的关键技术之一,考虑到实际系统往往是一个基站(BS)同时和多个移动台(MS)进行通信的实际情况,多用户MIMO更加贴近实际。作为多用户MIMO技术中的特例,虚拟MIMO利用协作分集,更好地解决了终端的条件限制问题,为MIMO多天线技术走向实用提供了一条新的途径,使得MIMO技术大规模商用的可能性大大增加。

参考文献

[1]Part11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) specifications ANSI/IEEE STD 802.11 1999 Edition.

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[3]佟学俭,罗涛.OFDM移动通信技术原理与应用[M].人民邮电出版社,2003,6.

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