蜂窝通信技术的新发展
蜂窝通信技术的新发展
摘要：蜂窝通信技术的飞速发展，让我们的生活更紧密，第三代移动通信技术给我们带来的多媒体资源服务，丰富了我们的生活。本文介绍了蜂窝通信技术的发展概况，第三代的技术应用，OFDM技术和MIMO技术在蜂窝通信中的新应用。
关键字：蜂窝 通信 技术 发展
1蜂窝通信技术的反展概况
蜂窝移动通信是采用蜂窝无线组网方式，在终端和网络设备之间通过无线通道连接起来，进而实现用户在活动中可相互通信。其主要特征是终端的移动性，并具有越区切换和跨本地网自动漫游功能。蜂窝移动通信业务是指经过由基站子系统和移动交换子系统等设备组成蜂窝移动通信网提供的话音、数据、视频图像等业务。蜂窝移动通信业务包括：900/1800MHz GSM第二代数字蜂窝移动通信业务、800MHz CDMA第二代数字蜂窝移动通信业务、第三代数字蜂窝移动通信业务。蜂窝移动通信已成为世界范围内的一项非凡成功之作，其发展如此迅速以致业务需求远远超过了原先的预测。蜂窝通信的基本技术有宏蜂窝技术，微蜂窝技术，智能蜂窝技术等等，蜂窝通信的发展，让我们接触到更多的新技术和新应用。
今天我们进入了第三代移动通信的商用时代，3G给我们带来的是全新的功能应用和提升，而带来第三代移动通信系统天翻地覆变化的当然是第三代移动通信中所采用的多种高新技术，这些高新技术是第三代移动通信系统的精髓，也是制订第三代移动通信系统标准的基础。这些技术包括：智能天线技术，智能天线技术是中国标准TD-SDMA中的重要技术之一，是基于自适应天线原理的一种适合于第三代移动通信系统的新技术；WAP技术，WAP（Wireless Application Protocol，无线应用协议）已经成为数字移动电话和其他无线终端上无线信息和电话服务的实际世界标准；快速无线IP技术，快速无线IP（Wireless IP，无线互联网）技术将是未来移动通信发展的重点，宽频带多媒体业务是最终用户的基本要求；多载波技术，多载波MC-CDMA是第三代移动通信系统中使用的一种新技术。多载波CDMA技术早在1993年的PIMRC会议上就被提出来了；多用户检测技术，CDMA系统中，由于码间不正交，会引起多址干扰（MAI），而多址干扰将会限制系统容量，为了消除多址干扰影响，人们提出了利用其他用户的已知信息去消除多址干扰的多用户检测技术。
2.回溯算法的蜂窝通信系统最优信道分配
随着蜂窝通信技术的发展，有限的可用频谱成为蜂窝系统容量的主要限制因素，因此 良好的信道分配显得尤为重要。所谓信道分配问题，就是用尽可能少的信道数，满足蜂窝小区的话务需求和电磁兼容限制，对各小区进行信道分配。信道分配方式主要分为静态信道分配、动态信道分配和混合信道分配。本文针对静态分配方式进行讨论。
2.1信道分配问题的描述
对于蜂窝通信系统 ，数学上通常采用距离集 d =( d0，d1…) 或频率集k=(k1，k 2 )来描述小区基站分配到的信道需要满足的条件。di指的是使用信道间隔为i的两个基站之间的最短距离,ki指的是小于等于i个单位距离的两个基站使用的信道的最小间隔数。
在这里，仅考虑单一需求的信道分配问题 。 所谓单一需求，指每个基站只分配一个信道。在现实通信中,干扰信号随距离 的增大迅速衰减， 因此，我们可以只讨论k=(k1，k 2 ) 的情况。
先考虑只有有限个基站的蜂窝通信系统的信道分配，根据蜂窝式网络图的特点,可以建立如图1所示的坐标。
说明：设P为网络中任一六边形中心 ， 其坐标为(x，y)，x表示沿X轴正方向P到Y轴的距离，y表示沿Y轴正方向P到X轴的距离。距离用六边形的边长倍数来表示。
2.2算法设计
2.2.1回溯算法简介
回溯算法是以深度优先的方式系统地搜索问题的解的算法，有“通用的解题法”之称。它可以系统地搜索一个问题的所有解或任一解， 适用于解一些组合数较大的问题。它的基本思想是：为了求得问题的解， 先选择某一种可能情况向前探索，在探索过程中， 一旦发现原来的选择是错误的，就退回一步重新选择，继续 向前探索，如此反复进行，直至得到解或证明无解。
2.2.2算法实现
首先，为了安排搜索的顺序 ， 需要对蜂窝系统总共 n个六边形中任意两个不同点 A(x , y ) 和B(x , y ) 进行排序 ： 如果x ﹤ x ，认为 A在 B之前 ； 如果x = x ，而y ﹤ y ， 认为A在 B之前。顺序号用变量m表示。
设w为某一蜂窝通信系统利用的信道宽度，可以将w从一个足够小的值开始检测 。当搜索到最优解时，则按顺序输出系统中所有六边形的信道号 ； 如果在某一 W值下没有最优解，则将 W值加1，继续搜索，依此类推，直到找到符合要求的最小的w下的最优解,最后输出信道号。一个足够小的值开始检测。当搜索到最优解时，则按顺序输出系统中所有六边形的信道号；如果在某一w值下没有最优解则将w值加1，继续搜索，依此类推，直到找到符合要求的最小的w下的最优解，最后输出信道号。
当有限基站个数足够多时，我们可以找到其中信道排列的规律，并因此得到无限蜂窝通信系统的信道分配方式。
通过回溯算法可以得到k= (k ,k )蜂窝通信系统的最优解，对充分利用有限的频谱资源十分有利，而且可扩展性强，容易开发系统化的蜂窝通信规划软件。采用回溯算法的缺点是流程比较复杂，编程存在一定难度，尤其是考虑多级干扰时，算法流程较为繁琐。
2.3 OFDM技术在蜂窝通信系统中的应用
现代通信技术的发展正在使人类进入一个新的信息化时代。移动无线应用早已经渗透到现代生活之中。 而OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交频分复用)是无线传播环境中的典型代表。其基本思想是将信号流划分成多路子数据流，再去并行调制多路载波，其子载波的频谱虽然重叠但保持了良好的正交性。
关于OF D M在蜂窝系统中应用的研究始于90年代。迄今为止，蜂窝系统中的OFDM技术主要分为两类:TDMA—OFDM和CDMA—OFDM。基于TDMA模式的OFDM接入方式(被称为OFDMA) 曾入选3G的空中接口侯选方案。CDMA—OFDMR即多载波CDMA， 是一种当前非常有竞争力的传输方式。OFDM技术由于其抗时延弥散和抗多径衰落的技术优势和简单结构的易实现性而成为新一代无线接入方式中的佼佼者。
2.3.1 OFDM技术的原理
OFDM技术有极高的频谱效率，并具有抗多径衰落、硬件实现简单等优点，因此已被公认为LTE及4G系统的核心技术。形成OFDM信号的信号源一般使用PSK调制或QAM调制。信号可表示为同相分量和正交分量。 将串行输入的信号流拆分成N路并行信号，用每一路子信号调制一路子载波。 最后，将N路调制信号叠加起来发送出去。接收机的步骤基本上是发射的逆过程。但由于数字信号处理技术和集成电路技术的发展， 现在实际上的应用方式并不是在发射端产生数 目众多的载波(这样做使得发射机的成本昂贵且复杂)，而是使用离散傅立叶变换(DFT) 来代替多载波的调制。
最后，OFDM码元经过串并变换，再经过适当的滤波和调制后发送出去。发送的OFDM信号经过信道传输到达接收端。发送的信号无疑要受到信道的影响(相当于发送信号与信道的冲激响应的卷积)。又因为连续时问的信号的卷积等效于信号的频谱的乘积(这个定理在离散情况下，当序列长度N无限大时或信号中至少有一个是周期信号时也是成立的)。故接收端得到的信号是OFDM信号的频域响应乘以传输信道的频域响应。
2.3.2 OFDM在蜂窝通信中的应用
OFDM在移动蜂窝通信系统上的应用，除了TDMA—OFDM方案之外，OFDM与CDMA的结合——多载波CDMA更引人注目。在无线信道中，以较低的误码率传输高速数据的能力受到由多径干扰和移动信道所造成的频率选择性衰落的严重影响。 O F D M和c DMA 蜂窝通信技术的结合(又称作多载波CDMA)较好的解决了这些问题。
2.2.1 OFDMA的空中接口特征
OFDMA指的是FMAl中基于OFDM的空中接口方案。它采用了慢跳频技术(slow freque ncy hopping)，可以支持灵活的子载波分配方案(Sub—carrier Allocation )。如果信号带宽大干相干带宽，则信号经历平衰落，相邻的子载波相关性较高，所以可以将相邻子载波划分为组 (group)，从而使频率资源分配简单化，如果信号带宽小于相干带宽(由于移动信道的多谱勒频移所引起)，则信号经历频率选择性衰落，但将整个信道划分为子信道后，合理选择信号的速率分配，可以确保在子信道上经历平坦衰落( 虽然每个子信道上的平衰落都不一样)。在这一情况下，可利用频率分集的原理来分配子载波。
2.3.3 OFDM的均衡与估计
简单的均衡器结构是OFDM的突出优点之一。由于OFDM在每个子信道上经历的是平坦衰落，所以可以方便的对各个子信道进行频域均衡。通常，一阶抽头滤波器结构的均衡器就可以满足要求。导频信息是以特定的载波和特定的时隙来发送的，并且其发送功率高于一般数据信息的发送功率。基于均方误差准则的信道估计革元实际上是一个二维的维纳滤波器。高速率传输和低误码率性能要求信道估计单元结构简单且精确度好。
应当指出的是，这两者实际上是相互矛盾的。精确度高的信道估计单元，如二维的维纳滤波，通常其计算复杂度也较高为此，在应用时引入可分离滤波器(Separable filter)。另一种折中的办法是在估计单元中采用DFT变换，但这种办法的性能有待提高，常常产生不可约的溢出错误。
在蜂窝环境中引入OF D M技术有较好的灵活性，每一个发射机和接收机都可以选用一个小区内的所有载波，而且容易均衡，OFDM码元宽度大于信道的时延扩展，对每个子信道上所经受的平坦衰落可使用一阶均衡器，简单的接收机结构。基于这些优点，关于OFDM在蜂窝系统中的应用，技术优势明显，有望在将来的移动通信系统中占据主流地位。
3 MIMO技术
3.1 MIMO技术应用原理
多输入／多输出（Multiple—Input Multiple—Output，MI MO)技术因其能够大大提高系统容量和频谱利用率，使系统能在有限的频谱资源下传输更高速率的数据业务而得到广泛关注，是下一代移动通信的关键技术之一。然而MIMO系统的主要缺点是部署多根天线而导致的高复杂度以及高成本。在蜂窝环境中，这个缺点在基站端还能够克服，但在用户端将变得尤为棘手，成为MIMO在上行应用的一个瓶颈。这是由于一般要求用户设备具有复杂度低、体积小、成本低、功耗低等特点，特别是对手持用户设备来说。正是由于以上这些原因，在3 G以及B3G／4G移动通信的初期，大部分用户还是使用只有一根天线f 或者有多根天线，但只有一个RF模块) 的设备。而且，即使到4G阶段，对设备更小更轻的普遍期望和需求，用户端的天线数量仍受到限制，因此MIMO的优势还是不能完全发挥。
为了解决上述矛盾，一般有两种解决方案：一种就是天线选择技术(AS)，另外一种方案就是组成虚拟 MI MO（VMIMO)进行合作传输。天线选择技术通过使RF模块的个数小于实际的天线数，把无线射频（RF)模块在性能较好的天线之间切换，从而获得空间分集增益。而上行虚拟MIMO技术，就是让只有一根天线的两个或者多个用户设备(UE)在同个资源块上传输独立的数据，这样发射端看起来有多根天线，同时如果假定基站端有多根接收天线，则在上行构建了虚拟MIMO的传输方式。可见，天线选择技术和虚拟MI MO技术可以在不增加终端的复杂度和成本的前提下，达到相当于多天线的性能，从而被广泛用于上行通信系统中。但目前为止，这两种技术都是被分开应用于系统中，还未有文献提出将这两种技术结合起来应用。实际上，这两种技术应 该是互补而不是互相矛盾 排斥 的关系 。因此本文提 出将这两种技术结合起来，将天线选择技术应用在虚拟MIMO系统中( 本文中称为 VMI MO— AS系统) ，从而使两者的优势都得以发挥。
当在虚拟MIMO中结合了天线选择技术，用户配对变得更加复杂。由于需要考虑配对用户的信道特性( 比如选择具有正交信道的两个用户) ，每个UE总是选择其最好的一根天线组成虚拟 MI MO并不一定能确保所组成的虚拟MIMO系统性能最佳。基站需要遵循一定的准则进行用户配对，比如正交准则，选择具有正交信道的两个用户组成虚拟MIM0， 以较好获得多用户分集增益。除此以外，基站调度时还需要考虑其他的准则，但具体采用何种准则取决于系统设计者偏重的目标：是为了最大化系统吞吐量，确保用户间最公平，或者是两者的一种折中，比如比例公平调度算法。目前针对虚拟MIMO的用户配对算法还未涉及天线选择技术。本文主要研究了结合天线选择技术的虚拟MIMO系统中的用户配对算法。
4.结语
科技是日新月异的，过去10年，蜂窝通信技术有了飞速的发展，时间不会让发展速度停下来，让我们期待蜂窝技术发展的明天。相信，我们将能享受更方便完美的无线通信服务，不再受局限于干扰，让我们的生活更紧密，实现人与人之间的“无距离”。
