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摘 要：本文介紹了時域均衡的單載波系統(tǒng)、多載波正交頻分復用系統(tǒng)和頻域均衡的單載波系統(tǒng)。頻域均衡單載波系統(tǒng)復雜度和性能與多載波系統(tǒng)相當，可以與多載波系統(tǒng)共存，已被IEEE 802.16建議在寬帶無線接入中采用。
關鍵詞：單載波；頻域均衡；多載波 引言
寬帶無線通信是現(xiàn)代通信技術發(fā)展的一個熱點，可實現(xiàn)通信網(wǎng)絡的“無縫”鏈接，讓人們的通信聯(lián)系不再受時間和地點的約束。無線通信從早期的模擬蜂窩網(wǎng)、當代的數(shù)字蜂窩網(wǎng)逐步過渡到未來的3G和4G系統(tǒng)，為人們提供高速可靠的無線接入，寬帶通信已經(jīng)成為無線通信技術發(fā)展的必然趨勢。IEEE 802.11為寬帶無線局域網(wǎng)(WLAN)制定了標準，而最近正在制定中的802.16則為更廣范圍的城域網(wǎng)(MAN)提供了寬帶無線接入(BWA)標準，本文介紹的正是被802.16a采用的單載波頻域均衡技術。
無線信道特性
相對于有線和衛(wèi)星信道，無線信道的信道特性是非常惡劣的，主要表現(xiàn)為多徑衰落和多普勒衰落。多徑衰落會使信號產(chǎn)生碼間干擾，接收端必須采用均衡技術來消除信道的影響。
時域均衡的單載波系統(tǒng)
單載波系統(tǒng)是一種很成熟的傳輸系統(tǒng)，當今大部分通信系統(tǒng)都屬于單載波傳輸體系。單載波系統(tǒng)一般通過訓練序列對信道響應進行估計，并通過某種自適應算法不斷更新均衡器的系數(shù)以跟蹤信道的變化。根據(jù)自適應均衡器的輸出是否被用于反饋控制，均衡技術通�？煞譃榫�性均衡和非線性均衡兩類。線性均衡器相對簡單，信道衰落不嚴重時可以較好的消除信道影響，常用的算法有迫零(ZF)算法和最小均方誤差(MMSE)算法。當無線信道多徑衰落嚴重時，信道頻域響應中會出現(xiàn)很深的“凹槽”。為了補償“凹槽”附近的幅度衰落，線性均衡器必須對該段頻譜進行放大，從而也使該頻段的噪聲增強。而非線性均衡器在這種惡劣的信道下會有較好的效果，判決反饋均衡器(DFE)是非線性均衡器中常見的一種，在實際系統(tǒng)中得到廣泛應用。近年來更復雜的最大似然序列均衡技術(MLSE)也逐漸應用于移動無線信道的均衡器中。
理論上，理想時域均衡的單載波系統(tǒng)和下面將要介紹的多載波系統(tǒng)性能是一樣的，但是受硬件資源的限制，實際的時域均衡器通常達不到最佳性能。不管是線性還是非線性均衡，傳統(tǒng)的時域均衡器復雜度都與信道的最大時延擴展成正比，而多載波的頻域均衡復雜度與信道最大時延擴展的對數(shù)成正比。均衡器成了制約單載波系統(tǒng)性能提高的“瓶頸”。在美國的數(shù)字電視地面?zhèn)鬏斚到y(tǒng)ATSC(8VSB)中，即使接收機的均衡器抽頭階數(shù)已做到了幾百階，也只能對付幾十微秒的靜態(tài)多徑，對強回波和快速變化的動態(tài)多徑仍然無能為力。
多載波系統(tǒng)
多載波正交頻分復用(OFDM)是一種并行傳輸技術，它在指定頻帶上設置K個等間隔的子載波，每個子載波被單獨調(diào)制，符號周期是同速率單載波系統(tǒng)的K倍，對符號間串擾的敏感性較單載波系統(tǒng)大大降低，從而能夠更有效的對抗多徑干擾。同時，OFDM系統(tǒng)可在各個符號間插入保護間隔來消除符號間干擾(ISI)。OFDM信號的調(diào)制和解調(diào)可采用IFFT和FFT實現(xiàn)，見圖1。
[img=218,77]file:///E:/LTE/無線信道中的單載波頻域均衡技術.files/36[1].jpg[/img]
在多徑信道下，接收信號在時域上是發(fā)送信號和信道脈沖響應的卷積，而在頻域上則是發(fā)送信號和信道頻域響應的乘積。信道的頻域響應可通過在各個符號中插入的基準電平信號(導頻)直接獲得，從而使多載波信號的均衡可通過簡單的單點均衡器來完成，這也是OFDM系統(tǒng)的一大優(yōu)點。相對單載波系統(tǒng)，多載波OFDM系統(tǒng)存在著峰平比高和對相位噪聲敏感等缺點，這要求發(fā)射機的功率放大器具有更寬的線性范圍，同時要求接收機采用相位噪聲系數(shù)更小的調(diào)諧器和其他模擬器件，從而增加了系統(tǒng)成本。
頻域均衡的單載波系統(tǒng)
為了克服單載波和多載波OFDM系統(tǒng)的缺點，近年來出現(xiàn)了一種頻域均衡單載波方案。基本的頻域均衡單載波系統(tǒng)如圖2所示。
[img=265,81]file:///E:/LTE/無線信道中的單載波頻域均衡技術.files/37-1[22].jpg[/img]
從圖1和圖2可見，多載波OFDM系統(tǒng)和頻域均衡的單載波系統(tǒng)都是靠保護間隔來消除ISI，信道估計和均衡也都是在頻域上進行的，兩者的區(qū)別僅僅在于IFFT模塊是在發(fā)射端還是接收端。在多載波OFDM系統(tǒng)中，該模塊在發(fā)射端把頻域映射后的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成時域信號，而單載波系統(tǒng)則利用IFFT把頻域上均衡完的信號變回時域。對于同樣大小的FFT模塊，兩個系統(tǒng)的復雜度是一樣的。
頻域均衡的單載波系統(tǒng)結合了多載波OFDM系統(tǒng)和常見單載波系統(tǒng)的優(yōu)點，其特點可歸結如下：
(1)與多載波系統(tǒng)相比，降低了峰平比和對相位噪聲的敏感性，降低了功率放大器等模擬器件的成本，可以利用單載波成熟的射頻技術。
(2)與單載波系統(tǒng)相比，抗多徑能力增強(與多載波性能相當)，而均衡器復雜度大大降低。
[img=261,46]file:///E:/LTE/無線信道中的單載波頻域均衡技術.files/37-2[21].jpg[/img]
對于采用線性均衡方法的單載波頻域均衡系統(tǒng)，為了進一步提高系統(tǒng)性能，還可以對上述頻域均衡后的信號再進行帶判決反饋的時域均衡，如圖3所示。
頻域均衡單載波系統(tǒng)的應用
頻域均衡單載波和多載波OFDM系統(tǒng)在系統(tǒng)結構上的相近為兩種系統(tǒng)共存創(chuàng)造了條件。通過“軟切換”IFFT模塊的位置，同一套系統(tǒng)可以發(fā)射接收單載波和多載波OFDM信號。再考慮到頻域均衡單載波系統(tǒng)收發(fā)兩端實現(xiàn)復雜度的非對稱性，可以設計圖4所示的無線寬帶雙向傳輸系統(tǒng)。
[img=271,91]file:///E:/LTE/無線信道中的單載波頻域均衡技術.files/37-3[12].jpg[/img]
在圖4中，基站由一個多載波OFDM發(fā)射機和一個單載波接收機組成，包括兩個IFFT和一個FFT模塊，而客戶端則為一個多載波OFDM接收機和一個單載波發(fā)射機，只包含有一個FFT模塊。這樣的系統(tǒng)結構把IFFT、FFT等復雜度高、功耗大的模塊盡量放在了基站，降低了客戶端的硬件復雜度和功耗。另一方面，由于客戶端是單載波發(fā)射的，發(fā)射信號峰平比小，從而可以采用低成本功率放大器。
仿真比較
為了測試頻域均衡單載波系統(tǒng)的性能，比較仿真了其在多徑信道下的誤比特率(BER)，結果如圖5所示。所選的信道為SUI-5[1]，是被IEEE 802.16采用的測試寬帶無線系統(tǒng)的6種信道之一。該信道中最大的時延擴展是10μs，共有三條徑，延時分別為0、5μs和10μs，三條徑的幅值分別為0dB、-5dB和-10dB。假設該信道是慢衰落的。圖5所示分別是QPSK和16QAM單載波頻域均衡和OFDM性能曲線。數(shù)據(jù)進行了碼率為1/2、約束長度為7的卷積編碼，編碼后經(jīng)比特交織映射到QAM星座上。每個FFT和IFFT包括了512個點，單載波的訓練序列長度為64點，OFDM的導頻也是64點。譯碼采用軟判決維特比譯碼。
[img=227,145]file:///E:/LTE/無線信道中的單載波頻域均衡技術.files/37-4[5].jpg[/img]
圖5中，SC-LINEAR、SC-MUX和OFDM分別是頻域線性均衡的單載波系統(tǒng)、頻域線性時域一階反饋混合均衡的單載波系統(tǒng)和信道估計采用線性插值的多載波系統(tǒng)的誤碼率曲線�？梢钥闯�，由于多徑衰落信道下判決反饋均衡優(yōu)于線性均衡，故SC-MUX性能優(yōu)于SC-LINEAR。這里OFDM信道估計采用了簡單的線性插值，而未采用更復雜的維納插值，故性能稍遜于SC-MUX。
結論
本文介紹了一種頻域均衡的單載波系統(tǒng)。在與現(xiàn)有的時域均衡單載波和多載波OFDM系統(tǒng)比較的基礎上，指出其復雜度和性能與多載波等效，并可與多載波OFDM系統(tǒng)共存，仿真結果表明其性能良好。頻域均衡單載波系統(tǒng)與多載波OFDM一起已被802.16a標準采用作為新一代寬帶無線接入網(wǎng)的候選標準，今后必將受到越來越廣泛的重視。
參考文獻：
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2 D. Falconer, D. Shani, M. Ran, V. Arat,"Draft Document for SC-DFE PHY Layer System for Sub 11 GHz BWA", IEEE 802.16.3c-01-58r2, May. 17, 2001
3 A. Milewski, "Periodic Sequences with Optimal Properties for Channel Estimation and Fast Start-up Equalization", IBM J. Res. And Development, Sept. 1983, pp. 426-431.
4 John G. Proakis. 數(shù)字通信(第三版).電子工業(yè)出版社，1998
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