超高頻譜利用效率技術(shù)UNB

我國(guó)“863”及新一代寬帶無(wú)線移動(dòng)通信目標(biāo)均為支持未來(lái)寬帶泛在網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的明顯例子，包括融合WPAN/WBAN最新進(jìn)展于一體的LTE/LTE+/WiMAXR.1.5/R2.0，以及今年2月MWC大會(huì)重點(diǎn)突出的全球?qū)拵�無(wú)線移動(dòng)通信系統(tǒng)軟硬件及終端與應(yīng)用最新進(jìn)展，無(wú)一不反映了未來(lái)目標(biāo)寬帶泛在網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的特點(diǎn)。

超高頻譜利用效率的意義

隨著全球社會(huì)向?qū)拵Х涸诙嗝襟w時(shí)代邁進(jìn)，3000GHz甚至1000GHz以下的全移動(dòng)頻譜資源爭(zhēng)奪與有效利用矛盾顯得愈來(lái)愈突出。針對(duì)一些未被有放利用的所謂白色信道頻譜（WhiteSpace），業(yè)界可利用頻譜感知的認(rèn)知無(wú)線電CR技術(shù)將這些頻譜及時(shí)收回“頻譜池”中，借助動(dòng)態(tài)頻譜管理DF(S)M技術(shù)進(jìn)行及時(shí)的動(dòng)態(tài)調(diào)度有效利用，但其技術(shù)復(fù)雜性與難度及監(jiān)管挑戰(zhàn)性極大；另一種方式是進(jìn)一步借助較簡(jiǎn)單的提高頻譜利用效率的途徑充分有放利用這些分散的白色頻譜。

目前，借助高狀態(tài)調(diào)制/編碼技術(shù)及MINO-STFC等先進(jìn)技術(shù)在LTE/LTE+/WiMAX/IMT-Advanced等系統(tǒng)中所能達(dá)到的可行頻譜利用效率僅為16～18bit/s/Hz左右，想要獲得頻譜利用效率為20～30bit/s/Hz乃至50～90bit/s/Hz的超高頻譜利用，一直是通信界長(zhǎng)久追求的目標(biāo)，并有巨大現(xiàn)實(shí)意義與戰(zhàn)略價(jià)值。

對(duì)此，UNB這一超窄帶枝術(shù)似乎提供了一線希望。

UNB對(duì)頻譜利用效率的革命性改善

使頻譜實(shí)現(xiàn)有效利用，通常是通過(guò)提高調(diào)制狀態(tài)數(shù)的M-PSK/M-QAM/M-CPM等典型調(diào)制方式實(shí)現(xiàn)。此時(shí)的功率增益對(duì)這些多狀態(tài)調(diào)制往往要隨調(diào)制狀態(tài)數(shù)上升而作相應(yīng)犧牲，必須靠編碼/級(jí)聯(lián)碼編碼和/或相應(yīng)編碼調(diào)制獲得補(bǔ)償或得到一定程度的改進(jìn)，而且往往以增加復(fù)雜性或牲犧時(shí)延等其它QoS指標(biāo)為代價(jià)。

超窄帶UNB基于調(diào)制方式為大幅度改進(jìn)頻譜使用效率提供了新的途徑。采用VMSK（甚小偏移(邊帶)鍵控）或VWDK（甚小波形差鍵控）方式，能夠以簡(jiǎn)單的方式使頻譜利用效率超越傳統(tǒng)極限得以較大幅度提高，同時(shí)在未編碼狀態(tài)下即可取得較好的功率增益。

目前業(yè)界采用單一調(diào)制取得高頻譜效率，為取得指定誤碼率及控制好其抵抗線性/非線性波形失真及固定惡化，需要付出沉重的補(bǔ)償其功率增益損失方面的代價(jià)，除非再附加天線極化/方向圖/空間分集/編碼或編碼調(diào)制/自適應(yīng)信號(hào)處理等一系列措施。一般情況下，要達(dá)到15bit/s/Hz頻譜效率而功率處理又可達(dá)到實(shí)際可操作的程度，實(shí)現(xiàn)起來(lái)極為困難。

而且，欲達(dá)到100bit/s/Hz頻譜效率，所需Eb/No約需281dB之巨，這在可預(yù)見的時(shí)間內(nèi)無(wú)法現(xiàn)實(shí)。

而根據(jù)業(yè)界一些進(jìn)展報(bào)告稱，VMSK已經(jīng)可以在30kHz帶寬內(nèi)有效傳輸速率為T1（即1.544Mbit/s）的數(shù)據(jù)，從而使頻譜利用效率已超越50bit/s/Hz，這相對(duì)256-QAM調(diào)制而言使功率處理能力增強(qiáng)了20dB，而且據(jù)稱，在Pbe=10-6及未加糾錯(cuò)條件下VMSK能夠取得90～120bit/s/Hz頻譜效率這一驚人的成績(jī)。

此前，美國(guó)xGTechnologyJosephBobier就已于2006年11月通過(guò)無(wú)線電話一樣的基站傳送器，在900MHz頻帶使用UNB技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了3.67Mbit/s的數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸，覆蓋了美國(guó)邁阿密郊區(qū)18英里半徑的范圍，所使用的天線是全向天線，RF功率只有35微瓦。

我國(guó)在頻譜利用效率研究上的重要進(jìn)展

沿VMSK思路進(jìn)一步發(fā)展提出VMDK調(diào)制的是以我國(guó)東南大學(xué)多媒體技術(shù)研究所所長(zhǎng)吳樂南教授為首的研究團(tuán)隊(duì)，其關(guān)鍵思路清晰，即VWDK應(yīng)使已調(diào)信號(hào)與其正弦載波信號(hào)之間的波形差異最小化。

該研究團(tuán)隊(duì)在VMSK/VWDK的理論分析研究方面已取得一定進(jìn)展，即如進(jìn)一步規(guī)范了類正弦VMSK調(diào)制信號(hào)的表達(dá)并分析了其功率譜及信道容量，分析了其符號(hào)相關(guān)性與正交性及符號(hào)正交時(shí)的功率譜表示；同時(shí)，還對(duì)高達(dá)100bit/s/Hz頻譜利用場(chǎng)合的VWDK調(diào)制的BER對(duì)SNR關(guān)系性能曲線進(jìn)行了分析、模擬研究，顯示了計(jì)算機(jī)模擬與理論分析相當(dāng)一致。此結(jié)果表明，BER=10-5時(shí)所需信噪聲比才不到30dB，明顯地?cái)U(kuò)展了此前頻譜利用效率的極限。

而且，與Walker曾指出的該方式不可用數(shù)字方式實(shí)現(xiàn)不同，這是在全數(shù)字處理場(chǎng)合時(shí)的模擬結(jié)果，這對(duì)數(shù)字集成實(shí)現(xiàn)有直接指導(dǎo)價(jià)值。因此，這是值得鼓勵(lì)的屬于我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的一個(gè)重要進(jìn)展。

此VMSK/VWDK類正弦UNB技術(shù)實(shí)質(zhì)是將主調(diào)波與調(diào)制載波處理融為一體的一種“單載波型”處理技術(shù)，它吸收了無(wú)載頻單邊帶的某些概念，而且其關(guān)鍵之處還要盡力壓縮已調(diào)載波占用帶寬，使邏輯0、1數(shù)字信號(hào)可直接對(duì)應(yīng)載波波形，從而可能導(dǎo)致理論上每載波周期可傳輸相應(yīng)一比特的信息，期望數(shù)據(jù)傳輸碼率數(shù)值上有可能達(dá)到“通信載頻大小”這一驚人的、甚至有點(diǎn)不可思議的目標(biāo)。

設(shè)計(jì)頻譜利用效率盡可能高、已調(diào)波頻帶盡可能窄但仍可滿足相應(yīng)QoS要求的MVSK/MWDK之類UNB型高效率調(diào)制解調(diào)設(shè)備，顯然是一個(gè)高難度的技術(shù)創(chuàng)新課題，但有著巨大的應(yīng)用價(jià)值，例如改善超長(zhǎng)波、長(zhǎng)波、短波等帶寬受限或嚴(yán)重受限信道的高速數(shù)據(jù)傳送；使現(xiàn)有寬帶無(wú)線接入信道轉(zhuǎn)向新一代的速率增強(qiáng)超高速化；使新一代移動(dòng)通信及視頻/多媒體廣播/多播高速下行甚至雙向速率增強(qiáng)；應(yīng)用于保密、偽裝、示假、亂真、隱蔽等新的抗干擾與安全應(yīng)用途徑等。