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為了能夠像有線通信網(wǎng)那樣讓通信用戶方便地接入因特網(wǎng)和實(shí)現(xiàn)多媒體通信業(yè)務(wù)，無(wú)線通信網(wǎng)也要建成寬帶網(wǎng)和提供良好的業(yè)務(wù)質(zhì)量（ＱｏＳ），以適應(yīng)移動(dòng)通信發(fā)展的要求。無(wú)線通信所使用的無(wú)線電頻段一般在２－５ＧＨｚ范圍，以期取得較好的電波傳播特性和較低的射頻設(shè)備成本。這樣寬帶的光線通路一般是非視距傳輸?shù)男诺溃ǎ危蹋希樱�，必須能夠免予遭受時(shí)間和頻率的選擇性衰落的損害。
第四代蜂窩網(wǎng)４Ｇ將是滿足這些要求的寬帶無(wú)線通信網(wǎng)。它們應(yīng)能在蜂窩區(qū)范圍內(nèi)有良好的覆蓋面，每一區(qū)內(nèi)至少有９０％的移動(dòng)用戶對(duì)通信滿意，而且有９９．９％的傳輸可靠性，數(shù)據(jù)通信的速率峰值可以高于１Ｍｂ／ｓ，具有較高的頻譜利用效率，大于４ｂ／ｓ／Ｈｚ。為了滿足這些較高的要求，最近有研究單位采取了兩種技術(shù)：一是“多輸入和多輸出天線”ＭＩＭＯ，二是“正文頻分多路調(diào)制”ＯＦＤＭ。
在發(fā)送端和接收端各設(shè)置多重天線，可以提供空間分集效應(yīng)，克服電波衰落的不良影響。這是因?yàn)榘才徘‘?dāng)?shù)亩喔碧炀�提供多個(gè)空間信道，不會(huì)全部同時(shí)受到衰落。在上述具體實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，每一基臺(tái)各設(shè)置２副發(fā)送天線和３副接收天線，而每一用戶終端各設(shè)置１副發(fā)送天線和３副接收天線，即下行通路設(shè)置２×３天線、上行通路設(shè)置１×３天線。這樣與“單輸入／單輸出天線”ＳＩＳＯ相比，傳輸上取得了１０～２０ｄＢ的好處，相應(yīng)地加大了系統(tǒng)容量。而且，基臺(tái)的兩副發(fā)送天線于必要時(shí)可以用來(lái)傳輸不同的數(shù)據(jù)信號(hào)，用戶傳送的數(shù)據(jù)速率可以加倍。
正交頻分多路ＯＦＤＭ系統(tǒng)優(yōu)于傳統(tǒng)單個(gè)載波之處，是因?yàn)橐粋�(gè)寬帶信號(hào)分在多個(gè)窄帶載波傳送，可以避免每載波經(jīng)受不同的多途徑傳播影響，又可以省掉復(fù)雜的均衡器設(shè)施，這就有利于較高數(shù)據(jù)速率的傳送。如ＯＦＤＭ采用一些編碼和穿插的措施，它還能起到頻率分集的作用。ＯＦＤＭ系統(tǒng)一般要求發(fā)送端和接收端利用“快速傅氏變換”ＦＦＴ。
還有一些重要設(shè)計(jì)是自適應(yīng)調(diào)制和編碼，它容許不同的數(shù)據(jù)速率指定給不同的用戶，依它們的通路情況而定。由于通路情況隨時(shí)間變化，接收機(jī)收集一套通路統(tǒng)計(jì)特性，供發(fā)送端和接收端使用，使調(diào)制編碼、信號(hào)帶寬、信號(hào)功率、預(yù)選周期、通路估計(jì)濾波器和自動(dòng)增益控制等系統(tǒng)參數(shù)最佳化。當(dāng)然，還必須有效地設(shè)計(jì)“媒介接入控制”ＭＡＣ，以期在有損耗的無(wú)線通路上取得可靠的傳輸性能，讓ＴＣＰ／ＩＰ規(guī)約有效地運(yùn)用，這里可考慮“自動(dòng)重復(fù)傳輸和分層”措施ＡＲＱＦ。這是在發(fā)送端把各數(shù)據(jù)分組再分成較小的分組，依次在通路上向前傳輸。如果在接收端有一小分組沒(méi)有正確送到，就通知發(fā)送端重新再發(fā)。實(shí)際上，這種ＡＲＱ的作用相當(dāng)于“時(shí)間分集”，藉以克服噪聲、干擾和衰落等不良影響。業(yè)務(wù)質(zhì)量ＱｏＳ總的目的是要可靠地取得每一通信用戶長(zhǎng)期使用感到滿意。
一、ＭＩＭＯ－ＯＦＤＭ設(shè)計(jì)要素
寬帶無(wú)線通信網(wǎng)的信號(hào)傳送首先遇到的問(wèn)題是多途徑電波傳播。就是說(shuō)，蜂窩網(wǎng)基臺(tái)向移動(dòng)用戶終端發(fā)送的無(wú)線電波，常常遇到許多不同的障礙物，諸如高樓建筑、大樹(shù)、低層住房以及汽車等等的折射，先后到達(dá)接收終端。這些都是復(fù)雜的“非視距”ＮＬＯＳ傳播，而不是單純的點(diǎn)與點(diǎn)間的視距ＬＯＳ傳輸。因此，在設(shè)計(jì)無(wú)線網(wǎng)時(shí)，應(yīng)根據(jù)這些非視距傳播的特點(diǎn)，采取相應(yīng)有效的對(duì)策。
特別對(duì)于通路色散、ｋ因數(shù)、多普勒、交叉偏振、天線相關(guān)性等等，應(yīng)加以密切注意，需要具體考慮射頻及硬件，數(shù)／模和模／數(shù)轉(zhuǎn)換器和其時(shí)鐘、升頻和降頻轉(zhuǎn)換振蕩器、以及各種器件的線性和動(dòng)態(tài)范圍等問(wèn)題。在非視距通路，因傳輸路程中近的和遠(yuǎn)的建筑物都會(huì)對(duì)無(wú)線電波產(chǎn)生反射，到了接收端就會(huì)引起通路色散。它由根均方時(shí)延分布表示，隨距離而加大。它隨著環(huán)境、天線束射寬度和天線高度而變化，典型的色散值是在０．１～５μｓ范圍以內(nèi)。這類無(wú)線通路的衰落信號(hào)大小是依從“賴斯”（Ｒｉｃｅ）分布規(guī)律，取決于固定通路分量功率Ｐｃ與散射通路分量功率Ｐｓ兩者之比，Ｐｃ／Ｐｓ，稱為“賴斯”ｋ因數(shù)。Ｐｃ＝Ｏ即ｋ＝０時(shí)發(fā)生的是最壞的衰落，其分布稱為“賴斯”分布。Ｋ因數(shù)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要參數(shù)，因?yàn)樗c一般深度衰落的概率有關(guān)。為了可靠的通信，不論固定的、還是移動(dòng)的通信系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)時(shí)都應(yīng)考慮這種最嚴(yán)重的“瑞利”（ＲａｙＬｅｉｇｈ）衰落。
在固定無(wú)線通路和移動(dòng)無(wú)線通路都會(huì)出現(xiàn)多普勒（Ｄｏｐｐｌｅｒ）現(xiàn)象，但兩者的多普勒頻譜不同。固定無(wú)線通路的多普勒頻率范圍為０．１－２Ｈｚ，其頻譜形狀近于指數(shù)律或圓形角。而在移動(dòng)無(wú)線通路，多普勒頻率約１００Ｈｚ，并且具有“杰克”（Ｊａｋｅ）頻譜。所謂交叉偏振鑒別ＸＰＤ，是指同類偏振與交叉偏振兩種平均接收功率之比。ＸＰＤ表示兩種利用不同偏振取向的傳輸通路的間隔。ＸＰＤ越大，則兩個(gè)通路耦合的能量越小。傳輸距離越長(zhǎng)，ＸＰＤ系統(tǒng)都很重要。如相關(guān)系數(shù)值較高，例如大于０．７，則分集和多工增益值都將顯著減小，如相關(guān)值為１，則分集增益值減至０。實(shí)際應(yīng)用一般采取較低的相關(guān)系數(shù)。如基臺(tái)和接收天線的構(gòu)形選擇恰當(dāng)，相關(guān)系數(shù)較低，約在０．１－０．５范圍內(nèi)。
除了上述對(duì)于無(wú)線通路特性的實(shí)際考慮外，還有射頻和硬件的問(wèn)題很重要，在寬帶無(wú)線數(shù)據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)必須妥慎考慮。無(wú)線系統(tǒng)往往與其他通信系統(tǒng)一同運(yùn)用，發(fā)信機(jī)的發(fā)射特性應(yīng)該考慮到不妨礙其他系統(tǒng)的正常運(yùn)用，而收信機(jī)的檢測(cè)特性應(yīng)該有能力忍受不良的干擾信號(hào)影響。設(shè)備硬件如產(chǎn)生畸變，必將降低整個(gè)通路的性能。在通路本身狀態(tài)正常時(shí)，硬件畸變將最終決定通路的最好性能。
在ＭＩＭＯ系統(tǒng)使用空間分集方式時(shí)，硬件的信號(hào)與噪聲畸變比ＳＮＤＲ要求與數(shù)據(jù)速率較低的ＳＩＳＯ系統(tǒng)相比，只能提高很少幾個(gè)ｄＢ。另一方面，因有效數(shù)據(jù)速率按對(duì)數(shù)伴隨ＳＮＤＲ增加，同等數(shù)據(jù)速率的ＳＩＳＯ系統(tǒng)要求硬件性能按指靈敏律提高。而且，對(duì)于ＭＩＭＯ運(yùn)用于分集狀態(tài)的情況，硬件要求可以比ＳＩＳＯ系統(tǒng)的低，因?yàn)榉旨髀返幕円话闶腔ゲ幌嚓P(guān)的。這樣，在２－５ＧＨｚ頻段運(yùn)用的線設(shè)備硬件，有可能利用集成電路片制成，使成本降低。如發(fā)信和接收兩端的所有畸變都考慮到，就可能獲得３０ｄＢ的ＳＵＤＲ。有了這樣大的ＳＮＤＲ，就可能讓ＭＩＭＯ發(fā)送端使用６４路正交調(diào)幅（ＱＡＭ）。
寬帶無(wú)線系統(tǒng)的發(fā)送端和接收端有很多發(fā)生畸變的源，最主要是來(lái)自數(shù)／模和模／數(shù)轉(zhuǎn)換器（ＤＡＣ／ＡＤＣ）的信號(hào)混合器，它們飽和運(yùn)用時(shí)將產(chǎn)生畸變和噪聲，需要足夠的電平控制加以遏止。兩種轉(zhuǎn)換器的鐘使發(fā)送端和接收端的取樣時(shí)間不均勻間隔。雖然接收端的定時(shí)跟蹤環(huán)路用于對(duì)付時(shí)鐘漂移，但剩余的定時(shí)相位噪聲抖動(dòng)將引起剩余的信號(hào)與畸變比ＳＤＲ。為了保證ＳＤＲ大于３０ｄＢ，定時(shí)抖動(dòng)的根均方值必須小于數(shù)據(jù)速率的１％。升頻和降頻轉(zhuǎn)換器都會(huì)引起頻率漂移，從而加大相位噪聲。雖有相位跟蹤環(huán)路，但如相位噪聲大于ＯＦＤＭ音調(diào)寬度的１％，則其積分必須小于－３０ｄＢ，以期ＳＤＲ大于３０ｄＢ。
總之，所有硬件都將引起噪聲，信號(hào)處理的范圍應(yīng)該有一定限度，以確保沒(méi)有顯著的畸變。對(duì)此，有必要裝用功率控制和自動(dòng)增益控制，使信號(hào)電平足夠大于硬件噪音、但不讓器件飽和。ＯＦＤＭ信號(hào)與其它高性能調(diào)制相比較，有稍高的峰值與均值之比ＰＡＲ而且需要特別照管。ＯＦＤＭ的動(dòng)態(tài)范圍和線性要求，可以要特別照管。ＯＦＤＭ的動(dòng)態(tài)范圍和線性要求，可以做得與單載波調(diào)制在減�。校粒視r(shí)的情況相仿。
二、ＭＩＭＯ－ＯＦＤＭ系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
上面已經(jīng)提到，ＭＩＭＯ多重天線和ＯＦＤＭ調(diào)制方式相結(jié)合，可以滿足非視距通信系統(tǒng)ＮＬＯＳ的要求。現(xiàn)在簡(jiǎn)單說(shuō)說(shuō)這種系統(tǒng)實(shí)際試用所采取的結(jié)構(gòu)。關(guān)于發(fā)送分集的方案，這里對(duì)下行通路選用“時(shí)延分集”，它裝備簡(jiǎn)單、性能優(yōu)良，又沒(méi)有反饋要求。它是讓第二副天線發(fā)出的信號(hào)比第一副天線發(fā)出的延遲一時(shí)間。發(fā)送端引用這樣的時(shí)延，可使接收地通路響應(yīng)得到頻率選擇性。如采用適當(dāng)?shù)木幋a和穿插，接收端可以獲得“空間——頻率”分集增益，而不需預(yù)知通路情況。
新一代系統(tǒng)裝用了改進(jìn)的發(fā)送分集方案。它采用的空間時(shí)間編碼是不需要反饋的編碼，又采用根據(jù)通路統(tǒng)計(jì)性進(jìn)行線性預(yù)編碼，只需要很小反饋。在“空間——時(shí)間”編碼方案，同一信號(hào)經(jīng)過(guò)不同的編碼后由多副天線發(fā)送。一般可利用分組碼，在接收端用線性解碼。線性預(yù)編碼可以和“空間——時(shí)間”碼結(jié)合使用，可能比時(shí)延分集系統(tǒng)獲�。玻叮洌碌脑鲆妫部赡鼙确纸M碼獲�。常洌碌脑鲆妗�
也可能從兩副基臺(tái)天線發(fā)送兩個(gè)各自編碼的數(shù)據(jù)流。一個(gè)較高數(shù)據(jù)速率的信號(hào)可以是由低速率數(shù)據(jù)流多組成，每一低速數(shù)據(jù)流各自經(jīng)過(guò)編碼和調(diào)制，由不同的天線發(fā)送，但利用同一時(shí)間和頻率槽。在接收端，三套接收天線各自接收兩個(gè)數(shù)據(jù)流信號(hào)的線性組合，這兩個(gè)數(shù)據(jù)流已分別由不同沖擊響應(yīng)所濾波。接收機(jī)將兩個(gè)信號(hào)分開(kāi)，利用空間均衡器，并經(jīng)過(guò)解調(diào)、解碼和解復(fù)接，獲取原來(lái)信號(hào)。接收天線的數(shù)目一般應(yīng)該多于獨(dú)立發(fā)送信號(hào)的數(shù)目，以期取得較好效果�；_(tái)和用戶終端各有三副接收天線，可取得接收分集的效果。利用“最大比值合并”ＭＲＣ，將多個(gè)接收機(jī)的信號(hào)合并，得到最大信噪比ＳＮＲ，可能有遏止自然干擾的好處。但是，在空間多工的情形，如有兩個(gè)數(shù)據(jù)流互相干擾，或者從頻率再利用的鄰近地區(qū)傳來(lái)干擾，ＭＲＣ就不能起遏止作用。這時(shí)，利用“最小的均方誤差”ＭＭＳＥ，它使每一有用信號(hào)與其估計(jì)值的均方誤差最小，從而使“信號(hào)與干擾及噪聲比”ＳＩＮＲ最大。上述ＭＲＣ和ＭＭＳＥ得出軟信號(hào)估計(jì)，輸入至軟解碼器。它們的適當(dāng)運(yùn)用可能對(duì)頻率選擇性通路提供３－４ｄＢ性能增益。
同步是重要的，上行和下行傳輸?shù)拈_(kāi)頭都有同步槽，用于傳送定時(shí)相位、定時(shí)頻率和頻率偏移估計(jì)，數(shù)據(jù)和訓(xùn)練序列都由偶數(shù)音調(diào)傳輸，而奇數(shù)音調(diào)為零。這是時(shí)域信號(hào)的重復(fù)形式，便于對(duì)上述各項(xiàng)參數(shù)作估計(jì)。獲得了同步后，可從計(jì)練音調(diào)做出定時(shí)估計(jì)。新一代無(wú)線系統(tǒng)采用自適應(yīng)調(diào)制和編碼，以便提供用戶的線路參數(shù)最佳化，從而獲得最大的系統(tǒng)容量。根據(jù)用戶的ＳＩＮＲ統(tǒng)計(jì)和ＱｏＳ要求，應(yīng)能提供最佳的編碼和調(diào)制。ＱＡＭ分級(jí)可從４至６４，編碼可利用卷積碼和Ｒ－Ｓ碼。有些編碼，可使２ＭＨｚ通路傳送數(shù)據(jù)速率１．１－６．８Ｍｂ／ｓ。
三、ＭＩＭＯ－ＯＦＤＭ無(wú)線網(wǎng)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試
上述無(wú)線通信網(wǎng)曾經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)測(cè)試，也曾在室外現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行測(cè)試�；_(tái)是在一幢大樓的屋頂上架設(shè)天線，約４９英尺高，覆蓋區(qū)是在半徑３５英里和１２０度扇區(qū)范圍內(nèi)�；_(tái)發(fā)射功率為３５．５ｄＢｍ，用戶終端發(fā)射功率３０ｄＢｍ。下行無(wú)線通路使用的中心頻率為２．６８３ＧＨｚ，上行則為２．５４５ＧＨｚ，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)占用頻帶寬度２ＧＨｚ，基臺(tái)的發(fā)送和接收天線各自相隔１６個(gè)和８?jìng)�(gè)波長(zhǎng)�，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)主要是為了估計(jì)ｍｏｄｅｍ的性能和無(wú)線通路特性。測(cè)試時(shí)，覆蓋區(qū)內(nèi)用戶終端有固定的，也有移動(dòng)的。測(cè)試系統(tǒng)的每一收發(fā)信機(jī)各有２×３個(gè)多徑通路，因而它簡(jiǎn)稱２×３系統(tǒng)。
衰落邊際的大小是決定于賴斯Ｋ因數(shù)、時(shí)延散布和天線相關(guān)性，如時(shí)延散布大，則利用ＯＦＤＭ提供的頻率選擇性可以降低衰落邊際要求。如沒(méi)有時(shí)延散布，又沒(méi)有天線相關(guān)性，則在通路可靠性為９９．９％的情況下，２×３系統(tǒng)的衰落邊際是１０ｄＢ，而１×２系統(tǒng)的是２３ｄＢ，１×１系統(tǒng)的是３５ｄＢ，顯示２×３系統(tǒng)的優(yōu)越性�，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試曾在固定的和移動(dòng)的用戶終端裝置各種天線的情況下，實(shí)際測(cè)量信噪比ＳＮＲ，繪制它們隨時(shí)間變化的特性�？梢悦黠@地看到２×３系統(tǒng)接收信噪比特性曲線最高，１×２系統(tǒng)次之，而１×１系統(tǒng)最差，和我們預(yù)料的相同。
在同樣發(fā)射功率和９９．９％通路可靠性的要求下，１×２和１×１系統(tǒng)既然要求較高的衰落邊際，那么它們的覆蓋面積也就相應(yīng)地縮小，甚至使覆蓋區(qū)半徑減小一半，面積減小至１／４。這樣，２×３、１×２、１×１系統(tǒng)的覆蓋區(qū)半徑實(shí)際上分別為４．０、２．７和１．６英里。至于通信使用的數(shù)據(jù)速率，一般地說(shuō)，越靠近基臺(tái)，因路徑損耗小、ＳＮＲ較大，故容許的數(shù)據(jù)速率可以較高。測(cè)試分析結(jié)果認(rèn)為：１×１和１×２系統(tǒng)的最高數(shù)據(jù)速率可以是６．８Ｍｂ／ｓ，而２×３的可以加倍，將為１３．６Ｍｂ／ｓ。這表明，空間多工確實(shí)是有作用的。
總的來(lái)說(shuō)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試都表明，ＭＩＭＯ－ＯＦＤＭ系統(tǒng)在通信容量覆蓋距離和可靠性方面都優(yōu)于ＳＩＳＯ、ＭＩＳＯ和ＳＩＭＯ系統(tǒng)，值得新一代寬帶無(wú)線移動(dòng)通信網(wǎng)考慮引用。
----《通信世界報(bào)》
