無線通信傳播技術探究趨勢范文
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本文作者：黎建波單位：中國電信湖南分公司湖南長沙
1第四代無線通信簡介
目前被國際電信聯盟（ITU）正式收納的4G標準總共有4種，分別是LTE、LTE-Advanced、WiMax、WirelessMAN-Advanced。LTE（LongTimeEvolution，長期演進）是3G的演進，始于2004年底由第三代合作伙伴計劃（The3rdGenerationPartnershipProject，3GPP）提出來的，2005年正式確定了其系統目標，成為4G標準之一[1]。LTE改進并增強了3G其空中接口技術，并且采用多輸入多輸出（MultipleInputandMultipleOutput，MIMO）和正交頻分復用（OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing，OFDM）技術作為其無線網絡演進的唯一標準。
在20MHz的頻譜帶寬下至少能夠提供下行100Mbit/s和上行50Mbit/s的峰值速率[1]。其主要特點是較高的頻譜利用率，靈活的帶寬配置，嚴格的QoS機制以及較低的網絡延遲。LTE-Advanced，從字面上看就可以知道它是LTE的升級版，其完全兼容LTE，增加了頻譜的帶寬，在最大帶寬100MHz下能夠提供下行鏈路1Gbit/s和上行鏈路500Mbit/s的峰值速率，如果結合MIMO技術，那么可以提供數倍于原來的傳輸速率。
LTE和LTE-Advanced可分為頻分雙工（FDD）和時分雙工（TDD）兩種制式。由中國移動主導的TD-SCDMA網絡能夠直接演化到TD-LTE網絡。由于LTE符合目前多種無線通信標準的直接演進，因此LTE獲得了國際上大多無線網絡供應商的支持，也將成為未來4G標準的主流。在國內，電信的CDMA2000、聯通的WCDMA以及移動的TD-SCDMA也都明確了3G向LTE演進的方向。其中LTE采用的OFDM和MIMO技術也是目前國際上最熱門的研究課題。
2.OFDM和多天線技術
OFDM技術是一種特殊的多載波傳輸方案，各子載波之間相互正交，可以有效地提高頻譜資源的利用率，同時OFDM將總的帶寬分割為若干個窄帶子載波，這樣可以有效抵抗頻率選擇性衰落，大大地簡化了信道均衡的復雜度。與MIMO技術相結合的MIMO-OFDM系統既可以達到很高的傳輸效率，又可以通過傳輸分集達到很高的可靠性，從而成為第四代移動通信系統核心技術的解決方案。
2.1OFDM技術
OFDM是一種高頻譜利用率的并行傳輸技術，其思想是在給定的頻域內將傳輸信道分成多個正交子載波，然后將高速數據信號轉換成多個并行的低速子數據流，調制到每個子載波上進行窄帶傳輸[2]。接收端可以利用子載波的正交性來單獨地對各子載波數據進行均衡和解調。如圖1所示，由于頻譜重疊，各個正交的子載波可以部分重疊而又不影響，相對于普通的頻分復用技術，OFDM系統可以大大提高頻譜的利用率。OFDM傳輸技術最大的優點在于它可以抵抗頻率選擇性衰落信道和多徑衰落，并且在接收端，經過無線信道后的OFDM信號各子載波間仍保持了原有的正交性，信道對子載波上數據的影響可以簡化為一個復數與子載波上的信號相乘。因此，對信號的均衡變成了簡單地對接收的單個子載波數據進行除法操作。
OFDM的發射機和接收機結構如圖2所示，經過信道編碼的串行數據比特通過串并轉換和星座映射后，可以得到一串復數符號，然后將這些符號映射到M個子載波上，并通過OFDM解調將這M個子載波上的頻域信號轉換到時域，在將時域的OFDM信號發射出去之前，還要在每一個OFDM符號之前插入一個循環前綴（CyclicPrefix，CP），CP插入是將時域OFDM符號尾部的一部分信號搬移到其頭部，CP的長度必須大于多徑延時，這樣可以使得前一OFDM符號對當前OFDM符號的干擾只影響到循環前綴部分，而不會對當前OFDM符號造成影響，消除了OFDM符號之間的干擾。最后經過串并傳換將時域信號發送出去。在接收端進行著與發射端相反的過程，把數據從接收的信號解調出來。OFDM調制和解調可以采用快速反傅里葉變換（IFFT）和快速傅里葉變換（FFT）方法來實現。FFT是離散傅里葉變換（DFT）的一種快速實現方式，一個N點的DFT表達式為：一個N點的DFT分別需要次復數乘法和復數加法，而基-2分解的FFT算法只要次復數乘法和次復數加法，所以當N的值比較大時，FFT算法可以大大降低了計算復雜度，如圖3所示。
2.2多天線技術
多天線技術指在基站和（或）移動臺使用多個天線進行接收和發送的技術，能夠在不額外增加功率、頻率等資源的前提下，有效地提高系統的容量和覆蓋能力。理論上，一個獨立的多天線無線信道的信道容量與發送天線數目和接收天線數目的最小值成正比（線性增長），即個移動終端的點對多點通信機制，所以增加基站的收發天線數目，既能有效地提升全系統的性能，又不至于增加過多的成本代價。不過信道的相關性將降低MIMO技術的效果。對于多個發送/接收天線構成天線陣，其陣元間隔和極化方向是決定信道相關性的主要因素。
一般來說，不同極化方向的天線間的信道相關性較小，陣元間隔較小的天線間的信道相關性較小。此外，天線的安裝和維護、站址等都是進行天線規格選型的重要參考因素，天線間距太大則整個天線陣的尺寸很大，會對天線安裝和站址選擇造成不便。下面對本文中出現的若干技術詞匯進行解釋和澄清，這些澄清僅限于簡化本文后續說明，其它文獻可能有不同的定義：MIMO：本文MIMO指采用空時編碼技術的2天線發送和接收方式，包括2天線MIMOMatrixA（Alamouti空間分集發射方式）、2天線MIMOMatrixB（V-BLAST空間復用發射方式）兩種不同方式。CDD：CyclicDelayDiversity循環延遲分集，見后文詳細介紹。BF：Beamforming波束成形，見后文詳細介紹。
2.2.1天線CDD技術
1）技術原理
CDD(CyclicDelayDiversity)，即循環延遲分集發射技術，如圖4所示。其在不同天線上發送相同的信息，但在天線之間引入不同的循環延遲，從而將空間分集等效到OFDM系統的頻率分集上。該技術既能夠保持對協議和已有終端的完全兼容，又能夠通過與編碼、交織等技術進行有效結合，在不增加系統額外開銷的情況下獲得一定的頻率分集增益。圖5給出了單天線系統與雙天線CDD系統在相同信道模型下的信道響應曲線。x軸為頻率維度（子載波為單位），y軸為時間維度（OFDM符號為單位），z軸為信道的功率響應（以dB為單位）。從圖中可以看出：單天線OFDM系統下，由于多徑導致了一個寬頻帶的深度衰落過程。使用CDD技術后，加快了信道響應在頻率維度上的變化，采用冗余編碼技術就能夠克服這些窄帶衰落，從而獲得額外的頻率分集增益。集發射技術，如圖4所示。其在不同天線上發送相同的信息，但在天線之間引入不同的循環延遲，從而將空間分集等效到OFDM系統的頻率分集上。該技術既能夠保持對協議和已有終端的完全兼容，又能夠通過與編碼、交織等技術進行有效結合，在不增加系統額外開銷的情況下獲得一定的頻率分集增益。不過采用CDD技術在引入頻率選擇性的同時，也會引入一定的信道估計誤差。頻率選擇性越強，信道估計誤差就越大，因此從理論上，CDD技術在低速移動場景下的性能會優于高速移動場景。2T2R系統天線回退到1T1R的狀態轉換如圖6所示。
2）應用效果（以下增益中包括了功率增益）
從工程上講，采用2天線CDD發射以后，每個發射通道的發射功率與常規的單天線系統相同（例如：10W），這樣不會對射頻通道和功率放大器等器件提出額外的要求，能夠采用目前成熟的射頻技術。此外，2個發射天線還可以互為備份。從功率上講，采用2天線CDD發射技術，可以獲得3dB功率增益，增強下行信號強度，提高信號的接收RSSI值。在一般城區環境中大約可提升20%左右覆蓋距離，也即覆蓋面積提升50%左右。需要指出的是，如果實際場景是干擾受限的話，則下行功率提升對接收信號質量CINR的提升作用是有限的（城區蜂窩網絡一般都是干擾受限的）。
圖7分別為站間距為1.5km情況下，不同基站總發射功率場景下的Geometry分布，橫軸為Geometry值，縱軸為累積概率分布，圖中不同的曲線分別為基站發射功率為35dBm、37dBm、40dBm、43dBm、46dBm、49dBm和功率無窮大時候的Geometry累積分布情況。仿真表明：在覆蓋受限場景（如站間距1.5km），增加基站的發射功率能夠有效地提升覆蓋能力。
CDD雙天線發射除了功率增益外，還會帶來分集增益.其分集增益大小與無線場景有關。鏈路仿真場景按照WiMAX論壇的仿真規范《WiMAXSimulationMethodology》中定義設置（下文同樣處理），分別針對AWGN、PB3kmph、VA30kmph等不同信道模型，采用WiMAX協議定義的8種不同的編碼調制方式下，對1x1、2x1和2x2的鏈路層解調性能進行了對比（下文如不做特別說明，則均是采用類似規范做仿真實驗）。圖中，橫軸為不同的編碼調制方式（QPSK1/2、QPSK3/4、16QAM1/2、16QAM3/4、64QAM1/2、64QAM2/3、64QAM3/4、64QAM5/6等8種，以下皆同），縱軸為1%誤碼的解調門限值。
仿真結果表明：在衰落信道下（實際的組網環境），2x1兩天線CDD技術能夠相對于1x1單天線獲得3.8~4.8dB增益，2x2兩天線CDD技術相對于1x1單天線能夠獲得9~13.3dB增益，且隨著終端移動速度的增加，CDD增益變小。另一方面，在相同的信道模型下，CDD增益隨調制階數的增加而降低。這是因為：采用CDD發射技術以后，會導致信道估計誤差增大。隨著移動速度的增加，信道估計誤差也增大；另一方面，信道估計誤差對高階調制的解調性能的影響比對低階調制的影響要大。
3）局限性
2發射天線能夠提供一定的功率增益，用以提升覆蓋，但是功率增益主要體現在覆蓋受限的場景下；如果當前系統是干擾受限的系統，作用并不明。由于采用CDD發射技術以后，會導致信道估計誤差增大。因此，CDD的增益將隨終端移動速度的增加而減小，隨調制階數的增加而減小，但總的來說，2天線CDD技術都能帶來一定的增益。
2.2.2天線MIMO技術
1）技術原理
根據目前的SystemProfileRelease1.0定義，MIMOMatrixA在兩組天線上發射內容上相關的兩路信號，在連續的兩個發送時間內，在天線0上發送，在天線1上發送，并且每個天線只發送1/2數量的導頻符號，確保兩發送天線的導頻正交。發射信號經過空間物理環境的影響（反射、折射等），離散成多個相位不同的信號。理論上講，兩路發送信號可以獲得3dB的空間分集增益，可以降低接收端的誤碼率，提高系統的覆蓋。MIMOMatrixA發射模式示意如圖8。MIMOMatrixA發射模式下每個天線的導頻符號數量僅為普通單天線發射模式下導頻符號的一半，如圖9所示，由此導致了該模式下信道估計能力的下降，會在一定程度上降低MIMOMatrixA所獲得的空間分集增益。照既定的映射方式映射到子信道上。在不同的發射天線上發射不同的數據符號，可以獲得復用增益，從而提高系統容量。同樣，MIMOMatrixB發射模式下兩個天線各發送1/2數量的導頻符號，確保兩發送天線的導頻正交，因此，每個天線的導頻符號數量僅為普通單天線發射模式下導頻符號的一半，會引入一定的信道估計誤差。
MIMOMatrixA與MIMOMatrixB還可通過AMS（AdaptiveMIMOSwitching）實現自適應選擇切換，具體實現方法分為兩種：一種是移動終端通過主動上報的MIMO模式切換請求，基站根據請求消息來調整用戶的MIMO模式；另一種是基站根據移動終端的SINR來自主地決定用戶的MIMO模式。在低SINR情況下使能MatrixA，在高SINR情況下使能MatrixB，MIMO模式切換的SINR門限值由系統設定，并由基于HARQ的外環模式實際調整，一個典型的取值可以是21dB。這樣既保證了理想的頻譜效率，又實現了覆蓋和容量的平衡。（注：MIMOB是一個復用干擾系統，采用SIC接收時還存在誤碼擴散，因此在低SINR下，MIMOB系統的性能將很差。）通過采用下行MIMO技術，特別是采用MIMOMatrixA以后，系統的覆蓋能夠得到很大的提高。
2）應用效果（以下增益中包括了功率增益）
仿真結果表明：在衰落信道下，相比1x1單天線系統，采用MIMOMatrixA技術以后，2x1兩天線MIMOMatrixA系統能夠獲得5.15~7.8dB增益，2x2兩天線MIMOMatrixA系統能夠獲得9.9~15.2dB增益。
3）局限性
MIMO技術需要基于WaveII的終端支持，而已商用的現網中有一部分老終端是基于WaveI的，即無法支持MIMO技術，會導致這部分用戶無法享受MIMO技術帶來的覆蓋提升功能。
由于2天線MIMO技術每個天線只使用了一半的導頻符號用以信道估計，所以會增大信道估計誤差，對高速移動信道和高階調制系統的影響更為嚴重，導致其MIMO增益降低。從前面的仿真結果還可以看出，MIMO的增益與無線信道環境密切相關（多徑彌散的環境下將有利于MIMO增益的獲取），因此在商用外場實際測試到的增益與仿真結果會有差異。（注：此處提升覆蓋的MIMO主要指MIMOMatrixA技術，而MIMOMatrixB是容量增強技術，并不會帶來直接的覆蓋能力提升。）
3.MIMO和OFDM技術結合4G無線通信需要極高的頻譜利用率，而利用OFDM技術來提高頻譜的利用率畢竟是有限的，在OFDM的基礎上合理開發空間復用性，也就是MIMO-OFDM技術，可以提供更高的數據傳輸速率。另一方面，多個天線發送的數據占用了同一傳輸信道和頻率資源，沒有增加系統的帶寬。因此MIMO技術在不增加帶寬和天線發送功率的情況下，可以成倍地提高無線信道容量和頻譜利用率[4]。
4.4G的挑戰
MIMO-OFDM技術已經成為無線通信領域的關鍵技術之一，通過近幾年的持續發展，MIMO-OFDM技術將越來越多地應用于各種無線通信系統。在無線寬帶移動通信系統方面，LTE、WiMax等主流4G標準也都采用了MIMO和OFDM的相結合。但是MIMO-OFDM技術在性能上帶來了諸多好處的同時也對實時信號處理提出很大的挑戰。目前MIMO-OFDM技術正從前期理論研究轉入了理論研究和實際應用相結合的階段。現在國內外有很多學者正研究MIMO-OFDM技術在實際應用中遇到的實現問題。比如隨著使用天線數目的增加，OFDM調制解調、MIMO信道估計和MIMO均衡技術實現的復雜度成指數級增高，這對現有的基帶信號處理器提出了很高的要求，特別是在功耗受限的手持設備，只能配備一根天線，從而限制了天線的使用數目，不能充分發揮MIMO技術的優勢。目前，如何在保證一定的系統性能的基礎上降低MIMO-OFDM技術的算法復雜度和實現復雜度，以及低功耗基帶信號處理器的設計技術成為學術界和工業界面對的巨大挑戰[5]。
5結束語下一代無線通信將繼續沿著高速率、高帶寬和高可靠性方向發展。MIMO-OFDM技術既能提高系統的分集增益和系統容量，又能增加頻譜利用率，
有效對抗頻率選擇性和多徑衰落，將成為第四代無線寬帶移動通信系統和無線寬帶接入系統的關鍵技術。同時，MIMO-OFDM算法的高復雜度也對信號處理帶來了巨大的挑戰，限制了其自身發展。但是隨著人們對高質量的無線通信系統的需求不斷催生新技術的發展和應用，MIMO-OFDM技術終將以完美的姿態展現在我們的生活中。
