為了能夠像有線通信" title="通信">通信網那樣讓通信用戶方便地接入因特網和實現(xiàn)多媒體通信業(yè)務,，無線通信網也要建成寬帶網和提供良好的業(yè)務質量(QoS)，以適應移動通信發(fā)展的要求,。無線通信所使用的無線電頻段一般在2-5GHz范圍,，以期取得較好的電波傳播特性和較低的射頻設備成本。這樣寬帶的光線通路一般是非視距傳輸?shù)男诺?NLOS),，必須能夠免予遭受時間和頻率的選擇性衰落的損害,。
第四代蜂窩網4G將是滿足這些要求的寬帶無線通信網。它們應能在蜂窩區(qū)范圍內有良好的覆蓋面,，每一區(qū)內至少有90%的移動用戶對通信滿意,，而且有99.9%的傳輸可靠性，數(shù)據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：一是“多輸入和多輸出天線”MIMO,，二是“正文頻分多路調制”OFDM,。
在發(fā)送端和接收端各設置多重天線，可以提供空間分集效應,，克服電波衰落的不良影響,。這是因為安排恰當?shù)亩喔碧炀€提供多個空間信道,，不會全部同時受到衰落,。在上述具體實驗系統(tǒng)中，每一基臺各設置2副發(fā)送天線和3副接收天線,，而每一用戶終端各設置1副發(fā)送天線和3副接收天線,，即下行通路設置2×3天線、上行通路設置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，相應地加大了系統(tǒng)容量,。而且,，基臺的兩副發(fā)送天線于必要時可以用來傳輸不同的數(shù)據信號，用戶傳送的數(shù)據速率可以加倍,。
正交頻分多路OFDM系統(tǒng)優(yōu)于傳統(tǒng)單個載波之處,，是因為一個寬帶信號分在多個窄帶載波傳送，可以避免每載波經受不同的多途徑傳播影響,，又可以省掉復雜的均衡器設施,，這就有利于較高數(shù)據速率的傳送。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。
還有一些重要設計是自適應調制和編碼,，它容許不同的數(shù)據速率指定給不同的用戶,，依它們的通路情況而定。由于通路情況隨時間變化,，接收機收集一套通路統(tǒng)計特性,，供發(fā)送端和接收端使用，使調制編碼,、信號帶寬,、信號功率、預選周期,、通路估計濾波器和自動增益控制等系統(tǒng)參數(shù)最佳化,。當然，還必須有效地設計“媒介接入控制”MAC，以期在有損耗的無線通路上取得可靠的傳輸性能,，讓TCP/IP規(guī)約有效地運用,，這里可考慮“自動重復傳輸和分層”措施ARQF。這是在發(fā)送端把各數(shù)據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有正確送到，就通知發(fā)送端重新再發(fā),。實際上,，這種ARQ的作用相當于“時間分集”，藉以克服噪聲,、干擾和衰落等不良影響,。業(yè)務質量QoS總的目的是要可靠地取得每一通信用戶長期使用感到滿意。
一,、MIMO-OFDM設計要素
寬帶無線通信網的信號傳送首先遇到的問題是多途徑電波傳播,。就是說，蜂窩網基臺向移動用戶終端發(fā)送的無線電波,，常常遇到許多不同的障礙物,，諸如高樓建筑、大樹,、低層住房以及汽車等等的折射,，先后到達接收終端。這些都是復雜的“非視距”NLOS傳播,，而不是單純的點與點間的視距LOS傳輸,。因此，在設計無線網時,，應根據這些非視距傳播的特點,，采取相應有效的對策。
特別對于通路色散,、k因數(shù),、多普勒、交叉偏振,、天線相關性等等,，應加以密切注意，需要具體考慮射頻及硬件,，數(shù)/模和模/數(shù)轉換器和其時鐘,、升頻和降頻轉換振蕩器、以及各種器件的線性和動態(tài)范圍等問題,。在非視距通路,，因傳輸路程中近的和遠的建筑物都會對無線電波產生反射,，到了接收端就會引起通路色散。它由根均方時延分布表示,，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,。這類無線通路的衰落信號大小是依從“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)設計的重要參數(shù)，因為它與一般深度衰落的概率有關,。為了可靠的通信，不論固定的,、還是移動的通信系統(tǒng),，在設計時都應考慮這種最嚴重的“瑞利”(RayLeigh)衰落。
在固定無線通路和移動無線通路都會出現(xiàn)多普勒(Doppler)現(xiàn)象,，但兩者的多普勒頻譜不同,。固定無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,。而在移動無線通路,，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,，則兩個通路耦合的能量越小。傳輸距離越長,，XPD系統(tǒng)都很重要,。如相關系數(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,，如相關值為1，則分集增益值減至0,。實際應用一般采取較低的相關系數(shù),。如基臺和接收天線的構形選擇恰當,，相關系數(shù)較低，約在0.1-0.5范圍內,。
除了上述對于無線通路特性的實際考慮外,，還有射頻和硬件的問題很重要，在寬帶無線數(shù)據系統(tǒng)設計時必須妥慎考慮,。無線系統(tǒng)往往與其他通信系統(tǒng)一同運用,，發(fā)信機的發(fā)射特性應該考慮到不妨礙其他系統(tǒng)的正常運用，而收信機的檢測特性應該有能力忍受不良的干擾信號影響,。設備硬件如產生畸變,，必將降低整個通路的性能。在通路本身狀態(tài)正常時,，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，硬件的信號與噪聲畸變比SNDR要求與數(shù)據速率較低的SISO系統(tǒng)相比,，只能提高很少幾個dB,。另一方面，因有效數(shù)據速率按對數(shù)伴隨SNDR增加,，同等數(shù)據速率的SISO系統(tǒng)要求硬件性能按指靈敏律提高,。而且，對于MIMO運用于分集狀態(tài)的情況,，硬件要求可以比SISO系統(tǒng)的低,，因為分集各路的畸變一般是互不相關的。這樣,，在2-5GHz頻段運用的線設備硬件,，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路正交調幅(QAM),。
寬帶無線系統(tǒng)的發(fā)送端和接收端有很多發(fā)生畸變的源，最主要是來自數(shù)/模和模/數(shù)轉換器(DAC/ADC)的信號混合器,，它們飽和運用時將產生畸變和噪聲,，需要足夠的電平控制加以遏止。兩種轉換器的鐘使發(fā)送端和接收端的取樣時間不均勻間隔,。雖然接收端的定時跟蹤環(huán)路用于對付時鐘漂移,，但剩余的定時相位噪聲抖動將引起剩余的信號與畸變比SDR。為了保證SDR大于30dB,，定時抖動的根均方值必須小于數(shù)據速率的1%,。升頻和降頻轉換器都會引起頻率漂移,，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，信號處理的范圍應該有一定限度,，以確保沒有顯著的畸變,。對此，有必要裝用功率控制和自動增益控制,，使信號電平足夠大于硬件噪音,、但不讓器件飽和。OFDM信號與其它高性能調制相比較,，有稍高的峰值與均值之比PAR而且需要特別照管,。OFDM的動態(tài)范圍和線性要求，可以要特別照管,。OFDM的動態(tài)范圍和線性要求,，可以做得與單載波調制在減小PAR時的情況相仿。
二,、MIMO-OFDM系統(tǒng)結構特點
上面已經提到，MIMO多重天線和OFDM調制方式相結合,，可以滿足非視距通信系統(tǒng)NLOS的要求?，F(xiàn)在簡單說說這種系統(tǒng)實際試用所采取的結構。關于發(fā)送分集的方案,，這里對下行通路選用“時延分集”,，它裝備簡單、性能優(yōu)良,，又沒有反饋要求,。它是讓第二副天線發(fā)出的信號比第一副天線發(fā)出的延遲一時間。發(fā)送端引用這樣的時延,，可使接收地通路響應得到頻率選擇性,。如采用適當?shù)木幋a和穿插，接收端可以獲得“空間——頻率”分集增益,，而不需預知通路情況,。
新一代系統(tǒng)裝用了改進的發(fā)送分集方案。它采用的空間時間編碼是不需要反饋的編碼,，又采用根據通路統(tǒng)計性進行線性預編碼,，只需要很小反饋,。在“空間——時間”編碼方案，同一信號經過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。線性預編碼可以和“空間——時間”碼結合使用,，可能比時延分集系統(tǒng)獲取2-6dB的增益,，也可能比分組碼獲取3dB的增益。
也可能從兩副基臺天線發(fā)送兩個各自編碼的數(shù)據流,。一個較高數(shù)據速率的信號可以是由低速率數(shù)據流多組成,，每一低速數(shù)據流各自經過編碼和調制，由不同的天線發(fā)送,，但利用同一時間和頻率槽,。在接收端，三套接收天線各自接收兩個數(shù)據流信號的線性組合,，這兩個數(shù)據流已分別由不同沖擊響應所濾波,。接收機將兩個信號分開，利用空間均衡器,，并經過解調,、解碼和解復接，獲取原來信號,。接收天線的數(shù)目一般應該多于獨立發(fā)送信號的數(shù)目,，以期取得較好效果?；_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,，將多個接收機的信號合并,，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，如有兩個數(shù)據流互相干擾,，或者從頻率再利用的鄰近地區(qū)傳來干擾,，MRC就不能起遏止作用。這時,，利用“最小的均方誤差”MMSE,，它使每一有用信號與其估計值的均方誤差最小，從而使“信號與干擾及噪聲比”SINR最大,。上述MRC和MMSE得出軟信號估計,，輸入至軟解碼器,。它們的適當運用可能對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_頭都有同步槽,，用于傳送定時相位、定時頻率和頻率偏移估計,，數(shù)據和訓練序列都由偶數(shù)音調傳輸,，而奇數(shù)音調為零。這是時域信號的重復形式,，便于對上述各項參數(shù)作估計,。獲得了同步后，可從計練音調做出定時估計,。新一代無線系統(tǒng)采用自適應調制和編碼,，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,。根據用戶的SINR統(tǒng)計和QoS要求,，應能提供最佳的編碼和調制。QAM分級可從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)據速率1.1-6.8Mb/s,。
三,、MIMO-OFDM無線網的現(xiàn)場測試" title="測試">測試
上述無線通信網曾經在實驗室進行仿真實驗測試，也曾在室外現(xiàn)場進行測試,?；_是在一幢大樓的屋頂上架設天線，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?；_發(fā)射功率為35.5dBm,，用戶終端發(fā)射功率30dBm。下行無線通路使用的中心頻率為2.683GHz,，上行則為2.545GHz,，數(shù)據業(yè)務占用頻帶寬度2GHz，基臺的發(fā)送和接收天線各自相隔16個和8個波長?，F(xiàn)場試驗主要是為了估計modem的性能和無線通路特性,。測試時，覆蓋區(qū)內用戶終端有固定的,，也有移動的,。測試系統(tǒng)的每一收發(fā)信機各有2×3個多徑通路,，因而它簡稱2×3系統(tǒng)。
衰落邊際的大小是決定于賴斯K因數(shù),、時延散布和天線相關性,，如時延散布大，則利用OFDM提供的頻率選擇性可以降低衰落邊際要求,。如沒有時延散布,，又沒有天線相關性，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)場測試曾在固定的和移動的用戶終端裝置各種天線的情況下，實際測量信噪比SNR,，繪制它們隨時間變化的特性,。可以明顯地看到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)半徑實際上分別為4.0,、2.7和1.6英里,。至于通信使用的數(shù)據速率，一般地說,，越靠近基臺,，因路徑損耗小、SNR較大,，故容許的數(shù)據速率可以較高,。測試分析結果認為：1×1和1×2系統(tǒng)的最高數(shù)據速率可以是6.8Mb/s，而2×3的可以加倍，將為13.6Mb/s,。這表明,，空間多工確實是有作用的。
總的來說,，實驗結果和現(xiàn)場測試都表明,，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),，值得新一代寬帶無線移動通信網考慮引用,。
