無線通信網設計的新要求

2019-11-03 09:28:53

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供稿：網友

張煦上海交通大學中國科學院院士　　【摘要】本文首先概述新型無線通信網設計的基本要求。然后，對近年采用的“多輸入、多輸出”和“正交頻分多路”系統，依次說明其設計要素和結構特點。最后簡述了現場測試情況。

1 無線通信網設計要求概述

　　為了能夠像有線通信網那樣讓通信用戶方便地接入因特網和實現多媒體通信業務，無線通信網也要建成寬帶網和提供良好的業務質量（QoS），以適應移動通信發展的要求。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的信道（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。它們應能在蜂窩區范圍內有良好的覆蓋面，每一區內至少有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（multi-input and multi-output antenna），二是“正文頻分多路調制”OFDM（Orthogonal freguency division multiplexing）。據說實際安裝測試的結果可以認為滿意。

　　在發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。這是因為安排恰當的多副天線提供多個空間信道，不會全部同時受到衰落。在上述具體實驗系統中，每一基臺各設置2副發送天線和3副接收天線，而每一用戶終端各設置1副發送天線和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，相應地加大了系統容量。而且，基臺的兩副發送天線于必要時可以用來傳輸不同的數據信號，用戶傳送的數據速率可以加倍。

　　正交頻分多路OFDM系統優于傳統單個載波之處，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系統一般要求發送端和接收端利用“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計特性，供發送端和接收端使用，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參數最佳化。當然，還必須有效地設計“媒介接入控制”MAC（medium access control），以期在有損耗的無線通路上取得可靠的傳輸性能，讓TCP/IP規約有效地運用，這里可考慮“自動重復傳輸和分層”措施ARQF（automatic repeat reguest & fragmentation）。這是在發送端把各數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，就通知發送端重新再發。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。

2 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、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/模和模/數轉換器和其時鐘、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。Pc=O即k=0時發生的是最壞的衰落，其分布稱為“賴斯”分布。K因數是系統設計的重要參數，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，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多普勒（Doppler）現象，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（Cross pllarization discrimlnation），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系統都很重要。如相關系數值較高，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。如基臺和接收天線的構形選擇恰當，相關系數較低，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，在寬帶無線數據系統設計時必須妥慎考慮。無線系統往往與其他通信系統一同運用，發信機的發射特性應該考慮到不妨礙其他系統的正常運用，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。在通路本身狀態正常時，硬件畸變將最終決定通路的最好性能。

　　在MIMO系統使用空間分集方式時，硬件的信號與噪聲畸變比SNDR（Signal to Noise-Distorsion Ratio）要求與數據速率較低的SISO系統相比，只能提高很少幾個dB。另一方面，因有效數據速率按對數伴隨SNDR增加，同等數據速率的SISO系統要求硬件性能按指靈敏律提高。而且，對于MIMO運用于分集狀態的情況，硬件要求可以比SISO系統的低，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發送端使用64路正交調幅（QAM）。

　　寬帶無線系統的發送端和接收端有很多發生畸變的源，最主要是來自數/模和模/數轉換器（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（signal to Distortion Ratio）。為了保證SDR大于30dB，定時抖動的根均方值必須小于數據速率的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（peak to average ratio）而且需要特別照管。OFDM的動態范圍和線性要求，可以要特別照管。OFDM的動態范圍和線性要求，可以做得與單載波調制在減小PAR時的情況相仿。

3 MIMO-OFDM系統結構特點

　　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NLOS的要求?，F在簡單說說這種系統實際試用所采取的結構。關于發送分集的方案，這里對下行通路選用“時延分集”，它裝備簡單、性能優良，又沒有反饋要求。它是讓第二副天線發出的信號比第一副天線發出的延遲一時間。發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。如采用適當的編碼和穿插，接收端可以獲得“空間——頻率”分集增益，而不需預知通路情況。

　　新一代系統裝用了改進的發送分集方案。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送兩個各自編碼的數據流。一個較高數據速率的信號可以是由低速率數據流多組成，每一低速數據流各自經過編碼和調制，由不同的天線發送，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據流信號的線性組合，這兩個數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。接收天線的數目一般應該多于獨立發送信號的數目，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（maximal ratiocambining），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，如有兩個數據流互相干擾，或者從頻率再利用的鄰近地區傳來干擾，MRC就不能起遏止作用。這時，利用“最小的均方誤差”MMSE（minimum mean sguare error），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（signal to interference plus noise ratio）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，上行和下行傳輸的開頭都有同步槽，用于傳送定時相位、定時頻率和頻率偏移估計，數據和訓練序列都由偶數音調傳輸，而奇數音調為零。這是時域信號的重復形式，便于對上述各項參數作估計。獲得了同步后，可從計練音調作出定時估計。新一代無線系統采用自適應調制和編碼，以便提供用戶的線路參數最佳化，從而獲得最大的系統容量。根據用戶的SINR統計和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（Reed & Solomon）。有些編碼，可使2MHz通路傳送數據速率1.1-6.8Mb/s。

4 MIMO-OFDM無線網的現場測試

　　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，覆蓋區是在半徑35英里和120度扇區范圍內?；_發射功率為35.5dBm，用戶終端發射功率30dBm。下行無線通路使用的中心頻率為2.683GHz，上行則為2.545GHz，數據業務占用頻帶寬度2GHz，基臺的發送和接收天線各自相隔16個和8個波長。現場試驗主要是為了估計modem的性能和無線通路特性。測試時，覆蓋區內用戶終端有固定的，也有移動的。測試系統的每一收發信機各有2×3個多徑通路，因而它簡稱2×3系統。

　　衰落邊際的大小是決定于賴斯K因數、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系統的衰落邊際是10dB，而1×2系統的是23dB，1×1系統的是35dB，顯示2×3系統的優越性?，F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系統接收信噪比特性曲線最高，1×2系統次之，而1×1系統最差，和我們預料的相同。

　　在同樣發射功率和99.9％通路可靠性的要求下，1×2和1×1系統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，甚至使覆蓋區半徑減小一半，面積減小至1/4。這樣，2×3、1×2、1×1系統的覆蓋區半徑實際上分別為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，故容許的數據速率可以較高。測試分析結果認為：1×1和1×2系統的最高數據速率可以是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，實驗結果和現場測試都表明，MIMO-OFDM系統在通信容量覆蓋距離和可靠性方面都優于SISO、MISO和SIMO系統，值得新一代寬帶無線移動通信網考慮引用。

摘自《移動通信在線》