----宋停云與您分享--------宋停云與您分享----無線通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計與現(xiàn)場測試為了能夠像有線通信網(wǎng)那樣讓通信用戶便利地接入因特網(wǎng)和實現(xiàn)多媒體通信業(yè)務(wù)，無線通信網(wǎng)也要建成寬帶網(wǎng)和供應(yīng)良好的業(yè)務(wù)質(zhì)量(QoS)，以適應(yīng)移動通信進展的要求。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(shè)備成本。這樣寬帶的光線通路一般是非視距傳輸?shù)男诺?NLOS)，必需能夠免予患病時間和頻率的選擇性衰落的損害。

蜂窩網(wǎng)4G將是滿意這些要求的寬帶無線通信網(wǎng)。它們應(yīng)能在蜂窩區(qū)范圍內(nèi)有良好的掩蓋面，每一區(qū)內(nèi)至少有90%的移動用戶對通信滿足，而且有99.9%的傳輸牢靠性，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。為了滿意這些較高的要求，最近有討論單位實行了兩種技術(shù)：一是“多輸入和多輸出天線”MIMO，二是“正文頻分多路調(diào)制”O(jiān)FDM。

在發(fā)送端和接收端各設(shè)置多重天線，可以供應(yīng)空間分集效應(yīng)，克服電波衰落的不良影響。這是由于支配恰當(dāng)?shù)亩喔碧炀€供應(yīng)多個空間信道，不會全部同時受到衰落。在上述詳細試驗系統(tǒng)中，每一基臺各設(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，基臺的兩副發(fā)送天線于必要時可以用來傳輸不同的數(shù)據(jù)信號，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)單個載波之處，是由于一個寬帶信號分在多個窄帶載波傳送，可以避開每載波經(jīng)受不同的多途徑傳播影響，又可以省掉簡單的均衡器設(shè)施，這就有利于較高數(shù)據(jù)速率的傳送。如OFDM采納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，依它們的通路狀況而定。由于通路狀況隨時間變化，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(diào)制編碼、信號帶寬、信號功率、預(yù)選周期、通路估量濾波器和自動增益掌握等系統(tǒng)參數(shù)最佳化。當(dāng)然，還必需有效地設(shè)計“媒介接入掌握”MAC，以期在有損耗的無線通路上取得牢靠的傳輸性能，讓TCP/IP規(guī)約有效地運用，這里可考慮“自動重復(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。假如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(dāng)于“時間分集”，藉以克服噪聲、干擾和衰落等不良影響。業(yè)務(wù)質(zhì)量QoS總的目的是要牢靠地取得每一通信用戶長期使用感到滿足。

一、MIMO-OFDM設(shè)計要素

寬帶無線通信網(wǎng)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(wǎng)基臺向移動用戶終端發(fā)送的無線電波，經(jīng)常遇到很多不同的障礙物，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。這些都是簡單的“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(shè)計無線網(wǎng)時，應(yīng)依據(jù)這些非視距傳播的特點，實行相應(yīng)有效的對策。

特殊對于通路色散、k因數(shù)、多普勒、交叉偏振、天線相關(guān)性等等，應(yīng)加以親密留意，需要詳細考慮射頻及硬件，數(shù)/模和模/數(shù)轉(zhuǎn)換器和其時鐘、升頻和降頻轉(zhuǎn)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(chǎn)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(nèi)。這類無線通路的衰落信號大小是依從“賴斯”(Rice)分布規(guī)律，取決于固定通路重量功率Pc與散射通路重量功率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(shè)計的重要參數(shù)，由于它與一般深度衰落的概率有關(guān)。為了牢靠的通信，不論固定的、還是移動的通信系統(tǒng)，在設(shè)計時都應(yīng)考慮這種最嚴峻的“瑞利”(RayLeigh)衰落。

在固定無線通路和移動無線通路都會消失多普勒(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，其頻譜外形近于指數(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(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。實際應(yīng)用一般實行較低的相關(guān)系數(shù)。如基臺和接收天線的構(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(jù)系統(tǒng)設(shè)計時必需妥慎考慮。無線系統(tǒng)往往與其他通信系統(tǒng)一同運用，發(fā)信機的放射特性應(yīng)當(dāng)考慮到不阻礙其他系統(tǒng)的正常運用，而收信機的檢測特性應(yīng)當(dāng)有力量忍受不良的干擾信號影響。設(shè)備硬件如產(chǎn)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，硬件畸變將最終打算通路的最好性能。

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(jù)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(jù)速率按對數(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，對于MIMO運用于分集狀態(tài)的狀況，硬件要求可以比SISO系統(tǒng)的低，由于分集各路的畸變一般是互不相關(guān)的。這樣，在2-5GHz頻段運用的線設(shè)備硬件，有可能利用集成電路片制成，使成本降低。如發(fā)信和接收兩端的全部畸變都考慮到，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)。

寬帶無線系統(tǒng)的發(fā)送端和接收端有許多發(fā)生畸變的源，最主要是來自數(shù)/模和模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(DAC/ADC)的信號混合器，它們飽和運用時將產(chǎn)生畸變和噪聲，需要足夠的電平掌握加以遏止。兩種轉(zhuǎn)換器的鐘使發(fā)送端和接收端的取樣時間不勻稱間隔。雖然接收端的定時跟蹤環(huán)路用于應(yīng)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需小于數(shù)據(jù)速率的1%。升頻和降頻轉(zhuǎn)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(diào)寬度的1%，則其積分必需小于-30dB，以期SDR大于30dB。

總之，全部硬件都將引起噪聲，信號處理的范圍應(yīng)當(dāng)有肯定限度，以確保沒有顯著的畸變。對此，有必要裝用功率掌握和自動增益掌握，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(diào)制相比較，有稍高的峰值與均值之比PAR而且需要特殊照管。OFDM的動態(tài)范圍和線性要求，可以要特殊照管。OFDM的動態(tài)范圍和線性要求，可以做得與單載波調(diào)制在減小PAR時的狀況相仿。

二、MIMO-OFDM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點

上面已經(jīng)提到，MIMO多重天線和OFDM調(diào)制方式相結(jié)合，可以滿意非視距通信系統(tǒng)NLOS的要求。現(xiàn)在簡潔說說這種系統(tǒng)實際試用所實行的結(jié)構(gòu)。關(guān)于發(fā)送分集的方案，這里對下行通路選用“時延分集”，它裝備簡潔、性能優(yōu)良，又沒有反饋要求。它是讓其次副天線發(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(yīng)得到頻率選擇性。如采納適當(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)知通路狀況。

新一代系統(tǒng)裝用了改進的發(fā)送分集方案。它采納的空間時間編碼是不需要反饋的編碼，又采納依據(jù)通路統(tǒng)計性進行線性預(yù)編碼，只需要很小反饋。在“空間——時間”編碼方案，同一信號經(jīng)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(yù)編碼可以和“空間——時間”碼結(jié)合使用，可能比時延分集系統(tǒng)獵取2-6dB的增益，也可能比分組碼獵取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(jù)流。一個較高數(shù)據(jù)速率的信號可以是由低速率數(shù)據(jù)流多組成，每一低速數(shù)據(jù)流各自經(jīng)過編碼和調(diào)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(jù)流信號的線性組合，這兩個數(shù)據(jù)流已分別由不同沖擊響應(yīng)所濾波。接收機將兩個信號分開，利用空間均衡器，并經(jīng)過解調(diào)、解碼和解復(fù)接，獵取原來信號。接收天線的數(shù)目一般應(yīng)當(dāng)多于發(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(jù)流相互干擾，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量值的均方誤差最小，從而使“信號與干擾及噪聲比”SINR最大。上述MRC和MMSE得出軟信號估量，輸入至軟解碼器。它們的適當(dāng)運用可能對頻率選擇性通路供應(yīng)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量，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。這是時域信號的重復(fù)形式，便于對上述各項參數(shù)作估量。獲得了同步