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无线通信传播技术探究趋势

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本文作者:黎建波单位:中国电信湖南分公司湖南长沙

1第四代无线通信简介

目前被国际电信联盟(ITU)正式收纳的4G标准总共有4种,分别是LTE、LTE-Advanced、WiMax、WirelessMAN-Advanced。LTE(LongTimeEvolution,长期演进)是3G的演进,始于2004年底由第三代合作伙伴计划(The3rdGenerationPartnershipProject,3GPP)提出来的,2005年正式确定了其系统目标,成为4G标准之一[1]。LTE改进并增强了3G其空中接口技术,并且采用多输入多输出(MultipleInputandMultipleOutput,MIMO)和正交频分复用(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing,OFDM)技术作为其无线网络演进的唯一标准。

在20MHz的频谱带宽下至少能够提供下行100Mbit/s和上行50Mbit/s的峰值速率[1]。其主要特点是较高的频谱利用率,灵活的带宽配置,严格的QoS机制以及较低的网络延迟。LTE-Advanced,从字面上看就可以知道它是LTE的升级版,其完全兼容LTE,增加了频谱的带宽,在最大带宽100MHz下能够提供下行链路1Gbit/s和上行链路500Mbit/s的峰值速率,如果结合MIMO技术,那么可以提供数倍于原来的传输速率。

LTE和LTE-Advanced可分为频分双工(FDD)和时分双工(TDD)两种制式。由中国移动主导的TD-SCDMA网络能够直接演化到TD-LTE网络。由于LTE符合目前多种无线通信标准的直接演进,因此LTE获得了国际上大多无线网络供应商的支持,也将成为未来4G标准的主流。在国内,电信的CDMA2000、联通的WCDMA以及移动的TD-SCDMA也都明确了3G向LTE演进的方向。其中LTE采用的OFDM和MIMO技术也是目前国际上最热门的研究课题。

2.OFDM和多天线技术

OFDM技术是一种特殊的多载波传输方案,各子载波之间相互正交,可以有效地提高频谱资源的利用率,同时OFDM将总的带宽分割为若干个窄带子载波,这样可以有效抵抗频率选择性衰落,大大地简化了信道均衡的复杂度。与MIMO技术相结合的MIMO-OFDM系统既可以达到很高的传输效率,又可以通过传输分集达到很高的可靠性,从而成为第四代移动通信系统核心技术的解决方案。

2.1OFDM技术

OFDM是一种高频谱利用率的并行传输技术,其思想是在给定的频域内将传输信道分成多个正交子载波,然后将高速数据信号转换成多个并行的低速子数据流,调制到每个子载波上进行窄带传输[2]。接收端可以利用子载波的正交性来单独地对各子载波数据进行均衡和解调。如图1所示,由于频谱重叠,各个正交的子载波可以部分重叠而又不影响,相对于普通的频分复用技术,OFDM系统可以大大提高频谱的利用率。OFDM传输技术最大的优点在于它可以抵抗频率选择性衰落信道和多径衰落,并且在接收端,经过无线信道后的OFDM信号各子载波间仍保持了原有的正交性,信道对子载波上数据的影响可以简化为一个复数与子载波上的信号相乘。因此,对信号的均衡变成了简单地对接收的单个子载波数据进行除法操作。

OFDM的发射机和接收机结构如图2所示,经过信道编码的串行数据比特通过串并转换和星座映射后,可以得到一串复数符号,然后将这些符号映射到M个子载波上,并通过OFDM解调将这M个子载波上的频域信号转换到时域,在将时域的OFDM信号发射出去之前,还要在每一个OFDM符号之前插入一个循环前缀(CyclicPrefix,CP),CP插入是将时域OFDM符号尾部的一部分信号搬移到其头部,CP的长度必须大于多径延时,这样可以使得前一OFDM符号对当前OFDM符号的干扰只影响到循环前缀部分,而不会对当前OFDM符号造成影响,消除了OFDM符号之间的干扰。最后经过串并传换将时域信号发送出去。在接收端进行着与发射端相反的过程,把数据从接收的信号解调出来。OFDM调制和解调可以采用快速反傅里叶变换(IFFT)和快速傅里叶变换(FFT)方法来实现。FFT是离散傅里叶变换(DFT)的一种快速实现方式,一个N点的DFT表达式为:一个N点的DFT分别需要次复数乘法和复数加法,而基-2分解的FFT算法只要次复数乘法和次复数加法,所以当N的值比较大时,FFT算法可以大大降低了计算复杂度,如图3所示。

2.2多天线技术

多天线技术指在基站和(或)移动台使用多个天线进行接收和发送的技术,能够在不额外增加功率、频率等资源的前提下,有效地提高系统的容量和覆盖能力。理论上,一个独立的多天线无线信道的信道容量与发送天线数目和接收天线数目的最小值成正比(线性增长),即个移动终端的点对多点通信机制,所以增加基站的收发天线数目,既能有效地提升全系统的性能,又不至于增加过多的成本代价。不过信道的相关性将降低MIMO技术的效果。对于多个发送/接收天线构成天线阵,其阵元间隔和极化方向是决定信道相关性的主要因素。

一般来说,不同极化方向的天线间的信道相关性较小,阵元间隔较小的天线间的信道相关性较小。此外,天线的安装和维护、站址等都是进行天线规格选型的重要参考因素,天线间距太大则整个天线阵的尺寸很大,会对天线安装和站址选择造成不便。下面对本文中出现的若干技术词汇进行解释和澄清,这些澄清仅限于简化本文后续说明,其它文献可能有不同的定义:MIMO:本文MIMO指采用空时编码技术的2天线发送和接收方式,包括2天线MIMOMatrixA(Alamouti空间分集发射方式)、2天线MIMOMatrixB(V-BLAST空间复用发射方式)两种不同方式。CDD:CyclicDelayDiversity循环延迟分集,见后文详细介绍。BF:Beamforming波束成形,见后文详细介绍。

2.2.1天线CDD技术

1)技术原理

CDD(CyclicDelayDiversity),即循环延迟分集发射技术,如图4所示。其在不同天线上发送相同的信息,但在天线之间引入不同的循环延迟,从而将空间分集等效到OFDM系统的频率分集上。该技术既能够保持对协议和已有终端的完全兼容,又能够通过与编码、交织等技术进行有效结合,在不增加系统额外开销的情况下获得一定的频率分集增益。图5给出了单天线系统与双天线CDD系统在相同信道模型下的信道响应曲线。x轴为频率维度(子载波为单位),y轴为时间维度(OFDM符号为单位),z轴为信道的功率响应(以dB为单位)。从图中可以看出:单天线OFDM系统下,由于多径导致了一个宽频带的深度衰落过程。使用CDD技术后,加快了信道响应在频率维度上的变化,采用冗余编码技术就能够克服这些窄带衰落,从而获得额外的频率分集增益。集发射技术,如图4所示。其在不同天线上发送相同的信息,但在天线之间引入不同的循环延迟,从而将空间分集等效到OFDM系统的频率分集上。该技术既能够保持对协议和已有终端的完全兼容,又能够通过与编码、交织等技术进行有效结合,在不增加系统额外开销的情况下获得一定的频率分集增益。不过采用CDD技术在引入频率选择性的同时,也会引入一定的信道估计误差。频率选择性越强,信道估计误差就越大,因此从理论上,CDD技术在低速移动场景下的性能会优于高速移动场景。2T2R系统天线回退到1T1R的状态转换如图6所示。

2)应用效果(以下增益中包括了功率增益)

从工程上讲,采用2天线CDD发射以后,每个发射通道的发射功率与常规的单天线系统相同(例如:10W),这样不会对射频通道和功率放大器等器件提出额外的要求,能够采用目前成熟的射频技术。此外,2个发射天线还可以互为备份。从功率上讲,采用2天线CDD发射技术,可以获得3dB功率增益,增强下行信号强度,提高信号的接收RSSI值。在一般城区环境中大约可提升20%左右覆盖距离,也即覆盖面积提升50%左右。需要指出的是,如果实际场景是干扰受限的话,则下行功率提升对接收信号质量CINR的提升作用是有限的(城区蜂窝网络一般都是干扰受限的)。

图7分别为站间距为1.5km情况下,不同基站总发射功率场景下的Geometry分布,横轴为Geometry值,纵轴为累积概率分布,图中不同的曲线分别为基站发射功率为35dBm、37dBm、40dBm、43dBm、46dBm、49dBm和功率无穷大时候的Geometry累积分布情况。仿真表明:在覆盖受限场景(如站间距1.5km),增加基站的发射功率能够有效地提升覆盖能力。

CDD双天线发射除了功率增益外,还会带来分集增益.其分集增益大小与无线场景有关。链路仿真场景按照WiMAX论坛发布的仿真规范《WiMAXSimulationMethodology》中定义设置(下文同样处理),分别针对AWGN、PB3kmph、VA30kmph等不同信道模型,采用WiMAX协议定义的8种不同的编码调制方式下,对1x1、2x1和2x2的链路层解调性能进行了对比(下文如不做特别说明,则均是采用类似规范做仿真实验)。图中,横轴为不同的编码调制方式(QPSK1/2、QPSK3/4、16QAM1/2、16QAM3/4、64QAM1/2、64QAM2/3、64QAM3/4、64QAM5/6等8种,以下皆同),纵轴为1%误码的解调门限值。

仿真结果表明:在衰落信道下(实际的组网环境),2x1两天线CDD技术能够相对于1x1单天线获得3.8~4.8dB增益,2x2两天线CDD技术相对于1x1单天线能够获得9~13.3dB增益,且随着终端移动速度的增加,CDD增益变小。另一方面,在相同的信道模型下,CDD增益随调制阶数的增加而降低。这是因为:采用CDD发射技术以后,会导致信道估计误差增大。随着移动速度的增加,信道估计误差也增大;另一方面,信道估计误差对高阶调制的解调性能的影响比对低阶调制的影响要大。

3)局限性

2发射天线能够提供一定的功率增益,用以提升覆盖,但是功率增益主要体现在覆盖受限的场景下;如果当前系统是干扰受限的系统,作用并不明。由于采用CDD发射技术以后,会导致信道估计误差增大。因此,CDD的增益将随终端移动速度的增加而减小,随调制阶数的增加而减小,但总的来说,2天线CDD技术都能带来一定的增益。

2.2.2天线MIMO技术

1)技术原理

根据目前的SystemProfileRelease1.0定义,MIMOMatrixA在两组天线上发射内容上相关的两路信号,在连续的两个发送时间内,在天线0上发送,在天线1上发送,并且每个天线只发送1/2数量的导频符号,确保两发送天线的导频正交。发射信号经过空间物理环境的影响(反射、折射等),离散成多个相位不同的信号。理论上讲,两路发送信号可以获得3dB的空间分集增益,可以降低接收端的误码率,提高系统的覆盖。MIMOMatrixA发射模式示意如图8。MIMOMatrixA发射模式下每个天线的导频符号数量仅为普通单天线发射模式下导频符号的一半,如图9所示,由此导致了该模式下信道估计能力的下降,会在一定程度上降低MIMOMatrixA所获得的空间分集增益。照既定的映射方式映射到子信道上。在不同的发射天线上发射不同的数据符号,可以获得复用增益,从而提高系统容量。同样,MIMOMatrixB发射模式下两个天线各发送1/2数量的导频符号,确保两发送天线的导频正交,因此,每个天线的导频符号数量仅为普通单天线发射模式下导频符号的一半,会引入一定的信道估计误差。

MIMOMatrixA与MIMOMatrixB还可通过AMS(AdaptiveMIMOSwitching)实现自适应选择切换,具体实现方法分为两种:一种是移动终端通过主动上报的MIMO模式切换请求,基站根据请求消息来调整用户的MIMO模式;另一种是基站根据移动终端的SINR来自主地决定用户的MIMO模式。在低SINR情况下使能MatrixA,在高SINR情况下使能MatrixB,MIMO模式切换的SINR门限值由系统设定,并由基于HARQ的外环模式实际调整,一个典型的取值可以是21dB。这样既保证了理想的频谱效率,又实现了覆盖和容量的平衡。(注:MIMOB是一个复用干扰系统,采用SIC接收时还存在误码扩散,因此在低SINR下,MIMOB系统的性能将很差。)通过采用下行MIMO技术,特别是采用MIMOMatrixA以后,系统的覆盖能够得到很大的提高。

2)应用效果(以下增益中包括了功率增益)

仿真结果表明:在衰落信道下,相比1x1单天线系统,采用MIMOMatrixA技术以后,2x1两天线MIMOMatrixA系统能够获得5.15~7.8dB增益,2x2两天线MIMOMatrixA系统能够获得9.9~15.2dB增益。

3)局限性

MIMO技术需要基于WaveII的终端支持,而已商用的现网中有一部分老终端是基于WaveI的,即无法支持MIMO技术,会导致这部分用户无法享受MIMO技术带来的覆盖提升功能。

由于2天线MIMO技术每个天线只使用了一半的导频符号用以信道估计,所以会增大信道估计误差,对高速移动信道和高阶调制系统的影响更为严重,导致其MIMO增益降低。从前面的仿真结果还可以看出,MIMO的增益与无线信道环境密切相关(多径弥散的环境下将有利于MIMO增益的获取),因此在商用外场实际测试到的增益与仿真结果会有差异。(注:此处提升覆盖的MIMO主要指MIMOMatrixA技术,而MIMOMatrixB是容量增强技术,并不会带来直接的覆盖能力提升。)

3.MIMO和OFDM技术结合4G无线通信需要极高的频谱利用率,而利用OFDM技术来提高频谱的利用率毕竟是有限的,在OFDM的基础上合理开发空间复用性,也就是MIMO-OFDM技术,可以提供更高的数据传输速率。另一方面,多个天线发送的数据占用了同一传输信道和频率资源,没有增加系统的带宽。因此MIMO技术在不增加带宽和天线发送功率的情况下,可以成倍地提高无线信道容量和频谱利用率[4]。

4.4G的挑战

MIMO-OFDM技术已经成为无线通信领域的关键技术之一,通过近几年的持续发展,MIMO-OFDM技术将越来越多地应用于各种无线通信系统。在无线宽带移动通信系统方面,LTE、WiMax等主流4G标准也都采用了MIMO和OFDM的相结合。但是MIMO-OFDM技术在性能上带来了诸多好处的同时也对实时信号处理提出很大的挑战。目前MIMO-OFDM技术正从前期理论研究转入了理论研究和实际应用相结合的阶段。现在国内外有很多学者正研究MIMO-OFDM技术在实际应用中遇到的实现问题。比如随着使用天线数目的增加,OFDM调制解调、MIMO信道估计和MIMO均衡技术实现的复杂度成指数级增高,这对现有的基带信号处理器提出了很高的要求,特别是在功耗受限的手持设备,只能配备一根天线,从而限制了天线的使用数目,不能充分发挥MIMO技术的优势。目前,如何在保证一定的系统性能的基础上降低MIMO-OFDM技术的算法复杂度和实现复杂度,以及低功耗基带信号处理器的设计技术成为学术界和工业界面对的巨大挑战[5]。

5结束语下一代无线通信将继续沿着高速率、高带宽和高可靠性方向发展。MIMO-OFDM技术既能提高系统的分集增益和系统容量,又能增加频谱利用率,

有效对抗频率选择性和多径衰落,将成为第四代无线宽带移动通信系统和无线宽带接入系统的关键技术。同时,MIMO-OFDM算法的高复杂度也对信号处理带来了巨大的挑战,限制了其自身发展。但是随着人们对高质量的无线通信系统的需求不断催生新技术的发展和应用,MIMO-OFDM技术终将以完美的姿态展现在我们的生活中。

无线通信传播技术探究趋势责任编辑:陈老师    阅读:人次