【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 各空間信道之間的相關(guān)性較大，因此空 間復(fù)用的效果要差許多。 對(duì)發(fā)射信號(hào)進(jìn)行空時(shí)編碼可以獲得額外的分集增益和編碼增益，從而可以在信噪比相對(duì)較小的無(wú)線環(huán)境下使用高階調(diào)制方式，但無(wú)法獲取空間并行信道帶來(lái)的速率紅利。空時(shí)編碼技術(shù)在無(wú)線相關(guān)性較大的場(chǎng)合也能很好的發(fā)揮效能。 因此，在 MIMO 的實(shí)際使用中，空間復(fù)用技術(shù)往往和空時(shí)編碼結(jié)合使用。當(dāng)信道處于理想狀態(tài)或信道間相關(guān)性小時(shí)，發(fā)射端采用空間復(fù)用的發(fā)射方案，例如密集城區(qū)、室內(nèi)覆蓋等場(chǎng)景；當(dāng)信道間相關(guān)性大時(shí)，采用空時(shí)編碼的發(fā)射方案，例如市郊、農(nóng)村地區(qū)。這也是 3GPP 在 FDD 系統(tǒng)中推薦的方式。 波束成型技術(shù)在 能夠獲取信道狀態(tài)信息時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)較好的信號(hào)增益及干擾抑制，因此比較適合 TDD 系統(tǒng)。波束成型技術(shù)不適合密集城區(qū)、室內(nèi)覆蓋等環(huán)境，由于反射的原因，一方面接收端會(huì)收到太多路徑的信號(hào)，導(dǎo)致相位疊加的效果不佳；另一方面，大量的多徑信號(hào)會(huì)導(dǎo)致 DOA 信息估算困難。 OFDM 技術(shù) OFDM 技術(shù)原理 隨著通信需求的不斷增長(zhǎng)，寬帶化已成為當(dāng)今通信技術(shù)領(lǐng)域的主要發(fā)展方向之一，而網(wǎng)絡(luò)的迅速增長(zhǎng)使人們對(duì)無(wú)線通信提出了更高的要求。為有效解決無(wú)線信道中多徑衰落和加性噪聲等問(wèn)題，同時(shí)降低系統(tǒng)成本，人們采用了正交頻分復(fù)用 （ OFDM）技術(shù)。 OFDM是一種多載波并行 傳輸系統(tǒng) ，通過(guò)延長(zhǎng)傳輸符號(hào)的周期，增強(qiáng)其抵抗 回波的能力 ， 基本原理是：高速信息數(shù)據(jù)流通過(guò)串并變換，分配到速率相對(duì)較低的若干子信道中傳輸，每個(gè)子信道中的符號(hào)周期相對(duì)增加，這樣可減少因無(wú)線信道多徑時(shí)延擴(kuò)展所產(chǎn)生的時(shí)間彌散性對(duì)系統(tǒng)造成的碼間干擾。另外，由于引入保護(hù)間隔，在保護(hù)間隔大于最大多徑時(shí)延擴(kuò)展的情況下，可以最大限度地 消除多徑帶來(lái)的符號(hào)間干擾。如果用循環(huán)前綴作為保護(hù)間隔，還可避免多徑帶來(lái)的信道間干擾。而且由于每個(gè)子信道的帶寬僅僅是原信道帶寬的一小部分，信道均衡變得相對(duì)容易。與傳統(tǒng)的均 衡器 比較，它最大的特點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可大大降低成本，且在實(shí)際應(yīng)用中非常靈活，對(duì)高速數(shù)字通信量一種非常有潛力的技術(shù)。 OFDM 系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù) （ 1） 時(shí)域和頻域同步 OFDM 系統(tǒng)對(duì)定時(shí)和頻率偏移敏感 ，特別是實(shí)際應(yīng)用中 FDMA、 TDMA 利 CDMA 等多址方式結(jié)合使用時(shí)，時(shí)域和頻率同步顯得尤為重要。與其他數(shù)字通信系統(tǒng) 一樣，同步分為捕獲和跟蹤兩個(gè)階段。在下行鏈路中，基站向各個(gè)移動(dòng)終端廣播發(fā)送同步信號(hào)，所以， 下行鏈路相對(duì)簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)。在上行鏈路中，來(lái)自不問(wèn)移動(dòng)終端的信號(hào)必須同步到達(dá)基站，才能保證子載波間的正交件?；靖鶕?jù)各移動(dòng)終端發(fā)來(lái)的子載波攜帶信息進(jìn)行時(shí)域和頻域同步信息的提取，再由基站發(fā)回移動(dòng)終端，以便讓移動(dòng)終端進(jìn)行向步。具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，同步將分為時(shí)域同步和領(lǐng)域同步，也可以時(shí)域和頻域向時(shí)進(jìn)行同步。 （ 2） 信道估計(jì) wifi 技術(shù)與覆蓋研究 7 在 OFDM 系統(tǒng)中，信道估計(jì)主要有兩個(gè)問(wèn)題，一是導(dǎo)頻信息的選擇。由于無(wú)線信道常常是衰落倍道，需要不斷對(duì)信道邁進(jìn)行跟蹤，因此導(dǎo)信息也必須個(gè)斷地傳送。二是復(fù)雜度較低的和導(dǎo)頻跟蹤能力良好的信道估計(jì)格的設(shè)計(jì)。 （ 3） 信道編碼和交織 為了提高數(shù)字通信系統(tǒng)性能，信通編碼和交織是普遍采用的方法。對(duì)于衰落信道的隨機(jī)錯(cuò)誤可以采用交織技術(shù)，通常還同時(shí)采用編碼技術(shù)，以提高系統(tǒng)性能。 （ 4） 降低峰值平均功率比 由于 OFDM 情號(hào)時(shí)域上表現(xiàn)為 N 個(gè)正交子裁波信號(hào)的疊加，當(dāng)這 N 個(gè)信號(hào)恰恰好均以峰值相加時(shí)， OFDM 信號(hào)也將嚴(yán)生最大 峰值，該峰值功率足平均功率的 N 倍。盡管峰值功率出現(xiàn)的概率較低，但是為了不失真的傳輸 OFDM 信號(hào)，要求發(fā)射功率放大器有很高的線性度，從而導(dǎo)致發(fā)射效率極低。因此高的峰均比限制了 OFDM 系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)用。 OFDM 技術(shù)的優(yōu)點(diǎn) （ 1） OFDM 具有非常高的頻譜利用率。 OFDM 系統(tǒng)各子信道間不但沒(méi)有保護(hù)頻帶，而且相鄰信道間信號(hào)的頻譜的主瓣還相互重疊，但各子信道信號(hào)的頻譜在頻域上是相互正交的，各子載波在時(shí)域上是正交的， OFDM 系統(tǒng)的各子信道信號(hào)的分離（解調(diào)）是靠這種正交性來(lái)完成的。另外， OFDM 的個(gè)子信道上還可 以采用多進(jìn)制調(diào)制（如頻譜效率很高的QAM），進(jìn)一步提高了 OFDM 系統(tǒng)的頻譜效率，這一點(diǎn)在頻譜資源有限的無(wú)線環(huán)境中很重要。 （ 2） 抗多徑干擾與頻率選擇性衰落能力強(qiáng)，由于 OFDM 系統(tǒng)把數(shù)據(jù)分散到許多個(gè)子載波上，大大降低了各子載波的符號(hào)速率，從而減弱多徑傳播的影響，若再通過(guò)采用加循環(huán)前綴作為保護(hù)間隔的方法，甚至可以完全消除符號(hào)間干擾。 （ 3） 采用動(dòng)態(tài)子載波分配技術(shù)能使系統(tǒng)達(dá)到最大比特率。通過(guò)選取各子信道，每個(gè)符號(hào)的比特?cái)?shù)以及分配給各子信道的功率使總比特率最大。即要求各子信道信息分配應(yīng)遵循信息論中的 “ 注水定理 ” ，亦 即優(yōu)質(zhì)信道多傳送，較差信道少傳送，劣質(zhì)信道不傳送的原則。 （ 4） 通過(guò)各子載波的聯(lián)合編碼，可具有很強(qiáng)的抗衰落能力。 OFDM 技術(shù)本身已經(jīng)利用了信道的頻率分集，如果衰落不是特別嚴(yán)重，就沒(méi)有必要再加時(shí)域均衡器。但通過(guò)將各個(gè)信道聯(lián)合編碼，可以使系統(tǒng)性能得到提高。 （ 5） 基于離散傅立葉變換 (DFT)的 OFDM 有快速算法， OFDM 采用 IFFT 和 FFT 來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)制和解調(diào)，易用 DSP 實(shí)現(xiàn)。 OFDM 技術(shù)的缺點(diǎn) （ 1） 易受頻率偏差陰影響。由于子信道的頻譜相互覆蓋，這就對(duì)它門(mén)之間的正交件提出了嚴(yán)格的要求。由于無(wú)線信道的 時(shí)變性，在傳輸過(guò)程中出現(xiàn)的天線信號(hào)頻譜偏移或發(fā)射機(jī)與接收機(jī)本地振蕩器之間存在的頻率偏差，都會(huì)使 OFDM 系統(tǒng)于載波之間的正交性遭到破壞，導(dǎo)致子信道間十?dāng)_ (ICI)，這種對(duì)頻率偏差的敏感件是 0FDM 系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)之一。 （ 2） 存在較高的峰值平均功率比。多載波系統(tǒng)的輸出是多個(gè)子信通信號(hào)的疊加，因此如果多個(gè)信號(hào)的相位一致時(shí)，所得到的疊加信號(hào)的瞬時(shí)功率就會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于信號(hào)的平均功率，導(dǎo)致較大的峰值平均功率比 (PAPR)。這就對(duì)發(fā)射機(jī)內(nèi)放大器的線性度提出了很高的要求，因此可能帶來(lái)信號(hào)畸變，使信號(hào)頻譜發(fā)個(gè)變化，從而導(dǎo)致各個(gè)子 信道間的正交性遭到破壞，產(chǎn)生干擾，使系統(tǒng)的性能惡化。 wifi 技術(shù)與覆蓋研究 8 MIMOOFDM技術(shù) MIMO 與 OFDM 的結(jié)合 盡管 OFDM 有著種種優(yōu)勢(shì)，但是對(duì)于高速無(wú)線通信時(shí)代，單純的 OFDM 系統(tǒng)傳輸容量仍無(wú)法大幅提高。 MIMO 系統(tǒng)在一定程度上可以利用傳播中多徑分量，也就是說(shuō) MIMO可以抗多徑衰落，但是對(duì)于頻率選擇性深衰落， MIMO 系統(tǒng)依然是無(wú)能為力。目前解決MIMO 系統(tǒng)中的頻率選擇性衰落的方案一般是利用均衡技術(shù)，還有一種是利用 OFDM。OFDM 提高頻譜利用率的作用畢竟是有限的，在 OFDM 的基礎(chǔ)上合理開(kāi)發(fā)空間 資源，也就是 MIMO+OFDM，可以提供更高的數(shù)據(jù)傳輸速率。另外 ODFM 由于碼率低和加入了時(shí)間保護(hù)間隔而具有極強(qiáng)的抗多徑干擾能力。由于多徑時(shí)延小于保護(hù)間隔，所以系統(tǒng)不受碼間干擾的困擾，這就允許單頻網(wǎng)絡(luò) (SFN)可以用于寬帶 OFDM 系統(tǒng)，依靠多天線來(lái)實(shí)現(xiàn)，即采用由大量低功率發(fā)射機(jī)組成的發(fā)射機(jī)陣列消除陰影效應(yīng)，來(lái)實(shí)現(xiàn)完全覆蓋。因此，MIMO 與 OFDM 技術(shù)的結(jié)合成為一種優(yōu)化組合 ， 其頻譜利用率高、信號(hào)傳輸穩(wěn)定、高傳輸速率等基本特性能夠滿足下一代無(wú)線傳輸網(wǎng)發(fā)展要求?？偠灾?MIMOOFDM 系統(tǒng)中，增加了頻域的分 集和復(fù)用作用，帶來(lái)了更大的系統(tǒng)增益和系統(tǒng)容量。 MIMOOFDM 系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù) （ 1） MIMO 空時(shí)信號(hào)處理技術(shù) 空時(shí)信號(hào)處理是隨著 MIMO 技術(shù)而誕生的一個(gè)嶄新的概念，與傳統(tǒng)信號(hào)處理方式的不同之處在于其同時(shí)從時(shí)間和空間兩方面研究信號(hào)的處理問(wèn)題?？諘r(shí)信號(hào)處理包括發(fā)射端的信令方案和接收端的檢測(cè)算法。從信令方案的角度看， MIMO 可以大致分為空時(shí)編碼（ STC:Space Time Coding）和空間復(fù)用（ SM:Spatial Multiplexing）兩種。將空間復(fù)用和空時(shí)編碼相結(jié)合，能在保證每個(gè)數(shù)據(jù) 流獲得最小分集增益的條件下，最大化平均數(shù)據(jù)率，從而得到高頻譜效率和傳輸質(zhì)量的良好折中。 （ 2）同步 對(duì)于無(wú)線通信來(lái)說(shuō)，無(wú)線信道存在時(shí)變性，在傳輸中存在的頻率偏移會(huì)使MIMOOFDM 系統(tǒng)子載波之間的正交性遭到破壞，相位噪聲對(duì)系統(tǒng)也有很大的損害。為解決 MIMOOFDM 的同步問(wèn)題，出現(xiàn)了多種同步算法，主要是針對(duì)循環(huán)擴(kuò)展和特殊的訓(xùn)練序列以及導(dǎo)頻信號(hào)來(lái)進(jìn)行，其中較常用的有利用奇異值分解的 ESPRIT 同步算法和 ML 估計(jì)算法，其中 ESPRIT 算法雖然估計(jì)精度高，但計(jì)算復(fù)雜、計(jì)算量大 。而 ML 算法利用 OFDM信號(hào)的循環(huán)前 綴，可以有效地對(duì) MIMOOFDM 信號(hào)進(jìn)行頻偏和時(shí)偏的聯(lián)合估計(jì)，而且與ESPRIT 算法相比，其計(jì)算量要小得多。目前，對(duì) MIMOOFDM 技術(shù)的同步算法研究得比較多，需要根據(jù)具體的系統(tǒng)具體設(shè)計(jì)和研究，利用各種算法融合進(jìn)行聯(lián)合估計(jì)才是可行的。 （ 3）信道估計(jì) 在 MIMOOFDM 系統(tǒng)中，發(fā)送端編碼和接收端信號(hào)檢測(cè)都需要真實(shí)準(zhǔn)確的信道狀態(tài)信息。信道狀態(tài)信息的準(zhǔn)確性將直接影響著 MIMOOFDM 系統(tǒng)的整體性能。然而對(duì)于MIMOOFDM 系統(tǒng)，不同的信號(hào)同時(shí)從不同的天線發(fā)射出去，對(duì)于每一個(gè)天線、每一個(gè)子載波都會(huì)對(duì)應(yīng) 很多個(gè)信道參數(shù)，信道參數(shù)太多，對(duì)信道估計(jì)帶來(lái)了較大的困難。但對(duì)于不同的子載波，同一空分信道的參數(shù)是相關(guān)的，我們可以利用這一相關(guān)特性得到參數(shù)的估計(jì)方法。 （ 4）信道糾錯(cuò)編碼 wifi 技術(shù)與覆蓋研究 9 糾錯(cuò)編碼技術(shù)在現(xiàn)代數(shù)字通信的作用毋庸置疑，作為改善數(shù)字信道通信可靠性的一種有效手段，低復(fù)雜度、高性能的編碼方案明顯可以大大提高系統(tǒng)的性能。在數(shù)字通信領(lǐng)域，比較常用的編碼方法主要有卷積碼、分組碼、 Turbo 碼和 LDPC（低密度奇偶校驗(yàn)）碼。而其中最受人們關(guān)注、理論最成熟的是 Turbo 碼和 LDPC 碼。 （ 5）自適應(yīng)技術(shù) 自適應(yīng)傳輸?shù)幕舅枷?是根據(jù)傳輸信道的實(shí)際情況，改變發(fā)射功率的水平、每個(gè)子信道的符號(hào)傳輸速率、 QAM 星座大小、編碼等參數(shù)或這些參數(shù)的組合以維持恒定的誤碼率。對(duì)于同一 MIMOOFDM 通信系統(tǒng)的所有子載波來(lái)說(shuō)，其誤碼率主要由經(jīng)歷衰落最嚴(yán)重的子信道決定。在頻率選擇性衰落信道中，隨著平均信噪比的增加，系統(tǒng)的誤碼率下降十分緩慢?？梢詫?duì)不同的子信道選用不同的無(wú)線傳輸參數(shù)，即采用不同的發(fā)射功率、傳輸速率、調(diào)制和編碼參數(shù)，使信噪比不同的每個(gè)子信道得到其最佳的一一對(duì)應(yīng)的傳輸方案。簡(jiǎn)單地說(shuō)，就是在不犧牲誤碼率的情況下，通過(guò)傳輸質(zhì)量好的子信道采用高 速傳輸，而在質(zhì)量不好的子信道以降低傳輸速率等方式來(lái)提供較高的頻譜使用效率。自適應(yīng)技術(shù)大大減少了對(duì)均衡和交織的依賴，提升了通信系統(tǒng)的性能。 智能天線技術(shù) 智能天線概述 許多因素限制了無(wú)線通信系統(tǒng)的性能和容量。這些因素包括：有限的頻譜、時(shí)延擴(kuò)展、同信道干擾和多徑衰減。這些因素將導(dǎo)致最終用戶會(huì)遇到整個(gè)音域的服務(wù)質(zhì)量問(wèn)題，包括從根本就沒(méi)有聲音到極快的傳輸速度等許多問(wèn)題。為了解決這個(gè)問(wèn)題的一個(gè)技術(shù)就是采用一種新的劃算的智能天線技術(shù)。 智能天線能夠壓制干擾信號(hào)、抗信號(hào)衰減和提高信號(hào)傳輸距離，從而提高無(wú)線 系統(tǒng)的性能和容量。采用智能天線獲得的信噪比增益將提高傳輸距離。然而，這種增益也可以解釋為在 系統(tǒng)中數(shù)據(jù)速率的提高，因?yàn)楦叩男旁氡纫馕吨叩臄?shù)據(jù)速率。 智能天線系統(tǒng) （ 1）波束切換天線系統(tǒng) 波束切換天線系統(tǒng)是在覆蓋范圍內(nèi)產(chǎn)生多個(gè)不同指向的窄波束，每一時(shí)刻僅選擇一個(gè)波束覆蓋范圍進(jìn)行通信．其中，每個(gè)波束可以由單個(gè)有向天線陣元 (如喇叭口天線 )產(chǎn)生，也可以由多個(gè)天線陣元組成天線陣產(chǎn)生，波束切換智能天線的 “ 智能性 ” 主要體現(xiàn)在其波束切換要受到波束選擇算法的控制．具體而言，在波束切換系統(tǒng)中，波束選 擇算法首先要確定用戶處于哪個(gè)波束中，然后將開(kāi)關(guān)切換到具有最佳接收性能的那個(gè)波束． 波束切換系統(tǒng)使用固定的波束形成網(wǎng)絡(luò)，一般在射頻端實(shí)現(xiàn)．這樣的渡束切換系統(tǒng)存在一些局限．首先，對(duì)于那些波達(dá)方向與期望接收分量方向十分接近的多徑分量，系統(tǒng)無(wú)法保證期望分量免受其干擾．其次，由于扇貝現(xiàn)象，無(wú)線設(shè)備接收到的功率電平要發(fā)生波動(dòng)。扇貝現(xiàn)象是指當(dāng) DOA 與 BFN 產(chǎn)生的波束軸線發(fā)生偏離時(shí)，天線方向圖的滾降系數(shù)將發(fā)生變化，是角度的函數(shù)．通常 BFN 產(chǎn)生的波束在 3dB 點(diǎn)處交叉．因此當(dāng)無(wú)線設(shè)備從某個(gè)波束的中心移向邊緣時(shí)，用戶的信號(hào)強(qiáng)度要發(fā)生變化． （ 2）波束形成天線系統(tǒng) 波束形成天線系統(tǒng)由天線陣元間距小于或等于 1／ 2 電波波長(zhǎng)的多個(gè)天線陣元構(gòu)成．可wifi 技術(shù)與覆蓋研究 10 呈現(xiàn)為線陣、圓陣或面陣等不同幾何分布，并可動(dòng)態(tài)地調(diào)節(jié)各個(gè)天線的權(quán)值，利用電波相干疊加的原理減少干擾，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)容量的提升。 自適應(yīng)天線系統(tǒng)的波束形成過(guò)程 (主要指陣列權(quán)值的調(diào)整 )既可以在射頻完成．也可以在中頻或基帶完成，但一般在基帶進(jìn)行波束形成比較簡(jiǎn)單．陣列權(quán)值的自適應(yīng)調(diào)整過(guò)程可以使陣列產(chǎn)生的波束方向動(dòng)態(tài)地對(duì)準(zhǔn)來(lái)波方向，并可以在于擾方向設(shè)置零陷，起到于擾抑制的作用．因此，在 WLAN 中應(yīng)用自適應(yīng)波束形成技術(shù)，除了可以提供波束切換系統(tǒng)能夠提供的陣列增益外，還可以提供干擾抑制增益，從而有 效地提高系統(tǒng)容量和傳輸速率。 （ 3）分集天線系統(tǒng) 分集天線系統(tǒng)由陣元間距遠(yuǎn)大于電波波長(zhǎng)的多個(gè)天線構(gòu)成，其幾何分布可以具有不規(guī)則性和任意性．在大多數(shù)散射環(huán)境中