【文章內(nèi)容簡介】 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。 對發(fā)射信號進(jìn)行空時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較小的無線環(huán)境下使用高階調(diào)制方式，但無法獲取空間并行信道帶來的速率紅利。空時編碼技術(shù)在無線相關(guān)性較大的場合也能很好的發(fā)揮效能。 因此，在 MIMO 的實際使用中，空間復(fù)用技術(shù)往往和空時編碼結(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，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)覆蓋等場景；當(dāng)信道間相關(guān)性大時，采用空時編碼的發(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，可以實現(xiàn)較好的信號增益及干擾抑制，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，一方面接收端會收到太多路徑的信號，導(dǎo)致相位疊加的效果不佳；另一方面，大量的多徑信號會導(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，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)的迅速增長使人們對無線通信提出了更高的要求。為有效解決無線信道中多徑衰落和加性噪聲等問題，同時降低系統(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) ，通過延長傳輸符號的周期，增強(qiáng)其抵抗 回波的能力 ， 基本原理是：高速信息數(shù)據(jù)流通過串并變換，分配到速率相對較低的若干子信道中傳輸，每個子信道中的符號周期相對增加，這樣可減少因無線信道多徑時延擴(kuò)展所產(chǎn)生的時間彌散性對系統(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延擴(kuò)展的情況下，可以最大限度地 消除多徑帶來的符號間干擾。如果用循環(huán)前綴作為保護(hù)間隔，還可避免多徑帶來的信道間干擾。而且由于每個子信道的帶寬僅僅是原信道帶寬的一小部分，信道均衡變得相對容易。與傳統(tǒng)的均 衡器 比較，它最大的特點在于結(jié)構(gòu)簡單，可大大降低成本，且在實際應(yīng)用中非常靈活，對高速數(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） 時域和頻域同步 OFDM 系統(tǒng)對定時和頻率偏移敏感 ，特別是實際應(yīng)用中 FDMA、 TDMA 利 CDMA 等多址方式結(jié)合使用時，時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階段。在下行鏈路中，基站向各個移動終端廣播發(fā)送同步信號，所以， 下行鏈路相對簡單，容易實現(xiàn)。在上行鏈路中，來自不問移動終端的信號必須同步到達(dá)基站，才能保證子載波間的正交件?；靖鶕?jù)各移動終端發(fā)來的子載波攜帶信息進(jìn)行時域和頻域同步信息的提取，再由基站發(fā)回移動終端，以便讓移動終端進(jìn)行向步。具體實現(xiàn)時，同步將分為時域同步和領(lǐng)域同步，也可以時域和頻域向時進(jìn)行同步。 （ 2） 信道估計 wifi 技術(shù)與覆蓋研究 7 在 OFDM 系統(tǒng)中，信道估計主要有兩個問題，一是導(dǎo)頻信息的選擇。由于無線信道常常是衰落倍道，需要不斷對信道邁進(jìn)行跟蹤，因此導(dǎo)信息也必須個斷地傳送。二是復(fù)雜度較低的和導(dǎo)頻跟蹤能力良好的信道估計格的設(shè)計。 （ 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。對于衰落信道的隨機(jī)錯誤可以采用交織技術(shù)，通常還同時采用編碼技術(shù)，以提高系統(tǒng)性能。 （ 4） 降低峰值平均功率比 由于 OFDM 情號時域上表現(xiàn)為 N 個正交子裁波信號的疊加，當(dāng)這 N 個信號恰恰好均以峰值相加時， OFDM 信號也將嚴(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，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)的實際運用。 OFDM 技術(shù)的優(yōu)點 （ 1） OFDM 具有非常高的頻譜利用率。 OFDM 系統(tǒng)各子信道間不但沒有保護(hù)頻帶，而且相鄰信道間信號的頻譜的主瓣還相互重疊，但各子信道信號的頻譜在頻域上是相互正交的，各子載波在時域上是正交的， OFDM 系統(tǒng)的各子信道信號的分離（解調(diào)）是靠這種正交性來完成的。另外， OFDM 的個子信道上還可 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，這一點在頻譜資源有限的無線環(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)分散到許多個子載波上，大大降低了各子載波的符號速率，從而減弱多徑傳播的影響，若再通過采用加循環(huán)前綴作為保護(hù)間隔的方法，甚至可以完全消除符號間干擾。 （ 3） 采用動態(tài)子載波分配技術(shù)能使系統(tǒng)達(dá)到最大比特率。通過選取各子信道，每個符號的比特數(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，就沒有必要再加時域均衡器。但通過將各個信道聯(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 來實現(xiàn)調(diào)制和解調(diào)，易用 DSP 實現(xiàn)。 OFDM 技術(shù)的缺點 （ 1） 易受頻率偏差陰影響。由于子信道的頻譜相互覆蓋，這就對它門之間的正交件提出了嚴(yán)格的要求。由于無線信道的 時變性，在傳輸過程中出現(xiàn)的天線信號頻譜偏移或發(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)，這種對頻率偏差的敏感件是 0FDM 系統(tǒng)的主要缺點之一。 （ 2） 存在較高的峰值平均功率比。多載波系統(tǒng)的輸出是多個子信通信號的疊加，因此如果多個信號的相位一致時，所得到的疊加信號的瞬時功率就會遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于信號的平均功率，導(dǎo)致較大的峰值平均功率比 (PAPR)。這就對發(fā)射機(jī)內(nèi)放大器的線性度提出了很高的要求，因此可能帶來信號畸變，使信號頻譜發(fā)個變化，從而導(dǎo)致各個子 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，但是對于高速無線通信時代，單純的 OFDM 系統(tǒng)傳輸容量仍無法大幅提高。 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 MIMO可以抗多徑衰落，但是對于頻率選擇性深衰落， MIMO 系統(tǒng)依然是無能為力。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)，依靠多天線來實現(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)，來實現(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、信號傳輸穩(wěn)定、高傳輸速率等基本特性能夠滿足下一代無線傳輸網(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 空時信號處理技術(shù) 空時信號處理是隨著 MIMO 技術(shù)而誕生的一個嶄新的概念，與傳統(tǒng)信號處理方式的不同之處在于其同時從時間和空間兩方面研究信號的處理問題?？諘r信號處理包括發(fā)射端的信令方案和接收端的檢測算法。從信令方案的角度看， MIMO 可以大致分為空時編碼（ STC:Space Time Coding）和空間復(fù)用（ SM:Spatial Multiplexing）兩種。將空間復(fù)用和空時編碼相結(jié)合，能在保證每個數(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 對于無線通信來說，無線信道存在時變性，在傳輸中存在的頻率偏移會使MIMOOFDM 系統(tǒng)子載波之間的正交性遭到破壞，相位噪聲對系統(tǒng)也有很大的損害。為解決 MIMOOFDM 的同步問題，出現(xiàn)了多種同步算法，主要是針對循環(huán)擴(kuò)展和特殊的訓(xùn)練序列以及導(dǎo)頻信號來進(jìn)行，其中較常用的有利用奇異值分解的 ESPRIT 同步算法和 ML 估計算法，其中 ESPRIT 算法雖然估計精度高，但計算復(fù)雜、計算量大 。而 ML 算法利用 OFDM信號的循環(huán)前 綴，可以有效地對 MIMOOFDM 信號進(jìn)行頻偏和時偏的聯(lián)合估計，而且與ESPRIT 算法相比，其計算量要小得多。目前，對 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)計和研究，利用各種算法融合進(jìn)行聯(lián)合估計才是可行的。 （ 3）信道估計 在 MIMOOFDM 系統(tǒng)中，發(fā)送端編碼和接收端信號檢測都需要真實準(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。然而對于MIMOOFDM 系統(tǒng)，不同的信號同時從不同的天線發(fā)射出去，對于每一個天線、每一個子載波都會對應(yīng) 很多個信道參數(shù)，信道參數(shù)太多，對信道估計帶來了較大的困難。但對于不同的子載波，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)的估計方法。 （ 4）信道糾錯編碼 wifi 技術(shù)與覆蓋研究 9 糾錯編碼技術(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）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)傳輸信道的實際情況，改變發(fā)射功率的水平、每個子信道的符號傳輸速率、 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。對于同一 MIMOOFDM 通信系統(tǒng)的所有子載波來說，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Σ煌淖有诺肋x用不同的無線傳輸參數(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子信道得到其最佳的一一對應(yīng)的傳輸方案。簡單地說，就是在不犧牲誤碼率的情況下，通過傳輸質(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提供較高的頻譜使用效率。自適應(yīng)技術(shù)大大減少了對均衡和交織的依賴，提升了通信系統(tǒng)的性能。 智能天線技術(shù) 智能天線概述 許多因素限制了無線通信系統(tǒng)的性能和容量。這些因素包括：有限的頻譜、時延擴(kuò)展、同信道干擾和多徑衰減。這些因素將導(dǎo)致最終用戶會遇到整個音域的服務(wù)質(zhì)量問題，包括從根本就沒有聲音到極快的傳輸速度等許多問題。為了解決這個問題的一個技術(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、抗信號衰減和提高信號傳輸距離，從而提高無線 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，因為更高的信噪比意味著更高的數(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)生多個不同指向的窄波束，每一時刻僅選擇一個波束覆蓋范圍進(jìn)行通信．其中，每個波束可以由單個有向天線陣元 (如喇叭口天線 )產(chǎn)生，也可以由多個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波束中，然后將開關(guān)切換到具有最佳接收性能的那個波束． 波束切換系統(tǒng)使用固定的波束形成網(wǎng)絡(luò)，一般在射頻端實現(xiàn)．這樣的渡束切換系統(tǒng)存在一些局限．首先，對于那些波達(dá)方向與期望接收分量方向十分接近的多徑分量，系統(tǒng)無法保證期望分量免受其干擾．其次，由于扇貝現(xiàn)象，無線設(shè)備接收到的功率電平要發(fā)生波動。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，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 點處交叉．因此當(dāng)無線設(shè)備從某個波束的中心移向邊緣時，用戶的信號強(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 電波波長的多個天線陣元構(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，并可動態(tài)地調(diào)節(jié)各個天線的權(quán)值，利用電波相干疊加的原理減少干擾，實現(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)行波束形成比較簡單．陣列權(quán)值的自適應(yīng)調(diào)整過程可以使陣列產(chǎn)生的波束方向動態(tài)地對準(zhǔn)來波方向，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)大于電波波長的多個天線構(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