【正文】 消除碼間干擾的保護(hù)間隔OFDM的一個關(guān)鍵的原理是因?yàn)榈头査俾收{(diào)制方案（也就是與信道時(shí)間特性相比，符號的持續(xù)時(shí)間相對較長）很少受到由多徑引起的符號間干擾的影響，并行地傳輸許多低速率數(shù)據(jù)流要比傳輸一個高速率數(shù)據(jù)流有利。因?yàn)槊總€符號的持續(xù)時(shí)間都很長，所以在OFDM符號之間插入保護(hù)間隔是可行的，這樣就可以消除符號間干擾。保護(hù)間隔也不再需要脈沖整形濾波器，這也能減低對于時(shí)間同步問題的敏感程度。一個簡單的例子：如果用傳統(tǒng)的單載波調(diào)制在一個無線信道上每秒傳輸100萬個符號，那么每個符號的持續(xù)時(shí)間將會是1微秒或者更短。這就對同步要求很高并需要去除多徑干擾。如果將每秒100萬個符號分散到1000個子信道上傳輸，為滿足正交性并保持同樣的帶寬，每個符號的持續(xù)時(shí)間可以增大1000倍，即1毫秒。假設(shè)一個長度為符號長度1/8的保護(hù)間隔被插入到每個符號中，如果多徑的時(shí)間擴(kuò)展（接收第一個和最后一個回應(yīng)的間隔時(shí)間）比保護(hù)間隔更小，即125毫秒，那么此時(shí)就可以避免符號間干擾的產(chǎn)生。每個符號最后的125毫秒被復(fù)制，然后作為循環(huán)前綴在每個符號之前發(fā)送。在保護(hù)間隔里傳輸?shù)难h(huán)前綴是由復(fù)制到保護(hù)間隔中的OFDM符號的尾部組成，保護(hù)間隔是在OFDM符號之前傳輸?shù)?。保護(hù)間隔由OFDM符號尾部的復(fù)制構(gòu)成的原因是為了用FFT實(shí)現(xiàn)OFDM解調(diào)時(shí)接收機(jī)能在每個多路徑的整數(shù)個正弦周期上積分。盡管保護(hù)間隔僅包含冗余數(shù)據(jù)，這意味著它減低了容量，但是一些基于OFDM的系統(tǒng)，如：一些廣播系統(tǒng)，故意地使用長時(shí)間的保護(hù)間隔，目的是使得單頻率網(wǎng)絡(luò)（SFN）的發(fā)射機(jī)之間能有較大的間距，而且越長的保護(hù)間隔允許越大的SFN蜂窩尺寸。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)方法SFN發(fā)射機(jī)之間最大的間距等于一個信號在保護(hù)間隔內(nèi)傳輸?shù)木嚯x——例如：一個200微秒的保護(hù)間隔能夠允許發(fā)射機(jī)之間間距為60千米。簡化均衡如果子信道帶寬足夠窄，即子信道數(shù)量足夠多，OFDM子信道中頻率選擇性信道狀況的影響，比如由于多徑傳播所引起的衰落，可以看成是一個常數(shù)。這就使得OFDM接收機(jī)的均衡相比傳統(tǒng)單載波調(diào)制要簡單很多。均衡器只需要將子載波乘以一個常數(shù)或者是一個幾乎不變的值。在我們的例子中：對于每個OFDM符號，OFDM均衡器需要N = 1000次復(fù)數(shù)乘法，即接收機(jī)每秒需要進(jìn)行100萬次乘法。FFT算法需要對每個OFDM符號進(jìn)行Nlog2N = 10000次復(fù)數(shù)乘法，即無論是在發(fā)送端還是接收端，每秒都需要進(jìn)行1000萬次乘法。相比之下，在單一載波調(diào)制下，每秒發(fā)送100萬個符號，使用FIR濾波器125微秒的時(shí)間擴(kuò)展均衡將會需要對每個符號做125次乘法。 部分OFDM符號中的某些子載波可能會攜帶導(dǎo)頻信號，用于測量信道狀況即每個子載波的均衡系數(shù)。導(dǎo)頻信號也可以用于同步。如果對每個子載波應(yīng)用不同的調(diào)制，如：DPSK或者DQPSK，那么就可以完全不用均衡，因?yàn)檫@些方案對于緩慢變化的幅度和相位失真都不敏感。信道編碼和交織OFDM總是和信道編碼（前向糾錯編碼）聯(lián)合使用，并幾乎都會使用頻率和/或時(shí)間交織。頻率（子載波）交織可以增強(qiáng)頻率選擇性信道狀況如衰落的抵抗能力。例如，當(dāng)一部分信道帶寬衰落時(shí)，頻率交織將確保由帶寬衰落部分的那些子載波產(chǎn)生的比特誤差會分散在整個比特流上而不是集中起來。同樣地，時(shí)間交織將確保在原來比特流里集中在一起的比特在發(fā)射時(shí)分開，這就使得當(dāng)比特流以一個很高的速率傳輸時(shí)可能產(chǎn)生的強(qiáng)烈衰落有所緩解。然而，時(shí)間交織對于緩慢衰落信道卻沒有好處，如：平穩(wěn)接收信道。而頻率交織對于平衰落（整個信道帶寬同時(shí)衰弱）的窄帶信號也沒有好處。交織在OFDM中的用處是分散比特流在糾錯解碼器中的錯誤，因?yàn)楫?dāng)這種解碼器接受到集中的錯誤時(shí)將無法糾正所有的比特錯誤，于是就會出現(xiàn)突發(fā)性的未糾正的錯誤。基于OFDM系統(tǒng)常用的一種糾錯編碼是卷積編碼，通常與RS編碼一起使用。卷積編碼作為內(nèi)部編碼，ReedSolomon作為外部編碼——通常在兩層編碼之間還會使用另外的交織（除了上面提到的時(shí)間和頻率交織）。這兩種糾錯編碼結(jié)合使用的原因是，當(dāng)錯誤集中度高時(shí)，卷積解碼使用的Viterbi解碼器會產(chǎn)生突發(fā)的持續(xù)時(shí)間很短的錯誤，而這種錯誤很適合用ReedSolomon編碼來糾正。Unit 6 移動通信Unit 61第一部分：移動通信一個移動通信系統(tǒng)是指用戶在這個系統(tǒng)中可以一邊和別人互相通信，一邊在物理位置上進(jìn)行移動。例如：傳呼機(jī)、蜂窩電話和無繩電話。移動性使得射頻通信功能強(qiáng)大而且廣為流行。用戶所持的收發(fā)器叫移動單元、終端或手持單元。無線基礎(chǔ)設(shè)施的復(fù)雜性往往要求移動單元只通過一些固定的、較昂貴的稱為基站的設(shè)備進(jìn)行通信。每個移動單元通過兩個射頻信道接收來自基站的信息并向基站發(fā)射信息，這兩個信道分別稱為前向信道或下行鏈路，以及逆向信道或上行鏈路。我們大多數(shù)討論的是移動單元，因?yàn)楹突鞠啾?，手持單元?gòu)成市場極大的一塊，它們的設(shè)計(jì)更接近于其他射頻系統(tǒng)。蜂窩系統(tǒng)對于一個有限的可用頻譜（例如：900MHz附近的一個25MHz的頻譜），數(shù)十萬人如何在擁擠的城區(qū)里相互通信？為了回答這個問題，首先考慮一種較簡單的情況：幾千個FM電臺可利用88108MHz的頻帶在一個國家里廣播。這是可能的，因?yàn)樵谖锢砦恢蒙舷喔糇銐蜻h(yuǎn)的電臺可使用同一載波頻率（頻率重用），而相互干擾可以忽略。兩個電臺的中間位置除外，這里接收到的兩個電臺信號強(qiáng)度相近。兩個可以使用相同載波頻率的電臺的最小距離是由每個電臺發(fā)射的信號功率所決定的。在移動通信系統(tǒng)中，用蜂窩結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)頻率重用概念，其中每一個蜂窩是六邊形的，其周圍環(huán)繞著6個其它的蜂窩，(a)所示。頻率重用概念是：如果位于中央的蜂窩使用頻率f1進(jìn)行通信，那么與其相鄰的6個蜂窩就不能使用這個頻率，但外面不直接相鄰的蜂窩可再次使用這個頻率。實(shí)際上，(b)所示的“7蜂窩”重用模式。注意：實(shí)際上每個蜂窩是使用了一組頻率。(b)中的每一個蜂窩中的移動單元都有一個基站提供服務(wù)，而所有的基站則有一個移動電話交換機(jī)構(gòu)（MTSO）來控制。同信道干擾在蜂窩系統(tǒng)中，一個重要的問題是兩個使用同一頻率的單元之間的干擾有多大。這種干擾叫做同信道干擾，這一效應(yīng)依賴于兩個同信道單元之間的距離與單元半徑之比，而與發(fā)射功率無關(guān)。給定頻率重用方案，(b)所示的7蜂窩模式?？梢钥闯?，這個值導(dǎo)致信號－同信道干擾比為18dB切換當(dāng)一個移動單元從蜂窩A漫游到蜂窩B時(shí)將會發(fā)生什么事情？因?yàn)閺膯卧狝的基站接收到的功率電平不足以維持通信，手機(jī)必須將服務(wù)器更換為單元B的基站。而且，由于相鄰的蜂窩并不使用同一組頻率，因此，移動單元還必須更換信道。這一過程叫做切換，是由MTSO來完成的。一旦基站A接收的電平低于某一閾值，MTSO將手機(jī)切換到基站B，希望后者足夠近。這種策略失敗的可能性比較高，會導(dǎo)致通話的中斷。為了改善切換過程，第二代蜂窩系統(tǒng)使手機(jī)能測量接收來自不同基站的信號電平，當(dāng)?shù)降诙€基站的路徑損耗足夠低時(shí)進(jìn)行切換。路徑損耗和多徑衰落在一個移動通信環(huán)境里，信號的傳播是相當(dāng)復(fù)雜的。這里只簡單描述一些重要的概念。在自由空間里傳播的信號會有功率損耗，其值正比于離開發(fā)射源的距離d的平方。然而實(shí)際上，信號是同時(shí)沿著直接路徑和間接的反射路徑進(jìn)行傳播的，在這種情況下，可以看出損耗隨距離的四次方增大。在一個擁擠的區(qū)域里，實(shí)際的損耗情況可能對于某些距離是與d2成比例，而對于另一些距離是與d4成比例。，還有一種機(jī)制會引起接收信號的強(qiáng)度隨著距離而波動。，因此有可能到達(dá)接收端時(shí)相位相反，而幅度卻大致相等，這樣凈接收的信號就可能非常弱。這種現(xiàn)象叫做多徑衰落，當(dāng)接收機(jī)移動波長的幾分之一，會引起信號強(qiáng)度的很大變化。實(shí)際上，由于發(fā)射信號被許多建筑物和運(yùn)動的汽車反射，這種起伏是很沒規(guī)律的。分集信號的衰落效應(yīng)可以通過在發(fā)送或者接收信號時(shí)增加冗余來減小?！翱臻g分集”或“天線分集”是采用兩個或更多的天線，間隔為波長的幾分之一，這樣便能以較高的概率接收到無衰落的信號。頻率分集是指使用多個載波頻率的情況，其思想是：在兩個相距足夠遠(yuǎn)的頻率上不太可能同時(shí)發(fā)生衰落。時(shí)間分集是另一項(xiàng)技術(shù)，數(shù)據(jù)被不止一次地發(fā)送或接收，以克服短期衰落。延遲擴(kuò)展假設(shè)在一個多徑環(huán)境里的兩個信號有大致相同的衰減，卻有不同的延時(shí)。這是可能的，反射或折射材料的吸收系數(shù)和相移相差很大，使得兩條傳播路徑很可能呈現(xiàn)相同的損耗和不同的延遲。在多徑環(huán)境中，許多信號以不同的延遲到達(dá)接收機(jī)，產(chǎn)生的均方根延遲擴(kuò)散可大到幾個微秒，因而衰落帶寬達(dá)數(shù)百千赫。這樣，整個通信信道可能因這一個衰落而受抑制。大的延遲擴(kuò)散還引起另一個困難：如果延遲擴(kuò)散可與數(shù)字調(diào)制波形的比特周期相比，則會收到延遲量不同的多個副本，導(dǎo)致相當(dāng)可觀的符號間干擾。交織多徑衰落的性質(zhì)，以及用于減輕這一問題的信號處理技術(shù)使得差錯以比特串的形式出現(xiàn)。為了減小這些差錯的影響，發(fā)送機(jī)中的基帶比特流在調(diào)制前要先進(jìn)行“交織”。交織器實(shí)質(zhì)上根據(jù)接收端已知的某種算法打亂比特位的時(shí)間順序。交織也可以看作是一種沒有額外開銷的時(shí)間分集（盡管它需要一定的等待時(shí)間）。 Unit 62第二部分：第三代無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)字網(wǎng)絡(luò)使用的擴(kuò)展已經(jīng)導(dǎo)致了設(shè)計(jì)新的更大容量通信網(wǎng)絡(luò)的需要。在歐洲，蜂窩型系統(tǒng)到2000年的需求預(yù)計(jì)將達(dá)到1500至2000萬戶，而美國（1995年）已經(jīng)超過了3000萬戶。無線通信服務(wù)正以每年50%的速度增長，目前的第二代歐洲數(shù)字系統(tǒng)（GSM）預(yù)期在21世紀(jì)初達(dá)到飽和。隨著更廣泛的業(yè)務(wù)需求如視頻會議、互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)、多媒體等的發(fā)展，電信工業(yè)也在變化之中。對更大容量網(wǎng)絡(luò)的需求導(dǎo)致了第三代通信系統(tǒng)的發(fā)展。已提出的第三代通信系統(tǒng)之一是通用移動電信系統(tǒng)（UMTS），其目標(biāo)是提供更大的靈活性，更大的容量，以及更緊密集成的業(yè)務(wù)。本節(jié)集中討論UMTS的業(yè)務(wù)和目標(biāo)。國際上也正在開發(fā)其它系統(tǒng)，不過預(yù)計(jì)其中許多技術(shù)將會整合到UMTS中來。萬維網(wǎng)（WWW）已成為重要的通信媒體，在過去幾年內(nèi)它的應(yīng)用有了戲劇性的增長。這就產(chǎn)生了計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)需求的增長。為滿足（適應(yīng)）這一發(fā)展，電信系統(tǒng)正在被用于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)訪問和話音通信。一項(xiàng)WWW調(diào)查顯示，60%以上的用戶從他們的居住地訪問互聯(lián)網(wǎng)。這就限制了互聯(lián)網(wǎng)的使用，不能實(shí)現(xiàn)音頻和視頻的實(shí)時(shí)傳輸。也有更高的傳輸速率，例如綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)（ISDN）。這些技術(shù)提供快5倍的數(shù)據(jù)率，但訪問成本也高得多。這就需要有更加綜合的業(yè)務(wù)，提供更快的數(shù)據(jù)速度，以及對于各種業(yè)務(wù)更通用的接口。重點(diǎn)已經(jīng)從提供固定話音業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)移到提供一個通用的數(shù)據(jù)連接用于各種各樣的應(yīng)用如話音、互聯(lián)網(wǎng)訪問、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等。對計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)日益增強(qiáng)的依賴已經(jīng)導(dǎo)致對“任何地方、任何時(shí)間”連接需求的增長，從而發(fā)展為對無線系統(tǒng)需求的增長。這種需求促使發(fā)展新的大容量、高可靠性的無線電信系統(tǒng)。開發(fā)和部署第三代通信系統(tǒng)的目標(biāo)在于通過提供大容量和綜合無線網(wǎng)絡(luò)克服現(xiàn)有無線系統(tǒng)的缺點(diǎn)。目前有好幾個第三代無線通信標(biāo)準(zhǔn)，包括UMTS，cdmaOne，IMT2000，IS95。電信系統(tǒng)的發(fā)展 全世界已經(jīng)提出了許多移動無線標(biāo)準(zhǔn)，看來還會出現(xiàn)更多的標(biāo)準(zhǔn)。大多數(shù)第一代系統(tǒng)都是八十年代中期開始使用的，他們以模擬傳輸和采用頻分多址（FDMA）這樣的簡單多址技術(shù)為特征。第一代電信系統(tǒng)例如先進(jìn)移動電話業(yè)務(wù)（AMPS）僅提供話音通信功能。還存在用戶容量小的問題，同時(shí)由于所用的無線電接口簡單，也不夠安全。第二代系統(tǒng)出現(xiàn)于二十世紀(jì)90年代初，全部使用數(shù)字技術(shù)，使容量增加了三倍左右，這是通過發(fā)送前將話音波形壓縮而實(shí)現(xiàn)的。第三代系統(tǒng)是在復(fù)雜性方面對第二代系統(tǒng)的擴(kuò)展，預(yù)計(jì)將于2000年以后推出。系統(tǒng)容量預(yù)計(jì)將擴(kuò)大到原來第一代系統(tǒng)的10倍以上。這將通過使用復(fù)雜的多址技術(shù)如碼分多址（CDMA）或者TDMA的一種擴(kuò)展技術(shù)，以及改進(jìn)已有業(yè)務(wù)的靈活性來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)今許多分離的系統(tǒng)和業(yè)務(wù)例如無線電尋呼、無繩電話、衛(wèi)星電話、公司的私人電話系統(tǒng)等將互相結(jié)合，由第三代電信系統(tǒng)來提供。UMTS的總體目標(biāo) UMTS的主要目標(biāo)是在無線和有線環(huán)境下提供更加統(tǒng)一的大容量網(wǎng)絡(luò)。UMTS將使固定業(yè)務(wù)和無線業(yè)務(wù)融合在一起。將有三個不同容量的主要信道連接：移動數(shù)據(jù)率144kbps，可攜帶數(shù)據(jù)率384kbps，室內(nèi)數(shù)據(jù)率2Mbps。它能提供2Mbps以下速率的業(yè)務(wù)和功能，否則這樣的功能是由固定網(wǎng)絡(luò)提供的。因此，UMTS必須提供按需的、可變的帶寬分配。它還將把一系列用于個人、公司、居民區(qū)的應(yīng)用結(jié)合起來，包括無繩電話、蜂窩式移動電話以及移動數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)。遠(yuǎn)程業(yè)務(wù) UMTS有許多業(yè)務(wù)，可根據(jù)所要求的數(shù)據(jù)率、服務(wù)質(zhì)量、可靠性和允許的誤碼率（BER）、實(shí)時(shí)傳輸速率來分類。每一種業(yè)務(wù)在延遲寬容度和允許的誤碼率方面有不同的特性。數(shù)據(jù)性質(zhì)將決定最適合的傳輸方式。與各業(yè)務(wù)相關(guān)的數(shù)據(jù)類型決定了可支持該業(yè)務(wù)的環(huán)境類型。UMTS環(huán)境 UMTS的目標(biāo)是提供“任何地點(diǎn)、任何時(shí)間”的服務(wù)，因此工作環(huán)境將隨用戶位置而變化。無線系統(tǒng)必須在其中工作的環(huán)境影響系統(tǒng)的容量以及可提供業(yè)務(wù)的種類。每一種環(huán)境所支持的最大數(shù)據(jù)率與對該環(huán)境提供足夠覆蓋所要求的蜂窩單元大小有關(guān)。蜂窩單元的類型 需要使用蜂窩網(wǎng)絡(luò)以保證UMTS提供一個大容量的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。和任何蜂窩系統(tǒng)一樣，網(wǎng)絡(luò)的總?cè)萘恳蕾囉谒梅涓C的大小。蜂窩愈小總?cè)萘坑?。不過蜂窩大小受到可建立的基礎(chǔ)設(shè)施的數(shù)量限制。蜂窩單元的大小也決定了每個蜂窩的最大信道容量，因?yàn)閭鞑バ?yīng)如多徑和衰落迫使大的單元只能使用較低的數(shù)據(jù)率。大的單元還必須為大量用戶服務(wù)。由于單元容量大致上是固定的，每個用戶只能使用相對于小單元的低數(shù)據(jù)率。為了優(yōu)化蜂窩網(wǎng)絡(luò)有三種類型的蜂窩單元，即微微蜂窩，微蜂窩，宏蜂窩。三種蜂窩在蜂窩大小和總?cè)萘恳约皹I(yè)務(wù)之間實(shí)現(xiàn)折衷。每種蜂窩單元的覆蓋范圍大小和類型導(dǎo)致所面臨的無線電傳播問題。這將決定所用的最適合的無線電發(fā)射技術(shù)。無線電接口 UMTS的目標(biāo)之一是提供可與有線連接相當(dāng)?shù)臒o線電接口。在一個大范圍無線環(huán)境中提供靈活、傳輸容量按需分配的2Mbps寬帶業(yè)務(wù)將要求無線電接入技術(shù)方面的變革。當(dāng)前正在對無線電接口進(jìn)行大量科研，涉及到對CDMA和TDMA性能比較的研究。現(xiàn)在看來CDMA最有可能成為支持所要求高數(shù)據(jù)率的候選技術(shù)。然而其它技術(shù)如COFDM和混合解決方案也有可能適合于UMTS。衛(wèi)星