基于SC-FDE移动多媒体系统的设计与实现

摘要：本文介绍了基于单载波频域均衡（SC-FDE）技术的移动无线多媒体传输系统原理、设计和实现方法，并通过在实际环境下的测试结果分析了系统采用此方案的原因和最终达到的效果。
关键词：SC-FDE；移动多媒体传输系统

1  引言

    随着无线通信技术的飞速发展，宽带无线数据传输已经成为人们日益关注的焦点，尤其对于专业部门的移动应急多媒体通信，例如: 军队、公安、武警等。很多的国际组织都对宽带无线传输系统制订了相应的标准，其中最具有代表性的就是IEEE802.16标准体系。而由于宽带无线接入系统的工作环境一般都存在严重的多径衰落，所以寻找一种有效抵抗多径衰落影响的传输技术成为这类系统物理层研究的核心问题。在IEEE802. 16a^[1]协议中对物理层关键技术建议了两种方案可供选择，即OFDM（正交频分复用）和SC-FDE（单载波频域均衡）。虽然IEEE802. 16a提出了SC-FDE的传输方式，但是并没有给出具体的系统结构和实现方法。以实际无线多媒体传输系统的具体要求为出发点，本文将详细讨论基于SC-FDE和分集技术的无线多媒体传输系统结构及其性能。

2  系统目标及关键技术分析

    就本系统而言，其目标主要是在4MHz信道带宽内实现双向4.5Mbps的数据传输，即上下行总速率约为4.5Mbps。在这样一个大的前提下，需要考虑的主要是对抗多径时延扩展技术以及双工方式的选取。

    宽带无线通信系统需要应对的一个主要问题就是电磁波的传播所引入的多径时延扩展问题。在实际系统中所采用的对抗多径的技术主要有OFDM、SC-FDE以及传统的SC- TDE（单载波时域均衡）技术。

    传统的SC-TDE首先被用于频带较窄的语音业务的调制解调器中。其主要缺点就是处理的复杂度较高，这点在宽带系统中更为明显，因此在目前的宽带系统中大都不选用此技术。

    OFDM技术将整个频带分成众多的频带很窄的子载波，并将调制后的符号通过这些子载波并行传输。在发端，利用反傅立叶变换（IFFT）将一个传输块调制到各个子载波上。在收端，通过对传输块进行快速傅立叶变换（FFT）就可以提取各个子载波上的信息。此外，在发端，需要在每个传输块前插入一个循环前缀（CP），加入CP是为了避免前一传输块和本传输块之间干扰的，在收端，去CP后，所得到的传输块是发送信号与信道冲击响应循环卷积的结果，因此可以利用FFT进行处理。OFDM系统中，对于每个符号的处理所需的乘法数目阶次大致为 ^[2]。在大时延扩展（与符号速率相比）的环境下，与传统的SC-TDE系统相比，OFDM无疑是一种更好的性能与复杂度折衷的方案。由于传输的OFDM符号是大量的调制后的窄带子载波的和，OFDM系统具有较大的峰平比（即便系统中采用低阶调制，比如QPSK），而且这一现象随着子载波数目的增加而加剧。由于系统中功放的非线性的影响，与单载波系统相比，OFDM系统中的功放往往要回退数个dB以保证在整个信号包络幅度范围内的线性。这必将对无线系统的覆盖范围产生重大的影响，并且对于离中心站较近的移动台，回退更进一步降低了功放的效率。此外，OFDM系统对频偏以及相位噪声比较敏感。

    SC-FDE系统与OFDM系统具有相类似的传输块结构，即利用CP避免前一传输块对本传输块的干扰，并且使传输块保证循环特性。与OFDM系统相比， SC-FDE系统具有较低的算法复杂度，主要原因是：均衡是在传输块的基础上完成的；通过FFT、IFFT以及对信道估计的逆变换处理，可以有效的降低算法复杂度并保证良好的性能。新近的研究结果表明，SC-FDE系统与OFDM系统相比，具有几乎一样的性能及较低的算法复杂度^[3][4]。总体而言，SC-FDE系统主要具有以下一些值得注意的特性：

·    单载波系统避免了OFDM系统所引入的峰平比问题，因而对功放的要求明显降低。

·    与OFDM系统相比，SC-FDE降低了系统对频偏影响的敏感程度，并且对于无编码系统，能充分利用了多径的分集增益

·    SC-FDE的性能与OFDM系统相近，对于无编码和高编码效率的系统，SC-FDE甚至有更好的性能

·    与OFDM系统相类似，SC-FDE大大降低了算法复杂度，假设传输块长与多径时延扩展成一定比例关系，则SC-FDE与OFDM系统的复杂度与多径时延扩展的对数成正比

·    从对抗频率选择性衰落的角度而言，其性能与OFDM系统相类似，在某些具体需要的前提下，可以不加编码

·    与OFDM系统相比，SC-FDE主要的复杂度都集中在收端，因此可以简化发射机的设计

    通过对以上技术的比较研究，综合考虑算法复杂度、系统性能和系统复杂度等，在目前的系统中，更适宜采用SC-FDE技术。

    就系统双工方式而言，本系统采用TDD双工方式，主要原因有：首先，TDD方式不需要成对的频谱，只用一个信道，便于频率规划，提高频谱利用效率。TDD方式有利于脉冲同步，消除近端干扰，有利于实现中心站分集接收；其次，无线信道衰落的快慢取决于传输频率，TDD上下行使用相同频率，上下行链路的传播特性相同，利用这种相关特性，可以很方便的采用预处理技术提高系统性能，对抗信道衰落。但在FDD模式下的系统，其上下行处于不同的频段，信道之间互不相关，很难及时的获得信道特性信息，从而无法有效的应对信道的衰落特性所带来的影响；再次，TDD方式采用收发一个信道，可以省去一个价格比较昂贵的双工器，是收发器设计变得简单，简化RF部分设计，同时也降低设备体积；最后，TDD只使用一个信道传输上下行数据，便于上下行带宽的灵活分配，而对于业务需求来讲也主要是非对称的，从而适应不同业务的需求。本系统主要是面向Internet数据与多媒体业务，由于Internet、文件传输和多媒体业务常常上下行容量不对称，因此更适宜采用TDD模式。

    此外，为了达到更加稳定的传输效果，提高系统的覆盖能力，适应系统上行多媒体业务传输的需求，在基站端可以采用天线分集提高系统整体性能。对上下行而言，可以分别采用接收分集以及发送分集技术来对抗信道衰落，从而提高系统传输的稳定性与可靠性。接收端天线之间的距离d≥λ／2（λ为工作波长），以保证接收天线输出信号的衰落特性是相互独立的，简而言之，当某一接收天线的输出信噪比很低时，其他接收天线的输出则不一定在这同一时刻也出现低信噪比的现象。经过适当的选择合并处理，可以有效地降低信道衰落的影响，改善了传输的可靠性。

3   基于SC-FDE无线多媒体传输设计实现

3.1  系统实现方式

    基于以上一些分析考虑，在本系统中采用TDD双工方式、QPSK调制、TPC编码以及SC-FDE技术，并在基站端采用多天线来实现分集，从而提高系统可靠性。以上行为例，其实现框图如图1所示。

            图1 基于SC-FDE无线多媒体传输系统上行框图

3.2    SC-FDE实现帧结构格式

    基于SC-FDE无线多媒体传输系统实现帧结构如图2所示，一个通用的基本单元长度（Slot）为（ ）*1152 chip，其中分为数据块（DB）和导频（Pilot）。一个基本单元有 个数据块，每一个数据块以及导频块前均插入了循环前缀（CP）。

图2 基于SC-FDE无线多媒体传输系统实现帧结构

    对于一帧而言，主要包括长度为256个chip的主同步码（PSC，完成同步功能）以及数个Slot。根据PSC完成同步后，截取出各个传输块，并根据导频块对各个数据块所处处的信道进行估计。具体而言，SC-FDE关键算法由图3所示。其中 为接收到的传输块， 为其变换到频域后的结果。

图3 基于SC-FDE系统频域均衡框图

4   测试与验证结果：

    利用上述方案及算法，我们就典型小区环境进行了试验。试验结果如图4所示，试验条件如下

·         小区半径约为7km

·         基站天线高度60m，天线增益10dBi

·          移动台天线高度3m，天线增益5dBi

·         移动速度≤100km/h

图4：解调输出信号Eb/N0的CDF曲线

    图4为解调输出信号Eb/N0的CDF曲线，其横坐标为解调输出信号的Eb/N0（单位：dB）。 曲线为天线0的输出信号Eb/N0的CDF曲线， 曲线为天线1的输出信号Eb/N0的CDF曲线， 为两个天线解调输出信号相加后所得结果的Eb/N0的CDF曲线， 曲线为从上述三个结果中适时选择最好的一个所对应的Eb/N0的CDF曲线，从图中可以看出，采用分集技术可以明显提高系统的稳定性和可靠性，大大提高系统的覆盖范围，而且采用分集方式时，直接合并与从三个结果中选择最好的一个的效果基本一样。

5   结论：

    本系统采用最终决定采用方案为：TDD+QPSK＋FDE＋接收分集的实现方式，SC-FDE 系统具有较强的克服频率选择性衰落的能力,降低了对系统的要求，并克服了OFDM 系统对的不足而且和OFDM有向接近的性能；采用TDD双工方式提高频谱利用率，使得本系统更适应多径衰落信道传输，而且TDD的信道分配方式比FDD方式更适应以太网和多媒体业务的需求。将SC-FDE技术与接收分集技术相结合，可以有效提高系统稳定性及性能，改善系统的覆盖范围。通过大量的试验，目前已经在北京久华信公司移动多媒体传输设备上得以应用和验证，在无线和移动通信领域有着广阔的应用前景。

    本文作者创新点:提供了在移动条件下多媒体信息和数据传输的实现方案和实现算法。

参考文献：

[1] IEEE P802. 16a/ D5－2002.Local and Metropolitan Area Networks－Part 16 : Standard Air Interface For Fixed Broadband Wireless Access Systems－Media Access Control Modification And Additional Physical Layer For 2-11GHz[S]. July 30, 2002.
[2] 李晶　侯思祖。OFDM误码率性能分析与研究  微计算机信息 2006年第3-1期，页码：P261-264
[3] 刘谦雷，杨绿溪。单载波频域均衡与多载波OFDE误码性能的理论比较。电子与信息学报2005年3月。
[4] A Benyamin, et al. SCFDE PHY Layer System Proposal for Sub 11GHz BWA (An OFDM Compatible Solution). Prensentation IEEE 802. 16. 3-01/P32r2, Mar 12, 2001.
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