无线通信网络设计与现场测试
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第四代蜂窝网4G将是满足这些要求的宽带无线通信网。它们应能在蜂窝区范围内有良好的覆盖面，每一区内至少有90%的移动用户对通信满意，而且有99.9%的传输可靠性，数据通信的速率峰值可以高于1Mb/s，具有较高的频谱利用效率，大于4b/s/Hz。为了满足这些较高的要求，最近有研究单位采取了两种技术：一是“多输入和多输出天线”MIMO，二是“正文频分多路调制”OFDM。
在发送端和接收端各设置多重天线，可以提供空间分集效应，克服电波衰落的不良影响。这是因为安排恰当的多副天线提供多个空间信道，不会全部同时受到衰落。在上述具体实验系统中，每一基台各设置2副发送天线和3副接收天线，而每一用户终端各设置1副发送天线和3副接收天线，即下行通路设置2×3天线、上行通路设置1×3天线。这样与“单输入/单输出天线”SISO相比，传输上取得了10～20dB的好处，相应地加大了系统容量。而且，基台的两副发送天线于必要时可以用来传输不同的数据信号，用户传送的数据速率可以加倍。
正交频分多路OFDM系统优于传统单个载波之处，是因为一个宽带信号分在多个窄带载波传送，可以避免每载波经受不同的多途径传播影响，又可以省掉复杂的均衡器设施，这就有利于较高数据速率的传送。如OFDM采用一些编码和穿插的措施，它还能起到频率分集的作用。OFDM系统一般要求发送端和接收端利用“快速傅氏变换”FFT。
还有一些重要设计是自适应调制和编码，它容许不同的数据速率指定给不同的用户，依它们的通路情况而定。由于通路情况随时间变化，接收机收集一套通路统计特性，供发送端和接收端使用，使调制编码、信号带宽、信号功率、预选周期、通路估计滤波器和自动增益控制等系统参数最佳化。当然，还必须有效地设计“媒介接入控制”MAC，以期在有损耗的无线通路上取得可靠的传输性能，让TCP/IP规约有效地运用，这里可考虑“自动重复传输和分层”措施ARQF。这是在发送端把各数据分组再分成较小的分组，依次在通路上向前传输。如果在接收端有一小分组没有正确送到，就通知发送端重新再发。实际上，这种ARQ的作用相当于“时间分集”，藉以克服噪声、干扰和衰落等不良影响。业务质量QoS总的目的是要可靠地取得每一通信用户长期使用感到满意。
一、MIMO-OFDM设计要素
宽带无线通信网的信号传送首先遇到的问题是多途径电波传播。就是说，蜂窝网基台向移动用户终端发送的无线电波，常常遇到许多不同的障碍物，诸如高楼建筑、大树、低层住房以及汽车等等的折射，先后到达接收终端。这些都是复杂的“非视距”NLOS传播，而不是单纯的点与点间的视距LOS传输。因此，在设计无线网时，应根据这些非视距传播的特点，采取相应有效的对策。
特别对于通路色散、k因数、多普勒、交叉偏振、天线相关性等等，应加以密切注意，需要具体考虑射频及硬件，数/模和模/数转换器和其时钟、升频和降频转换振荡器、以及各种器件的线性和动态范围等问题。在非视距通路，因传输路程中近的和远的建筑物都会对无线电波产生反射，到了接收端就会引起通路色散。它由根均方时延分布表示，随距离而加大。它随着环境、天线束射宽度和天线高度而变化，典型的色散值是在0.1～5μs范围以内。这类无线通路的衰落信号大小是依从“赖斯”（Rice）分布规律，取决于固定通路分量功率Pc与散射通路分量功率Ps两者之比，Pc/Ps，称为“赖斯”k因数。Pc=O即k=0时发生的是最坏的衰落，其分布称为“赖斯”分布。K因数是系统设计的重要参数，因为它与一般深度衰落的概率有关。为了可靠的通信，不论固定的、还是移动的通信系统，在设计时都应考虑这种最严重的“瑞利”（RayLeigh）衰落。
在固定无线通路和移动无线通路都会出现多普勒（Doppler）现象，但两者的多普勒频谱不同。固定无线通路的多普勒频率范围为0.1-2Hz，其频谱形状近于指数律或圆形角。而在移动无线通路，多普勒频率约100Hz，并且具有“杰克”（Jake）频谱。所谓交叉偏振鉴别XPD，是指同类偏振与交叉偏振两种平均接收功率之比。XPD表示两种利用不同偏振取向的传输通路的间隔。XPD越大，则两个通路耦合的能量越小。传输距离越长，XPD系统都很重要。如相关系数值较高，例如大于0.7，则分集和多工增益值都将显著减小，如相关值为1，则分集增益值减至0。实际应用一般采取较低的相关系数。如基台和接收天线的构形选择恰当，相关系数较低，约在0.1-0.5范围内。
除了上述对于无线通路特性的实际考虑外，还有射频和硬件的问题很重要，在宽带无线数据系统设计时必须妥慎考虑。无线系统往往与其他通信系统一同运用，发信机的发射特性应该考虑到不妨碍其他系统的正常运用，而收信机的检测特性应该有能力忍受不良的干扰信号影响。设备硬件如产生畸变，必将降低整个通路的性能。在通路本身状态正常时，硬件畸变将最终决定通路的最好性能。
在MIMO系统使用空间分集方式时，硬件的信号与噪声畸变比SNDR要求与数据速率较低的SISO系统相比，只能提高很少几个dB。另一方面，因有效数据速率按对数伴随SNDR增加，同等数据速率的SISO系统要求硬件性能按指灵敏律提高。而且，对于MIMO运用于分集状态的情况，硬件要求可以比SISO系统的低，因为分集各路的畸变一般是互不相关的。这样，在2-5GHz频段运用的线设备硬件，有可能利用集成电路片制成，使成本降低。如发信和接收两端的所有畸变都考虑到，就可能获得30dB的SUDR。有了这样大的SNDR，就可能让MIMO发送端使用64路正交调幅（QAM）。
宽带无线系统的发送端和接收端有很多发生畸变的源，最主要是来自数/模和模/数转换器（DAC/ADC）的信号混合器，它们饱和运用时将产生畸变和噪声，需要足够的电平控制加以遏止。两种转换器的钟使发送端和接收端的取样时间不均匀间隔。虽然接收端的定时跟踪环路用于对付时钟漂移，但剩余的定时相位噪声抖动将引起剩余的信号与畸变比SDR。为了保证SDR大于30dB，定时抖动的根均方值必须小于数据速率的1%。升频和降频转换器都会引起频率漂移，从而加大相位噪声。虽有相位跟踪环路，但如相位噪声大于OFDM音调宽度的1%，则其积分必须小于-30dB，以期SDR大于30dB。
总之，所有硬件都将引起噪声，信号处理的范围应该有一定限度，以确保没有显著的畸变。对此，有必要装用功率控制和自动增益控制，使信号电平足够大于硬件噪音、但不让器件饱和。OFDM信号与其它高性能调制相比较，有稍高的峰值与均值之比PAR而且需要特别照管。OFDM的动态范围和线性要求，可以要特别照管。OFDM的动态范围和线性要求，可以做得与单载波调制在减小PAR时的情况相仿。
二、MIMO-OFDM系统结构特点
上面已经提到，MIMO多重天线和OFDM调制方式相结合，可以满足非视距通信系统NLOS的要求。现在简单说说这种系统实际试用所采取的结构。关于发送分集的方案，这里对下行通路选用“时延分集”，它装备简单、性能优良，又没有反馈要求。它是让第二副天线发出的信号比第一副天线发出的延迟一时间。发送端引用这样的时延，可使接收地通路响应得到频率选择性。如采用适当的编码和穿插，接收端可以获得“空间——频率”分集增益，而不需预知通路情况。
新一代系统装用了改进的发送分集方案。它采用的空间时间编码是不需要反馈的编码，又采用根据通路统计性进行线性预编码，只需要很小反馈。在“空间——时间”编码方案，同一信号经过不同的编码后由多副天线发送。一般可利用分组码，在接收端用线性解码。线性预编码可以和“空间——时间”码结合使用，可能比时延分集系统获取2-6dB的增益，也可能比分组码获取3dB的增益。
也可能从两副基台天线发送两个各自编码的数据流。一个较高数据速率的信号可以是由低速率数据流多组成，每一低速数据流各自经过编码和调制，由不同的天线发送，但利用同一时间和频率槽。在接收端，三套接收天线各自接收两个数据流信号的线性组合，这两个数据流已分别由不同冲击响应所滤波。接收机将两个信号分开，利用空间均衡器，并经过解调、解码和解复接，获取原来信号。接收天线的数目一般应该多于独立发送信号的数目，以期取得较好效果。基台和用户终端各有三副接收天线，可取得接收分集的效果。利用“最大比值合并”MRC，将多个接收机的信号合并，得到最大信噪比SNR，可能有遏止自然干扰的好处。但是，在空间多工的情形，如有两个数据流互相干扰，或者从频率再利用的邻近地区传来干扰，MRC就不能起遏止作用。这时，利用“最小的均方误差”MMSE，它使每一有用信号与其估计值的均方误差最小，从而使“信号与干扰及噪声比”SINR最大。上述MRC和MMSE得出软信号估计，输入至软解码器。它们的适当运用可能对频率选择性通路提供3-4dB性能增益。
同步是重要的，上行和下行传输的开头都有同步槽，用于传送定时相位、定时频率和频率偏移估计，数据和训练序列都由偶数音调传输，而奇数音调为零。这是时域信号的重复形式，便于对上述各项参数作估计。获得了同步后，可从计练音调做出定时估计。新一代无线系统采用自适应调制和编码，以便提供用户的线路参数最佳化，从而获得最大的系统容量。根据用户的SINR统计和QoS要求，应能提供最佳的编码和调制。QAM分级可从4至64，编码可利用卷积码和R-S码。有些编码，可使2MHz通路传送数据速率1.1-6.8Mb/s。
三、MIMO-OFDM无线网的现场测试
上述无线通信网曾经在实验室进行仿真实验测试，也曾在室外现场进行测试。基台是在一幢大楼的屋顶上架设天线，约49英尺高，覆盖区是在半径35英里和120度扇区范围内。基台发射功率为35.5dBm，用户终端发射功率30dBm。下行无线通路使用的中心频率为2.683GHz，上行则为2.545GHz，数据业务占用频带宽度2GHz，基台的发送和接收天线各自相隔16个和8个波长。现场试验主要是为了估计modem的性能和无线通路特性。测试时，覆盖区内用户终端有固定的，也有移动的。测试系统的每一收发信机各有2×3个多径通路，因而它简称2×3系统。
衰落边际的大小是决定于赖斯K因数、时延散布和天线相关性，如时延散布大，则利用OFDM提供的频率选择性可以降低衰落边际要求。如没有时延散布，又没有天线相关性，则在通路可靠性为99.9%的情况下，2×3系统的衰落边际是10dB，而1×2系统的是23dB，1×1系统的是35dB，显示2×3系统的优越性。现场测试曾在固定的和移动的用户终端装置各种天线的情况下，实际测量信噪比SNR，绘制它们随时间变化的特性。可以明显地看到2×3系统接收信噪比特性曲线最高，1×2系统次之，而1×1系统最差，和我们预料的相同。
在同样发射功率和99.9%通路可靠性的要求下，1×2和1×1系统既然要求较高的衰落边际，那么它们的覆盖面积也就相应地缩小，甚至使覆盖区半径减小一半，面积减小至1/4。这样，2×3、1×2、1×1系统的覆盖区半径实际上分别为4.0、2.7和1.6英里。至于通信使用的数据速率，一般地说，越靠近基台，因路径损耗小、SNR较大，故容许的数据速率可以较高。测试分析结果认为：1×1和1×2系统的最高数据速率可以是6.8Mb/s，而2×3的可以加倍，将为13.6Mb/s。这表明，空间多工确实是有作用的。
总的来说，实验结果和现场测试都表明，MIMO-OFDM系统在通信容量覆盖距离和可靠性方面都优于SISO、MISO和SIMO系统，值得新一代宽带无线移动通信网考虑引用。
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