未來無線寬帶技術的新支點

2019-11-03 09:00:39

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供稿：網友

山東省信息產業廳韓旭東

　　為滿足無線多媒體和高速率數據傳輸的要求，需要開發新一代無線寬帶網系統。如今，無線寬帶網開始著眼于如OFDM技術等第4代移動通信的關鍵技術，以繼續提升性能。

　　未來無線寬帶技術的新支點

　　

　　“當今無線技術的發展就如同20年前PC技術大發展一般的突飛猛進，令人難以跟上它的節奏”，Intel副總裁兼首席技術官基辛格如此描述無線網絡的崛起。

　　近年來，無線寬帶接入網以其可移動性、使用靈活、維護方便、易于擴展和良好的性價比，取得了巨大發展。其中WLAN已成為有線網絡的替代方案，IEEE802.11標準已發展成為WLAN的主要標準。但無線寬帶接入網的性能與傳統有線網相比還有一定距離，因此進一步提高和優化網絡性能的需求愈加迫切。一方面，高速增長中的Internet業務、實時業務和多媒體應用，對于網絡的帶寬、QoS和可擴展性也提出了更高要求。而另一方面，利用無線信道進行通信很容易受到干擾、衰落等因素影響，對于多媒體等應用而言尤為不利。

　　為滿足無線多媒體和高速率數據傳輸的要求，需要開發新一代無線寬帶網系統。如今，無線寬帶網開始著眼于如OFDM技術等第4代移動通信的關鍵技術，以繼續提升性能。

　　OFDM聯手MIMO

　　在無線通信領域，多入多出(MIMO)技術是一項重大突破（尤其在智能天線技術方面）。MIMO技術能在不增加帶寬的情況下成倍地提高通信系統容量和頻譜利用率。

　　在室內，電磁環境較為復雜，業界普遍認為，多徑效應、頻率選擇性衰落和其他干擾源的存在往往會影響數據傳輸質量。盡管多徑效應會引起衰落，然而對于MIMO系統卻可以作為一個有利因素加以利用。MIMO系統在發射端和接收端均采用多天線(或陣列天線)和多通道手段（MIMO的多入多出是針對多徑無線信道而言的），通過這些并行的空間信道可以實現信息的獨立傳輸，因此而提高數據率。MIMO將多徑無線信道與發射、接收視為一個整體進行優化，從而可實現高的通信容量和頻譜利用率。

　　當功率和帶寬固定時，MIMO的最大容量或容量上限隨最小天線數的增加而線性增加。而在同樣條件下，在接收端或發射端采用多天線或天線陣列的普通智能天線系統，其容量僅隨天線數的對數增加而增加。因此，對于無線通信系統的容量提升而言，MIMO技術具有極大潛力。

　　為了進一步增加系統的容量，提高系統傳輸速率，單純使用OFDM技術的寬帶無線通信手段需要大量增加子載波的數量，而這種方法會大幅增加系統的復雜度，并大量占用系統帶寬，勢必很難適應目前帶寬和功率有限的無線局域網應用環境。

　　反之，MIMO技術能在不增加帶寬的情況下成倍提高通信系統的容量和頻譜利用率，因此將MIMO技術與OFDM技術相結合是適應下一代無線局域網發展要求的趨勢。（下轉48版）（上接47版）研究表明，在瑞利衰落信道環境下，OFDM系統非常適于通過MIMO技術來提高容量。

　　MIMO+OFDM技術可以通過在OFDM傳輸系統中采用陣列天線實現空間分集，提高信號質量，屬于聯合OFDM和MIMO而得到的一種新技術思路。它利用了時間、頻率和空間三種分集技術，使無線系統對噪聲、干擾、多徑的容限大大增加。MIMO+OFDM技術另外的一大技術優勢還在于其優秀的自適應性。

　　無線通信在采用了OFDM等寬帶調制技術之后，將單一物理信道分割為正交的若干個子信道，以此來實現高速數據傳輸。多輸入多輸出（MIMO）技術在發送端和接收端之間定義了多個獨立信道。

　　MIMO與OFDM技術結合，可以將無線通信的信號處理從時頻分集擴展為時空頻分集，進一步分割信道為空時頻正交的子信道。這樣，我們就需要根據各個子信道的實際傳輸情況靈活分配發送功率和信息比特。并且由于無線信道的頻率選擇性和時變性，也需要對信道進行實時檢測，以更加有效地利用無線資源。

　　對于所有子載波都使用相同固定調制方案的通信系統來說，其誤碼率主要由經歷衰落最嚴重的子載波決定。因此在頻率選擇性衰落信道中，隨著平均信噪比的增加，系統誤碼率的下降趨勢也十分緩慢。

　　對此，我們可以對不同的子信道采用不同傳輸方案，為每個子信道的信噪比設置一套傳輸方案，同時可以對單個子信道功率實現最優化分配。

　　多層次聯合優化

　　在未來無線寬帶系統設計中，網絡跨層間的相互作用效應不可忽略。

　　在無線網絡設計的OSI分層模型中，最高和最低層次均可以通過不同方法解決固定基站無限制接入的位置問題，以及制定網絡層自適應策略, 利用物理層和MAC層信息、資源和連接點信息進行系統性能的優化操作。

　　在新一代多媒體網絡優化設計時，不僅需要靜態優化跨層設計，還應考慮動態優化跨層自適應能力。傳統的網絡設計中原本就包含部分自適應能力，如利用自適應信號處理調整信道參數、更新路由表、改變流量負載等，但這些調整更新與網絡層次是孤立的。這里的跨層自適應能力是指允許網絡功能同時在功能和自適應之間通過信息交換，滿足網絡負載、信道環境和QoS可變等要求。

　　在跨層優化設計中，往往難以實現實時網絡性能的動態優化，然而我們可以對其進行一些限制性設計。跨層優化設計中應采用測度，在傳統網絡層次設計中有優先權準則，如：物理層準則是比特差錯率，MAC準則是節點吞吐量或信道現存性，網絡準則是時延和路由效率。這就引出了一系列問題：什么測度指標可以代表未來系統的主要性能？如何綜合優化這些測度指標？如何對這些測度指標進行優先權排序？

　　在跨層動態優化中，需要復雜建模或仿真過程，物理層仿真器采用時間驅動法，而網絡仿真器采用事件驅動法。解決上述問題的方法是雙層仿真法，即物理層仿真器的輸出去激發網絡仿真器。但是，這種方法不允許層次間有相互作用，不利于跨層優化設計。此時，可以采取下述混合措施：混合高層次的功能性能仿真和低層次的功能性能半分析仿真；可變量化度措施，即粗量化度網絡仿真器用于大部分物理層鏈路，細量化度仿真器用于特定物理層鏈路；實施從物理層到應用層的仿真和進行實時處理。

　　在適應跨層功能性能時，網絡各層次的控制應處于最佳位置，并且配合有過程控制。否則，會出現各種自適應的目標互相矛盾。總之，以上技術優勢僅僅剛剛拉開序幕，尚待時間檢驗和需要額外頻譜安置的支持。

　　使用LDPC編碼

　　糾錯編碼技術作為改善數字信道通信可靠性的一種有效手段,在數字通信的各個領域中獲得極為廣泛的應用,其主要分為卷積碼、分組碼，Turbo碼和LDPC(低密度奇偶校驗碼)。

　　在編碼器復雜度相同情況下，卷積碼的性能優于分組碼。現在IEEE802.11標準大都采用了卷積碼信道前向糾錯編碼和Viterbi譯碼。另外，Turbo碼可獲得比傳統級連碼更大的編碼增益,且具有合理的譯碼復雜性,被認為是大編碼存貯卷積碼或傳統級連碼的替代方案。然而，寬帶無線通信的數據包長較短且采用較為簡單的傳輸機制，因此很難采用復雜度較高且適用于長數據包傳輸的Turbo碼。

　　比較而言，LDPC是一類可以用非常稀疏的Parity-check(奇偶校驗矩陣)或Bi-Partite graph(二分圖)定義的線性分組糾錯碼。

　　LDPC碼的特點是:性能優于Turbo碼,具有較大靈活性和較低的差錯平底特性(error floors) ；描述簡單,對嚴格的理論分析具有可驗證性；譯碼復雜度低于turbo碼,且可實現完全的并行操作,硬件復雜度低,因而適合硬件實現；再者其吞吐量大,具有高速譯碼潛力。因此，結合LDPC的MIMO OFDM無線寬帶通信勢必將取得更好的性能。

　　軟件無線電

　　目前寬帶無線通信多種標準并存，不同標準采用不同的工作頻段以及不同的調制方式，造成系統間難以互通。面對這一兼容性難題，軟件無線電是一種最有希望的解決方向。軟件無線電是指研制出一個完全可編程的硬件平臺，所有的應用都通過在該平臺上的軟件編程實現。換言之，不同系統的基站和移動終端都可以由建立在相同硬件基礎上的不同軟件實現。該技術將能保證各種移動臺、各種移動通信設備之間的無縫集成，并大大降低了建設成本。

　　可以預見，基于軟件無線電的移動通信將會具有以下特點：在同一硬件平臺上兼容不同的系統；具有自動漫游能力，能在不同系統之間進行智能切換；可以下載公用軟件并進行自身的升級；支持語音、數據、圖像和傳真等多種業務，并能根據業務流量、信道質量等情況，自動選擇合適的傳輸信道；自動選擇通信模式，采用合適的通信協議和信號格式實現遠端通信。

　　軟件無線電在下一代寬帶無線通信中的應用，將根本改變其網絡結構，可以實現有線網與無線網的融合，能夠容納各種標準和協議并提供更為開放的接口，以最終增加網絡的靈活性。

　　可見，未來無線寬帶網絡為了實現更高的傳輸速率和更可靠的性能，勢必將采用到上述下一代移動通信中的關鍵技術。

　　其中，MIMO技術和OFDM技術在各自的領域都發揮了巨大作用，通過將MIMO與 OFDM相結合并應用于下一代無線寬帶網，這也是無線通信技術領域中的一個長期熱點。

　　背景解析：

　　OFDM技術特點

　　OFDM技術其實是MCM(Multi-Carrier Modulation, 多載波調制)技術的一個分支。

　　其核心運行方式是：將信道分成許多正交子信道，在每個子信道上進行窄帶調制和傳輸，這樣減少了子信道之間的相互干擾。每個子信道上的信號帶寬小于信道的相關帶寬，因此每個子信道上的頻率選擇性衰落是平坦的，大大消除了符號間干擾。另外，在各個子信道中的這種正交調制和解調可以采用IFFT和FFT（快速傅里葉變換）方法來實現，隨著大規模集成電路技術與DSP技術的發展，IFFT和FFT很容易實現和應用。FFT的引入，大大降低了OFDM的應用復雜性。

　　OFDM技術有著廣闊的發展前景，目前已成為第4代移動通信的核心技術。IEEE802.11a/g標準為了支持高速數據傳輸都采用了OFDM調制技術。目前，OFDM結合MIMO技術、軟件無線電技術、LDBC編碼技術以及智能天線技術，最大程度地提高了物理層的可靠性。再結合自適應調制、自適應編碼以及動態子載波分配、動態比特分配算法等技術，可進一步優化性能。

摘自　網絡世界

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