张 煦 上海交通大学 中国科学院院士
【摘要】本文首先概述新型无线通信网设计的基本要求。然后，对近年采用的“多输入、多输出”和“正交频分多路”系统，依次说明其设计要素和结构特点。最后简述了现场测试情况。
1 无线通信网设计要求概述
为了能够像有线通信网那样让通信用户方便地接入因特网和实现多媒体通信业务，无线通信网也要建成宽带网和提供良好的业务质量（QoS），以适应移动通信发展的要求。无线通信所使用的无线电频段一般在2-5GHz范围，以期取得较好的电波传播特性和较低的射频设备成本。这样宽带的光线通路一般是非视距传输的信道（NLOS），必须能够免予遭受时间和频率的选择性衰落的损害。
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（multi-input and multi-output antenna），二是“正文频分多路调制”OFDM（Orthogonal freguency division multiplexing）。据说实际安装测试的结果可以认为满意。
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（medium access control），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（automatic repeat reguest & fragmentation）。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。
2 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（Cross pllarization discrimlnation），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（Signal to Noise-Distorsion Ratio）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（signal to Distortion Ratio）。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（peak to average ratio）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。
3 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（maximal ratiocambining），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（minimum mean sguare error），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（signal to interference plus noise ratio）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，可从计练音调作出定时估计。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（Reed & Solomon）。有些编码，可使2MHz通路传送数据速率1.1-6.8Mb/s。
4 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。
摘自《移动通信在线》
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