第3章 關(guān)鍵技術(shù)3

1、第1章 移動(dòng)通信概述13:25:3813:25:38第第3章章 關(guān)鍵技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)l 語(yǔ)音編解碼技術(shù) l 調(diào)制與解調(diào)技術(shù) l 擴(kuò)頻通信l 分集接收技術(shù)l 鏈路自適應(yīng)技術(shù)l OFDM技術(shù)l 軟件無(wú)線(xiàn)電技術(shù)l 智能天線(xiàn)l MIMO技術(shù)l 聯(lián)合檢測(cè)l 認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)（RC）第1章 移動(dòng)通信概述13:25:3813:25:38鏈路自適應(yīng)技術(shù)鏈路自適應(yīng)技術(shù) 5 鏈路自適應(yīng)技術(shù)概述及關(guān)鍵技術(shù) 鏈路自適應(yīng)技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展第1章 移動(dòng)通信概述13:25:3813:25:38鏈路自適應(yīng)（LA：Link Adaptation）技術(shù)動(dòng)態(tài)地跟蹤信道變化，根據(jù)信道情況確定當(dāng)前信道的容量，進(jìn)而改變傳輸信息的符號(hào)速率、發(fā)送功

2、率、編碼速率和編碼方式、調(diào)制的星座圖尺寸和調(diào)制方式等參數(shù)，因此可以最大限度地發(fā)送信息，實(shí)現(xiàn)更低的誤碼率，并減輕對(duì)其他用戶(hù)的干擾，滿(mǎn)足不同業(yè)務(wù)的需求，提高系統(tǒng)的整體吞吐量。鏈路自適應(yīng)技術(shù)鏈路自適應(yīng)技術(shù) 5第1章 移動(dòng)通信概述13:25:3813:25:38 傳播環(huán)境和信道特性?xún)蓚€(gè)主要特點(diǎn)：慢時(shí)變性與傳播環(huán)境的差異性。 1. 慢時(shí)變性 移動(dòng)信道的慢時(shí)變特性可分為兩個(gè)層次，一個(gè)是慢陰影衰落，另一個(gè)是慢平坦衰落。 (1) 慢陰影衰落 關(guān)于慢衰落可以有不同的定義和理解，傳統(tǒng)的理解比如以一天為基準(zhǔn)，或以一月/一年為基準(zhǔn)，但是此處的慢是指電波在傳播過(guò)程中受到大型建筑物和相應(yīng)障礙物阻擋造成的“陰影”效應(yīng)而引起

3、的衰落現(xiàn)象，稱(chēng)為慢陰影衰落。慢陰影衰落的統(tǒng)計(jì)特性服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布模型。 自適應(yīng)傳輸?shù)谋匾宰赃m應(yīng)傳輸?shù)谋匾枣溌纷赃m應(yīng)技術(shù)鏈路自適應(yīng)技術(shù) 5第1章 移動(dòng)通信概述13:25:3813:25:38 (2) 慢平坦衰落 這類(lèi)信道形成機(jī)理與慢衰落信道不一樣，它主要是指，由于傳播中的多徑，亦即由于收、發(fā)天線(xiàn)的角度擴(kuò)散，引入多徑傳輸形成的空間選擇性衰落，然而在時(shí)、頻域上是平坦的，特別是在時(shí)域上是慢變化的。 若多徑傳播模型中無(wú)直達(dá)路徑，則在接收端收到的信號(hào)衰落幅度的服從Rayleigh分布；若多徑傳播模型中，存在一個(gè)主要直達(dá)路徑，則信號(hào)衰落幅度遵從Rician分布。 鏈路自適應(yīng)技術(shù)鏈路自適應(yīng)技術(shù) 5第1章

4、移動(dòng)通信概述13:25:3813:25:38 2. 傳播環(huán)境的差異性 上行(反向)鏈路的“遠(yuǎn)近”效應(yīng)，在上行鏈路中，由于小區(qū)內(nèi)用戶(hù)的隨機(jī)移動(dòng)，使各用戶(hù)的移動(dòng)臺(tái)與基站間的距離不相同，若小區(qū)內(nèi)各用戶(hù)發(fā)射功率相同，則到達(dá)基站后信號(hào)強(qiáng)度不一樣，離基站近的用戶(hù)比離基站遠(yuǎn)的用戶(hù)信號(hào)強(qiáng)，這樣在基站接收端將會(huì)產(chǎn)生以強(qiáng)壓弱的現(xiàn)象，同時(shí)由于通信系統(tǒng)中的非線(xiàn)性將進(jìn)一步加強(qiáng)這一過(guò)程，這就是所謂的“遠(yuǎn)近”效應(yīng)。 下行(前向)鏈路的“角”效應(yīng)，在下行鏈路中，當(dāng)用戶(hù)移動(dòng)臺(tái)位于小區(qū)邊緣交界處，它接收到所屬基站的信號(hào)比較弱，但同時(shí)還會(huì)受到鄰近小區(qū)基站信號(hào)的較強(qiáng)干擾，特別是在六角形拐角邊緣地區(qū)尤為嚴(yán)重，故稱(chēng)它為“角”效應(yīng)。 鏈路

5、自適應(yīng)技術(shù)鏈路自適應(yīng)技術(shù) 5第1章 移動(dòng)通信概述13:25:3813:25:38自適應(yīng)傳輸?shù)奈锢砟Ｐ妥赃m應(yīng)編碼、調(diào)制自適應(yīng)功率控制分配、調(diào)度算法反饋信道解調(diào)、解碼信道估計(jì)輸入發(fā)射機(jī)時(shí)變信道( )g t( )n t接收機(jī)輸出鏈路自適應(yīng)技術(shù)鏈路自適應(yīng)技術(shù) 5第1章 移動(dòng)通信概述13:25:3813:25:381、鏈路自適應(yīng)技術(shù)概述及關(guān)鍵技術(shù) 鏈路自適應(yīng)技術(shù)雖然是對(duì)物理層的傳輸參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，但它不僅僅需要物理層，也需要其他各層之間緊密配合。圖3-30中可以看出：鏈路自適應(yīng)技術(shù)需要物理層提供調(diào)制、編碼和發(fā)射功率等參數(shù)信息；需要鏈路層提供一條可靠的信令鏈路，以便在發(fā)射參數(shù)改變時(shí)通知接收機(jī)和發(fā)射機(jī)，以協(xié)調(diào)

6、它們之間的工作。 L3 網(wǎng)絡(luò)層L2 鏈路層L1 物理層其它激活用戶(hù)的信息信令環(huán)調(diào)制、編碼、發(fā)射功率等無(wú)無(wú)線(xiàn)線(xiàn)系系統(tǒng)統(tǒng)鏈鏈路路自自適適應(yīng)應(yīng)鏈路自適應(yīng)技術(shù)鏈路自適應(yīng)技術(shù) 5圖3-30 鏈路自適應(yīng)技術(shù)結(jié)構(gòu) 鏈路自適應(yīng)的關(guān)鍵技術(shù)包括自適應(yīng)調(diào)制和編碼等一系列算法和協(xié)議組成，隨著對(duì)多天線(xiàn)（MIMO）和多載波（OFDM）等技術(shù)的大量采用，鏈路自適應(yīng)設(shè)計(jì)將綜合時(shí)域、頻域和空域上的信道變化特性進(jìn)行。鏈路自適應(yīng)主要涉及以下關(guān)鍵技術(shù)： 自適應(yīng)調(diào)制技術(shù) 自適應(yīng)差錯(cuò)控制技術(shù)第1章 移動(dòng)通信概述13:25:3913:25:39（1）自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)鏈路自適應(yīng)技術(shù)鏈路自適應(yīng)技術(shù) 5調(diào)制方式的星座設(shè)計(jì)對(duì)無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)的性能至關(guān)重

7、要。不同的調(diào)制方式具有不同的傳輸速率，在同樣誤碼率性能要求下所需要的發(fā)射功率也不相同。自適應(yīng)調(diào)制根據(jù)信道的時(shí)間、頻率和空間選擇特性，將時(shí)、頻、空域劃分成多個(gè)子信道，根據(jù)各子信道的條件好壞，為它們分配不同數(shù)目的比特，進(jìn)而映射為不同的調(diào)制方式，如圖3-31所示。第1章 移動(dòng)通信概述13:25:3913:25:39 Water-Filling算法 鏈路自適應(yīng)技術(shù)鏈路自適應(yīng)技術(shù) 5此算法是最優(yōu)鏈路自適應(yīng)算法，它能使系統(tǒng)的頻譜利用率逼近Shannon界。它的基本思想是給信道條件好的子信道多分配發(fā)射功率和數(shù)據(jù)比特，對(duì)信道條件差的子信道少分配或不分配發(fā)射功率和比特。但Water-Filling算法給每個(gè)子信

8、道分配的比特?cái)?shù)目可能為非整數(shù)，不存在相應(yīng)的調(diào)制方式，而且其實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度相當(dāng)高，所以很少應(yīng)用于高速無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸中。Hughes-Hartogs算法Chow算法該算法的優(yōu)化準(zhǔn)則是在約束總發(fā)射功率和維持目標(biāo)誤碼率前提下使頻譜效率最高。它是一種基于迭代的連續(xù)比特和功率分配算法。每一次迭代只分配一個(gè)比特，該比特分配給只需要增加最少發(fā)射功率就能維持目標(biāo)誤碼率的子信道。迭代過(guò)程循環(huán)進(jìn)行，直到所有功率被分配完畢。該算法迭代的數(shù)目等于所需分配的總比特?cái)?shù)，每次迭代都要在所有子信道間進(jìn)行比較操作，因此運(yùn)算復(fù)雜度高，導(dǎo)致實(shí)時(shí)性較差。而且，該算法造成系統(tǒng)設(shè)計(jì)的靈活性較差。該算法是為了減少自適應(yīng)比特和功率分配算法中的迭代次

9、數(shù)和每次迭代中復(fù)雜的排序操作而被提出來(lái)的。其優(yōu)化準(zhǔn)則與Hughes-Hartogs算法相同算法首先經(jīng)過(guò)迭代計(jì)算得到參數(shù)，然后直接通過(guò)閉式解為各子信道分配比特速率。由此分配的比特速率有可能是非整數(shù)，這時(shí)必須將其量化成整數(shù)，為了彌補(bǔ)比特量化帶來(lái)的性能損失，在分配發(fā)射功率時(shí)必須保證各子信道的性能達(dá)到目標(biāo)誤碼率。由于不要求復(fù)雜的迭代計(jì)算和比較操作，Chow算法的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度顯著降低，而其性能比最優(yōu)的WateFilling算法相差很小。第1章 移動(dòng)通信概述13:25:3913:25:39流水原理流水原理第1章 移動(dòng)通信概述13:25:3913:25:39第1章 移動(dòng)通信概述13:25:3913:25:39

10、第1章 移動(dòng)通信概述13:25:3913:25:39 （2）自適應(yīng)差錯(cuò)控制技術(shù)鏈路自適應(yīng)技術(shù)鏈路自適應(yīng)技術(shù) 5自適應(yīng)信道編碼固定的信道編碼方式在信道條件惡化時(shí)無(wú)法保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸，在信道條件改善時(shí)又會(huì)產(chǎn)生冗余，造成頻譜資源的浪費(fèi)。自適應(yīng)信道編碼將信道的變化情況離散為有限狀態(tài)（如有限狀態(tài)Markov信道模型），對(duì)每一種信道狀態(tài)采用不同的信道編碼方式，因此可以較好地兼顧傳輸可靠性和頻譜效率。延 時(shí)xk延 時(shí)輸 入 信 息 序 列交 織 器編 碼 器 1編 碼 器 2截?cái)嗥鲝?fù)接器輸 出 碼 元 序 列y1ky2k第1章 移動(dòng)通信概述13:25:3913:25:39 （2）自適應(yīng)差錯(cuò)控制技術(shù)鏈路自適

11、應(yīng)技術(shù)鏈路自適應(yīng)技術(shù) 5反饋信令設(shè)計(jì)決定傳輸模式轉(zhuǎn)換的反饋信令一般是由接收機(jī)根據(jù)CSI測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生，然后經(jīng)由信令信道送回發(fā)射機(jī)告知其下一次傳輸時(shí)應(yīng)采取的模式。因?yàn)榉答佇帕畹膫鬏斠脖仨毥?jīng)過(guò)無(wú)線(xiàn)信道，所以發(fā)射機(jī)有可能檢測(cè)出錯(cuò)誤的信令信息，這對(duì)于鏈路自適應(yīng)系統(tǒng)是災(zāi)難性的。因此，鏈路自適應(yīng)系統(tǒng)中反饋信令的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是保證信令在無(wú)線(xiàn)信道中無(wú)錯(cuò)傳輸。單一調(diào)制符號(hào)多數(shù)判決離散Walsh碼非對(duì)稱(chēng)保護(hù)設(shè)計(jì)非常簡(jiǎn)單直接，只用經(jīng)過(guò)PSK或QAM調(diào)制的單個(gè)符號(hào)來(lái)承載信令信息。將同樣的信令信息傳在收到這些信令信息后進(jìn)行多數(shù)判錯(cuò)的聯(lián)合概率肯定比單一檢測(cè)的出多，可以提高反饋信令的傳輸可靠性。將信令的狀態(tài)信息用Walsh序列編

12、碼，對(duì)每個(gè)碼元采用最低階調(diào)制方式（如BPSK）。該設(shè)計(jì)根據(jù)信道質(zhì)應(yīng)地選擇不同的調(diào)制方式來(lái)傳輸反在時(shí)分雙工（TDD）系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)和信道上傳輸，但它們經(jīng)歷的信道特性具性。第1章 移動(dòng)通信概述13:25:3913:25:392 鏈路自適應(yīng)技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展 鏈路自適應(yīng)技術(shù)憑借其在提高頻譜利用率和數(shù)據(jù)傳輸速率方面的卓越性能日益贏得了人們的青睞，已成功應(yīng)用于多種移動(dòng)通信系統(tǒng)中，應(yīng)用程度也逐漸從簡(jiǎn)單到復(fù)雜，成為提高系統(tǒng)性能的關(guān)鍵技術(shù)之一。 鏈路自適應(yīng)技術(shù)鏈路自適應(yīng)技術(shù) 5GPRS標(biāo)準(zhǔn)定義了4種不同的編碼方案：CS-1CS-4，數(shù)據(jù)速率分別為9.05kb/s，13.4kb/s，15.6kb/s和21.4kb/

13、s，對(duì)應(yīng)的碼率分別為1/2，2/3，3/4和1。GPRS可根據(jù)數(shù)據(jù)速率要求和無(wú)線(xiàn)鏈路的質(zhì)量來(lái)動(dòng)態(tài)選擇編碼類(lèi)型，以達(dá)到最大的無(wú)線(xiàn)吞吐量。CS1擁有最高的糾錯(cuò)能力和最低的速率，而CS4無(wú)糾錯(cuò)能力但編碼速率最高。不同時(shí)隙可選擇不同的信道編碼，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)傳輸質(zhì)量較好時(shí)，可采用較高速的編碼方式，反之采用較低速的編碼方式。Ericsson公司率先提出并且已經(jīng)被ETSI（歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)）采納的EDGE（Enhanced Data Rates For GSM Evolution）技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，成為GSM未來(lái)的演進(jìn)方向之一。EDGE包括增強(qiáng)的電路交換數(shù)據(jù)（ECSD）和增強(qiáng)的GPRS（EGPRS）兩部分，二者分別以

14、電路交換和分組交換為基礎(chǔ)。EDGE技術(shù)的核心就是鏈路自適應(yīng)，與GPRS不同的是，EDGE技術(shù)不僅編碼方案可以選擇，調(diào)制方式也不再是固定的一種GMSK方式，而是引入了另一種調(diào)制方式，即八進(jìn)制移相鍵控（8-PSK）。這種調(diào)制方式能提供更高的比特率和頻譜效率，且實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度屬于中等。GMSK和8-PSK的符號(hào)速率都是271kbit/s，但由于8-PSK將GMSK的信號(hào)空間從2擴(kuò)展到8，因此每個(gè)符號(hào)可以包括的信息是GMSK的4倍。第1章 移動(dòng)通信概述13:25:3913:25:39OFDMOFDM技術(shù)技術(shù)6 OFDM的原理 OFDM的應(yīng)用第1章 移動(dòng)通信概述13:25:3913:25:39OFDM（Or

15、thogonal Frequency Division Multiplexing，正交頻分復(fù)用）技術(shù)具有在雜波干擾下傳送信號(hào)的能力，因此常常會(huì)被利用在容易受外界干擾或者抵抗外界干擾能力較差的傳輸介質(zhì)中。OFDMOFDM技術(shù)技術(shù)6主要思想 將信道分成若干正交子信道，將高速數(shù)據(jù)信號(hào)轉(zhuǎn)換成并行的低速子數(shù)據(jù)流，調(diào)制到在每個(gè)子信道上進(jìn)行傳輸。正交信號(hào)可以通過(guò)在接收端采用相關(guān)技術(shù)來(lái)分開(kāi)，這樣可以減少子信道之間的相互干擾（ICI）。每個(gè)子信道上的信號(hào)帶寬小于信道的相關(guān)帶寬，因此每個(gè)子信道上的可以看成平坦性衰落，從而可以消除符號(hào)間干擾。而且由于每個(gè)子信道的帶寬僅僅是原信道帶寬的一小部分，信道均衡變得相對(duì)容易。

16、第1章 移動(dòng)通信概述13:25:3913:25:391 OFDM的原理 傳統(tǒng)的頻分復(fù)用方法中各個(gè)子載波的頻譜是互不重疊的，需要使用大量的發(fā)送濾波器和接受濾波器，這樣就大大增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度和成本。同時(shí)，為了減小各個(gè)子載波間的相互串?dāng)_，各子載波間必須保持足夠的頻率間隔，這樣會(huì)降低系統(tǒng)的頻率利用率。而現(xiàn)代OFDM系統(tǒng)采用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，各子載波的產(chǎn)生和接收都由數(shù)字信號(hào)處理算法完成，極大地簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。同時(shí)為了提高頻譜利用率，使各子載波上的頻譜相互重疊，就如圖3-33所示，但這些頻譜在整個(gè)符號(hào)周期內(nèi)滿(mǎn)足正交性，從而保證接收端能夠不失真地復(fù)原信號(hào)。OFDMOFDM技術(shù)技術(shù)6第1章 移動(dòng)通信概述1

17、3:25:4013:25:40 當(dāng)傳輸信道中出現(xiàn)多徑傳播時(shí)，接收子載波間的正交性就會(huì)被破壞，使得每個(gè)子載波上的前后傳輸符號(hào)間以及各個(gè)子載波間發(fā)生相互干擾。為解決這個(gè)問(wèn)題，在每個(gè)OFDM傳輸信號(hào)前面插入一個(gè)保護(hù)間隔，它是由OFDM信號(hào)進(jìn)行周期擴(kuò)展得到的。只要多徑時(shí)延不超過(guò)保護(hù)間隔，子載波間的正交性就不會(huì)被破壞。由上面的原理分析可知，若要實(shí)現(xiàn)OFDM，需要利用一組正交的信號(hào)作為子載波，再以碼元周期為T(mén)的不歸零方波作為基帶碼型，經(jīng)調(diào)制器調(diào)制后送入信道傳輸。圖3-33 正交頻分復(fù)用信號(hào)的頻譜示意圖OFDMOFDM技術(shù)技術(shù)6第1章 移動(dòng)通信概述13:25:4013:25:40 OFDM調(diào)制器如圖3-34

18、所示。要發(fā)送的串行二進(jìn)制數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)編碼器形成了M個(gè)復(fù)數(shù)序列，此復(fù)數(shù)序列經(jīng)過(guò)串并變換器變換后得到碼元周期為T(mén)的M路并行碼，碼型選用不歸零方波。用這M路并行碼調(diào)制M個(gè)子載波來(lái)實(shí)現(xiàn)頻分復(fù)用。 在接收端也是由這樣一組正交信號(hào)在一個(gè)碼元周期內(nèi)分別與發(fā)送信號(hào)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算實(shí)現(xiàn)解調(diào)，恢復(fù)出原始信號(hào)。OFDM解調(diào)器如圖3-35所示。 OFDMOFDM技術(shù)技術(shù)6第1章 移動(dòng)通信概述13:25:4013:25:40圖3-34 OFDM調(diào)制器OFDMOFDM技術(shù)技術(shù)6第1章 移動(dòng)通信概述13:25:4013:25:40圖3-35 OFDM解調(diào)器OFDMOFDM技術(shù)技術(shù)6第1章 移動(dòng)通信概述13:25:4013:25

19、:40 然而上述方法所需設(shè)備非常復(fù)雜，當(dāng)M很大時(shí)，需要大量的正弦波發(fā)生器，濾波器，調(diào)制器和解調(diào)器等設(shè)備，因此系統(tǒng)非常昂貴。為了降低OFDM系統(tǒng)的復(fù)雜度和成本，我們考慮用離散傅立葉變換（DFT）和反變換（IDFT）來(lái)實(shí)現(xiàn)上述功能。如果在發(fā)送端對(duì)D（m）做IDFT，把結(jié)果經(jīng)信道發(fā)送到接收端，然后對(duì)接收到的信號(hào)再做DFT，取其實(shí)部，則可以不失真地恢復(fù)出原始信號(hào)D（m）。這樣就可以利用離散傅立葉變換來(lái)實(shí)現(xiàn)OFDM信號(hào)的調(diào)制和解調(diào)。實(shí)現(xiàn)框圖如圖3-36和圖3-37所示。用DFT和IDFT實(shí)現(xiàn)的OFDM系統(tǒng)，大大降低了系統(tǒng)的復(fù)雜度，減小了系統(tǒng)成本，為OFDM的廣泛應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。OFDMOFDM技術(shù)技術(shù)6

20、第1章 移動(dòng)通信概述13:25:4013:25:40圖3-36 用離散傅立葉變換實(shí)現(xiàn)OFDM的調(diào)制器圖3-37 用離散傅立葉變換實(shí)現(xiàn)OFDM的解調(diào)器OFDMOFDM技術(shù)技術(shù)6第1章 移動(dòng)通信概述13:25:4013:25:40理論推導(dǎo)：理論推導(dǎo)：調(diào)制原理：設(shè)OFDM系統(tǒng)中有N個(gè)子信道，第K個(gè)子信道采用的子載波為：OFDM信號(hào) N路子信號(hào)之和一個(gè)碼元時(shí)間 內(nèi)任意兩個(gè)子載波正交條件： sT子載頻條件：子載頻最小間隔：第1章 移動(dòng)通信概述13:25:4013:25:40OFDM信號(hào)復(fù)數(shù)形式離散傅里葉變換 離散傅里葉逆變換 第1章 移動(dòng)通信概述13:25:4013:25:40 通過(guò)各個(gè)子載波的聯(lián)合編碼

21、，OFDM具有很強(qiáng)的抗衰落能力，同時(shí)也有很強(qiáng)的抗窄帶干擾能力，因?yàn)檫@些干擾僅僅影響到很小一部分的子信道。OFDM系統(tǒng)可以有效地抗信號(hào)波形間干擾，適用于多徑環(huán)境和衰落信道中的高速數(shù)據(jù)傳輸。OFDM信道利用率高，這在頻譜資源有限的無(wú)線(xiàn)環(huán)境中尤為重要。OFDMOFDM技術(shù)技術(shù)6第1章 移動(dòng)通信概述13:25:4013:25:40 為了達(dá)到高速傳輸以及高QoS的保障，必須使頻譜利用率提高、信號(hào)抗衰落能力增強(qiáng)、抗碼間干擾能力顯著增強(qiáng)等，因此需要OFDM等先進(jìn)技術(shù)。OFDM技術(shù)除頻譜利用率高和較強(qiáng)的帶寬擴(kuò)展性外，由于其采用了子載波傳輸，使其在抗多徑衰落性能方面的優(yōu)勢(shì)非常明顯，另外，OFDM系統(tǒng)可靈活選擇各

22、子載波進(jìn)行傳輸，使其具有靈活分配頻譜資源的性能，所以它越來(lái)越得到人們的重視，各項(xiàng)產(chǎn)業(yè)化工作也在不斷開(kāi)展中。 OFDMOFDM技術(shù)技術(shù)6第1章 移動(dòng)通信概述13:25:4013:25:40 在未來(lái)的寬帶無(wú)線(xiàn)通信中，存在兩個(gè)最嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)：多徑衰落信道和帶寬效率。因此，802.11n計(jì)劃采用MIMO與OFDM相結(jié)合，使傳輸速率成倍提高。這是因?yàn)?，OFDM通過(guò)將頻率選擇性多徑衰落信道在頻域內(nèi)轉(zhuǎn)換為平坦信道，減小了多徑衰落的影響；而MIMO技術(shù)能夠在空間中產(chǎn)生獨(dú)立的并行信道同時(shí)傳輸多路數(shù)據(jù)流，這樣就有效地提高了系統(tǒng)的傳輸速率，即在不增加系統(tǒng)帶寬的情況下增加頻譜效率。因此，OFDM和MIMO相結(jié)合，就能達(dá)

23、到兩種效果：一種是實(shí)現(xiàn)很高的傳輸速率，另一種是通過(guò)分集實(shí)現(xiàn)很強(qiáng)的可靠性。OFDMOFDM技術(shù)技術(shù)6第1章 移動(dòng)通信概述13:25:4013:25:40軟件無(wú)線(xiàn)電軟件無(wú)線(xiàn)電 7 軟件無(wú)線(xiàn)電的基本結(jié)構(gòu) 軟件無(wú)線(xiàn)電的特點(diǎn)、應(yīng)用和存在的問(wèn)題第1章 移動(dòng)通信概述13:25:4113:25:41將寬帶A/D變換盡可能地靠近射頻天線(xiàn)，即盡可能早地將接收到的模擬信號(hào)數(shù)字化，最大程度地通過(guò)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)電臺(tái)的各種功能。通過(guò)運(yùn)行不同的算法，軟件無(wú)線(xiàn)電可以實(shí)時(shí)地配置信號(hào)波形，使其能夠提供各種語(yǔ)音編碼、信道調(diào)制、載波頻率、加密算法等無(wú)線(xiàn)電通信業(yè)務(wù)。軟件無(wú)線(xiàn)電臺(tái)不僅可與現(xiàn)有的其它電臺(tái)通信，還能在兩種不同的電臺(tái)系統(tǒng)間充當(dāng)“無(wú)

24、線(xiàn)電網(wǎng)關(guān)”，使兩者能夠互通互連。這樣就解決了由于擁有電臺(tái)類(lèi)型、性能不同帶來(lái)的無(wú)線(xiàn)電聯(lián)系的困難。軟件無(wú)線(xiàn)電軟件無(wú)線(xiàn)電 7 軟件無(wú)線(xiàn)電的基本思想：第1章 移動(dòng)通信概述13:25:4113:25:411、軟件無(wú)線(xiàn)電的基本結(jié)構(gòu) 軟件無(wú)線(xiàn)電是多頻段、多模式、開(kāi)放式體系結(jié)構(gòu)，其無(wú)線(xiàn)功能通過(guò)加載軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，從而提供多種無(wú)線(xiàn)電通信業(yè)務(wù)。軟件無(wú)線(xiàn)電的基本平臺(tái)包括：天線(xiàn)、多頻段射頻（RF）轉(zhuǎn)換器、寬帶A/D（D/A ）轉(zhuǎn)換器和DSP處理器等，如圖3-38所示。軟件無(wú)線(xiàn)電軟件無(wú)線(xiàn)電 7 圖3-38 軟件無(wú)線(xiàn)電基本平臺(tái)第1章 移動(dòng)通信概述13:25:4113:25:41 將A/D和D/A向RF端靠近，由基帶到中頻對(duì)整

25、個(gè)系統(tǒng)頻帶進(jìn)行采樣； 用高速DSP/CPU代替?zhèn)鹘y(tǒng)的專(zhuān)用數(shù)字電路與低速DSP/CPU做A/D后的一系列處理。軟件無(wú)線(xiàn)電軟件無(wú)線(xiàn)電 7 其關(guān)鍵思想和與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的主要區(qū)別：典型的軟件無(wú)線(xiàn)電臺(tái)的工作模塊： 實(shí)時(shí)信道處理：實(shí)時(shí)信道處理包括天線(xiàn)、射頻變換、A/D和D/A變換器、中頻處理、基帶與比特流處理及信源編碼。 環(huán)境管理：在準(zhǔn)實(shí)時(shí)環(huán)境管理模塊中持續(xù)地使用頻率、時(shí)間和空間特征來(lái)表征無(wú)線(xiàn)電環(huán)境，這些特征包括信道識(shí)別和估計(jì)其它參數(shù)。 在線(xiàn)和離線(xiàn)的軟件工具：在線(xiàn)和離線(xiàn)系統(tǒng)分析、信號(hào)處理和變宿主工具允許人們確定增量業(yè)務(wù)。第1章 移動(dòng)通信概述13:25:4113:25:41寬帶/多頻段天線(xiàn)與寬帶射頻模塊： 軟件

26、無(wú)線(xiàn)電軟件無(wú)線(xiàn)電 7 軟件無(wú)線(xiàn)電技術(shù)的各個(gè)模塊的作用：軟件無(wú)線(xiàn)電臺(tái)覆蓋的頻段從2-2kMHz，要求寬帶射頻模塊和低損耗寬帶天線(xiàn)，就目前水平而言要研制出一種全頻段天線(xiàn)是不可能的。研究最佳多頻段天線(xiàn)的主要障礙是當(dāng)兩個(gè)頻率的頻譜十分靠近時(shí)，不能設(shè)計(jì)出同時(shí)在兩個(gè)頻率上工作的多頻段天線(xiàn)。對(duì)于大多數(shù)系統(tǒng)只需覆蓋不同頻程的幾個(gè)窗口，而不必覆蓋全部頻段，故可以采用組合式多頻段天線(xiàn)的方案。模數(shù)轉(zhuǎn)換部分： 目前在通用移動(dòng)通信系統(tǒng)（UMTS）、未來(lái)公共陸地移動(dòng)通信系統(tǒng)（FPLMTS）和蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)中，均用一個(gè)高速A/D轉(zhuǎn)換器使整個(gè)頻帶數(shù)字化。對(duì)A/D的要求主要是采樣速率和位數(shù)?，F(xiàn)有的A/D轉(zhuǎn)換器還不能同時(shí)滿(mǎn)足速

27、率與采樣位數(shù)的要求。解決方法：一方面考慮用多個(gè)高速的采樣保持電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換ADC，然后通過(guò)并串轉(zhuǎn)換將量化速度降低，以提高采樣分辨率；另外也可考慮研究適合于低分辨率、高采樣率的A/D編碼調(diào)制方案。第1章 移動(dòng)通信概述13:25:4113:25:41高速并行DSP技術(shù)：A/D變換后首先要完成的處理工作包括數(shù)字下變頻、濾波和二次采樣，這些是是系統(tǒng)數(shù)字處理運(yùn)算量最大的部分。由于數(shù)字信號(hào)處理器的限制，只能對(duì)幾百kHz的濾波信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算，即使采用較快的設(shè)備，數(shù)字信號(hào)處理軟件仍不能用于下變頻。這就必須采用高速并行DSP組成的多處理器模塊（MCM）或?qū)Ｓ眉呻娐?。?shù)字下變頻后的高速信號(hào)處理部分主要完成中頻處理

28、、基帶處理、比特流處理和信源編碼等其它功能工作。軟件無(wú)線(xiàn)電軟件無(wú)線(xiàn)電 7 第1章 移動(dòng)通信概述13:25:4113:25:412、軟件無(wú)線(xiàn)電的特點(diǎn)、應(yīng)用和存在的問(wèn)題 軟件無(wú)線(xiàn)電最突出的特點(diǎn)是：（1）軟件無(wú)線(xiàn)電具有完全可編程特性，包括可編程的無(wú)線(xiàn)波段、信道接入方式、信道調(diào)制、數(shù)據(jù)速率等，通過(guò)軟件提供信令與控制、操作和管理以及維護(hù)功能。（2）A/D和D/A盡可能地向RF靠近，以便充分利用DSP器件的速度和軟件資源，盡量通過(guò)軟件編程完成從信源基帶直至射頻的波形變換和相關(guān)處理。軟件無(wú)線(xiàn)電軟件無(wú)線(xiàn)電 7 第1章 移動(dòng)通信概述13:25:4113:25:41軟件無(wú)線(xiàn)電主要的特征： 業(yè)務(wù)多樣化，新業(yè)務(wù)、新技

29、術(shù)的引入更加方便和經(jīng)濟(jì)；優(yōu)越的低截獲概率、低探測(cè)概率、抗干擾性能； 自動(dòng)選擇通信模式，無(wú)感覺(jué)地自動(dòng)選擇接入不同的通信網(wǎng)絡(luò)，選擇最佳的通信模式，發(fā)送探尋信號(hào)去建立通信鏈路，采用合適的通信協(xié)議和信號(hào)格式與遠(yuǎn)端進(jìn)行通信，通信模式可以根據(jù)業(yè)務(wù)可用性或信號(hào)質(zhì)量來(lái)選擇； 可作為網(wǎng)關(guān)站加入全球柵格通信網(wǎng)。例如在移動(dòng)通信或PCS中，它可解決傳統(tǒng)基站和移動(dòng)終端的單一模式而造成的不兼容問(wèn)題，使基站和移動(dòng)終端能夠滿(mǎn)足多種標(biāo)準(zhǔn)，能應(yīng)付當(dāng)前和將來(lái)復(fù)雜的通信模式和信令結(jié)構(gòu)。軟件無(wú)線(xiàn)電軟件無(wú)線(xiàn)電 7 第1章 移動(dòng)通信概述13:25:4113:25:41軟件無(wú)線(xiàn)電一些缺點(diǎn)： 很難設(shè)計(jì)寬頻帶、低損耗天線(xiàn)和射頻變頻器； 很難估計(jì)

30、在實(shí)用中對(duì)處理能力的需求和可再編程DSP/CPU處理能力的配置； 較難保證內(nèi)部處理器接口的數(shù)據(jù)速率。目前軟件無(wú)線(xiàn)電結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部件還沒(méi)有開(kāi)放結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)。DSP功能庫(kù)還不能象混合和匹配VME板那樣，對(duì)來(lái)自不同軟件供應(yīng)商的實(shí)時(shí)軟件進(jìn)行混合和匹配。軟件無(wú)線(xiàn)電軟件無(wú)線(xiàn)電 7 第1章 移動(dòng)通信概述13:25:4113:25:41智能天線(xiàn) 8第1章 移動(dòng)通信概述13:25:4113:25:41 在移動(dòng)通信發(fā)展的早期，運(yùn)營(yíng)商為節(jié)約投資，總是希望用盡可能少的基站覆蓋盡可能大的區(qū)域，為使接收到的有用信號(hào)不至于低于門(mén)限，真正可行的是增加天線(xiàn)增益，相對(duì)而言用智能天線(xiàn)實(shí)現(xiàn)較大增益比用單天線(xiàn)容易。利用智能天線(xiàn)，借助有用信號(hào)和

31、干擾信號(hào)在入射角度上的差異，選擇恰當(dāng)?shù)暮喜?quán)值，形成正確的天線(xiàn)接收模式，即將主瓣對(duì)準(zhǔn)有用信號(hào)，低增益副瓣對(duì)準(zhǔn)主要的干擾信號(hào)，從而可更有效的抑制干擾，更大比例的降低頻率復(fù)用因子，和同時(shí)支持更多用戶(hù)。從某種角度可將智能天線(xiàn)看作是更靈活、主瓣更窄的扇形天線(xiàn)。 另外，智能天線(xiàn)可以通過(guò)形成多波束來(lái)獲得額外信道，而不需要分配額外頻譜，從根本上增加了頻譜效率。智能天線(xiàn)的又一個(gè)好處是可減小多徑效應(yīng)。在移動(dòng)通信系統(tǒng)中，接收天線(xiàn)接收的多徑信號(hào)隨著環(huán)境而變化，信號(hào)瞬時(shí)值和延遲失真的變化非常迅速。如果采用智能天線(xiàn)控制接收方向，自適應(yīng)的形成指向性方向圖，就能減小信號(hào)衰落的影響。智能天線(xiàn) 8第1章 移動(dòng)通信概述13:25

32、:4113:25:41 智能天線(xiàn)之所以稱(chēng)其為智能天線(xiàn)，“智能”不是在于天線(xiàn)，而在于信號(hào)處理。在最簡(jiǎn)單的情況下，天線(xiàn)信號(hào)的合并是采用權(quán)值矢量 進(jìn)行線(xiàn)性合并，如圖3-40所示。圖3-40智能天線(xiàn)結(jié)構(gòu)1 、 智能天線(xiàn)的原理智能天線(xiàn)的原理智能天線(xiàn) 8第1章 移動(dòng)通信概述13:25:4113:25:41作為不同天線(xiàn)輸出信號(hào)的合并器。智能天線(xiàn)定義強(qiáng)調(diào)的是利用從不同空間位置得到的信號(hào)，或者也可以說(shuō)智能天線(xiàn)利用了信道的方向性。具有多天線(xiàn)的接收機(jī)能區(qū)分不同到達(dá)方向的多徑分量。因此我們可以將智能天線(xiàn)看做一個(gè)空間Rake接收機(jī)，它能區(qū)分不同到達(dá)方向的多徑分量，并分別進(jìn)行處理。這使得接收機(jī)能對(duì)不同的多徑分量進(jìn)行相干合

33、并，因此可以減小衰落，同時(shí)還可以抑制來(lái)自其它干擾的多徑分量。智能天線(xiàn) 8第1章 移動(dòng)通信概述13:25:4113:25:41 對(duì)一個(gè)等間距的 M元直線(xiàn)陣，如果陣元間距為 d，信號(hào)波長(zhǎng)為 ，信號(hào)X從相對(duì)陣軸法線(xiàn)夾角為 的方向入射，如圖3-41所示，則 t時(shí)刻 M個(gè)陣元信號(hào)的向量和是 （式3-26） 式中， (式3-27） 天線(xiàn)陣的方向圖僅由下式確定 （式3-28） 歸一化方向圖以分貝表示為 （式3-29）MiijetXtY1)1()()(sin)(2dMiijeA1)1()(| )(lg|10)(2AP智能天線(xiàn) 8第1章 移動(dòng)通信概述13:25:4213:25:42 若保持間距不變，增加無(wú)方向性

34、的陣元數(shù)，由上式可推得當(dāng)陣元數(shù)增加時(shí)，方向圖主瓣的寬度將減小，并且零點(diǎn)和旁瓣增加。 如果天線(xiàn)陣陣元數(shù)少，那么對(duì)干擾信號(hào)進(jìn)行抑制的零點(diǎn)形成明顯減少，這樣就減小了在所希望的方向上作用區(qū)的靈敏度。克服這種情況的方法之一是使用大型天線(xiàn)陣，提高自適應(yīng)零點(diǎn)控制的能力。當(dāng)然隨陣元數(shù)的增加，費(fèi)用和復(fù)雜性也隨之增加。因此在陣的分辨能力、旁瓣電平以及對(duì)具體方向上的作用區(qū)內(nèi)所要求的陣元數(shù)之間，應(yīng)該進(jìn)行綜合考慮。智能天線(xiàn) 8第1章 移動(dòng)通信概述13:25:4213:25:42 在波束形成中，權(quán)向量通過(guò)代價(jià)函數(shù)的最優(yōu)化來(lái)確定，代價(jià)函數(shù)的不同，分別對(duì)應(yīng)著不同的方法，這些方法都是通過(guò)求合適的權(quán)向量來(lái)最優(yōu)化代價(jià)函數(shù)。自適應(yīng)波

35、束形成技術(shù)經(jīng)過(guò)了幾十年的發(fā)展，已有許多文獻(xiàn)專(zhuān)著專(zhuān)門(mén)來(lái)介紹波束形成的基本原理和準(zhǔn)則。常用的基本準(zhǔn)則包括： 最小均方誤差準(zhǔn)則 最大信噪比準(zhǔn)則 最小方差準(zhǔn)則智能天線(xiàn) 82 、智能天線(xiàn)的接收準(zhǔn)則第1章 移動(dòng)通信概述13:25:4213:25:42 最小均方誤差準(zhǔn)則旨在使估計(jì)誤差的均方值最小化，是應(yīng)用最廣泛的一種最佳準(zhǔn)則。定義參考信號(hào)為 d（t），則陣列輸出與參考信號(hào)的均方誤差為 為使它的均方值最小，代價(jià)函數(shù)取為 展開(kāi)得)()()()()(tXWtdtYtdteH| )(|2teEJ | )()(|2tXWtdEJHWRWrWtdExxHxdHRe2| )(|2最小均方誤差準(zhǔn)則其中， ，為輸入信號(hào) 的自

36、相關(guān)矩陣， 為輸入信號(hào) 和參考信號(hào) 的互相關(guān)矩陣。 取最小值的最佳權(quán) ，可由令其對(duì) 的梯度為零求得 得到最小均方誤差準(zhǔn)則下的最優(yōu)全向量)()(tXtXERHxx)(tX)()(tdtXErxd)(tX)(tdJoptWW022xdxxrWRJWxdxxoptrRW1智能天線(xiàn) 8第1章 移動(dòng)通信概述13:25:4213:25:42最大信噪比準(zhǔn)則旨在使有用信號(hào)功率和干擾噪聲功率之比最大，常用于通信系統(tǒng)中，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)誤碼率的要求。它的代價(jià)函數(shù)為據(jù)此代價(jià)函數(shù)求出最優(yōu)權(quán)向量。WRWWRWtUWEtSWEJSINRuuHxxHHH| )(| )(|22最大信噪比準(zhǔn)則 最小二乘準(zhǔn)則旨在使如下的加權(quán)平方誤差累

37、計(jì)代價(jià)函數(shù)最小，由此得出代價(jià)函數(shù)為： 同理求出最優(yōu)權(quán)向量。最小二乘準(zhǔn)則tkktketJ12| )(|)(智能天線(xiàn) 8第1章 移動(dòng)通信概述13:25:4213:25:42 通過(guò)算法可以自動(dòng)地調(diào)整天線(xiàn)增益的權(quán)值以便實(shí)現(xiàn)所需要的空間濾波和頻率濾波。通常對(duì)算法的基本要求是收斂快、穩(wěn)定性好、計(jì)算量不能太大、硬件實(shí)現(xiàn)容易。目前己經(jīng)提出的算法有很多，根據(jù)計(jì)算權(quán)矢量所必需的參考信號(hào)信息形式大體可分為三種：時(shí)間參考方式、盲處理方式和空間參考方式。 智能天線(xiàn) 83 、智能天線(xiàn)中常用的自適應(yīng)算法第1章 移動(dòng)通信概述13:25:4213:25:42 基于時(shí)間參考方式的算法根據(jù)最小均方誤差準(zhǔn)則，利用導(dǎo)引信號(hào)來(lái)恢復(fù)信號(hào)。這類(lèi)算法收斂速度較