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作者： odyssey_2010 一，ITU-R M.2134對(duì)下一代無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的要求是： 1，扇區(qū)（cell）的平均頻率利用效率是在市區(qū)（urban）無(wú)線環(huán)境下達(dá)到：下行鏈路 2.2bps/Hz/cell（4個(gè)發(fā)射天線和2個(gè)接收天線，即4*2 MIMO）；上行鏈路 1.4bps/Hz/cell（2個(gè)發(fā)射天線和4個(gè)接收天線，即2*4 MIMO）。 2，理想情況下的頻率利用峰值是：下行鏈路 15bps/Hz/（4個(gè)發(fā)射天線和4個(gè)接收天線，即4*4 MIMO）；上行鏈路 6.75bps/Hz/cell（2個(gè)發(fā)射天線和4個(gè)接收天線，即2*4 MIMO）。 3，支持基準(zhǔn)帶寬的分級(jí)可擴(kuò)展性，支持最高40 MHz的帶寬；鼓勵(lì)更寬的帶寬，比如通過(guò)頻率匯聚（frequency aggregation）技術(shù)為單個(gè)用戶分配100 MHz的帶寬。 如果是40MHz的帶寬，ITU-R M.2134的第1和第2個(gè)要求的執(zhí)行結(jié)果是：1，下行鏈路的平均流量達(dá)到88Mbps/cell，上行鏈路的平均流量達(dá)到56Mbps/cell；2，理論峰值傳輸速率達(dá)到下行600Mbps，上行270Mbps。 第4代無(wú)線廣域網(wǎng)絡(luò)啟用了OFDM和OFDMA技術(shù)，取代了3G使用的DSSS技術(shù)。類似的技術(shù)取代在無(wú)線局域網(wǎng)中已經(jīng)發(fā)生了，IEEE 802.11b是基于DSSS技術(shù)的，而802.11g和802.11n是基于OFDM技術(shù)。OFDM技術(shù)在多徑、頻率選擇性衰落比較明顯的無(wú)線環(huán)境中提供高速數(shù)據(jù)傳輸方面有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。 OFDM被定義成一個(gè)實(shí)現(xiàn)多路通信的方法，利用這個(gè)方法，一個(gè)高速數(shù)據(jù)流被分成多個(gè)低速子數(shù)據(jù)流，這些低速子數(shù)據(jù)流被許多子載波同時(shí)傳送，而且子載波傳送數(shù)據(jù)時(shí)彼此之間不會(huì)產(chǎn)生干擾。 二，為啥4G選擇OFDM和OFDMA？ 要了解OFDM和OFDMA，先要了解FDM。傳統(tǒng)的頻分復(fù)用方法（Frequency Division Multiplex, FDM）如圖“頻分復(fù)用系統(tǒng)”所示。發(fā)射器（transmitter）的輸入端是一串高速基帶數(shù)據(jù)字符流（數(shù)據(jù)流的速率是Rs，symbols per second, sps）。這個(gè)高速基帶數(shù)據(jù)字符流包含了若干個(gè)數(shù)據(jù)字符塊，每個(gè)數(shù)據(jù)字符塊包含L個(gè)數(shù)據(jù)字符。 一個(gè)串行轉(zhuǎn)并行（serial-to-parallel, S-to-P）的轉(zhuǎn)換器將這個(gè)高速數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換成K個(gè)分開的低速數(shù)據(jù)子流，每個(gè)低速數(shù)據(jù)子流的速率是Rs/K sps 。同時(shí)，串并轉(zhuǎn)換器將包含L個(gè)字符的大數(shù)據(jù)塊打散成K個(gè)數(shù)據(jù)子塊，每個(gè)數(shù)據(jù)字塊攜帶L/K個(gè)字符。這些低速數(shù)據(jù)子流穿過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換器（D-to-A），用設(shè)定好的sinusoid exp（-j2πfkt）進(jìn)行調(diào)制，其中fk是為每個(gè)低速數(shù)據(jù)子流分配的子載波頻率。經(jīng)過(guò)調(diào)制，這K個(gè)經(jīng)過(guò)調(diào)制的子載波（在K個(gè)不同的頻率上）匯集起來(lái)，匯集后的信號(hào)被發(fā)射到空中。 為了最小化子載波之間的干擾，相鄰子載波之間必須有隔離頻帶。由于隔離頻帶的存在，K個(gè)子載波占用的總帶寬大于單個(gè)子載波的帶寬的K倍。盡管存在K個(gè)子載波，F(xiàn)DM把所有K個(gè)子載波都用于傳遞一個(gè)用戶的數(shù)據(jù)。FDM有三個(gè)好處： 1，有利于克服符號(hào)間干擾（Intersymbol interference, ISI）和多徑衰落； 2，可以基于子載波改變調(diào)制方法和編碼方式； 3，降低對(duì)信號(hào)接收端的均衡器的要求； 符號(hào)間干擾（Intersymbol interference, ISI）如圖“符號(hào)間干擾”所示。 傳送K個(gè)分離的、窄帶的子載波能更有效地克服ISI和多徑衰落。在時(shí)間域，多徑效應(yīng)導(dǎo)致接收信號(hào)的到達(dá)時(shí)間的“離散”效應(yīng)，信號(hào)到達(dá)時(shí)間的離散也被稱作信道的時(shí)延擴(kuò)展（τ）。 高速無(wú)線通信系統(tǒng)中，符號(hào)速率Rs和符號(hào)的持續(xù)時(shí)間Ts成反比。符號(hào)速率Rs越高，符號(hào)的持續(xù)時(shí)間Ts越小。符號(hào)速率Rs高到一定程度，Ts有可能顯著地小于信道時(shí)延擴(kuò)展（τ），這種情況下，多徑引起的時(shí)延會(huì)讓上一個(gè)符號(hào)泄漏到下一個(gè)符號(hào)，并對(duì)下一個(gè)符號(hào)產(chǎn)生干擾。這種現(xiàn)象叫做ISI。ISI是任何一個(gè)高速無(wú)線通信系統(tǒng)都必須解決的問(wèn)題。 用窄帶子載波承載發(fā)射信號(hào)能很好地解決ISI問(wèn)題，因?yàn)榉糯罅朔?hào)的時(shí)間寬度。降低符號(hào)的速率，就意味著擴(kuò)大符號(hào)的持續(xù)時(shí)間。降低符號(hào)速率可以通過(guò)將高速符號(hào)流分成很多低速符號(hào)子流來(lái)實(shí)現(xiàn)，每個(gè)符號(hào)子流的速率是Rs/K，因此低速符號(hào)子流的每個(gè)符號(hào)的持續(xù)時(shí)間是TsK。 這樣，由于子字符流的符號(hào)持續(xù)時(shí)間明顯大于信道時(shí)延擴(kuò)展（τ），即TsK>>τ，每個(gè)符號(hào)延遲分量對(duì)下一個(gè)符號(hào)幾乎沒(méi)有影響，每個(gè)符號(hào)受到的ISI影響就會(huì)顯著減少。 上述問(wèn)題也可以在頻域進(jìn)行分析。在頻域，多徑效應(yīng)導(dǎo)致在不同的頻段產(chǎn)生不同的衰落特性，甚至產(chǎn)生相消效應(yīng)（也叫NULLs）；因此多徑衰落又叫做頻率選擇性衰落。一個(gè)頻率選擇性信道的特征參數(shù)是相干帶寬Wc，在相干帶寬的范圍內(nèi)，信道表現(xiàn)得相對(duì)比較平坦、比較固定。 使用一系列窄帶子載波傳送信號(hào)就能夠克服頻率選擇性衰落。每個(gè)子載波的帶寬都明顯小于初始的寬帶載波。每個(gè)子載波會(huì)遇到自己的衰落，但是只要每個(gè)子載波的帶寬足夠�。ㄟh(yuǎn)遠(yuǎn)小于相干帶寬Wc ），就可以認(rèn)為子載波經(jīng)歷的是平坦衰落，也就是說(shuō)窄帶子載波受頻率選擇性衰落的影響很小。換句話說(shuō)，只要子載波的帶寬Rs/K<< Wc，頻率選擇項(xiàng)衰落就被認(rèn)為是消除了。 能夠強(qiáng)壯地應(yīng)對(duì)ISI和多徑衰落，是使用多個(gè)窄帶子載波的無(wú)線通信系統(tǒng)的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)。OFDM和OFDMA充分利用了這一優(yōu)勢(shì)，這是4G無(wú)線通信系統(tǒng)選擇OFDM和OFDMA的主要原因，因?yàn)镺FDM和OFDMA能很好地幫助寬帶信號(hào)克服多徑衰落和ISI。 FDM能夠基于子載波改變調(diào)制方法和編碼方式。系統(tǒng)通過(guò)多個(gè)子載波傳遞數(shù)據(jù)符號(hào)時(shí)，在任何時(shí)候，有的子載波經(jīng)歷了衰落，有的子載波沒(méi)有經(jīng)歷衰落。經(jīng)歷衰落的子載波可以求助于更強(qiáng)健的調(diào)制方式（比如QPSK）和低速率的糾錯(cuò)編碼（比如1/3 convolutional code），以保證提高接收端無(wú)錯(cuò)接收數(shù)據(jù)符號(hào)的概率，代價(jià)是降低比特傳送速率。那些幾乎不受衰落影響的子載波，可以使用更有效率（當(dāng)然對(duì)無(wú)線環(huán)境要求比較高）的調(diào)制方式（如16-QAM）和高速率的糾錯(cuò)編碼（比如3/4 convolutional code），以提高比特傳輸速率。通過(guò)為每個(gè)子載波分配不同的調(diào)制方式和糾錯(cuò)編碼，系統(tǒng)能夠獲得最佳的容量和性能表現(xiàn)。 FDM能夠降低對(duì)信號(hào)接收端的均衡器的要求。 接收端需要用一個(gè)均衡器來(lái)均衡通道響應(yīng)。當(dāng)子載波是窄帶時(shí)，均衡器比較簡(jiǎn)單，因?yàn)檎瓗б馕吨幚矸?hào)傳送的時(shí)間比較長(zhǎng)。在接收端，每個(gè)子載波都需要一個(gè)均衡器，因此一共有K個(gè)均衡器。 傳統(tǒng)的多子載波FDM系統(tǒng)有兩大缺點(diǎn)：1，信號(hào)發(fā)射器需要K個(gè)數(shù)模轉(zhuǎn)換器和K個(gè)獨(dú)立的射頻調(diào)制器；2，F(xiàn)DM的頻譜效率比較低，需要隔離頻帶分隔子載波。 有沒(méi)有可能既充分利用FDM系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，又規(guī)避FDM的缺點(diǎn)呢？答案是OFDM。 |
