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作者： odyssey_2010 一，ITU-R M.2134對下一代無線網(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）無線環(huán)境下達到：下行鏈路 2.2bps/Hz/cell（4個發(fā)射天線和2個接收天線，即4*2 MIMO）；上行鏈路 1.4bps/Hz/cell（2個發(fā)射天線和4個接收天線，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個發(fā)射天線和4個接收天線，即4*4 MIMO）；上行鏈路 6.75bps/Hz/cell（2個發(fā)射天線和4個接收天線，即2*4 MIMO）。 3，支持基準帶寬的分級可擴展性，支持最高40 MHz的帶寬；鼓勵更寬的帶寬，比如通過頻率匯聚（frequency aggregation）技術(shù)為單個用戶分配100 MHz的帶寬。 如果是40MHz的帶寬，ITU-R M.2134的第1和第2個要求的執(zhí)行結(jié)果是：1，下行鏈路的平均流量達到88Mbps/cell，上行鏈路的平均流量達到56Mbps/cell；2，理論峰值傳輸速率達到下行600Mbps，上行270Mbps。 第4代無線廣域網(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線環(huán)境中提供高速數(shù)據(jù)傳輸方面有獨特的優(yōu)勢。 OFDM被定義成一個實現(xiàn)多路通信的方法，利用這個方法，一個高速數(shù)據(jù)流被分成多個低速子數(shù)據(jù)流，這些低速子數(shù)據(jù)流被許多子載波同時傳送，而且子載波傳送數(shù)據(jù)時彼此之間不會產(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）。這個高速基帶數(shù)據(jù)字符流包含了若干個數(shù)據(jù)字符塊，每個數(shù)據(jù)字符塊包含L個數(shù)據(jù)字符。 一個串行轉(zhuǎn)并行（serial-to-parallel, S-to-P）的轉(zhuǎn)換器將這個高速數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換成K個分開的低速數(shù)據(jù)子流，每個低速數(shù)據(jù)子流的速率是Rs/K sps 。同時，串并轉(zhuǎn)換器將包含L個字符的大數(shù)據(jù)塊打散成K個數(shù)據(jù)子塊，每個數(shù)據(jù)字塊攜帶L/K個字符。這些低速數(shù)據(jù)子流穿過數(shù)模轉(zhuǎn)換器（D-to-A），用設(shè)定好的sinusoid exp（-j2πfkt）進行調(diào)制，其中fk是為每個低速數(shù)據(jù)子流分配的子載波頻率。經(jīng)過調(diào)制，這K個經(jīng)過調(diào)制的子載波（在K個不同的頻率上）匯集起來，匯集后的信號被發(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個子載波占用的總帶寬大于單個子載波的帶寬的K倍。盡管存在K個子載波，F(xiàn)DM把所有K個子載波都用于傳遞一個用戶的數(shù)據(jù)。FDM有三個好處： 1，有利于克服符號間干擾（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，降低對信號接收端的均衡器的要求； 符號間干擾（Intersymbol interference, ISI）如圖“符號間干擾”所示。 傳送K個分離的、窄帶的子載波能更有效地克服ISI和多徑衰落。在時間域，多徑效應(yīng)導(dǎo)致接收信號的到達時間的“離散”效應(yīng)，信號到達時間的離散也被稱作信道的時延擴展（τ）。 高速無線通信系統(tǒng)中，符號速率Rs和符號的持續(xù)時間Ts成反比。符號速率Rs越高，符號的持續(xù)時間Ts越小。符號速率Rs高到一定程度，Ts有可能顯著地小于信道時延擴展（τ），這種情況下，多徑引起的時延會讓上一個符號泄漏到下一個符號，并對下一個符號產(chǎn)生干擾。這種現(xiàn)象叫做ISI。ISI是任何一個高速無線通信系統(tǒng)都必須解決的問題。 用窄帶子載波承載發(fā)射信號能很好地解決ISI問題，因為放大了符號的時間寬度。降低符號的速率，就意味著擴大符號的持續(xù)時間。降低符號速率可以通過將高速符號流分成很多低速符號子流來實現(xiàn)，每個符號子流的速率是Rs/K，因此低速符號子流的每個符號的持續(xù)時間是TsK。 這樣，由于子字符流的符號持續(xù)時間明顯大于信道時延擴展（τ），即TsK>>τ，每個符號延遲分量對下一個符號幾乎沒有影響，每個符號受到的ISI影響就會顯著減少。 上述問題也可以在頻域進行分析。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)得相對比較平坦、比較固定。 使用一系列窄帶子載波傳送信號就能夠克服頻率選擇性衰落。每個子載波的帶寬都明顯小于初始的寬帶載波。每個子載波會遇到自己的衰落，但是只要每個子載波的帶寬足夠小（遠遠小于相干帶寬Wc ），就可以認為子載波經(jīng)歷的是平坦衰落，也就是說窄帶子載波受頻率選擇性衰落的影響很小。換句話說，只要子載波的帶寬Rs/K<< Wc，頻率選擇項衰落就被認為是消除了。 能夠強壯地應(yīng)對ISI和多徑衰落，是使用多個窄帶子載波的無線通信系統(tǒng)的關(guān)鍵優(yōu)勢。OFDM和OFDMA充分利用了這一優(yōu)勢，這是4G無線通信系統(tǒng)選擇OFDM和OFDMA的主要原因，因為OFDM和OFDMA能很好地幫助寬帶信號克服多徑衰落和ISI。 FDM能夠基于子載波改變調(diào)制方法和編碼方式。系統(tǒng)通過多個子載波傳遞數(shù)據(jù)符號時，在任何時候，有的子載波經(jīng)歷了衰落，有的子載波沒有經(jīng)歷衰落。經(jīng)歷衰落的子載波可以求助于更強健的調(diào)制方式（比如QPSK）和低速率的糾錯編碼（比如1/3 convolutional code），以保證提高接收端無錯接收數(shù)據(jù)符號的概率，代價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)然對無線環(huán)境要求比較高）的調(diào)制方式（如16-QAM）和高速率的糾錯編碼（比如3/4 convolutional code），以提高比特傳輸速率。通過為每個子載波分配不同的調(diào)制方式和糾錯編碼，系統(tǒng)能夠獲得最佳的容量和性能表現(xiàn)。 FDM能夠降低對信號接收端的均衡器的要求。 接收端需要用一個均衡器來均衡通道響應(yīng)。當(dāng)子載波是窄帶時，均衡器比較簡單，因為窄帶意味著處理符號傳送的時間比較長。在接收端，每個子載波都需要一個均衡器，因此一共有K個均衡器。 傳統(tǒng)的多子載波FDM系統(tǒng)有兩大缺點：1，信號發(fā)射器需要K個數(shù)模轉(zhuǎn)換器和K個獨立的射頻調(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。 有沒有可能既充分利用FDM系統(tǒng)的優(yōu)勢，又規(guī)避FDM的缺點呢？答案是OFDM。 |
