未来无线宽带技术的新支点

  “当今无线技术的发展就如同20年前PC技术大发展一般的突飞猛进,令人难以跟上它的节奏”,Intel副总裁兼首席技术官基辛格如此描述无线网络的崛起。
  
  近年来,无线宽带接入网以其可移动性、使用灵活、维护方便、易于扩展和良好的性价比,取得了巨大发展。其中WLAN已成为有线网络的替代方案,IEEE802.11标准已发展成为WLAN的主要标准。但无线宽带接入网的性能与传统有线网相比还有一定距离,因此进一步提高和优化网络性能的需求愈加迫切。一方面,高速增长中的Internet业务、实时业务和多媒体应用,对于网络的带宽、QoS和可扩展性也提出了更高要求。而另一方面,利用无线信道进行通信很容易受到干扰、衰落等因素影响,对于多媒体等应用而言尤为不利。
  
  为满足无线多媒体和高速率数据传输的要求,需要开发新一代无线宽带网系统。如今,无线宽带网开始着眼于如OFDM技术等第4代移动通信的关键技术,以继续提升性能。
  
  OFDM联手MIMO
  
  在无线通信领域,多入多出(MIMO)技术是一项重大突破(尤其在智能天线技术方面)。MIMO技术能在不增加带宽的情况下成倍地提高通信系统容量和频谱利用率。
  
  在室内,电磁环境较为复杂,业界普遍认为,多径效应、频率选择性衰落和其他干扰源的存在往往会影响数据传输质量。尽管多径效应会引起衰落,然而对于MIMO系统却可以作为一个有利因素加以利用。MIMO系统在发射端和接收端均采用多天线(或阵列天线)和多通道手段(MIMO的多入多出是针对多径无线信道而言的),通过这些并行的空间信道可以实现信息的独立传输,因此而提高数据率。MIMO将多径无线信道与发射、接收视为一个整体进行优化,从而可实现高的通信容量和频谱利用率。
  
  当功率和带宽固定时,MIMO的最大容量或容量上限随最小天线数的增加而线性增加。而在同样条件下,在接收端或发射端采用多天线或天线阵列的普通智能天线系统,其容量仅随天线数的对数增加而增加。因此,对于无线通信系统的容量提升而言,MIMO技术具有极大潜力。
  
  为了进一步增加系统的容量,提高系统传输速率,单纯使用OFDM技术的宽带无线通信手段需要大量增加子载波的数量,而这种方法会大幅增加系统的复杂度,并大量占用系统带宽,势必很难适应目前带宽和功率有限的无线局域网应用环境。
  
  反之,MIMO技术能在不增加带宽的情况下成倍提高通信系统的容量和频谱利用率,因此将MIMO技术与OFDM技术相结合是适应下一代无线局域网发展要求的趋势。(下转48版)(上接47版)研究表明,在瑞利衰落信道环境下,OFDM系统非常适于通过MIMO技术来提高容量。
  
  MIMO+OFDM技术可以通过在OFDM传输系统中采用阵列天线实现空间分集,提高信号质量,属于联合OFDM和MIMO而得到的一种新技术思路。它利用了时间、频率和空间三种分集技术,使无线系统对噪声、干扰、多径的容限大大增加。MIMO+OFDM技术另外的一大技术优势还在于其优秀的自适应性。
  
  无线通信在采用了OFDM等宽带调制技术之后,将单一物理信道分割为正交的若干个子信道,以此来实现高速数据传输。多输入多输出(MIMO)技术在发送端和接收端之间定义了多个独立信道。
  
  MIMO与OFDM技术结合,可以将无线通信的信号处理从时频分集扩展为时空频分集,进一步分割信道为空时频正交的子信道。这样,我们就需要根据各个子信道的实际传输情况灵活分配发送功率和信息比特。并且由于无线信道的频率选择性和时变性,也需要对信道进行实时检测,以更加有效地利用无线资源。
  
  对于所有子载波都使用相同固定调制方案的通信系统来说,其误码率主要由经历衰落最严重的子载波决定。因此在频率选择性衰落信道中,随着平均信噪比的增加,系统误码率的下降趋势也十分缓慢。
  
  对此,我们可以对不同的子信道采用不同传输方案,为每个子信道的信噪比设置一套传输方案,同时可以对单个子信道功率实现最优化分配。
  
  多层次联合优化
  
  在未来无线宽带系统设计中,网络跨层间的相互作用效应不可忽略。
  
  在无线网络设计的OSI分层模型中,最高和最低层次均可以通过不同方法解决固定基站无限制接入的位置问题,以及制定网络层自适应策略, 利用物理层和MAC层信息、资源和连接点信息进行系统性能的优化操作。
  
  在新一代多媒体网络优化设计时,不仅需要静态优化跨层设计,还应考虑动态优化跨层自适应能力。传统的网络设计中原本就包含部分自适应能力,如利用自适应信号处理调整信道参数、更新路由表、改变流量负载等,但这些调整更新与网络层次是孤立的。这里的跨层自适应能力是指允许网络功能同时在功能和自适应之间通过信息交换,满足网络负载、信道环境和QoS可变等要求。
  
  在跨层优化设计中,往往难以实现实时网络性能的动态优化,然而我们可以对其进行一些限制性设计。跨层优化设计中应采用测度,在传统网络层次设计中有优先权准则,如:物理层准则是比特差错率,MAC准则是节点吞吐量或信道现存性,网络准则是时延和路由效率。这就引出了一系列问题:什么测度指标可以代表未来系统的主要性能?如何综合优化这些测度指标?如何对这些测度指标进行优先权排序?
  
  在跨层动态优化中,需要复杂建模或仿真过程,物理层仿真器采用时间驱动法,而网络仿真器采用事件驱动法。解决上述问题的方法是双层仿真法,即物理层仿真器的输出去激发网络仿真器。但是,这种方法不允许层次间有相互作用,不利于跨层优化设计。此时,可以采取下述混合措施 :混合高层次的功能性能仿真和低层次的功能性能半分析仿真;可变量化度措施,即粗量化度网络仿真器用于大部分物理层链路,细量化度仿真器用于特定物理层链路;实施从物理层到应用层的仿真和进行实时处理。
  
  在适应跨层功能性能时,网络各层次的控制应处于最佳位置,并且配合有过程控制。否则,会出现各种自适应的目标互相矛盾。总之,以上技术优势仅仅刚刚拉开序幕,尚待时间检验和需要额外频谱安置的支持。
  
  使用LDPC编码
  
  纠错编码技术作为改善数字信道通信可靠性的一种有效手段,在数字通信的各个领域中获得极为广泛的应用,其主要分为卷积码、分组码,Turbo码和LDPC(低密度奇偶校验码)。
  
  在编码器复杂度相同情况下,卷积码的性能优于分组码。现在IEEE802.11标准大都采用了卷积码信道前向纠错编码和Viterbi译码。另外,Turbo码可获得比传统级连码更大的编码增益,且具有合理的译码复杂性,被认为是大编码存贮卷积码或传统级连码的替代方案。然而,宽带无线通信的数据包长较短且采用较为简单的传输机制,因此很难采用复杂度较高且适用于长数据包传输的Turbo码。
  
  比较而言,LDPC是一类可以用非常稀疏的Parity-check(奇偶校验矩阵)或Bi-Partite graph(二分图)定义的线性分组纠错码。
  
  LDPC码的特点是:性能优于Turbo码,具有较大灵活性和较低的差错平底特性(error floors) ;描述简单,对严格的理论分析具有可验证性;译码复杂度低于turbo码,且可实现完全的并行操作,硬件复杂度低,因而适合硬件实现;再者其吞吐量大,具有高速译码潜力。因此,结合LDPC的MIMO OFDM无线宽带通信势必将取得更好的性能。
  
  软件无线电
  
  目前宽带无线通信多种标准并存,不同标准采用不同的工作频段以及不同的调制方式,造成系统间难以互通。面对这一兼容性难题,软件无线电是一种最有希望的解决方向。软件无线电是指研制出一个完全可编程的硬件平台,所有的应用都通过在该平台上的软件编程实现。换言之,不同系统的基站和移动终端都可以由建立在相同硬件基础上的不同软件实现。该技术将能保证各种移动台、各种移动通信设备之间的无缝集成,并大大降低了建设成本。
  
  可以预见,基于软件无线电的移动通信将会具有以下特点:在同一硬件平台上兼容不同的系统;具有自动漫游能力,能在不同系统之间进行智能切换;可以下载公用软件并进行自身的升级;支持语音、数据、图像和传真等多种业务,并能根据业务流量、信道质量等情况,自动选择合适的传输信道;自动选择通信模式,采用合适的通信协议和信号格式实现远端通信。
  
  软件无线电在下一代宽带无线通信中的应用,将根本改变其网络结构,可以实现有线网与无线网的融合,能够容纳各种标准和协议并提供更为开放的接口,以最终增加网络的灵活性。
  
  可见,未来无线宽带网络为了实现更高的传输速率和更可靠的性能,势必将采用到上述下一代移动通信中的关键技术。
  
  其中,MIMO技术和OFDM技术在各自的领域都发挥了巨大作用,通过将MIMO与 OFDM相结合并应用于下一代无线宽带网,这也是无线通信技术领域中的一个长期热点。
  

  
  背景解析:
  
  OFDM技术特点
  
  OFDM技术其实是MCM(Multi-Carrier Modulation, 多载波调制)技术的一个分支。
  
  其核心运行方式是:将信道分成许多正交子信道,在每个子信道上进行窄带调制和传输,这样减少了子信道之间的相互干扰。每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽,因此每个子信道上的频率选择性衰落是平坦的,大大消除了符号间干扰。另外,在各个子信道中的这种正交调制和解调可以采用IFFT和FFT(快速傅里叶变换)方法来实现,随着大规模集成电路技术与DSP技术的发展,IFFT和FFT很容易实现和应用。FFT的引入,大大降低了OFDM的应用复杂性。
  
  OFDM技术有着广阔的发展前景,目前已成为第4代移动通信的核心技术。IEEE802.11a/g标准为了支持高速数据传输都采用了OFDM调制技术。目前,OFDM结合MIMO技术、软件无线电技