寬帶移動通信的關(guān)鍵技術(shù)探討

摘要：結(jié)合當(dāng)前通信領(lǐng)域新業(yè)務(wù)的發(fā)展，從寬帶網(wǎng)的接入技術(shù)、組網(wǎng)技術(shù)、無線收發(fā)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)以及信號的調(diào)制技術(shù)角度出發(fā)，探討了影響寬帶移動通信的四類關(guān)鍵技術(shù)，重點探討了4G移動通信的關(guān)鍵技術(shù)之一MIMO-OFDM技術(shù)，并對所涉及的應(yīng)用進行分析和展望。

關(guān)鍵詞：寬帶移動通信；WLAN；CDMA多址接入；MIMO-OFDM

中圖分類號：TN911 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2013）32-0067-02

隨著科技的進步，無線通信朝著寬帶化、綜合化、個人化和智能化的趨勢發(fā)展。多媒體業(yè)務(wù)量的增加，對系統(tǒng)傳輸速率的要求也不斷增加，但寬帶無線通信的發(fā)展又受到無線頻譜資源和無線環(huán)境中多徑效應(yīng)的限制，為此在無線通信產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的十年間，涌現(xiàn)出許多傳輸新技術(shù)和新方案，以確保寬帶無線通信的傳輸質(zhì)量，以下將探討影響該領(lǐng)域的四類關(guān)鍵技術(shù)。

1 無線局域網(wǎng)WLAN與Wi-Fi

無線局域網(wǎng)絡(luò)WLAN（Wireless Local Area Networks）是一種利用射頻技術(shù)進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)南到y(tǒng)，該技術(shù)是用來彌補有線局域網(wǎng)絡(luò)之不足，以達到網(wǎng)絡(luò)延伸目的，使得無線局域網(wǎng)絡(luò)能利用簡單的存取架構(gòu)讓用戶透過它，實現(xiàn)無網(wǎng)線、無距離限制的通暢網(wǎng)絡(luò)。WLAN允許在局域網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中使用可以不必授權(quán)的ISM（Industrial Scientific Medical）頻段中的2.4GHz或5GHz射頻波段進行無線連接。無線局域網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)基于IEEE802.11標準，廣泛應(yīng)用于家庭或企業(yè)的Internet接入。WLAN的802.11a標準使用5GHz頻段，支持的最大速度為54Mbps，而802.11b和802.11g標準使用2.4GHz頻段，分別支持最大11Mbps和54Mbps的速度。Wi-Fi主要采用WLAN協(xié)議中的802.11b協(xié)議，是一種無線聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)，其目的是改善基于IEEE802.11標準的無線網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品之間的互通性，由Wi-Fi聯(lián)盟所持有，該技術(shù)使用的是2.4GHz附近的頻段，與藍牙技術(shù)一樣，WIFI技術(shù)同屬于在辦公室和家庭中使用的短距離無線技術(shù)。

2 UWB技術(shù)

超寬帶UWB（Ultra Wideband）是一種無載波通信技術(shù)，利用納秒至微微秒級的非正弦波窄脈沖傳輸數(shù)據(jù)，通過在較寬的頻譜上傳送極低功率的信號，能在10米左右的范圍內(nèi)實現(xiàn)數(shù)百Mbps至數(shù)Gbps的數(shù)據(jù)傳輸速率。由于UWB帶寬很寬，因此系統(tǒng)容量大，傳輸速率高，系統(tǒng)抗干擾能力強。UWB系統(tǒng)發(fā)射功率非常小，通信設(shè)備可以用小于1mW的發(fā)射功率，極大降低電磁輻射，對人體傷害小，能實現(xiàn)綠色通信。此外，低發(fā)射功率將大大延長系統(tǒng)電源工作時間，降低成本。它是無線電領(lǐng)域的一次革命性進展，將成為未來短距離無線通信的主流技術(shù)。

3 CDMA接入技術(shù)

3G的技術(shù)發(fā)展和商用進程是近年來全球移動通信產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域最為關(guān)注的熱點問題之一，目前國際上最具代表性的3G技術(shù)標準分別是TD-SCDMA、WCDMA和CDMA2000。其中TD-SCDMA屬于時分雙工（TDD）模式，是由中國提出的3G技術(shù)標準；而WCDMA和CDMA2000屬于頻分雙工（FDD）模式，WCDMA技術(shù)標準由歐洲和日本提出，CDMA2000技術(shù)標準由美國提出。

碼分多址CDMA（Code Division Multiple Access）是在擴頻通信技術(shù)上發(fā)展起來的一種先進且成熟的無線通信技術(shù)，具有頻譜利用率高、話音質(zhì)量好、保密性強、掉話率低、電磁輻射小、容量大、覆蓋廣等特點，可以大量減少投資和降低運營成本。CDMA技術(shù)的原理是基于擴頻技術(shù)，將需傳送的具有一定帶寬信息的數(shù)據(jù)，用一個遠大于信號帶寬的高速偽隨機碼進行調(diào)制，使原數(shù)據(jù)信號的帶寬被擴展，再經(jīng)載波調(diào)制并發(fā)送出去。接收端使用完全相同的偽隨機碼，與接收的帶寬信號做相關(guān)處理還原信號，以實現(xiàn)通信。CDMA通信網(wǎng)是由擴頻、多址接入、蜂窩組網(wǎng)和頻率復(fù)用等幾種技術(shù)結(jié)合而成，含有頻域、時域和碼域三維信號處理的一種協(xié)作，它能較好地抗多徑衰落，保密安全性高，且由香農(nóng)定理知其可在容量和質(zhì)量之間取舍，因此CDMA比其他系統(tǒng)有很大的優(yōu)勢。

3.1 系統(tǒng)容量大且配置靈活

理論上，在使用相同頻率資源的情況下，CDMA移動網(wǎng)比模擬網(wǎng)容量大20倍，實際使用中比模擬網(wǎng)大10倍，比GSM要大4～5倍。CDMA是一個自擾系統(tǒng)，所有移動用戶都占用相同帶寬和頻率，用戶數(shù)的增加相當(dāng)于背景噪聲的增加，雖造成話音質(zhì)量的下降，但對用戶數(shù)并無限制，有效控制用戶的信號強度，在保持高質(zhì)量通話的同時，就可以容納更多的用戶，并可在容量和話音質(zhì)量之間折衷考慮。另外，多小區(qū)之間可根據(jù)話務(wù)量的接收器和干擾情況自動均衡。

3.2 通話質(zhì)量更佳

TDMA的信道結(jié)構(gòu)最多只能支持4kb的語音編碼器，它不能支持8kb以上的語音編碼器。而CDMA的結(jié)構(gòu)可以支持13kb的語音編碼器，因此可以提供更好的通話質(zhì)量。CDMA系統(tǒng)的聲碼器可以動態(tài)地調(diào)整數(shù)據(jù)傳輸速率，并根據(jù)適當(dāng)?shù)拈T限值選擇不同的電平級發(fā)射。同時門限值根據(jù)背景噪聲的改變而變，這樣即使在背景噪聲較大的情況下，也可以得到較好的通話質(zhì)量。另外，TDMA采用一種硬移交的方式，用戶可以明顯地感覺到通話的間斷，在用戶密集、基站密集的城市中，這種間斷就尤為明顯，因為在這樣的地區(qū)每分鐘會發(fā)生2～4次移交的情形。而CDMA系統(tǒng)“掉話”的現(xiàn)象明顯減少，CDMA系統(tǒng)采用軟切換技術(shù)，“先連接再斷開”，這樣完全克服了硬切換容易掉話的缺點。

3.3 組網(wǎng)成本低

CDMA技術(shù)通過在每個蜂窩的每個部分使用相同的頻率，簡化了整個系統(tǒng)的規(guī)劃，在不降低話務(wù)量的情況下減少所需站點的數(shù)量從而降低部署和操作成本。CDMA網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍大，系統(tǒng)容量高，所需基站少，降低了建網(wǎng)成本。

4 MIMO-OFDM技術(shù)

未來寬帶移動通信要求系統(tǒng)傳信率達到10Gbps，因此傳統(tǒng)單發(fā)單收天線將不能滿足要求。實驗表明增加收發(fā)天線數(shù)量可以提高系統(tǒng)容量，即MIMO（Multiple-Input Multiple-Output）多天線系統(tǒng)，其信道容量隨著天線數(shù)量的增大而線性增大，因此在不增加帶寬和天線發(fā)送功率的情況下，頻譜利用率可以成倍地提高?？諘r碼STC（Space Time Coding）則充分挖掘MIMO系統(tǒng)容量，是改善整個系統(tǒng)誤碼性能的有效手段。它根據(jù)信道特性，有效地綜合了發(fā)送分集、接收分集、糾錯編碼和調(diào)制等技術(shù)，能夠以較低的發(fā)送功率實現(xiàn)較高頻譜效率的通信，可以達到逼近MIMO信道容量的性能，目前已有很多成熟的空時編碼方案。

4.1 空時網(wǎng)格碼（STTC）

STTC能同時取得全分集增益和很高的編碼增益，因而具有很好的誤碼性能，但其檢測復(fù)雜度隨著發(fā)射天線數(shù)、頻譜效率的增加而成指數(shù)級增加，因而很難應(yīng)用到實際的多天線系統(tǒng)中。

4.2 空時分組碼（STBC）

STBC構(gòu)造簡單，且檢測復(fù)雜性僅隨收發(fā)天線數(shù)、頻譜效率的增加而線性增加，進而使得空時碼的實際應(yīng)用成為可能。雖然STBC僅能提供分集增益，只有很少或沒有編碼增益，而且不能像STTC那樣通過提高狀態(tài)數(shù)來改善誤碼性能，但是STBC因其簡單的實現(xiàn)結(jié)構(gòu)已被新一代通信標準。

4.3 全分集全速率（FDFR）空時碼

FDFR可以有效解決傳統(tǒng)正交空時碼因為符號冗余而引起的頻譜效率下降問題，同時能維持正交空時碼的全分集誤碼性能，是一種適用于MIMO系統(tǒng)的高效空時編碼傳輸方案。

在寬帶移動通信系統(tǒng)中，多徑效應(yīng)引起的頻率選擇性衰落是信號傳輸過程中必須考慮的問題，而MIMO系統(tǒng)對抗頻率選擇性衰落能力差，為此需要結(jié)合其他數(shù)字調(diào)制技術(shù)實現(xiàn)寬帶通信。正交頻分復(fù)用技術(shù)OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）是多載波調(diào)制的一種，它將信道分成若干正交子信道，將高速串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成并行的低速子數(shù)據(jù)流，調(diào)制到每個子信道上進行傳輸，由于信道滿足正交性使得調(diào)制后信道之間的干擾明顯降低，但要求每個子信道上的信號帶寬要小于信道的相關(guān)帶寬，因此每個子信道上的可以看成平坦性衰落，從而可以消除頻率選擇性衰落對信號的影響。MIMO-OFDM的結(jié)合可以很好地解決無線通信中的多徑效應(yīng)和頻率選擇性衰落對信號的影響，提高通信速率和通信質(zhì)量。在向?qū)拵?G移動通信演進的過程中，MIMO-OFDM是關(guān)鍵的技術(shù)之一，可進一步結(jié)合分集技術(shù)及智能天線技術(shù)提高信息傳輸速率。

作者簡介：謝輝（1978—），男，安徽巢湖人，上海艾默生過程控制有限公司應(yīng)用工程師。