WiMAX物理層關(guān)鍵技術(shù)及其演進(jìn)

WiMAX物理層的技術(shù)特點(diǎn)[1]：

(1)在物理層采用正交頻分復(fù)用，實(shí)現(xiàn)高效的頻譜利用率。

(2)雙工方式：支持時(shí)分雙工(TDD)、頻分雙工(FDD)，同時(shí)也

(3)可支持移動(dòng)和固定的情況，移動(dòng)速度最高可達(dá)120 km/h。

(4)帶寬劃分靈活，系統(tǒng)的帶寬范圍為1.25 MHz～20 MHz。WiMAX規(guī)定了幾個(gè)系列的帶寬：1.25 MHz的倍數(shù)系列、1.75 MHz的倍數(shù)系列。其中1.25 MHz倍數(shù)系列包括：1.25 MHz、2.5 MHz、5 MHz、10 MHz、20 MHz等，1.75 MHz倍數(shù)系列包括：1.75 MHz、3.5 MHz、7 MHz、14 MHz等。

(5)使用先進(jìn)的多天線技術(shù)提高系統(tǒng)容量和覆蓋范圍。

(6)采用混合自動(dòng)重傳(HARQ)技術(shù)?；旌献詣?dòng)重傳操作中融合了前向糾錯(cuò)(FEC)的功能，使得每一次分組包的發(fā)送操作都能夠?yàn)樽罱K的正確解碼做出貢獻(xiàn)。主要分為兩類(lèi)：追趕合并和遞增冗余。

(7)采用自適應(yīng)調(diào)制編解碼(AMC)技術(shù)。AMC根據(jù)接收信號(hào)的質(zhì)量，隨時(shí)調(diào)整分組包的調(diào)制、編碼方式、編碼速率，使得系統(tǒng)在能夠達(dá)到足夠的可靠性的基礎(chǔ)上，使用盡可能高的數(shù)據(jù)傳輸速率。

(8)采用功率控制技術(shù)，目標(biāo)是最大化頻譜效率，而同時(shí)滿(mǎn)足其他系統(tǒng)指標(biāo)。

(9)采用先進(jìn)的信道編碼技術(shù)增加通信質(zhì)量，擴(kuò)大覆蓋范圍。

從先進(jìn)國(guó)際移動(dòng)通信和下一代移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)需求來(lái)看，未來(lái)移動(dòng)通信的傳輸速率要求達(dá)到百兆比特位每秒甚至吉比特位每秒，目前的IEEE 802.16e中最高的物理層速率是75 Mb/s，為了能夠在保證通信質(zhì)量的同時(shí)達(dá)到很高的數(shù)據(jù)速率，在未來(lái)的標(biāo)準(zhǔn)演進(jìn)中，必須對(duì)物理層的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行有效的演進(jìn)。

1 OFDM和OFDMA技術(shù)

在802.16d/16e中均引進(jìn)了正交頻分復(fù)用(OFDM)和正交頻分復(fù)用多址(OFDMA)技術(shù)，在未來(lái)的物理層技術(shù)演進(jìn)中，OFDM和 OFDMA仍然是主要的關(guān)鍵技術(shù)之一。正交時(shí)分復(fù)用(OTDM)則是在最近倍受大家關(guān)注的另外一種復(fù)用技術(shù)，有可能成為未來(lái)的物理層復(fù)用技術(shù)之一。

1.1正交頻分復(fù)用

OFDM[2]的主要思想是：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)制到每個(gè)子信道上進(jìn)行傳輸。正交信號(hào)通過(guò)接收端采用相關(guān)技術(shù)分開(kāi)，可以在一定條件下減少子信道間干擾(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)子信道可看作平衰落信道，從而消除了符號(hào)間干擾(ISI)。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。

OFDM技術(shù)之所以越來(lái)越受關(guān)注，是因?yàn)镺FDM有很多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：

頻譜利用率很高。

抗多徑干擾與頻率選擇性衰落能力強(qiáng)。

采用動(dòng)態(tài)子載波分配技術(shù)能使系統(tǒng)達(dá)到最大比特率。

通過(guò)各子載波的聯(lián)合編碼，可具有很強(qiáng)的抗衰落能力。

基于離散傅立葉變換(DFT)的OFDM有快速算法，OFDM采用快速傅里葉變換(FFT)和逆快速傅里葉變換(IFFT)來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)制和解調(diào)，易用數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)實(shí)現(xiàn)。

除上述優(yōu)點(diǎn)以外，OFDM也有3個(gè)較明顯的缺點(diǎn)：

對(duì)頻偏和相位噪聲敏感。

峰均功率比(PAPR)大，導(dǎo)致發(fā)送端放大器功率效率較低。

自適應(yīng)的調(diào)制技術(shù)使系統(tǒng)復(fù)雜度有所增加。

OFDM作為保證高頻譜效率的調(diào)制方案已被一些規(guī)范及系統(tǒng)采用。OFDM將成為新一代無(wú)線通信系統(tǒng)中下行鏈路的最優(yōu)調(diào)制方案之一，也會(huì)和傳統(tǒng)多址技術(shù)結(jié)合成為新一代無(wú)線通信系統(tǒng)多址技術(shù)的備選方案。

1.2正交頻分復(fù)用多址

在OFDMA系統(tǒng)中，用戶(hù)僅僅使用所有的子載波中的一部分，如果同一個(gè)幀內(nèi)的用戶(hù)的定時(shí)偏差和頻率偏差足夠小，則系統(tǒng)內(nèi)就不會(huì)存在小區(qū)內(nèi)的干擾，比碼分系統(tǒng)更有優(yōu)勢(shì)。

由于OFDMA可以把跳頻技術(shù)和OFDM技術(shù)相結(jié)合，因此可以構(gòu)成一種更為靈活的多址方案，此外由于OFDMA可以靈活地適應(yīng)帶寬要求，可以與動(dòng)態(tài)信道分配技術(shù)結(jié)合使用來(lái)支持高速的數(shù)據(jù)傳輸。

在未來(lái)的物理層技術(shù)演進(jìn)中，OFDMA仍然會(huì)作為一種非常重要的關(guān)鍵技術(shù)繼續(xù)保留。

1.3單載波頻域均衡技術(shù)

在OFDM系統(tǒng)中，如何降低PAPR仍然是亟待解決的問(wèn)題。不少演進(jìn)技術(shù)中為了避免PAPR的影響，已經(jīng)開(kāi)始考慮采用單載波頻域均衡技術(shù)(SC-FDE)[3-4]，也稱(chēng)為正交時(shí)分復(fù)用(OTDM)，原理框圖如圖1所示。

SC-FDE之所以越來(lái)越受關(guān)注，是因?yàn)橛腥缦碌膬?yōu)點(diǎn)：

抗多徑能力強(qiáng)

頻譜效率高(與OFDM類(lèi)似，甚至稍高)

沒(méi)有PAPR

帶外輻射小

實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單

采用自適應(yīng)技術(shù)

另外，SC-FDE易與其他技術(shù)結(jié)合，形成如下

CP-CDMA

CP-DS-CDMA

OTDM＋智能天線(發(fā)射機(jī))

OTDM＋分集接收(接收機(jī))

新一代的無(wú)線通信系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)的性能、成本、尺寸、功率和能耗提出了嚴(yán)格的要求。SC-FDE系統(tǒng)具有較強(qiáng)的克服頻率選擇性衰落的能力，克服了 OFDM系統(tǒng)的不足，使得接收機(jī)的實(shí)現(xiàn)更為簡(jiǎn)單。SC-FDE也可以和OFDM共存于一個(gè)雙向傳輸系統(tǒng)，以便更靈活、更高效地發(fā)揮兩種技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。另外， SC-FDE技術(shù)還可以與多輸入多輸出(MIMO)技術(shù)相結(jié)合，提高頻譜利用率，改善系統(tǒng)性能，在寬帶無(wú)線通信領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。采用SC-FDE 是未來(lái)高速無(wú)線通信系統(tǒng)的一個(gè)極具競(jìng)爭(zhēng)力的方案。

2 幀結(jié)構(gòu)

IEEE 802.16e物理層定義了幾種雙工方式：TDD、FDD和HFDD。這幾種方式都使用突發(fā)數(shù)據(jù)傳輸格式，這種傳輸格式支持自適應(yīng)的突發(fā)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，傳輸參數(shù)(調(diào)制方式、編碼方式、發(fā)射功率等)可以動(dòng)態(tài)調(diào)整，但是需要媒體訪問(wèn)控制(MAC)層協(xié)助完成。在TDD模式下，每個(gè)物理幀長(zhǎng)度固定，上下行的切換點(diǎn)可以自適應(yīng)調(diào)整，下行在先，上行在后，這樣杜絕了上行方向的競(jìng)爭(zhēng)。同時(shí)，上下行和下上行子幀之間可以插入收發(fā)時(shí)隙，以留出必要的保護(hù)間隔。資源的調(diào)度和分配可以在基站(BS)上集中控制，使得信道可以靈活地全部用于上行或下行。另外，針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)景，在幀結(jié)構(gòu)中定義了多種排列方式，提高頻譜利用率以及克服多徑衰落。802.16e還采用了128/512/1 024/2 048個(gè)可變子載波的OFDMA方式，使設(shè)備信道帶寬可在1.75 MHz～20 MHz間靈活調(diào)配，從而使其具備更強(qiáng)的信道均衡能力和抗快衰落能力，以保證WiMAX終端在移動(dòng)環(huán)境中的使用。

未來(lái)幀結(jié)構(gòu)，必須增強(qiáng)對(duì)多天線的各種應(yīng)用模式簡(jiǎn)單高效的調(diào)度，支持各種物理層關(guān)鍵技術(shù)的演進(jìn)。

3 多輸入多輸出

頻率資源的使用是有限的，無(wú)論在時(shí)域、頻域還是碼域上處理信道容量均不會(huì)超過(guò)山農(nóng)限。多天線的使用使得不同用戶(hù)的信號(hào)可以用不同的空間特征來(lái)表征，使得空域資源的使用成為可能。空域處理可以在不增加帶寬的情況下成倍地提升信道容量，也可以改善通信質(zhì)量、提高鏈路的傳輸可靠性。

3.1多天線的應(yīng)用模式

未來(lái)的多天線技術(shù)應(yīng)用模式必將是靈活多變的，主要多天線的應(yīng)用模式包括：

(1)接收分集(單輸入多輸出時(shí))

由于部分終端受尺寸大小、發(fā)射功率和成本等的影響，通常在發(fā)送端只有1根天線，基站使用多根接收天線，實(shí)現(xiàn)接收分集，理想情況下可獲得10logN r(dB)的增益，N r為基站接收天線的個(gè)數(shù)。容量隨著接收天線的個(gè)數(shù)對(duì)數(shù)增加。應(yīng)用場(chǎng)景如圖2所示。

(2)發(fā)送分集(多輸入單輸出時(shí))

終端1根接收天線，基站多根發(fā)送天線，理想情況下可獲得10logN t(dB)的增益，N t為基站發(fā)送天線的個(gè)數(shù)。容量隨著發(fā)送天線的個(gè)數(shù)對(duì)數(shù)增加。應(yīng)用場(chǎng)景如圖3所示。

(3)波束形成(多輸入單輸出時(shí))

終端只有一根天線，基站使用多根發(fā)送天線，實(shí)現(xiàn)波束形成，由于在發(fā)端已經(jīng)得到了H 矩陣，波束形成比發(fā)送分集信噪比提高3 dB。必須經(jīng)過(guò)上行測(cè)量或者上行反饋獲取信道信息，才能夠進(jìn)行波束形成。