宽带高速传输技术

《宽带高速传输技术》由会员分享，可在线阅读，更多相关《宽带高速传输技术（27页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、一、宽带高速无线传输技术概述无线移动通信经过几十年的发展，形成了以技术拉动需求，以需求推动技术的发展格局，逐步成为最具发展活力的产业之一。随着高速无线业务的快速增长，无线移动通信从1G模拟、2G数字很快发展到现在的3G高速以及未来的B3G/4G宽带网络，在技术体制上逐步形成了从单载波发展到多载波，从单天线、智能天线(smart-antenna)发展到多入多出(MIMO)的多天线结构，从频分复用(FDMA)、时分复用(TDMA)、码分复用(CDMA)单独制式发展到混合制式。在下一代B3G/4G的宽带技术中，形成了以MIMO、正交频分复用OFDM(Orthogonal Frequency Divi

2、sion Multiplexing)以及OFDMA多址接入的多天线多载波技术平台。在诸多的移动通信技术中，形成单载波和多载波调制技术两大主流体制，两类调制技术互有优势。单载波调制技术最早出现，是较为成熟的技术。单载波技术是基于数据“点”处理的技术。单从调制技术本身来看，具有频谱利用率高、传输效率高、调制映射后的信号峰均比低、载噪比门限低、对载波偏差不敏感、实现简单等优点。但同时，对付信道频率选择性衰落(造成符号间干扰ISI)的要求较高，需要利用自适应均衡技术。然而，均衡器和控制均衡器的自适应算法结构相对复杂，将增加接收机设计的难度(注：理想的时域单载波系统和多载波系统的性能一样。传统的时域均衡

3、器复杂度与信道的最大时延扩展成正比，而多载波的频域均衡器复杂度与信道的最大时延扩展的对数成正比。)。随着对单载波均衡器的深入研究，结果发现单载波频域均衡器(SC-FDE)优于时域均衡器(SC-TDE)。单载波频域均衡系统综合了OFDM系统和单载波时域均衡系统的优点，在复杂度和性能方面采取了折衷设计，并在IEEE 802. 16/LTE标准采用单载波频域均衡，SC-FDE成为目前的研究热点。OFDM技术是基于数据“块”处理的技术。多载波系统以频谱利用率高著称，但由于OFDM技术在实际使用中，添加了保护间隔和大量的导频信息，因此使得频谱利用率下降；对于符号间干扰ISI，OFDM不但可以通过插入循环

4、前缀(CP)的方法，有效地抑止多径带来的ISI干扰，还可以通过对信道时变特性的合理估计，灵活地设计系统的符号长度，减轻信道时变特性对系统性能的影响。多载波系统由于数据被平均到了各个子载波上，因此对抗频率选择性衰落的能力较强，但对多载波系统固有的对载波偏差和定时误差敏感却无能为力；而用IFFT进行调制后的信号具有较高的峰均比(peak-to-average power ratio，PAPR)，这对后级发射系统的线性要求非常高，在这方面，单载波体制具有明显优势。在宽带高速无线通信领域，单载波和多载波调制两大体制互有优势，均有具体应用，相互共存。下面对此分别论述。二、多载波OFDM传输技术体制2.1

5、、多载波调制基本概念多载波调制有多种提法，如OFDM、离散多音调制(Discrete Multi-Tone，DMT)和多载波调制(Multi - carrier Modulation，MCM)。这三种提法稍有不同，在OFDM中各子载波保持相互正交，而在MCM中并没有这个限制条件。子载波间存在三种不同设置方案：1）将这个频带分成N个不重叠的子带(简单的频分复用FDM)，利用滤波器组进行分离。这种方案的优点是简单、直观，缺点是频谱利用率低；2）采用偏置QAM技术，在3dB处载波频谱重叠，其复合频谱是平坦的；3）OFDM方案，各子载波有1/2重叠，但保持正交，使得频谱利用率提高1倍。2.2、OFDM

6、的基本原理OFDM是一种特殊的多载波(MCM)传输技术，它既可以被看作是一种调制技术，也可以被当作一种复用技术。OFDM的基本原理就是把高速的数据符号流通过串并转换，分配到传输速率相对较低的若干个子载波上并行传输(同时并同步传输不同的信息符号)，可以减小宽带系统的频率选择性衰落所带来的影响；每个子载波在一个OFDM符号周期内都包含整数个周期，且各个相邻子载波之间相差一个周期，这样可以保证子载波之间的正交性，与普通频分复用(FDM)相比，具有较高的频谱利用率；通过加入循环前缀（CP）,有效地避免各个子载波上的符号间干扰(ISI)；通过灵活选择OFDM符号的长度，可以减少信道时变特性对OFDM系统

7、性能的影响；OFDM系统的调制和解调可以分别由IFFT/FFT来实现，实现简单。在接收端，只需要利用简单的频域均衡器就可以有效补偿信道的衰落，大为简化系统实现的复杂度。2.3、OFDM发展简史尽管OFDM的概念已经存在了很长时间，但是直到随着多媒体业务的发展，它才被认识到是一种实现高速双向无线数据通信的良好方法。OFDM最早起源于20世纪50年代中期，第一个OFDM技术的实际应用是军用的无线高频通信链路(1957年Collins公司的“Kineplex”短波系统，20音，采用DQPSK调制)。60年代出现使用并行数据传输和频分复用的概念。1961年，有人提出了一种码分复用的方案，采用正弦和余弦

8、函数作为正交信号，产生的信号已经可以和OFDM信号类似了。但是当时人们并没有认识到它在频率选择性信道上有什么优越性。1966年，贝尔实验室的Robert W. Chang发表了“Synthesis of band-limited orthogonal signals for multichannel data transmission ”这篇论文，成为多载波传输的奠基之作，并且在美国申请第一个OFDM专利（专利号US3488445，1970年1月在美国首次公开了有关OFDM的专利）。1968年，他又发表了“A Theoretical study of Performance of an ort

9、hogonal multiplexing data transmission scheme ”，逐步完善多载波的概念。他描述了多路发送信息可同时经过一个线性带限信道而不受信道间干扰(ICI)和信元间干扰(ISI)的原理。1967年，Saltzberg完成了性能分析“Performance of an efficient parallel data transmission system ”。他提出“设计一个有效并行系统的策略应该是集中在减少相邻信道的交叉干扰（crosstalk）而不是完成单个信道。因为前者的影响是决定性的”。自1966年以来，不同的文献都提出了频谱交叠的FDM系统，并在此基础

10、上发展出用离散傅立叶变换（DFT）实现FDM的方案。但是，由于半导体器件技术的制约，无法高效地实现DFT算法，OFDM仍然无法实际应用。1971年，Weinstein和Ebert发表了对OFDM发展影响至深的论文“Data transmission by frequency-division multiplexing using the discrete Fourier transform ”，用离散付立叶变换（DFT）完成基带调试和解调。这项工作不是集中在完善单个信道，而是旨在引入消除子载波间干扰的处理方法。为了抗ISI和ICI，他们在时域里的信元和升余弦窗之间用了保护时间，但在一个时间弥散

11、信道上的子载波间不能保证良好的正交性。Weinstein和Ebert利用DFT实现OFDM系统中的全部调制和解调功能的建议，简化了振荡器阵列以及相关接收机中本地载波之间严格同步的问题，为实现OFDM的全数字化方案作了理论上的准备。这样，在完成FDM的过程中，不再要求使用子载波振荡器组以及相干解调，只需要简单基带处理就可以实现OFDM的信号生成，推动了OFDM的实际应用，不过OFDM仍然局限于在一些高频军事系统中应用。对OFDM做出另一个主要贡献的是Peled和Ruiz在1980年的论文“Frequency domain data transmission using reduced compu

12、tational complexity algorithms ”引入了循环前缀(CP，cyclic prefix)的概念，解决了正交性问题。他们不用空保护间隔，而是用OFDM信元的循环扩展来填充，这可有效地模拟一个信道完成循环卷积，这意味当CP大于信道的脉冲响应时就能保证子载波间的正交性，但有一个问题就是能量损失。80年代中期，人们才开始对OFDM系统在平坦及频率选择性衰落的信道下的性能进行了分析和讨论，并开始将OFDM应用到民用广播和移动接收中。在有线信道的研究中，Hirosaki于1981年用DFT完成的OFDM调制技术，试验成功了16QAM多路并行传送19.2kbit/s的电话线MODE

13、M。1984年，Cimini提出了一种适于无线信道传送数据的OFDM方案。其特点是调制波的码型是方波，并在码元间插入了保护间隙，该方案可以避免多径传播引起的码间串扰。1987年 Alard & Lasalle提出利用OFDM来传送数字电视信号。OFDM技术在80年代先后被用于HDSL(1.6Mbps)、ADSL(6Mbps)和VDSL(100Mbps)等。90年代OFDM技术开始日渐成熟，相继被各种无线通信标准所采用。例如1994年欧洲电信标准协会ETSI制定的数字音频广播（DAB，开始于1987年）是第一个使用OFDM的标准；稍晚(1997)颁布的数字电视广播地面传输标准（DVB-T）采用了

14、基于编码的OFDM(COFDM)；1999年IEEE 80211a通过了一个5GHz的无线局域网标准，其中OFDM调制技术被采用为它的物理层标准(这是OFDM第一次被利用于分组业务通信中)。欧洲技术标准委员会ETSI提出的宽带射频接入网（BRAN）的局域网标准HIPERLAN/2(第二代High-Performance LAN)也把OFDM定为它的调制标准技术，由此OFDM迎来了它的第一个发展高峰。此外，在有线通信，如ADSL、high-bit-rate DSL (HDSL)系统和电力线载波通信(PLC)中OFDM均有应用。由于技术本身的优越性，以及一些非技术性的因素（比如专利因素等），OFD

15、M技术得到了移动通信业界的广泛认同和欢迎，被普遍认为是宽带移动通信的最佳技术之一。为了共同推动OFDM在下一代移动通信中的应用，一些通信厂商于199年建立了OFDM论坛（）,共同制定全球宽带移动网络的OFDM标准。目前，不论是已经制定中的增强型3G标准E3G，还是处在研究阶段的下一代移动通信系统B3G(Beyond 3G,or 4G)，都已经确定了以OFDM为核心的技术体系，如WiMAX (802.16-2004，物理层PHY采用256FFT OFDM；802.16e：MIMO+OFDM)，高速UWB(Ultra Wide Band，IEEE 802.15.3a）的备选调制方案MB-OFDM(

16、Multiband-OFDM)基于128点FFT OFDM，3GPP的LTE (Long-Term Evolution)也采用OFDM技术。可见，在不久的将来，OFDM将在宽带无线通信领域得到广泛应用。下表是关于OFDM技术发展过程中有代表性的成就。2.4、OFDM的技术特点OFDM是能够把有效性发挥到极致的一种技术，而这种极致的有效性存在一个极大的弱点，即子载波的正交性，这将大大影响到OFDM的可靠性。可以说，OFDM的本质就是正交性，正交性维系着OFDM的有效性和可靠性。相比于单载波技术，多载波OFDM技术有两个显著的特征：在频域上，频带分成若干子载波，子载波间呈正交性设计；在时域上，通过

17、并行处理延长了符号的时长。OFDM技术的优点：1. 把高速数据流通过串并转换，使得每个子载波上的数据符号持续长度相对增加，从而可以有效地减少无线信道的时间弥散所带来的符号间干扰(ISI)，因此减小了接收机的均衡复杂度(只需要简单的频域均衡)，甚至可以不采用均衡器，采用循环前缀来消除ISI的不利影响（注：虽然系统结构可以消除符号间干扰，OFDM系统仍然需要精确的信道信息来进行信道均衡，从而完全补偿多径衰落。OFDM的信道估计和均衡技术对整个系统的性能具有重大影响）。2. 对于传统的频分多路传输方法中，将频带分成若干个不相交的子频带来传输并行的数据流，在接收端用一组滤波器来分离各个子信道，这个方法

18、导致频谱利用率低，子信道之间要留有足够的保护频带，而且多个滤波器的实现也有不少困难。而OFDM由于各个子载波之间保持正交性，可以使子信道频谱相互重叠，因此与常规的频分复用系统相比，OFDM系统可以最大限度地提高频谱利用率。3. 各个子信道中的这种正交调制和解调可以采用IDFT和DFT来实现，对于N很大的系统中，可以通过采用快速傅里叶变换(FFT)来实现，降低实现的复杂度。4. 无线数据业务一般都存在非对称性，即下行链路中传输的数据量要远远大于上行链路的数据传输量，因此，无论从用户数据业务的使用需求，还是从移动通信系统自身的要求考虑，都希望物理层支持非对称高速数据传输，而OFDM技术可以很容易地

19、通过使用不同数量的子信道来实现上行和下行链路中不同的传输速率。5. 可以有效地对抗信号波形间的干扰，适用于多径环境和衰落信道中的高速数据传输。由于无线信道存在频率选择性，不可能所有的子载波都同时处于比较深的衰落情况中，因此可以通过动态自适应地利用信噪比(SNR)比较高的子信道，从而提高系统的性能。而且对于多用户系统来说，对一个用户不适合的子信道对其他用户来说可能就是性能比较好的子信道，因此系统总的误码率性能要好得多。6. OFDM技术可以很容易地与其他多种接入方式结合使用，比如OFDMA系统、多载波码分多址MC-CDMA系统(1993年左右提出，结合了OFDM和CDMA的优点)、跳频FH-OF

20、DM系统以及OFDM-TDMA系统等，使得多个用户可以同时利用OFDM技术进行信息的传输。OFDMA与MC-CDMA之间的主要区别：OFDMA系统中用户仅仅使用所有子载波当中的一部分，而MC-CDMA系统中所有用户都要使用所有的子载波。OFDMA把跳频和OFDM技术相结合，构成一种灵活的多址方案， DS-CDMA与MC-CDMA系统的主要优点，又有以下特征：1）由于OFDMA系统可以不受小区内干扰的影响，而对于DS-CDMA与MC-CDMA系统来说，这种干扰是主要的干扰源，因此OFDMA系统可以获得多大的容量；2）OFDMA可以灵活地适应带宽的要求。OFDMA通过简单地改变所使用的子载波数量，

21、就可以适用于特定的传输带宽。而对于DS-CDMA与MC-CDMA系统来说，由于使用固定的扩频序列码片速率，所以它们要求固定的并且相对较大的带宽；3）当用户的传输速率提高时，DS-CDMA与MC-CDMA系统的扩频增益有所降低，这样就会丧失扩频系统的优势，而OFDMA如与动态信道分配技术结合使用，则可支持高速数据的传输。对于多载波CDMA方案，主要有两类三种，即基于时域扩频的MC-DS-CDMA和多音调MT-CDMA，和基于频域扩频的MC-CDMA。在这三种方案中，MC-CDMA具有最佳的频谱分布，抗干扰能力强，而且发射机的实现较简单，所以MC-CDMA的总体性能优于MT-CDMA和MC-DS-

22、CDMA。MC-CDMA的每个数据符号的扩频在频域内完成，接收机在频域上能充分聚集能量，从而作出最佳判决；此外，MC-CDMA技术在频域内有一定的自由度，每个用户的处理增益可随移动通信网络的要求进行及时修正，同时接收端的解扩合并技术和OFDM的频域均衡技术结合，实现的复杂度较低。高频谱效率和低接收机复杂程度使得MC-CDMA十分适合于蜂窝系统下行链路；而低PAPR使得MC-DS-CDMA十分适于多用户上行链路。7. 因为窄带干扰只能影响一小部分子载波，因此OFDM系统可以在某种程度上抵抗窄带干扰。8. 通过各个子载波的联合编码，具有很强的抗衰落能力。通过将各个信道联合编码，则可以使系统性能得到

23、提高（COFDM技术的基础）。 OFDM技术的缺点：1. 频率偏移能够造成子载波正交性的破坏。这种频率偏移主要来源于时变信道的多普勒频移，以及传输过程中收发两端振荡器存在的频率偏移，这些都能够造成子载波间干扰(ICI)，因此，频率偏移敏感是OFDM技术的主要缺点，仅仅1的频偏就会使信噪比下降30dB，这就是使得同步技术尤为重要，如果考虑保密通信，在保持OFDM载波同步、符号同步和采样同步的前提下，跳速通常低于100跳/秒，容易被敌方跟踪上。同样，OFDM系统对相位噪声比较敏感。2. 存在较高的峰值平均值功率比(PAPR，理论上限，为子载波数)。与单载波系统相比，由于多载波调制系统的输出是多个子

24、信道信号的叠加，因此如果多个信号的相位一致时，所得到的叠加信号的瞬时功率就会远远大于信号的平均功率，导致出现较大的平均功率比，这就对发射机内放大器的线性提出了很高的要求，否则会使信号出现畸变，导致叠加信号的频谱发生变化，子载波间的正交性遭到破坏，引起ICI。概括来说，目前用于降低OFDM系统PAPR的技术方法大致可分为3大类：1)、信号预畸变技术，即在信号放大之前，首先对功率值大于门限值的信号进行非线性畸变，包括限幅(clipping)、峰值加窗或者峰值消除等操作，这些信号畸变技术的好处在于直观、简单，但信号畸变对系统性能造成的损害不可避免；2)、编码方法，即避免使用那些会生成大峰值功率信号的

25、编码图样，这种方法的缺陷在于，可供使用的编码图样数量非常少，特别是当子载波数量N较大时，编码效率会非常低，从而导致这一矛盾会更加突出；3)、信号扰码技术，利用不同的加扰序列对OFDM符号进行加权处理，从而选择PAPR较小的OFDM符号来传输。目前，有学者利用相位调制技术来实现恒包络CE-OFDM (Constant Envelope OFDM)，能够有效降低PAPR带来的不利影响，上述思想已经被用于将JTRS系统中的宽带组网波形WNW移植到手持台中，右上图示意了常规OFDM信号与CE-OFDM信号。3. 自适应的调制技术使系统复杂度有所增加。OFDM 采用的自适应调制技术会增加发射机和接收机的

26、复杂度，并且当移动终端达到车载的移动速度时，自适应的调制技术就没有很大意义了。OFDM多载波正交结构易于遭受无线环境的影响，从而导致子载波间正交性的破坏。无线信道的多径造OFDM符号间干扰(ISI)和载波间干扰(ICI)，OFDM技术可以通过采用保护间隔(只能消除ISI，ICI存在，发射功率低)和循环前缀(同时消除ISI，ICI，但发射功率高)来解决这个问题，但这需要以牺牲传输效率为代价。为解决ISI，ICI，系统性能和传输效率、功率呈现折衷关系，采用既牺牲传输效率又需要发射功率的循环前缀结构，则系统性能既能克服ISI也能克服ICI，保持正交性特性。另外，移动终端高速运动造成的多普勒频偏、收发

27、两端不一致的载频频偏以及不正确的采样、定时也会造成子载波间正交性的破坏，这几个方面往往通过发送端的子载波设计以及接收端的信道估计、均衡、同步等算法来尽量恢复子载波间正交性，消除泄露的干扰成分。总的来说，OFDM作为一种多载波数字调制技术，是一种优缺点都很明显和突出的技术。2.5、OFDM系统基本参数的选择各种OFDM参数的选择需要在多项要求冲突中进行折中考虑。在给定信道带宽，多径延迟扩展和符号速率条件下，可以确定OFDM系统的基本参数选择。按照惯例，保护间隔的时间长度一般为移动环境信道时延扩展均方根值的24倍。一旦确定了保护间隔，则OFDM符号周期长度就可以确定。为了最大限度的减少由于插入保护

28、比特带来的信噪比损失，希望OFDM符号周期长度要远远大于保护间隔。但是符号长度又不能任意大，否则OFDM系统中要包括更多的子载波，从而导致子载波间隔相应减少，系统的实现复杂度增加，而且还加大了系统的PAPR，同时使系统对频率偏差更加敏感。因此，在实际应用中，一般选择符号周期长度是保护间隔的5倍，这样由于插入保护比特造成的信噪比损耗不到1dB。在确定了符号周期和保护间隔后，子载波的数量的上下限、可以分别由符号速率与时延扩展及Doppler频移确定。每个子载波所传输的比特速率可以由调制类型、编码速率和符号速率来确定。即：保护间隔(CP长度)：；符号长度：；数据子载波数量的下限：；的上限：；除了数据

29、子载波外，为了能够实现系统同步、信道状态估计与均衡，还须增加相应的导频子载波，与系统的同步、信道状态估计与均衡算法密切相关。2.6、OFDM技术的研究热点2.6.1、系统同步、信道估计与均衡在大多数无线通信系统中，为了获得稳定可靠的接收性能，一般都在发送端发射一定数量的训练数据，这些训练数据可以用于接收机的同步、信道估计和自适应均衡等。虽然有许多不需要训练序列辅助的盲信道估计算法，但是这些算法大多无法实际应用。所以，训练序列在OFDM的信道估计中不可或缺。训练序列的插入将降低系统的带宽利用率，所以，如何设计高效的训练序列的结构和与之相对应的信道估计算法，并在此基础上降低系统的实现复杂度，一直是

30、研究的热点之一。在传统的OFDM系统中，为了对抗多径信道，可以采用一定长度的循环前缀CP，从而使得接收端的均衡变得非常简单。但是，当需要对抗的多径长度很长时，就需要插入更长的循环前缀，从而大大降低了系统的传输效率。当多径的长度大于循环前缀时，系统的性能将急剧恶化。一种补偿的方式是采用更多的子载波个数来提高传输效率，但是随着子载波数的增加，系统并行处理的复杂度将大大增加，并且系统对抗子载波间干扰（ICI）的能力将下降。为了在不增加循环前缀的情况下对抗更长的多径，需要利用更加先进、复杂的信道均衡技术。在移动通信环境中，信道的时变特性也是影响OFDM系统性能的重要因素。OFDM系统的子载波个数越多，

31、每个OFDM符号的周期越长，对信道的时变特性就越敏感。但是，如果减小子载波个数，就会降低系统的传输速率。在快速移动的情况下，信道的时变比较快，在一个OFDM符号周期内，信道的衰落将比较明显，这将造成OFDM各个子载波之间的干扰（ICI）。传统的信道均衡技术无法消除ICI。为了在高速移动环境下提供稳定的接收性能，需要更为先进的信道均衡技术。总之，如何在改善OFDM系统的通信质量的同时，提高系统的带宽利用率，并尽量降低系统的复杂度，是OFDM技术的研究重点。2.6.2、MIMO+OFDMMIMO技术（核心是空时信号处理）最早由Marconi于1908年提出，它利用多天线来抑制信道衰落。随着MIMO

32、技术(主要包括：1) 发射分集，主要是空时码技术；2）空间复用技术，该技术真正体现了MIMO系统容量提高的本质，贝尔实验室的分层空时复用BLAST（Bell Laboratories Layered Space Time）就是空间复用技术的典型应用，它比多址接入技术大大提高了频谱效率。BLAST结构不是通过信号变换（编码、调制、映射等）引入符号间的正交性，而是充分利用了信道的多径特点，解除了信号之间的相关性)的兴起，对OFDM技术提出了新的要求。在未来的宽带无线通信系统中，存在两个最严峻的挑战：多径衰落信道和带宽效率。OFDM通过将频率选择性多径衰落信道在频域内转换为平坦信道，减小了多径衰落的

33、影响。而MIMO 能够在空间中产生独立的并行信道同时传输多路数据流，这样就有效地提高了系统的传输速率，即在不增加系统带宽的情况下增加频谱效率。这样，OFDM和MIMO两种技术相结合，就能达到两种效果：一种是实现很高的传输速率，另一种是通过分集实现很强的可靠性。同时，在MIMO-OFDM中加入合适的数字信号处理的算法能更好地增强系统的稳定性。根据线性系统的特性，信道和发送信号在频域上是乘积的关系。所以，OFDM系统可以很方便地和以MIMO技术为代表的多天线技术相结合。采用MIMO技术，不但可以提高无线通信系统的通信质量，还可以极大地提高无线通信系统的带宽利用率。MIMO - OFDM技术通过在O

34、FDM传输系统中采用阵列天线实现空间分集，利用时间、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。因而，MIMO-OFDM被认为是下一代宽带无线通信的典型技术之一，如802.11n就采用了MIMO+OFDM技术。MIMO技术的优点可以通过下面的三个增益来概括：1. 阵列增益。阵列增益是指由于接收机通过对接收信号的相干合并而获得的平均SNR的提高。在发射机不知道信道信息的情况下，MIMO系统可以获得的阵列增益与接收天线数成正比。2. 复用增益。在采用空间复用方案的MIMO系统中，可以获得复用增益，即信道容量成倍增加。信道容量的增加与成正比，分别为发射天线数和接收天线数。3.

35、 分集增益。在采用空间分集方案的MIMO系统中，可以获得分集增益，即可靠性性能的改善。分集增益用独立衰落支路数来描述，即分集指数。在使用了空时编码的MIMO系统中，分集指数等于发射天线数与接收天线数的乘积。另外，在分布式MIMO系统中，由于接收天线或发射天线之间的间距较远，可认为它们各自的大尺度衰落是相互独立的，因此分布式MIMO系统不仅可以获得上述的小尺度衰落分集，还可以获得大尺度衰落分集，即宏分集。MIMO技术的缺点具体表现在：1. 空间相关。空间特性是维系MIMO性能的关键，无论从有效性的并行子信道和可靠性的分集指数都和空间独立性有关，空间相关导致的低秩和低分集指数都极大影响着MIMO的

36、信道容量和误码性能。2. 空间干扰。这是空时复用最直接的影响，在没有空间分集可利用的系统中恢复各发射天线等功率的信号必定造成的判决性能的下降，因此，接收端的干扰消除算法能够保证系统性能的关键。三、单载波传输技术体制3.1、单载波基本概念所谓单载波调制技术，是将需要传输的数据流调制到单个载波上进行传送，目前应用最为广泛的是QAM、OQAM、PSK等星座映射方式。单从调制技术本身来看，具有信号峰均比低、接收灵敏度高、对载波偏差和相位噪声不敏感、实现简单等优点。但传统的单载波技术应对信道衰落的能力较差。必须指出，在实际应用中，单纯的调制技术是无法满足数据可靠传输的需要，还需要数据结构、信道编解码方案

37、、同步与均衡算法的支持来保持单载波本身的优势，进一步提高对付信道衰落的能力。在单载波传输技术中，需要在接收端采用均衡器来补偿码间干扰(当时延扩展超过符号长度的10%时，就需要使用均衡器来降低ISI的影响，因此单载波系统的实现复杂度主要由均衡器来决定。一般来说，在相同的时延扩展条件下，OFDM系统的处理复杂度要大大低于单载波系统)，均衡可以采用传统的时域滤波器，也可以在频域进行，相应的系统分别为单载波时域均衡系统(SC-TDE)和单载波频域均衡系统(SC-FDE)。理论上，理想时域均衡的单载波系统和多载波系统的性能是一样的，但是受硬件资源的限制，实际的时域均衡器通常达不到最佳性能。不管是线性还是

38、非线性均衡，传统的时域均衡器复杂度都与信道的最大时延扩展成正比，而多载波的频域均衡复杂度与信道最大时延扩展的对数成正比。均衡器成了制约单载波系统性能提高的一个约束条件。在美国的数字电视地面传输系统ATSC中，即使接收机的均衡器抽头阶数已做到了几百阶，也只能对付几十微秒的静态多径，对强回波和快速变化的动态多径仍然无能为力。在实际应用中，单纯的调制技术是无法满足数据可靠传输的需要，还需要同其它技术联合，才能满足系统要求。在单载波系统中，常用自适应均衡器来对抗信道中的各类衰落，由于单载波调制和自适应均衡都是在每个数据星座点上进行的，因此，逐点处理的特点使得单载波系统在跟踪信道动态特性上占有非常大的优

39、势(快)。在多载波系统中，IFFT块处理的特点使得OFDM技术的动态跟踪能力下降(慢)。由于经过信道的衰落，接收端各子载波上的载噪比是不同的，因此，OFDM系统必须通过加入优秀的信道编码，来补偿各子载波上的载噪比要求。同样，优秀的信道编码也可被加到单载波系统中，用来降低系统的载噪比门限。也可以通过同均衡器输出解映射联合，降低判决门限，从而可以比多载波系统更进一步降低系统的载噪比门限。为了对抗脉冲噪声，单或多载波系统均需采用交织和RS码的联合技术。单载波系统中可通过加入专门的技术模块以有效去除相位噪声。为对抗载波偏差和定时误差，单或多载波系统都有专门的解决技术。但因OFDM本身对载波偏差和定时误

40、差的敏感性，使得在多载波系统中的工作更为复杂。3.2、单载波调制技术的研究热点单载波调制的一个难点是均衡器的实现较为复杂，美国ATSC体制中的时域均衡器阶数高达几百个，即使这样，它也几乎不具有移动接收能力。为了能够解决这个问题，单载波频域技术应运而生。下面即为SC-FDE的原理框图。单载波频域均衡(SC-FDE)是宽带无线传输中一种很有效的对抗多径的方法。早在在模拟信号处理阶段，均衡被作为主要对抗ISI的方法被提出来时，与时域上进行滤波处理相对应的，已经有了在频域分别补偿信号幅度和相位频域均衡的概念。所谓的频域均衡是利用可调网络的频率特性去补偿实际信道的幅频特性及相频特性的畸变，模拟器件通过独

41、立控制各个频率成分的电平实现对衰落的均衡。在信道中发生频率选择性衰落时，传输信号的频谱的包络将发生畸变，对于中心频率的对称性遭到破坏，因此，可以通过对于中心频率对称的不同位置上的窄带功率测量反映出来，通过其产生的误差控制信号，驱动校正网络调整其补偿特性。对于数字信号处理流程，由于数字DTF运算的复杂度较大，而且当通信传输主要为语音时的信号带宽窄，受到的衰落相对要小，需要的时域均衡器抽头少。所以对于要求不高的语音传输来说，进行分段序列的频域均衡不仅不能保证数据的实时性，而且加大了系统的复杂度。随着快速傅立叶变换FFT的提出，Walzman于上世纪70年代初将自适应均衡的算法应用于频域，主要是为了

42、提高与随机梯度算法相关的均衡器系数的收敛速度。但是由于时一频变换实现上的困难，数字频域均衡的应用一直受到阻碍。而另一方面，越来越高的传输速率意味着更大的带宽，直接导致更加严重的频率选择性衰落，使得均衡滤波器的抽头系数越来越大，时域均衡系统复杂度成指数上升。20世纪80年代，大规模集成电路让FFT技术的实现不再是难以逾越的障碍，使得多载波系统可以用于实时系统中，ODFM开始被欧洲和澳大利亚广泛用于广播信道的宽带数据通信，这时，通信业界的研究热点是多载波的OFDM。在OFDM的实验室研究日渐成熟，其峰平比过高的弱点逐渐成为系统实现和性能提高的瓶颈时，Sari于1994年首次发起重新讨论单载波频域均

43、衡(SC-FDE)技术，接着，各国的研究者就SC-FDE的原理和性能，以及该系统特殊的符号结构和信号处理算法开始了研究。SC-FDE系统采用单载波传输而保留了OFDM系统对信号的处理方法，有效地综合OFDM和单载波的优点：1)、SC-FDE和多载波有近似的均衡性能，在时间色散(频率选择性干扰)严重时，复杂度远远小于时域均衡。2)、SC-FDE在信道中传送的是直接在时域上调制的信号，这种RAPR小的发送信号降低了对功放线性度的要求，减小了发送功耗。3)、对于SC-FDE系统，通常不需要通过信道编码来降低频率选择性衰落的影响。4)、相比于OFDM对频率偏差敏感，SC-FDE对频偏的敏感性要稍小，从

44、而部分减小了接收时频率同步的代价。虽然SC-FDE与OFDM系统在处理流程上有相似性，但是由于它是在时域上进行信号判决的，对定时偏差更加敏感，对接收端定时同步要求高；而且在信号判决前要经过Fourier变换，扩展了噪声的影响；另外，单载波的信号映射方式不利于方便的复用，这些都是SC-FDE的不足之处。SC-FDE一个数据块中的所有信号的信噪比相同，而OFDM每个数据的信噪比均不相同，和每个子信道的衰落有关。正是由于这种差异，造成了SCFDE和OFI)M系统不同的平均误码性能。对于一般的SC-FDE系统：在低信噪比条件下，SC-FDE系统的误码性能略差于OFDM，而在高信噪比条件下，SC-FDE

45、则能取得显著优于后者的误码性能。对于误码性能的理论讨论，可以说明SC-FDE相比于OFDM系统，展宽了子信道的干扰。在信噪比较高的情况下，出现频率选择性衰落，特别是窄带干扰(notch)，使得ODFM的某符号(对应一子载波)无法正确解调信号，造成误码时(实际上，较差的子信道不应超过整个信道的10%)，SC-FDE系统由于IFFT的操作将窄带干扰扩展到了整个信号，平均了其影响。不过要指出的是，在低信噪比的情况下，SC-FDE的上述优势缺转变成了劣势：由于所有的子信道条件都比较差，单载波仍然在扩展干扰，使得所有信号的信噪比均处在较低的水平，导致大规模的误码；而OFDM则在可用子载波上能够准确判决出

46、信号，若进行子适应的调制或者灵活的接入，则可最佳利用信道，得到较好的结果。相比于OFDM来说，SC-FDE系统对频偏的敏感度要小，对定时偏移更加敏感。SC-FDE在上世纪90年代被重新提出时，就是基于对OFDM频域均衡的讨论，以及峰平比过大的不足提出来的，而且直到IEEE802.16将单载波频域均衡写入协议，也是作为OFDM的“兼容”协议提出的，可以说，早期SC-FDE的研究一直是跟随着OFDM的发展进行的。单载波频域均衡(SC-FDE)和时域均衡(SC-TDE)除了在均衡运算量上的差距，在其他方面理论结果上的差距均可以忽略。在总体上，SC-FDE与OFDM有着基本相似，至少是可比拟的性能。在

47、讨论到OFDM的原理时，往往会提到它“在时域上将每个调制信号的周期扩展到整个处理符号的持续时间”，但实际上这只是它在频域上对每个子载波进行调制而产生的效果，目的是为了在频域上进行估计和均衡补偿。在应用于频率选择性信道时，对于没有正交频分复用接入(ODFMA)或者子载波自适应调制的未编码OFDM系统，其误码性能甚至要差于SC-FDE系统。而且SC-FDE系统也在频域上将信道分成各个子信道进行估计，重现了OFDM的均衡过程。所以对于这样的系统，问题的本质并不在于是使用多载波OFDM还是单载波传输，而是使用时域还是频域均衡，以及实际信号的处理流程。当然，上面的讨论是基于没有正交频分复用接入(ODFM

48、A)或者子载波自适应调制的ODFM系统，一旦ODFM采用了上述接入或者自适应的方法，就可利用灌水法则通过控制衰落不同的信道上的调制方式达到信道容量的最佳利用，还可以通过信道编码来纠正单频干扰产生的突发错误。综上，尽管OFDM在附加了编码和接入后可以达到优良的性能，但是对于SC-FDE系统的性能分析和对比可以看出，SC-FDE仍然保持了较好的抗频率选择性衰落性能，以及峰平比低、发送端结构简单、均衡复杂度较低的优势，这些特点对宽带无线通信系统无疑是极具吸引力的。加上它和OFDM处理流程的相似性，使得两者可以在同一系统中共存，更好地实现下一代无线通信系统。四、单载波与多载波OFDM的应用单载波与多载

49、波OFDM技术在宽带高速无线通信均有具体应用，下面介绍几个典型应用领域，包括民用领域的数字电视地面传输技术（DTTB）和军用宽带高速传输。4.1、数字电视地面传输技术(DTTB)单载波与多载波OFDM技术在民用领域的“竞争”最激烈的当属数字电视广播地面传输系统。主要有两大阵营：1)、欧洲电信标准协会ETSI制定的标准DVB-T，该技术采用基于编码的多载波COFDM技术，包括三种调制方式(QPSK、16QAM和64QAM)、五种不同编码效率的前向纠错FEC(1/2, 2/3, 3/4, 5/6, 7/8)、4 种保护间隔(1/4, 1/8, 1/16, 1/32)，两种子载波模式(2k-移动接收

50、，8k-固定接收，手持版DVB-H标准中增加了4k模式)以及三种信道带宽(6MHz、7MHz和8MHz)；2)、美国ATSC标准，采用8-VSB调制技术，该标准采用当时单载波传输调制和纠错编码的一系列技术成果，使这一标准具有较高的频谱效率和抗高斯白噪声能力。该标准于1997年归为国际电信联盟(ITU)的第一个数字电视传输国际标准。但该标准抵抗宽带多径衰落(回波反射)和多普勒衰落(移动信道)的能力以及支持移动接收和单频网组网的能力尚待进一步改进提高。(注：日本的ISDB-T标准是欧洲DVB-T的改版，同样基于OFDM技术，采用频带分段传输Bandwidth Segmented Transmiss

51、ion, BST，在OFDM特性之外，BST-OFDM对不同的 BST段采用不同的载波调制方案和内码编码码率，以此提供分级传输特性)。两大技术体制均有广泛应用，据ETSI相关资料显示，采用DVB-T体制的国家远远多于采用单载波体制的国家，欧洲和大部分亚洲、非洲国家和地区采用DVB-T；ATSC领地则主要在北美地区；采用ISDB-T标准的国家地区较少，除了日本外，只有巴西决定采用ISDB-T技术。国内两大高校之一的清华大学继承欧洲DVB-T体制，提出了DMB-T方案，但是与DVB-T不同的是，它的训练序列为PN序列，放置在时域(帧头)，数据在频域(帧体)。因为它的同步算法工作在时域，所以称为TD

52、S-OFDM(时域同步OFDM)。高清晰度数字电视总体组成员之一的上海交通大学(另两个成员为浙江大学和西安电子科技大学)则继承美国单载波体制，提出了ADTB-T单载波调制方案，其主要的技术特点是：高效的数据结构，能满足灵活的综合数字业务和抗干扰要求；双导频辅助同步技术，具有更强的同步性能；强大的对抗信道衰落的均衡技术，能快速的跟踪信道的时变，并能有效的对抗强多径和长多径；采用强大的LDPC码(广电总局广播科学研究院提出)作为纠错码，是世界上第一个实现单载波移动接收的方案。(注：中国数字电视地面传输系统国家标准，简称“地标”，国标遴选中共有五个地面传输候选标准： 总体组一号方案：ADTB-T高级

53、数字电视广播系统(由浙大王匡教授领衔负责)，基于ATSC标准； 总体组二号方案：BDB-T地面数字电视广播系统(由西安电子科技大学的葛建华教授领衔负责)，基于OFDM； 广电总局广播科学研究院的技术方案：射频子带分割双载波混合调制系CDTB-T，基于DVB-T标准； 清华大学的技术方案：基于地面数字多媒体电视传输协议DMB-T，采用TDS-OFDM(由杨知行、杨林领衔负责)，基于DVB-T标准； 成都电子科技大学的技术方案：同步多载波扩频地面数字电视传输系统SMCC/COFDM(由朱维乐教授负责)。经过几轮技术遴选，最终剩下清华和上海交大两种方案比拼。国标制定过程一波三折，历时多年，除了技术原

54、因外，更多的是“场外因素”！多方组织相互争斗，这种情况在移动多媒体/手机电视标准的制定过程中同样出现，并且更甚！)。2006年8月18日， “中国数字电视地面广播传输系统”国家标准：GB 20600-2006数字电视地面广播传输系统帧结构、信道编码和调制在国人的“千呼万唤”中终于颁布。结果出乎众人意料：国标融合清华交大两家方案，包括单载波和多载波调制，由此受到不少专家学者的抨击。在众多争论学者中，有两人较为突出，其一是北京大学的徐孟侠教授，“反驳”至甚，针对单载波与多载波OFDM的性能对比测试结果，先后发表一系列技术评论文章，可供参考。其中，针对国标准的专文“对中国地面数字电视广播传输标准的注

55、解和评论”，旗帜鲜明地明确支持单载波系统，反对任何多载波系统。从相关的测试结果来看，上海交大的单载波方案性能全面超越欧美的标准，且在时速达到430km/h的磁悬浮列车上得到应用，同时在组建单频网SFN方面亦有较大潜力(外场测试)。针对徐孟侠的一系列“诘难”，清华大学的孟斐(移动多媒体技术联盟(MMTA)技术工作组组长)进行坚决反击，认为徐孟侠的推论有较大程度的“臆断”，缺乏严谨性，同时在两种方案的性能对比时，有失公允。双方均拿出有利自己的外场测试报告，有根有据，外人很难弄清楚究竟孰是孰非。注：在国标的“难产”过程中，有人泄露内幕消息，针对国标的“捆绑”式融合做法，多名专家联名上书要求取消这种行

56、为，后在多方领导的强力干预下失败！在国标遴选过程中，几个权威机构(如中国工程院)受命进行方案测试对比，给出相关报告，可惜一般人根本看不到相应的测试结果报告(属于机密文件)，无从得知具体的测试结果。仅凭双方各执一词，难以服众。在清华DMB-T方案的基础上，国标吸收了广科院TIMI方案和上海交大ADTB方案的特色技术，主要有4点改动： 在C=3780的基础上增加C=1选项； 改RS和卷积码组合纠错编码为BCH和LDPC组合纠错码； 重新定义和设计系统信息； 增加一种帧头格式和4QAM-NR、32QAM两种调制方式(见右附表3所示，Ref：徐孟侠. 对中国地面数字电视广播传输标准的注解和评论，200

57、8)。既然国标具有完全的“自主知识产权”，国标必然具有不同于DVB-T和ATSC的技术手段(清华、交大双方各自申请了几十个专利)。融合两种调制体制的国标仅涉及系统需要的很多数据处理环节中的一个具体操作环节的两种可选参数，其他系统参数，包括纠错编码、交织、定时同步、帧结构、信号带宽与成形等系统内外参数对单、多载波工作模式都是统一的，它们只是在同一个技术和知识产权平台上的两种可选的工作模式。两种载波方式具有5个统一：统一带宽、统一传输码率、统一定时时钟、统一系统信息和统一帧结构。多载波体制的核心是清华提出的TDS-OFDM，它本身就是一个时域单载波和频域多载波融合的调制方式，时、频域联合处理。它的

58、多载波帧体都是数据信号，可以分别加载到多个子载波上，也不排斥全部帧体数据都加载到一个子载波上。国标的TDS-OFDM不同于欧洲DVB-T的C-OFDM，其原创性不仅为单、多载波系统融合提供了技术基础，还将为多媒体信息广播预留了时、频二维分割的功能扩展空间。TDS-OFDM系统以PN序列作为时域导频和保护间隔是其与CP-OFDM(循环前缀)系统以及ZP-OFDM(补零)系统最大的不同点之一。欧洲采用全频域处理方式形成其核心技术COFDM技术，由于其系统同步和信道估计互为条件，需用复杂的迭代算法和强功率同步导频等技术措施，同时循环前缀CP的填充，使其传输的效率有所损失。而TDS-OFDM通过时域和

59、频域混合处理，PN序列不仅可以作为保护间隔，还可以用作训练序列，时域的PN序列处理可以简单方便地实现快速码字捕获和稳健的同步跟踪，极大地提高同步、信道估计、定时和载波恢复的速度和精度，同时提高频谱利用率，形成了与欧、日多载波技术不同的自主核心技术，这在移动接收环境中具有巨大优势(外场测试验证)。不过由于TDS-OFDM频域可用作导频的已知信息较少，系统信息只有36个，且分布在频谱两端，易受频率选择性衰落和声表面滤波器的影响，无法用于信道信息的提取。因而TDS-OFDM系统只能利用PN序列作为训练序列进行同步和信道估计。由于以下三个原因，使单、多载波调制的区别仅在调制部分。1.单、多载波选项仅在

60、数据帧体部分才有效，数据帧头都是采用单载波调制作为训练序列；2.在帧体数据部分均没有已知离散信息，只用相同方法保护的系统信息；3.标准采用统一的信道编码方式低密度检验码LDPC。国标技术特点：1）、使用能实现信道估计与均衡的PN序列作为帧头，3类帧头：PN420， PN595， PN945，全部采用单载波调制；2）、使用先进的LDPC码信道编码，3种码率：0.4，0.6，0.8；3）、抗衰落的系统信息保护：直接序列扩频保护。4.1.1、单载波与多载波不同系统的主要特性参数 4.1.2、美国ATSC系统与欧洲DVB-T系统的性能对比 （Ref：徐孟侠. 关于地面数字电视广播传输标准的学习笔记.

61、电视技术，263(5)：4-9，2004）4.1.3、清华DMB-T与上海交大ADTB-T方案的对比4.1.4、移动多媒体标准与数字电视地面传输标准相似，目前移动多媒体的地面传输方式主要包括韩国的T- DMB（源于欧洲的DAB标准,)、欧洲的DVB- H(源于欧洲的DVB- T)以及美国高通公司提出的MediaFLO(源于高通的分组数据技术)，这三种标准均采用多载波OFDM调制技术，见右边表1所示。国内具有自主知识产权的移动多媒体标准（CMMB）主要有广电总局支持的移动电视接收标准STiMi (Satellite-Terrestrial Interactive Multi service In

62、frastructure)，清华大学的DMB-TH和信产部推行的T-MMB。这三种技术同样采用OFDM调制技术。2006年10月24日正式发布了中国移动多媒体传输行业标准CMMB：“GYT 220.1-2006 - 移动多媒体广播 第1部分 - 广播信道帧结构、信道编码和调制”，主要基于广电的STiMi技术。4.1.5、关于数字电视地面传输中单载波与多载波技术体制的认识与思考由于DTTB市场潜力巨大，两类调制体制竞争异常激烈，在我国国标GB 20600-2006颁布前，以美国ATSC、欧洲DVB-T和日本ISDB-T标准为代表的三种国际标准，呈现三足鼎立局面。国标颁布后，GB 20600-20

63、06成为第四种传输技术选择方案(注：国标GB 20600-2006并非国际标准，不过目前国标的市场推广形势不错，南美多个国家看好国标)。与前面三种国际标准截然不同的是，国标采取了结合单载波与多载波调制技术的融合手段，想必除了均衡各方利益外，单载波与多载波两者互有优势的客观事实也不容忽视。对照美国ATSC、欧洲DVB-T、清华DMB-T和上海交大ADTB-T系统的主要特性(系统参数)，不难看出这四类系统各有特色，要全面比较各种系统的性能和单载波与多载波的优劣，需要客观和公正的对比条件。ATSC、DVB-T标准的颁布时间分别为1995年和1997年，距今十多年。它们的实现考虑到当时的技术水平(硬件

64、平台和软件实现)。国标颁布于2006年，相距10年左右。相比十多年前，这期间的技术进步异常显著。硬件平台处理能力得到质的飞跃，数字信号处理技术突飞猛进。DTTB系统中作用关键的前向纠错码FEC技术同样取得长足进展，典型代表就是1993年Turbo码和1996年LDPC码的重现提出与应用，这两类编码与香农极限距离很小，是目前最为先进的FEC码。ATSC、DVB-T标准制定时生不逢时，没有采用Turbo和LDPC编码。国标中的几个方案皆基于对单载波和多载波的深入研究分析，然后交大ADTB-T方案采用RS+Turbo乘积码TPC，清华DMB-T方案采用RS+TCM码，融合两家之长的国标采用LDPC+

65、BCH，性能自然比ATSC、DVB-T标准更为优越(无论是计算机仿真，实验室测试还是外场测试，结果均表明国标性能明显好于欧美标准，正是基于国标的优秀测试结果，我国著名通信专家、资深工程院士童志鹏教授认为：中国地面数字电视传输技术已超过世界水平)，这就显示出技术方面的“后发优势”。从而，一来说明国标性能的确超越欧美标准；二来说明欧美标准有提高改进的余地，需要适时更新换代。事实上，DVB-T的升级版DVB-T2已经在2008年完成标准制定，与DVB-T相比，DVB-T2采用了更为先进的信道编码：LDPC+BCH，这与国标完全不谋而合；离散导频和连续导频所占比例也大幅降低，因此提高了频谱利用率；增加了256QAM调制方式、保护间隔比例和码率，增强系统的灵活性，见下表所示。由于ADTB-T和DMB-T方案采用先进的FEC和相关的同步、信