寬帶移動通信的關鍵技術探討

摘要：結合當前通信領域新業務的發展，從寬帶網的接入技術、組網技術、無線收發系統的結構以及信號的調制技術角度出發，探討了影響寬帶移動通信的四類關鍵技術，重點探討了4G移動通信的關鍵技術之一MIMO-OFDM技術，并對所涉及的應用進行分析和展望。

關鍵詞：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展。多媒體業務量的增加，對系統傳輸速率的要求也不斷增加，但寬帶無線通信的發展又受到無線頻譜資源和無線環境中多徑效應的限制，為此在無線通信產業快速發展的十年間，涌現出許多傳輸新技術和新方案，以確保寬帶無線通信的傳輸質量，以下將探討影響該領域的四類關鍵技術。

1 無線局域網WLAN與Wi-Fi

無線局域網絡WLAN（Wireless Local Area Networks）是一種利用射頻技術進行數據傳輸的系統，該技術是用來彌補有線局域網絡之不足，以達到網絡延伸目的，使得無線局域網絡能利用簡單的存取架構讓用戶透過它，實現無網線、無距離限制的通暢網絡。WLAN允許在局域網絡環境中使用可以不必授權的ISM（Industrial Scientific Medical）頻段中的2.4GHz或5GHz射頻波段進行無線連接。無線局域網拓撲結構基于IEEE802.11標準，廣泛應用于家庭或企業的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協議中的802.11b協議，是一種無線聯網的技術，其目的是改善基于IEEE802.11標準的無線網絡產品之間的互通性，由Wi-Fi聯盟所持有，該技術使用的是2.4GHz附近的頻段，與藍牙技術一樣，WIFI技術同屬于在辦公室和家庭中使用的短距離無線技術。

2 UWB技術

超寬帶UWB（Ultra Wideband）是一種無載波通信技術，利用納秒至微微秒級的非正弦波窄脈沖傳輸數據，通過在較寬的頻譜上傳送極低功率的信號，能在10米左右的范圍內實現數百Mbps至數Gbps的數據傳輸速率。由于UWB帶寬很寬，因此系統容量大，傳輸速率高，系統抗干擾能力強。UWB系統發射功率非常小，通信設備可以用小于1mW的發射功率，極大降低電磁輻射，對人體傷害小，能實現綠色通信。此外，低發射功率將大大延長系統電源工作時間，降低成本。它是無線電領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。

3 CDMA接入技術

3G的技術發展和商用進程是近年來全球移動通信產業領域最為關注的熱點問題之一，目前國際上最具代表性的3G技術標準分別是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技術標準；而WCDMA和CDMA2000屬于頻分雙工（FDD）模式，WCDMA技術標準由歐洲和日本提出，CDMA2000技術標準由美國提出。

碼分多址CDMA（Code Division Multiple Access）是在擴頻通信技術上發展起來的一種先進且成熟的無線通信技術，具有頻譜利用率高、話音質量好、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技術的原理是基于擴頻技術，將需傳送的具有一定帶寬信息的數據，用一個遠大于信號帶寬的高速偽隨機碼進行調制，使原數據信號的帶寬被擴展，再經載波調制并發送出去。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處理還原信號，以實現通信。CDMA通信網是由擴頻、多址接入、蜂窩組網和頻率復用等幾種技術結合而成，含有頻域、時域和碼域三維信號處理的一種協作，它能較好地抗多徑衰落，保密安全性高，且由香農定理知其可在容量和質量之間取舍，因此CDMA比其他系統有很大的優勢。

3.1 系統容量大且配置靈活

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

3.2 通話質量更佳

TDMA的信道結構最多只能支持4kb的語音編碼器，它不能支持8kb以上的語音編碼器。而CDMA的結構可以支持13kb的語音編碼器，因此可以提供更好的通話質量。CDMA系統的聲碼器可以動態地調整數據傳輸速率，并根據適當的門限值選擇不同的電平級發射。同時門限值根據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，因為在這樣的地區每分鐘會發生2～4次移交的情形。而CDMA系統“掉話”的現象明顯減少，CDMA系統采用軟切換技術，“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 組網成本低

CDMA技術通過在每個蜂窩的每個部分使用相同的頻率，簡化了整個系統的規劃，在不降低話務量的情況下減少所需站點的數量從而降低部署和操作成本。CDMA網絡覆蓋范圍大，系統容量高，所需基站少，降低了建網成本。

4 MIMO-OFDM技術

未來寬帶移動通信要求系統傳信率達到10Gbps，因此傳統單發單收天線將不能滿足要求。實驗表明增加收發天線數量可以提高系統容量，即MIMO（Multiple-Input Multiple-Output）多天線系統，其信道容量隨著天線數量的增大而線性增大，因此在不增加帶寬和天線發送功率的情況下，頻譜利用率可以成倍地提高。空時碼STC（Space Time Coding）則充分挖掘MIMO系統容量，是改善整個系統誤碼性能的有效手段。它根據信道特性，有效地綜合了發送分集、接收分集、糾錯編碼和調制等技術，能夠以較低的發送功率實現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，但其檢測復雜度隨著發射天線數、頻譜效率的增加而成指數級增加，因而很難應用到實際的多天線系統中。

4.2 空時分組碼（STBC）

STBC構造簡單，且檢測復雜性僅隨收發天線數、頻譜效率的增加而線性增加，進而使得空時碼的實際應用成為可能。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那樣通過提高狀態數來改善誤碼性能，但是STBC因其簡單的實現結構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系統的高效空時編碼傳輸方案。

在寬帶移動通信系統中，多徑效應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系統對抗頻率選擇性衰落能力差，為此需要結合其他數字調制技術實現寬帶通信。正交頻分復用技術OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）是多載波調制的一種，它將信道分成若干正交子信道，將高速串行數據轉換成并行的低速子數據流，調制到每個子信道上進行傳輸，由于信道滿足正交性使得調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的結合可以很好地解決無線通信中的多徑效應和頻率選擇性衰落對信號的影響，提高通信速率和通信質量。在向寬帶4G移動通信演進的過程中，MIMO-OFDM是關鍵的技術之一，可進一步結合分集技術及智能天線技術提高信息傳輸速率。

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用工程師。