作者：郭兵，姚彥，趙熠飛，曹鵬志

1 引言

隨著無線通信技術的飛速發展，寬帶無線數據傳輸已經成為人們日益關注的焦點，尤其對于專業部門的移動應急多媒體通信，例如： 軍隊、公安、武警等。很多的國際組織都對寬帶無線傳輸系統制訂了相應的標準，其中最具有代表性的就是IEEE802.16標準體系。而由于寬帶無線接入系統的工作環境一般都存在嚴重的多徑衰落，所以尋找一種有效抵抗多徑衰落影響的傳輸技術成為這類系統物理層研究的核心問題。在IEEE802. 16a協議中對物理層關鍵技術建議了兩種方案可供選擇，即OFDM（正交頻分復用）和SC-FDE（單載波頻域均衡）。雖然IEEE802. 16a提出了SC-FDE的傳輸方式，但是并沒有給出具體的系統結構和實現方法。以實際無線多媒體傳輸系統的具體要求為出發點，本文將詳細討論基于SC-FDE和分集技術的無線多媒體傳輸系統結構及其性能。

2 系統目標及關鍵技術分析

就本系統而言，其目標主要是在4MHz信道帶寬內實現雙向4.5Mbps的數據傳輸，即上下行總速率約為4.5Mbps。在這樣一個大的前提下，需要考慮的主要是對抗多徑時延擴展技術以及雙工方式的選取。

寬帶無線通信系統需要應對的一個主要問題就是電磁波的傳播所引入的多徑時延擴展問題。在實際系統中所采用的對抗多徑的技術主要有OFDM、SC-FDE以及傳統的SC- TDE（單載波時域均衡）技術。

傳統的SC-TDE首先被用于頻帶較窄的語音業務的調制解調器中。其主要缺點就是處理的復雜度較高，這點在寬帶系統中更為明顯，因此在目前的寬帶系統中大都不選用此技術。

OFDM技術將整個頻帶分成眾多的頻帶很窄的子載波，并將調制后的符號通過這些子載波并行傳輸。在發端，利用反傅立葉變換（IFFT）將一個傳輸塊調制到各個子載波上。在收端，通過對傳輸塊進行快速傅立葉變換（FFT）就可以提取各個子載波上的信息。此外，在發端，需要在每個傳輸塊前插入一個循環前綴（CP），加入CP是為了避免前一傳輸塊和本傳輸塊之間干擾的，在收端，去CP后，所得到的傳輸塊是發送信號與信道沖擊響應循環卷積的結果，因此可以利用FFT進行處理。OFDM系統中，對于每個符號的處理所需的乘法數目階次大致為 。在大時延擴展（與符號速率相比）的環境下，與傳統的SC-TDE系統相比，OFDM無疑是一種更好的性能與復雜度折衷的方案。由于傳輸的OFDM符號是大量的調制后的窄帶子載波的和，OFDM系統具有較大的峰平比（即便系統中采用低階調制，比如QPSK），而且這一現象隨著子載波數目的增加而加劇。由于系統中功放的非線性的影響，與單載波系統相比，OFDM系統中的功放往往要回退數個dB以保證在整個信號包絡幅度范圍內的線性。這必將對無線系統的覆蓋范圍產生重大的影響，并且對于離中心站較近的移動臺，回退更進一步降低了功放的效率。此外，OFDM系統對頻偏以及相位噪聲比較敏感。

SC-FDE系統與OFDM系統具有相類似的傳輸塊結構，即利用CP避免前一傳輸塊對本傳輸塊的干擾，并且使傳輸塊保證循環特性。與OFDM系統相比， SC-FDE系統具有較低的算法復雜度，主要原因是：均衡是在傳輸塊的基礎上完成的；通過FFT、IFFT以及對信道估計的逆變換處理，可以有效的降低算法復雜度并保證良好的性能。新近的研究結果表明，SC-FDE系統與OFDM系統相比，具有幾乎一樣的性能及較低的算法復雜度。總體而言，SC-FDE系統主要具有以下一些值得注意的特性：

· 單載波系統避免了OFDM系統所引入的峰平比問題，因而對功放的要求明顯降低。

· 與OFDM系統相比，SC-FDE降低了系統對頻偏影響的敏感程度，并且對于無編碼系統，能充分利用了多徑的分集增益

· SC-FDE的性能與OFDM系統相近，對于無編碼和高編碼效率的系統，SC-FDE甚至有更好的性能

· 與OFDM系統相類似，SC-FDE大大降低了算法復雜度，假設傳輸塊長與多徑時延擴展成一定比例關系，則SC-FDE與OFDM系統的復雜度與多徑時延擴展的對數成正比

· 從對抗頻率選擇性衰落的角度而言，其性能與OFDM系統相類似，在某些具體需要的前提下，可以不加編碼

· 與OFDM系統相比，SC-FDE主要的復雜度都集中在收端，因此可以簡化發射機的設計

通過對以上技術的比較研究，綜合考慮算法復雜度、系統性能和系統復雜度等，在目前的系統中，更適宜采用SC-FDE技術。

就系統雙工方式而言，本系統采用TDD雙工方式，主要原因有：首先，TDD方式不需要成對的頻譜，只用一個信道，便于頻率規劃，提高頻譜利用效率。TDD方式有利于脈沖同步，消除近端干擾，有利于實現中心站分集接收；其次，無線信道衰落的快慢取決于傳輸頻率，TDD上下行使用相同頻率，上下行鏈路的傳播特性相同，利用這種相關特性，可以很方便的采用預處理技術提高系統性能，對抗信道衰落。但在FDD模式下的系統，其上下行處于不同的頻段，信道之間互不相關，很難及時的獲得信道特性信息，從而無法有效的應對信道的衰落特性所帶來的影響；再次，TDD方式采用收發一個信道，可以省去一個價格比較昂貴的雙工器，是收發器設計變得簡單，簡化RF部分設計，同時也降低設備體積；最后，TDD只使用一個信道傳輸上下行數據，便于上下行帶寬的靈活分配，而對于業務需求來講也主要是非對稱的，從而適應不同業務的需求。本系統主要是面向Internet數據與多媒體業務，由于Internet、文件傳輸和多媒體業務常常上下行容量不對稱，因此更適宜采用TDD模式。

此外，為了達到更加穩定的傳輸效果，提高系統的覆蓋能力，適應系統上行多媒體業務傳輸的需求，在基站端可以采用天線分集提高系統整體性能。對上下行而言，可以分別采用接收分集以及發送分集技術來對抗信道衰落，從而提高系統傳輸的穩定性與可靠性。接收端天線之間的距離d≥λ／2（λ為工作波長），以保證接收天線輸出信號的衰落特性是相互獨立的，簡而言之，當某一接收天線的輸出信噪比很低時，其他接收天線的輸出則不一定在這同一時刻也出現低信噪比的現象。經過適當的選擇合并處理，可以有效地降低信道衰落的影響，改善了傳輸的可靠性。

3 基于SC-FDE無線多媒體傳輸設計實現

3.1 系統實現方式

基于以上一些分析考慮，在本系統中采用TDD雙工方式、QPSK調制、TPC編碼以及SC-FDE技術，并在基站端采用多天線來實現分集，從而提高系統可靠性。以上行為例，其實現框圖如圖1所示。

圖1 基于SC-FDE無線多媒體傳輸系統上行框圖

3.2 SC-FDE實現幀結構格式

基于SC-FDE無線多媒體傳輸系統實現幀結構如圖2所示，一個通用的基本單元長度（Slot）為（ ）*1152 chip，其中分為數據塊（DB）和導頻（Pilot）。一個基本單元有 個數據塊，每一個數據塊以及導頻塊前均插入了循環前綴（CP）。

圖2 基于SC-FDE無線多媒體傳輸系統實現幀結構

對于一幀而言，主要包括長度為256個chip的主同步碼（PSC，完成同步功能）以及數個Slot。根據PSC完成同步后，截取出各個傳輸塊，并根據導頻塊對各個數據塊所處處的信道進行估計。具體而言，SC-FDE關鍵算法由圖3所示。其中 為接收到的傳輸塊， 為其變換到頻域后的結果。

4 測試與驗證結果：

利用上述方案及算法，我們就典型小區環境進行了試驗。試驗結果如圖4所示，試驗條件如下

· 小區半徑約為7km

· 基站天線高度60m，天線增益10dBi

· 移動臺天線高度3m，天線增益5dBi

· 移動速度≤100km/h

圖4：解調輸出信號Eb/N0的CDF曲線

圖4為解調輸出信號Eb/N0的CDF曲線，其橫坐標為解調輸出信號的Eb/N0（單位：dB）。 曲線為天線0的輸出信號Eb/N0的CDF曲線， 曲線為天線1的輸出信號Eb/N0的CDF曲線， 為兩個天線解調輸出信號相加后所得結果的Eb/N0的CDF曲線， 曲線為從上述三個結果中適時選擇最好的一個所對應的Eb/N0的CDF曲線，從圖中可以看出，采用分集技術可以明顯提高系統的穩定性和可靠性，大大提高系統的覆蓋范圍，而且采用分集方式時，直接合并與從三個結果中選擇最好的一個的效果基本一樣。

5 結論：

本系統采用最終決定采用方案為：TDD+QPSK＋FDE＋接收分集的實現方式，SC-FDE 系統具有較強的克服頻率選擇性衰落的能力，降低了對系統的要求，并克服了OFDM 系統對的不足而且和OFDM有向接近的性能；采用TDD雙工方式提高頻譜利用率，使得本系統更適應多徑衰落信道傳輸，而且TDD的信道分配方式比FDD方式更適應以太網和多媒體業務的需求。將SC-FDE技術與接收分集技術相結合，可以有效提高系統穩定性及性能，改善系統的覆蓋范圍。通過大量的試驗，目前已經在北京久華信公司移動多媒體傳輸設備上得以應用和驗證，在無線和移動通信領域有著廣闊的應用前景。

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