|
摘 要：本文介绍了时域均衡的单载波系统、多载波正交频分复用系统和频域均衡的单载波系统。频域均衡单载波系统复杂度和性能与多载波系统相当，可以与多载波系统共存，已被IEEE 802.16建议在宽带无线接入中采用。
关键词：单载波；频域均衡；多载波 引言
宽带无线通信是现代通信技术发展的一个热点，可实现通信网络的“无缝”链接，让人们的通信联系不再受时间和地点的约束。无线通信从早期的模拟蜂窝网、当代的数字蜂窝网逐步过渡到未来的3G和4G系统，为人们提供高速可靠的无线接入，宽带通信已经成为无线通信技术发展的必然趋势。IEEE 802.11为宽带无线局域网(WLAN)制定了标准，而最近正在制定中的802.16则为更广范围的城域网(MAN)提供了宽带无线接入(BWA)标准，本文介绍的正是被802.16a采用的单载波频域均衡技术。
无线信道特性
相对于有线和卫星信道，无线信道的信道特性是非常恶劣的，主要表现为多径衰落和多普勒衰落。多径衰落会使信号产生码间干扰，接收端必须采用均衡技术来消除信道的影响。
时域均衡的单载波系统
单载波系统是一种很成熟的传输系统，当今大部分通信系统都属于单载波传输体系。单载波系统一般通过训练序列对信道响应进行估计，并通过某种自适应算法不断更新均衡器的系数以跟踪信道的变化。根据自适应均衡器的输出是否被用于反馈控制，均衡技术通常可分为线性均衡和非线性均衡两类。线性均衡器相对简单，信道衰落不严重时可以较好的消除信道影响，常用的算法有迫零(ZF)算法和最小均方误差(MMSE)算法。当无线信道多径衰落严重时，信道频域响应中会出现很深的“凹槽”。为了补偿“凹槽”附近的幅度衰落，线性均衡器必须对该段频谱进行放大，从而也使该频段的噪声增强。而非线性均衡器在这种恶劣的信道下会有较好的效果，判决反馈均衡器(DFE)是非线性均衡器中常见的一种，在实际系统中得到广泛应用。近年来更复杂的最大似然序列均衡技术(MLSE)也逐渐应用于移动无线信道的均衡器中。
理论上，理想时域均衡的单载波系统和下面将要介绍的多载波系统性能是一样的，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“瓶颈”。在美国的数字电视地面传输系统ATSC(8VSB)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。
多载波系统
多载波正交频分复用(OFDM)是一种并行传输技术，它在指定频带上设置K个等间隔的子载波，每个子载波被单独调制，符号周期是同速率单载波系统的K倍，对符号间串扰的敏感性较单载波系统大大降低，从而能够更有效的对抗多径干扰。同时，OFDM系统可在各个符号间插入保护间隔来消除符号间干扰(ISI)。OFDM信号的调制和解调可采用IFFT和FFT实现，见图1。
[img=218,77]file:///E:/LTE/无线信道中的单载波频域均衡技术.files/36[1].jpg[/img]
在多径信道下，接收信号在时域上是发送信号和信道脉冲响应的卷积，而在频域上则是发送信号和信道频域响应的乘积。信道的频域响应可通过在各个符号中插入的基准电平信号(导频)直接获得，从而使多载波信号的均衡可通过简单的单点均衡器来完成，这也是OFDM系统的一大优点。相对单载波系统，多载波OFDM系统存在着峰平比高和对相位噪声敏感等缺点，这要求发射机的功率放大器具有更宽的线性范围，同时要求接收机采用相位噪声系数更小的调谐器和其他模拟器件，从而增加了系统成本。
频域均衡的单载波系统
为了克服单载波和多载波OFDM系统的缺点，近年来出现了一种频域均衡单载波方案。基本的频域均衡单载波系统如图2所示。
[img=265,81]file:///E:/LTE/无线信道中的单载波频域均衡技术.files/37-1[22].jpg[/img]
从图1和图2可见，多载波OFDM系统和频域均衡的单载波系统都是靠保护间隔来消除ISI，信道估计和均衡也都是在频域上进行的，两者的区别仅仅在于IFFT模块是在发射端还是接收端。在多载波OFDM系统中，该模块在发射端把频域映射后的数据转换成时域信号，而单载波系统则利用IFFT把频域上均衡完的信号变回时域。对于同样大小的FFT模块，两个系统的复杂度是一样的。
频域均衡的单载波系统结合了多载波OFDM系统和常见单载波系统的优点，其特点可归结如下：
(1)与多载波系统相比，降低了峰平比和对相位噪声的敏感性，降低了功率放大器等模拟器件的成本，可以利用单载波成熟的射频技术。
(2)与单载波系统相比，抗多径能力增强(与多载波性能相当)，而均衡器复杂度大大降低。
[img=261,46]file:///E:/LTE/无线信道中的单载波频域均衡技术.files/37-2[21].jpg[/img]
对于采用线性均衡方法的单载波频域均衡系统，为了进一步提高系统性能，还可以对上述频域均衡后的信号再进行带判决反馈的时域均衡，如图3所示。
频域均衡单载波系统的应用
频域均衡单载波和多载波OFDM系统在系统结构上的相近为两种系统共存创造了条件。通过“软切换”IFFT模块的位置，同一套系统可以发射接收单载波和多载波OFDM信号。再考虑到频域均衡单载波系统收发两端实现复杂度的非对称性，可以设计图4所示的无线宽带双向传输系统。
[img=271,91]file:///E:/LTE/无线信道中的单载波频域均衡技术.files/37-3[12].jpg[/img]
在图4中，基站由一个多载波OFDM发射机和一个单载波接收机组成，包括两个IFFT和一个FFT模块，而客户端则为一个多载波OFDM接收机和一个单载波发射机，只包含有一个FFT模块。这样的系统结构把IFFT、FFT等复杂度高、功耗大的模块尽量放在了基站，降低了客户端的硬件复杂度和功耗。另一方面，由于客户端是单载波发射的，发射信号峰平比小，从而可以采用低成本功率放大器。
仿真比较
为了测试频域均衡单载波系统的性能，比较仿真了其在多径信道下的误比特率(BER)，结果如图5所示。所选的信道为SUI-5[1]，是被IEEE 802.16采用的测试宽带无线系统的6种信道之一。该信道中最大的时延扩展是10μs，共有三条径，延时分别为0、5μs和10μs，三条径的幅值分别为0dB、-5dB和-10dB。假设该信道是慢衰落的。图5所示分别是QPSK和16QAM单载波频域均衡和OFDM性能曲线。数据进行了码率为1/2、约束长度为7的卷积编码，编码后经比特交织映射到QAM星座上。每个FFT和IFFT包括了512个点，单载波的训练序列长度为64点，OFDM的导频也是64点。译码采用软判决维特比译码。
[img=227,145]file:///E:/LTE/无线信道中的单载波频域均衡技术.files/37-4[5].jpg[/img]
图5中，SC-LINEAR、SC-MUX和OFDM分别是频域线性均衡的单载波系统、频域线性时域一阶反馈混合均衡的单载波系统和信道估计采用线性插值的多载波系统的误码率曲线。可以看出，由于多径衰落信道下判决反馈均衡优于线性均衡，故SC-MUX性能优于SC-LINEAR。这里OFDM信道估计采用了简单的线性插值，而未采用更复杂的维纳插值，故性能稍逊于SC-MUX。
结论
本文介绍了一种频域均衡的单载波系统。在与现有的时域均衡单载波和多载波OFDM系统比较的基础上，指出其复杂度和性能与多载波等效，并可与多载波OFDM系统共存，仿真结果表明其性能良好。频域均衡单载波系统与多载波OFDM一起已被802.16a标准采用作为新一代宽带无线接入网的候选标准，今后必将受到越来越广泛的重视。
参考文献：
1 V.Erceg, K.V.S.Hari, M.S. Smith, "Channel Models for Fixed Wireless Applications", IEEE 802.16.3c-01/29rl Feb. 23, 2001
2 D. Falconer, D. Shani, M. Ran, V. Arat,"Draft Document for SC-DFE PHY Layer System for Sub 11 GHz BWA", IEEE 802.16.3c-01-58r2, May. 17, 2001
3 A. Milewski, "Periodic Sequences with Optimal Properties for Channel Estimation and Fast Start-up Equalization", IBM J. Res. And Development, Sept. 1983, pp. 426-431.
4 John G. Proakis. 数字通信(第三版).电子工业出版社，1998
扫码关注5G通信官方公众号,免费领取以下5G精品资料
1、回复“LTBPS”免费领取《《中国联通5G终端白皮书》》
2、回复“ZGDX”免费领取《中国电信5G NTN技术白皮书》
3、回复“TXSB”免费领取《通信设备安装工程施工工艺图解》
4、回复“YDSL”免费领取《中国移动算力并网白皮书》
5、回复“5GX3”免费领取《 R16 23501-g60 5G的系统架构1》
6、回复“iot6”免费领取《【8月30号登载】物联网创新技术与产业应用蓝皮书——物联网感知技术及系统应用》
7、回复“6G31”免费领取《基于云网融合的6G关键技术白皮书》
8、回复“IM6G”免费领取《6G典型场景和关键能力白皮书》
|
关注楼主