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作者： odyssey_2010 一，ITU-R M.2134對下一代無線網絡的要求是： 1，扇區（cell）的平均頻率利用效率是在市區（urban）無線環境下達到：下行鏈路 2.2bps/Hz/cell（4個發射天線和2個接收天線，即4*2 MIMO）；上行鏈路 1.4bps/Hz/cell（2個發射天線和4個接收天線，即2*4 MIMO）。 2，理想情況下的頻率利用峰值是：下行鏈路 15bps/Hz/（4個發射天線和4個接收天線，即4*4 MIMO）；上行鏈路 6.75bps/Hz/cell（2個發射天線和4個接收天線，即2*4 MIMO）。 3，支持基準帶寬的分級可擴展性，支持最高40 MHz的帶寬；鼓勵更寬的帶寬，比如通過頻率匯聚（frequency aggregation）技術為單個用戶分配100 MHz的帶寬。 如果是40MHz的帶寬，ITU-R M.2134的第1和第2個要求的執行結果是：1，下行鏈路的平均流量達到88Mbps/cell，上行鏈路的平均流量達到56Mbps/cell；2，理論峰值傳輸速率達到下行600Mbps，上行270Mbps。 第4代無線廣域網絡啟用了OFDM和OFDMA技術，取代了3G使用的DSSS技術。類似的技術取代在無線局域網中已經發生了，IEEE 802.11b是基于DSSS技術的，而802.11g和802.11n是基于OFDM技術。OFDM技術在多徑、頻率選擇性衰落比較明顯的無線環境中提供高速數據傳輸方面有獨特的優勢。 OFDM被定義成一個實現多路通信的方法，利用這個方法，一個高速數據流被分成多個低速子數據流，這些低速子數據流被許多子載波同時傳送，而且子載波傳送數據時彼此之間不會產生干擾。 二，為啥4G選擇OFDM和OFDMA？ 要了解OFDM和OFDMA，先要了解FDM。傳統的頻分復用方法（Frequency Division Multiplex, FDM）如圖“頻分復用系統”所示。發射器（transmitter）的輸入端是一串高速基帶數據字符流（數據流的速率是Rs，symbols per second, sps）。這個高速基帶數據字符流包含了若干個數據字符塊，每個數據字符塊包含L個數據字符。 一個串行轉并行（serial-to-parallel, S-to-P）的轉換器將這個高速數據流轉換成K個分開的低速數據子流，每個低速數據子流的速率是Rs/K sps 。同時，串并轉換器將包含L個字符的大數據塊打散成K個數據子塊，每個數據字塊攜帶L/K個字符。這些低速數據子流穿過數模轉換器（D-to-A），用設定好的sinusoid exp（-j2πfkt）進行調制，其中fk是為每個低速數據子流分配的子載波頻率。經過調制，這K個經過調制的子載波（在K個不同的頻率上）匯集起來，匯集后的信號被發射到空中。 為了最小化子載波之間的干擾，相鄰子載波之間必須有隔離頻帶。由于隔離頻帶的存在，K個子載波占用的總帶寬大于單個子載波的帶寬的K倍。盡管存在K個子載波，FDM把所有K個子載波都用于傳遞一個用戶的數據。FDM有三個好處： 1，有利于克服符號間干擾（Intersymbol interference, ISI）和多徑衰落； 2，可以基于子載波改變調制方法和編碼方式； 3，降低對信號接收端的均衡器的要求； 符號間干擾（Intersymbol interference, ISI）如圖“符號間干擾”所示。 傳送K個分離的、窄帶的子載波能更有效地克服ISI和多徑衰落。在時間域，多徑效應導致接收信號的到達時間的“離散”效應，信號到達時間的離散也被稱作信道的時延擴展（τ）。 高速無線通信系統中，符號速率Rs和符號的持續時間Ts成反比。符號速率Rs越高，符號的持續時間Ts越小。符號速率Rs高到一定程度，Ts有可能顯著地小于信道時延擴展（τ），這種情況下，多徑引起的時延會讓上一個符號泄漏到下一個符號，并對下一個符號產生干擾。這種現象叫做ISI。ISI是任何一個高速無線通信系統都必須解決的問題。 用窄帶子載波承載發射信號能很好地解決ISI問題，因為放大了符號的時間寬度。降低符號的速率，就意味著擴大符號的持續時間。降低符號速率可以通過將高速符號流分成很多低速符號子流來實現，每個符號子流的速率是Rs/K，因此低速符號子流的每個符號的持續時間是TsK。 這樣，由于子字符流的符號持續時間明顯大于信道時延擴展（τ），即TsK>>τ，每個符號延遲分量對下一個符號幾乎沒有影響，每個符號受到的ISI影響就會顯著減少。 上述問題也可以在頻域進行分析。在頻域，多徑效應導致在不同的頻段產生不同的衰落特性，甚至產生相消效應（也叫NULLs）；因此多徑衰落又叫做頻率選擇性衰落。一個頻率選擇性信道的特征參數是相干帶寬Wc，在相干帶寬的范圍內，信道表現得相對比較平坦、比較固定。 使用一系列窄帶子載波傳送信號就能夠克服頻率選擇性衰落。每個子載波的帶寬都明顯小于初始的寬帶載波。每個子載波會遇到自己的衰落，但是只要每個子載波的帶寬足夠�。ㄟh遠小于相干帶寬Wc ），就可以認為子載波經歷的是平坦衰落，也就是說窄帶子載波受頻率選擇性衰落的影響很小。換句話說，只要子載波的帶寬Rs/K<< Wc，頻率選擇項衰落就被認為是消除了。 能夠強壯地應對ISI和多徑衰落，是使用多個窄帶子載波的無線通信系統的關鍵優勢。OFDM和OFDMA充分利用了這一優勢，這是4G無線通信系統選擇OFDM和OFDMA的主要原因，因為OFDM和OFDMA能很好地幫助寬帶信號克服多徑衰落和ISI。 FDM能夠基于子載波改變調制方法和編碼方式。系統通過多個子載波傳遞數據符號時，在任何時候，有的子載波經歷了衰落，有的子載波沒有經歷衰落。經歷衰落的子載波可以求助于更強健的調制方式（比如QPSK）和低速率的糾錯編碼（比如1/3 convolutional code），以保證提高接收端無錯接收數據符號的概率，代價是降低比特傳送速率。那些幾乎不受衰落影響的子載波，可以使用更有效率（當然對無線環境要求比較高）的調制方式（如16-QAM）和高速率的糾錯編碼（比如3/4 convolutional code），以提高比特傳輸速率。通過為每個子載波分配不同的調制方式和糾錯編碼，系統能夠獲得最佳的容量和性能表現。 FDM能夠降低對信號接收端的均衡器的要求。 接收端需要用一個均衡器來均衡通道響應。當子載波是窄帶時，均衡器比較簡單，因為窄帶意味著處理符號傳送的時間比較長。在接收端，每個子載波都需要一個均衡器，因此一共有K個均衡器。 傳統的多子載波FDM系統有兩大缺點：1，信號發射器需要K個數模轉換器和K個獨立的射頻調制器；2，FDM的頻譜效率比較低，需要隔離頻帶分隔子載波。 有沒有可能既充分利用FDM系統的優勢，又規避FDM的缺點呢？答案是OFDM。 |
