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1、WIMAX物理层技术及其演进摘要：WiMAX技术发展迅速，但是为了获得高效可靠的通信性能，并支持更高速率的移动环境，需要物理层关键技术进一步演进。为了支持移动性，IEEE802.16e标准(移动宽带无线接入)在IEEE802.16d标准(固定的宽带无线接入)的基础上进行了改进，在物理层引入了正交频分复用与多入多出相结合的技术，使传输速度成倍提高的同时能够支持一定的移动性。在未来的IEEE802.16m中还将会引入更加先进的空中接口技术。 关键词：全球微波互操作；多输入多输出；正交频分复用；物理层关键技术 Abstract:TheWorldwideInteroperabilityfor Micr
2、owave Access (WiMAX) technology has developed rapidly. However, the key technology for the Physical Layer (PHY) of WiMAX system requires further evolution for acquiring effective and reliable communication performance and supporting higher-speed moving environments,. Based on IEEE 802.16d (for fixed
3、 broadband wireless access systems), IEEE 802.16e (for mobile broadband wireless access systems), introdUCes a combination of Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) and Multiple Input Multiple Output (MIMO) technologies into the PHY to support mobility. It enables the transmission rate do
4、ubled while supports mobility to some extent. In the future, IEEE 802.16m will adopt more advanced air interface technologies. KeyWords:WiMAX;MIMO;OFDM; key technology for PHY 以IEEE 802.16e标准为基础的宽带无线技术已经成为WiMAX技术的主流，接入无线网络已经成为很多人生活的一部分。为了满足人们对传输速率日益增长和高速移动性的要求，IEEE在相继推出了802.16a、802.16d、802.16e后，IEEE
5、即将提出下一代的先进空口技术标准802.16m。2006年12月IEEE启动了IEEE 802.16m标准的制订工作，很多全球著名厂家将参与其中。 WiMAX物理层的技术特点1： (1)在物理层采用正交频分复用，实现高效的频谱利用率。 (2)双工方式：支持时分双工(TDD)、频分双工(FDD)，同时也支持半双工频分双工(HFDD)。FDD需要成对的频率，TDD则不需要，而且可以实现灵活的上下行带宽动态分配。半双工频分双工方式降低了终端收发器的要求，从而降低了对终端收发器的要求。 (3)可支持移动和固定的情况，移动速度最高可达120 km/h。 (4)带宽划分灵活，系统的带宽范围为1.25 MH
6、z20 MHz。WiMAX规定了几个系列的带宽：1.25 MHz的倍数系列、1.75 MHz的倍数系列。其中1.25 MHz倍数系列包括：1.25 MHz、2.5 MHz、5 MHz、10 MHz、20 MHz等，1.75 MHz倍数系列包括：1.75 MHz、3.5 MHz、7 MHz、14 MHz等。 (5)使用先进的多天线技术提高系统容量和覆盖范围。 (6)采用混合自动重传(HARQ)技术。混合自动重传操作中融合了前向纠错(FEC)的功能，使得每一次分组包的发送操作都能够为最终的正确解码做出贡献。主要分为两类：追赶合并和递增冗余。 (7)采用自适应调制编解码(AMC)技术。AMC根据接收
7、信号的质量，随时调整分组包的调制、编码方式、编码速率，使得系统在能够达到足够的可靠性的基础上，使用尽可能高的数据传输速率。 (8)采用功率控制技术，目标是最大化频谱效率，而同时满足其他系统指标。 (9)采用先进的信道编码技术增加通信质量，扩大覆盖范围。 从先进国际移动通信和下一代移动网络的技术需求来看，未来移动通信的传输速率要求达到百兆比特位每秒甚至吉比特位每秒，目前的IEEE 802.16e中最高的物理层速率是75 Mb/s，为了能够在保证通信质量的同时达到很高的数据速率，在未来的标准演进中，必须对物理层的关键技术进行有效的演进。 1 OFDM和OFDMA技术 在802.16d/16e中均引
8、进了正交频分复用(OFDM)和正交频分复用多址(OFDMA)技术，在未来的物理层技术演进中，OFDM和OFDMA仍然是主要的关键技术之一。正交时分复用(OTDM)则是在最近倍受大家关注的另外一种复用技术，有可能成为未来的物理层复用技术之一。 1.1正交频分复用 OFDM2的主要思想是：将信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到每个子信道上进行传输。正交信号通过接收端采用相关技术分开，可以在一定条件下减少子信道间干扰(ICI)。每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，因此每个子信道可看作平衰落信道，从而消除了符号间干扰(ISI)。由于每个子信道的带宽仅仅是原信道带
9、宽的一小部分，信道均衡变得相对容易。 OFDM技术之所以越来越受关注，是因为OFDM有很多独特的优点： 频谱利用率很高。 抗多径干扰与频率选择性衰落能力强。 采用动态子载波分配技术能使系统达到最大比特率。 通过各子载波的联合编码，可具有很强的抗衰落能力。 基于离散傅立叶变换(DFT)的OFDM有快速算法，OFDM采用快速傅里叶变换(FFT)和逆快速傅里叶变换(IFFT)来实现调制和解调，易用数字信号处理器(DSP)实现。 除上述优点以外，OFDM也有3个较明显的缺点： 对频偏和相位噪声敏感。 峰均功率比(PAPR)大，导致发送端放大器功率效率较低。 自适应的调制技术使系统复杂度有所增加。 OF
10、DM作为保证高频谱效率的调制方案已被一些规范及系统采用。OFDM将成为新一代无线通信系统中下行链路的最优调制方案之一，也会和传统多址技术结合成为新一代无线通信系统多址技术的备选方案。 1.2正交频分复用多址 在OFDMA系统中，用户仅仅使用所有的子载波中的一部分，如果同一个帧内的用户的定时偏差和频率偏差足够小，则系统内就不会存在小区内的干扰，比码分系统更有优势。 由于OFDMA可以把跳频技术和OFDM技术相结合，因此可以构成一种更为灵活的多址方案，此外由于OFDMA可以灵活地适应带宽要求，可以与动态信道分配技术结合使用来支持高速的数据传输。 在未来的物理层技术演进中，OFDMA仍然会作为一种非
11、常重要的关键技术继续保留。 1.3单载波频域均衡技术 在OFDM系统中，如何降低PAPR仍然是亟待解决的问题。不少演进技术中为了避免PAPR的影响，已经开始考虑采用单载波频域均衡技术(SC-FDE)3-4，也称为正交时分复用(OTDM)，原理框图如图1所示。 SC-FDE之所以越来越受关注，是因为有如下的优点： 抗多径能力强 频谱效率高(与OFDM类似，甚至稍高) 没有PAPR 带外辐射小 实现简单 采用自适应技术 另外，SC-FDE易与其他技术结合，形成如下技术： CP-CDMA CP-DS-CDMA OTDM智能天线(发射机) OTDM分集接收(接收机) 新一代的无线通信系统对系统的性能、
12、成本、尺寸、功率和能耗提出了严格的要求。SC-FDE系统具有较强的克服频率选择性衰落的能力，克服了OFDM系统的不足，使得接收机的实现更为简单。SC-FDE也可以和OFDM共存于一个双向传输系统，以便更灵活、更高效地发挥两种技术的优势。另外，SC-FDE技术还可以与多输入多输出(MIMO)技术相结合，提高频谱利用率，改善系统性能，在宽带无线通信领域有着广阔的应用前景。采用SC-FDE是未来高速无线通信系统的一个极具竞争力的方案。 2 帧结构 IEEE 802.16e物理层定义了几种双工方式：TDD、FDD和HFDD。这几种方式都使用突发数据传输格式，这种传输格式支持自适应的突发业务数据，传输参
13、数(调制方式、编码方式、发射功率等)可以动态调整，但是需要媒体访问控制(MAC)层协助完成。在TDD模式下，每个物理帧长度固定，上下行的切换点可以自适应调整，下行在先，上行在后，这样杜绝了上行方向的竞争。同时，上下行和下上行子帧之间可以插入收发时隙，以留出必要的保护间隔。资源的调度和分配可以在基站(BS)上集中控制，使得信道可以灵活地全部用于上行或下行。另外，针对不同的应用场景，在帧结构中定义了多种排列方式，提高频谱利用率以及克服多径衰落。802.16e还采用了128/512/1 024/2 048个可变子载波的OFDMA方式，使设备信道带宽可在1.75 MHz20 MHz间灵活调配，从而使其
14、具备更强的信道均衡能力和抗快衰落能力，以保证WiMAX终端在移动环境中的使用。 未来帧结构，必须增强对多天线的各种应用模式简单高效的调度，支持各种物理层关键技术的演进。 3 多输入多输出 频率资源的使用是有限的，无论在时域、频域还是码域上处理信道容量均不会超过山农限。多天线的使用使得不同用户的信号可以用不同的空间特征来表征，使得空域资源的使用成为可能。空域处理可以在不增加带宽的情况下成倍地提升信道容量，也可以改善通信质量、提高链路的传输可靠性。 3.1多天线的应用模式 未来的多天线技术应用模式必将是灵活多变的，主要多天线的应用模式包括： (1)接收分集(单输入多输出时) 由于部分终端受尺寸大小
15、、发射功率和成本等的影响，通常在发送端只有1根天线，基站使用多根接收天线，实现接收分集，理想情况下可获得10logN r(dB)的增益，N r为基站接收天线的个数。容量随着接收天线的个数对数增加。应用场景如图2所示。 (2)发送分集(多输入单输出时) 终端1根接收天线，基站多根发送天线，理想情况下可获得10logN t(dB)的增益，N t为基站发送天线的个数。容量随着发送天线的个数对数增加。应用场景如图3所示。 (3)波束形成(多输入单输出时) 终端只有一根天线，基站使用多根发送天线，实现波束形成，由于在发端已经得到了H 矩阵，波束形成比发送分集信噪比提高3 dB。必须经过上行测量或者上行反馈获取信道信息，才能够进行波束形成。 (4)空时编码(多输入多输出时) 未来的通信系统中，终端会走向多样化，部分终端可以拥有多根天线，这样通信链路的上下行均可实现多输入多输出(MIMO)，MIMO示意图如图4所示。空时编码是MIMO的主要应用形式之一，正交的空时分组编码可以获得满分集增益，空
