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摘要：结合当前通信领域新业务的发展，从宽带网的接入技术、组网技术、无线收发系统的结构以及信号的调制技术角度出发，探讨了影响宽带移动通信的四类关键技术，重点探讨了4G移动通信的关键技术之一MIMO-OFDM技术，并对所涉及的应用进行分析和展望。
关键词：宽带移动通信；WLAN；CDMA多址接入；MIMO-OFDM
中图分类号：TN911 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）32-0067-02
随着科技的进步，无线通信朝着宽带化、综合化、个人化和智能化的趋势发展。多媒体业务量的增加，对系统传输速率的要求也不断增加，但宽带无线通信的发展又受到无线频谱资源和无线环境中多径效应的限制，为此在无线通信产业快速发展的十年间，涌现出许多传输新技术和新方案，以确保宽带无线通信的传输质量，以下将探讨影响该领域的四类关键技术。
1 无线局域网WLAN与Wi-Fi
无线局域网络WLAN（Wireless Local Area Networks）是一种利用射频技术进行数据传输的系统，该技术是用来弥补有线局域网络之不足，以达到网络延伸目的，使得无线局域网络能利用简单的存取架构让用户透过它，实现无网线、无距离限制的通畅网络。WLAN允许在局域网络环境中使用可以不必授权的ISM（Industrial Scientific Medical）频段中的2.4GHz或5GHz射频波段进行无线连接。无线局域网拓扑结构基于IEEE802.11标准，广泛应用于家庭或企业的Internet接入。WLAN的802.11a标准使用5GHz频段，支持的最大速度为54Mbps，而802.11b和802.11g标准使用2.4GHz频段，分别支持最大11Mbps和54Mbps的速度。Wi-Fi主要采用WLAN协议中的802.11b协议，是一种无线联网的技术，其目的是改善基于IEEE802.11标准的无线网络产品之间的互通性，由Wi-Fi联盟所持有，该技术使用的是2.4GHz附近的频段，与蓝牙技术一样，WIFI技术同属于在办公室和家庭中使用的短距离无线技术。
2 UWB技术
超宽带UWB（Ultra Wideband）是一种无载波通信技术，利用纳秒至微微秒级的非正弦波窄脉冲传输数据，通过在较宽的频谱上传送极低功率的信号，能在10米左右的范围内实现数百Mbps至数Gbps的数据传输速率。由于UWB带宽很宽，因此系统容量大，传输速率高，系统抗干扰能力强。UWB系统发射功率非常小，通信设备可以用小于1mW的发射功率，极大降低电磁辐射，对人体伤害小，能实现绿色通信。此外，低发射功率将大大延长系统电源工作时间，降低成本。它是无线电领域的一次革命性进展，将成为未来短距离无线通信的主流技术。
3 CDMA接入技术
3G的技术发展和商用进程是近年来全球移动通信产业领域最为关注的热点问题之一，目前国际上最具代表性的3G技术标准分别是TD-SCDMA、WCDMA和CDMA2000。其中TD-SCDMA属于时分双工（TDD）模式，是由中国提出的3G技术标准；而WCDMA和CDMA2000属于频分双工（FDD）模式，WCDMA技术标准由欧洲和日本提出，CDMA2000技术标准由美国提出。
码分多址CDMA（Code Division Multiple Access）是在扩频通信技术上发展起来的一种先进且成熟的无线通信技术，具有频谱利用率高、话音质量好、保密性强、掉话率低、电磁辐射小、容量大、覆盖广等特点，可以大量减少投资和降低运营成本。CDMA技术的原理是基于扩频技术，将需传送的具有一定带宽信息的数据，用一个远大于信号带宽的高速伪随机码进行调制，使原数据信号的带宽被扩展，再经载波调制并发送出去。接收端使用完全相同的伪随机码，与接收的带宽信号做相关处理还原信号，以实现通信。CDMA通信网是由扩频、多址接入、蜂窝组网和频率复用等几种技术结合而成，含有频域、时域和码域三维信号处理的一种协作，它能较好地抗多径衰落，保密安全性高，且由香农定理知其可在容量和质量之间取舍，因此CDMA比其他系统有很大的优势。
3.1 系统容量大且配置灵活
理论上，在使用相同频率资源的情况下，CDMA移动网比模拟网容量大20倍，实际使用中比模拟网大10倍，比GSM要大4～5倍。CDMA是一个自扰系统，所有移动用户都占用相同带宽和频率，用户数的增加相当于背景噪声的增加，虽造成话音质量的下降，但对用户数并无限制，有效控制用户的信号强度，在保持高质量通话的同时，就可以容纳更多的用户，并可在容量和话音质量之间折衷考虑。另外，多小区之间可根据话务量的接收器和干扰情况自动均衡。
3.2 通话质量更佳
TDMA的信道结构最多只能支持4kb的语音编码器，它不能支持8kb以上的语音编码器。而CDMA的结构可以支持13kb的语音编码器，因此可以提供更好的通话质量。CDMA系统的声码器可以动态地调整数据传输速率，并根据适当的门限值选择不同的电平级发射。同时门限值根据背景噪声的改变而变，这样即使在背景噪声较大的情况下，也可以得到较好的通话质量。另外，TDMA采用一种硬移交的方式，用户可以明显地感觉到通话的间断，在用户密集、基站密集的城市中，这种间断就尤为明显，因为在这样的地区每分钟会发生2～4次移交的情形。而CDMA系统“掉话”的现象明显减少，CDMA系统采用软切换技术，“先连接再断开”，这样完全克服了硬切换容易掉话的缺点。
3.3 组网成本低
CDMA技术通过在每个蜂窝的每个部分使用相同的频率，简化了整个系统的规划，在不降低话务量的情况下减少所需站点的数量从而降低部署和操作成本。CDMA网络覆盖范围大，系统容量高，所需基站少，降低了建网成本。
4 MIMO-OFDM技术 未来宽带移动通信要求系统传信率达到10Gbps，因此传统单发单收天线将不能满足要求。实验表明增加收发天线数量可以提高系统容量，即MIMO（Multiple-Input Multiple-Output）多天线系统，其信道容量随着天线数量的增大而线性增大，因此在不增加带宽和天线发送功率的情况下，频谱利用率可以成倍地提高。空时码STC（Space Time Coding）则充分挖掘MIMO系统容量，是改善整个系统误码性能的有效手段。它根据信道特性，有效地综合了发送分集、接收分集、纠错编码和调制等技术，能够以较低的发送功率实现较高频谱效率的通信，可以达到逼近MIMO信道容量的性能，目前已有很多成熟的空时编码方案。
4.1 空时网格码（STTC）
STTC能同时取得全分集增益和很高的编码增益，因而具有很好的误码性能，但其检测复杂度随着发射天线数、频谱效率的增加而成指数级增加，因而很难应用到实际的多天线系统中。
4.2 空时分组码（STBC）
STBC构造简单，且检测复杂性仅随收发天线数、频谱效率的增加而线性增加，进而使得空时码的实际应用成为可能。虽然STBC仅能提供分集增益，只有很少或没有编码增益，而且不能像STTC那样通过提高状态数来改善误码性能，但是STBC因其简单的实现结构已被新一代通信标准。
4.3 全分集全速率（FDFR）空时码
FDFR可以有效解决传统正交空时码因为符号冗余而引起的频谱效率下降问题，同时能维持正交空时码的全分集误码性能，是一种适用于MIMO系统的高效空时编码传输方案。
在宽带移动通信系统中，多径效应引起的频率选择性衰落是信号传输过程中必须考虑的问题，而MIMO系统对抗频率选择性衰落能力差，为此需要结合其他数字调制技术实现宽带通信。正交频分复用技术OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）是多载波调制的一种，它将信道分成若干正交子信道，将高速串行数据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，由于信道满足正交性使得调制后信道之间的干扰明显降低，但要求每个子信道上的信号带宽要小于信道的相关带宽，因此每个子信道上的可以看成平坦性衰落，从而可以消除频率选择性衰落对信号的影响。MIMO-OFDM的结合可以很好地解决无线通信中的多径效应和频率选择性衰落对信号的影响，提高通信速率和通信质量。在向宽带4G移动通信演进的过程中，MIMO-OFDM是关键的技术之一，可进一步结合分集技术及智能天线技术提高信息传输速率。
作者简介：谢辉（1978—），男，安徽巢湖人，上海艾默生过程控制有限公司应用工程师。
关键词：宽带移动通信；WLAN；CDMA多址接入；MIMO-OFDM
中图分类号：TN911 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）32-0067-02
随着科技的进步，无线通信朝着宽带化、综合化、个人化和智能化的趋势发展。多媒体业务量的增加，对系统传输速率的要求也不断增加，但宽带无线通信的发展又受到无线频谱资源和无线环境中多径效应的限制，为此在无线通信产业快速发展的十年间，涌现出许多传输新技术和新方案，以确保宽带无线通信的传输质量，以下将探讨影响该领域的四类关键技术。
1 无线局域网WLAN与Wi-Fi
无线局域网络WLAN（Wireless Local Area Networks）是一种利用射频技术进行数据传输的系统，该技术是用来弥补有线局域网络之不足，以达到网络延伸目的，使得无线局域网络能利用简单的存取架构让用户透过它，实现无网线、无距离限制的通畅网络。WLAN允许在局域网络环境中使用可以不必授权的ISM（Industrial Scientific Medical）频段中的2.4GHz或5GHz射频波段进行无线连接。无线局域网拓扑结构基于IEEE802.11标准，广泛应用于家庭或企业的Internet接入。WLAN的802.11a标准使用5GHz频段，支持的最大速度为54Mbps，而802.11b和802.11g标准使用2.4GHz频段，分别支持最大11Mbps和54Mbps的速度。Wi-Fi主要采用WLAN协议中的802.11b协议，是一种无线联网的技术，其目的是改善基于IEEE802.11标准的无线网络产品之间的互通性，由Wi-Fi联盟所持有，该技术使用的是2.4GHz附近的频段，与蓝牙技术一样，WIFI技术同属于在办公室和家庭中使用的短距离无线技术。
2 UWB技术
超宽带UWB（Ultra Wideband）是一种无载波通信技术，利用纳秒至微微秒级的非正弦波窄脉冲传输数据，通过在较宽的频谱上传送极低功率的信号，能在10米左右的范围内实现数百Mbps至数Gbps的数据传输速率。由于UWB带宽很宽，因此系统容量大，传输速率高，系统抗干扰能力强。UWB系统发射功率非常小，通信设备可以用小于1mW的发射功率，极大降低电磁辐射，对人体伤害小，能实现绿色通信。此外，低发射功率将大大延长系统电源工作时间，降低成本。它是无线电领域的一次革命性进展，将成为未来短距离无线通信的主流技术。
3 CDMA接入技术
3G的技术发展和商用进程是近年来全球移动通信产业领域最为关注的热点问题之一，目前国际上最具代表性的3G技术标准分别是TD-SCDMA、WCDMA和CDMA2000。其中TD-SCDMA属于时分双工（TDD）模式，是由中国提出的3G技术标准；而WCDMA和CDMA2000属于频分双工（FDD）模式，WCDMA技术标准由欧洲和日本提出，CDMA2000技术标准由美国提出。
码分多址CDMA（Code Division Multiple Access）是在扩频通信技术上发展起来的一种先进且成熟的无线通信技术，具有频谱利用率高、话音质量好、保密性强、掉话率低、电磁辐射小、容量大、覆盖广等特点，可以大量减少投资和降低运营成本。CDMA技术的原理是基于扩频技术，将需传送的具有一定带宽信息的数据，用一个远大于信号带宽的高速伪随机码进行调制，使原数据信号的带宽被扩展，再经载波调制并发送出去。接收端使用完全相同的伪随机码，与接收的带宽信号做相关处理还原信号，以实现通信。CDMA通信网是由扩频、多址接入、蜂窝组网和频率复用等几种技术结合而成，含有频域、时域和码域三维信号处理的一种协作，它能较好地抗多径衰落，保密安全性高，且由香农定理知其可在容量和质量之间取舍，因此CDMA比其他系统有很大的优势。
3.1 系统容量大且配置灵活
理论上，在使用相同频率资源的情况下，CDMA移动网比模拟网容量大20倍，实际使用中比模拟网大10倍，比GSM要大4～5倍。CDMA是一个自扰系统，所有移动用户都占用相同带宽和频率，用户数的增加相当于背景噪声的增加，虽造成话音质量的下降，但对用户数并无限制，有效控制用户的信号强度，在保持高质量通话的同时，就可以容纳更多的用户，并可在容量和话音质量之间折衷考虑。另外，多小区之间可根据话务量的接收器和干扰情况自动均衡。
3.2 通话质量更佳
TDMA的信道结构最多只能支持4kb的语音编码器，它不能支持8kb以上的语音编码器。而CDMA的结构可以支持13kb的语音编码器，因此可以提供更好的通话质量。CDMA系统的声码器可以动态地调整数据传输速率，并根据适当的门限值选择不同的电平级发射。同时门限值根据背景噪声的改变而变，这样即使在背景噪声较大的情况下，也可以得到较好的通话质量。另外，TDMA采用一种硬移交的方式，用户可以明显地感觉到通话的间断，在用户密集、基站密集的城市中，这种间断就尤为明显，因为在这样的地区每分钟会发生2～4次移交的情形。而CDMA系统“掉话”的现象明显减少，CDMA系统采用软切换技术，“先连接再断开”，这样完全克服了硬切换容易掉话的缺点。
3.3 组网成本低
CDMA技术通过在每个蜂窝的每个部分使用相同的频率，简化了整个系统的规划，在不降低话务量的情况下减少所需站点的数量从而降低部署和操作成本。CDMA网络覆盖范围大，系统容量高，所需基站少，降低了建网成本。
4 MIMO-OFDM技术 未来宽带移动通信要求系统传信率达到10Gbps，因此传统单发单收天线将不能满足要求。实验表明增加收发天线数量可以提高系统容量，即MIMO（Multiple-Input Multiple-Output）多天线系统，其信道容量随着天线数量的增大而线性增大，因此在不增加带宽和天线发送功率的情况下，频谱利用率可以成倍地提高。空时码STC（Space Time Coding）则充分挖掘MIMO系统容量，是改善整个系统误码性能的有效手段。它根据信道特性，有效地综合了发送分集、接收分集、纠错编码和调制等技术，能够以较低的发送功率实现较高频谱效率的通信，可以达到逼近MIMO信道容量的性能，目前已有很多成熟的空时编码方案。
4.1 空时网格码（STTC）
STTC能同时取得全分集增益和很高的编码增益，因而具有很好的误码性能，但其检测复杂度随着发射天线数、频谱效率的增加而成指数级增加，因而很难应用到实际的多天线系统中。
4.2 空时分组码（STBC）
STBC构造简单，且检测复杂性仅随收发天线数、频谱效率的增加而线性增加，进而使得空时码的实际应用成为可能。虽然STBC仅能提供分集增益，只有很少或没有编码增益，而且不能像STTC那样通过提高状态数来改善误码性能，但是STBC因其简单的实现结构已被新一代通信标准。
4.3 全分集全速率（FDFR）空时码
FDFR可以有效解决传统正交空时码因为符号冗余而引起的频谱效率下降问题，同时能维持正交空时码的全分集误码性能，是一种适用于MIMO系统的高效空时编码传输方案。
在宽带移动通信系统中，多径效应引起的频率选择性衰落是信号传输过程中必须考虑的问题，而MIMO系统对抗频率选择性衰落能力差，为此需要结合其他数字调制技术实现宽带通信。正交频分复用技术OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）是多载波调制的一种，它将信道分成若干正交子信道，将高速串行数据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，由于信道满足正交性使得调制后信道之间的干扰明显降低，但要求每个子信道上的信号带宽要小于信道的相关带宽，因此每个子信道上的可以看成平坦性衰落，从而可以消除频率选择性衰落对信号的影响。MIMO-OFDM的结合可以很好地解决无线通信中的多径效应和频率选择性衰落对信号的影响，提高通信速率和通信质量。在向宽带4G移动通信演进的过程中，MIMO-OFDM是关键的技术之一，可进一步结合分集技术及智能天线技术提高信息传输速率。
作者简介：谢辉（1978—），男，安徽巢湖人，上海艾默生过程控制有限公司应用工程师。