WiMAX物理层关键技术及其演进解决方案

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、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 MHz～20 MHz间灵活调配，从而使其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、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，空时网格编码不仅能够获得部分的分集增益，同时也能够获得编码增益。

(5)空间复用(多输入多输出时)

MIMO的另一种主要的应用形式是空间复用。空间复用技术使得信道容量成倍地增长变为可能。使用空间复用技术必须满足：N r≥N t，使用迫零和干扰对消进行逐符号检测，发端无需知道信道信息，无需通道校正，当信道容量下降时，复用系数应该自适应改变。

(6)智能天线(先进的多天线系统)

智能天线的一个主要的任务是如何获取和利用信号的空间方向信息，并通过阵列信号处理改善信号的质量，从而提高系统的性能。天线阵列的加权在基带通过数字信号处理完成，自适应阵列技术属于其中的一部分。自适应天线阵列是智能天线技术的研究重点和发展方向。

3.2 多天线技术的空域自适应

未来的多天线技术必将实现空域自适应链路。根据信道的变化，可以实现目标为最大的数据传输速率的链路自适应和平均信道容量最大的链路自适应。

实现目标为最大的数据传输速率的链路自适应的设计原则：

(1)移动环境下的MIMO信道是变化的，容量也是变化的。

(2)在低秩信道下并非发射天线越多信道容量越大，可以通过合理地选择发射天线来提升系统容量。

实现目标为平均信道容量最大的链路自适应的设计原则：

(1)当收发天线之间的衰落系数互不相关且服从相同的分布时，MIMO系统将获得可观的信道容量。但是由于阵元间距和实际通信环境所限，各对收发天线间的衰落系数往往是相关的。研究表明，在相关性较强的情况下，信道容量会大幅降低。

(2)在相关衰落信道中应该合理设计天线阵间距和排布方式来尽量降低阵元之间信道响应的相关系数。