[科普中国]-无线通信与遥测

无线通信技术OFDM 技术

OFDM 是一种多载波调制技术，它把一个宽带的频率选择性信道划分为 N 个窄带平坦衰落信道，从而具有很强的抗多径衰落和抗脉冲干扰的能力。另外，OFDM 子载波间相互重叠并保持正交，所以频谱利用率高。在 20 世纪五十年代，美国军方创建了第 1 个多载波系统，它是 OFDM 的雏形。由于受到技术和器件的制约，在接下来的十几年中，OFDM 的实践之路走得比较艰难。1971 年，Weinstein 和 Ebert 提出采用离散傅立叶变换(Discrete Fourier Transform，DFT)和离散傅里叶逆变换(Inverse DFT，IDFT)对 OFDM 进行调制解调，1980 年Peled 和 Ruiz 提出采用循环保护前缀消除符号间干扰的思路，随着数字器件的飞速发展，快速傅里叶变换(FastFourier Transform，FFT)的实现已变得非常容易，其他一些在实现中难以克服的困难也得到了相应的解决，至此，OFDM 走上无线通信的舞台。到 20 世纪 90 年代，OFDM 开始被欧洲和澳大利亚应用于数字音频广播(Digital AudioBroadcasting，DAB)、高清晰度数字电视(High-Definition TV，HDTV)和无线局域网(Wireless Local Area Network，WLAN)。目前，OFDM 已广泛应用于 WiFi,WiMAX，并作为第 4 代无线宽带多媒体通信系统的主流技术。OFDM 由于其子载波的正交性，导致对于频偏非常敏感。所以频偏估计成为 OFDM 的一个关键技术，针对这一问题，研究人员进行了大量的研究，提出了许多解决方案。从文献中可以看出，已有的频偏估计算法可以分为两大类，一类是数据辅助的估计算法，利用导频或单独的训练符号估计频偏，这类估计算法性能良好且计算量较小，但是会浪费宝贵的带宽资源。这类算法的研究已经比较完善，不论是算法性能，还是计算复杂度，都足以满足工程应用的要求。目前关于这类算法的研究大多属于锦上添花或者只追求学术价值；另一类是盲估计算法，这类算法一般性能较差且计算量大，但是它们具有带宽利用率高，信号不容易被截获的优点。这类算法的研究还不是很完善，寻找可以与数据辅助类算法相比拟的盲估计算法是研究人员奋斗的目标。另外，由于 OFDM 信号是由许多独立调制的子载波叠加而成，这就有可能在某个时刻出现一个很大的峰值功率，导致峰均功率比问题，即 PAPR(Peak-to-Average Power Ratio)，这是 OFDM 的另一个关键问题。由于峰值功率过高，对功率放大器动态范围要求很高，提高了整个系统的成本。若峰值功率超过功放的线性放大范围，就会引起线性失真。目前，已有大量 PAPR 抑制算法，具有代表性的方法有剪波法，压扩变换法，加扰方法以及编码的方法。剪波法实现简单，能将 PAPR 压得很低，但是会带来非线性失真，导致性能恶化；压扩变换法抑制效果好，且实现简单，但也会带来非线性失真，导致性能恶化；加扰是一种无失真 PAPR 抑制方法，但是计算量大，PAPR 改善有限；编码的方法可以很好地抑制 PARR，但是随着子载波个数的增加，计算量呈指数增长，所以只适合子载波数较小的情况。总之，目前还没有一个既简单而且性能良好的 PAPR 算法，为了解决这一问题，研究人员把注意力集中到功放的线性化——数字预失真技术(Digital Pre-Distortion，DPD)上来，将 PAPR 抑制与 DPD 综合考虑，这一思路应该是解决 PAPR 问题的最好途径。

SC/FDE 技术为了解决 OFDM 的 PAPR 以及频偏敏感的问题，研究人员提出 SC/FDE 技术，然而开始并未受到重视。直到1995 年，Sari 等人对 SC/FDE 技术进行研究，发现 OFDM 与 SC/FDE 之间具有惊人的相似性，从此 SC/FDE技术渐渐受到关注。它的原理是在发射端，它省去了 IFFT 处理，简化了发射端结构，也避免了产生大 PAPR 的问题；在接收端，通过 FFT 将信号变换到频域，进行简单的频域均衡(因为频域均衡可以省去卷积运算，实现简单)，然后再通过 IFFT 变换到时域。与 OFDM系统相比，它不但降低了 PAPR 和功放的线性要求，而其对频率偏移和相位噪声的敏感程度远远小于 OFDM 系统。此外，它依然具有和 OFDM 系统相同的频域均衡性能，而且它也可以与 MIMO 技术结合，组成 MIMO-SC/FDE 系统。由于它具有优良的性能，而且处理方式和 OFDM 非常相似，2003 年 4 月出台的 IEEE 802.16a 标准规定了 OFDM 系统和 SC/FDE 系统两种传输模式。在 B3G/4G 的上行链路中，也准备采用此项技术。对于 SC/FDE 的研究，主要集中在 MIMO-SC/FDE 上。

MIMO 技术MIMO 技术是指使用多个相关或者不相关的发送天线或者接收天线的技术，通常有单发多收(SIMO)、多发单收(MISO)和多发多收(MIMO)等几种形式，它是继时域、频域之后，人们从空域开发的一项新技术。MIMO 最早是由 Marconi 于 1908 年提出。到 20 世纪 90 年代中后期，Bell 实验室取得了一系列的研究成果，主要包括：Foshinia 与 Telatar 等人从理论上证明了收发两端均使用多个天线，可以使通信链路容量成倍增加。即在 Nt发射天线，Nr 接收天线的 MIMO 系统中，信道容量随 min[Nt, Nr]线性增加。Foshinia于 1996 年首先提出了分层空时编码技术，频谱效率可达到 40 bps/Hz 以上。1998 年，Tarokh 等人提出了空时分组编码技术。这些研究成果对 MIMO 的研究起了很大的推动作用，开创了无线通信的一场新的技术革命。之后，全世界许多学术机构、大公司对 MIMO 都给予了极大的关注，并投入大量人力财力去研究，使得 MIMO 得到了飞速发展。目前，3GPP 在标准中已经加入了 MIMO 技术，在无线宽带接入领域，如 802.16e,802.11n,802.20 等都采用了 MIMO 技术。人们普遍认为，在 4G 中 MIMO 是一项必选技术。对于 MIMO 的研究，主要集中在发射分集和空间复用、数字波束形成(Digital Beam Forming，DBF)、空时编码(Space-Time Coding，STC)、信道估计、自适应编码调制(Adaptive Modulation and Coding，AMC)以及多用户 MIMO 系统等方面。

遥测领域应用无线通信新技术的不断涌现，推动了遥测技术的发展。在国际遥测会议 (ITC)中，关于 OFDM,MIMO,MIMO-OFDM 的论文逐年增多。2003 年，加拿大太平洋微波研究中心 Durso报告了他们实验室的研究成果，他们将 OFDM 技术应用于战术无人机遥测链路，采用编码 OFDM(COFDM)技术，子载波采用 QPSK 或者16-QAM，信号带宽 8 MHz，根据不同的编码效率与子载波调制方式，传输速率为 5 Mbps~20 Mbps，该系统可以有效地对抗多径干扰，而且可以进行非视距通信。2005 年，国际遥测会议专门设立一个议题讨论提高遥测频谱效率(T&E/S&T Spectrum Efficient Technology)，在这个议题中，美国喷气推进实验室(Jet Propulsion Laboratory，JPL)Darden认为在遥测链路中，OFDM 是一种先进的技术。Tian 等人将 OFDM 技术用于飞行器电力线高速数据传输，可以节约飞行器仪器之间电缆的数量。2008 年，Lu 与 Roach 等人分析了物理层采用 OFDM 的iNET (增强遥测综合网)性能，并对系统进行了实验室的测试。2009 年，Ehichioya 与Kamirah研究 OFDM 在航空遥测信道的性能，说明 OFDM 在航空遥测中具有优势。

对于 MIMO 技术的关注，是从 2002 年开始，Jensen 等人研究了空时编码，并针对航空遥测信道进行了分析。在后面的几年里，越来越多的遥测研究人员开始关注 MIMO。在 2006 年遥测会议上，组委会专门设计一个议题，交流 MIMO 技术，在 2007 年、2009 年都专门设置分会场讨论 MIMO 技术。在 2006 年，美国密苏里州科技大学遥测学术中心 Chris Potter 等人就开始研究 MIMO 技术，在随后的几年中，他与自己导师 Kosbar 每年都在遥测会议上展示他们的研究成果。到 2009 年，他们成功地将 MIMO 应用于航空遥测中，开发了 1 套 2×2 的MIMO 系统，机上 2 个天线，地面 2 个天线。对于 MIMO，就技术而言，主要集中在信道估计、空时编码。

从已有的报道来看，目前 OFDM、MIMO 技术在遥测领域的研究和应用主要集中在航空遥测。在航空信道下，当飞行器距离较远时，受到地球曲率半径的影响，导致天线仰角很低，此时，地面与山体等反射都进入天线的主波束内，形成多径干扰，而且飞行器需要传输大量视频数据，数据率高。另外航空信道下的飞行器能源是可以补给的，可采用功率较大的发射功率。所以在航空遥测领域，OFDM 技术有着广泛的应用前景。在卫星、飞船等遥测中，OFDM、MIMO 的研究和应用还未见报道。这些飞行器能量由电池提供，发射功率非常有限，功率放大器为非线性，况且卫星、飞船基本上不存在多径干扰，是一个理想的加性高斯白噪声(Additive White Gaussion Noise，AWGN)信道，就目前而言，不宜采用 OFDM 技术。但是不论是航空遥测，还是卫星遥测，使用 MIMO 技术都可以提高信道容量，节约功率，提高传输的可靠性，所以 MIMO 在遥测领域的应用具有很大潜力。对于 SC-FDE技术，在遥测会议中未见报道，但是根据它的特点以及优异的抗多径性能，在航空遥测、导弹遥测等存在严重多径干扰的信道下，是一种鲁棒的遥测体制，很有必要深入研究。1