2.2 无线通信网络基础

2.2.1 分集技术

传统的通信理论一直将多径传播看成信号传输的一种不利因素。不同时延的多径信号副本相互叠加会产生破坏性的干扰，使链路性能不稳定。为了对抗移动通信中的多径衰落、提高链路的稳定性，人们提出了分集技术，即确保信息码元通过多条信号路径，并且各路径的衰落是相互独立的，从而只要有一条路径的信号足够强就可能保证可靠的通信。分集技术可以极大地改善衰落信道的性能。实现分集技术的方法有很多，通过编码和交织可以实现时间分集；对信息码元进行编码并将编码后的码元分散到不同的相干周期，从而使得码元的不同部分经历相互独立的衰落。如果信道是频率选择性的，还可以采用频率分集；如果信道中有多个间隔足够远的发射天线或者接收天线，则可以实现天线分集；在蜂窝网络中，由于来自移动台的信号能够被两台基站接收，从而可以采用宏分集。因为分集是一种重要资源，所以无线通信系统中通常采用多种类型的分集技术[1]。下面主要讨论时间分集、频率分集和天线分集三种技术。

1.时间分集技术

时间分集技术是单天线、单功放与单收通道的“三单”、低成本技术，除略有时延外，其特点是可以适应较宽的通信速率范围。时间分集技术在多次重发与扩频的情况下仍有较高的频谱利用率，在各种衰落信道中均有良好的性能，并且可以和现有的信道编码技术兼容。取信道衰落关于时间的平均就可以实现时间分集，信道相干时间通常是几个到几百个码元时间，因此信道对连续码元是高度相关的。常见的获得时间分集的方法有：重复编码、自动重传请求（Automatic Repeat-reQuest, ARQ）、交织与编码结合。重复编码是最简单的编码，将相同码元在L个码元时间上进行简单的重复，即信号重复发送多次，并保证发送间隔足够大，以获得相关性较低的接收信号。与重复编码相比，ARQ的频谱利用率要高，因为它有反馈信道。ARQ中的接收端会向发送端发送确认信息，确认接收到的信号质量是否符合要求，如果接收到的信号质量较差，则发送端将重新发送码元。交织和编码结合是一种带有交织的前向纠错编码的重复编码方式，即相同信息的不同符号在不同时间传输，从而提高接收信号的信噪比（Signal Noise Ratio, SNR）。

2.频率分集技术

频率分集技术是通信系统中常用的一种提高信号增益的技术。在发送端用不同的频率发送同一个信号，如果频率的间隔大于信道的相干带宽，那么不同频率上的衰落是近似相互独立的，信号在这些频率上同时衰落的概率将非常小。在接收端对接收到的信号进行合成，可以提高信号增益。频率分集技术是宽带信道固有的抗衰落技术，但码间干扰（Inter-Symbol Interference, ISI）会严重影响增益效果。码间干扰是指前一个码元的时延对当前码元产生的干扰，解决码间干扰的方法一般有三种：具有ISI均衡单载波系统、直接序列频谱扩展、多载波系统。具有ISI均衡的单载波是频率选择性信道的经典方法，通过接收端的线性和非线性处理，可以在某种程度上减小码间干扰，这里涉及维特比算法和线性均衡器。维特比算法可以实现发送码元的最优似然（Maximum Likelihood, ML）检测；线性均衡器可以在检测当前码元的同时线性地抑制其他码元的干扰，复杂度较低。直接序列频谱扩展采用伪噪声序列调制将信息码元通过一个大的带宽发送出去，这个带宽要远远大于数据传输速率。由于码元传输速率很低，所以码间干扰会减小，从而大大简化了发送端的结构。多载波系统通过发送预编码将ISI信道转换为一组无干扰的正交子载波，各子载波经历窄带平坦衰落，对不同子载波的码元进行编码就可以实现分集。

3.天线分集技术

天线分集技术是一种对抗移动通信衰落的有效技术。其基本原理在于经历不同衰落的多径信号仅是部分相关的，它们同时处于深衰落的概率极低。通过合并多径信号可提高无线链路的可靠性，提升传输的数据传输速率或降低系统的发射功率。决定分集性能的重要因素是分集支路之间的相关性，相关性越低，分集增益越高。天线分集主要包括空间分集、极化分集和角度分集，这三种分集分别属于天线分集中的空间维、极化维与角度维，实际中难以单独使用某个维，而是多维联合应用的，且某一维占优。

空间分集采用多副相互间隔一定距离的同极化分集天线单元进行发送或接收。天线分集技术是一种较简便且被广泛采用的分集技术，其分集性能与通信环境和分集合并方式密切相关。由于基站的多径角度扩展较低，通常用于基站的空间分集天线单元的间距较大。然而，较大的天线单元间距已成为限制分集支路数目的主要因素，大间距会增加天线系统的成本，且各支路的平均接收功率差异变大；小间距会提高天线单元间的相关性。极化分集采用不同极化且同址安装的分集天线进行发送或接收。由于电波受传播媒介作用可能发生极化扭转，不同极化方向上的多径信号仅是部分相关的，因此合并这些信号可以增加极化分集的增益。极化分集的性能与空间分集相当，但可以减小极化失配影响。角度分集采用方向性波束在不同角度进行发送或接收。由于地形、地貌等传播环境的影响，从不同方向远离发送端或抵达接收端的多径信号并非完全相关的，合并它们也可获得分集效果。

2.2.2 复用技术

随着通信系统用户的增多，通信服务的质量会逐渐下降。为了提高信道的利用率，共享信道资源，为用户提供更好的服务质量，业界提出了信道复用技术。采用信道复用技术，可以在一条信道上同时传输多个不同用户的信号，不仅可以提高信道利用率，还可以降低通信成本。信道复用技术主要分为四类：频分复用、时分复用、波分复用和码分复用[2]。

（1）频分复用技术：将信道的可用频带划分为若干互不交叠的频段，一个频段供一个用户使用，每个用户所使用的中心频率处于这个频段的中央，各个用户可以在这些频段上互不干扰地传输信号。频分复用技术的实现比较容易，所以应用较早也比较广泛，但由于每路信号都要占据一个频道资源，而频带资源是有限的，所以随着用户数量的增加，频分复用技术面临着瓶颈。正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM）技术是一种特殊的多载波传输技术，既可以将其看成调制技术，也可以将其看成复用技术。OFDM技术的主要思想是在有效的带宽内，将信道分为若干正交的子载波，在每个子载波上使用不同的载波频率进行调制，从而将高速传输的比特流分解为若干速率相对较低的子比特流后并行传输。

（2）时分复用技术：根据传输时间将信道划分为多个等长的时间段，即TDM帧，每个TDM帧还可以划分成更小的时隙，不同的用户在不同的TDM帧中占用固定的时隙进行通信。当使用时分复用技术时，所有的用户在不同时间占用相同的频带宽度。统计时分复用（Statistical Time Division Multiplexing, STDM）技术是在时分复用技术的基础上衍生出来的。统计时分复用技术中的STDM帧不是等长的，时隙数要小于所连接的用户数，并且时隙也不是固定分配的，而是按需分配的，这样可以提高信道的利用率。

（3）波分复用技术：根据光波的波长不同将信道划分成若干逻辑子信道，每个逻辑子信道传输一路光信号。波分复用技术也称为光的频分复用技术，该技术主要应用在光纤信道中。当使用波分复用技术时，不同波长的光从不同方向经过汇聚后进入光纤中传播，到达接收端后再根据光的折射角度将光分解为不同路的光信号，由不同的接收模块分别接收。

（4）码分复用技术：利用正交码组序列进行相关运算来划分不同用户，所有的用户可在同一时间、同一频带上进行通信，彼此之间不会相互干扰。码分复用技术属于扩展频谱通信，将要传输的具有一定信号带宽的信息码元，用一个带宽远大于信号带宽的高速伪随机（Pseudo Noise, PN）序列去调制信息码元，使原始信息的带宽被大大地扩展了，再经载波二次调制后发送出去。接收端使用与发送端相同的伪随机序列，对接收到的宽带信号进行相应的处理，从中提取原始数据。采用局部相关替代传统的周期性自相关/互相关方法，不仅可以极大地增加用户地址码的数量，满足用户在数量上的要求；还可以有效地改善频带不足的情况，具有较好的抗干扰能力。

2.2.3 双工技术

双工技术是移动通信系统的重要技术之一，该技术实现了上/下行链路资源的分割，降低了彼此的干扰，可保证传输的正常进行。移动通信系统中最主要的两种双工技术是频分双工（Frequency Division Duplex, FDD）技术和时分双工（Time Division Duplex, TDD）技术。

FDD属于全双工通信方式，需要两个独立的信道分别用于上行传输和下行传输。两个信道之间需要设定一个保护频段，以防止邻近的发送端和接收端之间产生相互干扰。FDD使用的信道是由多个相同带宽的频率信道组成，因为每个带宽是确定的，所以每个频率信道的信道容量也都是确定的。根据香农定理可知，在每个信道的信噪比都相等的情况下，每个频率信道的信道容量相等。对于上/下行链路具有相同信道的对称通信业务而言，如语音通信，FDD是理想方案。

TDD属于半双工通信方式，上行链路和下行链路共用同一个信道，在某个时间段内只有一个固定的传输方向。由于每个时隙的持续时间很短，所以产生的时延对用户来说是微小的。发送端和接收端根据时间的划分进行工作。上行链路和下行链路之间有保护时间间隔，所以不会产生相互干扰。TDD不仅可以支持语音业务等对称通信业务，还可以适应一些上/下行无法预测的非对称的业务。在TDD系统中，当上/下行业务不对称时，可以根据上/下行链路时隙的持续时间长短来改变信道容量。FDD系统的频带宽度是很难调节的，这是因为一个信道带宽的改变会引起相邻信道带宽的变化，从而影响整个系统的设计。

全双工通信的优势是系统容量较大、冲突避免能力较强、端到端时延较小。全双工通信系统采用相同的时隙进行信号的发送与接收，因此其系统容量是半双工通信系统的2倍。通信系统的冲突来源于信道载波侦听。在半双工通信系统中，通信节点在发送信号前，需要对所使用的信道进行载波侦听，以保证信道的可靠性。对于全双工通信系统，由于通信节点可以同时进行信号的发送和接收，因此在信号发送前不再需要进行载波侦听。全双工通信系统里的中继节点可以在同时不同频的条件下将源节点发送的信号转发到相应的目标节点，从而减小系统的端到端时延。半双工通信优势是适用于非对称信道、成本较低。当上/下行业务对称且采用相同调制方式时，TDD和FDD的频谱效率是一样的。当上/下行业务不对称时，TDD的频谱效率要高于FDD。在部署通信系统时，很多设备并不需要通信双方同时发送和接收信号，单双工通信系统仅需要一条信道，可以在同一频段上支持这些应用，从而大大节省了频带资源和建设成本。

5G系统支持更大的系统带宽，尤其是随着高频的使用，带宽的使用在百兆赫量级。在这样的带宽量级下，对称频谱分配更加困难，非对称频谱分配将成为5G的主流，因此5G系统中的一个关键技术就是TDD帧结构的设计。对于TDD系统，一个配置周期即可包含上/下行链路，5G新空口（New Radio, NR）系统将支持更短和更灵活的周期配置。

2.2.4 信道编/解码技术

信道编码是现代通信系统中基础部分之一。在数字信号传输的过程中，实际信道存在的噪声和干扰可能会导致接收端的误判，造成接收信号的差错。解决这个问题的方法之一就是信道编码。信道编码理论是由香农于1948年在《通信的数学理论》中提出的[3]。香农指出：任何一个通信信道都有确定的信道容量C，如果通信系统所要求的传输速率R小于C，则存在一种编码方法，当码长n充分大并应用最大似然译码时，信息的错误概率可以达到任意小。

信道编码的原理是，发送端是在待发送的信息码元序列中加入一些多余的码元（监督码元），这些监督码元和信息码元之间以某种确定的规则相互关联；在接收端按照既定的规则检验信息码元和监督码元之间的约束关系，当约束关系被破坏时就意味着传输中有差错，借助于约束关系还可以纠正错误。按照信息码元和监督码元的约束关系，可以将信道编码分为线性码和非线性码。线性码是指信息码元和监督码元之间的约束关系是线性的，即满足一组线性方程。非线性码是指信息码元和监督码元之间的约束关系是非线性的。

差错控制编码是从3GPP R99开始被引入的，主要包括卷积码、Turbo码，以及在5G NR中引入的Polar码。在3GPP制定的标准中，信道编码方案的每次更迭都标志着系统性能和可靠性的一次提升。下面主要介绍卷积码、Turbo码和Polar码的基本概念[4]。

卷积码的输入和输出都是连续的，任意时刻的输出不仅与该时刻的输入有关，还与之前部分时刻的输入有关。一般用（n，k，m）表示卷积码，它表示在任意时刻将长度为k个信息码元输入编码器进行编码，输出长度为n的码元，m表示在编码过程中受到前m个时刻输入的制约。针对卷积码的译码算法有很多，如维特比算法、软维特比算法等。

Turbo码是在卷积码的基础发展起来的，它将卷积码和随机交织结合在一起，获得了极其接近香农理论极限的译码性能。Turbo编码器主要由分量编码器、交织器、删余器和复用器组成。信息码元序列、经过一次分量编码器的信息码元序列和经过两次分量编码器的信息码元序列共同组成完整码字。交织器的功能是打乱输入信息码元序列的次序，分散随机错误和突发错误，以便纠错。删余器的功能是为了得到某一固定码率的码字。Turbo码采用的是软输入软输出的译码算法。

Polar码是基于信道极化理论构造的，将一组二进制码元输入离散无记忆信道，通过信道合成和信道分裂的操作，将得到的新的二进制码元输入离散无记忆信道，该过程称为极化过程，得到的新信道称为子信道。码长N=8的信道极化过程及子信道示例如图2-1所示，W是原始信道，W-和W+是经过一级极化得到的子信道。当参与极化的信道足够多时，一部分子信道容量趋于1，称为可靠子信道，用于承载信息资源，剩下的趋于0，称为不可靠子信道，用于承载固定的已知比特，通过这种方法构造的编码就是极化码。