1.正交性
無線傳輸技術和多址技術的基礎是信道資源的正交性。無線傳輸技術、多址技術、無線資源使用技術、無線組網技術是無線通信技術的基礎。
從資源使用范圍看,無線資源分為共享資源和專用資源;從資源承載的信息性質上看,可分為控制面和業(yè)務面;從獲取資源的方式來看,可分為基于競爭和基于調度;從物理資源的所在位置上看,可分為集中配置和分布配置。
正交,在數學上是相互垂直的意思,可以理解為互不依賴,相互獨立,互不相關,沒有重疊,互相區(qū)別,沒有疑似。
正交性就是把一個復雜的事情分解成相互獨立、互不相關、互不依賴的幾個因素,這樣有便于問題的分析和解決,稱之為解耦。
無線通信中,相互正交的信道就是互不相關互不依賴相互區(qū)別的信道,可通過空間,時間,頻率,碼等途徑實現信道之間的“正交”。
無線空中接口資源是有限的。相互正交的信道可以傳送完全不同的信息,在接收端同時接收不同信道的不同信息,重復利用空中接口資源,起到提高空中接口利用效率的作用。同時由于無線環(huán)境的惡劣,相互正交的信道可以傳送完全相同的信息,在接收端合并不同信道來的相同信息,去偽存真,提高傳輸可靠性。
2.正交碼
對于無線的空口資源來說,空間、頻率、時間都是硬資源。空間資源是指天線單元;頻率資源是指載波、頻點資源;時間資源是指每個時隙。這些資源都是有限不可再生的,屬于硬資源。
碼資源就不一樣了。理論上,相互正交的碼可以在同一個空間、頻率、時間資源上區(qū)分出不同的信道來。這樣,只要碼足夠長,同一空間、頻率、時間可以支持無窮多個相互正交的信道。碼資源是一種軟資源,但是碼不宜過長,否則計算復雜性增加對芯片計算能力要求就會苛刻。
CDMA就是采用了碼分多址。擴頻碼是用來擴展信號的頻譜的,接收端用同樣的碼實現解擴,什么樣的擴頻碼是正交的呢?滿足下面兩個條件的數字序列是互相正交的
(1)自己和自己按相位相乘之和大于0;
(2)自己和別人按相位相乘之和等于0;
例如a={1,-1,1,-1}和b={1,-1,-1,1},a和b按相位相乘={1,1,-1,-1},各位之和為0;a或b自己和自己按位相乘之和大于0,所以a和b是正交的。
這樣相互正交的碼擴頻后的信號,可以在同一空間,頻率,時隙資源上傳送不同的信息,接收端使用同樣的擴頻碼可以把原始信息正確地解擴,并接收。
3.正交子載波
傳統的頻分多址采用不相重疊的兩個頻帶以及頻帶之間有一定的保護帶寬來區(qū)分不同的信息通道。
然而人們發(fā)現,即使頻帶有所重疊的載波,也是可以相互區(qū)分不同的信道的,從而引入了正交子載波的概念。
什么樣的子載波是正交的呢?
正弦波和余弦波就是正交的,因為他們滿足以下兩個條件:
(1)正弦波和余弦波的乘積在一個周期T內的積分等于0;
(2)正弦波或余弦波自身的平方在一個周期T內的積分大于0;
這樣在發(fā)送端用一定頻率的正弦波調制的無線信號,把要調制的數據(設為a,a=0或1)作為正弦波的系數。在接收端如果用余弦波解調,得到的數據永遠為0,即
而用正弦波解調,就能把真實的數據a解出來,
同樣地,任意兩個不同頻率的正弦波、余弦波(頻率為w0的整數倍),或者任意一個正弦波和余弦波都是正交的,即
只要兩個子載波是正交的,就可以用它們來攜帶一定的信息。接收端只要分別用同樣的子載波進行運算,就可以解出原數據。
LTE的關鍵技術之一OFDM就是正交子載波的頻分復用技術。
4.復用、分集和多址
復用:同一個傳輸路徑上傳送多路獨立信號。不同的信號,共同的通道,在發(fā)送端將多個獨立的信號合成為一個多路復用叫復用,在接收端將多路信號分解為各個獨立信號,叫作解復用。復用是在保證可靠的前提下為了提高某一傳送通路的利用效率。
分集:多路彼此獨立的傳輸路徑上傳送同一信號。相同的信號,獨立的通道。降低了信道利用率,但可提高信息傳送的可靠性。通過分集技術將同一信號在不同路徑上傳送,在接收端把不同路徑的信號合并,可獲得分集增益,提高信號接收的正確性。
復用(DM)和多址(DMA)的共同特點是在某一共同資源上傳送多個數據流。
但復用并不管多個數據流是用于一個用戶還是多個用戶。復用只是區(qū)別不同的數據流,并不區(qū)別數據流是哪個用戶的。
多址技術則是不同用戶的多個數據流的復用,是要區(qū)分不同用戶的。
復用技術是為了提高無線信道的容量,分集技術是為了提高信息傳送的可靠性,多址技術則是為了把信息傳送給正確的用戶。
5.自適應
通信系統能夠根據自身環(huán)境、目標、資源供給等條件變化調節(jié)自己的狀態(tài),無需人為參與稱為自適應。
無線傳播環(huán)境隨時變化,現代通信系統如果沒有這種自適應能力,用戶通信質量將無法保證。
無線鏈路自適應通常通過功率控制或者速率控制來實現,無論是功率控制還是速率控制,都是一種信道自適應技術。
還有一種動態(tài)信道分配(DAC)的技術,也屬于信道自適應技術,或者叫資源自適應。
智能天線或自適應天線,也是一種鏈路自適應技術,屬于空間自適應或波束自適應。
各種自適應技術不外呼空間、時域、碼域、頻域方面的自適應。在LTE中,一種全新的自適應技術——帶寬自適應技術被應用。
(1)功率自適應
發(fā)射端根據無線鏈路的接收電平、接受質量動態(tài)地調整發(fā)射功率。
功率控制分為開環(huán)功控和閉環(huán)功控。開環(huán)功控是終端或基站自己根據無線鏈路狀況判斷功率發(fā)射的大小,而不交互升高和降低功率。閉環(huán)功控是終端或基站根據根據對方升高或降低功率的命令,來決定發(fā)射功率的大小。
(2)速率自適應
系統通過調節(jié)業(yè)務速率的方式,來自適應無線環(huán)境的鏈路自適應技術。
速率的變化通常是通過調節(jié)數據塊大小、編碼方式和調制方式來實現的。
3G中語音業(yè)務速率控制技術是AMR(自適應多速率),AMR共定義了8種語音業(yè)務的數據塊大小模式,每種模式對應一種速率。3G中HSDPA速率控制技術是AMC(自適應調制編碼),AMC技術是發(fā)送端通過改變數據傳輸的編碼和調試方式來適應無線鏈路的變化。
2G,3G,4G都有速率控制的自適應技術,最基本的控制手段不外呼改變調制和編碼的方式??拷镜挠脩翩溌焚|量高,采用高階調制方式(16QAM,8PSK等)和高效率信道編碼(如3/4編碼速率),以獲得較高數據吞吐量。離基站較遠的用戶則采用低階調制方式(如QPSK)和低效率的信道編碼(如1/4編碼速率)。
6.共享和專用
在2G、3G中有電路交換域(CS域)和分組交換域(PS域)。
電路交換域在建立連接時核心網要分配專用的網絡資源,釋放連接時釋放專用資源,保證了業(yè)務實時性,但資源利用效率不高;分組交換以分組為單位傳輸數據,無需在雙方間建立專用連接,提高了資源共享性,但犧牲了業(yè)務的實時性。
LTE的核心網取消了CS域,全部采用PS域。
7.競爭方式和調度方式
社會經濟資源的配置方式主要有市場經濟和計劃經濟。市場經濟中生產資源的調度和配置由市場說了算,各生產企業(yè)根據自己對市場的理解來調制生產能力;計劃經濟中一切生產資源由計劃部門負責調度和配置,資源的配置權在某一個上級部門。市場經濟是基于競爭的資源分配方式,無需上下級頻繁的信息交互,簡化了主管部門的職能,對市場需求的變化反應快,但容易產生過度競爭和經濟危機。計劃經濟是統一調度的資源分配方式,優(yōu)點是資源調度有序,避免了過度競爭和經濟危機;缺點是上下級信息交互頻繁,對主管調度部門的事務處理能力要求較高,對市場需求的變化反應慢,資源利用不充分。
(1)基于競爭的無線資源分配方式
類似于市場經濟,網絡中無需專門的資源調度設備,每個用戶在占用網絡資源發(fā)送數據前,需自己了解網絡資源。發(fā)現網絡資源空閑就占用該資源。
假如有多個用戶同時要發(fā)送數據,且同時發(fā)現了網絡資源有空閑,則需要通過競爭的方式獲取網絡資源。這種資源調度方式無需設備間頻繁信令交互,設備管理功能簡單,資源利用充分,但資源利用率不高,容易產生過多沖突。
這種資源分配方式首先在以太網中使用(CSMA/CD),在無線局域網中也使用(CSMA/CA)。發(fā)送前先偵聽,若信道空閑則發(fā)送;若監(jiān)聽到其他用戶正在傳送信息,則等待一定時間再發(fā)送。
(2)基于調度的無線資源分配方式
類似于計劃經濟。網絡中需要進行無線資源管理(RRM)和調度,每一個用戶對網絡資源的占用不能自作主張,需要由相關部門分配(RRM功能模塊)。基于統一調度的資源分配可以有效分配網絡資源,最大程度提高網絡資源利用效率,避免由于競爭沖突造成的網絡資源浪費;但需要頻繁的信令交互,對無線資源調度部門的處理能力要求較高。
在2G、3G無線制式中,無線資源管理模塊在基站控制器(GSM的BSC(基站控制器),WCDMA和TD-SCDMA的RNC)中。在LTE中,無線資源管理模塊下移到基站eNodeB中(原因與后面的扁平化組網相關)。
無線資源調度算法決定共享資源應該給哪些用戶分配,有三種算法:輪詢(Round Robin,RR)算法,最大載干比(Max C/I)算法和部分公平算法(Partional Fair,PF)算法。
RR算法:先到先分配,按照用戶申請資源的先后順序分配網絡資源。公平對待每個用戶,但整體資源調度效率低,此算法擁有公平性的上界,性能的下界。
最大載干比算法:把資源優(yōu)先分配給那些信號質量較好的用戶,此算法整體資源調度效率較高,但信號質量差的用戶可能始終得不到服務,此算法具有性能的上界,公平性的下界。正所謂“強者恒強”,“近水樓臺先得月,向陽花木易為春”。
PF算法:公平性與效率不可兼得,兩者折中處理得到部分公平算法。這種算法是在犧牲部分公平性的情況下,盡量追求較高的整網資源調度效率。
8.業(yè)務面和控制面
業(yè)務面也叫用戶面,負責傳送和處理用戶業(yè)務數據的工作;控制面負責傳送和處理系統控制信令的工作。無線信道一般都分為業(yè)務信道(Traffic Channel,TCH)和控制信道(Control Channel,CCH)兩大類。
例如TD-SCDMA制式的HSDPA(3.5G),業(yè)務信道是HS-DSCH,真正負責傳輸數據包的信道;而HS-SCCH則為控制信道,負責協調數據包的傳輸工作,協調內容包括:數據包發(fā)給誰(用戶ID信息)、數據包如何打包(傳輸塊格式)、采用的編碼和調制方法、是新傳包還是重傳包等。
為支持HSDPA技術,終端側也要給基站反饋信道質量和是否正確接收數據包的信息,使用的是HS-SICH,也是負責協調工作的信道。
NodeB的調度模塊根據不同用戶在HS-SICH信道上反饋的信道條件,確定給誰服務、數據傳輸格式,確定好的協調信息通過控制信道HS-SCCH通知終端,隨后在業(yè)務信道HS-DSCH發(fā)送數據。終端檢測控制信道HS-SCCH看是否有發(fā)給自己的信息,若有,終端開始接收HS-DSCH。終端對接收到的數據進行解調、校驗,根據校驗是否正確,發(fā)送ACK或NACK,若NodeB收到NACK,則重發(fā)至收到ACK或達到最大重傳次數。
9.集中和分布
資源布置方式有兩種:集中和分散(無線通信中,用“分布”),如圖所示。
集中資源的好處是調度簡單,管理方便;分散資源可以規(guī)避風險,但管理困難,溝通協調復雜。
無線通信物理資源的分配也有集中和分布兩種,如圖
集中式物理資源分配方式是指給某一用戶某一時間分配物理上連續(xù)的資源,或者是集中在一起的資源。調度簡單,但不靈活。
分布式物理資源分配方式,在某一時間內給用戶分配的物理資源分散在不同地方,不是連續(xù)的資源??伸`活分配資源,但調度信令復雜。
在LTE中,正交的子載波是一種無線的物理資源,系統在分配這個資源的時候可采用集中式或分布式,各有優(yōu)缺點。
10.層級化、扁平化、網狀網
俗話說:”人上一百,形形色色“,想要把這些人組織起來形成一個有效的工作團隊,有如圖所示的兩種方式:層級化和扁平化
(1)組織結構
層級化塔頂是管理者,通過一級級指令到達底層員工。一個管理者精力有限,能夠管理的人數也有限,這個限制稱為管理幅度。管理幅度越窄,管理的層級就越多,對管理者的要求就會越簡單。管理幅度越寬,管理的層級就會越少,對底層人員和管理者的要求就會越復雜。
層級化的組織結構管理結構清晰,職責簡單,執(zhí)行力強,但缺乏橫向溝通,溝通距離也較長,溝通時延較大,信息傳遞過程中會失真、扭曲。隨著規(guī)模的增大,管理層次眾多的層級化結構對外界環(huán)境和市場需求的適應性減弱,響應能力降低。
解決層級化組織面臨問題的方法就是扁平化。即增加管理幅度,降低管理層次,將金字塔的組織形式壓成扁平狀的組織形式。
扁平化要求管理層級減少,溝通渠道縮短,管理幅度大大增加。底層成員之間建立有效的溝通渠道,要求管理者職能范圍增大,事務處理能力增加。扁平化組織結構帶來的好處是信息傳遞時延減小,效率增加,便于組織適應客戶需求,便于組織自我修復和完善。缺點是對成員的事務處理能力要求較高。
(2)無線組網架構
無線接入網的組網結構也分層級化和扁平化。2G、3G無線接入網都有兩種網元:基站控制器和基站。各基站之間沒有接口,如圖所示。
在層級化的無線組網結構中,基站之間沒有接口,基站之間的協調通過基站控制器協調完成,信息傳送距離較長,時延較大,網絡自適應能力較差。
為克服層級化組網的缺點,未來網絡架構需要向扁平化方向演進。這就要求基站控制器的功能向基站轉移。網絡中任何一個節(jié)點兼有基站控制器和基站的功能,基站之間需要建立信息傳送接口。
扁平化以后的網絡結構,信息傳送距離短,時延小,網絡自適應能力加強。扁平化的無線組網又稱為網狀網。LTE無線接入網的組網架構就是網狀網,它是扁平化的網絡結構,如圖所示
WLAN的無線組網發(fā)展方向也是扁平化、網狀網,如圖所示,WLAN的IEEE 802.11n版本的英文名稱為Mesh,其含義就是網孔。
和LTE不同的是,AP之間接口的物理形式可以是無線的,而LTE中的eNodeB之間的接口是有線的。