無線通信與遙測

無線通信與遙測是指將無線通信套用於遙測的相關領域，無線通信新技術的不斷湧現，推動了遙測技術的發展。

基本介紹

• 中文名：無線通信與遙測
• 外文名：Wireless communication and telemetry
• 目的：將無線通信套用於遙測的相關領域
• 學科：跨學科
• 性質：計算機科學
• 功能：無線通信遙測

無線通信技術

OFDM 技術

OFDM 是一種多載波調製技術，它把一個寬頻的頻率選擇性信道劃分為 N 個窄帶平坦衰落信道，從而具有很強的抗多徑衰落和抗脈衝干擾的能力。另外，OFDM 子載波間相互重疊並保持正交，所以頻譜利用率高。在 20 世紀五十年代，美國軍方創建了第 1 個多載波系統，它是 OFDM 的雛形。由於受到技術和器件的制約，在接下來的十幾年中，OFDM 的實踐之路走得比較艱難。1971 年，Weinstein 和 Ebert 提出採用離散傅立葉變換(Discrete Fourier Transform，DFT)和離散傅立葉逆變換(Inverse DFT，IDFT)對 OFDM 進行調製解調，1980 年Peled 和 Ruiz 提出採用循環保護前綴消除符號間干擾的思路，隨著數字器件的飛速發展，快速傅立葉變換(FastFourier Transform，FFT)的實現已變得非常容易，其他一些在實現中難以克服的困難也得到了相應的解決，至此，OFDM 走上無線通信的舞台。到 20 世紀 90 年代，OFDM 開始被歐洲和澳大利亞套用於數字音頻廣播(Digital AudioBroadcasting，DAB)、高清晰度數位電視(High-Definition TV，HDTV)和無線區域網路(Wireless Local Area Network，WLAN)。目前，OFDM 已廣泛套用於 WiFi,WiMAX，並作為第 4 代無線寬頻多媒體通信系統的主流技術。OFDM 由於其子載波的正交性，導致對於頻偏非常敏感。所以頻偏估計成為 OFDM 的一個關鍵技術，針對這一問題，研究人員進行了大量的研究，提出了許多解決方案。從文獻中可以看出，已有的頻偏估計算法可以分為兩大類，一類是數據輔助的估計算法，利用導頻或單獨的訓練符號估計頻偏，這類估計算法性能良好且計算量較小，但是會浪費寶貴的頻寬資源。這類算法的研究已經比較完善，不論是算法性能，還是計算複雜度，都足以滿足工程套用的要求。目前關於這類算法的研究大多屬於錦上添花或者只追求學術價值；另一類是盲估計算法，這類算法一般性能較差且計算量大，但是它們具有頻寬利用率高，信號不容易被截獲的優點。這類算法的研究還不是很完善，尋找可以與數據輔助類算法相比擬的盲估計算法是研究人員奮鬥的目標。另外，由於 OFDM 信號是由許多獨立調製的子載波疊加而成，這就有可能在某個時刻出現一個很大的峰值功率，導致峰均功率比問題，即 PAPR(Peak-to-Average Power Ratio)，這是 OFDM 的另一個關鍵問題。由於峰值功率過高，對功率放大器動態範圍要求很高，提高了整個系統的成本。若峰值功率超過功放的線性放大範圍，就會引起線性失真。目前，已有大量 PAPR 抑制算法，具有代表性的方法有剪波法，壓擴變換法，加擾方法以及編碼的方法。剪波法實現簡單，能將 PAPR 壓得很低，但是會帶來非線性失真，導致性能惡化；壓擴變換法抑制效果好，且實現簡單，但也會帶來非線性失真，導致性能惡化；加擾是一種無失真 PAPR 抑制方法，但是計算量大，PAPR 改善有限；編碼的方法可以很好地抑制 PARR，但是隨著子載波個數的增加，計算量呈指數增長，所以只適合子載波數較小的情況。總之，目前還沒有一個既簡單而且性能良好的 PAPR 算法，為了解決這一問題，研究人員把注意力集中到功放的線性化——數字預失真技術(Digital Pre-Distortion，DPD)上來，將 PAPR 抑制與 DPD 綜合考慮，這一思路應該是解決 PAPR 問題的最好途徑。

SC/FDE 技術

為了解決 OFDM 的 PAPR 以及頻偏敏感的問題，研究人員提出 SC/FDE 技術，然而開始並未受到重視。直到1995 年，Sari 等人對 SC/FDE 技術進行研究，發現 OFDM 與 SC/FDE 之間具有驚人的相似性，從此 SC/FDE技術漸漸受到關注。它的原理是在發射端，它省去了 IFFT 處理，簡化了發射端結構，也避免了產生大 PAPR 的問題；在接收端，通過 FFT 將信號變換到頻域，進行簡單的頻域均衡(因為頻域均衡可以省去卷積運算，實現簡單)，然後再通過 IFFT 變換到時域。與 OFDM系統相比，它不但降低了 PAPR 和功放的線性要求，而其對頻率偏移和相位噪聲的敏感程度遠遠小於 OFDM 系統。此外，它依然具有和 OFDM 系統相同的頻域均衡性能，而且它也可以與 MIMO 技術結合，組成 MIMO-SC/FDE 系統。由於它具有優良的性能，而且處理方式和 OFDM 非常相似，2003 年 4 月出台的 IEEE 802.16a 標準規定了 OFDM 系統和 SC/FDE 系統兩種傳輸模式。在 B3G/4G 的上行鏈路中，也準備採用此項技術。對於 SC/FDE 的研究，主要集中在 MIMO-SC/FDE 上。

MIMO 技術

MIMO 技術是指使用多個相關或者不相關的傳送天線或者接收天線的技術，通常有單發多收(SIMO)、多發單收(MISO)和多發多收(MIMO)等幾種形式，它是繼時域、頻域之後，人們從空域開發的一項新技術。MIMO 最早是由 Marconi 於 1908 年提出。到 20 世紀 90 年代中後期，Bell 實驗室取得了一系列的研究成果，主要包括：Foshinia 與 Telatar 等人從理論上證明了收發兩端均使用多個天線，可以使通信鏈路容量成倍增加。即在 Nt發射天線，Nr 接收天線的 MIMO 系統中，信道容量隨 min[Nt, Nr]線性增加。Foshinia於 1996 年首先提出了分層空時編碼技術，頻譜效率可達到 40 bps/Hz 以上。1998 年，Tarokh 等人提出了空時分組編碼技術。這些研究成果對 MIMO 的研究起了很大的推動作用，開創了無線通信的一場新的技術革命。之後，全世界許多學術機構、大公司對 MIMO 都給予了極大的關注，並投入大量人力財力去研究，使得 MIMO 得到了飛速發展。目前，3GPP 在標準中已經加入了 MIMO 技術，在無線寬頻接入領域，如 802.16e,802.11n,802.20 等都採用了 MIMO 技術。人們普遍認為，在 4G 中 MIMO 是一項必選技術。對於 MIMO 的研究，主要集中在發射分集和空間復用、數字波束形成(Digital Beam Forming，DBF)、空時編碼(Space-Time Coding，STC)、信道估計、自適應編碼調製(Adaptive Modulation and Coding，AMC)以及多用戶 MIMO 系統等方面。

遙測領域套用

無線通信新技術的不斷湧現，推動了遙測技術的發展。在國際遙測會議 (ITC)中，關於 OFDM,MIMO,MIMO-OFDM 的論文逐年增多。2003 年，加拿大太平洋微波研究中心 Durso報告了他們實驗室的研究成果，他們將 OFDM 技術套用於戰術無人機遙測鏈路，採用編碼 OFDM(COFDM)技術，子載波採用 QPSK 或者16-QAM，信號頻寬 8 MHz，根據不同的編碼效率與子載波調製方式，傳輸速率為 5 Mbps~20 Mbps，該系統可以有效地對抗多徑干擾，而且可以進行非視距通信。2005 年，國際遙測會議專門設立一個議題討論提高遙測頻譜效率(T&E/S&T Spectrum Efficient Technology)，在這個議題中，美國噴氣推進實驗室(Jet Propulsion Laboratory，JPL)Darden認為在遙測鏈路中，OFDM 是一種先進的技術。Tian 等人將 OFDM 技術用於飛行器電力線高速數據傳輸，可以節約飛行器儀器之間電纜的數量。2008 年，Lu 與 Roach 等人分析了物理層採用 OFDM 的iNET (增強遙測綜合網)性能，並對系統進行了實驗室的測試。2009 年，Ehichioya 與Kamirah研究 OFDM 在航空遙測信道的性能，說明 OFDM 在航空遙測中具有優勢。

對於 MIMO 技術的關注，是從 2002 年開始，Jensen 等人研究了空時編碼，並針對航空遙測信道進行了分析。在後面的幾年裡，越來越多的遙測研究人員開始關注 MIMO。在 2006 年遙測會議上，組委會專門設計一個議題，交流 MIMO 技術，在 2007 年、2009 年都專門設定分會場討論 MIMO 技術。在 2006 年，美國密蘇里州科技大學遙測學術中心 Chris Potter 等人就開始研究 MIMO 技術，在隨後的幾年中，他與自己導師 Kosbar 每年都在遙測會議上展示他們的研究成果。到 2009 年，他們成功地將 MIMO 套用於航空遙測中，開發了 1 套 2×2 的MIMO 系統，機上 2 個天線，地面 2 個天線。對於 MIMO，就技術而言，主要集中在信道估計、空時編碼。

從已有的報導來看，目前 OFDM、MIMO 技術在遙測領域的研究和套用主要集中在航空遙測。在航空信道下，當飛行器距離較遠時，受到地球曲率半徑的影響，導致天線仰角很低，此時，地面與山體等反射都進入天線的主波束內，形成多徑干擾，而且飛行器需要傳輸大量視頻數據，數據率高。另外航空信道下的飛行器能源是可以補給的，可採用功率較大的發射功率。所以在航空遙測領域，OFDM 技術有著廣泛的套用前景。在衛星、飛船等遙測中，OFDM、MIMO 的研究和套用還未見報導。這些飛行器能量由電池提供，發射功率非常有限，功率放大器為非線性，況且衛星、飛船基本上不存在多徑干擾，是一個理想的加性高斯白噪聲(Additive White Gaussion Noise，AWGN)信道，就目前而言，不宜採用 OFDM 技術。但是不論是航空遙測，還是衛星遙測，使用 MIMO 技術都可以提高信道容量，節約功率，提高傳輸的可靠性，所以 MIMO 在遙測領域的套用具有很大潛力。對於 SC-FDE技術，在遙測會議中未見報導，但是根據它的特點以及優異的抗多徑性能，在航空遙測、飛彈遙測等存在嚴重多徑干擾的信道下，是一種魯棒的遙測體制，很有必要深入研究。