下一个风口：提升频谱效率（原载于《微波杂志》2018年1/2月刊） 留言

下一个风口：提升频谱效率

ExtendingWireless Radio Spectral Efficiency — The Next Frontier

Bernard Prkic’, DragonWave,Ottawa, Canada

我们居住在充满无线信号的世界里。在一些较富裕的地方，人们可以在任何地点、任何时间享用宽带服务，其它一些落后的地方也在快速赶上。受HD和4K视频等服务的驱动，高速移动数据需求越来越迫切。最重要的一点，技术进步带来了成本降低，人们对新的应用和必须品的需求，可能帮助在消费领域建立虚拟现实(VR)和增强现实（AR）,数据消费会达到历史新高。

随着价格低廉的移动数据平台的出现，固定接入将转向移动接入，这将极大地拉动移动数据的需求。今后，从一个固定位置传向移动网络的4K视频数据流也绝不再是个营销噱头。

解决方案

业界将怎样解决看似无限增长的高速数据需求呢？答案是，聚焦于一个单一的射频链路而不是整个无线接入网络，通信工程师的工具箱中通常包括以下常用技术：

增加频谱：频谱范围翻倍，其它参数保持不变，通信容量翻倍。这是在任何无线链路中实现吞吐量翻倍最直接的方式。但频谱资源有限，带宽不可替代。昂贵和拥挤的频谱资源限制了这种方式的应用。

提升频谱效率。频谱效率的提升可以通过以下几种熟悉的方式实现：

• 高阶调制，这种方法等同于字母表中添加字母，从而可以使每个码元编码更多信息。
• 极化分集，在同一信道中使用两个正交的极化分集，可以提高频谱效率和吞吐量。这项技术通常被称为交叉极化干扰消除（XPIC，cross polarization interferencecancellation）。
• 空间复用，空间复用是在一个通道和极化方向上，使用N个发射/接收天线来传输数据，这里N≥2。这种机制在理想情况下可以实现频谱效率N倍的增加，通常称为MIMO（多输入多输出）技术。
• 数据压缩，数据压缩是用户有效载荷数据的无损压缩，它使数据链路能够携带更多数据。根据载荷数据的压缩性，压缩增益通常在10%到110%之间。在大多数用例中可以实现30%到50%的压缩增益。

应用举例

这些技术在吞吐量方面能提供什么？我们以一个典型的点对点的微波无线链路（所谓的1+0链路）为例，假设一个56MHz信道，一个极化方向，256-QAM调制，无载荷压缩。这个链路的基带吞吐量是363Mbps。按上述提升频谱效率的相关技术顺序，我们可以通过以下几种方式增加通信容量：

• 增加到2048-QAM的调制，可以实现500Mbps的带宽，以大约9dB的链路预算获得38%吞吐量的提升。采用这种方法，链路特性保持不变（如通信距离、可用性、天线尺寸等）。我们必须通过提高系统功率或功耗，使系统硬件增益提升9dB。另外，使用自适应调制可以在基带吞吐量为363Mbps的情况下提供相同的性能，在较短的时间范围可以达到500Mbps。
• 扩大链路到2+0 XPIC（图1）可以达到1Gbps的吞吐量，实现大于100%的吞吐量提升，一些新系统可以在一个单元上实现更高效的XPIC。但是，使用XPIC也可能增加50%甚至高达100%的频谱费用。
• 扩大链接到2+2 XPIC+MIMO链路，吞吐量可达2Gbps（增加了一项吞吐量翻倍的技术），这会带来硬件成本的成倍增加，天线数量翻倍，场地租赁成本也相应提高。在点对点的微波链路中实现视线传播（LoS）的MIMO技术很有挑战性，因为天线之间的间距很容易超过10米，这需要非常稀缺的铁塔或屋顶的位置。
• 启用数据压缩可以实现2.6Gbps的吞吐量。数据压缩是提高频谱效率的最经济的方法之一，因为它不需要额外地改进硬件，也不会产生额外的频谱或铁塔租赁费用。其局限性在于，增益取决于用户数据的可压缩性，加密的数据不能很好地压缩。

对于一个点对点的微波链路，同时运用提升频谱效率的上述所有技术，至少在理论上，我们可以使一个56MHz、1+0基带信道容量扩大7倍，超过2.6Gbps。频谱效率将达到46bps/Hz，每种极化可以实现一半的频谱效率。然而，这种方法将会带来：

•硬件成本增加4倍多。双载波硬件，一个2+2 XPIC-MIMO的配置成本大约是1+0单载波基带的2.7倍。

•频谱费提高50%至100%。

•铁塔租赁成本加倍。

•同样的链路，系统增益需要提高9dB，以获得更高的数据速率，这将增加硬件成本和功耗。

•需要在加密前进行载荷压缩，以获得最好的压缩增益。

由于实际中无法满足天线间距要求，所以大范围部署LoS MIMO不太可能，如图2所示。在低于15-28GHz的频段和中长距离（2公里或以上）的链路中，通过优化天线间距实现100%的效率不太可能。因此，链路可实现的最大吞吐量为1.3Gbps（而不是2.6Gbps），吞吐量和频谱效率仍可以达到非常突出的3.6倍的提升。这种改进意味着：

•硬件成本增加到2倍。一个优化双载波的2+0 XPIC硬件配置成本大约是1.35倍的基带成本。

•增加50%至100%的频谱费用。

•系统增益需要提供9dB以在较高的数据速率下实现相同的链路性能。

•加密前的有效载荷压缩。

下一个风口

上文的描述，代表现有的和已验证的技术，在23-46bps/Hz（每种极化的50%）范围内，可以获得令人满意的频谱效率。如果需要的话，一个56MHz通道可以实现2.6Gbps的传输，这相当于只需14.8秒就可以传输整个4.7GB的DVD！

但是我们能进一步提高频谱效率吗？不久前，我可能会说：“在现实生活中不太可能。”我们几乎用尽了我们的技术。

原文始发于微信公众号（actMWJC）