下一个风口：提升频谱效率

Extending Wireless 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：

l   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。

l   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 interference cancellation）。

l   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。

l   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南宫在线官方网 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。

图1 一个典型2+0 XPIC传统单载波收发点对点射频链路终端，可以提供1Gbps带宽。

*   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。在点对点的南宫在线官方网 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。

对于一个点对点的南宫在线官方网 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。

图2 LoS MIMO天线间距和频率以及跳距之间的关系

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。

当然，现在可以实现并已经超过了2048-QAM的调制。然而，相对来说只能实现中等的频谱效率提升（每步小于9%），并且射频性能的损失是显著的。要想以2048-QAM调制作为基带仅通过调制实现2倍的频谱效率，将需要开发262,144-QAM，还需要补偿系统增益上21dB的损耗，这极为困难。

XPIC的规模目前没有超过两个载波，也只有两个空间正交极化可用。2×2 LoS MIMO已经很难部署，在单极化的点对点南宫在线官方网 链路上扩展到高阶LoS MIMO更不吸引人。4×4 MIMO通常依赖于2×2的MIMO双极化，所以它不是“真正”的4×4的MIMO，而是XPIC模式的2×(2×2 MIMO）,这是MIMO和XPIC的结合。

幸运的是，更具有发展前景的技术正在兴起，如全双工无线电和螺旋调制。这两种方法都可以显著提高频谱效率：全双工可以实现87%至100%的频谱效率提升，螺旋调制则可以实现超过400%的频谱效率提升。

全双工无线电

理想的全双工无线电是指在同一信道中同时发送和接收信号，而目前为了分离较强的发送信号和较弱的接收信号，几乎所有的全双工收发信机系统都使用频分双工（FDD）或时分双工（TDD），而不是彻底的全双工。在FDD中，系统同时发送和接收，但在不同的频率信道上（由双工器分离信号），人们通常使用如带通滤波器等相对简单和廉价的设备抑制发送信号对本地接收机的干扰。使用TDD时，系统的发送和接收不是同时发生的，而是在预先定义的连续时间间隔中发生的，是在时域而不是频域中分离。通过发送和接收模式之间的快速切换（时间切片），流量看起来是连续的。从较强的发送信号中分离出较弱的接收信号，FDD和TDD提供了一种相对简单和廉价的手段，这就是它们受欢迎的原因。

如何减少自我干扰是实现全双工无线电的重大技术挑战。在一个典型的高性能无线通信系统中，发射机和接收机之间需要很好的隔离度，在典型的高性能无线通信系统中通常要大于110dB，例如一个−90dBm噪声基底的接收机，和一个功率为20dBm的发射机，它们之间的相互干扰不会影响到系统性能。更具挑战性的是，模拟信号的非线性失真问题，发射机实际发射的信号除理想的发射信号外，还包括其谐波分量和发射机的随机噪声。

直到最近，还没有人能够解决这一问题。然而，斯坦福大学的团队建立了一个基于WiFi架构的原型，实现了87%的中等频谱效率提升，取得了技术上的突破¹。他们使用了802.11ac的全双工标准，巧妙地结合了模拟和数字自干扰消除技术。尽管挑战依然存在，如原型系统的小型化、将这一概念延伸到MIMO系统带来的复杂性问题、如何降低成本以及面临的FDD频谱监管的挑战，但是全双工技术将最有可能成为一个新的提高频谱效率的技术手段。Kumu Networks公司²正在进行该技术的商业化推广。

螺旋调制

螺旋调制一词是由Astrapi公司³提出的，这一概念基于新的数学方法，利用一个连续变化的频谱实现频谱效率的潜在突破。相比于直观的全双工概念，螺旋调制基于晦涩的数学理论，理解和解释起来更为困难。与全双工无线电不同，螺旋调制的收发机还处于研制阶段，尚没有原型。螺旋调制是基础理论的创新，一个模式的转变，因为它拥有超过400%的频谱效率提升。而全双工无线电，最大也只能实现100%的频谱效率提升。

当前通信领域的数学基础是欧拉公式。正弦幅值恒定，这是数字通信中的码元波形的基础。用于频谱分析的傅立叶变换（FT）也来自欧拉公式。傅里叶变换可以高效地对一段时间内的频谱信息进行均衡处理。Astrapi在复平面上推广了欧拉公式，描述了其螺旋性。这引出了对从正弦波产生的幅度连续变化码元波形的精确描述方法，即“螺旋调制”。它还提供了一种称为瞬时谱分析（ISA）的方法，描述每一时刻的时变或“非稳态”谱，不像傅里叶变换那样需要进行一段时间的均衡（图3）。

图3 ISA解调：（a）15阶随机泰勒多项式；（b）任意0.2μs的幅度连续的正弦信号。

从圆到螺旋这一概念上的简单概括具有深远的意义。Shannon-Hartley定律给出了受带宽和信噪比（SNR）限制的频谱效率的上限，其包含一个隐含的假设：根据采样定理，在进行傅里叶变换过程中频谱必须是平稳的。从原理上讲，使用螺旋调制提供的频谱是连续非平稳的，可以实现更高的频谱效率，在理论上仅受硬件限制而不是受带宽和信噪比的限制（图4）。

图4 （a）瞬时谱分析(ISA)应用于脉冲幅值序列；（b）傅里叶变换频谱；（c）瞬时谱分析（ISA）

Astrapi公司螺旋调制的研究由美国国家科学基金（NSF）资助，但目前并没有进入商业化阶段。然而，由于螺旋调制从理论上是可以超过香农极限的唯一技术，可以实现频谱效率的无限提升，这是值得深入研究的。Astrapi正在极力推进螺旋调制技术，也希望和企业、研究机构建立合作关系，继续推进该项技术的发展。

结论

受高清视频应用的驱动，移动数据的消费正在稳步增长，固定速率的无限流量套餐的出现，带来了对带宽的迫切需求。同时，可用的频谱资源是非常有限的，这些频谱也应用于无线蜂窝基站的数据回传。因此，最大限度地提高频谱效率对通信界至关重要。

数据消费正在急剧增长，而通信系统的频谱效率的提升似乎遇到了瓶颈。全双工无线电和螺旋调制这两种技术可能扭转这种趋势，使目前通信超越公认的最高频谱效率。结合这两种技术，可以实现8倍或更高频谱效率的提升，使无线通信系统的传输能力实现惊人增长。多技术的融合，即使在今天非常拥挤的频谱环境下，也可以达到10Gbps或更大的无线数据带宽。

翘首以盼吧，未来激动人心的岁月！

参考文献

1. D. Bharadia, E. McMilin and S. Kattihttp,“Full Duplex Radios,” SIGCOMM’13,August 2013.

2. www.kumunetworks.com.

3. www.astrapi-corp.com/about/.

4. Dr. J. Prothero, “Technical Introduction to Spiral Modulation,” Technical Report R-201-1, Astrapi Corp., February 2017, www.astrapi-corp.com/wp-content/uploads/2017/03/R-2017-_Technical_Introduction_to_Spiral_Modulation.pdf.

5. H. D. Rodrigues, “Instantaneous SpectralAnalysis (ISA),” Inatel-Brasil, October 2016, www.astrapi-corp.com/wp-content/uploads/2017/02/ISA-Presentation-Henry-Rodrigues.pdf.