WiMAX数字中继的系统假设和硬件实现

综上所述，在LTE和WiMAX系统中的最复杂因素或多或少都有些相同。因此，我们重点分析WiMAX系统，这是考虑到它有一个已制订的中继框架^[540]。接下来我们将简要地分析场景、接入方式和物理层的选择。

5.6.2.1 场景选择

在这项研究中，我们不考虑纯模拟硬件结构，这是因为它不支持WiMAX中继所需的TDR协议。因此我们讨论以下场景：

●辅助性AF的数字硬件实现（s-AF_d）。虽然IEEE 802.16j不支持AF协议，但是在某些场景下还是需要一些简单的中继器来提高WiMAX小区覆盖，所以这种场景的研究仍是有意义的。这种场景与WiMAX透明中继站的概念也是不同的，后者并不在帧头发送导频和其他信息。与UMTS的复杂度分析一样，我们将定量分析内存需求和功耗情况。

●辅助性DF的数字硬件实现（s-DF_d）。关于DF的研究遵循IEEE 802.16j的规定，将对复杂度、内存需求、功耗进行定量分析。

●协同DF的数字硬件实现（c-DF_d）。最后，我们探讨协同中继的复杂度，而中继在这里本身就是一个终端并有自身业务要发送，注意这与IEEE 802.16j中对于协同中继的定义是不同的。

5.6.2.2 接入方式选择

WiMAX支持TDD、FDD和半双工TDD方式，其中FDD方式是为了适应特定需求而后期增加的。FDD不需要上下行间的保护间隔，而TDD则不具有这一优势，这就限制了TDD系统不能进行大区域的覆盖。在这里我们仍选择TDD方式。WiMAX基站间需要一个系统同步策略以最小化基站间的干扰，一般是通过在基站配备GPS来实现。TDD系统支持不对称的上下行业务，因此比FDD系统更容易获得更高的频谱利用率。TDD系统接收和发送采用同样的信道，因此硬件接收机的实现更为简单。TDD系统的另一个优势是上下行信道的互易性，这对于MIMO技术的应用是非常有利的，比如，可以支持MIMO预编码方法，或者可以进行优化的发射天线选择和功率分配策略。

目前IEEE 802.16j^[540]标准支持同频TDR，也支持其他方式^[82，83]。图5.9给出了WiMAX中继使用的帧结构的示例。通过在频率上（给定单个OFDM符号上一定数量的子载波）和时间上（一定数量的OFDM符号）进行区分多用户接入，根据信道条件，用户被分配给帧内每个OFDM符号上一定数量的子载波。OFDM符号在帧内进行传递，中继首先在中继下行接收帧内接收到来自基站的信息，然后再将信息转发到移动终端。移动终端在中继上行接收帧接收数据，并将信息转发到基站。帧和帧之间要留有一定的时间间隔，以便于信号传播、帧处理以及收-发之间的切换处理。

图5.9 IEEE 802.16j中继帧结构^[540]

5.6.2.3 链路层参数选择

WiMAX定义从1.25～20MHz的多个带宽，由所选择的子载波数和子载波间隔来确定。OFDM的有用符号长度等于子载波间隔的倒数。整个符号长度包括了实际符号长度和循环前缀（CP）。CP是由将OFDM有用符号的后面部分样值复制并插入到符号前面而形成的，如果CP大于时延扩展长度，就可以消除由多径分量带来的符号间干扰（ISI）。(www.xing528.com)

在这里不会分析所有的WiMAXPHY配置，而是只选择一种进行分析。我们选择带宽为10MHz，1024点FFT，采样速率11.2MHz，因此子载波间隔为11.2MHz/1024=10.9375kHz。同时可知共有10MHz/10.9375kHz=914个子载波是有用的，有用符号的长度为1/10.9375kHz=91.43μs。协议中给出了多种CP可选值，但是初始草案中指出应为有用符号长度的1/8，即为91.4μs/8=11.43μs。这样总的OFDM符号长度约为102.86μs。协议规定帧长为5ms，可以传输5ms/102.85μs=48.61个符号。然而，考虑到系统所有的转换时间，只在帧内传输44个符号，这意味着有（48.61-44）×102.86μs=474.18μs的时间预留给系统进行转换，这个时间包括了硬件的切换时间、帧处理时间、中继同步时间等。

我们假设一个满负荷的系统，并且上下行业务是对称的，依次分配11个OFDM符号作为上行、下行、发送、接收4个阶段。除了用于信道估计的导频符号之外，信令及控制信息都被忽略。同时，也不对部分子载波使用（PUSC）和全部子载波使用（FUSC）进行区别，也不采用AMC方式。标准规定信息被封装为数据突发，即由多个子载波和符号构成的时频二维格单元。每一个突发是分配给用户的最小数据单元。在此假定一个用户最多可分配5个数据突发，但是并不考虑用户数据如何映射为突发。假定只采用固定的调制方式：16QAM和1/2码率的Turbo编码。另外，假定导频密度为15%，实际上这个值可根据采用的是FUSC、PUSC还是AMC，以及上行还是下行链路，是灵活可变的。最终系统有用的上下行吞吐量为log₂（16）bit/子载波×914子载波/符号×85%有用子载波×11符号÷2编码后/有用比特÷（5ms总帧长/2子帧/2阶段）≈每阶段13.67Mbit/s。因为中继是半双工的，并且中继帧内并不包括新的信息，所以有效的上下行吞吐量为13.67Mbit/s÷2=6.84Mbit/s。

最后，我们假定中继包括两个天线，用来进行MRC分集接收和AlamoutiSTBC重传。所有的假设都最后总结在表5.10中。

表5.10WiMAX物理层参数选择

图5.10 WiMAX数字中继的基本模块：采用MRC检测和Alamouti STBC发送编码

5.6.2.4 数字调制解调器设计

基于前面讨论的链路层协议，图5.10给出了一个典型的数字WiMAX中继的数字硬件实现。模拟信号在射频前端被接收后，通过采样转换为数字信号。然后再去掉循环前缀并进行FFT，以此产生1024个并行的复数样值，其中只有914个有用子载波被继续处理。在实际应用中，OFDM信号并不需要通过匹配滤波器，这是因为只选择1024个子载波中的914，这在频谱特性上类似于一个RRC滤波器。

采样Alamouti空时块码的译码方法实现的信道估计和补偿是基于每个子载波的。然后，对每个子载波进行解调，最终分离出各个数据突发并进行单独译码。中继的发送操作与上述过程相反。

对于数字硬件结构，我们遵循对于UMTS中继同样的假设。假设信号处理板上的逻辑运算单元（ALU）可以在每个时钟周期内执行4条指令，数据表示为16位复数，加法和乘法具有基本相同的复杂度。为了分析的方便，假定这样一个单独的数字硬件结构中不包含用于移动终端的专门电路部分。