各种频率的有效利用技术大致可分为两大类，一类是提高无线电电波的频谱率利用率，使每个信道所占用的频谱尽可能的减少，如采用高效调制技术，或者采用扩频技术等来达到实际占用的频谱较少。另一类是提高无线电信道的利用率，在服务等级（GOS）一定、给定信道间隔条件下，就统计而言，使每一个信道所能容纳的用户数为最大，或者说能承载和完成的话务量为最大，或者说使信道空闲的时间最小。关于有效利用频率的各种技术详见下表0，基本上分为两大类（频谱和信道的有效利用）、五种方式、十多种技术。
表0：有效利用频率的各种技术
下面就提高无线电电波的频谱率利用率介绍三种技术。未来无线高速数据传输不能一味仅靠频谱的扩展，还应在提高频谱效率上有所突破，频谱效率至少应高于目前一个数量级。可在物理层采用3项技术，即正交频分复用(OFDM)、超宽带(UWB)和空时调制编码。
1、正交频分复用
扩频通信可认为是单载频传输，而正交频分复用(OFDM，Orthogonal Frequency Division Multiplexing)是多载频传输的特殊形式。OFDM把高速串行数据流并行分配在多路低速子载频上。目前，OFDM成为高速宽带无线通信的优选方案的原因主要是因为下表所示的5个方面。
表1：OFDM成为高速宽带无线通信的优选方案的主要原因
20世纪60年代OFDM的多路数据传输已被成功地用于高频军事通信系统。相继，OFDM技术已被广泛应用于1.6 Mb/s高比特率数字用户线(HDSL)、6 Mb/s不对称数字用户线(ADSL)、100 Mb/s甚高速数字用户线(VDSL)、数字音频广播和数字视频广播等方面。后来，OFDM又被用于54 Mb/s无线局域网标准IEEE 802.11a和IEEE 802.11g、高性能局域网标准HiperLAN/2、欧洲宽带无线接入网ETSI-BRAN、IEEE 802.16 MAN和集成业务数字广播(ISDB-T)标准中。编码OFDM(COFDM)被美国联邦通信委员会(FCC)接受为数字电视(DTV)陆地广播标准，在6 MHz信道上将以19.3 Mb/s的MPEG格式分组传输，并进行数字格状编码。
与单载频调制制式相比，OFDM如成为4G宽带多媒体无线通信系统的调制制式，需要解决其存在的一些缺点，如：相对大的峰均功率比(PAPR)降低射频(RF)放大器的效率；多载频系统对频率位移和相位噪声敏感，收发双方间的频率抖动和多普勒频移会引起互载频干扰(ICI)，降低系统性能。上述缺点限制了OFDM的应用，1996年欧洲通信标准化组织(ETSI)曾把OFDM引入HiperLAN/1标准，最近又将其从标准中删除。
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2、超宽带
超宽带(UWB，Ultra-Wideband)也可称为脉冲无线电。UWB采用宽度在纳秒级的快速上升和下降脉冲进行调制，脉冲覆盖的频谱从直流至吉赫兹，不须常规窄带调制所需的RF频率变换，脉冲成型后可直接送至天线发射。图2所示为UWB双态高斯脉冲和频谱图。
图2：UWB双态高斯脉冲和频谱
UWB双态高斯脉冲峰与峰(Tp-p)之间的时间间隔在10~100 ps之间。频谱形状可通过甚窄持续单脉冲形状和天线负载特征来调整。UWB信号在时间轴上是稀疏分布的，其功率谱密度相当低，RF可同时发射多个UWB信号。UWB信号类似于基带信号，可采用开关键控(OOK)对映脉冲键控、脉冲振幅调制或脉位调制。
基于UWB的超宽频谱，FCC在2002年宣布UWB可用于精确测距、金属探测、新一代WLAN和无线通信。为保护GPS、导航和军事通信频段，UWB被限制在3.1~10.6 GHz频段和低于41 dB的发射功率。
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3、空时调制编码
目前，在许可频段上已不能满足无线数据业务增长的需求，频谱资源紧缺，必须增加通信容量来满足需求。增加通信容量的方案有：
●以增加基站站数的代价把小区分隔成微小区。
●利用天线开发空时调制编码处理。
●采用多输入多输出(MIMO)天线结构。
后两种方案相比第1种小区分隔方案，可以较低代价明显地改进频谱利用率，提高系统容量和覆盖面积。多径衰落信道影响无线链路传输的可靠性，对从时域、频域、空域和极化域获得的信号进行分集是解决多径衰落的有效方法。移动通信的分集往往注重对从移动终端到基站的上行链路进行分集，随着2.4 GHz和5 GHz等更高频段的开发，天线阵列单元间隔要求不像以前那样严格，不会明显影响移动终端尺寸，可把分集的压力部分转移至发射机上。3GPP和3GPP2确定了基站和移动终端的发射分集，来提高下行链路的数据传输率。
开环发射分集的空时分组码(STBC，Space-Time Block Code)使数据在时间上扩展以提供时间分集，使收发信机采用多天线提供空间分集，利用分集增益和编码增益共同改进频谱利用率。STBC中合成信号送至最大似然检测器，其效果等效于单发射天线双接收天线最大比接收的组合结构(MRRC)。开环发射分集的另一形式为时延分集，发射符号在时延递增下均等地分配给各天线，接收机的均衡器利用训练序列抵消信道失真，采用多时延组合接收分集结构。
闭环发射分集的接收机需要把反馈信息提供给发射机，并选择最佳信号或复制信号来抵消即时信道失真。闭环发射分集优于开环发射分集，一般用于移动终端。
收发双方应用多天线的MIMO也能满足高速无线数据业务要求。收发双方的空间分集将是下一代高容量无线通信系统采用技术之一。贝尔实验室的分层次空时(BLAST)又称为对角BLAST(D-BLAST)，为MIMO抗多径干扰的一种形式。DBLAST容量的增加为收发双方最小天线数的函数，与时延分集一样，不须信道编码。利用多发射天线和多接收天线，所构成的跨时域和空域的扩展信号可以抵抗多径干扰。图2为BLAST收发信机原理框图。
图3：BLAST收发信机原理框图
为降低BLAST结构的复杂性，收发信机采用递推“分离和抵消”算法。BLAST的研究方向集中在优化训练序列、检测算法以及BLAST与编码的组合上。而垂直BLAST(V-BLAST)天线之间没有码循环现象，接收机的分离和抵消算法为选择最佳信噪比(SNR)线性加权接收信号的递推算法。这就大大简化了接收处理，使V-BLAST成为下一代移动和室内通信的备选方案。许多未来无线系统计划采用空时处理技术，例如IEEE 802.16.3宽带固定无线接入标准的物理层把空时码作为内码，RS码作为外码；欧洲WIND-FLEX项目研究空时处理用于室内64~100 Mb/s的无线自适应MODEM。数据速率20 Mb/s、带宽效率提高20%的空时码是4G重要技术之一。
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