本章主要介绍局域网、广域网，以及OSI各层主要功能及其工作原理这些基本的计算机网络通信技术，同时还将介绍计算机网络数据通信中常见的技术指标和参数。这些都是我们平常进行各种网络工程施工和系统设计的基础和前提。本节是调制方式中QAM正交振幅调制。 4．QAM正交振幅调制（Quadrature Amplitude Modulation）
QAM（Quadrature Amplitude Modulation）就是用两个调制信号对频率相同、相位正交的两个载波进行调幅，然后将已调信号加在一起进行传输或发射。在NTSC制和PAL制中形成色度信号时，用的就是正交调幅方式将两个色差信号调制到色度副载波上。
QAM也可用于数字调制。数字QAM有4QAM、8QAM、16QAM、32QAM等调制方式。其中，16QAM和32QAM广泛用于数字有线电视系统。下面以16QAM为例介绍其原理。
图3-34给出了16QAM调制器框图及星座图。作为调制信号的输入二进制数据流经过串—并变换后变成四路并行数据流。这四路数据两两结合，分别进入两个电平转换器，转换成两路4电平数据。例如，00转换成–3，01转换成–1，10转换成1，11转换成3。这两路4电平数据g1（t）和g2（t）分别对载波cos2πfct和sin2πfct进行调制，然后相加，即可得到16QAM信号。
QAM调制效率高，要求传送途径的信噪比高，适合有线电视电缆传输。在美国，正交调幅通常用在地面微波链路，不用于国内卫星，欧洲的电缆数字电视采用QAM调制，而加拿大的卫星采用正交调幅。QAM是幅度、相位联合调制的技术，它同时利用了载波的幅度和相位来传递信息比特，因此在最小距离相同的条件下，QAM星座图中可以容纳更多的星座点，即可实现更高的频带利用率，目前QAM星座点最高已可达256QAM。
PSK只利用了载波的相位，它所有的星座点只能分布在半径相同的圆周上。当星座点较多时，星座点之间的最小距离就会很密，非常容易受到噪声干扰的影响。调制技术的可靠性可由相邻星座点之间的最小距离来衡量，最小距离越大，抵抗噪声等干扰的能力越强，当然前提是信号的平均功率相同。当噪声等干扰的幅度小于最小距离的1/2时，解调器不会错判，即不会传输误码；当噪声等干扰的幅度大于最小距离的1/2时，将传输误码。因此PSK一般只用在8PSK以下，常用的是BIT/SK和QPSK。当星座点进一步增加时，即需要更高的频带利用率时，就要采用QAM调制。在PSK中I信号和Q信号互相不独立，为了得到恒定的包络信号，它们的数值是受到限制的，这是PSK信号的基本特性。如果去掉这一限制，就得到正交幅度调制QAM。作为一个特例，当每个正交信号只有两个数值时，QAM与4-PSK完全相同。当M>4时QAM的信号星座呈正方形分布，而不再像PSK那样沿着一个固定的圆周分布。
．QAM正交振幅调制（Quadrature Amplitude Modulation）
QAM（Quadrature Amplitude Modulation）就是用两个调制信号对频率相同、相位正交的两个载波进行调幅，然后将已调信号加在一起进行传输或发射。在NTSC制和PAL制中形成色度信号时，用的就是正交调幅方式将两个色差信号调制到色度副载波上。
QAM也可用于数字调制。数字QAM有4QAM、8QAM、16QAM、32QAM等调制方式。其中，16QAM和32QAM广泛用于数字有线电视系统。下面以16QAM为例介绍其原理。
图3-34给出了16QAM调制器框图及星座图。作为调制信号的输入二进制数据流经过串—并变换后变成四路并行数据流。这四路数据两两结合，分别进入两个电平转换器，转换成两路4电平数据。例如，00转换成–3，01转换成–1，10转换成1，11转换成3。这两路4电平数据g1（t）和g2（t）分别对载波cos2πfct和sin2πfct进行调制，然后相加，即可得到16QAM信号。
QAM调制效率高，要求传送途径的信噪比高，适合有线电视电缆传输。在美国，正交调幅通常用在地面微波链路，不用于国内卫星，欧洲的电缆数字电视采用QAM调制，而加拿大的卫星采用正交调幅。QAM是幅度、相位联合调制的技术，它同时利用了载波的幅度和相位来传递信息比特，因此在最小距离相同的条件下，QAM星座图中可以容纳更多的星座点，即可实现更高的频带利用率，目前QAM星座点最高已可达256QAM。
PSK只利用了载波的相位，它所有的星座点只能分布在半径相同的圆周上。当星座点较多时，星座点之间的最小距离就会很密，非常容易受到噪声干扰的影响。调制技术的可靠性可由相邻星座点之间的最小距离来衡量，最小距离越大，抵抗噪声等干扰的能力越强，当然前提是信号的平均功率相同。当噪声等干扰的幅度小于最小距离的1/2时，解调器不会错判，即不会传输误码；当噪声等干扰的幅度大于最小距离的1/2时，将传输误码。因此PSK一般只用在8PSK以下，常用的是BIT/SK和QPSK。当星座点进一步增加时，即需要更高的频带利用率时，就要采用QAM调制。在PSK中I信号和Q信号互相不独立，为了得到恒定的包络信号，它们的数值是受到限制的，这是PSK信号的基本特性。如果去掉这一限制，就得到正交幅度调制QAM。作为一个特例，当每个正交信号只有两个数值时，QAM与4-PSK完全相同。当M>4时QAM的信号星座呈正方形分布，而不再像PSK那样沿着一个固定的圆周分布。
DVB-S2系统流程图如图1所示，由于其良好的扩展性，因而每一部分都包括较多的选件、适配等单元，复杂程度远胜DVB-S。
图 2
模式适配（Mode Adaption）是输入数据流的接口，用来适配DVB-S2种类繁多的输入流格式。对于固定编码调制（CCM）模式来说，模式适配部分包括对DVB-ASI流（或DVB并行传输流）的透明解包和8位循环冗余校验。
流适配完成基带成帧、加扰两个功能。为配合后续纠错编码，基带成帧需要将输入数据按固定长度打包（不同的纠错编码方案有不同的“固定长度”），不足处则填充无用字节补足。
前向纠错采用LDPC（内码）与BCH（外码）级联的形式。
映射部分按后续采用的具体的调制方式（QPSK、8PSK、16APSK、32APSK），将输入的经过前向纠错的串行码流转换成满足特定星座图样式的并行码流。
物理层成帧部分通过加扰实现能量扩散，以及空帧插入等。
调制部分完成基带成形和调制。
LTE的研究，包含了一些普遍认为很重要的部分，如等待时间的减少、更高的用户
数据速率、系统容量和覆盖的改善以及运营成本的降低。
为了达到这些目标，无线接口和无线网络架构的演进同样重要。考虑到需要提供比
3G更高的数据速率，和未来可能分配的频谱，LTE需要支持高于5MHz的传输带宽。
E-UTRA和E-UTRAN要求
UTRA和UTRAN演进的目标，是建立一个能获得高传输速率、低等待时间、基于包优
化的可演进的无线接入架构。3GPPLTE正在制定的无线接口和无线接入网架构演进技术主
要包括如下内容：
（1）明显增加峰值数据速率。如在20MHz带宽上达到100Mbit/s的下行传输速率
（5bit/s/Hz）、50Mbit/s的上行传输速率（25bit/s/Hz）。
（2）在保持目前基站位置不变的情况下增加小区边界比特速率。如MBMS（多媒体
广播和组播业务）在小区边界可提供1bit/s/Hz的数据速率。
（3）明显提高频谱效率。如2~4倍的R6频谱效率。
（4）无线接入网（UE到E-NodeB用户面）延迟时间低于10ms。
（5）明显降低控制面等待时间，低于100ms。
（6）带宽等级为：a）5、10、20MHz和可能取的15MHz；b）125、16和25MHz，
以适应窄带频谱的分配。
（7）支持与已有的3G系统和非3GPP规范系统的协同运作。
（8）支持进一步增强的MBMS。
上述演进目标涉及到系统的能力和系统的性能，是LTE研究中最重要的部分，也是
E-UTRA和E-UTRAN保持最强竞争力的根本。
在LTE中，还规范了一些其他要求，如与配置相关的要求、E-UTRAN架构和移植要
求、无线资源管理要求、复杂性要求、成本相关要求和业务相关要求。
与其他无线接入方式相比，高频谱效率、广域覆盖和支持用户高速移动是E-UTRAN
系统的主要特点。在E-UTRAN中，当移动速率为15~120km/h时，能获得最高的数据传输性
能。E-UTRAN支持在蜂窝之间120~350km/h甚至高达500km/h的移动速率。在整个速率范围
内，R6中CS域的语音和其他实时业务在E-UTRAN中通过PS域来支持，并要求至少获得与
UTRAN相同的性能。
LTE物理层方案和技术
在LTE层1方案征集过程中，有6个选项在3GPPRAN1工作组中被评估。它们是：
（1）FDD，上行采用单载波FDMA（SC-FDMA），下行采用OFDMA。
（2）FDD，上行下行都采用OFDMA。
（3）FDD，上行下行都采用多载波WCDMA（MC-WCDMA）。
（4）TDD，上行下行都采用多载波时分同步CDMA（MC-TD-SCDMA）。
（5）TDD，上行下行都采用OFDMA。
（6）TDD，上行采用单载波FDMA（SC-FDMA），下行采用OFDMA。
在上述方案中，按照双工方式可分为频分双工（FDD）和时分双工（TDD）两类；按
照无线链路多址方式主要可分为码分多址（CDMA）和正交频分多址（OFDMA）两类。
针对5MHz频谱做系统级的初步评估，采用CDMA的系统与采用OFDM的系统，在提升频
谱效率方面表现相似。如果采用CDMA演进途径，则有利于系统从前期UTRA版本平滑升
级，可以广泛地重用物理层。如果采用OFDMA，一个完全脱离以往设计约束的全新层1结
构，则有利于系统在设计参量上做出灵活和自由的选择，更容易实现E-UTRA定义的一些
目标，如等待时间、最小带宽间隔以及在不同双工模式下的公平性等；同时，对于用户
接收机来说，针对OFDMA空中接口的处理相对简单，在更大带宽和高阶多输入多输出
（MIMO）配置情况下可以降低终端的复杂性。
综合上述因素，当然也经过激烈的讨论和艰苦的融合，在2005年12月召开的TSGRAN
第30次全会上，最终决定LTE可行性研究将集中在下行OFDMA和上行SC-FDMA上。这也意味
着OFDM技术在3GPPLTE中获得了胜利。这一结果一方面出于纯技术的考虑，即在下行链路
采用频谱效率很高的OFDMA作为调制方式，在上行链路采用SC-FDMA，可以降低发射终端
的峰均功率比，减小终端的体积和成本；另一方面也是为了摆脱自3G以来高通公司独掌
CDMA核心专利的制约。
基本物理层传输方案
LTE下行传输方案采用传统的带循环前缀（CP）的OFDM，每一个子载波占用15kHz，
循环前缀的持续时间为47/167μs，分别对应短CP和长CP。为了满足数据传输延迟的要
求（在轻负载情况下，用户面延迟小于5ms），LTE系统必须采用很短的交织长度（TTI）
和自动重传请求（ARQ）周期，因此，在3G中的10ms无线帧被分成20个同等大小的子帧，
长度为05ms。
下行数据的调制主要采用QPSK、16QAM和64QAM这3种方式。针对广播业务，一种独
特的分层调制（hierarchicalmodulation）方式也考虑被采用。分层调制的思想是，在
应用层将一个逻辑业务分成两个数据流，一个是高优先级的基本层，另一个是低优先级
的增强层。在物理层，这两个数据流分别映射到信号星座图的不同层。由于基本层数据
映射后的符号距离比增强层的符号距离大，因此，基本层的数据流可以被包括远离基站
和靠近基站的用户接收，而增强层的数据流只能被靠近基站的用户接收。也就是说，同
一个逻辑业务可以在网络中根据信道条件的优劣提供不同等级的服务。
在目前的研究阶段，主要还是沿用R6的Turbo编码作为LTE信道编码，例如在系统性
能评估中。但是，很多公司也在研究其他编码方式，并期望被引入LTE中，如低密度奇偶
校验（LDPC）码。在大数据量情况下，LDPC码可获得比Turbo码高的编码增益，在解码复
杂度上也略有减小。
MIMO技术在R7中已经被引入，是WCDMA增强的一个重要特性。而在LTE中，MIMO被认
为是达到用户平均吞吐量和频谱效率要求的最佳技术。下行MIMO天线的基本配置是，在
基站设两个发射天线，在UE设两个接收天线，即2×2的天线配置。更高的下行配置，如4
×4的MIMO也可以考虑。开环发射分集和开环MIMO在无反馈的传输中可以被应用，如下行
控制信道和增强的广播多播业务。
虽然宏分集技术在3G时代扮演了相当重要的角色，但在HSDPA/HSUPA中已基本被摒
弃。即便是在最初讨论过的快速小区选择（FCS）的宏分集，在实际规范中也没有定义。
LTE沿用了HSDPA/HSUPA思想，即只通过链路自适应和快速重传来获得增益，而放弃了宏
分集这种需要网络架构支持的技术。在2006年3月的RAN总会上，确认了E-UTRAN中不再包
含RNC节点，因而，除广播业务外，需要“中心节点”（如RNC）进行控制的宏分集技术
在LTE中不再考虑。但是对于多小区的广播业务，需要通过无线链路的软合并获得高信噪
比。在OFDM系统中，软合并可以通过信号到达UE天线的时刻都处于CP窗之内的RF合并来
实现，这种合并不需要UE有任何操作。
上行传输方案采用带循环前缀的SC-FDMA，使用DFT获得频域信号，然后插入零符号
进行扩频，扩频信号再通过IFFT。这个过程简写为DFT-SOFDM。这样做的目的是，上行用
户间能在频域相互正交，以及在接收机一侧得到有效的频域均衡。
子载波映射决定了哪一部分频谱资源被用来传输上行数据，而其他部分则被插入若
干个零值。频谱资源的分配有两种方式：一是局部式传输，即DFT的输出映射到连续的子
载波上；另一个是分布式传输，即DFT的输出映射到离散的子载波上。相对于前者，分布
式传输可以获得额外的频率分集。上行调制主要采用π/2位移BPSK、QPSK、8PSK和
16QAM。同下行一样，上行信道编码还是沿用R6的Turbo编码。其他方式的前向纠错编码
正在研究之中。
上行单用户MIMO天线的基本配置，也是在UE有两个发射天线，在基站有两个接收天
线。在上行传输中，一种特殊的被称为虚拟（Virtual）MIMO的技术在LTE中被采纳。通
常是2×2的虚拟MIMO，两个UE各自有一个发射天线，并共享相同的时—频域资源。这些
UE采用相互正交的参考信号图谱，以简化基站的处理。从UE的角度看，2×2虚拟MIMO与
单天线传输的不同之处，仅仅在于参考信号图谱的使用必须与其他UE配对。但从基站的
角度看，确实是一个2×2的MIMO系统，接收机可以对这两个UE发送的信号进行联合检
测。
基本物理层技术
在基本的物理层技术中，E-NodeB调度、链路自适应和混合ARQ（HARQ）继承了
HSDPA的策略，以适应基于数据包的快速数据传输。
对于下行的非MBMS业务，E-NodeB调度器在特定时刻给特定UE动态地分配特定的
时—频域资源。下行控制信令通知分配给UE何种资源及其对应的传输格式。调度器可以
即时地从多个可选方案中选择最好的复用策略，例如子载波资源的分配和复用。这种选
择资源块和确定如何复用UE的灵活性，可以极大地影响可获得的调度性能。调度和链路
自适应以及HARQ的关系非常密切，因为这3者的操作是在一起进行的。决定如何分配和复
用方式的依据包括以下一些：QoS参数、在E-NodeB中准备调度的数据量、UE报告的信道
质量指示（CQI）、UE能力、系统参数如带宽和干扰水平，等等。
链路自适应即自适应调制编码，可以在共享信道上应用不同的调制编码方式适应不
同的信道变化，获得最大的传输效率。将编码和调制方式变化组合成一个列表，E-NodeB
根据UE的反馈和其他一些参考数据，在列表中选择一个调制速率和编码方式，应用于层2
的协议数据单元，并映射到调度分配的资源块上。上行链路自适应用于保证每个UE的最
小传输性能，如数据速率、误包率和响应时间，而获得最大化的系统吞吐量。上行链路
自适应可以结合自适应传输带宽、功率控制和自适应调制编码的应用，分别对频率资
源、干扰水平和频谱效率这3个性能指标做出最佳调整。
为了获得正确无误的数据传输，LTE仍采用前向纠错编码（FEC）和自动重复请求
（ARQ）结合的差错控制，即混合ARQ（HARQ）。HARQ应用增量冗余（IR）的重传策略，
而chase合并（CC）实际上是IR的一种特例。为了易于实现和避免浪费等待反馈消息的时
间，LTE仍然选择N进程并行的停等协议（SAW），在接收端通过重排序功能对多个进程接
收的数据进行整理。HARQ在重传时刻上可以分为同步HARQ和异步HARQ。同步HARQ意味着
重传数据必须在UE确知的时间即刻发送，这样就不需要附带HARQ处理序列号，比如子帧
号。而异步HARQ则可以在任何时刻重传数据块。从是否改变传输特征来分，HARQ又可以
分为自适应和非自适应两种。目前来看，LTE倾向于采用自适应的、异步HARQ方案。
与CDMA不同，OFDMA无法通过扩频方式消除小区间的干扰。为了提高频谱效率，也
不能简单地采用如GSM中复用因子为3或7的频率复用方式。因此，在LTE中，非常关注小
区间干扰消减技术。小区间干扰消减途径有3种，即干扰随机化、干扰消除和干扰协调/
避免。另外，在基站采用波束成形天线的解决方案也可以看成是下行小区间干扰消减的
通用方法。干扰随机化可以采用如小区专属的加扰和小区专属的交织，后者即为大家所
知的交织多址（IDMA）；此外，还可采用跳频方式。干扰消除则讨论了采取如依靠UE多
天线接收的空间抑制和基于检测/相减的消除方法。而干扰协调/避免则普遍采取一种在
小区间以相互协调来限制下行资源的分配方法，如通过对相邻小区的时—频域资源和发
射功率分配的限制，获得在信噪比、小区边界数据速率和覆盖方面的性能提升。
E-UTRAN架构
E-UTRAN与UTRAN架构完全不同，去掉了RNC这个网络设备，只保留了NodeB网元，目
的是简化网络架构和降低时延。RNC功能被分散到了演进的NodeB（E-NodeB）和接入网关
（aGW）中。目前并没有说明aGW是位于E-UTRAN还是SAE（系统架构演进）中。但从LTE设
计初衷来看，应该只采用由E-Node B构成的单层结构，而aGW因为包含了原SGSN功能，还
是归属为SAE的边界节点，只不过与E-UTRA相关的部分用户面和控制面的功能在LTE中定
义。
E-UTRAN结构中包含了若干个E-NodeB（eNB），提供了终止于UE的E-UTRA用户面
（PHY/MAC）和控制面（RRC）协议。E-NodeB之间采用网格（mesh）方式互连，E-NodeB
与aGW之间的接口称为S1接口。
E-UTRAN的协议栈结构还是与URTAN一样分为用户面和控制面，但简化了很多。比如
去掉了RLC层，该实体功能被并入MAC层，PDCP功能在网络侧被移到了aGW中。控制面RRC
功能移入E-NodeB中，并在网络侧终止于E-NodeB。
与UTRAN相比，E-UTRAN在信道结构上做了很大的简化，虽然还没有最终确定，但从
目前讨论的结果来看，传输信道将从原来的9个减为现在的5个，逻辑信道从原来的10个
减为现在的7个。上/下行共享信道（DL/UL-SCH）用于承载用户的控制信令和业务数据，
取代了R6中的DCH、FACH、HS-DSCH和E-DCH信道。MCH只给多小区广播/多播业务提供数据
承载，而单小区的广播/多播业务数据则在SCH信道上承载。在现阶段，LTE尚未决定是否
单独定义映射多播业务的逻辑信道，如继承R6中单独的MCCH和MTCH。
无线资源控制（RRC）状态在LTE中也简化了许多，将UTMS中的RRC状态和PMM状态合
并为一个状态集，并且只包含RRC_IDLE、RRC_ACTIVE和RRC_DETACHED这3种状态。在aGW
网元中，UE的上下文必须区分这3种状态。而在E-NodeB中只保留RRC_ACTIVE状态的UE上
下文，即合并了原先的CELL_DCH、CELL_FACH、CELL_PCH和URA_PCH多种状态。
结束语
除了对无线接入网演进的研究，3GPP还正在进行系统架构方面的演进工作，并将其
定义为SAE。目前，一些发起并参与LTE/SAE标准制定和技术研究工作的3GPP成员，比如
ALCATEL等设备厂商，正在积极研究和开发符合3GLTE/SAE技术标准的系统和设备，目标
是在保证技术和系统性能领先的同时，最大程度地利用并兼容现有的系统平台，保持系
统的平滑演进，以提供最优的无线通信解决方案。