未来无线通信领域的新技术

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未来无线通信领域的新技术



    目前全球移动通信用户数已达到7亿，预计到2008年移动通信用户数可达20亿。
    在无线通信产业快速发展的20世纪，成功转化为生产力的无线通信技术有GSM和CDMA。1988年欧洲把GSM作为泛欧数字蜂窝移动通信标准，GSM的先进性使其在全球无线通信市场上迅速占据了主导地位。1990年Qualcomm企业把码分多址(CDMA)技术引入到蜂窝移动通信，美国基于CDMA技术制定了数字移动通信IS-95标准。CDMA能提供额外的信道容量，其基带信号处理技术能降低移动终端的复杂性。
    在无线通信产业快速发展的20世纪，也有因各种原因而失败的探索。一个例子是，在开展任何时间、任何地点通信的研发中，铱(Iridium)企业在空间蜂窝小区移动通信概念基础上，研发基于卫星的全球无线通信业务的铱系统。由于中轨道 (MEO) 卫星和地面站设施昂贵，用户难以承担每分钟3美金的全球漫游业务费，最终使得铱系统推广失败。但是其基于空间的越区切换、点波束天线、功率增效工程和网络管理等技术后来被其他系统成功应用。另一个例子是，Metricom企业利用IP技术，采用低功率设备，在免许可证频段(ISM工科医频段)上给移动用户提供Internet接入和峰值为64～128 Kb/s基于跳飞(ricochet)分组技术的无线数据接入。众多跳飞基础设施安装在建筑物、灯柱和广播塔上，给有个人计算机的移动用户提供高质量的数据接入和Internet接入。然而，Metricom企业的研发因受到通用分组无线业务(GPRS)的冲击而中断。


    综上所述，过去的几十年间，无线通信领域有许多成功或失败的案例，无线通信产业一直在向前发展。今后，由于Internet和接入数据业务需求的推动，无线通信产业将继续快速发展。因此探讨未来无线通信领域的新技术具有现实意义。


1 提高频谱利用率的技术
    未来10年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。

1.1 正交频分复用
    扩频通信可认为是单载频传输，而OFDM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有：
    (1)高速大规模快速傅里叶变换(FFT)芯片的商业化使得OFDM易于与App无线电、智能天线组合，实现OFDM比实现具有均衡器的单载频系统简单。
    (2)低速多路子载频增加了符号的持续时间，使抗多径衰落和符号间干扰具有鲁棒性。
    (3)可编程数字信号处理器(DSP)能在多路子载频间灵活地实现自适应调制和功率分配，有效地按需分配带宽，提高射频(RF)频谱利用率。
    (4)窄带干扰仅影响部分子载频，OFDM具有抗窄带干扰的鲁棒性。
    (5)不同于其他宽带接入技术，OFDM对邻近带宽无严格要求。


    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。过去10多年，OFDM技术被广泛应用于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。最近，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，计划2006年底进行DTV转换。
    与单载频调制制式相比，OFDM如要成为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。

1.2 超宽带
    超宽带(UWB)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1所示为UWB双态高斯脉冲和频谱图。





    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。
1.3 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)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。




    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。


2 Ad hoc网络
    1968年研究的ALOHA协议在固定节点的ALOHA网络中支撑分布式信道接入，网络中所有节点都位于其他参与节点的覆盖范围内，也就是说ALOHA网络是一种单跳网。1993年美国国防部先进研究机构(DARPA)开始研究多跳分组无线网协议。多跳技术增加网络容量的思路是：在大型网络中采用共存与分离多跳会话、空域复用、预留发射功率资源和复杂路由协议来提高全网吞吐量。
    未来无线网络除了以低成本达到高数据速率外，还要求在无专用通信基础设施的情况下，网络具有适应和生存能力。Ad hoc网络(又称为分组无线网络)就能满足这样的要求，作为非集中控制网络结构，所有移动节点以约定协议建立全向通信，主要被用于军事和灾害通信。现在，Ad hoc网络作为商业领域的先进无线技术，加强了如笔记本电脑、蜂窝电话、PDA和MP3等袖珍设备间的相互联系。
    现蜂窝通信系统主要依靠集中控制和管理，而下一代移动通信系统标准将转向固定网与移动网相结合，无隙缝和全方位通信，采用Ad hoc模式，如无线局域网HiperLAN/2标准中的直接模式中邻近节点可互相直接通信。蓝牙(Bluetooth)、IEEE 802.11中的Ad hoc模式、IEEE 802.16中的移动Ad hoc网(MANET)和IEEE 802.15中的个人域网(PAN)都采用非集中无线接入和路由技术。Ad hoc多跳的传感网络可用于环境监测。
    Ad hoc网络没有事先确定的基础设施和网络链路的时间特性，这给分组无线网络设计和实施带来一些新的挑战，主要有：
    (1)必须优化设计安全和路由功能，保证分布式结构有效运行。
    (2)在网络动态运行时，必须降低路由表更新频数和开销以保证链路连接。
    (3)在多跳网络中，必须改进路由协议设计以减少链路容量和等待时间的波动。
    (4)必须全面权衡网络连接(覆盖)、时延、容量和功率预算等指标。
    (5)必须优化功率管理和媒体访问控制(MAC)设计以减少先进技术的负面效应。


3 网络跨层优化

3.1 网络设计
    在网络设计时，必须研究网络功能和网络分层结构。随着无线网络的发展，已经在通信系统中应用多年的开放系统互连(OSI)网络分层设计，将集中在物理层、数据链路层和网络层(见图3)。对网络特性的要求也发生了变化，如时延、吞吐量、支撑各种QoS多媒体业务的动态流量、差错率、频谱带宽、节点连续不断进出网络引起的网络拓扑变化等，这些都对网络设计提出了新的挑战。





    在优化网络吞吐量时，要满足随应用而变的QoS要求，需要将网络层设计渗透到物理层设计。不同的应用应由不同的优化方法来服务，这就要求网络设计在模糊层次分隔和跨层优化功能上进行改革。在网络两个层次分别采取两种不同技术，如物理层的4×1空时分组码和MAC层类似CDMA2000 1X EV/DO的贪婪调度算法，改进系统性能。STBC有能力在物理层提供分集增益，而对基于来自移动终端的反馈信息，在信干噪比(SINR)最大时，通过分组传输至移动终端的贪婪调度算法可获得多用户分集。然而，在贪婪调度算法上叠加4×1空时分组码，将以4倍的RF占用成本换取系统的增益；另外，随着用户数的增加，STBC还将降低SINR，这说明物理层和MAC层最好一起优化系统的性能。贪婪调度算法不适用对时延有严格要求的话音业务，却可采用有分集增益的STBC；对时延不敏感的Web流量不采用4副RF发射机，却可采用贪婪调度算法。
    利用物理层、数据链路层和网络层间传输控制信息进行联合优化，可最大限度地利用无线网络资源，提高系统的整体性能。
3.2 跨层优化
    在新一代多媒体网络优化设计时，不仅要考虑静态跨层优化，还应考虑动态跨层自适应优化。传统的网络设计也包含一些自适应能力，如利用自适应信号处理调整信道参数、更新路由表、改变流量负载等，但这些调整更新与网络层次是不相关的。跨层自适应允许网络功能同时在功能和自适应之间通过信息交换，满足网络负载、信道环境和QoS可变的要求。
跨层优化设计中实时动态优化网络是难以实现的，但可以进行一些限制性设计。跨层优化设计中应采用测度，在传统网络层次设计中有优先权准则，如物理层准则是比特差错率，MAC准则是节点吞吐量或信道现存性，网络准则是时延和路由效率。这就提出什么测度代表未来系统的主要性能，如何综合优化这些测度，如何对这些测度进行优先权排序的问题。
    在跨层动态优化中，需要复杂的建模或仿真过程。若把网络功能加到传统物理层仿真器上，将产生无法实用的问题。另外，由于物理层仿真器采用时间驱动法，而网络仿真器采用事件驱动法，存在方法不同问题。解决上述问题的方法是采用双层仿真法，即用物理层仿真器的输出去激发网络仿真器。但是，这种方法不允许层次间有相互作用，不利于跨层优化设计。可采取下述混合措施解决这一问题：

混合高层次的功能性能仿真和低层次的功能性能半分析仿真。
采取可变量化度措施。粗量化度网络仿真器用于大部分物理层链路，细量化度仿真器用于特定物理层链路。
实行从物理层到应用层的仿真和实时处理。

    在适应跨层功能性能时，网络各层次的控制应处于最佳位置并有过程控制，否则，会出现各种自适应的目标互相矛盾问题。