移动通信新技术的发展趋势

2019-11-03 09:16:13

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供稿：网友

谈振辉

　　谈振辉，教授、博士生导师，现任北方交通大学校长，1967年、1981年分获北方交通大学通控系学士、硕士学位，1987年获东南大学博士学位。1991－1993年到比利时和加拿大作高级访问学者。发表学术论文一百多篇。被评为“铁道部有突出贡献技术专家”，获得“茅以生铁道科技奖”。专业方向为通信与信息系统，现从事移动通信、宽带通信、个人通信的研究。

成功的范例和失败的探索

　　在移动通信产业快速发展的20世纪，移动通信发展的主要驱动力来自随机接入数据业务的需求和Internet计算技术。移动通信技术成功转化为生产力的成功范例是：

　　1. GSM：1988年欧洲把GSM作为泛欧数字蜂窝移动通信标准，美国蜂窝移动通信工业选择TDMA IS-136标准作为模拟AMPS标准的换代，日本确定2G数字TDMA标准PDC (Pacific Digital Cellular)。GSM全球计费，短消息业务和网络层互操作的先进性，使GSM在全球无线通信市场上占据了主导地位。

　　2. CDMA: 1990年Qualcomm公司首先把码分多址 (CDMA) 引入到蜂窝移动通信，美国蜂窝移动通信工业把CDMA作为数字移动通信IS-95标准。CDMA能提供额外的信道容量，基带信号处理能降低移动终端的复杂性。除了EDGE外，所有向3G演进的移动通信标准都采用图1示意的CDMA若干组合形式。美国和日本确定以3G以WCDMA取代IS-136和PDC标准。

　　在移动通信产业快速发展期间也有因各种原因而失败的探索，它们是：

　　1. 铱系统： Iridium公司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。由于中轨道卫星和地面站设施昂贵的投资，用户难以承担每分钟3美元的全球漫游业务费，最终宣告铱系统失败。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有原创新意。

　　2. 基于跳飞分组的无线数据：Metricom公司利用ip技术，采用低功率设备在非许可频谱ISM上，给移动用户提供Internet接入和峰值为64-128 kb/s基于跳飞（Ricochet）分组的无线数据业务。跳飞分组基础设施安装在建筑物，灯柱和广播塔上，给移动个人计算机用户提供高质数据接入和Internet业务。该思想的成功范例是基于分组数据接入的Ad hot无线网。然而，2001年因Metricom公司的投资受到2.5G GPRS的冲击而中断研发。影响移动通信发展的核心技术

　　1. WLAN

　　WLAN能在非许可频谱上为建筑物内的本地网提供业务，低成本无线LAN设备利用建筑物内和校园内Ethernet设施，开发数据速率超过3G的WLAN移动计算接入业务，移动接入Internet网和提供具有话音业务质量的无线业务。随着VoIP技术的改进，无需蜂窝通信基础设施支持，无线竞争本地交换载频 (W -CLCE - Wireless Competitive Local Exchange Carrier) 和无线互联网服务提供 (W-ISP - Wireless Internet Service Provider) 可能是未来成功的途径。

　　在建筑物内提供宽带数据接入和含有Web无线设备的Internet业务已成为无线移动通信的尖端技术之一，目前，许多公司正在寻找WLAN融合2.5G和3G的途径，把室内各种终端组合在一起，构建蜂窝覆盖和容量分布系统，开发新一代蜂窝移动电话。

　　2. CDMA

　　CDMA因抗干扰，低截获概率和固有抗多径能力从军事转移至商业应用。CDMA准许多用户以相互有别的码共享同一频谱，在基带接收端处理分离所需信息，非所需信息被接收端视为噪声。类似噪声的扩频信号使CDMA比TDMA具有若干优点，如CDMA分离业务提供和网络设计时，CDMA的互信道用户干扰呈现最温和的加性白噪声形式，使系统设计可基于干扰平均处理来简化；允许周围发射机使用相同载频提高频谱利用率；应用话音激活和频率复用可有效地进行多用户统计复用和软切换；提供大规模分集增益。

　　CDMA被普遍认为下一代移动通信系统多址接入的基本方案，在3G标准，非许可频谱上WLAN和超宽带 (UWB - Ultra Wide Band) 中占据主导地位。目前，对CDMA仍有两种观点，一种是CDMA是革命性技术，可提高几个数量级的系统容量，另一种是因CDMA复杂而无生命力，采用原始扩频方案即高数据率和低功率谱的UWB 。

　　下行异步传输链路是CDMA移动通信系统容量的瓶颈，每个移动用户应通过上行链路的功率控制使基站接收的移动用户信号能量基本相当，而来自基站通过下行链路抵达所需移动用户的信号，又难以服从对其它用户应呈现加性白噪声的约束。3G CDMA系统应该采用快速功率控制，发射分集和接收分集来解决这一矛盾。

　　在对称频谱下，解决高速率分组数据传输的方案是CDMA 2000 1XEV-DO或CDMA HDR。但是，CDMA HDR面临着挑战：

　　* CDMA HDR属于分组数据系统，只有无线VoIP (Voice over IP) 系统成熟，HDR才支持话音业务。目前，CDMA需要两个独立载体分别支持数据和话音业务。

　　* CDMA HDR在分组数据业务上比其它CDMA系统高效, 其上行链路与CDMA 2000差不多，下行链路的用户工作为时分复用模式而不是码分复用模式，当下行链路扩频增益太低时，物理层的效率就会下降。解决CDMA HDR上述问题的方法是：3GPP2把CDMA 2000演进成1XEV-DV (Evolution - Data and Voice)后集成在一个载体上，而3GPP采取高速数据分组接入 (HSDPA - High Speed Data Packet access)。这两种系统在下行链路上，以自适应调制，混合ARQ和快速调度来改进数据传输效率。

　　3. OFDM

　　60年代OFDM的多路数据传输已成功用于Kineplex和Kathryn高频军事通信系统。过去十多年，OFDM用于1.6 Mb/s高比特率数字用户线 (HDSL)，6 Mb/s异步数字用户线 (ADSL)，100 Mb/s甚高速用户线 (VDSL)，数字音频广播和数字视频广播等。最近，OFDM应用于5 GHz上提供54 Mb/s无线本地域网络标准（IEEE 802.11a和IEEE 802.11g），高性能本地域网络（HIPERLAN / 2，ETSI - BRAN），还作为IEEE 802.16 MAN和集成业务数字广播 (ISDB-T - Integrated Services Digital Broadcasting) 标准。编码OFDM (COFDM—Coded OFDM) 被FCC接受为数字电视 (DTV - Digital Television) 陆地广播标准。

　　应用于无线分布系统的OFDM在相对窄的频带内可提高频谱利用率，提供多址接入和信号处理增益。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必选方案的原因有： * 高速大规模FFT芯片的商业化，易于与软件无线电，智能天线组合，OFDM实现的复杂性比具有均衡器的单载频系统要简单；

　　* 低速多路子载频增加符号的持续时间，抗多径衰落和符号间干扰具有鲁棒性；

　　* 以可编程DSP在多路子载频间灵活地采用自适应调制和功率分配，有效按需分配带宽 (Bandwidth on Demand) 提高RF频谱利用率；

　　与单载频调制制式相比，OFDM欲将成为4G宽带多媒体无线移动通信系统的调制制式，要解决峰均大功率比 (PAPR - Peak to Average Power Ratio) 降低RF放大器的效率和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引起的互载频干扰 (ICI - Inter Carrier Interference)，降低系统性能问题。

　　4. UWB

　　UWB也可称为脉冲无线电，可追溯至19世纪。至今UWB还在争论之中。UWB调制采用脉冲宽度在ns级的快速上升和下降脉冲，脉冲覆盖的频谱从直流至GHz，不需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。脉冲峰峰时间间隔在10 - 100 ps级。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OOK，对映脉冲键控，脉冲振幅调制或脉位调制。UWB不同于把基带信号变换为无线射频 (RF) 的常规无线系统，可视为在RF上基带传播方案，在建筑物内能以极低频谱密度达到100 Mb/s数据速率。

　　为进一步提高数据速率，UWB应用超短基带丰富的GHz级频谱，采用安全信令方法 (Intriguing Signaling Method)。基于UWB的宽广频谱，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限制在3.1 - 10.6 GHz和低于41 dB发射功率。

　　5. 空时处理

　　理论研究指出：在独立Rayleigh 散射信道中，数据速率与天线数成线性关系，容量可达Shannon的90％。在发射和接收端以多天线开发信道空间可取得能量和频谱效率的增益，空时处理在频谱利用率上比WLAN和蜂窝网中调制和编码后的频谱利用率可增长一个数量级，如Lucent实验室的V-BLAST系统在室内24－34 dB时，频谱利用率为20－40 bps/Hz，而发射和接收端均采用16天线，在30 dB时，频谱利用率增至60－70 bps/Hz。

　　目前，在许可频段上已不能满足无线数据业务增长的需求，频谱资源成为主要资本的投资方向，必须增加通信容量来回报其投资，空时处理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；

　　* 多输入输出 (MIMO) 天线结构。

　　后两种方案相比第一种方案，可明显地改进频谱利用率，提高系统容量和覆盖面积。在多径衰落信道中，从时域，频域，空域和极化域获得的信号复制品进行分集是解决多径衰落的有效技术。移动通信的分集注重从移动终端到基站上行链路的分集，随着2.4 GHz 和5 GHz更高频段的开发，天线阵列单元间隔要求不会明显增加移动终端尺寸，可把分集的压力部分转移至发射机上。

　　采用开环发射分集的空时分组码 (STBC) 在时间上扩展提供时间分集，收发信机采用多天线提供空间分集，分集增益和编码增益共同改进频谱利用率。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 - Maximum Ratio Receiver Combiner)。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。显见，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的空间分集将是下一代高容量移动通信系统采用技术之一。贝尔实验室分层次空时 (BLAST - Bell Labs. Layered Space Time) 又称为对角BLAST (D-BLAST)为MIMO抗多径干扰的一种形式。图2为BLAST收发信机原理框图。为降低BLAST结构的复杂性，采用递推“分离和抵消”算法。图2中4个接收信道中一个接收n个发射天线的信号，在一个周期内，m个处理信道之一接收分组A。在周期初始，取消已接收来自其它发射机的信号，分离来自指定发射机的信号。在经第一发射天线位移后，已知接收信号从组合信号中扣除。刚接收的新信号不进行识别就移出，依靠接收到的训练序列提取信道特性。来自指定天线的信道特性转置并映射到新接收的信号上，用已知信道特性来增强所需信号。在发射天线下一个位移来到后，重复上述根据信道特性，抵消已知信号并分离新信号的过程。 BLAST的研究方向集中在优化训练序列，检测算法和BLAST与编码的组合。而垂直BLAST（V-BLAST - Vertical 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。

　　6. Ad hoc 网络

　　1968年研究的ALOHA协议是在固定节点的ALOHA网络中支持分布式信道接入，网络中所有节点都位于其它参与节点覆盖范围内，也就是说ALOHA网络是一种单跳网。1993年DARPA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络的吞吐量。

　　未来移动通信网络除了以低成本达到高数据率外，还要求在无专用通信基础设施下，网络具有适应和生存能力。Ad hoc网络或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用于军事和灾害通信。Ad hoc网络因灵活性将在未来网络中扮演重要角色，用户和路由器能在网络中随机移动的Ad hot网络正成为主要研究领域，它准许袖珍终端扩展接入和改进应急通信质量。现在，Ad hoc网络作为商业领域的先进无线技术，加强了如笔记本计算机，蜂窝电话，PDA和MP3等袖珍设备间的相互联系。

　　现今蜂窝通信系统依靠集中控制和管理，而下一代移动通信系统标准转向固定与移动网络相结合，无隙缝和全方位通信，Ad hoc模式。如：HIPERLAN / 2的直接模式中邻近节点可互相直接通信，Bluetooth，IEEE 802.11 中Ad hoc模式，IEEE 802.16移动Ad hoc网 (MANET - Mobile Ad hoc Networks) 和IEEE 802.15个人域网 (PAN - Personal Area Networks) 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等。

　　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，给分组无线网络设计和实施带来一些基本的挑战，它们是：

　　* 必须优化设计安全和路由功能，保证分布式结构有效运行；

　　* 在网络动态时，降低路由表更新频数和开销来保证链路连接；

　　* 在多跳网络中，改进路由协议设计来减少链路容量和等待时间的波动；

　　* 全面权衡网络连接（覆盖），时延，容量和功率预算等指标；

　　* 以优化功率管理和MAC设计来减少先进技术的负面效应。

　　7. 网络设计

　　已经为通信系统服务多年的OSI网络分层设计，随着无线网络的发展，在网络设计时，必须研究网络功能，网络分层结构，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，支持各种QoS多媒体业务动态流量，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，这就导致网络设计在模糊层次分隔和跨层优化功能的改革。如：在网络两个层次分别采取两个不同技术改进系统性能时，物理层的4×1空时分组码 (STBC) 和MAC层类似cdma 2000 3G 1XEV-DO 的贪婪调度算法。STBC有能力在物理层提供分集增益。而基于来自移动终端的反馈信息，在SINR最大时，把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 STBC，会以4倍RF昂贵成本换取系统的增益。另外，随着用户数的增加，STBC还降低SINR。这说明物理层和MAC层应一起最大地优化系统的性能。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流量不采用四副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，最大限度地利用无线网络资源，提高系统的整体性能。

　　8. 跨层优化

　　未来网络设计应考虑网络跨层间的相互作用，无线网络设计的OSI分层模型中最高和最低层次有不同方法解决固定基站无限制接入位置问题，以网络层自适应策略, 利用物理层和MAC层信息，资源和连接点信息可在指定瞬间优化系统的性能。在新一代多媒体网络优化设计时，不仅需要静态优化跨层设计，还应考虑动态优化跨层自适应。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孤立的。这里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？

　　在跨层动态优化中，需要复杂建模或仿真过程，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。解决上述问题的方法是双层仿真法，即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。可以采取下述混合措施：

　　* 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；

　　* 可变量化度措施，即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；

　　* 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，应有过程控制。否则，会出现各种自适应的目标互相矛盾。总之，以上技术的优势仅仅刚刚拉开序幕，是否成为移动通信发展里程碑的核心技术还需要等待时间检验和需要额外频谱安置的支持。结束语

　　20世纪的蜂窝移动电话和Internet走完了从诞生到全球普遍认可的路程，而影响移动通信发展的核心技术和前沿研究课题可能有：

　　* WLAN技术和蜂窝移动网络的结合提供覆盖面宽，数据率高的移动业务；

　　* CDMA多址接入技术在向3G演进中面临着挑战，要以新的调制和编码来提供高的频谱利用率。

　　* 提高频谱利用率的技术主要在网络较高层，目前在物理层的技术有：OFDM，UWB和空时调制编码；

　　* 因灵活性将在未来移动通信网络中扮演重要作用的Ad hoc网络；

　　* 未来移动通信网络设计应考虑网络跨层间的相互影响和优化。

----《中国移动通信》