新一代(B3G/4G)蜂窝移动通信的进展

2019-11-03 09:16:16

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供稿：网友

李承恕
(北方交通大学现代通信研究所)

李承恕，

　　现任北方交通大学电子信息工程学院资深教授、现代通信研究所名誉所长。

　　1953年毕业于北方交通大学电信系，后留校任教至今。

　　1960年在前苏联列宁格勒铁道运输工程学院研究生毕业，获副博士学位。

　　1981-1983年以访问学者身份赴美国麻省理工学院进修学习。

　　主要从事无线通信、移动通信、扩展频谱通信、个人通信等领域的教学与科研工作。

　　现主持多项国家自然科学基金、国家863计划等高科技研究项目。并兼任中国通信学会常务理事、无线及移动通信委员会副主任委员、《通信学报》常务编委、北京通信学会理事等学术职务。

　　出版科技图书有：《扩展频谱通信》与《数字移动通信》。发表论文200余篇。

　　导读：本文扼要介绍B3G/4G移动通信的最新进展，包括：B3G/4G移动通信的基本要求、关键技术、网络和MIMO-OFDMA系统，供读者参考。

前言

　　当前在世界范围内蜂窝移动通信仍在高速发展。据有关方面公布的统计，到今年3月底，我国移动电话用户已达2.21亿户，接近固定电话用户数2.25亿户。全球移动用户2001年已达8亿户，据预测[1]2010年将达到17亿户(图1)。这种高速的增长，主要是由于用户对移动服务的需求所促成的。除了当前第二代移动通信所能提供的通话服务外，人们还要求更多的多媒体服务，不仅有新的应用，还要能满足无所不在的各种个性化的服务。为了达到此目的，新一代(B3G/4G)的移动通信系统可以采用演进或革新的方式来实现。所谓演进指的是对IMT-2000系统加以改善，而革新则指的完全新开发的系统。对此，国际电联ITU-R与ITU-T已提出了些建议，以规范新一代无线通信系统的研究与开发。在本文中我们简单介绍ITU-R提出对新一代移动通信系统的要求，并介绍一些可能应用的关键技术和网络结构，最后介绍一种现在人们研究较多的MIMO-OFDM系统。

图1 全球移动及固定用户增长趋势

一、 ITU关于新一代(B3G/4G)移动通信的基本要求

　　ITU-R的基本看法是IMT-2000将继续演进，以支持新的应用、产品和服务。希望IMT-2000地面无线接口的能力到2005年能扩展到30Mb/s。除了这种演进之外，ITU预想到2010年能有一种基于新的无线接入技术的新系统，称为后IMT-2000系统(Systems Beyond IMT-2000)。它将是增强的IMT-2000系统及其他无线系统的补充。新的无线系统能将支持高速移动性高达100Mb/s的峰值数据率，面对低速移动性则可达1Gb/s的数据率。这样的数据率将为连接到同一无线资源的所有用户所共享。且上行链路的数据率能够不同于下行链路的数据率。由于高数据率的要求，未来需要有附加的频谱。后IMT-2000系统所需要新的频谱有望在WRC’07来确定。ITU-R的看法还描述了各种无线接入系统如何在融合中共存，以提供综合服务。通信的关系可以划分为3个不同的层次：个人域通信网(PANs——Personal Area Network)，中间环境(immediate environments)，以及通过网络的通信(communications via network)。再者，卫星通信、无线局域网(WLAN)、数字广播、蜂窝移动通信，及其它接入系统将连接起来，以提供通过公共的基于ip的核心网提供综合及无缝的服务。不同的接入系统将根据它们的应用区域、小区范围以及无线环境组织在一个分层结构中。这对于系统的布署提供一灵活的、可扩展的环境。这些不同接入系统无缝的网络的互连将由垂直切换或会话的连续来完成。不同的层次对应分布式的层次，包括数字广播、蜂窝层、若干小区层，很高数据率应用的热点层，对于短距离通信的个人网层，以及固定接入系统的固定层。为了满足上述看法，对未来无线通信系统的要求可以小结如下：

　　·高速数据率，并减少每比特数据传输价格；

　　·基于IP的网络；

　　·无缝连接；

　　·综合服务；

　　·短时延的切换及信包传输。

二、关键技术

　　近年来人们对实现B3G/4G的关键技术进行了大量的研究，并取得了初步的成果。归纳起来有以下一些：

　　·与系统相关的技术：IP语声技术；软件定义的无线电技术；广带无线收发信机；移动服务的系统平台；高可靠性的网络结构；全IP无线；安全性、加密、计费、身份认证及移动电子商务；移动即兴网(ad hoc network)技术。

　　·与应用相关的技术：下一代编码/压缩技术；动态可变码率编码技术；移动代理技术；人-机接口,包括“智能”移动终端；流数据通信技术；内容描述语言；应用发展环境技术。

　　·先进的无线接入技术：动态QoS控制；差错控制及超高速小区搜索；多播技术；IP移动性控制；无缝IP信包传输；链路自适应；进入链路；光纤无线电。 ·频率的有效利用：微波频带的开拓；频带的共用与频率的共享；自适应动态信道分配；抗干扰与抗衰落技术；高密度三维蜂窝结构；先进的自适应阵列无线及多入多出(MIMO)天线系统；自适应高效多电平调制；正交频率复用(OFDM)技术。

　　·先进的移动终端：新的功率管理技术；可包装终端技术;高功能显示器件技术；语声识别技术；下一代半导体器件技术；灵敏度的增强；移动终端的系统平台；移动终端安全性增强技术。

　　以上这些技术都是未来移动通信广带无线移动和无线接入融合系统需要研究的课题。下面具体地介绍其中几种正在研究的热点技术[3]。

　1.自适应调制与编码(AMC)

　　AMC的原理是根据信道条件瞬时的变化改变调制与编码格式(传输格式)。AMC扩展了系统自适应良好信道条件的能力。信道条件应基于从接收机反馈信息来估计。具有AMC的系统，对于靠近小区基站的用户分配给较高码率的较高阶的调制(例如64-QAM，R=3/4turbo码)。另一方面，对靠近小区边界的，则分配给具有较低码率的较低阶调制(例如QPSK，R=1/2turbo码)。AMC允许按照信道条件分配给不同的用户不同的数据率。由于信道条件在时间上的变化，接收机将收集一系列信道的统计数值，用来提供给发射机和接收机去优化系统参数，如调制及编码、信号带宽、信号功率、训练周期、信道估值滤波器，以及自动增益控制。

　2.自适应复合ARQ

　　一个成功的广带无线系统必须有一有效的媒体接入控制(MAC)层，在有损无线信道上具有可靠的链路性能。设计相应的MAC使TCP/IP层看来为一高质量的链路。它由自动重传及分片机制(ARQ)获得，后者为接收机将从上层收到的信包分成更小的子信包，并被依次地发出。如果子信包未正确地接收，则发射机被要求重传。ARQ可看成是将时间分集机制引入到系统中，这是因为它的从噪声、干扰和衰落中恢复的能力。自适应ARQ比单独的链路自适应有更大的增益。复合ARQ自优化与自动地调整到信道条件而不需要经常或高度精确的C/I比的测量：

　　·仅当需要时才加入冗余度；

　　·接收机保存失败的传输，试图去协助未来的译码；

　　·每一传输有助于增加信包成功的概率。

　3.正交频分复用(OFDM)

　　对于高延迟扩展信道或高数据率选择单载的解决方案是因为它具有较低复杂度的均衡器。一个广带信号可以分成多个窄带载波，其中每一载波对多径更具健壮性。为了在这些子载波之间保持正交性，则增加一循环前缀，其长度要大于所期望的延迟扩展。在这些频率间具有合适的编码与交织，多径产生的频率分集作用对OFDM系统会带来好处。在发射机和接收机中，采用快速富氏变换(FFT)能有效地实现OFDM。在接收机中FFT能在一个一个子载波的基础上减少信道响应为相乘常数。由于每一子载波能独立地进行均衡，可以避免采用复杂的空—时均衡器。

　4.多入多出(MIMO)天线系统

　　对4G广带无线移动通信增加高性能的要求促使其在基站及用户终端采用多天线系统。多天线技术具有很高的能力去适应互联网及多媒体服务，并能极大地增加通信范围与可靠性。这一设计是由于广带无线互联网接入日益增长的需求促成的。对无线广带接入的挑战在于要求提供与有线技术可以比拟的服务质量，而只有相似的可竞争的价格。对此系统的目标频带为2～5GHz，由于其具有较好的传播特性和低的射频(RF)设备价格。广带信道是一典型的非视线信道，并包含不匹配性，例如时间选择性及频率选择性衰落。发射机和接收机的多天线提供了在一衰落环境下的分集。采用多天线则产生了多个空间信道，从而不会所有的信道同时产生衰落。多个信道同时并行工作可大大增加系统的容量。

三、网络

　　在未来不同类型的无线通信系统将共存与互连。无线通信系统将更加多样化，而无缝集成这些多样化的无线系统对它们之间能网络互连是至关重要的。已有一些建议采用基于IP网络来集成这些多样化无线系统。3GPP标准建议的基于IP网络结构的例子有：基于IP网络广带无线接入(BRAIN)，以及多媒体集成网络采用无线接入新方法(MIRAI)。下面将简要介绍这些结构的主要性能，并介绍一种新建议的网络结构。

　　3GPP标准的全IP网络是基于GPRS协议，它的开发是向GSM提供信包服务。GPRS服务结点利用GSM注册与身份验证去核查数据用户的身份。3GPP接入网与核心网的接口是通过服务GPRS网关结点。虽然一般的IP协议可用于核心网，接入网则要求对接入网络功能有专用的协议。

　　1.BRAIN计划是IST的研究课题。BRAIN网络结构包括一个BRAIN接入网(BAN)、一些BRAIN移动性网关(BMGs)、一个BRAIN接入路由器(BAR)，以及一个基于IP的核心网。网络单元由IETF标准协议引入以适于网络的演进与灵活性。接入网是基于IP，而接入路由器是移动结点与接入网的接口。网关位于接入网与核心网之间。

　　2.MIRAI是日本的国家计划以实现异种无线系统之间的无缝集成。MIRAI由4个主要的建筑模块组成：移动主机、无线接入网(RANs)、公共核心网(CCN)，及一个外部IP网。CCN包括一个资源管理器(RM)，在网中进行资源及移动性管理。网关路由器的作用是CCN与外部IP网的接口。

　　上述网络目前尚在开发之中，计划在2010年可以实用。但它们都是基于专用的RANs以连接用户与核心网。这种基于专用的RANs有一系列缺点。应该有一种基于公众IP网络的开放式结构。下面是三星公司建议的一种方案。

　　3.一种开放式网络结构示于图2中。它包括一个公众的IP网络、一个身份验证、优先级、计费(AAA)服务器、一个驻地代理(HA)及一些无线接入点(RAPs)。这些网络单元在公众网中形成一个虚拟专用接入网。这些网络单元的功能如下：

图2 开放式网络结构

　　·HA：用户注册及移动台的位置管理；

　　·AAA服务器：管理用户的身份认证、优先级及计费；

　　·RAP：路由器与移动终端的连接点，无线链路功能的终端点。

　　网络单元之间的控制信令是封装后由一种安全方式加以传输。例如采用虚拟专用网(VPN)及资源预约协议(RSVP)，同时用户数据则由Internet直接传输。通过互连网协议的通信，网络单元形成了各种控制功能，例如切换、允许接入控制、资源管理及AAA等。用这种方法一种基于IP而不用新的网络及新的协议的专用网就建立起来了。这样一来，网络结构是可扩展的，建立一个专用网的价格是最小的。

四、4G MIMO-OFDM广带无线系统

　　为了满足4G所要求的高性能，如在非视线环境下提供大的覆盖(在一个小区>90%的用户)、可靠的传输(>99.9%可靠性)、高的峰值数据率(>1Mb/s)以高的频谱有效性(>4b/s/Hz/扇区)。这些要求可用前述强有力的关键技术，特别是MIMO和OFDM构成MIMO-OFDM广带无线系统来实现。其物理层尚包含AMC及复合ARQ。对这一系统方案人们进行了多方面的研究，并完成了实验室及现场试验。试验结果证明可达到预期的效果。下面作一些简单的介绍。

　1.MIMO-OFDM的体系结构——主要讨论一些关键的设计与算法的选择

　　(1)发射分集在下行链路的发射选用延迟分集，它比较简单而有好的性能，又不需要反馈信息。在发射机引入延迟，可在接收信道响应中产生频率选择性。配合采用适合的编码与交织可以获得空-时分集增益，此时发射机并不需要信道的知识。初步现场试验表明延迟分集可获得2～6dB的增益。

　　(2)空间复用有可能在两个基站天线分别发射两个编码的数据流。一个高数据率的数据可以复用成一系列低数据率的流，将其进行编码、调制，并在同一时隙和不同子频带上发射。三个接收天线接收两个发射信息的线性组合。接收机采用空间均衡器来区分开两个信号，并解调、解码和分路以产生原始信号。由于通常空间均衡器采用某种形式的信道矩阵的反变换，只要接收天线的数目大于或等于独立的发射信号就可能获得唯一解。链路自适应层在单个用户的基础上观察信道条件，并去决定最优的发射方式:多路复用或分集。

　　(3)接收分集及干扰消除由于有3个接收天线，接收分集在BTS和CPE中均可应用。分集采用最大比合并(MRC)算法。它有天然的干扰抑制功能，因它只与希望的空间信号匹配。但它不能抑制空间复用所产生的强干扰，这些空间流相互都产生干扰。同时也不能抑制邻小区由于频率重用产生的强同频信道干扰。此时可采用最小均方误差(MMSE)算法，以获得最大的SINR。

　　(4)信道估计每个天线发射各自的训练频率进行信道估计，这些训练频率是相互正交的，因而信道特性可唯一地确定。这些训练频率的间隔小于信道相干带宽，从而使信道在训练频率之间可以进行内插。

　　(5)自适应调制与编码系统对每个用户的链路参数优化以达到最大化系统容量。这里有多个电平的编码与调制可在特定时间和位置和用户QoS的要求，基于用户SINR统计值对每一用户的数据流进行优化。QAM的电平可由4到64。编码为打孔的卷积码与RS码的组合。有6种QAM与编码的组合方式，称为编码模式。1-6编码模式对应于1.1-6.8Mb/s的数据率(在2MHz信道)。

　2.现场试验结果

　　现场试验BTS天线装于屋顶上高49ft，EPE位于半径为3.5mi小区内。下行链路频率为2.683GHz，上行链路频率为2.545GHz.信道带宽为2MHz。BTS发射与接收天线相距分别为16及8个波长。天线增益为16dBi，水平方向角为100°。

　　2×3 MIMO-OFDM无线系统试验结果如下：

　　·衰落容限(99.9%链路可靠性)

　　对2×3，1×2及1×1无线系统分别为10dB、23dB与35dB。此时为瑞利衰落信道，无延迟扩展及0天线相关。

　　·小区范围

　　对2×3、1×2及1×1天线系统对小区范围90%的覆盖半径分别为4.0mi、2.7mi及1.6mi。

　　·数据率

　　对2×3、1×2及1×1天线系统峰值数据率分别为6.8×2=13.6Mb/s、6.8Mb/s、6.8Mb/s。

　　上述试验表明，MIMO-OFDM在容量、覆盖和可靠性上比SISO、MISO或SIMO系统有显著的增加。它是一种实现B3G/4G有希望的技术方案。

----《中国通信》