未来无线通信领域的新技术

要害词：码分多址；正交频分复用；超宽带

Abstract:The paper discusses some key technologies that will influence wireless communication in the future, sUCh as wireless communication in buildings and challenges encountered during the evolution from CDMA to 4G. It additionally analyzes the measures to imPRove the frequency spectrum utilization ratio, such as orthogonal frequency division multiplexing (OFDM), ultra wideband (UWB), space-time modulation and coding, Ad hoc network and trans-layer network optimization.

Key Words:CDMA; OFDM; UWB

    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公司把码分多址(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)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 (MEO) 卫星和地面站设施昂贵，用户难以承担每分钟3美元的全球漫游业务费，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治理等技术后来被其他系统成功应用。另一个例子是，Metricom公司利用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公司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是多载频传输的非凡形式。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易于与软件无线电、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。

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练习序列抵消信道失真，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反抗多径干扰。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练习序列、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。

2 Ad hoc网络
    1968年研究的ALOHA协议在固定节点的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难通信。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治理，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)必须优化功率治理和媒体访问控制(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、支持各种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。

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。跨层自适应答应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，这种方法不答应层次间有相互作用，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。

4 参考文献
    [1] Theodore S, Rappaport A, Annamalai R M. Wireless Communications: Past Events and a Future Perspective [J]. IEEE Communications Magazine,2002(5):148-161.
    [2] 谈振辉. 第三代移动通信系统的演进趋势 [J]. 电信科学, 2000,16(5):32-34.

作者简介：

谈振辉，工学博士，北京交通大学校长，教授，博士生导师。第一、二、三届国家“863”计划通信主题个人通信专业专家组成员。现从事无线ATM、扩频通信、个人通信方面的研究。