新一代移動(dòng)通信系統(tǒng)及無線傳輸關(guān)鍵技術(shù)

1、引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步，移動(dòng)通信技術(shù)正在經(jīng)歷著日新月異的變化。當(dāng)人們還在研究和部署第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)的同時(shí)，為了適應(yīng)將來通信的要求，國(guó)際通信界已經(jīng)開始著手研究新一代的移動(dòng)通信系統(tǒng)。目前，對(duì)于新一代的移動(dòng)系統(tǒng)還無法精確定義，但這種新一代移動(dòng)通信系統(tǒng)在概念和技術(shù)上與4G系統(tǒng)和Beyond 3G系統(tǒng)大致相同，因此本文所討論的這種通信系統(tǒng)就是基于4G和Beyond 3G的新一代移動(dòng)通信系統(tǒng)。

2、新一代移動(dòng)通信系統(tǒng)的特點(diǎn)

新一代移動(dòng)通信系統(tǒng)既是在已有通信系統(tǒng)上的平滑演進(jìn)，也有著自己的顯著特點(diǎn)，這些特點(diǎn)主要有：

（1）新一代通信系統(tǒng)支持更高速率的通信，比特速率可達(dá)100Mb/s。這樣才能更好的適應(yīng)用戶對(duì)寬帶業(yè)務(wù)的需求。

（2）新一代通信系統(tǒng)支持更豐富的移動(dòng)業(yè)務(wù)，與Internet的結(jié)合更加密切，不僅包括現(xiàn)有的語(yǔ)音業(yè)務(wù)，而且還包括高清晰度圖像業(yè)務(wù)、網(wǎng)上銀行、無線定位和虛擬現(xiàn)實(shí)業(yè)務(wù)等，使用戶在任何時(shí)間、任何地方都可以獲得任何所需的信息服務(wù)。這也是未來移動(dòng)通信業(yè)務(wù)的發(fā)展方向。

（3）新一代移動(dòng)通信系統(tǒng)具有開放的結(jié)構(gòu)，將更充分的與無線局域網(wǎng)、藍(lán)牙、Ad hoc、WiMAX和UWB網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，同時(shí)可以更好的支持手機(jī)互助功能，實(shí)現(xiàn)可穿戴無線電。

（4）新的移動(dòng)系統(tǒng)將是一個(gè)高度自治的自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)，能對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行自適應(yīng)管理，可采用分布式管理和多跳結(jié)構(gòu)，從而滿足用戶在業(yè)務(wù)和容量上的變化和演進(jìn)。

（5）為了滿足對(duì)特定數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的要求，新一代移動(dòng)通信系統(tǒng)將采用更先進(jìn)的算法提高網(wǎng)絡(luò)的安全性。

（6）新一代移動(dòng)通信系統(tǒng)能夠很好兼容以往的無線通信網(wǎng)絡(luò)，使得現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)投資可以得到很好的使用，這也是新一代移動(dòng)通信系統(tǒng)能夠商用的重要保證。

3、新一代移動(dòng)通信系統(tǒng)的頻譜分配

由于新一代移動(dòng)通信系統(tǒng)還處于探索和研究階段，因此，對(duì)新一代移動(dòng)通信系統(tǒng)的頻譜分配還沒有非常確切的劃分。目前，隨著GSM、PHS、CDMA、WCDMA、WLAN、衛(wèi)星與微波通信等無線通信系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)，有效的頻譜資源已經(jīng)變得非常緊缺。對(duì)于3G系統(tǒng)而言，世界無線通信會(huì)議WRC-2000規(guī)定1900MHz～2025MHz和2110MHz～2200MHz頻段分配給3G系統(tǒng)和衛(wèi)星通信使用，將806 MHz～960MHz、1710MHz～1815MHz和2500MHz～2690MHz頻段作為3G發(fā)展以后的備用頻譜。而對(duì)于新一代移動(dòng)通信系統(tǒng)而言，由于其融合了多種無線網(wǎng)絡(luò)和移動(dòng)通信系統(tǒng)，為了滿足更高的通信速率、移動(dòng)數(shù)據(jù)和視頻業(yè)務(wù)的快速增長(zhǎng)和便于全球漫游的目標(biāo)，則需要更多的帶寬。因而如何有效整合現(xiàn)有頻譜資源，提供能夠滿足新一代移動(dòng)通信系統(tǒng)要求的頻段還需做進(jìn)一步的研究工作。

4、新一代移動(dòng)通信系統(tǒng)的無線通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架

新一代移動(dòng)通信系統(tǒng)是移動(dòng)通信系統(tǒng)演進(jìn)過程中的一個(gè)階段和目標(biāo)，它不僅采用新的無線傳輸技術(shù)提高通信系統(tǒng)的性能，而且與現(xiàn)有的各種有線與無線網(wǎng)絡(luò)相融合；它不僅包含現(xiàn)有的移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，而且在某些環(huán)境下也可以采用Ad hoc方式進(jìn)行組網(wǎng)，或者采用兩種結(jié)構(gòu)的組合形式，形成蜂窩網(wǎng)絡(luò)下的兩跳或多跳網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)方式。一般而言，蜂窩網(wǎng)絡(luò)是一種廣覆蓋的網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方式，它的目標(biāo)是在有限的頻率和功率資源前提下實(shí)現(xiàn)廣域的無線覆蓋。與蜂窩網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相比，Ad hoc移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形式更加靈活，它采用分布式管理技術(shù)，由一組自主的無線節(jié)點(diǎn)相互合作而形成移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，其中，無線節(jié)點(diǎn)既是一般意義上的移動(dòng)終端，又可以作為無線中繼和路由設(shè)備對(duì)其他用戶的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，因此具有動(dòng)態(tài)搜索，快速建網(wǎng)和網(wǎng)絡(luò)自恢復(fù)的能力，有著廣泛的應(yīng)用前景。鑒于Ad hoc在無線組網(wǎng)和下一代無線網(wǎng)絡(luò)的重要地位，IETF（Internet Engineering Task Force）已經(jīng)成立了MANET工作組，進(jìn)行Ad hoc網(wǎng)絡(luò)的研究。此外，近幾年來，隨著UWB（超寬帶）技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，無線網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)在工作時(shí)可以發(fā)送出大量的非常短和快的能量脈沖，其發(fā)射信號(hào)功率譜密度較低，非常適合作為新一代移動(dòng)通信系統(tǒng)中個(gè)域網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)技術(shù)。

隨著基于控制與承載相分離思想的軟交換技術(shù)的不斷發(fā)展與成熟，以及基于交換與業(yè)務(wù)控制相分離的可以快速實(shí)現(xiàn)各種增值業(yè)務(wù)的智能網(wǎng)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，它們?cè)谛乱淮苿?dòng)通信系統(tǒng)中將發(fā)揮更大的作用。此外，隨著IP技術(shù)的廣泛應(yīng)用，業(yè)界廣泛認(rèn)為基于新一代移動(dòng)通信的通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)發(fā)展趨勢(shì)是以IP網(wǎng)絡(luò)為核心，其框架結(jié)構(gòu)可以由圖1表示，這里各個(gè)系統(tǒng)采用基于IP的分組方式傳送數(shù)據(jù)流，體現(xiàn)了下一代網(wǎng)絡(luò)以IP為核心互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。同時(shí)，伴隨網(wǎng)絡(luò)容量和用戶的快速發(fā)展，IPv6技術(shù)將成為下一代網(wǎng)絡(luò)的核心協(xié)議。

圖1　新一代移動(dòng)通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架及其接入方式

從新一代移動(dòng)通信系統(tǒng)無線接入網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍和實(shí)現(xiàn)技術(shù)來看，業(yè)界普遍認(rèn)為基于新一代移動(dòng)通信系統(tǒng)的未來無線網(wǎng)絡(luò)將主要由三個(gè)層面的網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)：無線個(gè)域網(wǎng)、無線局域網(wǎng)和基于蜂窩結(jié)構(gòu)的移動(dòng)通信網(wǎng)。由此可以看出新一代移動(dòng)通信系統(tǒng)的無線側(cè)將是一個(gè)不同無線接入網(wǎng)絡(luò)的異構(gòu)融合體，這些系統(tǒng)在同層之間可以實(shí)現(xiàn)水平切換，在不同層之間進(jìn)行垂直切換以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)間的互聯(lián)互通，其中無線個(gè)域網(wǎng)絡(luò)主要應(yīng)用于個(gè)人和家庭范圍內(nèi)進(jìn)行短距離無線通信，現(xiàn)在的無繩電話系統(tǒng)和未來即將出現(xiàn)的可穿戴無線系統(tǒng)就是典型的應(yīng)用；無線局域網(wǎng)是指基于IEEE802.11等國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的無線網(wǎng)絡(luò)，其覆蓋范圍和容量都比個(gè)域網(wǎng)大；基于蜂窩結(jié)構(gòu)的移動(dòng)通信網(wǎng)則是指包含現(xiàn)有2G、即將部署的3G以及將來出現(xiàn)的各種蜂窩移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)（包含目前已成為3G標(biāo)準(zhǔn)之一的WiMAX網(wǎng)絡(luò)），這些系統(tǒng)是可以實(shí)現(xiàn)跨地區(qū)漫游和移動(dòng)性管理的廣域通信網(wǎng)絡(luò)。從用戶或者無線終端的角度來看，在部分地區(qū)，無線終端可能只由一個(gè)網(wǎng)絡(luò)覆蓋，這時(shí)，終端設(shè)備毫無選擇的接入這個(gè)系統(tǒng)；而在很多地方，無線終端可能由多個(gè)層次的網(wǎng)絡(luò)共同覆蓋，這時(shí)終端不僅可以根據(jù)用戶對(duì)業(yè)務(wù)、網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷和QoS的要求選擇最優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)接入，而且可以隨著無線信道的變化和用戶的移動(dòng)，在特定的網(wǎng)絡(luò)層次內(nèi)進(jìn)行有效的水平切換和在不同網(wǎng)絡(luò)層次之間進(jìn)行無縫的垂直切換，由此可見新的移動(dòng)通信系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)、業(yè)務(wù)和覆蓋等多方面的無縫性，是一種真正意義上的無縫通信網(wǎng)。當(dāng)然，為了能夠?qū)崿F(xiàn)這樣理想的網(wǎng)絡(luò)性能，也對(duì)手機(jī)終端的處理能力提出了很高的要求，而這又與電子器件工藝及其處理速度和能力有直接的聯(lián)系，所以從某種意義上說新一代移動(dòng)通信系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)是需要整個(gè)通信電子領(lǐng)域全方位技術(shù)發(fā)展的支撐。

5、新一代移動(dòng)通信系統(tǒng)的無線傳輸技術(shù)

在移動(dòng)通信系統(tǒng)中，由于大量無線信道的不可預(yù)測(cè)性，以及新一代移動(dòng)通信系統(tǒng)中不同業(yè)務(wù)和不同用戶之間的不均勻的業(yè)務(wù)量，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)所引起的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變化、對(duì)寬帶高速率通信的要求和不同異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間的無縫互聯(lián)等對(duì)新一代移動(dòng)系統(tǒng)提出了很高的要求。因此為了實(shí)現(xiàn)新一代移動(dòng)通信系統(tǒng)的要求，需要采用更為先進(jìn)的無線傳輸技術(shù)。

（1）OFDM技術(shù)

OFDM是一種多載波調(diào)制技術(shù)，其核心思想是將信道分成若干正交子信道，將高速數(shù)據(jù)信號(hào)轉(zhuǎn)換成并行的低速數(shù)據(jù)流，調(diào)制在每個(gè)子信道上進(jìn)行傳輸。這種調(diào)制傳輸技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于：一方面可以提高信號(hào)的傳輸速率，另一方面又可以減少無線信道所帶來的符號(hào)間干擾（ISI）；同時(shí)，由于每個(gè)子載波都保持正交，所以也避免了子信道之間的相互干擾（ICI）。

但是作為一種多載波傳輸系統(tǒng)，OFDM對(duì)頻率偏差影響較為敏感，且存在較高的峰值平均功率比，目前這是業(yè)界重點(diǎn)需要解決的問題。

（2）軟件無線電技術(shù)

軟件無線電是目前學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界關(guān)注的熱點(diǎn)之一，它的基本思想是在可編程控制的通用硬件平臺(tái)上，利用軟件來定義和實(shí)現(xiàn)無線電臺(tái)的各模塊功能。具體來說就是將A/D、D/A變換盡量靠近射頻前端，應(yīng)用寬帶天線或多頻段天線，將整個(gè)RF段或中頻段進(jìn)行A/D變換，這之后的處理均由通用處理器或DSP器件完成。因此軟件無線電技術(shù)具有設(shè)計(jì)靈活、結(jié)構(gòu)開放的特點(diǎn)，它可以使處于不同頻段、不同網(wǎng)絡(luò)和不同業(yè)務(wù)下的移動(dòng)終端進(jìn)行靈活的網(wǎng)絡(luò)與業(yè)務(wù)選擇，有效實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)重選、智能頻譜分配和水平與垂直切換，實(shí)現(xiàn)真正意義上的個(gè)人移動(dòng)通信。目前，在有效實(shí)現(xiàn)軟件無線電中多頻段轉(zhuǎn)換、高速并行DSP處理和高開放性與擴(kuò)展性的總線結(jié)構(gòu)等設(shè)計(jì)的同時(shí)，如何進(jìn)一步降低基于軟件無線電的設(shè)備功耗、體積和成本也是其能否走向?qū)嵱没蜕逃没年P(guān)鍵因素。

（3）智能天線

智能天線是未來移動(dòng)通信的關(guān)鍵技術(shù)之一。它具有自動(dòng)跟蹤目標(biāo)信號(hào)，抑制無用干擾信號(hào)的智能功能。通過它的使用可以增加系統(tǒng)容量和增加覆蓋范圍，并有效節(jié)省無線設(shè)備的發(fā)送功率，因此被業(yè)界普遍認(rèn)為是提高移動(dòng)通信系統(tǒng)性能的關(guān)鍵技術(shù)之一。
智能天線主要由兩部分實(shí)現(xiàn)：天線陣列和自適應(yīng)算法。其中天線陣列是多個(gè)天線陣元組成的一個(gè)無線信號(hào)發(fā)送（接收）裝置，通過對(duì)不同陣元上的發(fā)送（接收）信號(hào)進(jìn)行空時(shí)處理，可以使有效信號(hào)方向上產(chǎn)生的增益得到加強(qiáng)而在干擾信號(hào)方向上產(chǎn)生“陷點(diǎn)”；自適應(yīng)算法是智能天線的核心，在不同波束形成準(zhǔn)則（如最小均方誤差準(zhǔn)則、最小二乘準(zhǔn)則和最小方差準(zhǔn)則等）約束下的自適應(yīng)算法可以動(dòng)態(tài)地跟蹤有用信號(hào)，從而有效實(shí)現(xiàn)天線的智能性。

目前，如何減小智能天線自適應(yīng)算法的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度，提高智能天線用戶跟蹤的數(shù)量和系統(tǒng)容量是其研究的重點(diǎn)。

（4）信道編碼技術(shù)

信道編碼技術(shù)是移動(dòng)通信系統(tǒng)抗多徑衰落的重要方法。在3G通信系統(tǒng)中，采用了卷積碼和Turbo碼等信道編碼技術(shù)。新一代移動(dòng)通信系統(tǒng)將在此基礎(chǔ)上采用更高級(jí)的信道編碼方案，這些編碼如基于Turbo碼的改進(jìn)編譯碼算法和LDPC等，它們都是具有接近香農(nóng)限的好碼，能在較低的Eb/No下保證足夠的解碼性能。其中LDPC碼由于其解碼較為簡(jiǎn)單而受到業(yè)界的廣泛關(guān)注。

（5）信源編碼技術(shù)

移動(dòng)通信系統(tǒng)中信源編碼包含語(yǔ)音編碼和圖像編碼。對(duì)于語(yǔ)音編碼而言，3G移動(dòng)通信系統(tǒng)采用AMR編碼方法，新一代移動(dòng)通信系統(tǒng)為了提高系統(tǒng)容量也會(huì)采用基于波形和參數(shù)編碼的混合編碼方法，隨著參數(shù)編碼技術(shù)的提高，也不能排除采用純參數(shù)編碼的聲碼器來實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音編碼的可能。

隨著基于視頻的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)在移動(dòng)通信系統(tǒng)中的應(yīng)用，圖像和視頻編碼技術(shù)在新一代移動(dòng)通信系統(tǒng)中的作用尤為重要。目前，H.263、MPEG4和H.264等編碼技術(shù)都是實(shí)現(xiàn)低碼率壓縮編碼的重要標(biāo)準(zhǔn)。此外，在移動(dòng)通信的多徑衰落環(huán)境下，研究具有較好的抗衰落效應(yīng)的誤碼掩蓋技術(shù)也是視頻編碼的研究方向。

（6）MIMO技術(shù)

MIMO（多輸入多輸出）技術(shù)是最近幾年引起廣泛研究和關(guān)注的無線傳輸技術(shù)，該技術(shù)利用發(fā)送端和接收端的多天線來抗無線信道衰落，從而有效提高無線系統(tǒng)的容量，其本質(zhì)是一種基于空域和時(shí)域聯(lián)合分集的通信信號(hào)處理方法。理論和計(jì)算機(jī)仿真表明基于MIMO的無線系統(tǒng)信道容量隨著天線數(shù)量的增大而線性增大，因此具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。目前MIMO技術(shù)領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)就是空時(shí)編碼。常見的編碼方法主要有空時(shí)分組碼、空時(shí)格碼和BLAST碼。

（7）自適應(yīng)無線傳輸技術(shù)

實(shí)現(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)的智能性是通信技術(shù)發(fā)展的不斷追求目標(biāo)，其中自適應(yīng)技術(shù)就是系統(tǒng)智能性的一種體現(xiàn)。所謂自適應(yīng)無線傳輸技術(shù)，是指移動(dòng)通信設(shè)備能夠根據(jù)無線網(wǎng)絡(luò)的不同情況選取不同的傳輸方式來獲得最佳的無線傳輸效果。在基于新一代的移動(dòng)通信系統(tǒng)中，這種自適應(yīng)無線傳輸技術(shù)將得到廣泛的采用。其中信源信道聯(lián)合編碼技術(shù)、OFDM子載波自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)就是自適應(yīng)技術(shù)的很好體現(xiàn)。

（8）迭代接收技術(shù)

可靠性是通信的基本要求，而迭代技術(shù)可以極大的提高接收系統(tǒng)的可靠性。迭代接收是指在接收端通過多次循環(huán)迭代使得接收機(jī)的檢測(cè)和解碼性能達(dá)到最佳。一般而言，前一次迭代的結(jié)果總是作為本次迭代的部分輸入，而且迭代次數(shù)越多，接收機(jī)的解碼性能越好，但系統(tǒng)復(fù)雜度也相應(yīng)增加，因此在實(shí)際實(shí)現(xiàn)時(shí)要在性能和復(fù)雜度之間進(jìn)行折衷。迭代技術(shù)從Turbo碼的迭代譯碼技術(shù)發(fā)展而來，目前得到了更為廣泛的應(yīng)用。目前，Turbo迭代信道估計(jì)和解碼、波束形成和解碼的聯(lián)合迭代接收、面向MIMO的迭代接收技術(shù)都是迭代接收技術(shù)具體應(yīng)用的體現(xiàn)。隨著硬件器件和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的飛速發(fā)展，這些迭代技術(shù)將會(huì)在后幾代通信技術(shù)中得到廣泛應(yīng)用。

（9）智能頻譜分配技術(shù)

隨著移動(dòng)和無線通信系統(tǒng)的發(fā)展，無線頻譜資源日益成為這些系統(tǒng)的發(fā)展瓶頸。無線頻譜資源的有效利用，既可以提高移動(dòng)通信系統(tǒng)的通信質(zhì)量，又可以有效提高通信系統(tǒng)的容量，基于頻譜自適應(yīng)檢測(cè)的智能頻譜分配技術(shù)是實(shí)現(xiàn)這些優(yōu)勢(shì)的有效方法。首先，在未來多個(gè)無線通信系統(tǒng)共存的情況下，移動(dòng)終端可以通過頻譜檢測(cè)自動(dòng)接入到空閑的無線通信系統(tǒng)，使不同系統(tǒng)間實(shí)現(xiàn)有效的負(fù)荷均衡和QoS保證；其次，通過智能頻譜分配技術(shù)，移動(dòng)終端和接入設(shè)備之間可以動(dòng)態(tài)選擇信道，進(jìn)而提高無線通信系統(tǒng)的通信質(zhì)量。目前，基于智能頻譜分配技術(shù)的主要研究領(lǐng)域有基于頻譜感知的MAC層接入技術(shù)和基于頻譜感知的多網(wǎng)絡(luò)資源管理等。

6、小結(jié)

新一代移動(dòng)通信系統(tǒng)在目前還只是一個(gè)概念和輪廓，本文結(jié)合業(yè)界的發(fā)展趨勢(shì)，在相關(guān)技術(shù)文獻(xiàn)報(bào)道的基礎(chǔ)上綜合闡述了對(duì)新一代移動(dòng)通信系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)和理解。隨著技術(shù)與市場(chǎng)的發(fā)展和驅(qū)動(dòng)，關(guān)于新的移動(dòng)通信系統(tǒng)的概念和標(biāo)準(zhǔn)將會(huì)越來越清晰。同時(shí)，作為實(shí)現(xiàn)新一代移動(dòng)通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)也將會(huì)逐漸成熟，最終實(shí)現(xiàn)不同移動(dòng)和無線網(wǎng)絡(luò)的有效融合，達(dá)到理想個(gè)人通信的美好藍(lán)圖。