分布式移動(dòng)通信系統及其關(guān)鍵技術(shù)

一、引言

　　近十幾年來(lái)，移動(dòng)通信發(fā)展迅速，可用的無(wú)線(xiàn)頻譜資源不斷上移，無(wú)線(xiàn)信號的衰減愈發(fā)嚴重，小區半徑不斷縮小。隨著(zhù)移動(dòng)通信的進(jìn)一步發(fā)展，傳統的蜂窩通信體制受到限制。這主要表現在：小區半徑的不斷縮小意味著(zhù)基站密度增大，網(wǎng)絡(luò )建設的成本增高。同時(shí)，頻繁的越區切換造成空中資源浪費，頻譜效率也因此降低。所以，研究新一代的移動(dòng)通信系統，突破傳統蜂窩體制的限制，以獲取更高的頻譜效率和更大的系統容量是很有必要的。

　　隨著(zhù)小區半徑的不斷縮小，一種直觀(guān)的想法是簡(jiǎn)化基站的結構和功能，使之成為無(wú)線(xiàn)信號的收發(fā)裝置和進(jìn)行信號預處理的“無(wú)線(xiàn)信號處理單元”?，F有的研究表明，分布式天線(xiàn)（Distributed Antennas）是移動(dòng)無(wú)線(xiàn)通信中可以采用的天線(xiàn)子系統形式之一。在采用分布式天線(xiàn)的移動(dòng)通信系統中，每個(gè)小區范圍內有多個(gè)相距遠大于載波波長(cháng)、僅具有功放、LNA和變頻、信號預處理等簡(jiǎn)化功能的無(wú)線(xiàn)信號處理單元。這些無(wú)線(xiàn)信號處理單元只需完成信號的收、發(fā)功能和進(jìn)行簡(jiǎn)單的信號預處理，并通過(guò)光纖、同軸電纜或微波無(wú)線(xiàn)信道與核心處理單元（如基站）連接，在核心處理單元完成信號處理功能。

　　最簡(jiǎn)單的實(shí)現方案是每個(gè)小區在所有的無(wú)線(xiàn)信號處理單元上同時(shí)發(fā)射相同的下行鏈路信號，上行鏈路信號被小區內所有的無(wú)線(xiàn)信號處理單元接收并傳送到中心處理單元。傳統的蜂窩移動(dòng)通信系統采用的單一天線(xiàn)可看作是分布式天線(xiàn)的一種極限情況。這種實(shí)現方案雖然簡(jiǎn)單，但是造成系統中的干擾增加，不利于系統容量的提高。

　　另一種方案是突破蜂窩小區的概念，在整個(gè)業(yè)務(wù)區域內用大量的無(wú)線(xiàn)信號處理單元來(lái)完成無(wú)線(xiàn)覆蓋的分布式天線(xiàn)結構。僅與移動(dòng)臺相近的信號處理單元負責與移動(dòng)臺進(jìn)行通信，這稱(chēng)為受控天線(xiàn)子系統。這種方案較為理想，但實(shí)現復雜度較高。

　　在采用RAKE接收機和空時(shí)域信號處理技術(shù)的CDMA無(wú)線(xiàn)接入通信系統中，分布式天線(xiàn)系統是很理想的天線(xiàn)子系統方案。當前的分布式天線(xiàn)系統應用研究主要是針對碼分多址移動(dòng)通信系統的。分布式天線(xiàn)既可以實(shí)現室內無(wú)線(xiàn)覆蓋，又可以在室外移動(dòng)無(wú)線(xiàn)通信系統中采用。與傳統的單一天線(xiàn)相比，分布式天線(xiàn)具有如下優(yōu)點(diǎn)：

　　●小區間干擾低，因而SIR高，系統容量大；

　　●內在的分集能力可以抗陰影效應，抗衰落，提高系統容量；

　　●切換性能全面提高，接收信號功率更高，切換次數降低；

　　●對其他通信系統的干擾??；

　　●在相同發(fā)射功率下覆蓋的區域更大；

　　●在相同覆蓋區域情況下，發(fā)射功率更低；

　　●實(shí)現任意形狀的無(wú)線(xiàn)業(yè)務(wù)服務(wù)區更方便；

　　●信號在核心處理單元集中處理有利于無(wú)線(xiàn)資源的利用等。

二、分布式移動(dòng)通信系統的體系結構

　　分布式移動(dòng)通信系統由以下幾個(gè)部分組成：

　?。?）無(wú)線(xiàn)信號處理單元 用于處理空中信號的接收和發(fā)射，并進(jìn)行信號的預處理。

　?。?）“虛擬小區”中央控制器 作為“虛擬小區”的核心處理器，用于處理“虛擬小區”中的空中資源管理等。

　?。?）移動(dòng)交換中心和其它核心網(wǎng)絡(luò )設備 用于管理和控制虛擬小區的中央控制器，負責網(wǎng)絡(luò )管理和用戶(hù)管理等。

　　在分布式移動(dòng)通信系統的各組成部分中，無(wú)線(xiàn)信號處理單元僅用于進(jìn)行分布式接入和接收信號的預處理。這是因為在分布式移動(dòng)通信系統中，無(wú)線(xiàn)信號處理單元之間的距離遠大于載波波長(cháng)，并且移動(dòng)臺距離無(wú)線(xiàn)信號處理單元的遠近各不相同，移動(dòng)臺可能需要同時(shí)與數個(gè)無(wú)線(xiàn)信號處理單元通信。這種情況與3G中的發(fā)分集技術(shù)，以及智能天線(xiàn)技術(shù)所面臨的通信環(huán)境均不相同，系統的多址方式和系統同步等成為需要解決的首要問(wèn)題?？紤]到移動(dòng)臺到無(wú)線(xiàn)信號處理單元的距離比較近，信號傳播的時(shí)延差別比較小，由信號傳播時(shí)延不同引起的同步問(wèn)題可以通過(guò)信號設計、新的傳輸技術(shù)，以及空時(shí)分集接收等技術(shù)加以解決。

　　因此，對于分布式移動(dòng)通信系統，從單個(gè)移動(dòng)臺的角度觀(guān)察，類(lèi)似于收發(fā)分集系統的信號。同時(shí)，可以采用2D RAKE接收機來(lái)處理空間分集信號，提高接收機的輸出信噪比。從反向鏈路看，為了抑制干擾，提高系統容量，無(wú)線(xiàn)信號處理單元需要包括多用戶(hù)檢測和處理功能，以保證具有同時(shí)與多個(gè)用戶(hù)通信的能力。即從網(wǎng)絡(luò )看，各個(gè)無(wú)線(xiàn)信號處理單元具有相對獨立的信號處理能力，從而構成分布式處理網(wǎng)絡(luò )。這可以看成“分布式移動(dòng)通信系統”中“分布式”更深一層的含義。

三、分布式移動(dòng)通信系統中的關(guān)鍵技術(shù)

　　分布式接入和分布式信號處理是提高新一代移動(dòng)通信系統容量和頻譜效率的途徑之一，但也是難點(diǎn)。分布式移動(dòng)通信系統中的關(guān)鍵技術(shù)包括以下幾種。

　　1.發(fā)分集與收分集技術(shù)

　　分布式移動(dòng)通信系統與收、發(fā)分集技術(shù)密切相關(guān)。但是需要注意的是，分布式移動(dòng)通信系統中發(fā)分集和收分集技術(shù)與傳統意義上的收、發(fā)分集技術(shù)有明顯的區別。

　　對前向鏈路，發(fā)分集可以獲得空間分集增益，改善接收信號的質(zhì)量。在傳統的蜂窩移動(dòng)通信系統中，假設各個(gè)發(fā)天線(xiàn)到移動(dòng)臺的距離近似相等，只需要調整不同發(fā)天線(xiàn)的信號相位就可以實(shí)現接收信號的同步。而對于分布式移動(dòng)通信系統而言，不同的無(wú)線(xiàn)信號處理單元與移動(dòng)臺之間距離近似相等的條件不再滿(mǎn)足。但是，由于分布式移動(dòng)通信系統中無(wú)線(xiàn)信號處理單元距離移動(dòng)臺的距離比傳統蜂窩通信系統中基站到移動(dòng)臺的距離小得多，發(fā)射信號到達移動(dòng)臺的時(shí)間差并不大。因此，可以用路徑分集的思路收集不同天線(xiàn)發(fā)射的信號。更進(jìn)一步，還可以用多載波技術(shù)延長(cháng)符號時(shí)間，來(lái)減小到達時(shí)間差對正確檢測接收信號的影響。

　　對于反向鏈路，無(wú)線(xiàn)信號處理單元則需要具有空時(shí)多用戶(hù)檢測能力，來(lái)抑制干擾，提高接收信號的信噪比，降低檢測門(mén)限。

　　因此，在分布式移動(dòng)通信系統中，要綜合采用各種分集接收方法。這樣雖然增加了系統的復雜度，但可以獲得分集增益，明顯提高系統的容量和性能。

　　2.智能天線(xiàn)與空時(shí)二維信號處理技術(shù)

　　采用智能天線(xiàn)技術(shù)可極大地提高系統性能。在分布式移動(dòng)通信系統中，研究智能天線(xiàn)和空時(shí)二維信號處理技術(shù)可減少和抑制干擾，對保證系統的正常工作具有重要意義。這也是分布式移動(dòng)通信系統的主要特色之一，即充分利用空域資源來(lái)獲得系統容量和頻譜效率的提高。

　　目前用于上行接收的智能天線(xiàn)技術(shù)已經(jīng)日趨成熟。在分布式移動(dòng)通信系統中，可以考慮將智能天線(xiàn)技術(shù)應用于上、下行鏈路的接收端。這主要基于下面三個(gè)原因：

　　●隨著(zhù)可用頻率資源的上移，載波波長(cháng)越來(lái)越小。對于3G系統，半個(gè)載波波長(cháng)在7.5cm左右。對新一代分布式移動(dòng)通信系統，其載波波長(cháng)會(huì )更小。因此，有條件在移動(dòng)終端實(shí)現2到4個(gè)陣元的天線(xiàn)陣列。

　　●隨著(zhù)大規模集成電路技術(shù)的發(fā)展，集成芯片的處理能力不斷增強，功耗不斷下降，為實(shí)現智能天線(xiàn)算法提供了硬件基礎。

　　●智能天線(xiàn)技術(shù)逐漸成熟。如線(xiàn)性自適應空域濾波算法已經(jīng)具有較高的收斂速度和穩態(tài)性能，且線(xiàn)性自適應算法可以采用迭代方法實(shí)現，這為智能天線(xiàn)技術(shù)的實(shí)用化奠定了基礎。

　　傳統的智能天線(xiàn)技術(shù)是單空域處理技術(shù)，而RAKE接收機、多用戶(hù)檢測等技術(shù)則屬于時(shí)域信號處理技術(shù)，二者之間存在一定的互補性。綜合二者優(yōu)點(diǎn)來(lái)設計空時(shí)二維接收機，可以明顯提高系統性能。

　　3.空時(shí)編碼技術(shù)

　　理論分析表明，在WCDMA中，發(fā)分集與空時(shí)編碼技術(shù)的結合可以有效地提高前向鏈路容量。而且在分布式移動(dòng)通信系統中，前向信號的發(fā)射方式和3G系統中的發(fā)分集很相似，可以考慮與空時(shí)編碼技術(shù)結合。

　　近年來(lái)的空時(shí)編碼研究主要集中在分組空時(shí)編碼和格狀空時(shí)編碼。其中格狀空時(shí)編碼具有較高的分集增益和編碼增益，但其譯碼復雜性隨著(zhù)狀態(tài)數和編碼速率的增加呈指數增長(cháng)。而分組空時(shí)編碼采用正交設計，在接收端通過(guò)簡(jiǎn)單的線(xiàn)性處理即可實(shí)現最大似然譯碼，在3G中的WCDMA系統中，空時(shí)碼僅在開(kāi)環(huán)發(fā)分集的情況下使用，是Alamouti提出的簡(jiǎn)單發(fā)送分集方案，屬于分組空時(shí)碼中最簡(jiǎn)單的一種。

　　空時(shí)碼技術(shù)還在不斷的發(fā)展變化中，值得跟蹤研究，并根據條件適當應用在分布式移動(dòng)系統中。

　　4.“虛擬小區”技術(shù)

　　為了繼承原有蜂窩移動(dòng)通信系統的優(yōu)點(diǎn)，需要研究分布式移動(dòng)通信系統中的“虛擬小區”技術(shù)。“虛擬小區”由多個(gè)無(wú)線(xiàn)信號處理單元構成。由于無(wú)線(xiàn)信號處理單元的放置很靈活，可以根據地形、環(huán)境等條件靈活配置，因此，可以有效解決無(wú)線(xiàn)覆蓋的問(wèn)題。

　　“虛擬小區”的核心是中央控制器，用于分配“虛擬小區”中的無(wú)線(xiàn)資源，協(xié)調無(wú)線(xiàn)信號處理單元的工作狀態(tài)，并負責與鄰近的“虛擬小區”中央控制器，以及移動(dòng)交換中心通信。

　　當“虛擬小區”技術(shù)比較成熟時(shí)，要考慮小區邊界的動(dòng)態(tài)劃分問(wèn)題，以平衡網(wǎng)絡(luò )負載。但是，這是一個(gè)較為復雜的問(wèn)題，需要進(jìn)一步深入研究。

四、結束語(yǔ)

　　由于分布式移動(dòng)通信系統是一個(gè)全新的概念，從理論和工程上都面臨著(zhù)困難。還有如下問(wèn)題需要解決。

　　1.系統結構、性能的理論分析和仿真

　　包括下面的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題：

　　●設計合理的網(wǎng)絡(luò )體系結構，解決分布式接入方式下的雙工方式、多址方式、系統同步、切換等問(wèn)題；

　　●分布天線(xiàn)系統的理論分析，主要是分布式天線(xiàn)系統在衰落信道、多用戶(hù)環(huán)境下的容量計算問(wèn)題，以提供理論指導；

　　●分布式移動(dòng)通信系統的系統結構與性能的定性和定量分析。

　　2.分布式接入中的移動(dòng)切換算法

　　分布式移動(dòng)通信系統的設計初衷是避免出現蜂窩過(guò)小導致頻繁切換而浪費系統資源，并通過(guò)空時(shí)二維信號處理技術(shù)利用空間資源，提高系統的容量和頻譜效率。

　　若分布式移動(dòng)通信系統采用受控天線(xiàn)子系統，當用戶(hù)在不同的無(wú)線(xiàn)信號處理單元中切換時(shí)，必須使切換準則和切換算法比原蜂窩系統中的切換簡(jiǎn)單有效，才能獲得分布式接入系統的好處。系統的設計也是在這個(gè)基礎上進(jìn)行的。但是，好的檢測切換算法仍是研究重點(diǎn)之一，算法的目標是減少網(wǎng)絡(luò )參與，減少空中接口協(xié)議處理步驟，減少空中傳輸的控制信息，使切換算法簡(jiǎn)潔有效。由于分布式移動(dòng)系統本身的特點(diǎn)為這種算法提供了比蜂窩系統更合理的機制，加上合理的系統設計，這種算法是能夠實(shí)現的。

　　3.降低空時(shí)二維接收機的實(shí)現復雜度

　　尋求利于工程實(shí)現的空時(shí)二維自適應處理算法，同時(shí)要保證算法的性能可以滿(mǎn)足要求。

　　4.利用智能天線(xiàn)進(jìn)行雙向通信的可行性

　　若能實(shí)現智能天線(xiàn)的發(fā)射波束成型，可以極大地減小系統中的多用戶(hù)干擾和同道干擾。但是，由于FDD系統上下行信道不匹配，所以，接收信號中包含的信道信息不能用于發(fā)射波束成型。對TDD系統，則要求信道的變化速率遠小于系統收發(fā)間隔，以保證信道特性的匹配。

　　若系統中的雙工方式采用時(shí)分雙工（TDD），便可降低雙向智能天線(xiàn)技術(shù)實(shí)現的難度，對抑制干擾，提高系統容量和頻譜效率有利，因此，初步考慮對于分布式接入系統采用TDD方式。

　　雙向智能天線(xiàn)系統的實(shí)現是有待研究的問(wèn)題?？梢匝芯康膬热莅ㄐ诺拦烙嫼托诺李A測技術(shù)，以及DOA估計技術(shù)等。