新一代移動(dòng)通信系統及無(wú)線(xiàn)傳輸關(guān)鍵技術(shù)

1、引言

隨著(zhù)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(zhù)日新月異的變化。當人們還在研究和部署第三代移動(dòng)通信系統的同時(shí)，為了適應將來(lái)通信的要求，國際通信界已經(jīng)開(kāi)始著(zhù)手研究新一代的移動(dòng)通信系統。目前，對于新一代的移動(dòng)系統還無(wú)法精確定義，但這種新一代移動(dòng)通信系統在概念和技術(shù)上與4G系統和Beyond 3G系統大致相同，因此本文所討論的這種通信系統就是基于4G和Beyond 3G的新一代移動(dòng)通信系統。

2、新一代移動(dòng)通信系統的特點(diǎn)

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

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

（2）新一代通信系統支持更豐富的移動(dòng)業(yè)務(wù)，與Internet的結合更加密切，不僅包括現有的語(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(wú)線(xiàn)定位和虛擬現實(shí)業(yè)務(wù)等，使用戶(hù)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(lái)移動(dòng)通信業(yè)務(wù)的發(fā)展方向。

（3）新一代移動(dòng)通信系統具有開(kāi)放的結構，將更充分的與無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)、藍牙、Ad hoc、WiMAX和UWB網(wǎng)絡(luò )相結合，同時(shí)可以更好的支持手機互助功能，實(shí)現可穿戴無(wú)線(xiàn)電。

（4）新的移動(dòng)系統將是一個(gè)高度自治的自適應網(wǎng)絡(luò )，能對其結構進(jìn)行自適應管理，可采用分布式管理和多跳結構，從而滿(mǎn)足用戶(hù)在業(yè)務(wù)和容量上的變化和演進(jìn)。

（5）為了滿(mǎn)足對特定數據業(yè)務(wù)的要求，新一代移動(dòng)通信系統將采用更先進(jìn)的算法提高網(wǎng)絡(luò )的安全性。

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

3、新一代移動(dòng)通信系統的頻譜分配

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

4、新一代移動(dòng)通信系統的無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )構架

新一代移動(dòng)通信系統是移動(dòng)通信系統演進(jìn)過(guò)程中的一個(gè)階段和目標，它不僅采用新的無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)提高通信系統的性能，而且與現有的各種有線(xiàn)與無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )相融合；它不僅包含現有的移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò )結構，而且在某些環(huán)境下也可以采用Ad hoc方式進(jìn)行組網(wǎng)，或者采用兩種結構的組合形式，形成蜂窩網(wǎng)絡(luò )下的兩跳或多跳網(wǎng)絡(luò )結構方式。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，它的目標是在有限的頻率和功率資源前提下實(shí)現廣域的無(wú)線(xiàn)覆蓋。與蜂窩網(wǎng)絡(luò )結構相比，Ad hoc移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )結構形式更加靈活，它采用分布式管理技術(shù)，由一組自主的無(wú)線(xiàn)節點(diǎn)相互合作而形成移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò )，其中，無(wú)線(xiàn)節點(diǎn)既是一般意義上的移動(dòng)終端，又可以作為無(wú)線(xiàn)中繼和路由設備對其他用戶(hù)的數據進(jìn)行轉發(fā)，因此具有動(dòng)態(tài)搜索，快速建網(wǎng)和網(wǎng)絡(luò )自恢復的能力，有著(zhù)廣泛的應用前景。鑒于A(yíng)d hoc在無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)和下一代無(wú)線(xiàn)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(lái)，隨著(zhù)UWB（超寬帶）技術(shù)的發(fā)展和應用，無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )中的節點(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)射信號功率譜密度較低，非常適合作為新一代移動(dòng)通信系統中個(gè)域網(wǎng)絡(luò )的實(shí)現技術(shù)。

隨著(zhù)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)現各種增值業(yè)務(wù)的智能網(wǎng)技術(shù)的廣泛應用，它們在新一代移動(dòng)通信系統中將發(fā)揮更大的作用。此外，隨著(zhù)IP技術(shù)的廣泛應用，業(yè)界廣泛認為基于新一代移動(dòng)通信的通信網(wǎng)絡(luò )結構發(fā)展趨勢是以IP網(wǎng)絡(luò )為核心，其框架結構可以由圖1表示，這里各個(gè)系統采用基于IP的分組方式傳送數據流，體現了下一代網(wǎng)絡(luò )以IP為核心互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò )結構。同時(shí)，伴隨網(wǎng)絡(luò )容量和用戶(hù)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)通信系統的網(wǎng)絡(luò )構架及其接入方式

從新一代移動(dòng)通信系統無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)絡(luò )的覆蓋范圍和實(shí)現技術(shù)來(lái)看，業(yè)界普遍認為基于新一代移動(dòng)通信系統的未來(lái)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )將主要由三個(gè)層面的網(wǎng)絡(luò )來(lái)實(shí)現：無(wú)線(xiàn)個(gè)域網(wǎng)、無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)和基于蜂窩結構的移動(dòng)通信網(wǎng)。由此可以看出新一代移動(dòng)通信系統的無(wú)線(xiàn)側將是一個(gè)不同無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)絡(luò )的異構融合體，這些系統在同層之間可以實(shí)現水平切換，在不同層之間進(jìn)行垂直切換以實(shí)現網(wǎng)絡(luò )間的互聯(lián)互通，其中無(wú)線(xiàn)個(gè)域網(wǎng)絡(luò )主要應用于個(gè)人和家庭范圍內進(jìn)行短距離無(wú)線(xiàn)通信，現在的無(wú)繩電話(huà)系統和未來(lái)即將出現的可穿戴無(wú)線(xiàn)系統就是典型的應用；無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)是指基于IEEE802.11等國際標準的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，其覆蓋范圍和容量都比個(gè)域網(wǎng)大；基于蜂窩結構的移動(dòng)通信網(wǎng)則是指包含現有2G、即將部署的3G以及將來(lái)出現的各種蜂窩移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )系統（包含目前已成為3G標準之一的WiMAX網(wǎng)絡(luò )），這些系統是可以實(shí)現跨地區漫游和移動(dòng)性管理的廣域通信網(wǎng)絡(luò )。從用戶(hù)或者無(wú)線(xiàn)終端的角度來(lái)看，在部分地區，無(wú)線(xiàn)終端可能只由一個(gè)網(wǎng)絡(luò )覆蓋，這時(shí)，終端設備毫無(wú)選擇的接入這個(gè)系統；而在很多地方，無(wú)線(xiàn)終端可能由多個(gè)層次的網(wǎng)絡(luò )共同覆蓋，這時(shí)終端不僅可以根據用戶(hù)對業(yè)務(wù)、網(wǎng)絡(luò )負荷和QoS的要求選擇最優(yōu)的網(wǎng)絡(luò )接入，而且可以隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)信道的變化和用戶(hù)的移動(dòng)，在特定的網(wǎng)絡(luò )層次內進(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(wú)縫的垂直切換，由此可見(jiàn)新的移動(dòng)通信系統可以實(shí)現系統、業(yè)務(wù)和覆蓋等多方面的無(wú)縫性，是一種真正意義上的無(wú)縫通信網(wǎng)。當然，為了能夠實(shí)現這樣理想的網(wǎng)絡(luò )性能，也對手機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(shuō)新一代移動(dòng)通信系統的實(shí)現是需要整個(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)通信系統的無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)

在移動(dòng)通信系統中，由于大量無(wú)線(xiàn)信道的不可預測性，以及新一代移動(dòng)通信系統中不同業(yè)務(wù)和不同用戶(hù)之間的不均勻的業(yè)務(wù)量，移動(dòng)節點(diǎn)移動(dòng)所引起的網(wǎng)絡(luò )結構變化、對寬帶高速率通信的要求和不同異構網(wǎng)絡(luò )之間的無(wú)縫互聯(lián)等對新一代移動(dòng)系統提出了很高的要求。因此為了實(shí)現新一代移動(dòng)通信系統的要求，需要采用更為先進(jìn)的無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)。

（1）OFDM技術(shù)

OFDM是一種多載波調制技術(shù)，其核心思想是將信道分成若干正交子信道，將高速數據信號轉換成并行的低速數據流，調制在每個(gè)子信道上進(jìn)行傳輸。這種調制傳輸技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于：一方面可以提高信號的傳輸速率，另一方面又可以減少無(wú)線(xiàn)信道所帶來(lái)的符號間干擾（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，OFDM對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(wèn)題。

（2）軟件無(wú)線(xiàn)電技術(shù)

軟件無(wú)線(xiàn)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上，利用軟件來(lái)定義和實(shí)現無(wú)線(xiàn)電臺的各模塊功能。具體來(lái)說(shuō)就是將A/D、D/A變換盡量靠近射頻前端，應用寬帶天線(xiàn)或多頻段天線(xiàn)，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(wú)線(xiàn)電技術(shù)具有設計靈活、結構開(kāi)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)現網(wǎng)絡(luò )重選、智能頻譜分配和水平與垂直切換，實(shí)現真正意義上的個(gè)人移動(dòng)通信。目前，在有效實(shí)現軟件無(wú)線(xiàn)電中多頻段轉換、高速并行DSP處理和高開(kāi)放性與擴展性的總線(xiàn)結構等設計的同時(shí)，如何進(jìn)一步降低基于軟件無(wú)線(xiàn)電的設備功耗、體積和成本也是其能否走向實(shí)用化和商用化的關(guān)鍵因素。

（3）智能天線(xiàn)

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

目前，如何減小智能天線(xiàn)自適應算法的實(shí)現復雜度，提高智能天線(xiàn)用戶(hù)跟蹤的數量和系統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)通信系統抗多徑衰落的重要方法。在3G通信系統中，采用了卷積碼和Turbo碼等信道編碼技術(shù)。新一代移動(dòng)通信系統將在此基礎上采用更高級的信道編碼方案，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)通信系統中信源編碼包含語(yǔ)音編碼和圖像編碼。對于語(yǔ)音編碼而言，3G移動(dòng)通信系統采用AMR編碼方法，新一代移動(dòng)通信系統為了提高系統容量也會(huì )采用基于波形和參數編碼的混合編碼方法，隨著(zhù)參數編碼技術(shù)的提高，也不能排除采用純參數編碼的聲碼器來(lái)實(shí)現語(yǔ)音編碼的可能。

隨著(zhù)基于視頻的數據業(yè)務(wù)在移動(dòng)通信系統中的應用，圖像和視頻編碼技術(shù)在新一代移動(dòng)通信系統中的作用尤為重要。目前，H.263、MPEG4和H.264等編碼技術(shù)都是實(shí)現低碼率壓縮編碼的重要標準。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(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)，該技術(shù)利用發(fā)送端和接收端的多天線(xiàn)來(lái)抗無(wú)線(xiàn)信道衰落，從而有效提高無(wú)線(xiàn)系統的容量，其本質(zhì)是一種基于空域和時(shí)域聯(lián)合分集的通信信號處理方法。理論和計算機仿真表明基于MIMO的無(wú)線(xiàn)系統信道容量隨著(zhù)天線(xiàn)數量的增大而線(xiàn)性增大，因此具有廣泛的應用價(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(jiàn)的編碼方法主要有空時(shí)分組碼、空時(shí)格碼和BLAST碼。

（7）自適應無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)

實(shí)現通信網(wǎng)絡(luò )的智能性是通信技術(shù)發(fā)展的不斷追求目標，其中自適應技術(shù)就是系統智能性的一種體現。所謂自適應無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)，是指移動(dòng)通信設備能夠根據無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的不同情況選取不同的傳輸方式來(lái)獲得最佳的無(wú)線(xiàn)傳輸效果。在基于新一代的移動(dòng)通信系統中，這種自適應無(wú)線(xiàn)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子載波自適應調制技術(shù)就是自適應技術(shù)的很好體現。

（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的可靠性。迭代接收是指在接收端通過(guò)多次循環(huán)迭代使得接收機的檢測和解碼性能達到最佳。一般而言，前一次迭代的結果總是作為本次迭代的部分輸入，而且迭代次數越多，接收機的解碼性能越好，但系統復雜度也相應增加，因此在實(shí)際實(shí)現時(shí)要在性能和復雜度之間進(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(lái)，目前得到了更為廣泛的應用。目前，Turbo迭代信道估計和解碼、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)具體應用的體現。隨著(zhù)硬件器件和數字信號處理技術(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)中得到廣泛應用。

（9）智能頻譜分配技術(shù)

隨著(zhù)移動(dòng)和無(wú)線(xiàn)通信系統的發(fā)展，無(wú)線(xiàn)頻譜資源日益成為這些系統的發(fā)展瓶頸。無(wú)線(xiàn)頻譜資源的有效利用，既可以提高移動(dòng)通信系統的通信質(zhì)量，又可以有效提高通信系統的容量，基于頻譜自適應檢測的智能頻譜分配技術(shù)是實(shí)現這些優(yōu)勢的有效方法。首先，在未來(lái)多個(gè)無(wú)線(xiàn)通信系統共存的情況下，移動(dòng)終端可以通過(guò)頻譜檢測自動(dòng)接入到空閑的無(wú)線(xiàn)通信系統，使不同系統間實(shí)現有效的負荷均衡和QoS保證；其次，通過(guò)智能頻譜分配技術(shù)，移動(dòng)終端和接入設備之間可以動(dòng)態(tài)選擇信道，進(jìn)而提高無(wú)線(xiàn)通信系統的通信質(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

新一代移動(dòng)通信系統在目前還只是一個(gè)概念和輪廓，本文結合業(yè)界的發(fā)展趨勢，在相關(guān)技術(shù)文獻報道的基礎上綜合闡述了對新一代移動(dòng)通信系統的認識和理解。隨著(zhù)技術(shù)與市場(chǎng)的發(fā)展和驅動(dòng)，關(guān)于新的移動(dòng)通信系統的概念和標準將會(huì )越來(lái)越清晰。同時(shí)，作為實(shí)現新一代移動(dòng)通信系統的關(guān)鍵技術(shù)也將會(huì )逐漸成熟，最終實(shí)現不同移動(dòng)和無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的有效融合，達到理想個(gè)人通信的美好藍圖。