B3G無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的發(fā)展趨勢

摘要目前，國際上針對B3G（IMT-Advanced）技術(shù)的研究已經(jīng)取得了一系列重要的進(jìn)展。簡(jiǎn)要介紹了國際B3G研究工作的進(jìn)展情況，并通過(guò)對B3G的新頻譜特性、物理層以及網(wǎng)絡(luò )層的技術(shù)發(fā)展趨勢等方面的分析，闡述了筆者對未來(lái)無(wú)線(xiàn)通信發(fā)展趨勢的觀(guān)點(diǎn)。

1、國際B3G研究工作進(jìn)展
 
    B3G技術(shù)的研究從20世紀末3G技術(shù)完成標準化之時(shí)就開(kāi)始了。2006年，ITU-R正式將B3G技術(shù)命名為IMT-Advanced技術(shù)（3G技術(shù)名為IMT-2000）。根據原定的工作計劃，IMT-Advanced的標準化已經(jīng)“近在眼前”。ITU-R將在2008年2月向各國發(fā)出通函，向各國和各標準化組織征集IMT-Advanced技術(shù)提案。IMT-Advanced技術(shù)需要實(shí)現更高的數據率和更大的系統容量，目標峰值速率為：低速移動(dòng)、熱點(diǎn)覆蓋場(chǎng)景下1Gbit/s以上；高速移動(dòng)、廣域覆蓋場(chǎng)景下100Mbit/s以上。

國際上針對IMT-Advanced的研究已經(jīng)取得了一系列重要的進(jìn)展。日本NTTDoCoMo公司已經(jīng)通過(guò)4×4和12×12多天線(xiàn)MIMO技術(shù)在100MHz帶寬下分別驗證了1Gbit/s（室外試驗）和5Gbit/s的峰值傳輸速率，在硬件實(shí)現方面處于世界領(lǐng)先位置。歐盟第6框架研究項目WINNER自2004年啟動(dòng)以來(lái)，吸引了歐洲各主要通信設備商。第一階段（PhaseⅠ）已于2005年底完成，就各種B3G關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了廣泛的調研，形成了系統化的研究結論；將于2007年底完成的第二階段（Phase Ⅱ）將完成系統設計和性能評估，形成完善的技術(shù)方案；2008年開(kāi)始的第三階段（Phase Ⅲ）將進(jìn)行演示系統的開(kāi)發(fā)和實(shí)驗。同時(shí)，歐盟大力支持的世界無(wú)線(xiàn)研究論壇（WWRF）已經(jīng)成為國際B3G技術(shù)交流的主要平臺之一。另外，日本和韓國也分別成立了mITF論壇和NGMC論壇，推廣自己的B3G研究成果。

目前，各標準化組織均在正式或非正式地開(kāi)展針對IMT-Advanced的預研。3GPP的長(cháng)期演進(jìn)（LTE）技術(shù)已經(jīng)具有部分B3G技術(shù)的特征，該項目將于2007年底完成，預計將在2008年對LTE進(jìn)一步演進(jìn)，形成歐洲IMT-Advanced技術(shù)提案的一個(gè)重要來(lái)源。3GPP2已于2007年完成超移動(dòng)寬帶（UMB）系統的標準化工作，并開(kāi)始醞釀針對IMT-Advanced的研究。IEEE在2006年12月終于批準了802.16m的立項申請（PAR），此項目將在IEEE802.16e（WiMAX技術(shù)）的基礎上開(kāi)發(fā)滿(mǎn)足IMT-Advanced需求的技術(shù)方案。

2006年，數家國際移動(dòng)通信運營(yíng)商聯(lián)合成立了下一代移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )（NGMN）論壇，試圖引領(lǐng)新一代寬帶移動(dòng)通信的走向。目前NGMN白皮書(shū)已經(jīng)初步成型，對各國以及各標準化組織的研究和標準化工作產(chǎn)生了重大影響。

2、B3G無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的發(fā)展趨勢

2003年以來(lái)，WiMAX和演進(jìn)型3G（E3G）技術(shù)（包含3GPPLTE和3GPP2UMB技術(shù)）的發(fā)展已經(jīng)體現了未來(lái)B3G技術(shù)的一些發(fā)展趨勢。通常認為，這些技術(shù)趨勢會(huì )延續到B3G時(shí)代。另外，由于B3G可能應用于一些新的頻譜，技術(shù)的選擇和系統的設計也會(huì )受到這些新頻段的特性的影響。就目前看來(lái)，B3G無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的發(fā)展可能體現在如下幾個(gè)方面。

2.1新頻譜特性的影響

一方面，由于B3G技術(shù)對高數據率、高容量的需求而對頻譜提出了很高的需求。據粗略估計，新頻譜的需求量在數百MHz至1GHz以上。另一方面，2G和3G移動(dòng)通信系統的發(fā)展已經(jīng)占用了大部分2GHz以下最適合移動(dòng)通信發(fā)展的頻譜。因此，除了充分重用2GHz以下的已用頻段并進(jìn)一步發(fā)掘2～3 GHz的可用頻段以外，大多數所需頻譜需要從傳統上的非移動(dòng)通信頻段中尋找。

就目前看來(lái)，可以從兩個(gè)方向尋找新的頻譜，即向高頻段和低頻段尋找。在低頻段方向，未來(lái)用于B3G技術(shù)的潛在頻譜可能來(lái)自傳統的廣播電視頻段（862MHz以下）。由于廣播和電視業(yè)務(wù)從模擬化向數字化的轉變，大大提高了頻譜效率，從而可以節省大量的頻譜。這些節省的頻譜可以用于無(wú)線(xiàn)移動(dòng)通信，但由于各國廣播電視數字化的時(shí)間表不同，此頻段可用于移動(dòng)通信的時(shí)間也不相同。在高頻段方向，B3G系統將可能使用3.4～5GHz的一些頻段，這些頻段是B3G，系統賴(lài)以獲得高容量的主要頻譜。

862MHz以下頻段比2GHz頻段更適合移動(dòng)通信應用，因此不會(huì )對B3G系統的技術(shù)選擇和設計提出更高的要求。但3.4GHz以上頻段的頻譜特性會(huì )對B3G系統的技術(shù)選擇和設計產(chǎn)生重大影響。通常認為，高頻段的覆蓋能力以及對高速移動(dòng)的支持能力較弱，因此更適合用于低速移動(dòng)的高容量熱點(diǎn)接入應用。而在高頻段的典型應用場(chǎng)景（低速移動(dòng)的熱點(diǎn)覆蓋）下，B3G系統可以進(jìn)行更優(yōu)化的設計，例如多址技術(shù)、MIMO技術(shù)的選擇，參數的優(yōu)化、導頻的設計及控制信道的設計等。

針對高頻段支持非視距（NLOS）傳輸的能力，學(xué)術(shù)界并未得出明確的研究結論。傳統觀(guān)點(diǎn)認為，高頻段的穿透損失明顯大于低頻段，很難支持NLOS傳輸。如果基于這樣的判斷，高頻段就很難支持室外到室內的覆蓋，必須依賴(lài)大量的室內覆蓋。但也有研究成果認為，高頻段的穿透能力未必像想像的那樣差，而是和建筑物的材質(zhì)有關(guān)。對于寫(xiě)字樓等具有厚重外墻的建筑，無(wú)論對于哪個(gè)頻段，室內的接收功率都主要來(lái)自于門(mén)窗的透射，而高頻段穿透透明的玻璃材質(zhì)的能力可能甚至高于低頻段。因此應首先明確高頻段信道模型，才能確定高頻段系統的優(yōu)化方法。

另外，由于一個(gè)B3G系統可能同時(shí)使用多個(gè)頻段（包括低頻段和高頻段），系統應能智能地在多個(gè)頻段之間動(dòng)態(tài)地調度、漫游和切換。

2.2物理層的發(fā)展趨勢

2.2.1多址技術(shù)的發(fā)展趨勢

WiMAX和E3G技術(shù)的研究已經(jīng)體現出明顯的“多址技術(shù)正交化”的趨勢。眾所周知，CDMA技術(shù)更適合在低信噪比區域提高功率效率，而OFDMA技術(shù)則更適合在高信噪比區域提高頻譜效率。以WiMAX、LTE、UMB為代表的E3G技術(shù)由于從話(huà)音業(yè)務(wù)（功率效率更重要）為主轉向側重數據業(yè)務(wù)（頻譜效率更重要），因此用OFDMA技術(shù)替代了CDMA技術(shù)。但這并不意味著(zhù)OFDMA適合解決所有移動(dòng)通信中的問(wèn)題。實(shí)際上，在一個(gè)蜂窩移動(dòng)通信系統中，頻譜受限和功率/干擾受限的場(chǎng)景都存在。例如在小區中心，信干比較高，功率充足的情況下，應注重提高頻譜效率，以實(shí)現更大的系統容量；但在小區邊緣，相鄰小區干擾比較嚴重的情況下，系統功率受限，應注重提高功率效率，以提高小區邊緣的數據率。

因此，除了采用某些補充性的小區間干擾消除技術(shù)外，可以將OFDMA和CDMA技術(shù)有機結合，靈活切換，以便在不同的場(chǎng)景下?lián)P長(cháng)避短，靈活提高系統的頻譜效率和功率效率，取得均衡的系統性能。

由于OFDM在頻域傳輸的特性，造成OFDM發(fā)射機的峰值平均功率比（PAPR）較高，需要大線(xiàn)性范圍的功放，且耗電較高，從而對移動(dòng)終端在上行的應用造成了很多限制。為了解決這個(gè)問(wèn)題，除了可以在OFDMA基礎上采用削波、預留子載波等方法外，也可以采用線(xiàn)性預處理的方法。LTE上行目前采用的DFT-S-OFDM就是在OFDM的反快速傅立葉變換（IFFT）操作前增加了一個(gè)離散傅立葉變換（DFT），將OFDM的頻域信號恢復到時(shí)域，從而降低PAPR。

在OFDMA基礎上進(jìn)一步提高系統容量也是一個(gè)改進(jìn)的方向。主要的思路是在OFDM的基礎上再疊加非正交的多址技術(shù)，使多個(gè)用戶(hù)可以共享相同的時(shí)頻資源。其中一個(gè)例子是利用多天線(xiàn)技術(shù)實(shí)現空分多址（SDMA）。

2.2.2MIMO技術(shù)的發(fā)展趨勢

MIMO技術(shù)作為寬帶移動(dòng)通信的另一項關(guān)鍵技術(shù)，也已經(jīng)被E3G系統廣泛采用，但隨著(zhù)人們對各種MIMO技術(shù)的研究逐漸深入，正在不斷完善對這一技術(shù)的設計和使用。

當前正在研究的MIMO技術(shù)廣泛使用了“閉環(huán)技術(shù)”，如閉環(huán)預編碼（precoding）技術(shù)和波束賦形（beamforming）技術(shù)等。這類(lèi)技術(shù)可以利用接收端反饋的MIMO信道的先驗信息，通過(guò)預編碼矩陣調制MIMO的發(fā)射信號，以靈活地根據信道條件調整并行流的數量，并將能量集中在特定的“方向”，以獲得最佳的MIMO傳輸效果。在FDD系統中，信道的先驗信息可以通過(guò)對MIMO信道的測量獲得，并通過(guò)反饋信道傳遞給發(fā)送端。為了降低反饋開(kāi)銷(xiāo)，通常采用碼本（codebook）的方式進(jìn)行反饋。在TDD系統中，由于上下行信道具有對稱(chēng)性，可以通過(guò)上行信道測量獲得下行預編碼所需的MIMO信道信息，即通過(guò)非碼本（non-codebook）的方式實(shí)現閉環(huán)反饋。

波束賦形由于天線(xiàn)間距小，可以更好地利用天線(xiàn)之間的相關(guān)性，集中能量，獲得賦形增益，實(shí)現很好的覆蓋。因此閉環(huán)預編碼技術(shù)更適合在微小區和室內覆蓋場(chǎng)景下獲得更高的數據率。而波束賦形在覆蓋方面的優(yōu)勢在室外宏小區環(huán)境下顯得更為重要。

但在某些情況下，信道信息是很難先驗獲得的。例如對于高速移動(dòng)的終端，信道信息的反饋頻率跟不上信道的變化。對于公共信道和廣播信道，通常只能采用全向發(fā)射，也無(wú)法采用閉環(huán)預編碼或波束賦形技術(shù)進(jìn)行傳輸。因此必須采用不依賴(lài)閉環(huán)反饋的開(kāi)環(huán)MIMO技術(shù)。其中，公共和廣播信道主要注重傳輸的鏈路質(zhì)量，但對頻譜效率要求不高，可以采用開(kāi)環(huán)發(fā)射分集技術(shù)，充分利用多天線(xiàn)之間的分集增益。

2.2.3編碼技術(shù)的發(fā)展趨勢

在信道編碼方面，對LDPC碼的使用始終讓業(yè)界猶豫不決，主要原因是LDPC碼的性能并沒(méi)有比Turbo碼提高很多。這種情況下很難讓人們下決心替換熟悉的、成熟的、經(jīng)過(guò)實(shí)踐檢驗的Turbo碼。但B3G的新需求給了大家再次考慮采用LDPC碼的機會(huì )。由于B3G系統的帶寬將大幅提高，數據塊的尺寸越來(lái)越大，LDPC碼在處理大碼塊方面的優(yōu)勢將變得愈發(fā)明顯。因此可以考慮將LDPC碼和Turbo碼配合使用，在寬帶傳輸方面提高系統性能。

2.2.4小區間干擾抑制技術(shù)

小區邊緣和小區中心的性能差異，在B3G系統中仍將是重大的難題。由于多天線(xiàn)技術(shù)的使用可以提高小區中心的數據率，卻很難提高小區邊緣的性能。小區邊緣由于信干比較低，很難支持多流傳輸。因此隨著(zhù)系統采用的天線(xiàn)數量的增多，小區中心的性能可能不斷提高，但小區邊緣的性能卻很難提高，在小區中心可以使用的高階調制方式也很難在小區邊緣使用，造成小區中心和小區邊緣的性能差異越來(lái)越大。因此在未來(lái)的B3G系統設計中，抑制小區間干擾技術(shù)對系統整體性能的提升將起到更關(guān)鍵的作用，也將面臨更大的挑戰。

更好的小區間干擾抑制效果可以通過(guò)更有效的干擾協(xié)調和干擾消除技術(shù)取得，也可以通過(guò)CDMA和OFDMA的結合取得，即利用CDMA的小區間多址能力，使用聯(lián)合檢測消除小區間干擾。

2.2.5中繼（Relay）和分布式天線(xiàn)技術(shù)

一方面，B3G系統提出了很高的系統容量要求；另一方面，可供獲得此容量的大帶寬頻譜可能只能在較高頻段取得，而這樣高的頻段的路損和穿透損耗可能都較大，很難實(shí)現好的覆蓋。除了使用基于基站的OFDMA、MIMO、智能天線(xiàn)、發(fā)射分集等技術(shù)擴大覆蓋范圍外，還可以采用Relay技術(shù)和分布式天線(xiàn)技術(shù)改善系統容量和覆蓋。

中繼系統的設計首先是一個(gè)幀結構設計問(wèn)題，也即系統需要依靠一個(gè)精心設計的幀結構在基站中繼站和中繼站終端兩個(gè)鏈路之間合理地分配時(shí)隙資源，協(xié)調兩個(gè)鏈路的傳輸。另外，由于引入中繼站相當于引入了一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)，這個(gè)新的節點(diǎn)的物理層能力以及物理過(guò)程的設計都需要重新考慮。

在最簡(jiǎn)單的兩跳Relay的基礎上，還可以擴展到多跳Relay，即在基站和終端之間插入多于一個(gè)中繼站，這種情況下幀結構的設計和資源分配會(huì )更為復雜。在簡(jiǎn)單的點(diǎn)對多點(diǎn)Relay的基礎上，也可以考慮兩個(gè)中繼站的直接通信，即網(wǎng)格（Mesh）Relay。除了將一個(gè)中繼站看作一個(gè)獨立的發(fā)射站外，還可以在多個(gè)中繼站或在中繼站與基站之間作聯(lián)合發(fā)送/接收，即協(xié)調Relay。

2.2.6多媒體廣播多播（MBMS）技術(shù)

MBMS業(yè)務(wù)相對單播移動(dòng)寬帶業(yè)務(wù)而言，實(shí)現起來(lái)更為簡(jiǎn)單，又可以支持有潛在廣泛用戶(hù)基礎的手機電視業(yè)務(wù)，因此受到越來(lái)越廣泛的關(guān)注。廣播系統中，不同小區發(fā)送相同的數據，相鄰小區的信號和本小區的信號可以在空中自然地有效疊加，是有益的信號分量，系統可以通過(guò)宏分集合并提高接受性能。這種多小區合并的方式又稱(chēng)為單頻網(wǎng)（SFN）方式。為了獲得SFN合并效果，OFDM系統需要進(jìn)行一定程度的重新優(yōu)化。如采用較長(cháng)的CP以避免由于傳輸時(shí)延差造成的自干擾，采用更小的子載波間隔（考慮MBMS業(yè)務(wù)的主要用戶(hù)處于低速移動(dòng)場(chǎng)景）以取得更高的頻譜效率等。另外，MBMS系統的物理層配置、網(wǎng)絡(luò )架構、用于MBMS的MIMO技術(shù)等，也是MBMS系統的重要研究課題。

2.3網(wǎng)絡(luò )層的發(fā)展趨勢

目前看來(lái)，B3G將采用的物理層技術(shù)大部分已經(jīng)在WiMAX和E3G標準化中得到了廣泛研究，因此B3G技術(shù)的研究中心可能會(huì )轉向網(wǎng)絡(luò )層，即如何針對新的物理層技術(shù)（如OFDMA、MIMO）進(jìn)一步優(yōu)化網(wǎng)絡(luò )層設計，充分發(fā)揮這些物理層新技術(shù)的潛力，真正實(shí)現整個(gè)系統的性能最大化。

另外，根據B3G的新需求，還要考慮未來(lái)網(wǎng)絡(luò )的發(fā)展趨勢。

在E3G系統中，已經(jīng)體現出無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)絡(luò )（RAN）的扁平化趨勢。3GPPLTE取消了UMTS網(wǎng)絡(luò )中的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )控制器（RNC）節點(diǎn)，實(shí)現了單層節點(diǎn)的RAN結構。這一結構要求大大增強了基站的能力，并通過(guò)分布式的方法實(shí)現了基站之間的協(xié)調操作（如小區間干擾協(xié)調）。但由于B3G系統在頻譜共享、多頻段操作、異構切換等方面提出了更高的要求，需要更大量的網(wǎng)內協(xié)調。在上述扁平化網(wǎng)絡(luò )架構下如何實(shí)現更有效的中央控制和協(xié)調，還有待于進(jìn)一步研究。

另外，Relay的引入也會(huì )對網(wǎng)絡(luò )架構產(chǎn)生重大的影響。由于中繼站的引入實(shí)際上是在基站之下增加了新的網(wǎng)元，因此基站成為了新的“中央控制節點(diǎn)”。中繼站或分布式基站的能力大小尚不明確，如果他們的能力和基站相仿（即實(shí)際上是“小基站”），是否會(huì )和網(wǎng)絡(luò )扁平化的趨勢有沖突，也有待于進(jìn)一步研究。

隨著(zhù)網(wǎng)絡(luò )的扁平化，運營(yíng)商對網(wǎng)絡(luò )的自規劃、自配置、自?xún)?yōu)化的需求也逐漸顯現。即要求基站在架設后可以自動(dòng)測量、感知周?chē)臒o(wú)線(xiàn)環(huán)境和網(wǎng)絡(luò )環(huán)境，自動(dòng)配置系統參數、自動(dòng)組成網(wǎng)絡(luò )。在此基礎上，也提出了“家庭基站”（HomeBaseStation）的概念。

在B3G階段，國際漫游將變得越來(lái)越重要。B3G系統是否能實(shí)現全球統一的空中接口標準，目前尚不明確。如果仍出現類(lèi)似于3G時(shí)代的多標準并存的局面，國際間漫游會(huì )成為一個(gè)難題。在這方面，軟件無(wú)線(xiàn)電技術(shù)可能會(huì )起到重要的作用。這種技術(shù)可以通過(guò)可配置軟件實(shí)現對多種無(wú)線(xiàn)技術(shù)制式的支持，以實(shí)現國際間漫游和切換。

3、結語(yǔ)

文章介紹了國際B3G技術(shù)的研究情況和B3G無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的幾個(gè)發(fā)展趨勢。當然，技術(shù)的發(fā)展方向也不是一成不變的，而是隨著(zhù)人們對無(wú)線(xiàn)通信業(yè)務(wù)需求的不斷增長(cháng)和對無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)理解的加深，不斷調整和變化的。B3G技術(shù)標準化最終會(huì )形成一個(gè)什么樣的B3G系統，相信在未來(lái)3～5年的時(shí)間內，我們就會(huì )得到答案。