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无线通信新技术展望

2/14/2005来源:移动通信人气:19871

汪晓阳

(上海大唐移动通信设备有限公司 200233)


  摘要 文章对在未来无线通信领域有望得到重要应用的新技术进行描述,包括无线局域网、码分多址、高频谱效率(正交频分复用、超工带调制和空时处理)、自组网络和网络跨层优化。这些技术和方法有许多优越之处,同时有许多问题尚待解决。

  关键词 无线局域网 码分多址 高频谱效率 自组网络 网络跨层优化

1 无线通信发展中的新技术

  无线通信已成为通信产业的最大组成部分之一,有有发展前途。1990年时,全世界只有1000万蜂窝电话用户,主要使用模拟技术的第一代移动通信系统;现在大约有7亿用户,主要使用数字技术的第二代移动通信系统;预计到2006年将超过20亿移动通信系统还在完善中,三代后技术已开始发展。

  在过去十几年中,最成功的技术是GSM和分多址(CDMA)。GSM系统支持国际漫游、短消息和网络层互操作,是目前用户最多的蜂窝移动通信系统。CDMA技术提高了无线频谱效率,把手机的复杂性转移到低成本的基带信号处理电路中,在第二代中应用于IS-95系统;目前所有得到广泛支持的第三代蜂窝移动通信标准都使用CDMA技术(包括cdma2000、WCDMA和TD-SCDMA)。

  在无线通信发展的过去十几年中,有成功者,也有失败者。Iridium系统试图提供全球卫星蜂窝无线通信,它是空间切换、天线波束赋形、功率节省技术、手机工程和网络管理等技术突破的先导者;Metricom系统试图在无执照频谱范围内,用低功率设备组成大网,使用互联网协议在城区提供永久在线数据业务,它是无线自组网络的最初实例之一。在无线通信技术方面,这些失败者都曾有创新和突破,但由于所倡导的业务和技术超前于所处时代,用户发展缓慢,价格居高不下,导致以破产告终。

  如同过去的十几年一样,在未来无线通信发展的过程中,仍会有成功者和失败者,但无论如何开拓者都会为无线通信技术的创新和发展留下宝贵的财富或经验。本文试图对可能成为未来无线通信核心部分的技术作概括描述。

2 无线局域网技术

  通过利用大楼或小区内已有的有线以太网设施,廉价的无线局域网正在快速部署,与昂贵的3G蜂窝设备所许诺的速率相比,它为计算机提供的数据速率高出一个数量级以上。目前,IEEE 802.11b可提供11Mb/s速率,IEEE 802.11a/g的速率可达4Mb/s。若使用Voip技术,无线局域网可以不依赖蜂窝设施,在一个小区内提供移动语音服务。现在,已有人研究并推出把2.5G和3G蜂窝技术与无线局域网技术集成在一起的芯片和设备,以适应不同的应用场合。

3 码分多址技术

  CDMA通过让不同用户使用不同码字共享相同的频谱,它基于扩频技术,对于非特定码字用户,扩频信号的特性就像噪声一样,这使它比TDMA技术优越。CDMA允许蜂窝系统中的相邻小区使用相间频段,从而提高频谱利用率。在第二代蜂窝移动通信系统IS-95中,CDMA取得较大成功,在第三代蜂窝移动通信系统标准中,CDMA成为主导多址接入技术。此外,CDMA技术还被许多运行在无执照频段的消费设备所采用(如无线局域网和无绳电话系统)。正在兴起的超宽带技术也采用CDMA技术进行多址接入。

4 高频谱效率技术

  在今后十年中,高速无线数据传输将最终实现,其关键在于实现高频谱效率。在物理层,有三种技术(正交频分复用(OFDM)、超宽带(UWB)和空时处理)将用于获取高频谱效率。

4.1 正交频分复用

  正交频分复用是一种特殊形式的多载波传输,一个高速的数据流在多个低速子载波信道上传输。早在20世纪50年代,并行数据传输和OFDM的要领就已出现,20世纪70年代发明了OFDM的离散傅立叶变换(DFT)实现方法。现在,由于超大规模集成电路(VLSI)的发展,高速、大尺寸的快速傅立叶芯片得以商用,OFDM已用于并将更多地用于商用高速宽带无线通信系统。在过去的十几年中,OFDM技术已用于ADSL(6Mb/s)、VDSL(100Mb/s)、数字音频广播(DAB)和数字视频广播(DVB)等领域,现在OFDM又被新的无线局域网标准IEEE 802.11a/g等采纳,以提供高达54Mb/s的数据速率。在新近的研究中,OFDM被认为将成为第四代蜂窝移动通信系统的调制方式。

  OFDM具有一些独特的优点,是高速宽带无线通信引人注目的技术选项:(1)由于高速数据分布在各低速率的子停产中传输,各子信道的符号间隔扩大,使它对多径衰落和符号间干扰具有很强的抵抗力,对于一个特定的时延扩散,OFDM接收机的实现远比带均衡器的单载波接收机简单;(2)通过自适应调制,使各子载波上的功率分配与慢速变化的信道条件相匹配,OFDM可有效使用无线频谱;(3)窄带干扰只影响到一小部分子载波,因此OFDM对窄带干扰有很强的抵抗力;(4)与其它宽带接入技术不同,OFDM可运行在不连续频带上。

  尽管OFDM有上述优点,但在被现代无线通信系统广泛使用之前,还有一些障碍需要克服。与单载波调制相比,OFDM的缺点包括:(1)OFDM的蜂场均率比(PAPR)较大,会降低射频放大器的效率,N个子载波形成的峰值功率可能会是平均功率的N倍,又由于互调畸变,带外辐射会比较大;(2)多载波系统对频率偏移和相位噪声更敏感。频率抖动和多普勒移会引起载波间干扰(ICI),除非有适当的补偿技术,否则会降低系统性能。

  现在很多研究着眼于克服上述障碍。由于可在各子载波上采用自适应调制和功率负载,对于未来宽带无线网络来说,OFDM仍是一个优选的调制方式。在OFDM系统中,通过配合使用软件无线电技术和智能天线技术,性能上有望得到很大改善。

4.2 超宽带

  超宽带调制使用基带脉冲成型,上升和下降时间极快,在次纳秒范围内。这样的脉冲生成一个真正的宽带频谱,范围在近零频到几GHz之间,不需要常规窄带调制所需的射频上变频。在19世纪Holmholtz的菱中就有UWB的概念,当时曾引起争议。

  UWB亦称脉冲无线电,可使用极便宜的宽带发射器件,发展机的脉冲波形直接送到天线,因此不需要上变频。通过调整超短时脉冲(单脉冲)的独特形状,并调整天线单元对脉冲的负载特性进行频谱成形。单脉冲的峰值到峰值时间一般在十皮秒或百皮秒数量级,这是决定发射频谱的关键。

  UWB信号的功率谱密度很低,可以在整个频谱上与其它射频器件同时使用。由于UWB的带宽极大,允许极高的信号速率,可用于下一代无线局域网。另外,可以发射很多单脉冲来组成一个信号比特,从而提供编码增益和码分集。已作过用UWB在大楼内提供超过大型00Mb/s可靠数据速率的演示。

4.3 空时处理

  当载波频率越高,波长超短,就有可能让移动终端使用多个天线。空时处理技术和多输入多输出(MIMO)天线结构使用很接近的天线和差错控制码,同时采用小尺度的时间和空间分集,有望极大提高频谱效率。实验结果表明,提高MIMO结构中的发射天线和接收天线数目可提高数据速率。在一个独立的Rayleigh散射环境中,理论数据速率随天线数目的增加而线性增加,数据速率接近最大Shannon容量限的90%。与当今无线局域网和蜂窝电话系统中所用的调制和编码技术相比,新空时方法的频谱效率可高一个数量级。举例证明:在室内环境中,朗讯公司的V-BLAST实验室原型系统在平均信噪比24-34dB时,频谱效率为20-40b/s/Hz,如果发射机和接收机都使用16根天线,在信噪比为30dB时,容量可达60-70b/s/Hz。

  空时技术可用于蜂窝网,也可用于自组网。例如,在乡村地区使用智能天线,可在一个更大的地理区域内提高通信距离,降低蜂窝系统的设备支出;在自组网中,智能天线可通过天线的方向性来掏同信道和邻信道干扰,从而提高网络容量。

5 自组网络

  除了获取高速数据速率的物理层技术之外,未来无线网络的另一特点是能适应无固定结构而存在,因此自组网络是未来系统的关键技术。自组网络由一群移动节点合作参与,允许在无中心设施支持的情况下建立无所不在的通信。网络链路是动态的,当节点在网络中移动时,链路会断开变化。

  过去,自组网络被认为是适用于战争和灾害地区的通信结构,在那里,无中心的自组网络结构在操作上有优势,甚至是必须的。现在,当新的无线技术(如蓝牙技术)出现后,便携设备(如笔记本电脑、蜂窝电话、PDA和MP3等)之间需要交互,自组网络将在商业领域发展超来。

  当今天的蜂窝系统仍依赖于中心控制和管理时,下一代移动无线系统标准正在向自组运行方向努力。例如,HiperLAN/2的直接操作模式可让相领的终端直接通信;蓝牙、IEEE802.11自组模式和IEEE802.15个人区域网络(PAN)支持完全的无中心无线接入和路由技术。

  自组网络没有预先规定好结构,网络链路具有临时性,为分组无线结构的设计和实现提出几项基本技术的挑战:(1)必须设计并优化安全和路由功能,以便它们在分布环境下有效运行;(2)在保证维持动态网络拓扑中连接性的同时尽量减少开销,需要降低路由表信息更新的频率;(3)采用适当的路由协议设计,在一个多跳网络中,使链路容量和时延波动保持最小;(4)网络连接性(覆盖)、时延要求、网络容量与功率预算之间需要有可接受的折中;(5)通过采用适当的功率管理方案和优化的媒体接入控制(MAC)设计,使来自外部的干扰最小化。

6 网络跨层优化

  在过去的通信系统中,分层的开放系统互连(OSI)设计方法应用得很好,但演进的无线网络正在挑战这种设计哲学。正在出现的网络必须支持各式各样不断变化的业务类型及其服务质量(QoS)要求,并支持网络拓扑结构变化。

  在设计网络时,为了应对无线接入的挑战,各网络功能(即OSI的各层)必须统一考虑。各种应用的QoS需求变化,要求网络层在优化网络输出时考虑物理层设计。另外,不同的应用可以从不同的优化中得到更多好处,导致了模糊层间界限的设计方案,它试图跨过层间功能进行优化。

  真正的优化不仅要求跨层设计,还要求有跨层适应性。传统网络具有一定的适应能力,例如许多通信系统使用信号处理方法来适应信道环境的变化,通过调整路由表来适应业务负载的变化。然而,这样的调整是隔绝在特定层中的。跨层适应性将允许所有网络功能在不同功能之间传送信息并适应,以便满足QoS需求变化、网络负载变化和信道条件变化的要求。跨层网络设计要求网络各层的静态优化,而适应性要求跨层动态优化。

  网络跨层优化有待解决的问题:(1)全网络设计和优化极其复杂,特别是试图实时动态优化时;(2)优化时使用的尺度。网络各层(功能)传统上有各自隔离的优化准则,例如物理层的设计基本上集中在减小误比特率,MAC层的设计在于节点的数据通过速率或信道的有效性,网络层的设计要求时延或路由效率。用什么尺度能代表所有这些要求?如何把这些要求一起优化,或者给它们排出优先级?

  动态优化的相关问题是,在动态优化时,信息在网络层间传递,设计者必须选择要传递的信息,它不能太复杂,以致产生很大时延或大量优化过程的计算,但也不能太简单,以致传递的信息太少。因此这类系统的设计需要复杂的建模(仿真)过程。动态网络优化的最后一个问题是网络控制,当允许适应跨层功能时,重要的是需要控制这个过程,问题是由谁来控制。

  未来无线通信要求提供更丰富的业务和体验,需要有更高的速率、更好的服务质量、更自由的连接,这就要求专业人士研究开发出更多更好的新技术来支持这些需求,包括物理层高速数据传输技术和网络技术。


摘自 电信快报(2003年第4期)