移動(dòng)通信的關(guān)鍵技術(shù)

21世紀(jì)是移動(dòng)信息社會(huì)，21世紀(jì)的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)信息主要以數(shù)字和數(shù)據(jù)格式描述，信息的交流主要依賴于計(jì)算機(jī)通信，通信發(fā)展的趨勢(shì)是消除人類活動(dòng)受通信設(shè)備的空間和時(shí)間的束縛，新的一代移動(dòng)通信系統(tǒng)即人們稱之第三代的核心特征是寬帶尋址接入到固定網(wǎng)和眾多不同通信系統(tǒng)間的無隙縫漫游，獲取多媒體通信業(yè)務(wù)。

回顧歷史，差不多每隔十年移動(dòng)通信系統(tǒng)就發(fā)生一次變革性換代，移動(dòng)通信系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)如圖1所示。20世紀(jì)80年代的1G的AMPS和90年代的2G的GSM，IS-95主要應(yīng)用于話音業(yè)務(wù)和電路交換業(yè)務(wù)，20世紀(jì)90年代開始研制的3G即全球移動(dòng)通信系統(tǒng)IMT-2000。

圖1　移動(dòng)通信技術(shù)的演進(jìn)

ITU-R的WP8F工作組研究3G和B3G未來發(fā)展，WP8F第六次會(huì)議通過“IMT2000未來發(fā)展和超IMT2000的遠(yuǎn)景框架及總目標(biāo)”（IMT-VIS），見圖2。B3G系統(tǒng)在高速移動(dòng)環(huán)境中，可支持100 Mbit/s數(shù)據(jù)傳輸，在低速移動(dòng)環(huán)境中，可支持1 Gbit/s數(shù)據(jù)傳輸。

圖2　IMT-2000和超IMT-2000

3G系統(tǒng)的主要參數(shù)有：在宏蜂窩環(huán)境下，數(shù)據(jù)傳輸率為144～384 kbit/s。在微蜂窩環(huán)境下，移動(dòng)速率3 km/h時(shí)數(shù)據(jù)傳輸率為100 Mbit/s，移動(dòng)速率60 km/h時(shí)數(shù)據(jù)傳輸率為20 Mbit/s，移動(dòng)速率250 km/h時(shí)數(shù)據(jù)傳輸率為2 Mbit/s。以IP為基礎(chǔ)的無線接續(xù)，支持QoS，支持系統(tǒng)間無縫業(yè)務(wù)和全球漫游。支持多重模式，支持系統(tǒng)對(duì)稱和非對(duì)稱業(yè)務(wù)。

B3G系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)是在固定或游牧移動(dòng)覆蓋區(qū)下，數(shù)據(jù)傳輸率為1 Gbit/s，高速移動(dòng)覆蓋區(qū)下，數(shù)據(jù)傳輸率為100 Mbit/s。信號(hào)頻譜帶寬為100 MHz，頻譜利用率為5～20 bit/s/Hz。采取協(xié)同分布式無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，傳輸制式為寬帶多載波的GMC/OFDM/MIMO，接收制式采取迭代并行處理。

3GPP組織確定Evolved UTRA and UTRAN研究計(jì)劃，研究UMTS的無線接入和網(wǎng)絡(luò)長(zhǎng)期演進(jìn)（LTE，Long Term Evolution）和發(fā)展。3GPP2組織研究空中接口演進(jìn)（AIE，Air Interface Evolution）。美國(guó)啟動(dòng)GENI計(jì)劃，在全球網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，研究提供“無所不在服務(wù)”的下一代互聯(lián)網(wǎng)。歐洲設(shè)置IST（Information Society Technology）計(jì)劃，研究Winner（Wireless World Initiative New Radio）的泛在無線通信系統(tǒng)。日本有e-Japan計(jì)劃，采取可變擴(kuò)頻因子—頻碼正交復(fù)用（VSF-OFCDM）技術(shù)，下行鏈路傳輸速率達(dá)到300 Mbit/s。而我國(guó)有FuTURE（Future Technologies for Universal Radio Environment）項(xiàng)目，研究下行鏈路傳輸速率100 Mbit/s，頻譜利用率6 bit/s/Hz的協(xié)同分布式無線通信系統(tǒng)。國(guó)家“十一五”科學(xué)技術(shù)發(fā)展規(guī)劃把“新一代寬帶無線移動(dòng)通信網(wǎng)”確定為重大專項(xiàng)之一。

移動(dòng)通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)主要有下述方面：

1.寬帶數(shù)字通信基礎(chǔ)理論研究

針對(duì)高效綜合協(xié)同利用通信系統(tǒng)的時(shí)間、頻率、空間、網(wǎng)絡(luò)、終端等各種資源，重點(diǎn)開展自適應(yīng)通信理論、新型信道編解碼方法、高效調(diào)制方案、基帶處理與天線的協(xié)同優(yōu)化模型、抗干擾機(jī)理與方法、網(wǎng)絡(luò)容量?jī)?yōu)化理論等方面研究，建立新型的多址復(fù)用理論及調(diào)度算法，以期在逼近Shannon理論限的基礎(chǔ)研究方面取得突破。

2.寬帶調(diào)制和多址技術(shù)

無線高速數(shù)據(jù)傳輸不能一味僅靠頻譜的擴(kuò)展，應(yīng)在頻譜效率上至少高于目前一個(gè)數(shù)量級(jí)，可在物理層采用三項(xiàng)技術(shù)，即OFDM、UWB和空時(shí)調(diào)制編碼。OFDM與其他編碼方式的結(jié)合，靈活把OFDM與TDMA、FDMA、CDMA、SDMA組合成多址技術(shù)。

20世紀(jì)60年代OFDM的多路數(shù)據(jù)傳輸已成功用于Kineplex和Kathryn高頻軍事通信系統(tǒng)。OFDM已用于1.6 Mbit/s高比特率數(shù)字用戶線（HDSL），6 Mbit/s不對(duì)稱數(shù)字用戶線（ADSL），100 Mbit/s甚高速數(shù)字用戶線（VDSL），數(shù)字音頻廣播和數(shù)字視頻廣播等。OFDM應(yīng)用于5 GHz上提供54 Mbit/s無線本地網(wǎng)IEEE 802.11 a和IEEE 802.11g，高性能本地域網(wǎng)絡(luò)Hiper LAN/2和ETSI-BRAN，還作為城域網(wǎng)IEEE 802.16和集成業(yè)務(wù)數(shù)字廣播（ISDB-T）標(biāo)準(zhǔn)。與單載頻調(diào)制制式相比，OFDM調(diào)制制式要解決相對(duì)大的峰均功率比（PAPR，Peak to Average Power Ratio）和對(duì)頻率位移和相位噪聲敏感的問題。

高速移動(dòng)通信的另一要求是在寬噪聲帶寬下，所需解調(diào)信噪比應(yīng)盡可能降低，從而增加覆蓋面積�？刹扇】顾ヂ涞目焖侔l(fā)射功率控制和導(dǎo)頻輔助快速跟蹤相干解調(diào)技術(shù)，如頻域抗衰落的Rake接收和跟蹤技術(shù)，從時(shí)域和頻域抵抗時(shí)間和頻率選擇性衰落的OFDMA技術(shù)，鏈路自適應(yīng)技術(shù)，聯(lián)合編碼技術(shù)。

3.頻譜利用率提升技術(shù)

理論研究指出：在獨(dú)立Rayleigh散射信道中，數(shù)據(jù)速率與天線數(shù)成線性關(guān)系，容量可達(dá)Shannon的90%。在發(fā)射和接收端以多天線開發(fā)信道空間可取得容量和頻譜效率的增益。MIMO技術(shù)主要包括空間復(fù)用和空間分集技術(shù)，在獨(dú)立信道上并發(fā)或連發(fā)相同信息來提高傳輸可靠性。

收發(fā)雙方的空間分集是高容量無線通信系統(tǒng)采用技術(shù)之一。貝爾實(shí)驗(yàn)室分層次空時(shí)的對(duì)角BLAST（D-BLAST）容量的增加為收發(fā)雙方最小天線數(shù)的函數(shù)。利用MIMO所構(gòu)成的跨時(shí)域和空域的擴(kuò)展信號(hào)還可以抵抗多徑干擾。V-BLAST系統(tǒng)在室內(nèi)24～34 dB時(shí)，頻譜利用率為20～40 bit/s/Hz。而發(fā)射和接收端均采用16天線，在30 dB時(shí)，頻譜利用率增至60～70 bit/s/Hz。

智能天線自動(dòng)跟蹤所需信號(hào)和自適應(yīng)空時(shí)處理算法，利用天線陣產(chǎn)生空間定向波束，通過數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)使主波束對(duì)準(zhǔn)用戶信號(hào)到達(dá)方向，旁瓣或零陷對(duì)準(zhǔn)干擾信號(hào)到達(dá)方向。自適應(yīng)陣列天線（AAA，Adaptive Array Antennas）中干擾抵消均衡器（ICE，Interference Canceling Equalizer）可減少干擾和降低發(fā)射功率。

UWB也稱為脈沖無線電，調(diào)制采用脈沖寬度在納秒級(jí)的快速上升和下降脈沖，脈沖覆蓋的頻譜從直流至吉赫茲，不需常規(guī)窄帶調(diào)制所需的射頻上變換，脈沖成型后可直接送至天線發(fā)射。

4.無線資源管理

移動(dòng)通信系統(tǒng)中，有限頻譜資源的基站和有限發(fā)射功率的移動(dòng)站限制了數(shù)據(jù)傳輸速率的提高。應(yīng)在現(xiàn)有頻譜資源，上下行鏈路質(zhì)量和QoS業(yè)務(wù)的基礎(chǔ)上，利用資源管理分配鏈路傳輸速率和發(fā)射功率。利用有限無線頻譜資源和發(fā)射信號(hào)功率，減少經(jīng)受干擾等影響。無線資源控制有多用戶資源分配策略、多業(yè)務(wù)分組調(diào)度策略、鏈路自適應(yīng)技術(shù)、越區(qū)切換、功率控制和接納控制等。

5.軟件無線電技術(shù)

軟件無線電技術(shù)是在硬件平臺(tái)上通過軟件編輯以一個(gè)終端實(shí)施不同系統(tǒng)中多種通信業(yè)務(wù)。它用數(shù)字信號(hào)處理語言描述電信元件，以軟件程序下載成數(shù)字信號(hào)處理硬件（DSPH，Digital Signal Pocessing Hardware）。以具有通用開放無線結(jié)構(gòu)（OWA，Open Wireless Architecture），兼容多種模式在多種技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)之間無縫切換。

6.網(wǎng)絡(luò)安全和QoS

QoS分為無線和有線側(cè)兩部分，無線側(cè)的QoS涉及無線資源管理和調(diào)度，接納控制和移動(dòng)性管理等，移動(dòng)性管理主要包括終端移動(dòng)性，個(gè)人移動(dòng)性和業(yè)務(wù)移動(dòng)性。有線側(cè)的QoS涉及基于IP diffSer的區(qū)分業(yè)務(wù)和RSVP的端到端資源預(yù)留機(jī)制。把IP diffSer的IP QoS機(jī)制映射到無線側(cè)。網(wǎng)絡(luò)安全包括網(wǎng)絡(luò)接入安全，核心網(wǎng)安全，應(yīng)用安全，安全機(jī)制可見性與可配置性。

7.基于Mesh自組織網(wǎng)絡(luò)的接入網(wǎng)架構(gòu)體系

1968年研究的ALOHA協(xié)議是在固定節(jié)點(diǎn)的ALOHA網(wǎng)絡(luò)中支持分布式信道接入，網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)都位于其他參與節(jié)點(diǎn)覆蓋范圍內(nèi)，也就是說ALOHA網(wǎng)絡(luò)是一種單跳網(wǎng)。1993年DARPA研究多跳分組無線網(wǎng)協(xié)議，多跳技術(shù)增加網(wǎng)絡(luò)容量的思路是：在大型網(wǎng)絡(luò)中采用共存與分離多跳會(huì)話，空域復(fù)用，預(yù)留發(fā)射功率資源和復(fù)雜路由協(xié)議來提高全網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。

現(xiàn)今蜂窩通信系統(tǒng)依靠集中控制和管理，而下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)轉(zhuǎn)向固定與移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，無隙縫和全方位通信。未來無線網(wǎng)絡(luò)除了以低成本達(dá)到高數(shù)據(jù)率外，還要求在無專用通信基礎(chǔ)設(shè)施下，網(wǎng)絡(luò)具有適應(yīng)和生存能力。

Mesh網(wǎng)絡(luò)是一種高容量高速率的多點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)，采用移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)（Ad hoc）的多跳網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌�引入中繼節(jié)點(diǎn)擴(kuò)展基站無線覆蓋范圍和增強(qiáng)接入點(diǎn)的熱點(diǎn)覆蓋功能。

Ad hoc網(wǎng)絡(luò)因靈活性將在未來網(wǎng)絡(luò)中扮演重要角色，用戶和路由器能在網(wǎng)絡(luò)中隨機(jī)移動(dòng)的Ad hoc網(wǎng)絡(luò)正成為主要研究領(lǐng)域，它準(zhǔn)許移動(dòng)終端擴(kuò)展接入。Ad hoc網(wǎng)絡(luò)作為非集中控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，所有移動(dòng)節(jié)點(diǎn)以約定協(xié)議建立全向通信用于軍事和災(zāi)害通信。

8.基于智能節(jié)點(diǎn)重疊網(wǎng)的核心網(wǎng)體系

基于智能節(jié)點(diǎn)重疊網(wǎng)（INON）是覆蓋在IP核心網(wǎng)上的傳統(tǒng)彈性重疊網(wǎng)（RON）技術(shù)和分布式散列表（DHT）技術(shù)結(jié)合的新型技術(shù)，分別解決數(shù)據(jù)傳輸和資源定位問題，新型重疊網(wǎng)技術(shù)包括自組織網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)資源管理和路由優(yōu)化等。對(duì)網(wǎng)絡(luò)特性的要求也發(fā)生了變化，如：時(shí)延，吞吐量，支持各種QoS多媒體業(yè)務(wù)動(dòng)態(tài)流量，差錯(cuò)率，頻譜帶寬，節(jié)點(diǎn)連續(xù)不斷進(jìn)出網(wǎng)絡(luò)引起的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓�等，這些都對(duì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)提出了新的挑戰(zhàn)。

9.網(wǎng)絡(luò)協(xié)議

研究適合IP分組傳輸具有位置注冊(cè)，基站網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)管理和無線QoS控制的網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議，以有利于接入網(wǎng)綜合的無隙縫業(yè)務(wù)控制。以IP技術(shù)為基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議可有效地處理IP分組流量，提供廣播和分組多播功能，其核心是路由、越區(qū)和鑒權(quán)技術(shù)等。

未來網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮網(wǎng)絡(luò)跨層間的相互作用，無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的OSI分層模型中最高和最低層次有不同方法解決固定基站無限制接入位置問題，以網(wǎng)絡(luò)層自適應(yīng)策略，利用物理層和MAC層信息，資源和連接點(diǎn)信息可優(yōu)化系統(tǒng)的性能。

在新一代多媒體網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，不僅需要靜態(tài)優(yōu)化跨層設(shè)計(jì)，還應(yīng)考慮動(dòng)態(tài)優(yōu)化跨層自適應(yīng)，未來網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮網(wǎng)絡(luò)跨層間的相互影響。隨著無線核心網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，將集中在物理層，數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層，見圖3。利用層間傳輸控制信息進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化，最大限度地利用無線網(wǎng)絡(luò)資源，提高系統(tǒng)的整體性能。

圖3　網(wǎng)絡(luò)分層和跨層設(shè)計(jì)

10.射頻電路和電磁兼容

高頻系統(tǒng)中主要元件是射頻電路，如高頻功率放大器，超低溫小型接收放大器和天線等。毫米波元件的雙端口設(shè)備和波導(dǎo)管分別為有源器件和發(fā)射介質(zhì)，現(xiàn)在采用高速三端口設(shè)備，具有小型、輕便等特點(diǎn)。高電子移動(dòng)性晶體管（HEMT，High Electron Mobility Transistor）可達(dá)600 GHz高振蕩頻率和從微波到毫米波段的超低噪聲性能，多級(jí)毫米波低噪放大器（LNA，Low Noise Amplifier）在62 GHz僅有1.7 dB NF。