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北京交通大學(xué)電子信息工程學(xué)院 北京100044
摘 要 本文主要介紹了未來無線通信領(lǐng)域中幾項(xiàng)最關(guān)鍵的技術(shù)革新。隨著無線業(yè)務(wù)的擴(kuò)展，對高數(shù)據(jù)速率通信的需求必將導(dǎo)致能提供高頻譜效率的新的調(diào)制和編碼技術(shù)。我們討論了滿足這一條件三種物理層技術(shù)：正交頻分復(fù)用、超寬帶傳輸、空-時(shí)調(diào)制/編碼。另外由于室內(nèi)接入正成為無線通信領(lǐng)域的前沿，本文對寬帶局域網(wǎng)（WLAN）和即興（Ad hoc）網(wǎng)的應(yīng)用也進(jìn)行了探討。
關(guān)鍵詞 空-時(shí)處理 多輸入多輸出 超寬帶 正交頻分復(fù)用 即興網(wǎng)
一、概述
用戶和路由設(shè)備可以在網(wǎng)絡(luò)中隨機(jī)移動(dòng)的即興（Ad hoc）網(wǎng)，已經(jīng)成為了一個(gè)重要的研究領(lǐng)域，這種新興的技術(shù)必將擴(kuò)展便攜式的接入，并且使突發(fā)情況下的通信成為可能。傳統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)固定接入到寬帶主干網(wǎng)上，而且對數(shù)據(jù)速率的要求越來越高，例如IEEE 802.11a/g要求54Mbps的數(shù)據(jù)速率。許多新技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，并將對無線通信領(lǐng)域產(chǎn)生重大影響。超寬帶（UWB）技術(shù)采用極短的脈沖信號來傳送信息，而脈沖所占用的帶寬高達(dá)幾GHz。與傳統(tǒng)的無線通信系統(tǒng)將基帶信號上變頻為射頻信號不同，UWB可以認(rèn)為是基帶傳輸，不過剛好是在射頻頻率上而已。它可以在室內(nèi)提供高達(dá)100Mbps的數(shù)據(jù)速率，而功率譜密度卻非常低。另一種高效的技術(shù)是正交頻分復(fù)用（OFDM）。它提供了以往的調(diào)制方式所沒有的多址接入和信號處理方式，使得無線網(wǎng)絡(luò)可以在較窄的頻帶上獲得較高的頻譜效率。上個(gè)世紀(jì)90年代的研究表明，在發(fā)射端和接收端采用多天線可以獲得很高的功率效率和頻譜效率。進(jìn)一步的研究表明，這一系統(tǒng)在獨(dú)立的瑞利散射信道中獲得的理論數(shù)據(jù)速率與天線數(shù)成正比，并且接近最大香農(nóng)容量的90%。朗訊的V-BLAST實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)模型可以在平均信躁比24-34dB的室內(nèi)環(huán)境中達(dá)到20-40bps/Hz的頻譜效率，而收發(fā)端采用16個(gè)天線時(shí)可以在30dB的信躁比下獲得60-70bps/Hz的頻偏效率。
下面我們將詳細(xì)的介紹以上這些技術(shù)以及它們在未來無線通信領(lǐng)域中的應(yīng)用。
二、無線通信在室內(nèi)接入中應(yīng)用
傳統(tǒng)意義上說，人們只有在相對靜止的情況下才使用寬帶資源，而這些活動(dòng)往往發(fā)生在室內(nèi)。而眾所周知，無線通信技術(shù)的誕生最初是為了提供移動(dòng)的語音業(yè)務(wù)，為旅途中的人們提供通信服務(wù)。
Internet的飛速發(fā)展得宜于Internet服務(wù)提供商（ISP）所提供的固定的室內(nèi)連接，這些服務(wù)提供商往往與當(dāng)?shù)氐挠芯�運(yùn)營商是同出一門。而與此形成鮮明對比的是，在無線通信領(lǐng)域，運(yùn)營商為了購買帶寬資源的使用權(quán)、建設(shè)戶外的移動(dòng)覆蓋投入了大量資本。因此他們一直難以涉足于室內(nèi)領(lǐng)域。而且，所有現(xiàn)行的第二代數(shù)字無線通信系統(tǒng)都主要著眼于提供以話音為主的業(yè)務(wù)。這就在過去的若干年中將室內(nèi)的數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)拱手讓給了有線通信系統(tǒng)。
在未來十年，提供寬帶數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的室內(nèi)無線接入將成為無線通信領(lǐng)域最重要的議題。蜂窩和個(gè)人通信的發(fā)展要求第三代無線設(shè)備以能為室內(nèi)用戶提供類似于Internet的網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)為核心。絕大多數(shù)運(yùn)營商都沒有現(xiàn)存的系統(tǒng)來提供這樣的室內(nèi)覆蓋。這就為可以提供低成本的設(shè)備的基于無線局域網(wǎng)（WLAN）的新競爭者提供了一個(gè)切入點(diǎn)。
利用建筑物或校園內(nèi)現(xiàn)有的有線以太網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，就可以快速并廉價(jià)的使用WLAN，并可以達(dá)到比昂貴的3G蜂窩設(shè)備更高的數(shù)據(jù)率。隨著VoIP技術(shù)的發(fā)展，相信WLAN能進(jìn)一步提供融合了電話和互聯(lián)網(wǎng)接入的移動(dòng)/便攜無線業(yè)務(wù)，而不采用蜂窩結(jié)構(gòu)。
現(xiàn)在有許多公司在努力將2.5G和3G的蜂窩技術(shù)于WLAN技術(shù)融合，生產(chǎn)出能完成各種室內(nèi)鏈接和業(yè)務(wù)的手機(jī)等無線設(shè)備。
提到室內(nèi)無線接入時(shí)，WLAN和現(xiàn)存并廣泛采用的基于IP的有線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)將成為以無線電波為核心的蜂窩/個(gè)人移動(dòng)通信系統(tǒng)的有力競爭者，而后者正試圖將其勢力范圍從戶外擴(kuò)展到室內(nèi)。與此同時(shí)WLAN也將涉足戶外，如觀光地和機(jī)場。
三、無線通信數(shù)據(jù)速率
接下來的十年中，高速無線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)將更為成熟。而使這成為現(xiàn)實(shí)的關(guān)鍵在于頻帶利用率的提高。在物理層，有三種技術(shù)將在這方面起到關(guān)鍵作用：正交頻分復(fù)用（OFDM）、空-時(shí)結(jié)構(gòu)、以及超寬帶通信技術(shù)。
1. 正交頻分復(fù)用（OFDM）和多載波通信
正交頻分復(fù)用（OFDM）是多載波傳輸?shù)奶乩粋�(gè)高速的數(shù)據(jù)流用多個(gè)低速的子載波進(jìn)行傳輸。由于超大規(guī)模集成電路（VLSI）的進(jìn)步，使得高速大規(guī)模的快速傅立葉變換（FFT）芯片成為可能，OFDM技術(shù)也成為了商用高速寬帶無線通信技術(shù)的主要候選。另外，OFDM技術(shù)還擁有許多獨(dú)特的性質(zhì)使得它頗具吸引力：由于低速并行子載波上符號速率的增加，OFDM技術(shù)可以對抗多徑衰落和碼間干擾。（對于給定的延時(shí)擴(kuò)展，OFDM接收機(jī)的復(fù)雜度大大小于單載波情況下使用均衡技術(shù)。）；OFDM技術(shù)通過運(yùn)用自適應(yīng)調(diào)制和子載波上的功率分配技術(shù)有效的利用了射頻頻帶資源，而這些都可以用可編程數(shù)字信號處理器實(shí)現(xiàn)；由于窄帶干擾只能作用于子載波的一小部分，OFDM技術(shù)因而具有了抗窄帶干擾能力；與其他寬帶接入技術(shù)不同，OFDM技術(shù)無需連續(xù)的帶寬資源；OFDM是單頻網(wǎng)絡(luò)成為可能，而這非常適用于廣播應(yīng)用。
事實(shí)上，在過去的幾年，OFDM技術(shù)已廣泛用于寬帶數(shù)據(jù)通信中，如高達(dá)1.6Mb/s的高比特率數(shù)字用戶環(huán)路（HDSL）、高達(dá)6Mb/s的非對稱數(shù)字用戶環(huán)路（ADSL）、高達(dá)100Mb/s的超高數(shù)率數(shù)字用戶環(huán)路（VDSL）、數(shù)字音頻廣播、數(shù)字視頻廣播。OFDM還被引入新的無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，包括IEEE 802.11a和IEEE 802.11g，在5GHz范圍提供高達(dá)54Mb/s的速率。在高性能局域網(wǎng)如HIPERLAN/2和ETSI-BRAN中也有采用。OFDM技術(shù)還被用于了IEEE 802.16的城域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)和綜合業(yè)務(wù)數(shù)字廣播（ISDB-T）設(shè)備中。
當(dāng)今的潮流表明，OFDM技術(shù)將成為第四代寬帶多媒體無線通信系統(tǒng)的調(diào)制技術(shù)。然而在該技術(shù)得以廣泛應(yīng)用之前還有若干問題需要解決。與單載波調(diào)制相比，OFDM技術(shù)有以下缺點(diǎn)：
OFDM固有的較高峰均功率比（PAPR），這會降低射頻放大器的功率利用率。因?yàn)槎噍d波系統(tǒng)的輸出是多個(gè)子信道信號的疊加，因此如果多個(gè)信號的相位一致，那么所得到的疊加信號的瞬時(shí)功率就會遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于信號的平均功率。這就對發(fā)射機(jī)內(nèi)放大器的線性提出了很高的要求，否則會帶來信號畸變，使信號頻譜發(fā)生變化，從而導(dǎo)致各個(gè)子信道間的正交性遭到破壞，產(chǎn)生干擾，使系統(tǒng)的性能惡化。
多載波系統(tǒng)對于頻率偏移和相位噪聲非常敏感。由于無線信道的時(shí)變性，在傳輸過程中出現(xiàn)無線信號的頻率偏移或發(fā)射機(jī)與接收機(jī)本地振蕩器之間存在的頻率偏差都會使OFDM系統(tǒng)子載波之間的正交性遭到破壞，產(chǎn)生子載波間的干擾（ICI），這將大大降低系統(tǒng)性能，除非采用適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償技術(shù)。
以上的問題影響了OFDM技術(shù)的廣泛應(yīng)用。如ETSI的HIPERLAN/1標(biāo)準(zhǔn)在1996年曾考慮了OFDM技術(shù)，卻最終放棄。從那以后，許多研究多載波通信的大學(xué)和實(shí)驗(yàn)室開始考慮如何解決以上兩個(gè)問題。由于其固有的采用自適應(yīng)調(diào)制和子載波間的功率分配的方便性，OFDM技術(shù)仍是未來寬帶無線領(lǐng)域的一種優(yōu)秀的調(diào)制技術(shù)。將軟件無線電技術(shù)和智能天線技術(shù)與之結(jié)合，OFDM技術(shù)將獲得更大的性能提高。越來越多的新的多載波通信思想結(jié)合了OFDM技術(shù)和單載波系統(tǒng)如擴(kuò)頻技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)。
2. 超寬帶（UWB）技術(shù)
超寬帶（UWB）調(diào)制技術(shù)采用上升和下降時(shí)間都非常快的基帶脈沖成形，這樣脈沖占用的帶寬高達(dá)幾GHz，因此最大數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)幾百M(fèi)bps。這樣避免了傳統(tǒng)的窄帶調(diào)制技術(shù)所需的上變頻過程。另外由于發(fā)射機(jī)的脈沖成形不經(jīng)過上變頻直接用于天線，UWB技術(shù)可以利用低成本的寬帶發(fā)射設(shè)備。
UWB技術(shù)除了帶寬大，通信速率高之外，還有許多其他有點(diǎn)。首先，UWB通信的保密性好，其系統(tǒng)發(fā)射功率譜密度非常低，有用信息完全淹沒在噪聲中，被檢測到的概率很低。其次，UWB能抗多徑衰落，因?yàn)閁WB系統(tǒng)每次的脈沖發(fā)射時(shí)間很短，在反射波到達(dá)之前，直射波的發(fā)射和接收已經(jīng)完成，所以UWB系統(tǒng)適合在高速移動(dòng)環(huán)境下使用。而且，UWB通信被稱為無載波的基帶通信，它幾乎是全數(shù)字通信系統(tǒng)，所需要的射頻和微波器件很少，因此減小了系統(tǒng)復(fù)雜性。可以說，UWB通信是一種低成本、低功耗、高速率、簡單有效的優(yōu)秀無線通信方式。
2002年2月14日美國通信協(xié)會（FCC）批準(zhǔn)了UWB用于短距離無線通信的申請。UWB的帶寬被限制在3.1-10.6GHz范圍內(nèi)，該頻帶上的發(fā)射功率要求低于41dBm，這是為了保護(hù)GPS應(yīng)用、以及航空和軍事應(yīng)用。
超短脈沖使應(yīng)用UWB的雷達(dá)具有高的分辨率，而寬帶寬使其擁有高的信號速率適用于下一代無線局域網(wǎng)。
3. 空-時(shí)處理
隨著業(yè)務(wù)的擴(kuò)展，由于頻譜資源受限，無線業(yè)務(wù)提供商必須改進(jìn)技術(shù)來擴(kuò)大蜂窩系統(tǒng)的容量。通過小區(qū)分裂的辦法可以增加容量，但是卻以增加基站為代價(jià)。然而空-時(shí)技術(shù)和多輸入多輸出（MIMO）天線結(jié)構(gòu)運(yùn)用天線和差錯(cuò)控制編碼充分利用了小尺度時(shí)間和空間分集，大大增加了頻譜效率，用比小區(qū)分裂更低的成本增強(qiáng)了覆蓋。而且空-時(shí)技術(shù)既可以應(yīng)用于蜂窩系統(tǒng)又可以用于即興（Ad hoc）網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。
多徑是影響無線鏈路可靠性的主要因素。分集技術(shù)是減小深衰落影響的有效技術(shù)。過去絕大多數(shù)的分集都是基于接收端的，主要是從移動(dòng)臺到基站的上行鏈路。最近，更多的研究著眼于基站和移動(dòng)臺雙方的空間分集。原因之一是工作在更高頻率的新系統(tǒng)的發(fā)展。例如，載波頻率高達(dá)2.4GHz或5GHz的無線設(shè)備需要的天線陣列的間隔并沒有大大增加移動(dòng)終端的體積。雙發(fā)射分集已經(jīng)被3GPP和3GPP2用來改善下行信道的數(shù)據(jù)速率，因?yàn)槲磥淼臒o線多媒體業(yè)務(wù)對下行速率的要求大大高于上行速率。
通過合理的選擇編碼，可以實(shí)現(xiàn)時(shí)域上的分集；而發(fā)射端和接收端采用多天線，則提供了空間分集。這大大增加了頻譜效率，并且用較低的復(fù)雜性（所有發(fā)射端的編碼和接收端的處理都可以用線性處理實(shí)現(xiàn)）獲得了分集增益和編碼增益。研究結(jié)果表明多發(fā)射多接受天線結(jié)構(gòu)采用最大可能檢測器的信號與單發(fā)射雙接收結(jié)構(gòu)采用最大比合并結(jié)構(gòu)獲得的結(jié)果相同。這樣分集的負(fù)擔(dān)就在不影響性能的情況下轉(zhuǎn)移到了發(fā)射端。
在閉環(huán)發(fā)射分集技術(shù)中，接收機(jī)會通過反饋消息將當(dāng)前信號的特性提供給發(fā)射機(jī)，這樣就能通過信號選擇或預(yù)失真來補(bǔ)償當(dāng)前信道特性所帶來的影響。顯然閉環(huán)發(fā)射分集技術(shù)優(yōu)于簡單的“盲發(fā)射”STBC。除了STBC，“盲發(fā)射”分集也可以通過延遲分集結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，即不同的發(fā)射天線上的信號具有不同的延遲，因此避免了頻率選擇性信道。接收端的均衡器用訓(xùn)練序列來補(bǔ)償信道失真，將具有不同延遲的各路信號進(jìn)行合并就可以獲得分集增益。這一方法的缺點(diǎn)是信道間的差異不是符號周期的整數(shù)倍，就會收到碼間干擾的影響。在這種情況下，需要用接收端的反饋來調(diào)整延遲。
MIMO技術(shù)同時(shí)在發(fā)射和接收端應(yīng)用多個(gè)天線來滿足高速無線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的需求。Bell實(shí)驗(yàn)室的分層空-時(shí)（BLAST）方案是MIMO系統(tǒng)的應(yīng)用之一。該系統(tǒng)可以將無線系統(tǒng)的容量擴(kuò)大m倍，其中m是發(fā)射天線數(shù)和接收天線數(shù)的較小值。與延遲分集結(jié)構(gòu)類似，BLAST也沒有采用信道編碼，它通過多發(fā)射天線利用了多徑，然后在接收端用先進(jìn)的算法將信號進(jìn)行合成。有關(guān)BLAST的研究主要集中在優(yōu)化訓(xùn)練序列、檢測算發(fā)，以及將BLAST技術(shù)與編碼相結(jié)合。其中較成功的研究成果是垂直BLAST（V-BLAST），它的處理更為簡化，使其成為了下一代室內(nèi)和移動(dòng)無線應(yīng)用的有力競爭技術(shù)。
許多無線通信系統(tǒng)已經(jīng)計(jì)劃采用空-時(shí)碼。例如寬帶固定無線接入標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.16.3考慮將空-時(shí)碼作為內(nèi)碼，里德-所羅門碼作為外碼。歐洲的WIND-FLEX項(xiàng)目在為室內(nèi)應(yīng)用的64到100Mbps的自適應(yīng)調(diào)制解調(diào)器選擇最優(yōu)的發(fā)射和接收天線數(shù)量。第四代蜂窩移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)計(jì)劃在每個(gè)蜂窩內(nèi)達(dá)到20的頻譜效率，提供高達(dá)20Mbps的數(shù)據(jù)速率�？�-時(shí)編碼是可以達(dá)到這一要求的技術(shù)之一。
四、即興（Ad hoc）網(wǎng)
以較低的成本獲得高的數(shù)據(jù)速率是無線通信領(lǐng)域的關(guān)鍵。前面的介紹表明有許多物理層的技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。然而，未來無線通信網(wǎng)絡(luò)的另一要素是在沒有固有的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的情況下存在的能力。因此，即興（Ad hoc）網(wǎng)就成為了未來系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。Ad hoc網(wǎng)絡(luò)是在沒有任何現(xiàn)存網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施或集中管理的情況下通過一組移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的合作動(dòng)態(tài)形成的臨時(shí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的鏈接是動(dòng)態(tài)的，常常會因?yàn)楣?jié)點(diǎn)的移動(dòng)而斷開。Ad hoc網(wǎng)絡(luò)的歷史可以追溯到1968年，當(dāng)時(shí)剛剛興起對ALOHA網(wǎng)絡(luò)的研究。ALOHA的協(xié)議支持單跳網(wǎng)絡(luò)（網(wǎng)絡(luò)中的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以到達(dá)所以其他的節(jié)點(diǎn)）的分布式信道接入，但這最初用于固定網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。1973年，DARPA開始研究多跳的分組無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。多跳技術(shù)通過空間域的復(fù)用增大了網(wǎng)絡(luò)的容量，不過這需要更為復(fù)雜的路由協(xié)議來支持。過去Ad hoc網(wǎng)絡(luò)主要用于戰(zhàn)場和災(zāi)區(qū)這些無法或不便預(yù)先敷設(shè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施的場合�，F(xiàn)在，隨著新興的無線技術(shù)如藍(lán)牙技術(shù)的成熟，Ad hoc網(wǎng)絡(luò)的商用前景也越來越被看好，各種便攜設(shè)備如筆記本、移動(dòng)電話、PDA、MP3播放器的互聯(lián)成為可能。
現(xiàn)行的蜂窩系統(tǒng)要依靠集中控制和管理，而下一代移動(dòng)無線系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)將努力朝Ad hoc的方向發(fā)展。例如HIPERLAN/2的直接模式，相鄰的終端之間直接通信。藍(lán)牙技術(shù)、IEEE 802.11的Ad hoc模式、IEEE 802.16的Ad hoc網(wǎng)絡(luò)（MANET）、IEEE 802.15的個(gè)人領(lǐng)域網(wǎng)絡(luò)（PAN）提供了分散的無線、接入和路由技術(shù)。因此Ad hoc無線網(wǎng)絡(luò)具有廣闊的發(fā)展前景。
由于Ad hoc網(wǎng)絡(luò)沒有預(yù)先確定的結(jié)構(gòu)，加之網(wǎng)絡(luò)鏈接的多變性，在設(shè)計(jì)和實(shí)施過程中存在一些關(guān)鍵性的技術(shù)挑戰(zhàn)，包括：需要綜合考慮安全性和路由問題，保證網(wǎng)絡(luò)在分布式環(huán)境下有效運(yùn)行；附加開銷要在確保動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞臈l件下最小化（盡量降低路由表的更新頻率）；通過合理的路由協(xié)議設(shè)計(jì)，多跳網(wǎng)絡(luò)中鏈路容量的不穩(wěn)定性要保證最��；網(wǎng)絡(luò)鏈接（覆蓋）、延時(shí)需求、網(wǎng)絡(luò)容量和功率預(yù)算之間要合理折中；通過合理的應(yīng)用功率控制機(jī)制和最優(yōu)的媒質(zhì)接入控制（MAC）設(shè)計(jì)，降低與其他技術(shù)之間的干擾。
五、結(jié)論
本文介紹了無線通信領(lǐng)域在未來的十幾年內(nèi)有可能蓬勃發(fā)展的若干新技術(shù)。相信Internet和無線通信將很快的融合起來。我們注意到無線通信領(lǐng)域的許多前沿技術(shù)都是室內(nèi)的，現(xiàn)有的蜂窩/個(gè)人通信牌照的持有者和采用WLAN技術(shù)的Ad hoc網(wǎng)絡(luò)的建立者之間將會有一場爭奪接入的大戰(zhàn)。
而對高數(shù)據(jù)速率的需求必將導(dǎo)致能提供高頻譜效率的新的調(diào)制和編碼技術(shù)。我們討論了滿足這一條件三種物理層技術(shù)：正交頻分復(fù)用、超寬帶傳輸、空-時(shí)調(diào)制/編碼。我們相信無線技術(shù)將為未來的通信事業(yè)作出更杰出的貢獻(xiàn)。
----《中國數(shù)據(jù)通信》
