無線通信新技術(shù)展望

汪曉陽


（上海大唐移動通信設(shè)備有限公司 200233）



　　摘要 文章對在未來無線通信領(lǐng)域有望得到重要應(yīng)用的新技術(shù)進(jìn)行描述，包括無線局域網(wǎng)、碼分多址、高頻譜效率（正交頻分復(fù)用、超工帶調(diào)制和空時處理）、自組網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)跨層優(yōu)化。這些技術(shù)和方法有許多優(yōu)越之處，同時有許多問題尚待解決。



　　關(guān)鍵詞 無線局域網(wǎng) 碼分多址 高頻譜效率 自組網(wǎng)絡(luò) 網(wǎng)絡(luò)跨層優(yōu)化



1 無線通信發(fā)展中的新技術(shù)



　　無線通信已成為通信產(chǎn)業(yè)的最大組成部分之一，有有發(fā)展前途。1990年時，全世界只有1000萬蜂窩電話用戶，主要使用模擬技術(shù)的第一代移動通信系統(tǒng)；現(xiàn)在大約有7億用戶，主要使用數(shù)字技術(shù)的第二代移動通信系統(tǒng)；預(yù)計到2006年將超過20億移動通信系統(tǒng)還在完善中，三代后技術(shù)已開始發(fā)展。



　　在過去十幾年中，最成功的技術(shù)是GSM和分多址（CDMA）。GSM系統(tǒng)支持國際漫游、短消息和網(wǎng)絡(luò)層互操作，是目前用戶最多的蜂窩移動通信系統(tǒng)。CDMA技術(shù)提高了無線頻譜效率，把手機的復(fù)雜性轉(zhuǎn)移到低成本的基帶信號處理電路中，在第二代中應(yīng)用于IS-95系統(tǒng)；目前所有得到廣泛支持的第三代蜂窩移動通信標(biāo)準(zhǔn)都使用CDMA技術(shù)（包括cdma2000、WCDMA和TD-SCDMA）。



　　在無線通信發(fā)展的過去十幾年中，有成功者，也有失敗者。Iridium系統(tǒng)試圖提供全球衛(wèi)星蜂窩無線通信，它是空間切換、天線波束賦形、功率節(jié)省技術(shù)、手機工程和網(wǎng)絡(luò)管理等技術(shù)突破的先導(dǎo)者；Metricom系統(tǒng)試圖在無執(zhí)照頻譜范圍內(nèi)，用低功率設(shè)備組成大網(wǎng)，使用互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議在城區(qū)提供永久在線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，它是無線自組網(wǎng)絡(luò)的最初實例之一。在無線通信技術(shù)方面，這些失敗者都曾有創(chuàng)新和突破，但由于所倡導(dǎo)的業(yè)務(wù)和技術(shù)超前于所處時代，用戶發(fā)展緩慢，價格居高不下，導(dǎo)致以破產(chǎn)告終。



　　如同過去的十幾年一樣，在未來無線通信發(fā)展的過程中，仍會有成功者和失敗者，但無論如何開拓者都會為無線通信技術(shù)的創(chuàng)新和發(fā)展留下寶貴的財富或經(jīng)驗。本文試圖對可能成為未來無線通信核心部分的技術(shù)作概括描述。



2 無線局域網(wǎng)技術(shù)



　　通過利用大樓或小區(qū)內(nèi)已有的有線以太網(wǎng)設(shè)施，廉價的無線局域網(wǎng)正在快速部署，與昂貴的3G蜂窩設(shè)備所許諾的速率相比，它為計算機提供的數(shù)據(jù)速率高出一個數(shù)量級以上。目前，IEEE 802.11b可提供11Mb/s速率，IEEE 802.11a/g的速率可達(dá)4Mb/s。若使用VoIP技術(shù)，無線局域網(wǎng)可以不依賴蜂窩設(shè)施，在一個小區(qū)內(nèi)提供移動語音服務(wù)�，F(xiàn)在，已有人研究并推出把2.5G和3G蜂窩技術(shù)與無線局域網(wǎng)技術(shù)集成在一起的芯片和設(shè)備，以適應(yīng)不同的應(yīng)用場合。



3 碼分多址技術(shù)



　　CDMA通過讓不同用戶使用不同碼字共享相同的頻譜，它基于擴頻技術(shù)，對于非特定碼字用戶，擴頻信號的特性就像噪聲一樣，這使它比TDMA技術(shù)優(yōu)越。CDMA允許蜂窩系統(tǒng)中的相鄰小區(qū)使用相間頻段，從而提高頻譜利用率。在第二代蜂窩移動通信系統(tǒng)IS-95中，CDMA取得較大成功，在第三代蜂窩移動通信系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)中，CDMA成為主導(dǎo)多址接入技術(shù)。此外，CDMA技術(shù)還被許多運行在無執(zhí)照頻段的消費設(shè)備所采用（如無線局域網(wǎng)和無繩電話系統(tǒng)）。正在興起的超寬帶技術(shù)也采用CDMA技術(shù)進(jìn)行多址接入。



4 高頻譜效率技術(shù)



　　在今后十年中，高速無線數(shù)據(jù)傳輸將最終實現(xiàn)，其關(guān)鍵在于實現(xiàn)高頻譜效率。在物理層，有三種技術(shù)（正交頻分復(fù)用（OFDM）、超寬帶（UWB）和空時處理）將用于獲取高頻譜效率。



4.1 正交頻分復(fù)用



　　正交頻分復(fù)用是一種特殊形式的多載波傳輸，一個高速的數(shù)據(jù)流在多個低速子載波信道上傳輸。早在20世紀(jì)50年代，并行數(shù)據(jù)傳輸和OFDM的要領(lǐng)就已出現(xiàn)，20世紀(jì)70年代發(fā)明了OFDM的離散傅立葉變換（DFT）實現(xiàn)方法。現(xiàn)在，由于超大規(guī)模集成電路（VLSI）的發(fā)展，高速、大尺寸的快速傅立葉芯片得以商用，OFDM已用于并將更多地用于商用高速寬帶無線通信系統(tǒng)。在過去的十幾年中，OFDM技術(shù)已用于ADSL（6Mb/s）、VDSL（100Mb/s）、數(shù)字音頻廣播（DAB）和數(shù)字視頻廣播（DVB）等領(lǐng)域，現(xiàn)在OFDM又被新的無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.11a/g等采納，以提供高達(dá)54Mb/s的數(shù)據(jù)速率。在新近的研究中，OFDM被認(rèn)為將成為第四代蜂窩移動通信系統(tǒng)的調(diào)制方式。



　　OFDM具有一些獨特的優(yōu)點，是高速寬帶無線通信引人注目的技術(shù)選項：（1）由于高速數(shù)據(jù)分布在各低速率的子停產(chǎn)中傳輸，各子信道的符號間隔擴大，使它對多徑衰落和符號間干擾具有很強的抵抗力，對于一個特定的時延擴散，OFDM接收機的實現(xiàn)遠(yuǎn)比帶均衡器的單載波接收機簡單；（2）通過自適應(yīng)調(diào)制，使各子載波上的功率分配與慢速變化的信道條件相匹配，OFDM可有效使用無線頻譜；（3）窄帶干擾只影響到一小部分子載波，因此OFDM對窄帶干擾有很強的抵抗力；（4）與其它寬帶接入技術(shù)不同，OFDM可運行在不連續(xù)頻帶上。



　　盡管OFDM有上述優(yōu)點，但在被現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)廣泛使用之前，還有一些障礙需要克服。與單載波調(diào)制相比，OFDM的缺點包括：（1）OFDM的蜂場均率比（PAPR）較大，會降低射頻放大器的效率，N個子載波形成的峰值功率可能會是平均功率的N倍，又由于互調(diào)畸變，帶外輻射會比較大；（2）多載波系統(tǒng)對頻率偏移和相位噪聲更敏感。頻率抖動和多普勒移會引起載波間干擾（ICI），除非有適當(dāng)?shù)难a償技術(shù)，否則會降低系統(tǒng)性能。



　　現(xiàn)在很多研究著眼于克服上述障礙。由于可在各子載波上采用自適應(yīng)調(diào)制和功率負(fù)載，對于未來寬帶無線網(wǎng)絡(luò)來說，OFDM仍是一個優(yōu)選的調(diào)制方式。在OFDM系統(tǒng)中，通過配合使用軟件無線電技術(shù)和智能天線技術(shù)，性能上有望得到很大改善。



4.2 超寬帶



　　超寬帶調(diào)制使用基帶脈沖成型，上升和下降時間極快，在次納秒范圍內(nèi)。這樣的脈沖生成一個真正的寬帶頻譜，范圍在近零頻到幾GHz之間，不需要常規(guī)窄帶調(diào)制所需的射頻上變頻。在19世紀(jì)Holmholtz的菱中就有UWB的概念，當(dāng)時曾引起爭議。



　　UWB亦稱脈沖無線電，可使用極便宜的寬帶發(fā)射器件，發(fā)展機的脈沖波形直接送到天線，因此不需要上變頻。通過調(diào)整超短時脈沖（單脈沖）的獨特形狀，并調(diào)整天線單元對脈沖的負(fù)載特性進(jìn)行頻譜成形。單脈沖的峰值到峰值時間一般在十皮秒或百皮秒數(shù)量級，這是決定發(fā)射頻譜的關(guān)鍵。



　　UWB信號的功率譜密度很低，可以在整個頻譜上與其它射頻器件同時使用。由于UWB的帶寬極大，允許極高的信號速率，可用于下一代無線局域網(wǎng)。另外，可以發(fā)射很多單脈沖來組成一個信號比特，從而提供編碼增益和碼分集。已作過用UWB在大樓內(nèi)提供超過大型00Mb/s可靠數(shù)據(jù)速率的演示。



4.3 空時處理



　　當(dāng)載波頻率越高，波長超短，就有可能讓移動終端使用多個天線�？諘r處理技術(shù)和多輸入多輸出（MIMO）天線結(jié)構(gòu)使用很接近的天線和差錯控制碼，同時采用小尺度的時間和空間分集，有望極大提高頻譜效率。實驗結(jié)果表明，提高M(jìn)IMO結(jié)構(gòu)中的發(fā)射天線和接收天線數(shù)目可提高數(shù)據(jù)速率。在一個獨立的Rayleigh散射環(huán)境中，理論數(shù)據(jù)速率隨天線數(shù)目的增加而線性增加，數(shù)據(jù)速率接近最大Shannon容量限的90%。與當(dāng)今無線局域網(wǎng)和蜂窩電話系統(tǒng)中所用的調(diào)制和編碼技術(shù)相比，新空時方法的頻譜效率可高一個數(shù)量級。舉例證明：在室內(nèi)環(huán)境中，朗訊公司的V-BLAST實驗室原型系統(tǒng)在平均信噪比24-34dB時，頻譜效率為20-40b/s/Hz，如果發(fā)射機和接收機都使用16根天線，在信噪比為30dB時，容量可達(dá)60-70b/s/Hz。



　　空時技術(shù)可用于蜂窩網(wǎng)，也可用于自組網(wǎng)。例如，在鄉(xiāng)村地區(qū)使用智能天線，可在一個更大的地理區(qū)域內(nèi)提高通信距離，降低蜂窩系統(tǒng)的設(shè)備支出；在自組網(wǎng)中，智能天線可通過天線的方向性來掏同信道和鄰信道干擾，從而提高網(wǎng)絡(luò)容量。



5 自組網(wǎng)絡(luò)



　　除了獲取高速數(shù)據(jù)速率的物理層技術(shù)之外，未來無線網(wǎng)絡(luò)的另一特點是能適應(yīng)無固定結(jié)構(gòu)而存在，因此自組網(wǎng)絡(luò)是未來系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。自組網(wǎng)絡(luò)由一群移動節(jié)點合作參與，允許在無中心設(shè)施支持的情況下建立無所不在的通信。網(wǎng)絡(luò)鏈路是動態(tài)的，當(dāng)節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)中移動時，鏈路會斷開變化。



　　過去，自組網(wǎng)絡(luò)被認(rèn)為是適用于戰(zhàn)爭和災(zāi)害地區(qū)的通信結(jié)構(gòu)，在那里，無中心的自組網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在操作上有優(yōu)勢，甚至是必須的�，F(xiàn)在，當(dāng)新的無線技術(shù)（如藍(lán)牙技術(shù)）出現(xiàn)后，便攜設(shè)備（如筆記本電腦、蜂窩電話、PDA和MP3等）之間需要交互，自組網(wǎng)絡(luò)將在商業(yè)領(lǐng)域發(fā)展超來。



　　當(dāng)今天的蜂窩系統(tǒng)仍依賴于中心控制和管理時，下一代移動無線系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)正在向自組運行方向努力。例如，HiperLAN/2的直接操作模式可讓相領(lǐng)的終端直接通信；藍(lán)牙、IEEE802.11自組模式和IEEE802.15個人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（PAN）支持完全的無中心無線接入和路由技術(shù)。



　　自組網(wǎng)絡(luò)沒有預(yù)先規(guī)定好結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)鏈路具有臨時性，為分組無線結(jié)構(gòu)的設(shè)計和實現(xiàn)提出幾項基本技術(shù)的挑戰(zhàn)：（1）必須設(shè)計并優(yōu)化安全和路由功能，以便它們在分布環(huán)境下有效運行；（2）在保證維持動態(tài)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲羞B接性的同時盡量減少開銷，需要降低路由表信息更新的頻率；（3）采用適當(dāng)?shù)穆酚蓞f(xié)議設(shè)計，在一個多跳網(wǎng)絡(luò)中，使鏈路容量和時延波動保持最小；（4）網(wǎng)絡(luò)連接性（覆蓋）、時延要求、網(wǎng)絡(luò)容量與功率預(yù)算之間需要有可接受的折中；（5）通過采用適當(dāng)?shù)墓β使芾矸桨负蛢?yōu)化的媒體接入控制（MAC）設(shè)計，使來自外部的干擾最小化。



6 網(wǎng)絡(luò)跨層優(yōu)化



　　在過去的通信系統(tǒng)中，分層的開放系統(tǒng)互連（OSI）設(shè)計方法應(yīng)用得很好，但演進(jìn)的無線網(wǎng)絡(luò)正在挑戰(zhàn)這種設(shè)計哲學(xué)。正在出現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)必須支持各式各樣不斷變化的業(yè)務(wù)類型及其服務(wù)質(zhì)量（QoS）要求，并支持網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化。



　　在設(shè)計網(wǎng)絡(luò)時，為了應(yīng)對無線接入的挑戰(zhàn)，各網(wǎng)絡(luò)功能（即OSI的各層）必須統(tǒng)一考慮。各種應(yīng)用的QoS需求變化，要求網(wǎng)絡(luò)層在優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)輸出時考慮物理層設(shè)計。另外，不同的應(yīng)用可以從不同的優(yōu)化中得到更多好處，導(dǎo)致了模糊層間界限的設(shè)計方案，它試圖跨過層間功能進(jìn)行優(yōu)化。



　　真正的優(yōu)化不僅要求跨層設(shè)計，還要求有跨層適應(yīng)性。傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)具有一定的適應(yīng)能力，例如許多通信系統(tǒng)使用信號處理方法來適應(yīng)信道環(huán)境的變化，通過調(diào)整路由表來適應(yīng)業(yè)務(wù)負(fù)載的變化。然而，這樣的調(diào)整是隔絕在特定層中的�？鐚舆m應(yīng)性將允許所有網(wǎng)絡(luò)功能在不同功能之間傳送信息并適應(yīng)，以便滿足QoS需求變化、網(wǎng)絡(luò)負(fù)載變化和信道條件變化的要求�？鐚泳W(wǎng)絡(luò)設(shè)計要求網(wǎng)絡(luò)各層的靜態(tài)優(yōu)化，而適應(yīng)性要求跨層動態(tài)優(yōu)化。



　　網(wǎng)絡(luò)跨層優(yōu)化有待解決的問題：（1）全網(wǎng)絡(luò)設(shè)計和優(yōu)化極其復(fù)雜，特別是試圖實時動態(tài)優(yōu)化時；（2）優(yōu)化時使用的尺度。網(wǎng)絡(luò)各層（功能）傳統(tǒng)上有各自隔離的優(yōu)化準(zhǔn)則，例如物理層的設(shè)計基本上集中在減小誤比特率，MAC層的設(shè)計在于節(jié)點的數(shù)據(jù)通過速率或信道的有效性，網(wǎng)絡(luò)層的設(shè)計要求時延或路由效率。用什么尺度能代表所有這些要求？如何把這些要求一起優(yōu)化，或者給它們排出優(yōu)先級？



　　動態(tài)優(yōu)化的相關(guān)問題是，在動態(tài)優(yōu)化時，信息在網(wǎng)絡(luò)層間傳遞，設(shè)計者必須選擇要傳遞的信息，它不能太復(fù)雜，以致產(chǎn)生很大時延或大量優(yōu)化過程的計算，但也不能太簡單，以致傳遞的信息太少。因此這類系統(tǒng)的設(shè)計需要復(fù)雜的建模（仿真）過程。動態(tài)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的最后一個問題是網(wǎng)絡(luò)控制，當(dāng)允許適應(yīng)跨層功能時，重要的是需要控制這個過程，問題是由誰來控制。



　　未來無線通信要求提供更豐富的業(yè)務(wù)和體驗，需要有更高的速率、更好的服務(wù)質(zhì)量、更自由的連接，這就要求專業(yè)人士研究開發(fā)出更多更好的新技術(shù)來支持這些需求，包括物理層高速數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。




摘自　電信快報（2003年第4期）