基于照明燈及電力線為載體的新型寬帶移動(dòng)通信系統(tǒng)

摘要：適應(yīng)未來(lái)寬帶移動(dòng)通信的發(fā)展要求，解決目前制約移動(dòng)通信快速發(fā)展的4個(gè)“瓶頸”性難題，可以采用一種全新的以信息燈為接入點(diǎn)的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)形式。信息燈是一種具有普通照明功能且能實(shí)現(xiàn)部分無(wú)線信號(hào)收發(fā)功能的新型裝置，通過(guò)與之相連的電力線(或者光纖)實(shí)現(xiàn)接入點(diǎn)與接入網(wǎng)的信息交互�；�于信息燈的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)以多天線分布式空時(shí)信號(hào)處理和資源管理為核心支撐技術(shù)，通過(guò)有線網(wǎng)絡(luò)和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的有機(jī)融合，提供高速、高質(zhì)量的移動(dòng)通信服務(wù)。

關(guān)鍵詞：電力線通信；多天線信號(hào)處理；信息燈；通信；照明

Abstract:Anewmobilecommunications network architecture using the information lamp as the access point is proposed for solving the existing four bottlenecks that restrict the rapid development of mobile communications and meeting the development demands of future broadband mobile communications. The information lamp is a new device that has the function of transceiving certain radio signals besides lighting. It fulfills information interaction between the access point and the access network through the power line (or fiber). Multi-antenna distributed space-time signal processing and resource management is the core supporting technology of this new system, which is an organic integration of the wired and wireless networks to provide high-speed and high-quality mobile communication services.

Keywords:power-linecommunication;multi-antenna signal processing; information lamp; communication; lighting

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(60572090、60472045、60496313)；教育部博士點(diǎn)基金(20050614009)

移動(dòng)通信技術(shù)是當(dāng)前發(fā)展最快的通信技術(shù)之一，每一次概念和技術(shù)的突破都實(shí)現(xiàn)了工程上的飛躍并帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)效益[1]。蜂窩概念的提出成功實(shí)現(xiàn)了第1代移動(dòng)通信系統(tǒng)[2]，數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)和器件的成熟促進(jìn)了以全球移動(dòng)通信系統(tǒng)(GSM)為標(biāo)志的第2代移動(dòng)通信的蓬勃發(fā)展，而寬帶碼分多址(WCDMA)的商用和多媒體技術(shù)的提出則充分滿足了當(dāng)時(shí)對(duì)第3代移動(dòng)通信系統(tǒng)的功能要求[3]。

為了使未來(lái)移動(dòng)通信系統(tǒng)能夠支持更大的系統(tǒng)容量，以多輸入多輸出(MIMO)為代表的多天線收發(fā)技術(shù)得到發(fā)展并成為無(wú)線通信領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一[4-5]。

考慮到下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)不僅要求比第3代移動(dòng)通信系統(tǒng)具有更快的傳輸速率、更大的系統(tǒng)容量和更高的頻譜利用率，還要考慮更低的功率消耗、更復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境(面臨多種通信網(wǎng)絡(luò)體制的共存)等問(wèn)題，因此，尤其要徹底解決移動(dòng)通信發(fā)展過(guò)程中的4個(gè)根本性問(wèn)題：

基站選址困難問(wèn)題

手機(jī)輻射功率大的問(wèn)題[6-8]

傳統(tǒng)基站周圍強(qiáng)輻射問(wèn)題

5GHz以下的無(wú)線電頻譜相當(dāng)昂貴

為了較好地解決以上4個(gè)移動(dòng)通信發(fā)展過(guò)程中面臨的“瓶頸”問(wèn)題，并滿足未來(lái)移動(dòng)通信系統(tǒng)對(duì)容量、傳輸速率等方面的高性能要求，本文以多天線信號(hào)處理為核心技術(shù)，提出基于信息燈(IL)的面向未來(lái)的新型移動(dòng)通信系統(tǒng)架構(gòu)，給出室內(nèi)外接入的典型場(chǎng)景，討論圍繞信息燈網(wǎng)絡(luò)所涉及的相關(guān)技術(shù)。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

考慮到室內(nèi)及室外的照明燈已覆蓋城區(qū)的現(xiàn)實(shí)，只要用戶身在城區(qū)中，就有一個(gè)照明燈離其很近。將無(wú)線接入點(diǎn)集成在照明燈中，組成具有信息收發(fā)功能的信息燈。

在上行鏈路上，基于信息燈的無(wú)線接入點(diǎn)接收到的信號(hào)通過(guò)電力線傳輸?shù)街行男盘?hào)處理器，完成信號(hào)處理過(guò)程。在下行鏈路上，中心信號(hào)處理器發(fā)出的信息通過(guò)電力線、信息燈中的無(wú)線接入點(diǎn)傳給無(wú)線接收裝置(如移動(dòng)臺(tái)等)。

1.1室內(nèi)外典型場(chǎng)景

室內(nèi)基于信息燈的無(wú)線接入場(chǎng)景如圖1所示，在照明燈中集成了通信信號(hào)接入點(diǎn)(AP)，室內(nèi)的無(wú)線入網(wǎng)設(shè)備(如筆記本電腦、PDA、手機(jī)等終端)可以與一個(gè)或者多個(gè)接入點(diǎn)同時(shí)建立連接，如果終端設(shè)備本身具有多個(gè)天線，那么將形成具有分布式特征的MIMO系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

信息燈中的無(wú)線接入點(diǎn)完成部分信號(hào)處理功能，且與照明用的電力線相連，通過(guò)電力線與外圍的中心信號(hào)處理器通信。通信信號(hào)通過(guò)信號(hào)分離/耦合器實(shí)現(xiàn)與電力線的分離和加載。分離后的通信信號(hào)利用電力線(或經(jīng)轉(zhuǎn)換后使用光纖等其他媒質(zhì))傳給中心信號(hào)處理器，在中心信號(hào)處理器中實(shí)現(xiàn)電力線信號(hào)和一部分分布式空時(shí)信號(hào)的處理。

室外基于信息燈的無(wú)線接入場(chǎng)景如圖2所示，這里選擇戶外的路燈作為無(wú)線接入點(diǎn)，手機(jī)終端、車載臺(tái)等通過(guò)周圍的多個(gè)路燈接入點(diǎn)接入網(wǎng)絡(luò)。路燈接入點(diǎn)通過(guò)電力線、光纖或者同軸電纜與中心信號(hào)處理器相連，實(shí)現(xiàn)與主干網(wǎng)的通信。

1.2網(wǎng)絡(luò)層次模型

圖3給出了基于信息燈的新型移動(dòng)通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)層次模型，從用戶端到核心網(wǎng)(至底向上)共分為3個(gè)主要層次：接入層、信號(hào)處理層和管理層。其中，信號(hào)處理層還可以分為3個(gè)子層：無(wú)線轉(zhuǎn)換子層、電力線轉(zhuǎn)換子層和處理子層。各層功能如下：

(1)接入層

接入層主要由用戶設(shè)備及信息燈組成，信息燈為用戶設(shè)備提供網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)，一個(gè)用戶設(shè)備可以同時(shí)與多個(gè)信息燈通信，形成分布式MIMO結(jié)構(gòu)。用戶設(shè)備與信息燈之間的接口為空中接口(但是針對(duì)特殊要求的用戶設(shè)備可以提供有線接口)。這里的用戶設(shè)備泛指網(wǎng)絡(luò)支持的有接入需求的終端設(shè)備，比如手機(jī)、便攜式電腦、車載移動(dòng)臺(tái)、定位設(shè)備等。

(2)信號(hào)處理層

信號(hào)處理層主要完成無(wú)線通信信號(hào)與電力線(或者光纖)通信信號(hào)的相互轉(zhuǎn)換，并實(shí)現(xiàn)部分分布式空時(shí)信號(hào)處理的功能，涵蓋3個(gè)子層：無(wú)線轉(zhuǎn)換子層、電力線轉(zhuǎn)換子層、處理子層。

(3)管理層

管理層負(fù)責(zé)分布式信號(hào)的管理，與核心網(wǎng)直接交互信息。

2 結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)和技術(shù)挑戰(zhàn)

基于信息燈的新型移動(dòng)通信系統(tǒng)以多天線分布式信號(hào)處理為核心信號(hào)處理技術(shù)，通過(guò)分布式信號(hào)管理技術(shù)實(shí)現(xiàn)分布式信息燈的管理和控制，較好地解決了移動(dòng)通信發(fā)展過(guò)程中的4個(gè)根本性問(wèn)題，并具有自身的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)：

(1)解決基站選址困難的問(wèn)題

采用基于信息燈的分布式基站結(jié)構(gòu)，解決了基站選址的難題，且基站完全隱蔽、美觀。

(2)解決手機(jī)輻射功率大的問(wèn)題

GSM手機(jī)平均發(fā)射功率為1 W，CDMA手機(jī)的發(fā)射功率范圍一般在0.01 W～1 W；假設(shè)信息燈接入點(diǎn)距離手機(jī)的平均距離為10 m，傳統(tǒng)的GSM和CDMA基站距離手機(jī)的平均距離為250 m(保守值)，且分布式接入點(diǎn)和傳統(tǒng)基站接收機(jī)的干擾容限基本相同，根據(jù)電磁波自由空間傳播損耗規(guī)律，利用分布式信息燈接入的手機(jī)可比傳統(tǒng)的GSM和CDMA手機(jī)小28 dB的發(fā)射功率�？梢姡�近距離的分布式信息燈接入方案使得實(shí)現(xiàn)超低輻射手機(jī)成為可能。

(3)解決傳統(tǒng)基站周圍強(qiáng)輻射問(wèn)題

一般情況下，小區(qū)覆蓋半徑在100 m～500 m左右的CDMA基站的平均發(fā)射功率為0.25 W，按照和上面一樣的假設(shè)條件，如果采用分布式信息燈接入點(diǎn)，則最大可以節(jié)省1萬(wàn)倍的廣播信道發(fā)射功率。

(4)避免使用熱點(diǎn)頻譜資源

基于信息燈的無(wú)線接入通信技術(shù)，其視距(LOS)信道發(fā)生的概率很高，而我們知道近距離LOS信道的衰落對(duì)載波頻率不敏感，這樣就為使用更高頻段(大于5 GHz)的頻譜提供了可能性。

(5)安全、美觀

無(wú)線接入點(diǎn)與照明燈集成在一起，在防火、防其他傷害上更安全，且外形美觀。

(6)方便、靈活、可控的接入

安裝在室內(nèi)的信息燈接入點(diǎn)，可以完全根據(jù)用戶的需要，由用戶自主控制安裝、開關(guān)，就像安裝和開關(guān)燈泡一樣簡(jiǎn)捷、方便，不會(huì)影響其他用戶的使用。

以信息燈為接入點(diǎn)的分布式移動(dòng)通信系統(tǒng)是面向未來(lái)的一種全新無(wú)線移動(dòng)通信體系架構(gòu)，無(wú)論在物理層的分布式信號(hào)處理還是協(xié)議層的分布式信號(hào)管理等方面，都面臨著一些核心技術(shù)的挑戰(zhàn)，需要大量開創(chuàng)性的研究工作。這里僅列出部分關(guān)鍵的待研究問(wèn)題：

(1)接入點(diǎn)與照明燈的集成

如何將具有通信功能的接入點(diǎn)與照明燈做到完美的結(jié)合是信息燈接入面臨的首要問(wèn)題，這里的結(jié)合不能僅僅是接入點(diǎn)與照明燈的簡(jiǎn)單拼湊和組合，而是接入點(diǎn)與照明燈的有機(jī)融合。

(2)無(wú)線通信與有線通信的轉(zhuǎn)換

在家庭、辦公室等室內(nèi)接入環(huán)境下，信息燈與電力線相連，通過(guò)電力線通信實(shí)現(xiàn)信息的傳遞和交接，需要無(wú)線通信與有線通信的物理格式轉(zhuǎn)換，對(duì)處理芯片的要求較高。

(3)信息安全問(wèn)題

電力線是典型的共享傳輸媒質(zhì)，如何保證電力線傳輸?shù)乃接行畔�安全性仍然是一個(gè)開放性的課題，電力線標(biāo)準(zhǔn)化組織采用數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)(DES)作為暫時(shí)的解決方案，文獻(xiàn)[9]和文獻(xiàn)[10]中有較為詳細(xì)的討論。

(4)分布式信號(hào)的資源管理

信息燈接入點(diǎn)雖然在接入功能上與傳統(tǒng)基站有類似之處，但接入點(diǎn)的數(shù)量將大幅度增加，且地理分布特性具有相當(dāng)?shù)淖杂啥�，這些都是傳統(tǒng)的無(wú)線資源管理方法無(wú)法應(yīng)對(duì)的，需要從分布式信號(hào)管理的理念、思維方式、操作層面等角度綜合設(shè)計(jì)。

(5)近距離信道特性

信息燈的應(yīng)用環(huán)境決定了接入距離與傳統(tǒng)移動(dòng)通信相比會(huì)減少很多，需要對(duì)這種近距離接入的MIMO信道特性進(jìn)行科學(xué)測(cè)量和合理建模。

3 參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：

唐友喜，電子科技大學(xué)博士畢業(yè)。電子科技大學(xué)通信抗干擾技術(shù)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室教授、博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)榉植际蕉嗵炀�信號(hào)處理技術(shù)、分布式信號(hào)管理技術(shù)等。邵士海，電子科技大學(xué)通信抗干擾技術(shù)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在讀博士研究生，主要研究方向?yàn)榉植际蕉嗵炀�信號(hào)處理技術(shù)、多天線擴(kuò)頻通信技術(shù)。