新一代移動通信系統(tǒng)及無線傳輸關(guān)鍵技術(shù)

1、引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和社會的進步，移動通信技術(shù)正在經(jīng)歷著日新月異的變化。當(dāng)人們還在研究和部署第三代移動通信系統(tǒng)的同時，為了適應(yīng)將來通信的要求，國際通信界已經(jīng)開始著手研究新一代的移動通信系統(tǒng)。目前，對于新一代的移動系統(tǒng)還無法精確定義，但這種新一代移動通信系統(tǒng)在概念和技術(shù)上與4G系統(tǒng)和Beyond 3G系統(tǒng)大致相同，因此本文所討論的這種通信系統(tǒng)就是基于4G和Beyond 3G的新一代移動通信系統(tǒng)。

2、新一代移動通信系統(tǒng)的特點

新一代移動通信系統(tǒng)既是在已有通信系統(tǒng)上的平滑演進，也有著自己的顯著特點，這些特點主要有：

（1）新一代通信系統(tǒng)支持更高速率的通信，比特速率可達100Mb/s。這樣才能更好的適應(yīng)用戶對寬帶業(yè)務(wù)的需求。

（2）新一代通信系統(tǒng)支持更豐富的移動業(yè)務(wù)，與Internet的結(jié)合更加密切，不僅包括現(xiàn)有的語音業(yè)務(wù)，而且還包括高清晰度圖像業(yè)務(wù)、網(wǎng)上銀行、無線定位和虛擬現(xiàn)實業(yè)務(wù)等，使用戶在任何時間、任何地方都可以獲得任何所需的信息服務(wù)。這也是未來移動通信業(yè)務(wù)的發(fā)展方向。

（3）新一代移動通信系統(tǒng)具有開放的結(jié)構(gòu)，將更充分的與無線局域網(wǎng)、藍牙、Ad hoc、WiMAX和UWB網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，同時可以更好的支持手機互助功能，實現(xiàn)可穿戴無線電。

（4）新的移動系統(tǒng)將是一個高度自治的自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)，能對其結(jié)構(gòu)進行自適應(yīng)管理，可采用分布式管理和多跳結(jié)構(gòu)，從而滿足用戶在業(yè)務(wù)和容量上的變化和演進。

（5）為了滿足對特定數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的要求，新一代移動通信系統(tǒng)將采用更先進的算法提高網(wǎng)絡(luò)的安全性。

（6）新一代移動通信系統(tǒng)能夠很好兼容以往的無線通信網(wǎng)絡(luò)，使得現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)投資可以得到很好的使用，這也是新一代移動通信系統(tǒng)能夠商用的重要保證。

3、新一代移動通信系統(tǒng)的頻譜分配

由于新一代移動通信系統(tǒng)還處于探索和研究階段，因此，對新一代移動通信系統(tǒng)的頻譜分配還沒有非常確切的劃分。目前，隨著GSM、PHS、CDMA、WCDMA、WLAN、衛(wèi)星與微波通信等無線通信系統(tǒng)的運營，有效的頻譜資源已經(jīng)變得非常緊缺。對于3G系統(tǒng)而言，世界無線通信會議WRC-2000規(guī)定1900MHz～2025MHz和2110MHz～2200MHz頻段分配給3G系統(tǒng)和衛(wèi)星通信使用，將806 MHz～960MHz、1710MHz～1815MHz和2500MHz～2690MHz頻段作為3G發(fā)展以后的備用頻譜。而對于新一代移動通信系統(tǒng)而言，由于其融合了多種無線網(wǎng)絡(luò)和移動通信系統(tǒng)，為了滿足更高的通信速率、移動數(shù)據(jù)和視頻業(yè)務(wù)的快速增長和便于全球漫游的目標(biāo)，則需要更多的帶寬。因而如何有效整合現(xiàn)有頻譜資源，提供能夠滿足新一代移動通信系統(tǒng)要求的頻段還需做進一步的研究工作。

4、新一代移動通信系統(tǒng)的無線通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架

新一代移動通信系統(tǒng)是移動通信系統(tǒng)演進過程中的一個階段和目標(biāo)，它不僅采用新的無線傳輸技術(shù)提高通信系統(tǒng)的性能，而且與現(xiàn)有的各種有線與無線網(wǎng)絡(luò)相融合；它不僅包含現(xiàn)有的移動蜂窩網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，而且在某些環(huán)境下也可以采用Ad hoc方式進行組網(wǎng)，或者采用兩種結(jié)構(gòu)的組合形式，形成蜂窩網(wǎng)絡(luò)下的兩跳或多跳網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)方式。一般而言，蜂窩網(wǎng)絡(luò)是一種廣覆蓋的網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方式，它的目標(biāo)是在有限的頻率和功率資源前提下實現(xiàn)廣域的無線覆蓋。與蜂窩網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相比，Ad hoc移動網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形式更加靈活，它采用分布式管理技術(shù)，由一組自主的無線節(jié)點相互合作而形成移動通信網(wǎng)絡(luò)，其中，無線節(jié)點既是一般意義上的移動終端，又可以作為無線中繼和路由設(shè)備對其他用戶的數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)發(fā)，因此具有動態(tài)搜索，快速建網(wǎng)和網(wǎng)絡(luò)自恢復(fù)的能力，有著廣泛的應(yīng)用前景。鑒于Ad hoc在無線組網(wǎng)和下一代無線網(wǎng)絡(luò)的重要地位，IETF（Internet Engineering Task Force）已經(jīng)成立了MANET工作組，進行Ad hoc網(wǎng)絡(luò)的研究。此外，近幾年來，隨著UWB（超寬帶）技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，無線網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點在工作時可以發(fā)送出大量的非常短和快的能量脈沖，其發(fā)射信號功率譜密度較低，非常適合作為新一代移動通信系統(tǒng)中個域網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)技術(shù)。

隨著基于控制與承載相分離思想的軟交換技術(shù)的不斷發(fā)展與成熟，以及基于交換與業(yè)務(wù)控制相分離的可以快速實現(xiàn)各種增值業(yè)務(wù)的智能網(wǎng)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，它們在新一代移動通信系統(tǒng)中將發(fā)揮更大的作用。此外，隨著IP技術(shù)的廣泛應(yīng)用，業(yè)界廣泛認為基于新一代移動通信的通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)發(fā)展趨勢是以IP網(wǎng)絡(luò)為核心，其框架結(jié)構(gòu)可以由圖1表示，這里各個系統(tǒng)采用基于IP的分組方式傳送數(shù)據(jù)流，體現(xiàn)了下一代網(wǎng)絡(luò)以IP為核心互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。同時，伴隨網(wǎng)絡(luò)容量和用戶的快速發(fā)展，IPv6技術(shù)將成為下一代網(wǎng)絡(luò)的核心協(xié)議。

圖1　新一代移動通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架及其接入方式

從新一代移動通信系統(tǒng)無線接入網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍和實現(xiàn)技術(shù)來看，業(yè)界普遍認為基于新一代移動通信系統(tǒng)的未來無線網(wǎng)絡(luò)將主要由三個層面的網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)：無線個域網(wǎng)、無線局域網(wǎng)和基于蜂窩結(jié)構(gòu)的移動通信網(wǎng)。由此可以看出新一代移動通信系統(tǒng)的無線側(cè)將是一個不同無線接入網(wǎng)絡(luò)的異構(gòu)融合體，這些系統(tǒng)在同層之間可以實現(xiàn)水平切換，在不同層之間進行垂直切換以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)間的互聯(lián)互通，其中無線個域網(wǎng)絡(luò)主要應(yīng)用于個人和家庭范圍內(nèi)進行短距離無線通信，現(xiàn)在的無繩電話系統(tǒng)和未來即將出現(xiàn)的可穿戴無線系統(tǒng)就是典型的應(yīng)用；無線局域網(wǎng)是指基于IEEE802.11等國際標(biāo)準的無線網(wǎng)絡(luò)，其覆蓋范圍和容量都比個域網(wǎng)大；基于蜂窩結(jié)構(gòu)的移動通信網(wǎng)則是指包含現(xiàn)有2G、即將部署的3G以及將來出現(xiàn)的各種蜂窩移動網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)（包含目前已成為3G標(biāo)準之一的WiMAX網(wǎng)絡(luò)），這些系統(tǒng)是可以實現(xiàn)跨地區(qū)漫游和移動性管理的廣域通信網(wǎng)絡(luò)。從用戶或者無線終端的角度來看，在部分地區(qū)，無線終端可能只由一個網(wǎng)絡(luò)覆蓋，這時，終端設(shè)備毫無選擇的接入這個系統(tǒng)；而在很多地方，無線終端可能由多個層次的網(wǎng)絡(luò)共同覆蓋，這時終端不僅可以根據(jù)用戶對業(yè)務(wù)、網(wǎng)絡(luò)負荷和QoS的要求選擇最優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)接入，而且可以隨著無線信道的變化和用戶的移動，在特定的網(wǎng)絡(luò)層次內(nèi)進行有效的水平切換和在不同網(wǎng)絡(luò)層次之間進行無縫的垂直切換，由此可見新的移動通信系統(tǒng)可以實現(xiàn)系統(tǒng)、業(yè)務(wù)和覆蓋等多方面的無縫性，是一種真正意義上的無縫通信網(wǎng)。當(dāng)然，為了能夠?qū)崿F(xiàn)這樣理想的網(wǎng)絡(luò)性能，也對手機終端的處理能力提出了很高的要求，而這又與電子器件工藝及其處理速度和能力有直接的聯(lián)系，所以從某種意義上說新一代移動通信系統(tǒng)的實現(xiàn)是需要整個通信電子領(lǐng)域全方位技術(shù)發(fā)展的支撐。

5、新一代移動通信系統(tǒng)的無線傳輸技術(shù)

在移動通信系統(tǒng)中，由于大量無線信道的不可預(yù)測性，以及新一代移動通信系統(tǒng)中不同業(yè)務(wù)和不同用戶之間的不均勻的業(yè)務(wù)量，移動節(jié)點移動所引起的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變化、對寬帶高速率通信的要求和不同異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間的無縫互聯(lián)等對新一代移動系統(tǒng)提出了很高的要求。因此為了實現(xiàn)新一代移動通信系統(tǒng)的要求，需要采用更為先進的無線傳輸技術(shù)。

（1）OFDM技術(shù)

OFDM是一種多載波調(diào)制技術(shù)，其核心思想是將信道分成若干正交子信道，將高速數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)換成并行的低速數(shù)據(jù)流，調(diào)制在每個子信道上進行傳輸。這種調(diào)制傳輸技術(shù)的優(yōu)點在于：一方面可以提高信號的傳輸速率，另一方面又可以減少無線信道所帶來的符號間干擾（ISI）；同時，由于每個子載波都保持正交，所以也避免了子信道之間的相互干擾（ICI）。

但是作為一種多載波傳輸系統(tǒng)，OFDM對頻率偏差影響較為敏感，且存在較高的峰值平均功率比，目前這是業(yè)界重點需要解決的問題。

（2）軟件無線電技術(shù)

軟件無線電是目前學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界關(guān)注的熱點之一，它的基本思想是在可編程控制的通用硬件平臺上，利用軟件來定義和實現(xiàn)無線電臺的各模塊功能。具體來說就是將A/D、D/A變換盡量靠近射頻前端，應(yīng)用寬帶天線或多頻段天線，將整個RF段或中頻段進行A/D變換，這之后的處理均由通用處理器或DSP器件完成。因此軟件無線電技術(shù)具有設(shè)計靈活、結(jié)構(gòu)開放的特點，它可以使處于不同頻段、不同網(wǎng)絡(luò)和不同業(yè)務(wù)下的移動終端進行靈活的網(wǎng)絡(luò)與業(yè)務(wù)選擇，有效實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)重選、智能頻譜分配和水平與垂直切換，實現(xiàn)真正意義上的個人移動通信。目前，在有效實現(xiàn)軟件無線電中多頻段轉(zhuǎn)換、高速并行DSP處理和高開放性與擴展性的總線結(jié)構(gòu)等設(shè)計的同時，如何進一步降低基于軟件無線電的設(shè)備功耗、體積和成本也是其能否走向?qū)嵱没蜕逃没年P(guān)鍵因素。

（3）智能天線

智能天線是未來移動通信的關(guān)鍵技術(shù)之一。它具有自動跟蹤目標(biāo)信號，抑制無用干擾信號的智能功能。通過它的使用可以增加系統(tǒng)容量和增加覆蓋范圍，并有效節(jié)省無線設(shè)備的發(fā)送功率，因此被業(yè)界普遍認為是提高移動通信系統(tǒng)性能的關(guān)鍵技術(shù)之一。
智能天線主要由兩部分實現(xiàn)：天線陣列和自適應(yīng)算法。其中天線陣列是多個天線陣元組成的一個無線信號發(fā)送（接收）裝置，通過對不同陣元上的發(fā)送（接收）信號進行空時處理，可以使有效信號方向上產(chǎn)生的增益得到加強而在干擾信號方向上產(chǎn)生“陷點”；自適應(yīng)算法是智能天線的核心，在不同波束形成準則（如最小均方誤差準則、最小二乘準則和最小方差準則等）約束下的自適應(yīng)算法可以動態(tài)地跟蹤有用信號，從而有效實現(xiàn)天線的智能性。

目前，如何減小智能天線自適應(yīng)算法的實現(xiàn)復(fù)雜度，提高智能天線用戶跟蹤的數(shù)量和系統(tǒng)容量是其研究的重點。

（4）信道編碼技術(shù)

信道編碼技術(shù)是移動通信系統(tǒng)抗多徑衰落的重要方法。在3G通信系統(tǒng)中，采用了卷積碼和Turbo碼等信道編碼技術(shù)。新一代移動通信系統(tǒng)將在此基礎(chǔ)上采用更高級的信道編碼方案，這些編碼如基于Turbo碼的改進編譯碼算法和LDPC等，它們都是具有接近香農(nóng)限的好碼，能在較低的Eb/No下保證足夠的解碼性能。其中LDPC碼由于其解碼較為簡單而受到業(yè)界的廣泛關(guān)注。

（5）信源編碼技術(shù)

移動通信系統(tǒng)中信源編碼包含語音編碼和圖像編碼。對于語音編碼而言，3G移動通信系統(tǒng)采用AMR編碼方法，新一代移動通信系統(tǒng)為了提高系統(tǒng)容量也會采用基于波形和參數(shù)編碼的混合編碼方法，隨著參數(shù)編碼技術(shù)的提高，也不能排除采用純參數(shù)編碼的聲碼器來實現(xiàn)語音編碼的可能。

隨著基于視頻的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)在移動通信系統(tǒng)中的應(yīng)用，圖像和視頻編碼技術(shù)在新一代移動通信系統(tǒng)中的作用尤為重要。目前，H.263、MPEG4和H.264等編碼技術(shù)都是實現(xiàn)低碼率壓縮編碼的重要標(biāo)準。此外，在移動通信的多徑衰落環(huán)境下，研究具有較好的抗衰落效應(yīng)的誤碼掩蓋技術(shù)也是視頻編碼的研究方向。

（6）MIMO技術(shù)

MIMO（多輸入多輸出）技術(shù)是最近幾年引起廣泛研究和關(guān)注的無線傳輸技術(shù)，該技術(shù)利用發(fā)送端和接收端的多天線來抗無線信道衰落，從而有效提高無線系統(tǒng)的容量，其本質(zhì)是一種基于空域和時域聯(lián)合分集的通信信號處理方法。理論和計算機仿真表明基于MIMO的無線系統(tǒng)信道容量隨著天線數(shù)量的增大而線性增大，因此具有廣泛的應(yīng)用價值。目前MIMO技術(shù)領(lǐng)域的一個研究熱點就是空時編碼。常見的編碼方法主要有空時分組碼、空時格碼和BLAST碼。

（7）自適應(yīng)無線傳輸技術(shù)

實現(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)的智能性是通信技術(shù)發(fā)展的不斷追求目標(biāo)，其中自適應(yīng)技術(shù)就是系統(tǒng)智能性的一種體現(xiàn)。所謂自適應(yīng)無線傳輸技術(shù)，是指移動通信設(shè)備能夠根據(jù)無線網(wǎng)絡(luò)的不同情況選取不同的傳輸方式來獲得最佳的無線傳輸效果。在基于新一代的移動通信系統(tǒng)中，這種自適應(yīng)無線傳輸技術(shù)將得到廣泛的采用。其中信源信道聯(lián)合編碼技術(shù)、OFDM子載波自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)就是自適應(yīng)技術(shù)的很好體現(xiàn)。

（8）迭代接收技術(shù)

可靠性是通信的基本要求，而迭代技術(shù)可以極大的提高接收系統(tǒng)的可靠性。迭代接收是指在接收端通過多次循環(huán)迭代使得接收機的檢測和解碼性能達到最佳。一般而言，前一次迭代的結(jié)果總是作為本次迭代的部分輸入，而且迭代次數(shù)越多，接收機的解碼性能越好，但系統(tǒng)復(fù)雜度也相應(yīng)增加，因此在實際實現(xiàn)時要在性能和復(fù)雜度之間進行折衷。迭代技術(shù)從Turbo碼的迭代譯碼技術(shù)發(fā)展而來，目前得到了更為廣泛的應(yīng)用。目前，Turbo迭代信道估計和解碼、波束形成和解碼的聯(lián)合迭代接收、面向MIMO的迭代接收技術(shù)都是迭代接收技術(shù)具體應(yīng)用的體現(xiàn)。隨著硬件器件和數(shù)字信號處理技術(shù)的飛速發(fā)展，這些迭代技術(shù)將會在后幾代通信技術(shù)中得到廣泛應(yīng)用。

（9）智能頻譜分配技術(shù)

隨著移動和無線通信系統(tǒng)的發(fā)展，無線頻譜資源日益成為這些系統(tǒng)的發(fā)展瓶頸。無線頻譜資源的有效利用，既可以提高移動通信系統(tǒng)的通信質(zhì)量，又可以有效提高通信系統(tǒng)的容量，基于頻譜自適應(yīng)檢測的智能頻譜分配技術(shù)是實現(xiàn)這些優(yōu)勢的有效方法。首先，在未來多個無線通信系統(tǒng)共存的情況下，移動終端可以通過頻譜檢測自動接入到空閑的無線通信系統(tǒng)，使不同系統(tǒng)間實現(xiàn)有效的負荷均衡和QoS保證；其次，通過智能頻譜分配技術(shù)，移動終端和接入設(shè)備之間可以動態(tài)選擇信道，進而提高無線通信系統(tǒng)的通信質(zhì)量。目前，基于智能頻譜分配技術(shù)的主要研究領(lǐng)域有基于頻譜感知的MAC層接入技術(shù)和基于頻譜感知的多網(wǎng)絡(luò)資源管理等。

6、小結(jié)

新一代移動通信系統(tǒng)在目前還只是一個概念和輪廓，本文結(jié)合業(yè)界的發(fā)展趨勢，在相關(guān)技術(shù)文獻報道的基礎(chǔ)上綜合闡述了對新一代移動通信系統(tǒng)的認識和理解。隨著技術(shù)與市場的發(fā)展和驅(qū)動，關(guān)于新的移動通信系統(tǒng)的概念和標(biāo)準將會越來越清晰。同時，作為實現(xiàn)新一代移動通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)也將會逐漸成熟，最終實現(xiàn)不同移動和無線網(wǎng)絡(luò)的有效融合，達到理想個人通信的美好藍圖。