下一代移动通信新技术展望[转帖]

stalamo

移动通信诞生以来，其发展速度令人惊叹。第二代移动通信系统正在以前所未有的速度发展着；第三代数字移动通信系统处于商用化的前夕，它将能提供语音、数据、视频等多媒体业务。下一代移动通信系统(Beyond 3G) 的研究工作也正在展开。目前许多著名通信公司已经投入巨资研究下一代移动通信系统。日本NTT DoCoMo公司早在1997年就已经启动下一代移动通信系统的开发研究工作，并于2001年6月向国际电联提交了有关建议；西门子正积极与国内外颇具实力的高校进行下一代移动通信系统的合作研究；爱立信也已宣布进行第四代手机的研发。
　　下一代移动通信系统主要有以下性能特点： 　　

     （1） 传输速率在低速移动和固定情况下达20Mbps，在高速移动情况下达2Mbps；

　　（2） 容量达到3G系统的5~10倍，传输质量相当于或优于3G系统；

　　（3）小区覆盖范围等于或大于3G系统；

　　（4） 在不同速率间能够自动切换，以保证通信质量；

　　（5） 网络的比特成本低于3G系统。

　　下一代移动通信系统的关键技术是从2G和3G的关键技术演进而来的。因此改进后的3G关键技术也是下一代移动通信系统的核心技术。

一、智能天线

　　智能天线是一个由多组独立天线组成的天线阵列系统，该阵列的输出与收发信机的多个输入相结合，可提供一个综合的时空信号。与单个天线不同的是，天线阵列系统能够动态地调整波束的方向，以使每个用户都获得最大的主瓣，并减小了旁瓣干扰。这样不仅改善了SINR(Signal-to-Interference and Noise Ratio, 信号干扰比)，还提高了系统的容量，扩大了小区的最大覆盖范围，减小了移动台的发射功率。由J个天线元素组成的线形天线阵列，实际上TD-SCDMA中经常使用的是由8根天线组成的环行天线阵列，每根天线之间的距离为l/2 (l为载波波长)。由于每根天线的位置都不完全相同，因此它们所接收到的信号的幅度、相位也是不同的，这样同时产生了多个有方向性的波束。对这些波束进行加权处理后分配给不同的用户，保证了每个用户能够得到最大的增益和最小的噪声干扰。

　　　　　　　　　　　　　

二、软件无线电

　　目前移动通信的多种标准并存，不同标准采用不同的工作频段、不同的调制方式，造成系统间难以互通，给移动用户的漫游带来很大的限制。而软件无线电是一种最有希望解决这些问题的技术。

　　软件无线电是指研制出一个完全可编程的硬件平台，所有的应用都通过在该平台上的软件编程实现。换言之，不同系统的基站和移动终端都可以由建立在相同硬件基础上的不同软件实现。该技术将能保证各种移动台、各种移动通信设备之间的无缝集成，并降低了建设成本。 　　可以预见，基于软件无线电的移动通信将会具有以下特点：

　　（1）在同一硬件平台上兼容不同的系统；

　　（2） 具有自动漫游能力，能在不同系统之间进行智能切换；

　　（3） 可以下载公用软件并进行自身的升级；

　　（4） 支持语音、数据、图像和传真等多种业务，并能根据业务流量，信道质量等情况，自动选择合适的传输信道；

　　（5） 自动选择通信模式，采用合适的通信协议和信号格式实现远端通信。 　　

软件无线电在移动通信中的应用，将根本改变移动通信的网络结构，实现有线网与无线网融合并能容纳各种标准、协议。提供更为开放的接口，最终增加网络的灵活性。

三、OFDM

　　在各类无线通信系统中，ISI（Inter-symbol Interference, 符号间干扰）一直是影响通信质量的重要因素。目前的移动通信系统采用自适应均衡器来解决这一问题。但是用户数越多均衡器的抽头数就越多，这对硬件的处理速度提出了很高的要求，并将提高设备的复杂程度和成本。因此，当同样能够有效对抗ISI的OFDM技术推出时，就因其频谱利用率高、抗多径衰落性能好、成本偏低而被普遍看好。

　　OFDM技术其实是MCM(Multi-Carrier Modulation, 多载波调制)的一种。其主要思想是：将信道分成许多正交子信道，在每个子信道上进行窄带调制和传输，这样减少了子信道之间的相互干扰。每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，因此每个子信道上的频率选择性衰落是平坦的，消除了符号间干扰。

　　　　　　　　　　　　

　　OFDM的原理，在发送端，通过IFFT得到时域信号，插入循环前缀可以克服多径引起的ISI；信号经过信道后，通过FFT变换得到频域信号，再经过检测得到原始信号。与相同传输速率的单载波系统相比，OFDM的每个子信道码元宽度是前者码元宽度的N倍，且其宽度远远大于信道的时延扩展。因此，OFDM的每个子载波均具有极强的抗码间干扰的能力。

　　但是，OFDM对系统的要求也很高。采用OFDM的移动通信系统在以下方面必须具有良好的性能：

　　（1） 同步：OFDM要保证各个子信道之间的正交，因此对于定时和频率偏移很敏感；

　　（2） 信道估计：应用OFDM时，信道估计必须具有低复杂度和高导频跟踪能力；

　　（3） 放大器和A/D变换器：OFDM在时域上表现为N个正交子载波信号的叠加，若这N个信号刚好同时处于峰值，则此时OFDM的峰值功率是平均功率的N倍。为了不失真的传输该峰值信号，接收端对放大器以及A/D变换器的线性程度要求很高。

四、高速下行分组接入技术

　　下一代移动通信系统中的数据业务将会占有很大的比例，且上下行是非对称的。HSDPA（高速下行分组接入）技术便是一种能够有效的提供多用户高速下行数据业务的新技术。HSDPA由H-ARQ、MIMO等一系列技术组成，这些技术能将下行速率提高到8Mbps以上甚至达到20Mbps。

　　（1）AMC（自适应调制和编码）：AMC可以提供自适应的调制编码方案（七级调制）以适应不同的信道，它能够有效的提高传输速率和频谱利用率。AMC将多用户调度技术和时域调度相结合，利用用户终端的快衰而使终端处于低衰落状态。然而，AMC对于信道估计的错误和时延很敏感，这对于信道估计提出了更高的要求。

　　（2） H-ARQ（混合ARQ）：H-ARQ是ARQ和FEC结合的产物。目前的ARQ有SR（Selective Repeat，选择重传）和SW（Stop & Wait，停止等待重传）两种。前者复杂度高、要求手机容量大，因此使用较少；后者控制开销少且相对简单，因此使用度较高。
H-ARQ是一种链路自适应技术，分H-ARQ-type-I、H-ARQ-type-II和H-ARQ-type-III三种。H-ARQ-type-I使用FEC来处理一些常见的错误，而罕见的错误则由错误检测和ARQ完成。在H-ARQ-type-I中，重复发送的包通常会被抛弃。相反，在H-ARQ-type-II中，重复发送的包将会被存储并与该包的后续包合并，形成更可靠的包再发送。H-ARQ-type-III则是一种增量ARQ，每次重传的信息都是可以自编码的。

　　（3）MIMO（多入多出天线）：MIMO（Multiple Input Multiple Output）是一种能够有效提高衰落信道容量的新技术。MIMO在发送方和接收方都有多付天线，因此可以看成是双天线分集的扩展。但不同之处在于MIMO中有效使用了编码重用（Code Reuse）技术，用相同的信道编码和扰码调制多个不同的数据流。 　　若基站使用M付天线、N个扩频码，则一个数据流可以被分成M×N个子数据流，每个扩频码对M个子数据流进行扩频，然后这些数据将被加上相互正交的导频并被同一扰码加扰，最后分别被送入M付天线。这样，发送端发送的各路子数据流所使用的扩频码、发射天线不会完全相同，减少了干扰。接收端也使用了多付天线且天线数M’满足M’>M。在接收端使用不同扩频码的子数据流可以利用扩频码的正交性分离出来，对于采用相同扩频码的子数据流，需要利用不同天线的非相关性来区分。为了保证相同扩频码的各个子数据流能够有效分离，各个天线之间必须保持较大的距离，以防止信号的相关干扰。
　　　　　　　　　　　　　

　　MIMO系统可以提高数据传输速率（达到14.4Mbps至21.6Mbps），同时也能提高系统容量。然而，MIMO天线会造成移动台和基站的复杂度增加。研究表明，配有4付天线的移动台的复杂度是单天线的2倍。

　　为了充分利用MIMO的信道空间，人们提出了不同的空时处理方案，其中最引人注目的就是BLAST（Bell Laboratories Layered Space-Time）。采用BLAST技术可以利用在传统传输中不可避免的有害的多径提供的空间并行性来极大地提高比特率。在采用BLAST的系统中，多径越多越好，这是与传统思想显著不同的一点。但是，BLAST系统一般只适用于信道极窄的情况。如果接收端采用MIMO-DFE（Multiple-Input Multiple-Output Decision-Feedback Equalizer）技术，则BLAST也可以适用于频率选择性信道等更一般的情况。

　　BLAST又分为D-BALST（Diagonal BLAST）和V-BLAST（Vertical BLAST）等几种。 D-BLAST是一种基于空时的技术，它提出了一种在固定带宽和固定发射功率的情况下，容量随n增长而线性增长的系统，这为在有限的频率资源下充分提高频谱利用效率提供了广阔的应用前景。在D-BLAST中，如果接收天线数目增加将有助于信道间干扰的减少，但是其运算极其复杂，因此贝尔实验室又进一步提出了V-BLAST算法。V-BLAST中同样基于MIMO技术，且假设发送端不知道信道特性。在接收端，高速信号处理器同时检查所有接收天线的信号流，首先分离出最强的信号流，然后将该信号流视为干扰并消除，再进行次强信号流的检测，直到把所有的信号流都检测完毕。

五、多用户检测

　　多用户检测是针对CDMA中多个平行传送信号的高效检测程序，它在TD-SCDMA中获得了广泛的应用。多用户检测技术可以使CDMA系统的频谱效率提高。

　　在CDMA移动通信系统中，必须抵抗两种类型的干扰。第一种是由于不同的用户同时共享同一频段的带宽(各个用户之间由于其对应的地址码之间存在相关性)而产生的MAI（Multiple Access Interference，多址接入干扰），第二种是由于信道特性的不理想而引起的ISI（Inter-Symbol Interference，符号间干扰）。 如果每个用户相对于其他用户的干扰能够被消除，那么系统容量会得到很大的提高并且理论上能够消除远近效应。多址干扰是限制CDMA系统容量的一个重要因素。当用户数目不多时，多址干扰一般都很小。但是随着用户数目的增多，多址干扰会越来越大。为了更有效的抵抗远近效应和衰落以提高系统容量，在80年代初提出了多用户检测技术(Multiuser Detection)以消除多址干扰，同时也可以采用维特比（Viterbi）算法等均衡方法来抗符号间干扰。

　　在反向链路上采用多用户检测技术的概念最早是由Klein和Baiser提出的，他们分析了迫零分块均衡器（Zero Forcing-Block Linear Equalizer）的性能。接着，Jung和Klein等人又提出了其他多用户检测算法，如ZF-BDFE，MMSE-BLE，MMSE-BDFE 等算法。其基本思路都是对接收的各个信号一起做线性矩阵运算。这些多用户检测接收机还可以与相干接收机的天线分集技术和Turbo码相结合。

　　多用户检测技术的主要缺点是其高计算复杂度，特别是在下行链路上。事实上，因为多用户检测部分的计算量仅仅是移动台需要的整个计算量的一小部分，所以很必要控制该算法的复杂度。
　　　　　　　　　　

六、M-QAM

　　IMT-2000中定义的未来个人通信，是多种业务的综合。不仅包括传统的语音服务（96kbps），还包括多媒体业务（384kbps和2Mbps）。若在这些高速数据传输中采用一般的调制技术，则会急剧增加信道带宽从而使频率紧张的状况进一步恶化。因此，采用高频谱利用率的调制方式，是解决有限的频谱资源与高速率多媒体业务这一对矛盾的有效方法。而m-QAM（正交振幅调制）就是这样的一种技术。

　　幅度di可以决定m-QAM的信号星座图（即矢量图）中的星座点的位置。因此，m-QAM信号可以用二维空间表示，并可以通过调整各点的位置获得不同的调制性能。

　　　　　　　　　　　　　　　　


七、IP技术

　　新一代网络将会建成一个全IP的系统，这不仅包括核心网的IP化，还包括无线接入部分的IP化。前者的焦点在于对原有核心网的改动程度、改造成本、网络的后向兼容性等。后者的难度比前者要大，但良好的IP接入可以保证技术发展上的协调一致性；可以实现基于IP包的统计复用技术，从而降低传输成本；可以实现全带宽利用度；使统一的网管和运营成为可能等。

　　　　　　　　　　　　　

　　IP无线网络最大的特点就是它的开放式接入、自由式管理。但是，这也为IP网络的进一步发展带来了很多问题，如无法满足相关业务的QoS要求和可控的带宽分配等。因此，无线IP技术走向实用还需要一段时间。

结束语

　　除了以上介绍的新技术，下一代移动通信系统的最新技术还包括非对称通信模式、功率控制、无线资源管理等，这里就不一一介绍了。总之，移动通信系统是一个不断演进的系统，各种新技术的发展和应用将推动下一代移动通信系统不断向前迈进。