分布式移動通信系統(tǒng)及其關鍵技術

一、引言

　　近十幾年來，移動通信發(fā)展迅速，可用的無線頻譜資源不斷上移，無線信號的衰減愈發(fā)嚴重，小區(qū)半徑不斷縮小。隨著移動通信的進一步發(fā)展，傳統(tǒng)的蜂窩通信體制受到限制。這主要表現(xiàn)在：小區(qū)半徑的不斷縮小意味著基站密度增大，網(wǎng)絡建設的成本增高。同時，頻繁的越區(qū)切換造成空中資源浪費，頻譜效率也因此降低。所以，研究新一代的移動通信系統(tǒng)，突破傳統(tǒng)蜂窩體制的限制，以獲取更高的頻譜效率和更大的系統(tǒng)容量是很有必要的。

　　隨著小區(qū)半徑的不斷縮小，一種直觀的想法是簡化基站的結(jié)構和功能，使之成為無線信號的收發(fā)裝置和進行信號預處理的“無線信號處理單元”?，F(xiàn)有的研究表明，分布式天線（Distributed Antennas）是移動無線通信中可以采用的天線子系統(tǒng)形式之一。在采用分布式天線的移動通信系統(tǒng)中，每個小區(qū)范圍內(nèi)有多個相距遠大于載波波長、僅具有功放、LNA和變頻、信號預處理等簡化功能的無線信號處理單元。這些無線信號處理單元只需完成信號的收、發(fā)功能和進行簡單的信號預處理，并通過光纖、同軸電纜或微波無線信道與核心處理單元（如基站）連接，在核心處理單元完成信號處理功能。

　　最簡單的實現(xiàn)方案是每個小區(qū)在所有的無線信號處理單元上同時發(fā)射相同的下行鏈路信號，上行鏈路信號被小區(qū)內(nèi)所有的無線信號處理單元接收并傳送到中心處理單元。傳統(tǒng)的蜂窩移動通信系統(tǒng)采用的單一天線可看作是分布式天線的一種極限情況。這種實現(xiàn)方案雖然簡單，但是造成系統(tǒng)中的干擾增加，不利于系統(tǒng)容量的提高。

　　另一種方案是突破蜂窩小區(qū)的概念，在整個業(yè)務區(qū)域內(nèi)用大量的無線信號處理單元來完成無線覆蓋的分布式天線結(jié)構。僅與移動臺相近的信號處理單元負責與移動臺進行通信，這稱為受控天線子系統(tǒng)。這種方案較為理想，但實現(xiàn)復雜度較高。

　　在采用RAKE接收機和空時域信號處理技術的CDMA無線接入通信系統(tǒng)中，分布式天線系統(tǒng)是很理想的天線子系統(tǒng)方案。當前的分布式天線系統(tǒng)應用研究主要是針對碼分多址移動通信系統(tǒng)的。分布式天線既可以實現(xiàn)室內(nèi)無線覆蓋，又可以在室外移動無線通信系統(tǒng)中采用。與傳統(tǒng)的單一天線相比，分布式天線具有如下優(yōu)點：

　　●小區(qū)間干擾低，因而SIR高，系統(tǒng)容量大；

　　●內(nèi)在的分集能力可以抗陰影效應，抗衰落，提高系統(tǒng)容量；

　　●切換性能全面提高，接收信號功率更高，切換次數(shù)降低；

　　●對其他通信系統(tǒng)的干擾?。?

　　●在相同發(fā)射功率下覆蓋的區(qū)域更大；

　　●在相同覆蓋區(qū)域情況下，發(fā)射功率更低；

　　●實現(xiàn)任意形狀的無線業(yè)務服務區(qū)更方便；

　　●信號在核心處理單元集中處理有利于無線資源的利用等。

二、分布式移動通信系統(tǒng)的體系結(jié)構

　　分布式移動通信系統(tǒng)由以下幾個部分組成：

　?。?）無線信號處理單元 用于處理空中信號的接收和發(fā)射，并進行信號的預處理。

　?。?）“虛擬小區(qū)”中央控制器 作為“虛擬小區(qū)”的核心處理器，用于處理“虛擬小區(qū)”中的空中資源管理等。

　?。?）移動交換中心和其它核心網(wǎng)絡設備 用于管理和控制虛擬小區(qū)的中央控制器，負責網(wǎng)絡管理和用戶管理等。

　　在分布式移動通信系統(tǒng)的各組成部分中，無線信號處理單元僅用于進行分布式接入和接收信號的預處理。這是因為在分布式移動通信系統(tǒng)中，無線信號處理單元之間的距離遠大于載波波長，并且移動臺距離無線信號處理單元的遠近各不相同，移動臺可能需要同時與數(shù)個無線信號處理單元通信。這種情況與3G中的發(fā)分集技術，以及智能天線技術所面臨的通信環(huán)境均不相同，系統(tǒng)的多址方式和系統(tǒng)同步等成為需要解決的首要問題?？紤]到移動臺到無線信號處理單元的距離比較近，信號傳播的時延差別比較小，由信號傳播時延不同引起的同步問題可以通過信號設計、新的傳輸技術，以及空時分集接收等技術加以解決。

　　因此，對于分布式移動通信系統(tǒng)，從單個移動臺的角度觀察，類似于收發(fā)分集系統(tǒng)的信號。同時，可以采用2D RAKE接收機來處理空間分集信號，提高接收機的輸出信噪比。從反向鏈路看，為了抑制干擾，提高系統(tǒng)容量，無線信號處理單元需要包括多用戶檢測和處理功能，以保證具有同時與多個用戶通信的能力。即從網(wǎng)絡看，各個無線信號處理單元具有相對獨立的信號處理能力，從而構成分布式處理網(wǎng)絡。這可以看成“分布式移動通信系統(tǒng)”中“分布式”更深一層的含義。

三、分布式移動通信系統(tǒng)中的關鍵技術

　　分布式接入和分布式信號處理是提高新一代移動通信系統(tǒng)容量和頻譜效率的途徑之一，但也是難點。分布式移動通信系統(tǒng)中的關鍵技術包括以下幾種。

　　1.發(fā)分集與收分集技術

　　分布式移動通信系統(tǒng)與收、發(fā)分集技術密切相關。但是需要注意的是，分布式移動通信系統(tǒng)中發(fā)分集和收分集技術與傳統(tǒng)意義上的收、發(fā)分集技術有明顯的區(qū)別。

　　對前向鏈路，發(fā)分集可以獲得空間分集增益，改善接收信號的質(zhì)量。在傳統(tǒng)的蜂窩移動通信系統(tǒng)中，假設各個發(fā)天線到移動臺的距離近似相等，只需要調(diào)整不同發(fā)天線的信號相位就可以實現(xiàn)接收信號的同步。而對于分布式移動通信系統(tǒng)而言，不同的無線信號處理單元與移動臺之間距離近似相等的條件不再滿足。但是，由于分布式移動通信系統(tǒng)中無線信號處理單元距離移動臺的距離比傳統(tǒng)蜂窩通信系統(tǒng)中基站到移動臺的距離小得多，發(fā)射信號到達移動臺的時間差并不大。因此，可以用路徑分集的思路收集不同天線發(fā)射的信號。更進一步，還可以用多載波技術延長符號時間，來減小到達時間差對正確檢測接收信號的影響。

　　對于反向鏈路，無線信號處理單元則需要具有空時多用戶檢測能力，來抑制干擾，提高接收信號的信噪比，降低檢測門限。

　　因此，在分布式移動通信系統(tǒng)中，要綜合采用各種分集接收方法。這樣雖然增加了系統(tǒng)的復雜度，但可以獲得分集增益，明顯提高系統(tǒng)的容量和性能。

　　2.智能天線與空時二維信號處理技術

　　采用智能天線技術可極大地提高系統(tǒng)性能。在分布式移動通信系統(tǒng)中，研究智能天線和空時二維信號處理技術可減少和抑制干擾，對保證系統(tǒng)的正常工作具有重要意義。這也是分布式移動通信系統(tǒng)的主要特色之一，即充分利用空域資源來獲得系統(tǒng)容量和頻譜效率的提高。

　　目前用于上行接收的智能天線技術已經(jīng)日趨成熟。在分布式移動通信系統(tǒng)中，可以考慮將智能天線技術應用于上、下行鏈路的接收端。這主要基于下面三個原因：

　　●隨著可用頻率資源的上移，載波波長越來越小。對于3G系統(tǒng)，半個載波波長在7.5cm左右。對新一代分布式移動通信系統(tǒng)，其載波波長會更小。因此，有條件在移動終端實現(xiàn)2到4個陣元的天線陣列。

　　●隨著大規(guī)模集成電路技術的發(fā)展，集成芯片的處理能力不斷增強，功耗不斷下降，為實現(xiàn)智能天線算法提供了硬件基礎。

　　●智能天線技術逐漸成熟。如線性自適應空域濾波算法已經(jīng)具有較高的收斂速度和穩(wěn)態(tài)性能，且線性自適應算法可以采用迭代方法實現(xiàn)，這為智能天線技術的實用化奠定了基礎。

　　傳統(tǒng)的智能天線技術是單空域處理技術，而RAKE接收機、多用戶檢測等技術則屬于時域信號處理技術，二者之間存在一定的互補性。綜合二者優(yōu)點來設計空時二維接收機，可以明顯提高系統(tǒng)性能。

　　3.空時編碼技術

　　理論分析表明，在WCDMA中，發(fā)分集與空時編碼技術的結(jié)合可以有效地提高前向鏈路容量。而且在分布式移動通信系統(tǒng)中，前向信號的發(fā)射方式和3G系統(tǒng)中的發(fā)分集很相似，可以考慮與空時編碼技術結(jié)合。

　　近年來的空時編碼研究主要集中在分組空時編碼和格狀空時編碼。其中格狀空時編碼具有較高的分集增益和編碼增益，但其譯碼復雜性隨著狀態(tài)數(shù)和編碼速率的增加呈指數(shù)增長。而分組空時編碼采用正交設計，在接收端通過簡單的線性處理即可實現(xiàn)最大似然譯碼，在3G中的WCDMA系統(tǒng)中，空時碼僅在開環(huán)發(fā)分集的情況下使用，是Alamouti提出的簡單發(fā)送分集方案，屬于分組空時碼中最簡單的一種。

　　空時碼技術還在不斷的發(fā)展變化中，值得跟蹤研究，并根據(jù)條件適當應用在分布式移動系統(tǒng)中。

　　4.“虛擬小區(qū)”技術

　　為了繼承原有蜂窩移動通信系統(tǒng)的優(yōu)點，需要研究分布式移動通信系統(tǒng)中的“虛擬小區(qū)”技術。“虛擬小區(qū)”由多個無線信號處理單元構成。由于無線信號處理單元的放置很靈活，可以根據(jù)地形、環(huán)境等條件靈活配置，因此，可以有效解決無線覆蓋的問題。

　　“虛擬小區(qū)”的核心是中央控制器，用于分配“虛擬小區(qū)”中的無線資源，協(xié)調(diào)無線信號處理單元的工作狀態(tài)，并負責與鄰近的“虛擬小區(qū)”中央控制器，以及移動交換中心通信。

　　當“虛擬小區(qū)”技術比較成熟時，要考慮小區(qū)邊界的動態(tài)劃分問題，以平衡網(wǎng)絡負載。但是，這是一個較為復雜的問題，需要進一步深入研究。

四、結(jié)束語

　　由于分布式移動通信系統(tǒng)是一個全新的概念，從理論和工程上都面臨著困難。還有如下問題需要解決。

　　1.系統(tǒng)結(jié)構、性能的理論分析和仿真

　　包括下面的關鍵技術問題：

　　●設計合理的網(wǎng)絡體系結(jié)構，解決分布式接入方式下的雙工方式、多址方式、系統(tǒng)同步、切換等問題；

　　●分布天線系統(tǒng)的理論分析，主要是分布式天線系統(tǒng)在衰落信道、多用戶環(huán)境下的容量計算問題，以提供理論指導；

　　●分布式移動通信系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構與性能的定性和定量分析。

　　2.分布式接入中的移動切換算法

　　分布式移動通信系統(tǒng)的設計初衷是避免出現(xiàn)蜂窩過小導致頻繁切換而浪費系統(tǒng)資源，并通過空時二維信號處理技術利用空間資源，提高系統(tǒng)的容量和頻譜效率。

　　若分布式移動通信系統(tǒng)采用受控天線子系統(tǒng)，當用戶在不同的無線信號處理單元中切換時，必須使切換準則和切換算法比原蜂窩系統(tǒng)中的切換簡單有效，才能獲得分布式接入系統(tǒng)的好處。系統(tǒng)的設計也是在這個基礎上進行的。但是，好的檢測切換算法仍是研究重點之一，算法的目標是減少網(wǎng)絡參與，減少空中接口協(xié)議處理步驟，減少空中傳輸?shù)目刂菩畔ⅲ骨袚Q算法簡潔有效。由于分布式移動系統(tǒng)本身的特點為這種算法提供了比蜂窩系統(tǒng)更合理的機制，加上合理的系統(tǒng)設計，這種算法是能夠?qū)崿F(xiàn)的。

　　3.降低空時二維接收機的實現(xiàn)復雜度

　　尋求利于工程實現(xiàn)的空時二維自適應處理算法，同時要保證算法的性能可以滿足要求。

　　4.利用智能天線進行雙向通信的可行性

　　若能實現(xiàn)智能天線的發(fā)射波束成型，可以極大地減小系統(tǒng)中的多用戶干擾和同道干擾。但是，由于FDD系統(tǒng)上下行信道不匹配，所以，接收信號中包含的信道信息不能用于發(fā)射波束成型。對TDD系統(tǒng)，則要求信道的變化速率遠小于系統(tǒng)收發(fā)間隔，以保證信道特性的匹配。

　　若系統(tǒng)中的雙工方式采用時分雙工（TDD），便可降低雙向智能天線技術實現(xiàn)的難度，對抑制干擾，提高系統(tǒng)容量和頻譜效率有利，因此，初步考慮對于分布式接入系統(tǒng)采用TDD方式。

　　雙向智能天線系統(tǒng)的實現(xiàn)是有待研究的問題?？梢匝芯康膬?nèi)容包括信道估計和信道預測技術，以及DOA估計技術等。