分布式移動(dòng)通信系統(tǒng)及其關(guān)鍵技術(shù)

一、引言

　　近十幾年來(lái)，移動(dòng)通信發(fā)展迅速，可用的無(wú)線頻譜資源不斷上移，無(wú)線信號(hào)的衰減愈發(fā)嚴(yán)重，小區(qū)半徑不斷縮小。隨著移動(dòng)通信的進(jìn)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(luò)建設(shè)的成本增高。同時(shí)，頻繁的越區(qū)切換造成空中資源浪費(fèi)，頻譜效率也因此降低。所以，研究新一代的移動(dòng)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(jiǎn)化基站的結(jié)構(gòu)和功能，使之成為無(wú)線信號(hào)的收發(fā)裝置和進(jìn)行信號(hào)預(yù)處理的“無(wú)線信號(hào)處理單元”?，F(xiàn)有的研究表明，分布式天線（Distributed Antennas）是移動(dòng)無(wú)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(dòng)通信系統(tǒng)中，每個(gè)小區(qū)范圍內(nèi)有多個(gè)相距遠(yuǎn)大于載波波長(zhǎng)、僅具有功放、LNA和變頻、信號(hào)預(yù)處理等簡(jiǎn)化功能的無(wú)線信號(hào)處理單元。這些無(wú)線信號(hào)處理單元只需完成信號(hào)的收、發(fā)功能和進(jìn)行簡(jiǎn)單的信號(hào)預(yù)處理，并通過(guò)光纖、同軸電纜或微波無(wú)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(hào)處理功能。

　　最簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)方案是每個(gè)小區(qū)在所有的無(wú)線信號(hào)處理單元上同時(shí)發(fā)射相同的下行鏈路信號(hào)，上行鏈路信號(hào)被小區(qū)內(nèi)所有的無(wú)線信號(hào)處理單元接收并傳送到中心處理單元。傳統(tǒng)的蜂窩移動(dòng)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(shí)現(xiàn)方案雖然簡(jiǎn)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(gè)業(yè)務(wù)區(qū)域內(nèi)用大量的無(wú)線信號(hào)處理單元來(lái)完成無(wú)線覆蓋的分布式天線結(jié)構(gòu)。僅與移動(dòng)臺(tái)相近的信號(hào)處理單元負(fù)責(zé)與移動(dòng)臺(tái)進(jìn)行通信，這稱為受控天線子系統(tǒng)。這種方案較為理想，但實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度較高。

　　在采用RAKE接收機(jī)和空時(shí)域信號(hào)處理技術(shù)的CDMA無(wú)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(dāng)前的分布式天線系統(tǒng)應(yīng)用研究主要是針對(duì)碼分多址移動(dòng)通信系統(tǒng)的。分布式天線既可以實(shí)現(xiàn)室內(nèi)無(wú)線覆蓋，又可以在室外移動(dòng)無(wú)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(diǎn)：

　　●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(yīng)，抗衰落，提高系統(tǒng)容量；

　　●切換性能全面提高，接收信號(hào)功率更高，切換次數(shù)降低；

　　●對(duì)其他通信系統(tǒng)的干擾小；

　　●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(shí)現(xiàn)任意形狀的無(wú)線業(yè)務(wù)服務(wù)區(qū)更方便；

　　●信號(hào)在核心處理單元集中處理有利于無(wú)線資源的利用等。

二、分布式移動(dòng)通信系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

　　分布式移動(dòng)通信系統(tǒng)由以下幾個(gè)部分組成：

　?。?）無(wú)線信號(hào)處理單元 用于處理空中信號(hào)的接收和發(fā)射，并進(jìn)行信號(hào)的預(yù)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(dòng)交換中心和其它核心網(wǎng)絡(luò)設(shè)備 用于管理和控制虛擬小區(qū)的中央控制器，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)管理和用戶管理等。

　　在分布式移動(dòng)通信系統(tǒng)的各組成部分中，無(wú)線信號(hào)處理單元僅用于進(jìn)行分布式接入和接收信號(hào)的預(yù)處理。這是因?yàn)樵诜植际揭苿?dòng)通信系統(tǒng)中，無(wú)線信號(hào)處理單元之間的距離遠(yuǎn)大于載波波長(zhǎng)，并且移動(dòng)臺(tái)距離無(wú)線信號(hào)處理單元的遠(yuǎn)近各不相同，移動(dòng)臺(tái)可能需要同時(shí)與數(shù)個(gè)無(wú)線信號(hào)處理單元通信。這種情況與3G中的發(fā)分集技術(shù)，以及智能天線技術(shù)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(wèn)題?？紤]到移動(dòng)臺(tái)到無(wú)線信號(hào)處理單元的距離比較近，信號(hào)傳播的時(shí)延差別比較小，由信號(hào)傳播時(shí)延不同引起的同步問(wèn)題可以通過(guò)信號(hào)設(shè)計(jì)、新的傳輸技術(shù)，以及空時(shí)分集接收等技術(shù)加以解決。

　　因此，對(duì)于分布式移動(dòng)通信系統(tǒng)，從單個(gè)移動(dòng)臺(tái)的角度觀察，類似于收發(fā)分集系統(tǒng)的信號(hào)。同時(shí)，可以采用2D RAKE接收機(jī)來(lái)處理空間分集信號(hào)，提高接收機(jī)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(wú)線信號(hào)處理單元需要包括多用戶檢測(cè)和處理功能，以保證具有同時(shí)與多個(gè)用戶通信的能力。即從網(wǎng)絡(luò)看，各個(gè)無(wú)線信號(hào)處理單元具有相對(duì)獨(dú)立的信號(hào)處理能力，從而構(gòu)成分布式處理網(wǎng)絡(luò)。這可以看成“分布式移動(dòng)通信系統(tǒng)”中“分布式”更深一層的含義。

三、分布式移動(dòng)通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)

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

　　1.發(fā)分集與收分集技術(shù)

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

　　對(duì)前向鏈路，發(fā)分集可以獲得空間分集增益，改善接收信號(hào)的質(zhì)量。在傳統(tǒng)的蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)中，假設(shè)各個(gè)發(fā)天線到移動(dòng)臺(tái)的距離近似相等，只需要調(diào)整不同發(fā)天線的信號(hào)相位就可以實(shí)現(xiàn)接收信號(hào)的同步。而對(duì)于分布式移動(dòng)通信系統(tǒng)而言，不同的無(wú)線信號(hào)處理單元與移動(dòng)臺(tái)之間距離近似相等的條件不再滿足。但是，由于分布式移動(dòng)通信系統(tǒng)中無(wú)線信號(hào)處理單元距離移動(dòng)臺(tái)的距離比傳統(tǒng)蜂窩通信系統(tǒng)中基站到移動(dòng)臺(tái)的距離小得多，發(fā)射信號(hào)到達(dá)移動(dòng)臺(tái)的時(shí)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(hào)。更進(jìn)一步，還可以用多載波技術(shù)延長(zhǎng)符號(hào)時(shí)間，來(lái)減小到達(dá)時(shí)間差對(duì)正確檢測(cè)接收信號(hào)的影響。

　　對(duì)于反向鏈路，無(wú)線信號(hào)處理單元?jiǎng)t需要具有空時(shí)多用戶檢測(cè)能力，來(lái)抑制干擾，提高接收信號(hào)的信噪比，降低檢測(cè)門限。

　　因此，在分布式移動(dòng)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(fù)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(shí)二維信號(hào)處理技術(shù)

　　采用智能天線技術(shù)可極大地提高系統(tǒng)性能。在分布式移動(dòng)通信系統(tǒng)中，研究智能天線和空時(shí)二維信號(hào)處理技術(shù)可減少和抑制干擾，對(duì)保證系統(tǒng)的正常工作具有重要意義。這也是分布式移動(dòng)通信系統(tǒng)的主要特色之一，即充分利用空域資源來(lái)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(shù)已經(jīng)日趨成熟。在分布式移動(dòng)通信系統(tǒng)中，可以考慮將智能天線技術(shù)應(yīng)用于上、下行鏈路的接收端。這主要基于下面三個(gè)原因：

　　●隨著可用頻率資源的上移，載波波長(zhǎng)越來(lái)越小。對(duì)于3G系統(tǒng)，半個(gè)載波波長(zhǎng)在7.5cm左右。對(duì)新一代分布式移動(dòng)通信系統(tǒng)，其載波波長(zhǎng)會(huì)更小。因此，有條件在移動(dòng)終端實(shí)現(xiàn)2到4個(gè)陣元的天線陣列。

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

　　●智能天線技術(shù)逐漸成熟。如線性自適應(yīng)空域?yàn)V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(yīng)算法可以采用迭代方法實(shí)現(xiàn)，這為智能天線技術(shù)的實(shí)用化奠定了基礎(chǔ)。

　　傳統(tǒng)的智能天線技術(shù)是單空域處理技術(shù)，而RAKE接收機(jī)、多用戶檢測(cè)等技術(shù)則屬于時(shí)域信號(hào)處理技術(shù)，二者之間存在一定的互補(bǔ)性。綜合二者優(yōu)點(diǎn)來(lái)設(shè)計(jì)空時(shí)二維接收機(jī)，可以明顯提高系統(tǒng)性能。

　　3.空時(shí)編碼技術(shù)

　　理論分析表明，在WCDMA中，發(fā)分集與空時(shí)編碼技術(shù)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(dòng)通信系統(tǒng)中，前向信號(hào)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(shí)編碼技術(shù)結(jié)合。

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

　　空時(shí)碼技術(shù)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(dāng)應(yīng)用在分布式移動(dòng)系統(tǒng)中。

　　4.“虛擬小區(qū)”技術(shù)

　　為了繼承原有蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，需要研究分布式移動(dòng)通信系統(tǒng)中的“虛擬小區(qū)”技術(shù)。“虛擬小區(qū)”由多個(gè)無(wú)線信號(hào)處理單元構(gòu)成。由于無(wú)線信號(hào)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(wú)線覆蓋的問(wèn)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(wú)線資源，協(xié)調(diào)無(wú)線信號(hào)處理單元的工作狀態(tài)，并負(fù)責(zé)與鄰近的“虛擬小區(qū)”中央控制器，以及移動(dòng)交換中心通信。

　　當(dāng)“虛擬小區(qū)”技術(shù)比較成熟時(shí)，要考慮小區(qū)邊界的動(dòng)態(tài)劃分問(wèn)題，以平衡網(wǎng)絡(luò)負(fù)載。但是，這是一個(gè)較為復(fù)雜的問(wèn)題，需要進(jìn)一步深入研究。

四、結(jié)束語(yǔ)

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

　　1.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、性能的理論分析和仿真

　　包括下面的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題：

　　●設(shè)計(jì)合理的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，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(wèn)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(jì)算問(wèn)題，以提供理論指導(dǎo)；

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

　　2.分布式接入中的移動(dòng)切換算法

　　分布式移動(dòng)通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)初衷是避免出現(xiàn)蜂窩過(guò)小導(dǎo)致頻繁切換而浪費(fèi)系統(tǒng)資源，并通過(guò)空時(shí)二維信號(hào)處理技術(shù)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(dòng)通信系統(tǒng)采用受控天線子系統(tǒng)，當(dāng)用戶在不同的無(wú)線信號(hào)處理單元中切換時(shí)，必須使切換準(zhǔn)則和切換算法比原蜂窩系統(tǒng)中的切換簡(jiǎn)單有效，才能獲得分布式接入系統(tǒng)的好處。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也是在這個(gè)基礎(chǔ)上進(jìn)行的。但是，好的檢測(cè)切換算法仍是研究重點(diǎn)之一，算法的目標(biāo)是減少網(wǎng)絡(luò)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?，使切換算法簡(jiǎn)潔有效。由于分布式移動(dòng)系統(tǒng)本身的特點(diǎn)為這種算法提供了比蜂窩系統(tǒng)更合理的機(jī)制，加上合理的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，這種算法是能夠?qū)崿F(xiàn)的。

　　3.降低空時(shí)二維接收機(jī)的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度

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

　　4.利用智能天線進(jìn)行雙向通信的可行性

　　若能實(shí)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(hào)中包含的信道信息不能用于發(fā)射波束成型。對(duì)TDD系統(tǒng)，則要求信道的變化速率遠(yuǎn)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(shí)分雙工（TDD），便可降低雙向智能天線技術(shù)實(shí)現(xiàn)的難度，對(duì)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(duì)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(shí)現(xiàn)是有待研究的問(wèn)題?？梢匝芯康膬?nèi)容包括信道估計(jì)和信道預(yù)測(cè)技術(shù)，以及DOA估計(jì)技術(shù)等。