新一代移動通信系統(tǒng)及無線傳輸關鍵技術

1、引言

隨著科學技術的發(fā)展和社會的進步，移動通信技術正在經(jīng)歷著日新月異的變化。當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用戶對寬帶業(yè)務的需求。

（2）新一代通信系統(tǒng)支持更豐富的移動業(yè)務，與Internet的結合更加密切，不僅包括現(xiàn)有的語音業(yè)務，而且還包括高清晰度圖像業(yè)務、網(wǎng)上銀行、無線定位和虛擬現(xiàn)實業(yè)務等，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。這也是未來移動通信業(yè)務的發(fā)展方向。

（3）新一代移動通信系統(tǒng)具有開放的結構，將更充分的與無線局域網(wǎng)、藍牙、Ad hoc、WiMAX和UWB網(wǎng)絡相結合，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網(wǎng)絡，能對其結構進行自適應管理，可采用分布式管理和多跳結構，從而滿足用戶在業(yè)務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，使得現(xiàn)有的網(wǎng)絡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)務的快速增長和便于全球漫游的目標，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)絡構架

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，它不僅采用新的無線傳輸技術提高通信系統(tǒng)的性能，而且與現(xiàn)有的各種有線與無線網(wǎng)絡相融合；它不僅包含現(xiàn)有的移動蜂窩網(wǎng)絡結構，而且在某些環(huán)境下也可以采用Ad hoc方式進行組網(wǎng)，或者采用兩種結構的組合形式，形成蜂窩網(wǎng)絡下的兩跳或多跳網(wǎng)絡結構方式。一般而言，蜂窩網(wǎng)絡是一種廣覆蓋的網(wǎng)絡組網(wǎng)方式，它的目標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)絡結構相比，Ad hoc移動網(wǎng)絡結構形式更加靈活，它采用分布式管理技術，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，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備對其他用戶的數(shù)據(jù)進行轉發(fā)，因此具有動態(tài)搜索，快速建網(wǎng)和網(wǎng)絡自恢復的能力，有著廣泛的應用前景。鑒于Ad hoc在無線組網(wǎng)和下一代無線網(wǎng)絡的重要地位，IETF（Internet Engineering Task Force）已經(jīng)成立了MANET工作組，進行Ad hoc網(wǎng)絡的研究。此外，近幾年來，隨著UWB（超寬帶）技術的發(fā)展和應用，無線網(wǎng)絡中的節(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)絡的實現(xiàn)技術。

隨著基于控制與承載相分離思想的軟交換技術的不斷發(fā)展與成熟，以及基于交換與業(yè)務控制相分離的可以快速實現(xiàn)各種增值業(yè)務的智能網(wǎng)技術的廣泛應用，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技術的廣泛應用，業(yè)界廣泛認為基于新一代移動通信的通信網(wǎng)絡結構發(fā)展趨勢是以IP網(wǎng)絡為核心，其框架結構可以由圖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)絡以IP為核心互聯(lián)的網(wǎng)絡結構。同時，伴隨網(wǎng)絡容量和用戶的快速發(fā)展，IPv6技術將成為下一代網(wǎng)絡的核心協(xié)議。

圖1　新一代移動通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡構架及其接入方式

從新一代移動通信系統(tǒng)無線接入網(wǎng)絡的覆蓋范圍和實現(xiàn)技術來看，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)絡將主要由三個層面的網(wǎng)絡來實現(xiàn)：無線個域網(wǎng)、無線局域網(wǎng)和基于蜂窩結構的移動通信網(wǎng)。由此可以看出新一代移動通信系統(tǒng)的無線側將是一個不同無線接入網(wǎng)絡的異構融合體，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)絡間的互聯(lián)互通，其中無線個域網(wǎng)絡主要應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)就是典型的應用；無線局域網(wǎng)是指基于IEEE802.11等國際標準的無線網(wǎng)絡，其覆蓋范圍和容量都比個域網(wǎng)大；基于蜂窩結構的移動通信網(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)絡系統(tǒng)（包含目前已成為3G標準之一的WiMAX網(wǎng)絡），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。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)絡覆蓋，這時，終端設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)絡共同覆蓋，這時終端不僅可以根據(jù)用戶對業(yè)務、網(wǎng)絡負荷和QoS的要求選擇最優(yōu)的網(wǎng)絡接入，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)絡層次內(nèi)進行有效的水平切換和在不同網(wǎng)絡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)。當然，為了能夠實現(xiàn)這樣理想的網(wǎng)絡性能，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域全方位技術發(fā)展的支撐。

5、新一代移動通信系統(tǒng)的無線傳輸技術

在移動通信系統(tǒng)中，由于大量無線信道的不可預測性，以及新一代移動通信系統(tǒng)中不同業(yè)務和不同用戶之間的不均勻的業(yè)務量，移動節(jié)點移動所引起的網(wǎng)絡結構變化、對寬帶高速率通信的要求和不同異構網(wǎng)絡之間的無縫互聯(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。

（1）OFDM技術

OFDM是一種多載波調制技術，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)信號轉換成并行的低速數(shù)據(jù)流，調制在每個子信道上進行傳輸。這種調制傳輸技術的優(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

軟件無線電是目前學術界和產(chǎn)業(yè)界關注的熱點之一，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具有設計靈活、結構開放的特點，它可以使處于不同頻段、不同網(wǎng)絡和不同業(yè)務下的移動終端進行靈活的網(wǎng)絡與業(yè)務選擇，有效實現(xiàn)網(wǎng)絡重選、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換、高速并行DSP處理和高開放性與擴展性的總線結構等設計的同時，如何進一步降低基于軟件無線電的設備功耗、體積和成本也是其能否走向實用化和商用化的關鍵因素。

（3）智能天線

智能天線是未來移動通信的關鍵技術之一。它具有自動跟蹤目標信號，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)性能的關鍵技術之一。
智能天線主要由兩部分實現(xiàn)：天線陣列和自適應算法。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算法的實現(xiàn)復雜度，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

信道編碼技術是移動通信系統(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。新一代移動通信系統(tǒng)將在此基礎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)界的廣泛關注。

（5）信源編碼技術

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)務在移動通信系統(tǒng)中的應用，圖像和視頻編碼技術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等編碼技術都是實現(xiàn)低碼率壓縮編碼的重要標準。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的誤碼掩蓋技術也是視頻編碼的研究方向。

（6）MIMO技術

MIMO（多輸入多輸出）技術是最近幾年引起廣泛研究和關注的無線傳輸技術，該技術利用發(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，因此具有廣泛的應用價值。目前MIMO技術領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）自適應無線傳輸技術

實現(xiàn)通信網(wǎng)絡的智能性是通信技術發(fā)展的不斷追求目標，其中自適應技術就是系統(tǒng)智能性的一種體現(xiàn)。所謂自適應無線傳輸技術，是指移動通信設備能夠根據(jù)無線網(wǎng)絡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，這種自適應無線傳輸技術將得到廣泛的采用。其中信源信道聯(lián)合編碼技術、OFDM子載波自適應調制技術就是自適應技術的很好體現(xiàn)。

（8）迭代接收技術

可靠性是通信的基本要求，而迭代技術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)復雜度也相應增加，因此在實際實現(xiàn)時要在性能和復雜度之間進行折衷。迭代技術從Turbo碼的迭代譯碼技術發(fā)展而來，目前得到了更為廣泛的應用。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的迭代接收技術都是迭代接收技術具體應用的體現(xiàn)。隨著硬件器件和數(shù)字信號處理技術的飛速發(fā)展，這些迭代技術將會在后幾代通信技術中得到廣泛應用。

（9）智能頻譜分配技術

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)的通信質量，又可以有效提高通信系統(tǒng)的容量，基于頻譜自適應檢測的智能頻譜分配技術是實現(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，移動終端和接入設備之間可以動態(tài)選擇信道，進而提高無線通信系統(tǒng)的通信質量。目前，基于智能頻譜分配技術的主要研究領域有基于頻譜感知的MAC層接入技術和基于頻譜感知的多網(wǎng)絡資源管理等。

6、小結

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