無線通信新技術展望

2019-11-03 09:12:28

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供稿：網友

汪曉陽

（上海大唐移動通信設備有限公司 200233）

　　摘要文章對在未來無線通信領域有望得到重要應用的新技術進行描述，包括無線局域網、碼分多址、高頻譜效率（正交頻分復用、超工帶調制和空時處理）、自組網絡和網絡跨層優化。這些技術和方法有許多優越之處，同時有許多問題尚待解決。

　　關鍵詞無線局域網碼分多址高頻譜效率自組網絡網絡跨層優化

1 無線通信發展中的新技術

　　無線通信已成為通信產業的最大組成部分之一，有有發展前途。1990年時，全世界只有1000萬蜂窩電話用戶，主要使用模擬技術的第一代移動通信系統；現在大約有7億用戶，主要使用數字技術的第二代移動通信系統；預計到2006年將超過20億移動通信系統還在完善中，三代后技術已開始發展。

　　在過去十幾年中，最成功的技術是GSM和分多址（CDMA）。GSM系統支持國際漫游、短消息和網絡層互操作，是目前用戶最多的蜂窩移動通信系統。CDMA技術提高了無線頻譜效率，把手機的復雜性轉移到低成本的基帶信號處理電路中，在第二代中應用于IS-95系統；目前所有得到廣泛支持的第三代蜂窩移動通信標準都使用CDMA技術（包括cdma2000、WCDMA和TD-SCDMA）。

　　在無線通信發展的過去十幾年中，有成功者，也有失敗者。Iridium系統試圖提供全球衛星蜂窩無線通信，它是空間切換、天線波束賦形、功率節省技術、手機工程和網絡管理等技術突破的先導者；Metricom系統試圖在無執照頻譜范圍內，用低功率設備組成大網，使用互聯網協議在城區提供永久在線數據業務，它是無線自組網絡的最初實例之一。在無線通信技術方面，這些失敗者都曾有創新和突破，但由于所倡導的業務和技術超前于所處時代，用戶發展緩慢，價格居高不下，導致以破產告終。

　　如同過去的十幾年一樣，在未來無線通信發展的過程中，仍會有成功者和失敗者，但無論如何開拓者都會為無線通信技術的創新和發展留下寶貴的財富或經驗。本文試圖對可能成為未來無線通信核心部分的技術作概括描述。

2 無線局域網技術

　　通過利用大樓或小區內已有的有線以太網設施，廉價的無線局域網正在快速部署，與昂貴的3G蜂窩設備所許諾的速率相比，它為計算機提供的數據速率高出一個數量級以上。目前，IEEE 802.11b可提供11Mb/s速率，IEEE 802.11a/g的速率可達4Mb/s。若使用Voip技術，無線局域網可以不依賴蜂窩設施，在一個小區內提供移動語音服務。現在，已有人研究并推出把2.5G和3G蜂窩技術與無線局域網技術集成在一起的芯片和設備，以適應不同的應用場合。

3 碼分多址技術

　　CDMA通過讓不同用戶使用不同碼字共享相同的頻譜，它基于擴頻技術，對于非特定碼字用戶，擴頻信號的特性就像噪聲一樣，這使它比TDMA技術優越。CDMA允許蜂窩系統中的相鄰小區使用相間頻段，從而提高頻譜利用率。在第二代蜂窩移動通信系統IS-95中，CDMA取得較大成功，在第三代蜂窩移動通信系統標準中，CDMA成為主導多址接入技術。此外，CDMA技術還被許多運行在無執照頻段的消費設備所采用（如無線局域網和無繩電話系統）。正在興起的超寬帶技術也采用CDMA技術進行多址接入。

4 高頻譜效率技術

　　在今后十年中，高速無線數據傳輸將最終實現，其關鍵在于實現高頻譜效率。在物理層，有三種技術（正交頻分復用（OFDM）、超寬帶（UWB）和空時處理）將用于獲取高頻譜效率。

4.1 正交頻分復用

　　正交頻分復用是一種特殊形式的多載波傳輸，一個高速的數據流在多個低速子載波信道上傳輸。早在20世紀50年代，并行數據傳輸和OFDM的要領就已出現，20世紀70年代發明了OFDM的離散傅立葉變換（DFT）實現方法。現在，由于超大規模集成電路（VLSI）的發展，高速、大尺寸的快速傅立葉芯片得以商用，OFDM已用于并將更多地用于商用高速寬帶無線通信系統。在過去的十幾年中，OFDM技術已用于ADSL（6Mb/s）、VDSL（100Mb/s）、數字音頻廣播（DAB）和數字視頻廣播（DVB）等領域，現在OFDM又被新的無線局域網標準IEEE 802.11a/g等采納，以提供高達54Mb/s的數據速率。在新近的研究中，OFDM被認為將成為第四代蜂窩移動通信系統的調制方式。

　　OFDM具有一些獨特的優點，是高速寬帶無線通信引人注目的技術選項：（1）由于高速數據分布在各低速率的子停產中傳輸，各子信道的符號間隔擴大，使它對多徑衰落和符號間干擾具有很強的抵抗力，對于一個特定的時延擴散，OFDM接收機的實現遠比帶均衡器的單載波接收機簡單；（2）通過自適應調制，使各子載波上的功率分配與慢速變化的信道條件相匹配，OFDM可有效使用無線頻譜；（3）窄帶干擾只影響到一小部分子載波，因此OFDM對窄帶干擾有很強的抵抗力；（4）與其它寬帶接入技術不同，OFDM可運行在不連續頻帶上。

　　盡管OFDM有上述優點，但在被現代無線通信系統廣泛使用之前，還有一些障礙需要克服。與單載波調制相比，OFDM的缺點包括：（1）OFDM的蜂場均率比（PAPR）較大，會降低射頻放大器的效率，N個子載波形成的峰值功率可能會是平均功率的N倍，又由于互調畸變，帶外輻射會比較大；（2）多載波系統對頻率偏移和相位噪聲更敏感。頻率抖動和多普勒移會引起載波間干擾（ICI），除非有適當的補償技術，否則會降低系統性能。

　　現在很多研究著眼于克服上述障礙。由于可在各子載波上采用自適應調制和功率負載，對于未來寬帶無線網絡來說，OFDM仍是一個優選的調制方式。在OFDM系統中，通過配合使用軟件無線電技術和智能天線技術，性能上有望得到很大改善。

4.2 超寬帶

　　超寬帶調制使用基帶脈沖成型，上升和下降時間極快，在次納秒范圍內。這樣的脈沖生成一個真正的寬帶頻譜，范圍在近零頻到幾GHz之間，不需要常規窄帶調制所需的射頻上變頻。在19世紀Holmholtz的菱中就有UWB的概念，當時曾引起爭議。

　　UWB亦稱脈沖無線電，可使用極便宜的寬帶發射器件，發展機的脈沖波形直接送到天線，因此不需要上變頻。通過調整超短時脈沖（單脈沖）的獨特形狀，并調整天線單元對脈沖的負載特性進行頻譜成形。單脈沖的峰值到峰值時間一般在十皮秒或百皮秒數量級，這是決定發射頻譜的關鍵。

　　UWB信號的功率譜密度很低，可以在整個頻譜上與其它射頻器件同時使用。由于UWB的帶寬極大，允許極高的信號速率，可用于下一代無線局域網。另外，可以發射很多單脈沖來組成一個信號比特，從而提供編碼增益和碼分集。已作過用UWB在大樓內提供超過大型00Mb/s可靠數據速率的演示。

4.3 空時處理

　　當載波頻率越高，波長超短，就有可能讓移動終端使用多個天線。空時處理技術和多輸入多輸出（MIMO）天線結構使用很接近的天線和差錯控制碼，同時采用小尺度的時間和空間分集，有望極大提高頻譜效率。實驗結果表明，提高MIMO結構中的發射天線和接收天線數目可提高數據速率。在一個獨立的Rayleigh散射環境中，理論數據速率隨天線數目的增加而線性增加，數據速率接近最大Shannon容量限的90%。與當今無線局域網和蜂窩電話系統中所用的調制和編碼技術相比，新空時方法的頻譜效率可高一個數量級。舉例證明：在室內環境中，朗訊公司的V-BLAST實驗室原型系統在平均信噪比24-34dB時，頻譜效率為20-40b/s/Hz，如果發射機和接收機都使用16根天線，在信噪比為30dB時，容量可達60-70b/s/Hz。

　　空時技術可用于蜂窩網，也可用于自組網。例如，在鄉村地區使用智能天線，可在一個更大的地理區域內提高通信距離，降低蜂窩系統的設備支出；在自組網中，智能天線可通過天線的方向性來掏同信道和鄰信道干擾，從而提高網絡容量。

5 自組網絡

　　除了獲取高速數據速率的物理層技術之外，未來無線網絡的另一特點是能適應無固定結構而存在，因此自組網絡是未來系統的關鍵技術。自組網絡由一群移動節點合作參與，允許在無中心設施支持的情況下建立無所不在的通信。網絡鏈路是動態的，當節點在網絡中移動時，鏈路會斷開變化。

　　過去，自組網絡被認為是適用于戰爭和災害地區的通信結構，在那里，無中心的自組網絡結構在操作上有優勢，甚至是必須的。現在，當新的無線技術（如藍牙技術）出現后，便攜設備（如筆記本電腦、蜂窩電話、PDA和MP3等）之間需要交互，自組網絡將在商業領域發展超來。

　　當今天的蜂窩系統仍依賴于中心控制和管理時，下一代移動無線系統標準正在向自組運行方向努力。例如，HiperLAN/2的直接操作模式可讓相領的終端直接通信；藍牙、IEEE802.11自組模式和IEEE802.15個人區域網絡（PAN）支持完全的無中心無線接入和路由技術。

　　自組網絡沒有預先規定好結構，網絡鏈路具有臨時性，為分組無線結構的設計和實現提出幾項基本技術的挑戰：（1）必須設計并優化安全和路由功能，以便它們在分布環境下有效運行；（2）在保證維持動態網絡拓撲中連接性的同時盡量減少開銷，需要降低路由表信息更新的頻率；（3）采用適當的路由協議設計，在一個多跳網絡中，使鏈路容量和時延波動保持最小；（4）網絡連接性（覆蓋）、時延要求、網絡容量與功率預算之間需要有可接受的折中；（5）通過采用適當的功率管理方案和優化的媒體接入控制（MAC）設計，使來自外部的干擾最小化。

6 網絡跨層優化

　　在過去的通信系統中，分層的開放系統互連（OSI）設計方法應用得很好，但演進的無線網絡正在挑戰這種設計哲學。正在出現的網絡必須支持各式各樣不斷變化的業務類型及其服務質量（QoS）要求，并支持網絡拓撲結構變化。

　　在設計網絡時，為了應對無線接入的挑戰，各網絡功能（即OSI的各層）必須統一考慮。各種應用的QoS需求變化，要求網絡層在優化網絡輸出時考慮物理層設計。另外，不同的應用可以從不同的優化中得到更多好處，導致了模糊層間界限的設計方案，它試圖跨過層間功能進行優化。

　　真正的優化不僅要求跨層設計，還要求有跨層適應性。傳統網絡具有一定的適應能力，例如許多通信系統使用信號處理方法來適應信道環境的變化，通過調整路由表來適應業務負載的變化。然而，這樣的調整是隔絕在特定層中的。跨層適應性將允許所有網絡功能在不同功能之間傳送信息并適應，以便滿足QoS需求變化、網絡負載變化和信道條件變化的要求。跨層網絡設計要求網絡各層的靜態優化，而適應性要求跨層動態優化。

　　網絡跨層優化有待解決的問題：（1）全網絡設計和優化極其復雜，特別是試圖實時動態優化時；（2）優化時使用的尺度。網絡各層（功能）傳統上有各自隔離的優化準則，例如物理層的設計基本上集中在減小誤比特率，MAC層的設計在于節點的數據通過速率或信道的有效性，網絡層的設計要求時延或路由效率。用什么尺度能代表所有這些要求？如何把這些要求一起優化，或者給它們排出優先級？

　　動態優化的相關問題是，在動態優化時，信息在網絡層間傳遞，設計者必須選擇要傳遞的信息，它不能太復雜，以致產生很大時延或大量優化過程的計算，但也不能太簡單，以致傳遞的信息太少。因此這類系統的設計需要復雜的建模（仿真）過程。動態網絡優化的最后一個問題是網絡控制，當允許適應跨層功能時，重要的是需要控制這個過程，問題是由誰來控制。

　　未來無線通信要求提供更豐富的業務和體驗，需要有更高的速率、更好的服務質量、更自由的連接，這就要求專業人士研究開發出更多更好的新技術來支持這些需求，包括物理層高速數據傳輸技術和網絡技術。

摘自　電信快報（2003年第4期）

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