要害詞：碼分多址；正交頻分復(fù)用；超寬帶

Abstract:The paper discusses some key technologies that will influence wireless communication in the future, sUCh as wireless communication in buildings and challenges encountered during the evolution from CDMA to 4G. It additionally analyzes the measures to imPRove the frequency spectrum utilization ratio, such as orthogonal frequency division multiplexing (OFDM), ultra wideband (UWB), space-time modulation and coding, Ad hoc network and trans-layer network optimization.

Key Words:CDMA; OFDM; UWB

    目前全球移動(dòng)通信用戶數(shù)已達(dá)到7億，預(yù)計(jì)到2008年移動(dòng)通信用戶數(shù)可達(dá)20億。
    在無線通信產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的20世紀(jì)，成功轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力的無線通信技術(shù)有GSM和CDMA。1988年歐洲把GSM作為泛歐數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)，GSM的先進(jìn)性使其在全球無線通信市場上迅速占據(jù)了主導(dǎo)地位。1990年Qualcomm公司把碼分多址(CDMA)技術(shù)引入到蜂窩移動(dòng)通信，美國基于CDMA技術(shù)制定了數(shù)字移動(dòng)通信IS-95標(biāo)準(zhǔn)。CDMA能提供額外的信道容量，其基帶信號處理技術(shù)能降低移動(dòng)終端的復(fù)雜性。
    在無線通信產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的20世紀(jì)，也有因各種原因而失敗的探索。一個(gè)例子是，在開展任何時(shí)間、任何地點(diǎn)通信的研發(fā)中，銥(Iridium)公司在空間蜂窩小區(qū)移動(dòng)通信概念基礎(chǔ)上，研發(fā)基于衛(wèi)星的全球無線通信業(yè)務(wù)的銥系統(tǒng)。由于中軌道 (MEO) 衛(wèi)星和地面站設(shè)施昂貴，用戶難以承擔(dān)每分鐘3美元的全球漫游業(yè)務(wù)費(fèi)，最終使得銥系統(tǒng)推廣失敗。但是其基于空間的越區(qū)切換、點(diǎn)波束天線、功率增效工程和網(wǎng)絡(luò)治理等技術(shù)后來被其他系統(tǒng)成功應(yīng)用。另一個(gè)例子是，Metricom公司利用IP技術(shù)，采用低功率設(shè)備，在免許可證頻段(ISM工科醫(yī)頻段)上給移動(dòng)用戶提供Internet接入和峰值為64～128 Kb/s基于跳飛(ricochet)分組技術(shù)的無線數(shù)據(jù)接入。眾多跳飛基礎(chǔ)設(shè)施安裝在建筑物、燈柱和廣播塔上，給有個(gè)人計(jì)算機(jī)的移動(dòng)用戶提供高質(zhì)量的數(shù)據(jù)接入和Internet接入。然而，Metricom公司的研發(fā)因受到通用分組無線業(yè)務(wù)(GPRS)的沖擊而中斷。

    綜上所述，過去的幾十年間，無線通信領(lǐng)域有許多成功或失敗的案例，無線通信產(chǎn)業(yè)一直在向前發(fā)展。今后，由于Internet和接入數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求的推動(dòng)，無線通信產(chǎn)業(yè)將繼續(xù)快速發(fā)展。因此探討未來無線通信領(lǐng)域的新技術(shù)具有現(xiàn)實(shí)意義。

1 提高頻譜利用率的技術(shù)
    未來10年無線高速數(shù)據(jù)傳輸不能一味僅靠頻譜的擴(kuò)展，還應(yīng)在提高頻譜效率上有所突破，頻譜效率至少應(yīng)高于目前一個(gè)數(shù)量級。可在物理層采用3項(xiàng)技術(shù)，即正交頻分復(fù)用(OFDM)、超寬帶(UWB)和空時(shí)調(diào)制編碼。

1.1 正交頻分復(fù)用
    擴(kuò)頻通信可認(rèn)為是單載頻傳輸，而OFDM是多載頻傳輸?shù)姆欠残问健FDM把高速串行數(shù)據(jù)流并行分配在多路低速子載頻上。目前，OFDM成為高速寬帶無線通信的優(yōu)選方案的原因有：
    (1)高速大規(guī)模快速傅里葉變換(FFT)芯片的商業(yè)化使得OFDM易于與軟件無線電、智能天線組合，實(shí)現(xiàn)OFDM比實(shí)現(xiàn)具有均衡器的單載頻系統(tǒng)簡單。
    (2)低速多路子載頻增加了符號的持續(xù)時(shí)間，使抗多徑衰落和符號間干擾具有魯棒性。
    (3)可編程數(shù)字信號處理器(DSP)能在多路子載頻間靈活地實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)調(diào)制和功率分配，有效地按需分配帶寬，提高射頻(RF)頻譜利用率。
    (4)窄帶干擾僅影響部分子載頻，OFDM具有抗窄帶干擾的魯棒性。
    (5)不同于其他寬帶接入技術(shù)，OFDM對鄰近帶寬無嚴(yán)格要求。

    20世紀(jì)60年代OFDM的多路數(shù)據(jù)傳輸已被成功地用于高頻軍事通信系統(tǒng)。過去10多年，OFDM技術(shù)被廣泛應(yīng)用于1.6 Mb/s高比特率數(shù)字用戶線(HDSL)、6 Mb/s不對稱數(shù)字用戶線(ADSL)、100 Mb/s甚高速數(shù)字用戶線(VDSL)、數(shù)字音頻廣播和數(shù)字視頻廣播等方面。最近，OFDM又被用于54 Mb/s無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.11a和IEEE 802.11g、高性能局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)HiperLAN/2、歐洲寬帶無線接入網(wǎng)ETSI-BRAN、IEEE 802.16 MAN和集成業(yè)務(wù)數(shù)字廣播(ISDB-T)標(biāo)準(zhǔn)中。編碼OFDM(COFDM)被美國聯(lián)邦通信委員會(FCC)接受為數(shù)字電視(DTV)陸地廣播標(biāo)準(zhǔn)，在6 MHz信道上將以19.3 Mb/s的MPEG格式分組傳輸，并進(jìn)行數(shù)字格狀編碼，計(jì)劃2006年底進(jìn)行DTV轉(zhuǎn)換。
    與單載頻調(diào)制制式相比，OFDM如要成為4G寬帶多媒體無線通信系統(tǒng)的調(diào)制制式，需要解決其存在的一些缺點(diǎn)，如：相對大的峰均功率比(PAPR)降低射頻(RF)放大器的效率；多載頻系統(tǒng)對頻率位移和相位噪聲敏感，收發(fā)雙方間的頻率抖動(dòng)和多普勒頻移會引起互載頻干擾(ICI)，降低系統(tǒng)性能。上述缺點(diǎn)限制了OFDM的應(yīng)用，1996年歐洲通信標(biāo)準(zhǔn)化組織(ETSI)曾把OFDM引入HiperLAN/1標(biāo)準(zhǔn)，最近又將其從標(biāo)準(zhǔn)中刪除。

1.2 超寬帶
    超寬帶(UWB)也可稱為脈沖無線電。UWB采用寬度在納秒級的快速上升和下降脈沖進(jìn)行調(diào)制，脈沖覆蓋的頻譜從直流至吉赫茲，不須常規(guī)窄帶調(diào)制所需的RF頻率變換，脈沖成型后可直接送至天線發(fā)射。圖1所示為UWB雙態(tài)高斯脈沖和頻譜圖。

1.3 空時(shí)調(diào)制編碼
    目前，在許可頻段上已不能滿足無線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)增長的需求，頻譜資源緊缺，必須增加通信容量來滿足需求。增加通信容量的方案有：

• 以增加基站站數(shù)的代價(jià)把小區(qū)分隔成微小區(qū)。
• 利用天線開發(fā)空時(shí)調(diào)制編碼處理。
• 采用多輸入多輸出(MIMO)天線結(jié)構(gòu)。

    后兩種方案相比第1種小區(qū)分隔方案，可以較低代價(jià)明顯地改進(jìn)頻譜利用率，提高系統(tǒng)容量和覆蓋面積。多徑衰落信道影響無線鏈路傳輸?shù)目煽啃裕瑢臅r(shí)域、頻域、空域和極化域獲得的信號進(jìn)行分集是解決多徑衰落的有效方法。移動(dòng)通信的分集往往注重對從移動(dòng)終端到基站的上行鏈路進(jìn)行分集，隨著2.4 GHz和5 GHz等更高頻段的開發(fā)，天線陣列單元間隔要求不像以前那樣嚴(yán)格，不會明顯影響移動(dòng)終端尺寸，可把分集的壓力部分轉(zhuǎn)移至發(fā)射機(jī)上。3GPP和3GPP2確定了基站和移動(dòng)終端的發(fā)射分集，來提高下行鏈路的數(shù)據(jù)傳輸率。
    開環(huán)發(fā)射分集的空時(shí)分組碼(STBC)使數(shù)據(jù)在時(shí)間上擴(kuò)展以提供時(shí)間分集，使收發(fā)信機(jī)采用多天線提供空間分集，利用分集增益和編碼增益共同改進(jìn)頻譜利用率。STBC中合成信號送至最大似然檢測器，其效果等效于單發(fā)射天線雙接收天線最大比接收的組合結(jié)構(gòu)(MRRC)。開環(huán)發(fā)射分集的另一形式為時(shí)延分集，發(fā)射符號在時(shí)延遞增下均等地分配給各天線，接收機(jī)的均衡器利用練習(xí)序列抵消信道失真，采用多時(shí)延組合接收分集結(jié)構(gòu)。
    閉環(huán)發(fā)射分集的接收機(jī)需要把反饋信息提供給發(fā)射機(jī)，并選擇最佳信號或復(fù)制信號來抵消即時(shí)信道失真。閉環(huán)發(fā)射分集優(yōu)于開環(huán)發(fā)射分集，一般用于移動(dòng)終端。
    收發(fā)雙方應(yīng)用多天線的MIMO也能滿足高速無線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)要求。收發(fā)雙方的空間分集將是下一代高容量無線通信系統(tǒng)采用技術(shù)之一。貝爾實(shí)驗(yàn)室的分層次空時(shí)(BLAST)又稱為對角BLAST(D-BLAST)，為MIMO抗多徑干擾的一種形式。DBLAST容量的增加為收發(fā)雙方最小天線數(shù)的函數(shù)，與時(shí)延分集一樣，不須信道編碼。利用多發(fā)射天線和多接收天線，所構(gòu)成的跨時(shí)域和空域的擴(kuò)展信號可以反抗多徑干擾。圖2為BLAST收發(fā)信機(jī)原理框圖。

    為降低BLAST結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，收發(fā)信機(jī)采用遞推“分離和抵消”算法。BLAST的研究方向集中在優(yōu)化練習(xí)序列、檢測算法以及BLAST與編碼的組合上。而垂直BLAST(V-BLAST)天線之間沒有碼循環(huán)現(xiàn)象，接收機(jī)的分離和抵消算法為選擇最佳信噪比(SNR)線性加權(quán)接收信號的遞推算法。這就大大簡化了接收處理，使V-BLAST成為下一代移動(dòng)和室內(nèi)通信的備選方案。許多未來無線系統(tǒng)計(jì)劃采用空時(shí)處理技術(shù)，例如IEEE 802.16.3寬帶固定無線接入標(biāo)準(zhǔn)的物理層把空時(shí)碼作為內(nèi)碼，RS碼作為外碼；歐洲WIND-FLEX項(xiàng)目研究空時(shí)處理用于室內(nèi)64～100 Mb/s的無線自適應(yīng)MODEM。數(shù)據(jù)速率20 Mb/s、帶寬效率提高20%的空時(shí)碼是4G重要技術(shù)之一。

2 Ad hoc網(wǎng)絡(luò)
    1968年研究的ALOHA協(xié)議在固定節(jié)點(diǎn)的ALOHA網(wǎng)絡(luò)中支持分布式信道接入，網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)都位于其他參與節(jié)點(diǎn)的覆蓋范圍內(nèi)，也就是說ALOHA網(wǎng)絡(luò)是一種單跳網(wǎng)。1993年美國國防部先進(jìn)研究機(jī)構(gòu)(DARPA)開始研究多跳分組無線網(wǎng)協(xié)議。多跳技術(shù)增加網(wǎng)絡(luò)容量的思路是：在大型網(wǎng)絡(luò)中采用共存與分離多跳會話、空域復(fù)用、預(yù)留發(fā)射功率資源和復(fù)雜路由協(xié)議來提高全網(wǎng)吞吐量。
    未來無線網(wǎng)絡(luò)除了以低成本達(dá)到高數(shù)據(jù)速率外，還要求在無專用通信基礎(chǔ)設(shè)施的情況下，網(wǎng)絡(luò)具有適應(yīng)和生存能力。Ad hoc網(wǎng)絡(luò)(又稱為分組無線網(wǎng)絡(luò))就能滿足這樣的要求，作為非集中控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，所有移動(dòng)節(jié)點(diǎn)以約定協(xié)議建立全向通信，主要被用于軍事和災(zāi)難通信。現(xiàn)在，Ad hoc網(wǎng)絡(luò)作為商業(yè)領(lǐng)域的先進(jìn)無線技術(shù)，加強(qiáng)了如筆記本電腦、蜂窩電話、PDA和mp3等袖珍設(shè)備間的相互聯(lián)系。
    現(xiàn)蜂窩通信系統(tǒng)主要依靠集中控制和治理，而下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)將轉(zhuǎn)向固定網(wǎng)與移動(dòng)網(wǎng)相結(jié)合，無隙縫和全方位通信，采用Ad hoc模式，如無線局域網(wǎng)HiperLAN/2標(biāo)準(zhǔn)中的直接模式中鄰近節(jié)點(diǎn)可互相直接通信。藍(lán)牙(Bluetooth)、IEEE 802.11中的Ad hoc模式、IEEE 802.16中的移動(dòng)Ad hoc網(wǎng)(MANET)和IEEE 802.15中的個(gè)人域網(wǎng)(PAN)都采用非集中無線接入和路由技術(shù)。Ad hoc多跳的傳感網(wǎng)絡(luò)可用于環(huán)境監(jiān)測。
    Ad hoc網(wǎng)絡(luò)沒有事先確定的基礎(chǔ)設(shè)施和網(wǎng)絡(luò)鏈路的時(shí)間特性，這給分組無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)和實(shí)施帶來一些新的挑戰(zhàn)，主要有：
    (1)必須優(yōu)化設(shè)計(jì)安全和路由功能，保證分布式結(jié)構(gòu)有效運(yùn)行。
    (2)在網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)運(yùn)行時(shí)，必須降低路由表更新頻數(shù)和開銷以保證鏈路連接。
    (3)在多跳網(wǎng)絡(luò)中，必須改進(jìn)路由協(xié)議設(shè)計(jì)以減少鏈路容量和等待時(shí)間的波動(dòng)。
    (4)必須全面權(quán)衡網(wǎng)絡(luò)連接(覆蓋)、時(shí)延、容量和功率預(yù)算等指標(biāo)。
    (5)必須優(yōu)化功率治理和媒體訪問控制(MAC)設(shè)計(jì)以減少先進(jìn)技術(shù)的負(fù)面效應(yīng)。

3 網(wǎng)絡(luò)跨層優(yōu)化

3.1 網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)
    在網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)時(shí)，必須研究網(wǎng)絡(luò)功能和網(wǎng)絡(luò)分層結(jié)構(gòu)。隨著無線網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，已經(jīng)在通信系統(tǒng)中應(yīng)用多年的開放系統(tǒng)互連(OSI)網(wǎng)絡(luò)分層設(shè)計(jì)，將集中在物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層(見圖3)。對網(wǎng)絡(luò)特性的要求也發(fā)生了變化，如時(shí)延、吞吐量、支持各種QoS多媒體業(yè)務(wù)的動(dòng)態(tài)流量、差錯(cuò)率、頻譜帶寬、節(jié)點(diǎn)連續(xù)不斷進(jìn)出網(wǎng)絡(luò)引起的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓龋@些都對網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)提出了新的挑戰(zhàn)。

3.2 跨層優(yōu)化
    在新一代多媒體網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，不僅要考慮靜態(tài)跨層優(yōu)化，還應(yīng)考慮動(dòng)態(tài)跨層自適應(yīng)優(yōu)化。傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)也包含一些自適應(yīng)能力，如利用自適應(yīng)信號處理調(diào)整信道參數(shù)、更新路由表、改變流量負(fù)載等，但這些調(diào)整更新與網(wǎng)絡(luò)層次是不相關(guān)的。跨層自適應(yīng)答應(yīng)網(wǎng)絡(luò)功能同時(shí)在功能和自適應(yīng)之間通過信息交換，滿足網(wǎng)絡(luò)負(fù)載、信道環(huán)境和QoS可變的要求。
跨層優(yōu)化設(shè)計(jì)中實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)是難以實(shí)現(xiàn)的，但可以進(jìn)行一些限制性設(shè)計(jì)。跨層優(yōu)化設(shè)計(jì)中應(yīng)采用測度，在傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)層次設(shè)計(jì)中有優(yōu)先權(quán)準(zhǔn)則，如物理層準(zhǔn)則是比特差錯(cuò)率，MAC準(zhǔn)則是節(jié)點(diǎn)吞吐量或信道現(xiàn)存性，網(wǎng)絡(luò)準(zhǔn)則是時(shí)延和路由效率。這就提出什么測度代表未來系統(tǒng)的主要性能，如何綜合優(yōu)化這些測度，如何對這些測度進(jìn)行優(yōu)先權(quán)排序的問題。
    在跨層動(dòng)態(tài)優(yōu)化中，需要復(fù)雜的建模或仿真過程。若把網(wǎng)絡(luò)功能加到傳統(tǒng)物理層仿真器上，將產(chǎn)生無法實(shí)用的問題。另外，由于物理層仿真器采用時(shí)間驅(qū)動(dòng)法，而網(wǎng)絡(luò)仿真器采用事件驅(qū)動(dòng)法，存在方法不同問題。解決上述問題的方法是采用雙層仿真法，即用物理層仿真器的輸出去激發(fā)網(wǎng)絡(luò)仿真器。但是，這種方法不答應(yīng)層次間有相互作用，不利于跨層優(yōu)化設(shè)計(jì)。可采取下述混合措施解決這一問題：

• 混合高層次的功能性能仿真和低層次的功能性能半分析仿真。
• 采取可變量化度措施。粗量化度網(wǎng)絡(luò)仿真器用于大部分物理層鏈路，細(xì)量化度仿真器用于特定物理層鏈路。
• 實(shí)行從物理層到應(yīng)用層的仿真和實(shí)時(shí)處理。
  

    在適應(yīng)跨層功能性能時(shí)，網(wǎng)絡(luò)各層次的控制應(yīng)處于最佳位置并有過程控制，否則，會出現(xiàn)各種自適應(yīng)的目標(biāo)互相矛盾問題。

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作者簡介：

談?wù)褫x，工學(xué)博士，北京交通大學(xué)校長，教授，博士生導(dǎo)師。第一、二、三屆國家“863”計(jì)劃通信主題個(gè)人通信專業(yè)專家組成員。現(xiàn)從事無線ATM、擴(kuò)頻通信、個(gè)人通信方面的研究。