基于寬帶接入技術的未來幾代移動通信

2019-11-05 02:42:30

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　　一、概述
　　第一代移動通信（1G）始于20世紀70年代，基于模擬技術；第二代（2G）蜂窩通信系統出現在80年代，基于數字技術，主要用于話音傳輸和支持電路交換。如GSM、IS54、PDC IS95、DAMPS等，用戶室內數據限于幾十Kbps。IMT2000是在21世紀一開始引入的3G系統，可以提供室內2Mbps和室外144Kbps用戶數據速率，但是多媒體的高速接入速度是無限制的，因此3G系統對于多媒體應用還存在局限性。
　　
　　本文將討論第四代和第五代移動通信系統要求。從廣義上講，4G及4G以后將包括若干個系統，不僅僅限于蜂窩電話系統，還包括許多新的通信系統如寬帶無線接入系統、毫米波LAN、智能運輸系統及高空同溫層平臺基站系統（HAPS），4G用于狹義的蜂窩電話時就是4G蜂窩系統。
　　
　　未來幾代移動通信必須滿足高數據數率、高移動性和無縫覆蓋（實現系統間如HDR與CELLAR、HAPS、ITS（智能運輸系統）之間的切換，才能達到真正無縫覆蓋），各代之間確實難以分清楚界限。從原理上講要實現寬帶高速數據率和高移動性比較困難，且系統性能（如小區的大小、傳輸數據率等）極大地取決于頻帶。考慮到這些技術因素，未來系統將包括若干個不同的系統，其中一些是專門為提供高速數據率業務的系統，其它則是解決覆蓋和移動性問題。假如能把幾個系統集成在另一個系統內，則可能同時提供高速數據和移動性業務。作為未來的系統有4G蜂窩、寬帶無線接入系統、ITS和HAPS系統，這些已經在移動通信界引起了極大的愛好。未來系統之間的無縫漫游乃是一個極為重要的概念。這里的無縫漫游將兼有高速數據、高速移動性和寬帶固定接續。
　　
　　二、未來移動通信系統的業務猜測
　　一個新的無線系統的開發，其中最重要的是得到必需的頻譜，以滿足猜測的業務要求。根據ITU-R TG 8/1對未來業務的猜測和IM2000的需求，針對REGION-3亞洲地區的頻譜做了計算，結果見圖2。
　　
　　從1999至2010年定向話音業務在1G、2G時代是主要業務，而在這期間增長僅1.5倍的用戶數和2倍的業務量。但這并不是在2010年以后就放棄定向話音業務，而是廣泛引入多媒體業務話音和多媒體業務，在2010年話音業務和多媒體業務之比將為1：2 （上下行鏈路）。假如多媒體業務每年的增長為40%，到2015年則是當前水平的23倍，多媒體與話音業務之比10：1。40%的增長率是以存儲器容量、硬盤容量（個人計算機）及CCD數增長為基礎測出的。同時WEBSITE的增長每年也在40%。
　　
　　因此ITU-R TG8/1得出的結論是對3G要分配另外的頻率才能滿足增長的需求。增加的帶寬，2010年初定為160MHz，但是所增加的帶寬主要取決于每個用戶的業務增長比以及2010年后的繼續增長，所以對大容量的4G蜂窩系統的研究必須適應2010年后發展的需求。
　　
　　三、未來移動通信系統的系統要求
　　高數據速率傳輸
　　
　　3G系統提供室內2Mbps和室外144Kbps數據率，5GHz無線LAN和無線寬帶接入在日本（MMAC）、歐洲（HYPERLAN2）、美國（IEEE802.11）興起，其傳輸速率將達到2-600Mbps。4G蜂窩最低目標速度為10-20Mbps，對移動車輛至少為2Mbps。
　　
　　高移動性
　　
　　4G蜂窩對移動目標至少提供2Mbps數據速率，盡管實現起來難度較大，但可通過智能運輸系統（ITS）實現。ITS第一階段將工作在5.8GHz，第二階段將采用毫米波段，提供更高數據速率：50-200Mbps。
　　
　　大區域覆蓋及各系統之間無縫漫游
　　
　　由于將來目標數據速率比當前的系統高出2個數量級，因此小區的半徑可以縮小，從而使覆蓋區域減小。有人提出采用高空平臺站，在離開地面20公里處的同溫層用大型空間飛船作為通信平臺（HAPS）。為了提高建筑物穿透性，采用大范圍的可變傳輸速率。未來的移動通信系統包括室內的無線LAN、室外的寬帶接入、ITS系統和HAPS系統，因此至關重要的是不同系統之間的無縫漫游。
　　
　　高性能與低比特成本
　　
　　4G系統每個單位區域容量至少是3G的10倍，因此比特成本需要大大降低，用戶才能不用擔心是否用得起。
　　
　　無線QoS資源控制
　　
　　由于Internet業務成本低廉而倍受青睞，而無線系統資源（頻率和功率）是有限的且還得受擁塞困擾，所以無線QOS資源控制必須保證業務質量、支持各種級別的應用。
　　
　　四、未來移動通信系統的幾個候選方案
　　4G蜂窩系統
　　
　　4G系統不僅容量大而且速度高、比特成本低，可以支持2010年的業務需求。為了用合理的帶寬實現大容量，4G的小區半徑應該縮小，目前的RAN結構沒有優化成為微蜂窩網絡，所以必須首先作好低比特成本的RAN網絡結構。
　　
　　基于ip技術的網絡架構使得在3G、4G、W-LAN、固定網之間無縫漫游可以實現。這種網絡的基本結構概念模型見圖3所示。上層是應用層，中間是網絡業務執行技術層，下層是物理層。物理層提供接入和選路功能，中間層作為橋接層提供QOS映射、地址轉換、即插即用、安全治理，有源網絡。物理層與中間層提供開放式IP接口。應用層與中間層之間也是開放式接口，提供第三方開發和提供新業務。
　　
　　寬帶無線接入及其本地網絡
　　
　　寬帶無線接入系統采用5GHz和毫米波段，1996年日本就開始了稱為“多媒體接入通信系統”（MMAC）的新研究。MMAC就是繼IMT-2000之后的高性能無線系統，可以提供兩類高速無線接入：第一類用于室內外寬帶移動通信系統，用5.2GHz頻段傳輸30Mbps的數據，該項目從2001年開始；第二類提供超高速W-LAN室內接入，傳輸速率達到600Mbps，采用60GHz頻率，即毫米波。5GHz的MMAC系統和世界上其它系統類似，其數據速率高達30Mbps。但是這些系統不能提供大范圍覆蓋，也不能用于車輛業務環境，只能用于“熱點地區”。研制出的毫米波樣機可以演示60GHz的W-LAN與ATM或100-BASE以太網接口，其數據速率可以達到155Mbps。
　　
　　智能運輸系統（ITS）
　　
　　ITS是新型的傳送系統，由先進的信息通信網組成，為用戶道路、車輛等提供信息與通信。ITS不僅提供道路情況、交通事故等，同時還能為駕駛員和乘客提供多媒體業務。
　　
　　ITS由9個開發層面組成，包括導航系統、電子長途數據采集（ETC）、安全行車輔助系統等。數據采集（ETC）是利用兩對5.8GHZ的頻段進行連續的長途數據采集。ITS的潛在市場在日本估計有50萬億日元。ITS的通信系統分為路途車輛通信和車輛互通，其中最主要的是路途車輛通信。ITS系統在沿途布上光纖網，光纖無線收發信機是要害技術。
　　
　　高空同溫層平臺站系統（HAPS）
　　
　　HAPS 系統是有吸引力的多媒體通信系統，有可能成為大區制和衛星通信之后的第三個通信系統。平臺站建在離開地面20km的同溫層，若干個HAPS通過光互聯鏈路可以在空中組成網狀網。
　　
　　寬帶接入鏈路為平臺站與用戶站之間的鏈路，接入頻率擬采用毫米波。在1997年11月瑞士日內瓦世界無線電大會上（WRC）分配給47/48GHz頻段，600MHz帶寬頻譜用于HAPS。
　　
　　HAPS可以支持各種用戶終端：固定終端、便攜終端、移動終端。典型的接入比特率為25Mbps，對于有些固定終端可達幾百Mbps（天線比普通的要大）。
　　
　　由于采用了毫米波頻段，容許使用高增益小口徑天線,如比特率為144Kbps時，采用5厘米直徑、20dbi的碗形小天線。
　　
　　五、要害技
　　調制技術與信號傳輸
　　
　　高頻段上高速移動傳輸會產生嚴重的頻率選擇性衰落，調制/解調的魯棒性研究可以克服這種頻率選擇性衰落。其中多載正交頻分頻調制（包括OFDM）以及單載波帶自適應均衡都是可選方案。另外一個重要的要求是低Eb/N0值。由于接口端的噪聲帶寬寬，所以低Eb/N0能夠實現合理的覆蓋。高數據率發射臺的功率控制（PTC）可以降低瑞利衰落，同樣，增加導頻快速跟蹤調制器也能達到覆蓋目的。
　　
　　頻率域的抗衰落方法如RAKE接收機和跳頻技術同樣必不可少。高性能前向糾錯（FEC）編碼如TUEBO 編碼技術、自動重發請求（ARQ）和分集接收技術是建立高速大容量網絡的重要因素。所有這些都是為了改善Eb/N0值，對于增加容量也有效果。
　　
　　傳播
　　在無線傳播和鏈路預算設計中，微波的傳播特性和在最大速率20Mbps時寬帶信號傳播特性有待進一步研究。在研究60GHz室內傳播時發現，采用環行極化和定向天線可以有效抑制多徑效應，大大改善高速數字傳輸特性。室內多徑傳播對于不同的結構材料的實驗已經開始，目的是尋找出反射和傳播模型。
　　
　　軟件無線電技術
　　
　　軟件無線電技術主要涉及數字信號處理硬件（DSPH），像FPGA、DSP等通過軟件無線電技術可以在不同的系統中只采用一個終端。軟件無線電的實現需要解決兩個問題：大容量軟件設計；DSPH軟件的實現還存在許多專利技術，假如下行鏈路類的軟件無線電系統實現了，那么這些保密技術也就泄密了。
　　為了克服這些問題，推出了一種稱為“參數受控軟件無線電技術”，已經實現的樣機有三種：ETC、GPS、PHS。
　　
　　智能天線（SA）
　　
　　SA具有干擾信號抑制、自動跟蹤以及數字波束調節等智能功能，被認為是未來移動通信的要害技術。SA中有一種AAA天線（ADAPTIVE-ARRARY-ANTTENA）可以降低干擾和發射功率。采用AAA與ICE（干擾消除均衡器）可以消除干擾增加容量，其難點是對于衰落信道的估算、電路的實現較為困難，雖然信道衰落估算方法有許多，但重要的是估算方法的選用和處理器的配置。
　　
　　光纖無線電
　　
　　光纖無線電（ROF）被認為是很有前途和有研究價值的課題，尤其在路途車輛系統中，利用ROF技術我們可以將多業務無線電信號通過光纖傳送。在日本可用的無線業務很多，比如PDC（800MHz/1500MHz）、PHS（1900MHz）、VICS（2.5GHz）、FM商用無線電（70-90MHz）、TV廣播（90-770MHz）和ETC（5.8GHz）。為了降低空中接口數量，已經建議采用

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