移动通信新技术的发展趋势

谈振辉，教授、博士生导师，现任北方交通大学校长，1967年、1981年分获北方交通大学通控系学士、硕士学位，1987年获东南大学博士学位。1991－1993年到比利时和加拿大作高级访问学者。发表学术论文一百多篇。被评为“铁道部有突出贡献技术专家”，获得“茅以生铁道科技奖”。专业方向为通信与信息系统，现从事移动通信、宽带通信、个人通信的研究。成功的范例和失败的探索在移动通信产业快速发展的20世纪，移动通信发展的主要驱动力来自随机接入数据业务的需求和Internet计算技术。移动通信技术成功转化为生产力的成功范例是：1.GSM：1988年欧洲把GSM作为泛欧数字蜂窝移动通信标准，美国蜂窝移动通信工业选择TDMAIS-136标准作为模拟AMPS标准的换代，日本确定2G数字TDMA标准PDC(PacificDigitalCellular)。GSM全球计费，短消息业务和网络层互操作的先进性，使GSM在全球无线通信市场上占据了主导地位。2.CDMA:1990年Qualcomm公司首先把码分多址(CDMA)引入到蜂窝移动通信，美国蜂窝移动通信工业把CDMA作为数字移动通信IS-95标准。CDMA能提供额外的信道容量，基带信号处理能降低移动终端的复杂性。除了EDGE外，所有向3G演进的移动通信标准都采用图1示意的CDMA若干组合形式。美国和日本确定以3G以WCDMA取代IS-136和PDC标准。在移动通信产业快速发展期间也有因各种原因而失败的探索，它们是：1.铱系统：Iridium公司在空间蜂窝小区移动通信概念基础上，研发基于卫星的全球无线通信业务的铱系统。由于中轨道卫星和地面站设施昂贵的投资，用户难以承担每分钟3美元的全球漫游业务费，最终宣告铱系统失败。但是，其基于空间的越区切换，点波束天线，功率增效工程和网络管理等有原创新意。2.基于跳飞分组的无线数据：Metricom公司利用ip技术，采用低功率设备在非许可频谱ISM上，给移动用户提供Internet接入和峰值为64-128kb/s基于跳飞（Ricochet）分组的无线数据业务。跳飞分组基础设施安装在建筑物，灯柱和广播塔上，给移动个人计算机用户提供高质数据接入和Internet业务。该思想的成功范例是基于分组数据接入的Adhot无线网。然而，2001年因Metricom公司的投资受到2.5GGPRS的冲击而中断研发。影响移动通信发展的核心技术1.WLANWLAN能在非许可频谱上为建筑物内的本地网提供业务，低成本无线LAN设备利用建筑物内和校园内Ethernet设施，开发数据速率超过3G的WLAN移动计算接入业务，移动接入Internet网和提供具有话音业务质量的无线业务。随着VoIP技术的改进，无需蜂窝通信基础设施支持，无线竞争本地交换载频(W-CLCE-WirelessCompetitiveLocalExchangeCarrier)和无线互联网服务提供(W-ISP-WirelessInternetServiceProvider)可能是未来成功的途径。在建筑物内提供宽带数据接入和含有Web无线设备的Internet业务已成为无线移动通信的尖端技术之一，目前，许多公司正在寻找WLAN融合2.5G和3G的途径，把室内各种终端组合在一起，构建蜂窝覆盖和容量分布系统，开发新一代蜂窝移动电话。2.CDMACDMA因抗干扰，低截获概率和固有抗多径能力从军事转移至商业应用。CDMA准许多用户以相互有别的码共享同一频谱，在基带接收端处理分离所需信息，非所需信息被接收端视为噪声。类似噪声的扩频信号使CDMA比TDMA具有若干优点，如CDMA分离业务提供和网络设计时，CDMA的互信道用户干扰呈现最温和的加性白噪声形式，使系统设计可基于干扰平均处理来简化；允许周围发射机使用相同载频提高频谱利用率；应用话音激活和频率复用可有效地进行多用户统计复用和软切换；提供大规模分集增益。CDMA被普遍认为下一代移动通信系统多址接入的基本方案，在3G标准，非许可频谱上WLAN和超宽带(UWB-UltraWideBand)中占据主导地位。目前，对CDMA仍有两种观点，一种是CDMA是革命性技术，可提高几个数量级的系统容量，另一种是因CDMA复杂而无生命力，采用原始扩频方案即高数据率和低功率谱的UWB。下行异步传输链路是CDMA移动通信系统容量的瓶颈，每个移动用户应通过上行链路的功率控制使基站接收的移动用户信号能量基本相当，而来自基站通过下行链路抵达所需移动用户的信号，又难以服从对其它用户应呈现加性白噪声的约束。3GCDMA系统应该采用快速功率控制，发射分集和接收分集来解决这一矛盾。在对称频谱下，解决高速率分组数据传输的方案是CDMA20001XEV-DO或CDMAHDR。但是，CDMAHDR面临着挑战：*CDMAHDR属于分组数据系统，只有无线VoIP(VoiceoverIP)系统成熟，HDR才支持话音业务。目前，CDMA需要两个独立载体分别支持数据和话音业务。*CDMAHDR在分组数据业务上比其它CDMA系统高效,其上行链路与CDMA2000差不多，下行链路的用户工作为时分复用模式而不是码分复用模式，当下行链路扩频增益太低时，物理层的效率就会下降。解决CDMAHDR上述问题的方法是：3GPP2把CDMA2000演进成1XEV-DV(Evolution-DataandVoice)后集成在一个载体上，而3GPP采取高速数据分组接入(HSDPA-HighSpeedDataPacketaccess)。这两种系统在下行链路上，以自适应调制，混合ARQ和快速调度来改进数据传输效率。3.OFDM60年代OFDM的多路数据传输已成功用于Kineplex和Kathryn高频军事通信系统。过去十多年，OFDM用于1.6Mb/s高比特率数字用户线(HDSL)，6Mb/s异步数字用户线(ADSL)，100Mb/s甚高速用户线(VDSL)，数字音频广播和数字视频广播等。最近，OFDM应用于5GHz上提供54Mb/s无线本地域网络标准（IEEE802.11a和IEEE802.11g），高性能本地域网络（HIPERLAN/2，ETSI-BRAN），还作为IEEE802.16MAN和集成业务数字广播(ISDB-T-IntegratedServicesDigitalBroadcasting)标准。编码OFDM(COFDM—CodedOFDM)被FCC接受为数字电视(DTV-DigitalTelevision)陆地广播标准。应用于无线分布系统的OFDM在相对窄的频带内可提高频谱利用率，提供多址接入和信号处理增益。扩频通信可认为是单载频传输，而OFDM是多载频传输的特殊形式，OFDM把高速串行数据流并行分配在多路低速子载频上。目前，OFDM成为高速宽带无线通信的必选方案的原因有：*高速大规模FFT芯片的商业化，易于与软件无线电，智能天线组合，OFDM实现的复杂性比具有均衡器的单载频系统要简单；*低速多路子载频增加符号的持续时间，抗多径衰落和符号间干扰具有鲁棒性；*以可编程DSP在多路子载频间灵活地采用自适应调制和功率分配，有效按需分配带宽(BandwidthonDemand)提高RF频谱利用率；与单载频调制制式相比，OFDM欲将成为4G宽带多媒体无线移动通信系统的调制制式，要解决峰均大功率比(PAPR-PeaktoAveragePowerRatio)降低RF放大器的效率和多载频系统对频率位移和相位噪声敏感，收发双方间的频率抖动和多普勒频移引起的互载频干扰(ICI-InterCarrierInterference)，降低系统性能问题。4.UWBUWB也可称为脉冲无线电，可追溯至19世纪。至今UWB还在争论之中。UWB调制采用脉冲宽度在ns级的快速上升和下降脉冲，脉冲覆盖的频谱从直流至GHz，不需常规窄带调制所需的RF频率变换，脉冲成型后可直接送至天线发射。脉冲峰峰时间间隔在10-100ps级。频谱形状可通过甚窄持续单脉冲形状和天线负载特征来调整。UWB信号在时间轴上是稀疏分布的，其功率谱密度相当低，RF可同时发射多个UWB信号。UWB信号类似于基带信号，可采用OOK，对映脉冲键控，脉冲振幅调制或脉位调制。UWB不同于把基带信号变换为无线射频(RF)的常规无线系统，可视为在RF上基带传播方案，在建筑物内能以极低频谱密度达到100Mb/s数据速率。为进一步提高数据速率，UWB应用超短基带丰富的GHz级频谱，采用安全信令方法(IntriguingSignalingMethod)。基于UWB的宽广频谱，FCC在2002年宣布UWB可用于精确测距，金属探测，新一代WLAN和无线通信。为保护GPS，导航和军事通信频段，UWB限制在3.1-10.6GHz和低于41dB发射功率。5.空时处理理论研究指出：在独立Rayleigh散射信道中，数据速率与天线数成线性关系，容量可达Shannon的90％。在发射和接收端以多天线开发信道空间可取得能量和频谱效率的增益，空时处理在频谱利用率上比WLAN和蜂窝网中调制和编码后的频谱利用率可增长一个数量级，如Lucent实验室的V-BLAST系统在室内24－34dB时，频谱利用率为20－40bps/Hz，而发射和接收端均采用16天线，在30dB时，频谱利用率增至60－70bps/Hz。目前，在许可频段上已不能满足无线数据业务增长的需求，频谱资源成为主要资本的投资方向，必须增加通信容量来回报其投资，空时处理增加通信容量的方案有：*以增加基站站数的代价把小区分隔成微小区；*利用天线开发空时调制编码处理；*多输入输出(MIMO)天线结构。后两种方案相比第一种方案，可明显地改进频谱利用率，提高系统容量和覆盖面积。在多径衰落信道中，从时域，频域，空域和极化域获得的信号复制品进行分集是解决多径衰落的有效技术。移动通信的分集注重从移动终端到基站上行链路的分集，随着2.4GHz和5GHz更高频段的开发，天线阵列单元间隔要求不会明显增加移动终端尺寸，可把分集的压力部分转移至发射机上。采用开环发射分集的空时分组码(STBC)在时间上扩展提供时间分集，收发信机采用多天线提供空间分集，分集增益和编码增益共同改进频谱利用率。合成信号送至最大似然检测器，其效果等效于单发射天线双接收天线最大比接收的组合结构(MRRC-MaximumRatioReceiverCombiner)。开环发射分集的另一形式为时延分集，发射符号在时延递增下均等分配给各天线，接收机的均衡器利用训练序列抵消信道失真，采用多时延组合接收分集结构。闭环发射分集的接收机需要把反馈信息提供给发射机，并选择最佳信号或复制信号来抵消即时信道失真。显见，闭环发射分集优于开环发射分集，一般用于移动终端。收发双方应用多天线的MIMO的空间分集将是下一代高容量移动通信系统采用技术之一。贝尔实验室分层次空时(BLAST-BellLabs.LayeredSpaceTime)又称为对角BLAST(D-BLAST)为MIMO抗多径干扰的一种形式。图2为BLAST收发信机原理框图。为降低BLAST结构的复杂性，采用递推“分离和抵消”算法。图2中4个接收信道中一个接收n个发射天线的信号，在一个周期内，m个处理信道之一接收分组A。在周期初始，取消已接收来自其它发射机的信号，分离来自指定发射机的信号。在经第一发射天线位移后，已知接收信号从组合信号中扣除。刚接收的新信号不进行识别就移出，依靠接收到的训练序列提取信道特性。来自指定天线的信道特性转置并映射到新接收的信号上，用已知信道特性来增强所需信号。在发射天线下一个位移来到后，重复上述根据信道特性，抵消已知信号并分离新信号的过程。BLAST的研究方向集中在优化训练序列，检测算法和BLAST与编码的组合。而垂直BLAST（V-BLAST-VerticalBLAST），天线之间没有码循环现象，接收机的分离和抵消算法为选择最佳SNR，线性加权接收信号的递推算法。这就大大简化了接收处理，使V-BLAST成为下一代移动和室内通信的备选方案。6.Adhoc网络1968年研究的ALOHA协