移动通信的关键技术

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　　21世纪是移动信息社会，21世纪的社会和经济信息主要以数字和数据格式描述，信息的交流主要依赖于计算机通信，通信发展的趋势是消除人类活动受通信设备的空间和时间的束缚，新的一代移动通信系统即人们称之第三代的核心特征是宽带寻址接入到固定网和众多不同通信系统间的无隙缝漫游，获取多媒体通信业务。
　　回顾历史，差不多每隔十年移动通信系统就发生一次变革性换代，移动通信系统的发展趋势如图1所示。20世纪80年代的1G的AMPS和90年代的2G的GSM，IS-95主要应用于话音业务和电路交换业务，20世纪90年代开始研制的3G即全球移动通信系统IMT-2000。

图1　移动通信技术的演进

　　ITU-R的WP8F工作组研究3G和B3G未来发展，WP8F第六次会议通过“IMT2000未来发展和超IMT2000的远景框架及总目标”（IMT-VIS），见图2。B3G系统在高速移动环境中，可支持100 Mbit/s数据传输，在低速移动环境中，可支持1 Gbit/s数据传输。

图2　IMT-2000和超IMT-2000

　　3G系统的主要参数有：在宏蜂窝环境下，数据传输率为144～384 kbit/s。在微蜂窝环境下，移动速率3 km/h时数据传输率为100 Mbit/s，移动速率60 km/h时数据传输率为20 Mbit/s，移动速率250 km/h时数据传输率为2 Mbit/s。以IP为基础的无线接续，支持QoS，支持系统间无缝业务和全球漫游。支持多重模式，支持系统对称和非对称业务。
　　B3G系统的发展趋势是在固定或游牧移动覆盖区下，数据传输率为1 Gbit/s，高速移动覆盖区下，数据传输率为100 Mbit/s。信号频谱带宽为100 MHz，频谱利用率为5～20 bit/s/Hz。采取协同分布式无线网络结构，传输制式为宽带多载波的GMC/OFDM/MIMO，接收制式采取迭代并行处理。
　　3GPP组织确定Evolved UTRA and UTRAN研究计划，研究UMTS的无线接入和网络长期演进（LTE，Long Term Evolution）和发展。3GPP2组织研究空中接口演进（AIE，Air Interface Evolution）。美国启动GENI计划，在全球网络环境中，研究提供“无所不在服务”的下一代互联网。欧洲设置IST（Information Society Technology）计划，研究Winner（Wireless World Initiative New Radio）的泛在无线通信系统。日本有e-Japan计划，采取可变扩频因子—频码正交复用（VSF-OFCDM）技术，下行链路传输速率达到300 Mbit/s。而我国有FuTURE（Future Technologies for Universal Radio Environment）项目，研究下行链路传输速率100 Mbit/s，频谱利用率6 bit/s/Hz的协同分布式无线通信系统。国家“十一五”科学技术发展规划把“新一代宽带无线移动通信网”确定为重大专项之一。
　　移动通信系统的关键技术主要有下述方面：
　　1.宽带数字通信基础理论研究
　　针对高效综合协同利用通信系统的时间、频率、空间、网络、终端等各种资源，重点开展自适应通信理论、新型信道编解码方法、高效调制方案、基带处理与天线的协同优化模型、抗干扰机理与方法、网络容量优化理论等方面研究，建立新型的多址复用理论及调度算法，以期在逼近Shannon理论限的基础研究方面取得突破。
　　2.宽带调制和多址技术
　　无线高速数据传输不能一味仅靠频谱的扩展，应在频谱效率上至少高于目前一个数量级，可在物理层采用三项技术，即OFDM、UWB和空时调制编码。OFDM与其他编码方式的结合，灵活把OFDM与TDMA、FDMA、CDMA、SDMA组合成多址技术。
　　20世纪60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。OFDM已用于1.6 Mbit/s高比特率数字用户线（HDSL），6 Mbit/s不对称数字用户线（ADSL），100 Mbit/s甚高速数字用户线（VDSL），数字音频广播和数字视频广播等。OFDM应用于5 GHz上提供54 Mbit/s无线本地网IEEE 802.11 a和IEEE 802.11g，高性能本地域网络Hiper LAN/2和ETSI-BRAN，还作为城域网IEEE 802.16和集成业务数字广播（ISDB-T）标准。与单载频调制制式相比，OFDM调制制式要解决相对大的峰均功率比（PAPR，Peak to Average Power Ratio）和对频率位移和相位噪声敏感的问题。
　　高速移动通信的另一要求是在宽噪声带宽下，所需解调信噪比应尽可能降低，从而增加覆盖面积。可采取抗衰落的快速发射功率控制和导频辅助快速跟踪相干解调技术，如频域抗衰落的Rake接收和跟踪技术，从时域和频域抵抗时间和频率选择性衰落的OFDMA技术，链路自适应技术，联合编码技术。
　　3.频谱利用率提升技术
　　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容量和频谱效率的增益。MIMO技术主要包括空间复用和空间分集技术，在独立信道上并发或连发相同信息来提高传输可靠性。
　　收发双方的空间分集是高容量无线通信系统采用技术之一。贝尔实验室分层次空时的对角BLAST（D-BLAST）容量的增加为收发双方最小天线数的函数。利用MIMO所构成的跨时域和空域的扩展信号还可以抵抗多径干扰。V-BLAST系统在室内24～34 dB时，频谱利用率为20～40 bit/s/Hz。而发射和接收端均采用16天线，在30 dB时，频谱利用率增至60～70 bit/s/Hz。
　　智能天线自动跟踪所需信号和自适应空时处理算法，利用天线阵产生空间定向波束，通过数字信号处理技术使主波束对准用户信号到达方向，旁瓣或零陷对准干扰信号到达方向。自适应阵列天线（AAA，Adaptive Array Antennas）中干扰抵消均衡器（ICE，Interference Canceling Equalizer）可减少干扰和降低发射功率。
　　UWB也称为脉冲无线电，调制采用脉冲宽度在纳秒级的快速上升和下降脉冲，脉冲覆盖的频谱从直流至吉赫兹，不需常规窄带调制所需的射频上变换，脉冲成型后可直接送至天线发射。
　　4.无线资源管理
　　移动通信系统中，有限频谱资源的基站和有限发射功率的移动站限制了数据传输速率的提高。应在现有频谱资源，上下行链路质量和QoS业务的基础上，利用资源管理分配链路传输速率和发射功率。利用有限无线频谱资源和发射信号功率，减少经受干扰等影响。无线资源控制有多用户资源分配策略、多业务分组调度策略、链路自适应技术、越区切换、功率控制和接纳控制等。
　　5.软件无线电技术
　　软件无线电技术是在硬件平台上通过软件编辑以一个终端实施不同系统中多种通信业务。它用数字信号处理语言描述电信元件，以软件程序下载成数字信号处理硬件（DSPH，Digital Signal Pocessing Hardware）。以具有通用开放无线结构（OWA，Open Wireless Architecture），兼容多种模式在多种技术标准之间无缝切换。
　　6.网络安全和QoS
　　QoS分为无线和有线侧两部分，无线侧的QoS涉及无线资源管理和调度，接纳控制和移动性管理等，移动性管理主要包括终端移动性，个人移动性和业务移动性。有线侧的QoS涉及基于IP diffSer的区分业务和RSVP的端到端资源预留机制。把IP diffSer的IP QoS机制映射到无线侧。网络安全包括网络接入安全，核心网安全，应用安全，安全机制可见性与可配置性。
　　7.基于Mesh自组织网络的接入网架构体系
　　1968年研究的ALOHA协议是在固定节点的ALOHA网络中支持分布式信道接入，网络中所有节点都位于其他参与节点覆盖范围内，也就是说ALOHA网络是一种单跳网。1993年DARPA研究多跳分组无线网协议，多跳技术增加网络容量的思路是：在大型网络中采用共存与分离多跳会话，空域复用，预留发射功率资源和复杂路由协议来提高全网络的吞吐量。
　　现今蜂窝通信系统依靠集中控制和管理，而下一代移动通信系统转向固定与移动网络相结合，无隙缝和全方位通信。未来无线网络除了以低成本达到高数据率外，还要求在无专用通信基础设施下，网络具有适应和生存能力。
　　Mesh网络是一种高容量高速率的多点对多点网络，采用移动自组织网络（Ad hoc）的多跳网络拓扑，引入中继节点扩展基站无线覆盖范围和增强接入点的热点覆盖功能。
　　Ad hoc网络因灵活性将在未来网络中扮演重要角色，用户和路由器能在网络中随机移动的Ad hoc网络正成为主要研究领域，它准许移动终端扩展接入。Ad hoc网络作为非集中控制网络结构，所有移动节点以约定协议建立全向通信用于军事和灾害通信。
　　8.基于智能节点重叠网的核心网体系
　　基于智能节点重叠网（INON）是覆盖在IP核心网上的传统弹性重叠网（RON）技术和分布式散列表（DHT）技术结合的新型技术，分别解决数据传输和资源定位问题，新型重叠网技术包括自组织网，网络资源管理和路由优化等。对网络特性的要求也发生了变化，如：时延，吞吐量，支持各种QoS多媒体业务动态流量，差错率，频谱带宽，节点连续不断进出网络引起的网络拓扑变化等，这些都对网络设计提出了新的挑战。
　　9.网络协议
　　研究适合IP分组传输具有位置注册，基站网络结构管理和无线QoS控制的网络管理协议，以有利于接入网综合的无隙缝业务控制。以IP技术为基础的网络协议可有效地处理IP分组流量，提供广播和分组多播功能，其核心是路由、越区和鉴权技术等。
　　未来网络设计应考虑网络跨层间的相互作用，无线网络设计的OSI分层模型中最高和最低层次有不同方法解决固定基站无限制接入位置问题，以网络层自适应策略，利用物理层和MAC层信息，资源和连接点信息可优化系统的性能。
　　在新一代多媒体网络优化设计时，不仅需要静态优化跨层设计，还应考虑动态优化跨层自适应，未来网络设计应考虑网络跨层间的相互影响。随着无线核心网络的发展，将集中在物理层，数据链路层和网络层，见图3。利用层间传输控制信息进行联合优化，最大限度地利用无线网络资源，提高系统的整体性能。

图3　网络分层和跨层设计

　　10.射频电路和电磁兼容
　　高频系统中主要元件是射频电路，如高频功率放大器，超低温小型接收放大器和天线等。毫米波元件的双端口设备和波导管分别为有源器件和发射介质，现在采用高速三端口设备，具有小型、轻便等特点。高电子移动性晶体管（HEMT，High Electron Mobility Transistor）可达600 GHz高振荡频率和从微波到毫米波段的超低噪声性能，多级毫米波低噪放大器（LNA，Low Noise Amplifier）在62 GHz仅有1.7 dB NF。