分布式移动通信系统及其关键技术

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一、引言
　　近十几年来，移动通信发展迅速，可用的无线频谱资源不断上移，无线信号的衰减愈发严重，小区半径不断缩小。随着移动通信的进一步发展，传统的蜂窝通信体制受到限制。这主要表现在：小区半径的不断缩小意味着基站密度增大，网络建设的成本增高。同时，频繁的越区切换造成空中资源浪费，频谱效率也因此降低。所以，研究新一代的移动通信系统，突破传统蜂窝体制的限制，以获取更高的频谱效率和更大的系统容量是很有必要的。
　　随着小区半径的不断缩小，一种直观的想法是简化基站的结构和功能，使之成为无线信号的收发装置和进行信号预处理的“无线信号处理单元”。现有的研究表明，分布式天线（Distributed Antennas）是移动无线通信中可以采用的天线子系统形式之一。在采用分布式天线的移动通信系统中，每个小区范围内有多个相距远大于载波波长、仅具有功放、LNA和变频、信号预处理等简化功能的无线信号处理单元。这些无线信号处理单元只需完成信号的收、发功能和进行简单的信号预处理，并通过光纤、同轴电缆或微波无线信道与核心处理单元（如基站）连接，在核心处理单元完成信号处理功能。
　　最简单的实现方案是每个小区在所有的无线信号处理单元上同时发射相同的下行链路信号，上行链路信号被小区内所有的无线信号处理单元接收并传送到中心处理单元。传统的蜂窝移动通信系统采用的单一天线可看作是分布式天线的一种极限情况。这种实现方案虽然简单，但是造成系统中的干扰增加，不利于系统容量的提高。
　　另一种方案是突破蜂窝小区的概念，在整个业务区域内用大量的无线信号处理单元来完成无线覆盖的分布式天线结构。仅与移动台相近的信号处理单元负责与移动台进行通信，这称为受控天线子系统。这种方案较为理想，但实现复杂度较高。
　　在采用RAKE接收机和空时域信号处理技术的CDMA无线接入通信系统中，分布式天线系统是很理想的天线子系统方案。当前的分布式天线系统应用研究主要是针对码分多址移动通信系统的。分布式天线既可以实现室内无线覆盖，又可以在室外移动无线通信系统中采用。与传统的单一天线相比，分布式天线具有如下优点：
　　●小区间干扰低，因而SIR高，系统容量大；
　　●内在的分集能力可以抗阴影效应，抗衰落，提高系统容量；
　　●切换性能全面提高，接收信号功率更高，切换次数降低；
　　●对其他通信系统的干扰小；
　　●在相同发射功率下覆盖的区域更大；
　　●在相同覆盖区域情况下，发射功率更低；
　　●实现任意形状的无线业务服务区更方便；
　　●信号在核心处理单元集中处理有利于无线资源的利用等。
二、分布式移动通信系统的体系结构
　　分布式移动通信系统由以下几个部分组成：
　　（1）无线信号处理单元 用于处理空中信号的接收和发射，并进行信号的预处理。
　　（2）“虚拟小区”中央控制器 作为“虚拟小区”的核心处理器，用于处理“虚拟小区”中的空中资源管理等。
　　（3）移动交换中心和其它核心网络设备 用于管理和控制虚拟小区的中央控制器，负责网络管理和用户管理等。
　　在分布式移动通信系统的各组成部分中，无线信号处理单元仅用于进行分布式接入和接收信号的预处理。这是因为在分布式移动通信系统中，无线信号处理单元之间的距离远大于载波波长，并且移动台距离无线信号处理单元的远近各不相同，移动台可能需要同时与数个无线信号处理单元通信。这种情况与3G中的发分集技术，以及智能天线技术所面临的通信环境均不相同，系统的多址方式和系统同步等成为需要解决的首要问题。考虑到移动台到无线信号处理单元的距离比较近，信号传播的时延差别比较小，由信号传播时延不同引起的同步问题可以通过信号设计、新的传输技术，以及空时分集接收等技术加以解决。
　　因此，对于分布式移动通信系统，从单个移动台的角度观察，类似于收发分集系统的信号。同时，可以采用2D RAKE接收机来处理空间分集信号，提高接收机的输出信噪比。从反向链路看，为了抑制干扰，提高系统容量，无线信号处理单元需要包括多用户检测和处理功能，以保证具有同时与多个用户通信的能力。即从网络看，各个无线信号处理单元具有相对独立的信号处理能力，从而构成分布式处理网络。这可以看成“分布式移动通信系统”中“分布式”更深一层的含义。
三、分布式移动通信系统中的关键技术
　　分布式接入和分布式信号处理是提高新一代移动通信系统容量和频谱效率的途径之一，但也是难点。分布式移动通信系统中的关键技术包括以下几种。
　　1.发分集与收分集技术
　　分布式移动通信系统与收、发分集技术密切相关。但是需要注意的是，分布式移动通信系统中发分集和收分集技术与传统意义上的收、发分集技术有明显的区别。
　　对前向链路，发分集可以获得空间分集增益，改善接收信号的质量。在传统的蜂窝移动通信系统中，假设各个发天线到移动台的距离近似相等，只需要调整不同发天线的信号相位就可以实现接收信号的同步。而对于分布式移动通信系统而言，不同的无线信号处理单元与移动台之间距离近似相等的条件不再满足。但是，由于分布式移动通信系统中无线信号处理单元距离移动台的距离比传统蜂窝通信系统中基站到移动台的距离小得多，发射信号到达移动台的时间差并不大。因此，可以用路径分集的思路收集不同天线发射的信号。更进一步，还可以用多载波技术延长符号时间，来减小到达时间差对正确检测接收信号的影响。
　　对于反向链路，无线信号处理单元则需要具有空时多用户检测能力，来抑制干扰，提高接收信号的信噪比，降低检测门限。
　　因此，在分布式移动通信系统中，要综合采用各种分集接收方法。这样虽然增加了系统的复杂度，但可以获得分集增益，明显提高系统的容量和性能。
　　2.智能天线与空时二维信号处理技术
　　采用智能天线技术可极大地提高系统性能。在分布式移动通信系统中，研究智能天线和空时二维信号处理技术可减少和抑制干扰，对保证系统的正常工作具有重要意义。这也是分布式移动通信系统的主要特色之一，即充分利用空域资源来获得系统容量和频谱效率的提高。
　　目前用于上行接收的智能天线技术已经日趋成熟。在分布式移动通信系统中，可以考虑将智能天线技术应用于上、下行链路的接收端。这主要基于下面三个原因：
　　●随着可用频率资源的上移，载波波长越来越小。对于3G系统，半个载波波长在7.5cm左右。对新一代分布式移动通信系统，其载波波长会更小。因此，有条件在移动终端实现2到4个阵元的天线阵列。
　　●随着大规模集成电路技术的发展，集成芯片的处理能力不断增强，功耗不断下降，为实现智能天线算法提供了硬件基础。
　　●智能天线技术逐渐成熟。如线性自适应空域滤波算法已经具有较高的收敛速度和稳态性能，且线性自适应算法可以采用迭代方法实现，这为智能天线技术的实用化奠定了基础。
　　传统的智能天线技术是单空域处理技术，而RAKE接收机、多用户检测等技术则属于时域信号处理技术，二者之间存在一定的互补性。综合二者优点来设计空时二维接收机，可以明显提高系统性能。
　　3.空时编码技术
　　理论分析表明，在WCDMA中，发分集与空时编码技术的结合可以有效地提高前向链路容量。而且在分布式移动通信系统中，前向信号的发射方式和3G系统中的发分集很相似，可以考虑与空时编码技术结合。
　　近年来的空时编码研究主要集中在分组空时编码和格状空时编码。其中格状空时编码具有较高的分集增益和编码增益，但其译码复杂性随着状态数和编码速率的增加呈指数增长。而分组空时编码采用正交设计，在接收端通过简单的线性处理即可实现最大似然译码，在3G中的WCDMA系统中，空时码仅在开环发分集的情况下使用，是Alamouti提出的简单发送分集方案，属于分组空时码中最简单的一种。
　　空时码技术还在不断的发展变化中，值得跟踪研究，并根据条件适当应用在分布式移动系统中。
　　4.“虚拟小区”技术
　　为了继承原有蜂窝移动通信系统的优点，需要研究分布式移动通信系统中的“虚拟小区”技术。“虚拟小区”由多个无线信号处理单元构成。由于无线信号处理单元的放置很灵活，可以根据地形、环境等条件灵活配置，因此，可以有效解决无线覆盖的问题。
　　“虚拟小区”的核心是中央控制器，用于分配“虚拟小区”中的无线资源，协调无线信号处理单元的工作状态，并负责与邻近的“虚拟小区”中央控制器，以及移动交换中心通信。
　　当“虚拟小区”技术比较成熟时，要考虑小区边界的动态划分问题，以平衡网络负载。但是，这是一个较为复杂的问题，需要进一步深入研究。
四、结束语
　　由于分布式移动通信系统是一个全新的概念，从理论和工程上都面临着困难。还有如下问题需要解决。
　　1.系统结构、性能的理论分析和仿真
　　包括下面的关键技术问题：
　　●设计合理的网络体系结构，解决分布式接入方式下的双工方式、多址方式、系统同步、切换等问题；
　　●分布天线系统的理论分析，主要是分布式天线系统在衰落信道、多用户环境下的容量计算问题，以提供理论指导；
　　●分布式移动通信系统的系统结构与性能的定性和定量分析。
　　2.分布式接入中的移动切换算法
　　分布式移动通信系统的设计初衷是避免出现蜂窝过小导致频繁切换而浪费系统资源，并通过空时二维信号处理技术利用空间资源，提高系统的容量和频谱效率。
　　若分布式移动通信系统采用受控天线子系统，当用户在不同的无线信号处理单元中切换时，必须使切换准则和切换算法比原蜂窝系统中的切换简单有效，才能获得分布式接入系统的好处。系统的设计也是在这个基础上进行的。但是，好的检测切换算法仍是研究重点之一，算法的目标是减少网络参与，减少空中接口协议处理步骤，减少空中传输的控制信息，使切换算法简洁有效。由于分布式移动系统本身的特点为这种算法提供了比蜂窝系统更合理的机制，加上合理的系统设计，这种算法是能够实现的。
　　3.降低空时二维接收机的实现复杂度
　　寻求利于工程实现的空时二维自适应处理算法，同时要保证算法的性能可以满足要求。
　　4.利用智能天线进行双向通信的可行性
　　若能实现智能天线的发射波束成型，可以极大地减小系统中的多用户干扰和同道干扰。但是，由于FDD系统上下行信道不匹配，所以，接收信号中包含的信道信息不能用于发射波束成型。对TDD系统，则要求信道的变化速率远小于系统收发间隔，以保证信道特性的匹配。
　　若系统中的双工方式采用时分双工（TDD），便可降低双向智能天线技术实现的难度，对抑制干扰，提高系统容量和频谱效率有利，因此，初步考虑对于分布式接入系统采用TDD方式。
　　双向智能天线系统的实现是有待研究的问题。可以研究的内容包括信道估计和信道预测技术，以及DOA估计技术等。