新一代移动通信系统及无线传输关键技术

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1、引言

随着科学技术的发展和社会的进步,移动通信技术正在经历着日新月异的变化。当人们还在研究和部署第三代移动通信系统的同时,为了适应将来通信的要求,国际通信界已经开始着手研究新一代的移动通信系统。目前,对于新一代的移动系统还无法精确定义,但这种新一代移动通信系统在概念和技术上与4G系统和Beyond 3G系统大致相同,因此本文所讨论的这种通信系统就是基于4G和Beyond 3G的新一代移动通信系统。

2、新一代移动通信系统的特点

新一代移动通信系统既是在已有通信系统上的平滑演进,也有着自己的显著特点,这些特点主要有:

(1)新一代通信系统支持更高速率的通信,比特速率可达100Mb/s。这样才能更好的适应用户对宽带业务的需求。

(2)新一代通信系统支持更丰富的移动业务,与Internet的结合更加密切,不仅包括现有的语音业务,而且还包括高清晰度图像业务、网上银行、无线定位和虚拟现实业务等,使用户在任何时间、任何地方都可以获得任何所需的信息服务。这也是未来移动通信业务的发展方向。

(3)新一代移动通信系统具有开放的结构,将更充分的与无线局域网、蓝牙、Ad hoc、WiMAX和UWB网络相结合,同时可以更好的支持手机互助功能,实现可穿戴无线电。

(4)新的移动系统将是一个高度自治的自适应网络,能对其结构进行自适应管理,可采用分布式管理和多跳结构,从而满足用户在业务和容量上的变化和演进。

(5)为了满足对特定数据业务的要求,新一代移动通信系统将采用更先进的算法提高网络的安全性。

(6)新一代移动通信系统能够很好兼容以往的无线通信网络,使得现有的网络投资可以得到很好的使用,这也是新一代移动通信系统能够商用的重要保证。

3、新一代移动通信系统的频谱分配

由于新一代移动通信系统还处于探索和研究阶段,因此,对新一代移动通信系统的频谱分配还没有非常确切的划分。目前,随着GSM、PHS、CDMA、WCDMA、WLAN、卫星与微波通信等无线通信系统的运营,有效的频谱资源已经变得非常紧缺。对于3G系统而言,世界无线通信会议WRC-2000规定1900MHz~2025MHz和2110MHz~2200MHz频段分配给3G系统和卫星通信使用,将806 MHz~960MHz、1710MHz~1815MHz和2500MHz~2690MHz频段作为3G发展以后的备用频谱。而对于新一代移动通信系统而言,由于其融合了多种无线网络和移动通信系统,为了满足更高的通信速率、移动数据和视频业务的快速增长和便于全球漫游的目标,则需要更多的带宽。因而如何有效整合现有频谱资源,提供能够满足新一代移动通信系统要求的频段还需做进一步的研究工作。

4、新一代移动通信系统的无线通信网络构架

新一代移动通信系统是移动通信系统演进过程中的一个阶段和目标,它不仅采用新的无线传输技术提高通信系统的性能,而且与现有的各种有线与无线网络相融合;它不仅包含现有的移动蜂窝网络结构,而且在某些环境下也可以采用Ad hoc方式进行组网,或者采用两种结构的组合形式,形成蜂窝网络下的两跳或多跳网络结构方式。一般而言,蜂窝网络是一种广覆盖的网络组网方式,它的目标是在有限的频率和功率资源前提下实现广域的无线覆盖。与蜂窝网络结构相比,Ad hoc移动网络结构形式更加灵活,它采用分布式管理技术,由一组自主的无线节点相互合作而形成移动通信网络,其中,无线节点既是一般意义上的移动终端,又可以作为无线中继和路由设备对其他用户的数据进行转发,因此具有动态搜索,快速建网和网络自恢复的能力,有着广泛的应用前景。鉴于Ad hoc在无线组网和下一代无线网络的重要地位,IETF(Internet Engineering Task Force)已经成立了MANET工作组,进行Ad hoc网络的研究。此外,近几年来,随着UWB(超宽带)技术的发展和应用,无线网络中的节点在工作时可以发送出大量的非常短和快的能量脉冲,其发射信号功率谱密度较低,非常适合作为新一代移动通信系统中个域网络的实现技术。

随着基于控制与承载相分离思想的软交换技术的不断发展与成熟,以及基于交换与业务控制相分离的可以快速实现各种增值业务的智能网技术的广泛应用,它们在新一代移动通信系统中将发挥更大的作用。此外,随着IP技术的广泛应用,业界广泛认为基于新一代移动通信的通信网络结构发展趋势是以IP网络为核心,其框架结构可以由图1表示,这里各个系统采用基于IP的分组方式传送数据流,体现了下一代网络以IP为核心互联的网络结构。同时,伴随网络容量和用户的快速发展,IPv6技术将成为下一代网络的核心协议。



                                                    图1 新一代移动通信系统的网络构架及其接入方式

从新一代移动通信系统无线接入网络的覆盖范围和实现技术来看,业界普遍认为基于新一代移动通信系统的未来无线网络将主要由三个层面的网络来实现:无线个域网、无线局域网和基于蜂窝结构的移动通信网。由此可以看出新一代移动通信系统的无线侧将是一个不同无线接入网络的异构融合体,这些系统在同层之间可以实现水平切换,在不同层之间进行垂直切换以实现网络间的互联互通,其中无线个域网络主要应用于个人和家庭范围内进行短距离无线通信,现在的无绳电话系统和未来即将出现的可穿戴无线系统就是典型的应用;无线局域网是指基于IEEE802.11等国际标准的无线网络,其覆盖范围和容量都比个域网大;基于蜂窝结构的移动通信网则是指包含现有2G、即将部署的3G以及将来出现的各种蜂窝移动网络系统(包含目前已成为3G标准之一的WiMAX网络),这些系统是可以实现跨地区漫游和移动性管理的广域通信网络。从用户或者无线终端的角度来看,在部分地区,无线终端可能只由一个网络覆盖,这时,终端设备毫无选择的接入这个系统;而在很多地方,无线终端可能由多个层次的网络共同覆盖,这时终端不仅可以根据用户对业务、网络负荷和QoS的要求选择最优的网络接入,而且可以随着无线信道的变化和用户的移动,在特定的网络层次内进行有效的水平切换和在不同网络层次之间进行无缝的垂直切换,由此可见新的移动通信系统可以实现系统、业务和覆盖等多方面的无缝性,是一种真正意义上的无缝通信网。当然,为了能够实现这样理想的网络性能,也对手机终端的处理能力提出了很高的要求,而这又与电子器件工艺及其处理速度和能力有直接的联系,所以从某种意义上说新一代移动通信系统的实现是需要整个通信电子领域全方位技术发展的支撑。

5、新一代移动通信系统的无线传输技术

在移动通信系统中,由于大量无线信道的不可预测性,以及新一代移动通信系统中不同业务和不同用户之间的不均匀的业务量,移动节点移动所引起的网络结构变化、对宽带高速率通信的要求和不同异构网络之间的无缝互联等对新一代移动系统提出了很高的要求。因此为了实现新一代移动通信系统的要求,需要采用更为先进的无线传输技术。

(1)OFDM技术

OFDM是一种多载波调制技术,其核心思想是将信道分成若干正交子信道,将高速数据信号转换成并行的低速数据流,调制在每个子信道上进行传输。这种调制传输技术的优点在于:一方面可以提高信号的传输速率,另一方面又可以减少无线信道所带来的符号间干扰(ISI);同时,由于每个子载波都保持正交,所以也避免了子信道之间的相互干扰(ICI)。

但是作为一种多载波传输系统,OFDM对频率偏差影响较为敏感,且存在较高的峰值平均功率比,目前这是业界重点需要解决的问题。

(2)软件无线电技术

软件无线电是目前学术界和产业界关注的热点之一,它的基本思想是在可编程控制的通用硬件平台上,利用软件来定义和实现无线电台的各模块功能。具体来说就是将A/D、D/A变换尽量靠近射频前端,应用宽带天线或多频段天线,将整个RF段或中频段进行A/D变换,这之后的处理均由通用处理器或DSP器件完成。因此软件无线电技术具有设计灵活、结构开放的特点,它可以使处于不同频段、不同网络和不同业务下的移动终端进行灵活的网络与业务选择,有效实现网络重选、智能频谱分配和水平与垂直切换,实现真正意义上的个人移动通信。目前,在有效实现软件无线电中多频段转换、高速并行DSP处理和高开放性与扩展性的总线结构等设计的同时,如何进一步降低基于软件无线电的设备功耗、体积和成本也是其能否走向实用化和商用化的关键因素。

(3)智能天线

智能天线是未来移动通信的关键技术之一。它具有自动跟踪目标信号,抑制无用干扰信号的智能功能。通过它的使用可以增加系统容量和增加覆盖范围,并有效节省无线设备的发送功率,因此被业界普遍认为是提高移动通信系统性能的关键技术之一。
智能天线主要由两部分实现:天线阵列和自适应算法。其中天线阵列是多个天线阵元组成的一个无线信号发送(接收)装置,通过对不同阵元上的发送(接收)信号进行空时处理,可以使有效信号方向上产生的增益得到加强而在干扰信号方向上产生“陷点”;自适应算法是智能天线的核心,在不同波束形成准则(如最小均方误差准则、最小二乘准则和最小方差准则等)约束下的自适应算法可以动态地跟踪有用信号,从而有效实现天线的智能性。

目前,如何减小智能天线自适应算法的实现复杂度,提高智能天线用户跟踪的数量和系统容量是其研究的重点。

(4)信道编码技术

信道编码技术是移动通信系统抗多径衰落的重要方法。在3G通信系统中,采用了卷积码和Turbo码等信道编码技术。新一代移动通信系统将在此基础上采用更高级的信道编码方案,这些编码如基于Turbo码的改进编译码算法和LDPC等,它们都是具有接近香农限的好码,能在较低的Eb/No下保证足够的解码性能。其中LDPC码由于其解码较为简单而受到业界的广泛关注。

(5)信源编码技术

移动通信系统中信源编码包含语音编码和图像编码。对于语音编码而言,3G移动通信系统采用AMR编码方法,新一代移动通信系统为了提高系统容量也会采用基于波形和参数编码的混合编码方法,随着参数编码技术的提高,也不能排除采用纯参数编码的声码器来实现语音编码的可能。

随着基于视频的数据业务在移动通信系统中的应用,图像和视频编码技术在新一代移动通信系统中的作用尤为重要。目前,H.263、MPEG4和H.264等编码技术都是实现低码率压缩编码的重要标准。此外,在移动通信的多径衰落环境下,研究具有较好的抗衰落效应的误码掩盖技术也是视频编码的研究方向。

(6)MIMO技术

MIMO(多输入多输出)技术是最近几年引起广泛研究和关注的无线传输技术,该技术利用发送端和接收端的多天线来抗无线信道衰落,从而有效提高无线系统的容量,其本质是一种基于空域和时域联合分集的通信信号处理方法。理论和计算机仿真表明基于MIMO的无线系统信道容量随着天线数量的增大而线性增大,因此具有广泛的应用价值。目前MIMO技术领域的一个研究热点就是空时编码。常见的编码方法主要有空时分组码、空时格码和BLAST码。

(7)自适应无线传输技术

实现通信网络的智能性是通信技术发展的不断追求目标,其中自适应技术就是系统智能性的一种体现。所谓自适应无线传输技术,是指移动通信设备能够根据无线网络的不同情况选取不同的传输方式来获得最佳的无线传输效果。在基于新一代的移动通信系统中,这种自适应无线传输技术将得到广泛的采用。其中信源信道联合编码技术、OFDM子载波自适应调制技术就是自适应技术的很好体现。

(8)迭代接收技术

可靠性是通信的基本要求,而迭代技术可以极大的提高接收系统的可靠性。迭代接收是指在接收端通过多次循环迭代使得接收机的检测和解码性能达到最佳。一般而言,前一次迭代的结果总是作为本次迭代的部分输入,而且迭代次数越多,接收机的解码性能越好,但系统复杂度也相应增加,因此在实际实现时要在性能和复杂度之间进行折衷。迭代技术从Turbo码的迭代译码技术发展而来,目前得到了更为广泛的应用。目前,Turbo迭代信道估计和解码、波束形成和解码的联合迭代接收、面向MIMO的迭代接收技术都是迭代接收技术具体应用的体现。随着硬件器件和数字信号处理技术的飞速发展,这些迭代技术将会在后几代通信技术中得到广泛应用。

(9)智能频谱分配技术

随着移动和无线通信系统的发展,无线频谱资源日益成为这些系统的发展瓶颈。无线频谱资源的有效利用,既可以提高移动通信系统的通信质量,又可以有效提高通信系统的容量,基于频谱自适应检测的智能频谱分配技术是实现这些优势的有效方法。首先,在未来多个无线通信系统共存的情况下,移动终端可以通过频谱检测自动接入到空闲的无线通信系统,使不同系统间实现有效的负荷均衡和QoS保证;其次,通过智能频谱分配技术,移动终端和接入设备之间可以动态选择信道,进而提高无线通信系统的通信质量。目前,基于智能频谱分配技术的主要研究领域有基于频谱感知的MAC层接入技术和基于频谱感知的多网络资源管理等。

6、小结

新一代移动通信系统在目前还只是一个概念和轮廓,本文结合业界的发展趋势,在相关技术文献报道的基础上综合阐述了对新一代移动通信系统的认识和理解。随着技术与市场的发展和驱动,关于新的移动通信系统的概念和标准将会越来越清晰。同时,作为实现新一代移动通信系统的关键技术也将会逐渐成熟,最终实现不同移动和无线网络的有效融合,达到理想个人通信的美好蓝图。

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