(上海大唐移動(dòng)通信設(shè)備有限公司 200233)
摘要 文章對(duì)在未來無線通信領(lǐng)域有望得到重要應(yīng)用的新技術(shù)進(jìn)行描述,包括無線局域網(wǎng)、碼分多址、高頻譜效率(正交頻分復(fù)用、超工帶調(diào)制和空時(shí)處理)、自組網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)跨層優(yōu)化。這些技術(shù)和方法有許多優(yōu)越之處,同時(shí)有許多問題尚待解決。
關(guān)鍵詞 無線局域網(wǎng) 碼分多址 高頻譜效率 自組網(wǎng)絡(luò) 網(wǎng)絡(luò)跨層優(yōu)化
1 無線通信發(fā)展中的新技術(shù)
無線通信已成為通信產(chǎn)業(yè)的最大組成部分之一,有有發(fā)展前途。1990年時(shí),全世界只有1000萬蜂窩電話用戶,主要使用模擬技術(shù)的第一代移動(dòng)通信系統(tǒng);現(xiàn)在大約有7億用戶,主要使用數(shù)字技術(shù)的第二代移動(dòng)通信系統(tǒng);預(yù)計(jì)到2006年將超過20億移動(dòng)通信系統(tǒng)還在完善中,三代后技術(shù)已開始發(fā)展。
在過去十幾年中,最成功的技術(shù)是GSM和分多址(CDMA)。GSM系統(tǒng)支持國(guó)際漫游、短消息和網(wǎng)絡(luò)層互操作,是目前用戶最多的蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)。CDMA技術(shù)提高了無線頻譜效率,把手機(jī)的復(fù)雜性轉(zhuǎn)移到低成本的基帶信號(hào)處理電路中,在第二代中應(yīng)用于IS-95系統(tǒng);目前所有得到廣泛支持的第三代蜂窩移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)都使用CDMA技術(shù)(包括cdma2000、WCDMA和TD-SCDMA)。
在無線通信發(fā)展的過去十幾年中,有成功者,也有失敗者。Iridium系統(tǒng)試圖提供全球衛(wèi)星蜂窩無線通信,它是空間切換、天線波束賦形、功率節(jié)省技術(shù)、手機(jī)工程和網(wǎng)絡(luò)管理等技術(shù)突破的先導(dǎo)者;Metricom系統(tǒng)試圖在無執(zhí)照頻譜范圍內(nèi),用低功率設(shè)備組成大網(wǎng),使用互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議在城區(qū)提供永久在線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù),它是無線自組網(wǎng)絡(luò)的最初實(shí)例之一。在無線通信技術(shù)方面,這些失敗者都曾有創(chuàng)新和突破,但由于所倡導(dǎo)的業(yè)務(wù)和技術(shù)超前于所處時(shí)代,用戶發(fā)展緩慢,價(jià)格居高不下,導(dǎo)致以破產(chǎn)告終。
如同過去的十幾年一樣,在未來無線通信發(fā)展的過程中,仍會(huì)有成功者和失敗者,但無論如何開拓者都會(huì)為無線通信技術(shù)的創(chuàng)新和發(fā)展留下寶貴的財(cái)富或經(jīng)驗(yàn)。本文試圖對(duì)可能成為未來無線通信核心部分的技術(shù)作概括描述。
2 無線局域網(wǎng)技術(shù)
通過利用大樓或小區(qū)內(nèi)已有的有線以太網(wǎng)設(shè)施,廉價(jià)的無線局域網(wǎng)正在快速部署,與昂貴的3G蜂窩設(shè)備所許諾的速率相比,它為計(jì)算機(jī)提供的數(shù)據(jù)速率高出一個(gè)數(shù)量級(jí)以上。目前,IEEE 802.11b可提供11Mb/s速率,IEEE 802.11a/g的速率可達(dá)4Mb/s。若使用VoIP技術(shù),無線局域網(wǎng)可以不依賴蜂窩設(shè)施,在一個(gè)小區(qū)內(nèi)提供移動(dòng)語音服務(wù)。現(xiàn)在,已有人研究并推出把2.5G和3G蜂窩技術(shù)與無線局域網(wǎng)技術(shù)集成在一起的芯片和設(shè)備,以適應(yīng)不同的應(yīng)用場(chǎng)合。
3 碼分多址技術(shù)
CDMA通過讓不同用戶使用不同碼字共享相同的頻譜,它基于擴(kuò)頻技術(shù),對(duì)于非特定碼字用戶,擴(kuò)頻信號(hào)的特性就像噪聲一樣,這使它比TDMA技術(shù)優(yōu)越。CDMA允許蜂窩系統(tǒng)中的相鄰小區(qū)使用相間頻段,從而提高頻譜利用率。在第二代蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)IS-95中,CDMA取得較大成功,在第三代蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)中,CDMA成為主導(dǎo)多址接入技術(shù)。此外,CDMA技術(shù)還被許多運(yùn)行在無執(zhí)照頻段的消費(fèi)設(shè)備所采用(如無線局域網(wǎng)和無繩電話系統(tǒng))。正在興起的超寬帶技術(shù)也采用CDMA技術(shù)進(jìn)行多址接入。
4 高頻譜效率技術(shù)
在今后十年中,高速無線數(shù)據(jù)傳輸將最終實(shí)現(xiàn),其關(guān)鍵在于實(shí)現(xiàn)高頻譜效率。在物理層,有三種技術(shù)(正交頻分復(fù)用(OFDM)、超寬帶(UWB)和空時(shí)處理)將用于獲取高頻譜效率。
4.1 正交頻分復(fù)用
正交頻分復(fù)用是一種特殊形式的多載波傳輸,一個(gè)高速的數(shù)據(jù)流在多個(gè)低速子載波信道上傳輸。早在20世紀(jì)50年代,并行數(shù)據(jù)傳輸和OFDM的要領(lǐng)就已出現(xiàn),20世紀(jì)70年代發(fā)明了OFDM的離散傅立葉變換(DFT)實(shí)現(xiàn)方法,F(xiàn)在,由于超大規(guī)模集成電路(VLSI)的發(fā)展,高速、大尺寸的快速傅立葉芯片得以商用,OFDM已用于并將更多地用于商用高速寬帶無線通信系統(tǒng)。在過去的十幾年中,OFDM技術(shù)已用于ADSL(6Mb/s)、VDSL(100Mb/s)、數(shù)字音頻廣播(DAB)和數(shù)字視頻廣播(DVB)等領(lǐng)域,現(xiàn)在OFDM又被新的無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.11a/g等采納,以提供高達(dá)54Mb/s的數(shù)據(jù)速率。在新近的研究中,OFDM被認(rèn)為將成為第四代蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)的調(diào)制方式。
OFDM具有一些獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn),是高速寬帶無線通信引人注目的技術(shù)選項(xiàng):(1)由于高速數(shù)據(jù)分布在各低速率的子停產(chǎn)中傳輸,各子信道的符號(hào)間隔擴(kuò)大,使它對(duì)多徑衰落和符號(hào)間干擾具有很強(qiáng)的抵抗力,對(duì)于一個(gè)特定的時(shí)延擴(kuò)散,OFDM接收機(jī)的實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)比帶均衡器的單載波接收機(jī)簡(jiǎn)單;(2)通過自適應(yīng)調(diào)制,使各子載波上的功率分配與慢速變化的信道條件相匹配,OFDM可有效使用無線頻譜;(3)窄帶干擾只影響到一小部分子載波,因此OFDM對(duì)窄帶干擾有很強(qiáng)的抵抗力;(4)與其它寬帶接入技術(shù)不同,OFDM可運(yùn)行在不連續(xù)頻帶上。
盡管OFDM有上述優(yōu)點(diǎn),但在被現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)廣泛使用之前,還有一些障礙需要克服。與單載波調(diào)制相比,OFDM的缺點(diǎn)包括:(1)OFDM的蜂場(chǎng)均率比(PAPR)較大,會(huì)降低射頻放大器的效率,N個(gè)子載波形成的峰值功率可能會(huì)是平均功率的N倍,又由于互調(diào)畸變,帶外輻射會(huì)比較大;(2)多載波系統(tǒng)對(duì)頻率偏移和相位噪聲更敏感。頻率抖動(dòng)和多普勒移會(huì)引起載波間干擾(ICI),除非有適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償技術(shù),否則會(huì)降低系統(tǒng)性能。
現(xiàn)在很多研究著眼于克服上述障礙。由于可在各子載波上采用自適應(yīng)調(diào)制和功率負(fù)載,對(duì)于未來寬帶無線網(wǎng)絡(luò)來說,OFDM仍是一個(gè)優(yōu)選的調(diào)制方式。在OFDM系統(tǒng)中,通過配合使用軟件無線電技術(shù)和智能天線技術(shù),性能上有望得到很大改善。
4.2 超寬帶
超寬帶調(diào)制使用基帶脈沖成型,上升和下降時(shí)間極快,在次納秒范圍內(nèi)。這樣的脈沖生成一個(gè)真正的寬帶頻譜,范圍在近零頻到幾GHz之間,不需要常規(guī)窄帶調(diào)制所需的射頻上變頻。在19世紀(jì)Holmholtz的菱中就有UWB的概念,當(dāng)時(shí)曾引起爭(zhēng)議。
UWB亦稱脈沖無線電,可使用極便宜的寬帶發(fā)射器件,發(fā)展機(jī)的脈沖波形直接送到天線,因此不需要上變頻。通過調(diào)整超短時(shí)脈沖(單脈沖)的獨(dú)特形狀,并調(diào)整天線單元對(duì)脈沖的負(fù)載特性進(jìn)行頻譜成形。單脈沖的峰值到峰值時(shí)間一般在十皮秒或百皮秒數(shù)量級(jí),這是決定發(fā)射頻譜的關(guān)鍵。
UWB信號(hào)的功率譜密度很低,可以在整個(gè)頻譜上與其它射頻器件同時(shí)使用。由于UWB的帶寬極大,允許極高的信號(hào)速率,可用于下一代無線局域網(wǎng)。另外,可以發(fā)射很多單脈沖來組成一個(gè)信號(hào)比特,從而提供編碼增益和碼分集。已作過用UWB在大樓內(nèi)提供超過大型00Mb/s可靠數(shù)據(jù)速率的演示。
4.3 空時(shí)處理
當(dāng)載波頻率越高,波長(zhǎng)超短,就有可能讓移動(dòng)終端使用多個(gè)天線?諘r(shí)處理技術(shù)和多輸入多輸出(MIMO)天線結(jié)構(gòu)使用很接近的天線和差錯(cuò)控制碼,同時(shí)采用小尺度的時(shí)間和空間分集,有望極大提高頻譜效率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,提高M(jìn)IMO結(jié)構(gòu)中的發(fā)射天線和接收天線數(shù)目可提高數(shù)據(jù)速率。在一個(gè)獨(dú)立的Rayleigh散射環(huán)境中,理論數(shù)據(jù)速率隨天線數(shù)目的增加而線性增加,數(shù)據(jù)速率接近最大Shannon容量限的90%。與當(dāng)今無線局域網(wǎng)和蜂窩電話系統(tǒng)中所用的調(diào)制和編碼技術(shù)相比,新空時(shí)方法的頻譜效率可高一個(gè)數(shù)量級(jí)。舉例證明:在室內(nèi)環(huán)境中,朗訊公司的V-BLAST實(shí)驗(yàn)室原型系統(tǒng)在平均信噪比24-34dB時(shí),頻譜效率為20-40b/s/Hz,如果發(fā)射機(jī)和接收機(jī)都使用16根天線,在信噪比為30dB時(shí),容量可達(dá)60-70b/s/Hz。
空時(shí)技術(shù)可用于蜂窩網(wǎng),也可用于自組網(wǎng)。例如,在鄉(xiāng)村地區(qū)使用智能天線,可在一個(gè)更大的地理區(qū)域內(nèi)提高通信距離,降低蜂窩系統(tǒng)的設(shè)備支出;在自組網(wǎng)中,智能天線可通過天線的方向性來掏同信道和鄰信道干擾,從而提高網(wǎng)絡(luò)容量。
5 自組網(wǎng)絡(luò)
除了獲取高速數(shù)據(jù)速率的物理層技術(shù)之外,未來無線網(wǎng)絡(luò)的另一特點(diǎn)是能適應(yīng)無固定結(jié)構(gòu)而存在,因此自組網(wǎng)絡(luò)是未來系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。自組網(wǎng)絡(luò)由一群移動(dòng)節(jié)點(diǎn)合作參與,允許在無中心設(shè)施支持的情況下建立無所不在的通信。網(wǎng)絡(luò)鏈路是動(dòng)態(tài)的,當(dāng)節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中移動(dòng)時(shí),鏈路會(huì)斷開變化。
過去,自組網(wǎng)絡(luò)被認(rèn)為是適用于戰(zhàn)爭(zhēng)和災(zāi)害地區(qū)的通信結(jié)構(gòu),在那里,無中心的自組網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在操作上有優(yōu)勢(shì),甚至是必須的,F(xiàn)在,當(dāng)新的無線技術(shù)(如藍(lán)牙技術(shù))出現(xiàn)后,便攜設(shè)備(如筆記本電腦、蜂窩電話、PDA和MP3等)之間需要交互,自組網(wǎng)絡(luò)將在商業(yè)領(lǐng)域發(fā)展超來。
當(dāng)今天的蜂窩系統(tǒng)仍依賴于中心控制和管理時(shí),下一代移動(dòng)無線系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)正在向自組運(yùn)行方向努力。例如,HiperLAN/2的直接操作模式可讓相領(lǐng)的終端直接通信;藍(lán)牙、IEEE802.11自組模式和IEEE802.15個(gè)人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)(PAN)支持完全的無中心無線接入和路由技術(shù)。
自組網(wǎng)絡(luò)沒有預(yù)先規(guī)定好結(jié)構(gòu),網(wǎng)絡(luò)鏈路具有臨時(shí)性,為分組無線結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)提出幾項(xiàng)基本技術(shù)的挑戰(zhàn):(1)必須設(shè)計(jì)并優(yōu)化安全和路由功能,以便它們?cè)诜植辑h(huán)境下有效運(yùn)行;(2)在保證維持動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲羞B接性的同時(shí)盡量減少開銷,需要降低路由表信息更新的頻率;(3)采用適當(dāng)?shù)穆酚蓞f(xié)議設(shè)計(jì),在一個(gè)多跳網(wǎng)絡(luò)中,使鏈路容量和時(shí)延波動(dòng)保持最小;(4)網(wǎng)絡(luò)連接性(覆蓋)、時(shí)延要求、網(wǎng)絡(luò)容量與功率預(yù)算之間需要有可接受的折中;(5)通過采用適當(dāng)?shù)墓β使芾矸桨负蛢?yōu)化的媒體接入控制(MAC)設(shè)計(jì),使來自外部的干擾最小化。
6 網(wǎng)絡(luò)跨層優(yōu)化
在過去的通信系統(tǒng)中,分層的開放系統(tǒng)互連(OSI)設(shè)計(jì)方法應(yīng)用得很好,但演進(jìn)的無線網(wǎng)絡(luò)正在挑戰(zhàn)這種設(shè)計(jì)哲學(xué)。正在出現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)必須支持各式各樣不斷變化的業(yè)務(wù)類型及其服務(wù)質(zhì)量(QoS)要求,并支持網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化。
在設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)時(shí),為了應(yīng)對(duì)無線接入的挑戰(zhàn),各網(wǎng)絡(luò)功能(即OSI的各層)必須統(tǒng)一考慮。各種應(yīng)用的QoS需求變化,要求網(wǎng)絡(luò)層在優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)輸出時(shí)考慮物理層設(shè)計(jì)。另外,不同的應(yīng)用可以從不同的優(yōu)化中得到更多好處,導(dǎo)致了模糊層間界限的設(shè)計(jì)方案,它試圖跨過層間功能進(jìn)行優(yōu)化。
真正的優(yōu)化不僅要求跨層設(shè)計(jì),還要求有跨層適應(yīng)性。傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)具有一定的適應(yīng)能力,例如許多通信系統(tǒng)使用信號(hào)處理方法來適應(yīng)信道環(huán)境的變化,通過調(diào)整路由表來適應(yīng)業(yè)務(wù)負(fù)載的變化。然而,這樣的調(diào)整是隔絕在特定層中的?鐚舆m應(yīng)性將允許所有網(wǎng)絡(luò)功能在不同功能之間傳送信息并適應(yīng),以便滿足QoS需求變化、網(wǎng)絡(luò)負(fù)載變化和信道條件變化的要求?鐚泳W(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)要求網(wǎng)絡(luò)各層的靜態(tài)優(yōu)化,而適應(yīng)性要求跨層動(dòng)態(tài)優(yōu)化。
網(wǎng)絡(luò)跨層優(yōu)化有待解決的問題:(1)全網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)和優(yōu)化極其復(fù)雜,特別是試圖實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)優(yōu)化時(shí);(2)優(yōu)化時(shí)使用的尺度。網(wǎng)絡(luò)各層(功能)傳統(tǒng)上有各自隔離的優(yōu)化準(zhǔn)則,例如物理層的設(shè)計(jì)基本上集中在減小誤比特率,MAC層的設(shè)計(jì)在于節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)通過速率或信道的有效性,網(wǎng)絡(luò)層的設(shè)計(jì)要求時(shí)延或路由效率。用什么尺度能代表所有這些要求?如何把這些要求一起優(yōu)化,或者給它們排出優(yōu)先級(jí)?
動(dòng)態(tài)優(yōu)化的相關(guān)問題是,在動(dòng)態(tài)優(yōu)化時(shí),信息在網(wǎng)絡(luò)層間傳遞,設(shè)計(jì)者必須選擇要傳遞的信息,它不能太復(fù)雜,以致產(chǎn)生很大時(shí)延或大量?jī)?yōu)化過程的計(jì)算,但也不能太簡(jiǎn)單,以致傳遞的信息太少。因此這類系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要復(fù)雜的建模(仿真)過程。動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的最后一個(gè)問題是網(wǎng)絡(luò)控制,當(dāng)允許適應(yīng)跨層功能時(shí),重要的是需要控制這個(gè)過程,問題是由誰來控制。
未來無線通信要求提供更豐富的業(yè)務(wù)和體驗(yàn),需要有更高的速率、更好的服務(wù)質(zhì)量、更自由的連接,這就要求專業(yè)人士研究開發(fā)出更多更好的新技術(shù)來支持這些需求,包括物理層高速數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。
摘自 電信快報(bào)(2003年第4期)