移動(dòng)通信新技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

2019-11-03 09:16:13

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供稿：網(wǎng)友

談?wù)褫x

　　談?wù)褫x，教授、博士生導(dǎo)師，現(xiàn)任北方交通大學(xué)校長(zhǎng)，1967年、1981年分獲北方交通大學(xué)通控系學(xué)士、碩士學(xué)位，1987年獲東南大學(xué)博士學(xué)位。1991－1993年到比利時(shí)和加拿大作高級(jí)訪問(wèn)學(xué)者。發(fā)表學(xué)術(shù)論文一百多篇。被評(píng)為“鐵道部有突出貢獻(xiàn)技術(shù)專家”，獲得“茅以生鐵道科技獎(jiǎng)”。專業(yè)方向?yàn)橥ㄐ排c信息系統(tǒng)，現(xiàn)從事移動(dòng)通信、寬帶通信、個(gè)人通信的研究。

成功的范例和失敗的探索

　　在移動(dòng)通信產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的20世紀(jì)，移動(dòng)通信發(fā)展的主要驅(qū)動(dòng)力來(lái)自隨機(jī)接入數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的需求和Internet計(jì)算技術(shù)。移動(dòng)通信技術(shù)成功轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力的成功范例是：

　　1. GSM：1988年歐洲把GSM作為泛歐數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)，美國(guó)蜂窩移動(dòng)通信工業(yè)選擇TDMA IS-136標(biāo)準(zhǔn)作為模擬AMPS標(biāo)準(zhǔn)的換代，日本確定2G數(shù)字TDMA標(biāo)準(zhǔn)PDC (Pacific Digital Cellular)。GSM全球計(jì)費(fèi)，短消息業(yè)務(wù)和網(wǎng)絡(luò)層互操作的先進(jìn)性，使GSM在全球無(wú)線通信市場(chǎng)上占據(jù)了主導(dǎo)地位。

　　2. CDMA: 1990年Qualcomm公司首先把碼分多址 (CDMA) 引入到蜂窩移動(dòng)通信，美國(guó)蜂窩移動(dòng)通信工業(yè)把CDMA作為數(shù)字移動(dòng)通信IS-95標(biāo)準(zhǔn)。CDMA能提供額外的信道容量，基帶信號(hào)處理能降低移動(dòng)終端的復(fù)雜性。除了EDGE外，所有向3G演進(jìn)的移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)都采用圖1示意的CDMA若干組合形式。美國(guó)和日本確定以3G以WCDMA取代IS-136和PDC標(biāo)準(zhǔn)。

　　在移動(dòng)通信產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展期間也有因各種原因而失敗的探索，它們是：

　　1. 銥系統(tǒng)： Iridium公司在空間蜂窩小區(qū)移動(dòng)通信概念基礎(chǔ)上，研發(fā)基于衛(wèi)星的全球無(wú)線通信業(yè)務(wù)的銥系統(tǒng)。由于中軌道衛(wèi)星和地面站設(shè)施昂貴的投資，用戶難以承擔(dān)每分鐘3美元的全球漫游業(yè)務(wù)費(fèi)，最終宣告銥系統(tǒng)失敗。但是，其基于空間的越區(qū)切換，點(diǎn)波束天線，功率增效工程和網(wǎng)絡(luò)管理等有原創(chuàng)新意。

　　2. 基于跳飛分組的無(wú)線數(shù)據(jù)：Metricom公司利用ip技術(shù)，采用低功率設(shè)備在非許可頻譜ISM上，給移動(dòng)用戶提供Internet接入和峰值為64-128 kb/s基于跳飛（Ricochet）分組的無(wú)線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。跳飛分組基礎(chǔ)設(shè)施安裝在建筑物，燈柱和廣播塔上，給移動(dòng)個(gè)人計(jì)算機(jī)用戶提供高質(zhì)數(shù)據(jù)接入和Internet業(yè)務(wù)。該思想的成功范例是基于分組數(shù)據(jù)接入的Ad hot無(wú)線網(wǎng)。然而，2001年因Metricom公司的投資受到2.5G GPRS的沖擊而中斷研發(fā)。影響移動(dòng)通信發(fā)展的核心技術(shù)

　　1. WLAN

　　WLAN能在非許可頻譜上為建筑物內(nèi)的本地網(wǎng)提供業(yè)務(wù)，低成本無(wú)線LAN設(shè)備利用建筑物內(nèi)和校園內(nèi)Ethernet設(shè)施，開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)速率超過(guò)3G的WLAN移動(dòng)計(jì)算接入業(yè)務(wù)，移動(dòng)接入Internet網(wǎng)和提供具有話音業(yè)務(wù)質(zhì)量的無(wú)線業(yè)務(wù)。隨著VoIP技術(shù)的改進(jìn)，無(wú)需蜂窩通信基礎(chǔ)設(shè)施支持，無(wú)線競(jìng)爭(zhēng)本地交換載頻 (W -CLCE - Wireless Competitive Local Exchange Carrier) 和無(wú)線互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)提供 (W-ISP - Wireless Internet Service Provider) 可能是未來(lái)成功的途徑。

　　在建筑物內(nèi)提供寬帶數(shù)據(jù)接入和含有Web無(wú)線設(shè)備的Internet業(yè)務(wù)已成為無(wú)線移動(dòng)通信的尖端技術(shù)之一，目前，許多公司正在尋找WLAN融合2.5G和3G的途徑，把室內(nèi)各種終端組合在一起，構(gòu)建蜂窩覆蓋和容量分布系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)新一代蜂窩移動(dòng)電話。

　　2. CDMA

　　CDMA因抗干擾，低截獲概率和固有抗多徑能力從軍事轉(zhuǎn)移至商業(yè)應(yīng)用。CDMA準(zhǔn)許多用戶以相互有別的碼共享同一頻譜，在基帶接收端處理分離所需信息，非所需信息被接收端視為噪聲。類似噪聲的擴(kuò)頻信號(hào)使CDMA比TDMA具有若干優(yōu)點(diǎn)，如CDMA分離業(yè)務(wù)提供和網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)時(shí)，CDMA的互信道用戶干擾呈現(xiàn)最溫和的加性白噪聲形式，使系統(tǒng)設(shè)計(jì)可基于干擾平均處理來(lái)簡(jiǎn)化；允許周圍發(fā)射機(jī)使用相同載頻提高頻譜利用率；應(yīng)用話音激活和頻率復(fù)用可有效地進(jìn)行多用戶統(tǒng)計(jì)復(fù)用和軟切換；提供大規(guī)模分集增益。

　　CDMA被普遍認(rèn)為下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)多址接入的基本方案，在3G標(biāo)準(zhǔn)，非許可頻譜上WLAN和超寬帶 (UWB - Ultra Wide Band) 中占據(jù)主導(dǎo)地位。目前，對(duì)CDMA仍有兩種觀點(diǎn)，一種是CDMA是革命性技術(shù)，可提高幾個(gè)數(shù)量級(jí)的系統(tǒng)容量，另一種是因CDMA復(fù)雜而無(wú)生命力，采用原始擴(kuò)頻方案即高數(shù)據(jù)率和低功率譜的UWB 。

　　下行異步傳輸鏈路是CDMA移動(dòng)通信系統(tǒng)容量的瓶頸，每個(gè)移動(dòng)用戶應(yīng)通過(guò)上行鏈路的功率控制使基站接收的移動(dòng)用戶信號(hào)能量基本相當(dāng)，而來(lái)自基站通過(guò)下行鏈路抵達(dá)所需移動(dòng)用戶的信號(hào)，又難以服從對(duì)其它用戶應(yīng)呈現(xiàn)加性白噪聲的約束。3G CDMA系統(tǒng)應(yīng)該采用快速功率控制，發(fā)射分集和接收分集來(lái)解決這一矛盾。

　　在對(duì)稱頻譜下，解決高速率分組數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆桨甘荂DMA 2000 1XEV-DO或CDMA HDR。但是，CDMA HDR面臨著挑戰(zhàn)：

　　* CDMA HDR屬于分組數(shù)據(jù)系統(tǒng)，只有無(wú)線VoIP (Voice over IP) 系統(tǒng)成熟，HDR才支持話音業(yè)務(wù)。目前，CDMA需要兩個(gè)獨(dú)立載體分別支持?jǐn)?shù)據(jù)和話音業(yè)務(wù)。

　　* CDMA HDR在分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)上比其它CDMA系統(tǒng)高效, 其上行鏈路與CDMA 2000差不多，下行鏈路的用戶工作為時(shí)分復(fù)用模式而不是碼分復(fù)用模式，當(dāng)下行鏈路擴(kuò)頻增益太低時(shí)，物理層的效率就會(huì)下降。解決CDMA HDR上述問(wèn)題的方法是：3GPP2把CDMA 2000演進(jìn)成1XEV-DV (Evolution - Data and Voice)后集成在一個(gè)載體上，而3GPP采取高速數(shù)據(jù)分組接入 (HSDPA - High Speed Data Packet access)。這兩種系統(tǒng)在下行鏈路上，以自適應(yīng)調(diào)制，混合ARQ和快速調(diào)度來(lái)改進(jìn)數(shù)據(jù)傳輸效率。

　　3. OFDM

　　60年代OFDM的多路數(shù)據(jù)傳輸已成功用于Kineplex和Kathryn高頻軍事通信系統(tǒng)。過(guò)去十多年，OFDM用于1.6 Mb/s高比特率數(shù)字用戶線 (HDSL)，6 Mb/s異步數(shù)字用戶線 (ADSL)，100 Mb/s甚高速用戶線 (VDSL)，數(shù)字音頻廣播和數(shù)字視頻廣播等。最近，OFDM應(yīng)用于5 GHz上提供54 Mb/s無(wú)線本地域網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn) （IEEE 802.11a和IEEE 802.11g），高性能本地域網(wǎng)絡(luò)（HIPERLAN / 2，ETSI - BRAN），還作為IEEE 802.16 MAN和集成業(yè)務(wù)數(shù)字廣播 (ISDB-T - Integrated Services Digital Broadcasting) 標(biāo)準(zhǔn)。編碼OFDM (COFDM—Coded OFDM) 被FCC接受為數(shù)字電視 (DTV - Digital Television) 陸地廣播標(biāo)準(zhǔn)。

　　應(yīng)用于無(wú)線分布系統(tǒng)的OFDM在相對(duì)窄的頻帶內(nèi)可提高頻譜利用率，提供多址接入和信號(hào)處理增益。擴(kuò)頻通信可認(rèn)為是單載頻傳輸，而OFDM是多載頻傳輸?shù)奶厥庑问剑琌FDM把高速串行數(shù)據(jù)流并行分配在多路低速子載頻上。目前，OFDM成為高速寬帶無(wú)線通信的必選方案的原因有： * 高速大規(guī)模FFT芯片的商業(yè)化，易于與軟件無(wú)線電，智能天線組合，OFDM實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜性比具有均衡器的單載頻系統(tǒng)要簡(jiǎn)單；

　　* 低速多路子載頻增加符號(hào)的持續(xù)時(shí)間，抗多徑衰落和符號(hào)間干擾具有魯棒性；

　　* 以可編程DSP在多路子載頻間靈活地采用自適應(yīng)調(diào)制和功率分配，有效按需分配帶寬 (Bandwidth on Demand) 提高RF頻譜利用率；

　　與單載頻調(diào)制制式相比，OFDM欲將成為4G寬帶多媒體無(wú)線移動(dòng)通信系統(tǒng)的調(diào)制制式，要解決峰均大功率比 (PAPR - Peak to Average Power Ratio) 降低RF放大器的效率和多載頻系統(tǒng)對(duì)頻率位移和相位噪聲敏感，收發(fā)雙方間的頻率抖動(dòng)和多普勒頻移引起的互載頻干擾 (ICI - Inter Carrier Interference)，降低系統(tǒng)性能問(wèn)題。

　　4. UWB

　　UWB也可稱為脈沖無(wú)線電，可追溯至19世紀(jì)。至今UWB還在爭(zhēng)論之中。UWB調(diào)制采用脈沖寬度在ns級(jí)的快速上升和下降脈沖，脈沖覆蓋的頻譜從直流至GHz，不需常規(guī)窄帶調(diào)制所需的RF頻率變換，脈沖成型后可直接送至天線發(fā)射。脈沖峰峰時(shí)間間隔在10 - 100 ps級(jí)。頻譜形狀可通過(guò)甚窄持續(xù)單脈沖形狀和天線負(fù)載特征來(lái)調(diào)整。UWB信號(hào)在時(shí)間軸上是稀疏分布的，其功率譜密度相當(dāng)?shù)停琑F可同時(shí)發(fā)射多個(gè)UWB信號(hào)。UWB信號(hào)類似于基帶信號(hào)，可采用OOK，對(duì)映脈沖鍵控，脈沖振幅調(diào)制或脈位調(diào)制。UWB不同于把基帶信號(hào)變換為無(wú)線射頻 (RF) 的常規(guī)無(wú)線系統(tǒng)，可視為在RF上基帶傳播方案，在建筑物內(nèi)能以極低頻譜密度達(dá)到100 Mb/s數(shù)據(jù)速率。

　　為進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)速率，UWB應(yīng)用超短基帶豐富的GHz級(jí)頻譜，采用安全信令方法 (Intriguing Signaling Method)。基于UWB的寬廣頻譜，F(xiàn)CC在2002年宣布UWB可用于精確測(cè)距，金屬探測(cè)，新一代WLAN和無(wú)線通信。為保護(hù)GPS，導(dǎo)航和軍事通信頻段，UWB限制在3.1 - 10.6 GHz和低于41 dB發(fā)射功率。

　　5. 空時(shí)處理

　　理論研究指出：在獨(dú)立Rayleigh 散射信道中，數(shù)據(jù)速率與天線數(shù)成線性關(guān)系，容量可達(dá)Shannon的90％。在發(fā)射和接收端以多天線開(kāi)發(fā)信道空間可取得能量和頻譜效率的增益，空時(shí)處理在頻譜利用率上比WLAN和蜂窩網(wǎng)中調(diào)制和編碼后的頻譜利用率可增長(zhǎng)一個(gè)數(shù)量級(jí)，如Lucent實(shí)驗(yàn)室的V-BLAST系統(tǒng)在室內(nèi)24－34 dB時(shí)，頻譜利用率為20－40 bps/Hz，而發(fā)射和接收端均采用16天線，在30 dB時(shí)，頻譜利用率增至60－70 bps/Hz。

　　目前，在許可頻段上已不能滿足無(wú)線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)增長(zhǎng)的需求，頻譜資源成為主要資本的投資方向，必須增加通信容量來(lái)回報(bào)其投資，空時(shí)處理增加通信容量的方案有：

　　* 以增加基站站數(shù)的代價(jià)把小區(qū)分隔成微小區(qū)；

　　* 利用天線開(kāi)發(fā)空時(shí)調(diào)制編碼處理；

　　* 多輸入輸出 (MIMO) 天線結(jié)構(gòu)。

　　后兩種方案相比第一種方案，可明顯地改進(jìn)頻譜利用率，提高系統(tǒng)容量和覆蓋面積。在多徑衰落信道中，從時(shí)域，頻域，空域和極化域獲得的信號(hào)復(fù)制品進(jìn)行分集是解決多徑衰落的有效技術(shù)。移動(dòng)通信的分集注重從移動(dòng)終端到基站上行鏈路的分集，隨著2.4 GHz 和5 GHz更高頻段的開(kāi)發(fā)，天線陣列單元間隔要求不會(huì)明顯增加移動(dòng)終端尺寸，可把分集的壓力部分轉(zhuǎn)移至發(fā)射機(jī)上。

　　采用開(kāi)環(huán)發(fā)射分集的空時(shí)分組碼 (STBC) 在時(shí)間上擴(kuò)展提供時(shí)間分集，收發(fā)信機(jī)采用多天線提供空間分集，分集增益和編碼增益共同改進(jìn)頻譜利用率。合成信號(hào)送至最大似然檢測(cè)器，其效果等效于單發(fā)射天線雙接收天線最大比接收的組合結(jié)構(gòu) (MRRC - Maximum Ratio Receiver Combiner)。開(kāi)環(huán)發(fā)射分集的另一形式為時(shí)延分集，發(fā)射符號(hào)在時(shí)延遞增下均等分配給各天線，接收機(jī)的均衡器利用訓(xùn)練序列抵消信道失真，采用多時(shí)延組合接收分集結(jié)構(gòu)。

　　閉環(huán)發(fā)射分集的接收機(jī)需要把反饋信息提供給發(fā)射機(jī)，并選擇最佳信號(hào)或復(fù)制信號(hào)來(lái)抵消即時(shí)信道失真。顯見(jiàn)，閉環(huán)發(fā)射分集優(yōu)于開(kāi)環(huán)發(fā)射分集，一般用于移動(dòng)終端。

　　收發(fā)雙方應(yīng)用多天線的MIMO的空間分集將是下一代高容量移動(dòng)通信系統(tǒng)采用技術(shù)之一。貝爾實(shí)驗(yàn)室分層次空時(shí) (BLAST - Bell Labs. Layered Space Time) 又稱為對(duì)角BLAST (D-BLAST)為MIMO抗多徑干擾的一種形式。圖2為BLAST收發(fā)信機(jī)原理框圖。為降低BLAST結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，采用遞推“分離和抵消”算法。圖2中4個(gè)接收信道中一個(gè)接收n個(gè)發(fā)射天線的信號(hào)，在一個(gè)周期內(nèi)，m個(gè)處理信道之一接收分組A。在周期初始，取消已接收來(lái)自其它發(fā)射機(jī)的信號(hào)，分離來(lái)自指定發(fā)射機(jī)的信號(hào)。在經(jīng)第一發(fā)射天線位移后，已知接收信號(hào)從組合信號(hào)中扣除。剛接收的新信號(hào)不進(jìn)行識(shí)別就移出，依靠接收到的訓(xùn)練序列提取信道特性。來(lái)自指定天線的信道特性轉(zhuǎn)置并映射到新接收的信號(hào)上，用已知信道特性來(lái)增強(qiáng)所需信號(hào)。在發(fā)射天線下一個(gè)位移來(lái)到后，重復(fù)上述根據(jù)信道特性，抵消已知信號(hào)并分離新信號(hào)的過(guò)程。 BLAST的研究方向集中在優(yōu)化訓(xùn)練序列，檢測(cè)算法和BLAST與編碼的組合。而垂直BLAST（V-BLAST - Vertical BLAST），天線之間沒(méi)有碼循環(huán)現(xiàn)象，接收機(jī)的分離和抵消算法為選擇最佳SNR，線性加權(quán)接收信號(hào)的遞推算法。這就大大簡(jiǎn)化了接收處理，使V-BLAST成為下一代移動(dòng)和室內(nèi)通信的備選方案。

　　6. Ad hoc 網(wǎng)絡(luò)

　　1968年研究的ALOHA協(xié)議是在固定節(jié)點(diǎn)的ALOHA網(wǎng)絡(luò)中支持分布式信道接入，網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)都位于其它參與節(jié)點(diǎn)覆蓋范圍內(nèi)，也就是說(shuō)ALOHA網(wǎng)絡(luò)是一種單跳網(wǎng)。1993年DARPA研究多跳分組無(wú)線網(wǎng)協(xié)議，多跳技術(shù)增加網(wǎng)絡(luò)容量的思路是：在大型網(wǎng)絡(luò)中采用共存與分離多跳會(huì)話，空域復(fù)用，預(yù)留發(fā)射功率資源和復(fù)雜路由協(xié)議來(lái)提高全網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。

　　未來(lái)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)除了以低成本達(dá)到高數(shù)據(jù)率外，還要求在無(wú)專用通信基礎(chǔ)設(shè)施下，網(wǎng)絡(luò)具有適應(yīng)和生存能力。Ad hoc網(wǎng)絡(luò)或稱為分組無(wú)線網(wǎng)絡(luò)就能滿足這樣的要求，作為非集中控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，所有移動(dòng)節(jié)點(diǎn)以約定協(xié)議建立全向通信用于軍事和災(zāi)害通信。Ad hoc網(wǎng)絡(luò)因靈活性將在未來(lái)網(wǎng)絡(luò)中扮演重要角色，用戶和路由器能在網(wǎng)絡(luò)中隨機(jī)移動(dòng)的Ad hot網(wǎng)絡(luò)正成為主要研究領(lǐng)域，它準(zhǔn)許袖珍終端擴(kuò)展接入和改進(jìn)應(yīng)急通信質(zhì)量。現(xiàn)在，Ad hoc網(wǎng)絡(luò)作為商業(yè)領(lǐng)域的先進(jìn)無(wú)線技術(shù)，加強(qiáng)了如筆記本計(jì)算機(jī)，蜂窩電話，PDA和MP3等袖珍設(shè)備間的相互聯(lián)系。

　　現(xiàn)今蜂窩通信系統(tǒng)依靠集中控制和管理，而下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)向固定與移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，無(wú)隙縫和全方位通信，Ad hoc模式。如：HIPERLAN / 2的直接模式中鄰近節(jié)點(diǎn)可互相直接通信，Bluetooth，IEEE 802.11 中Ad hoc模式，IEEE 802.16移動(dòng)Ad hoc網(wǎng) (MANET - Mobile Ad hoc Networks) 和IEEE 802.15個(gè)人域網(wǎng) (PAN - Personal Area Networks) 都采用非集中無(wú)線接入和路由技術(shù)，Ad hoc多跳的傳感網(wǎng)絡(luò)可用于環(huán)境監(jiān)測(cè)等。

　　Ad hoc網(wǎng)絡(luò)沒(méi)有事先確定的基礎(chǔ)設(shè)施和網(wǎng)絡(luò)鏈路的時(shí)間特性，給分組無(wú)線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)和實(shí)施帶來(lái)一些基本的挑戰(zhàn)，它們是：

　　* 必須優(yōu)化設(shè)計(jì)安全和路由功能，保證分布式結(jié)構(gòu)有效運(yùn)行；

　　* 在網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)時(shí)，降低路由表更新頻數(shù)和開(kāi)銷來(lái)保證鏈路連接；

　　* 在多跳網(wǎng)絡(luò)中，改進(jìn)路由協(xié)議設(shè)計(jì)來(lái)減少鏈路容量和等待時(shí)間的波動(dòng)；

　　* 全面權(quán)衡網(wǎng)絡(luò)連接（覆蓋），時(shí)延，容量和功率預(yù)算等指標(biāo)；

　　* 以優(yōu)化功率管理和MAC設(shè)計(jì)來(lái)減少先進(jìn)技術(shù)的負(fù)面效應(yīng)。

　　7. 網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

　　已經(jīng)為通信系統(tǒng)服務(wù)多年的OSI網(wǎng)絡(luò)分層設(shè)計(jì)，隨著無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，在網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)時(shí)，必須研究網(wǎng)絡(luò)功能，網(wǎng)絡(luò)分層結(jié)構(gòu)，將集中在物理層，數(shù)據(jù)鏈路層

　　和網(wǎng)絡(luò)層，見(jiàn)圖3。對(duì)網(wǎng)絡(luò)特性的要求也發(fā)生了變化，如：時(shí)延，吞吐量，支持各種QoS多媒體業(yè)務(wù)動(dòng)態(tài)流量，差錯(cuò)率，頻譜帶寬，節(jié)點(diǎn)連續(xù)不斷進(jìn)出網(wǎng)絡(luò)引起的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓龋@些都對(duì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)提出了新的挑戰(zhàn)。

　　在優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)吞吐量時(shí)，要滿足隨應(yīng)用而變的QoS要求，需要將網(wǎng)絡(luò)層設(shè)計(jì)滲透到物理層設(shè)計(jì)。不同的應(yīng)用應(yīng)由不同的優(yōu)化方法來(lái)服務(wù)，這就導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)在模糊層次分隔和跨層優(yōu)化功能的改革。如：在網(wǎng)絡(luò)兩個(gè)層次分別采取兩個(gè)不同技術(shù)改進(jìn)系統(tǒng)性能時(shí)，物理層的4×1空時(shí)分組碼 (STBC) 和MAC層類似cdma 2000 3G 1XEV-DO 的貪婪調(diào)度算法。STBC有能力在物理層提供分集增益。而基于來(lái)自移動(dòng)終端的反饋信息，在SINR最大時(shí)，把分組傳輸至移動(dòng)終端的貪婪調(diào)度算法可獲得多用戶分集。然而，在貪婪調(diào)度算法上疊加4×1 STBC，會(huì)以4倍RF昂貴成本換取系統(tǒng)的增益。另外，隨著用戶數(shù)的增加，STBC還降低SINR。這說(shuō)明物理層和MAC層應(yīng)一起最大地優(yōu)化系統(tǒng)的性能。貪婪調(diào)度算法不適用對(duì)時(shí)延有嚴(yán)格要求的話音業(yè)務(wù)，卻可采用有分集增益的STBC。對(duì)時(shí)延不敏感的Web流量不采用四副RF發(fā)射機(jī)，卻可采用貪婪調(diào)度算法。利用物理層，數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層間傳輸控制信息進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化，最大限度地利用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)資源，提高系統(tǒng)的整體性能。

　　8. 跨層優(yōu)化

　　未來(lái)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮網(wǎng)絡(luò)跨層間的相互作用，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的OSI分層模型中最高和最低層次有不同方法解決固定基站無(wú)限制接入位置問(wèn)題，以網(wǎng)絡(luò)層自適應(yīng)策略, 利用物理層和MAC層信息，資源和連接點(diǎn)信息可在指定瞬間優(yōu)化系統(tǒng)的性能。在新一代多媒體網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，不僅需要靜態(tài)優(yōu)化跨層設(shè)計(jì)，還應(yīng)考慮動(dòng)態(tài)優(yōu)化跨層自適應(yīng)。傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)也包含一些自適應(yīng)能力，如利用自適應(yīng)信號(hào)處理調(diào)整信道參數(shù)，更新路由表，改變流量負(fù)載等，但這些調(diào)整更新與網(wǎng)絡(luò)層次是孤立的。這里的跨層自適應(yīng)允許網(wǎng)絡(luò)功能同時(shí)在功能和自適應(yīng)之間通過(guò)信息交換，滿足網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，信道環(huán)境和QoS可變的要求。

　　跨層優(yōu)化設(shè)計(jì)中實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)是難以實(shí)現(xiàn)的，但可以進(jìn)行一些限制性設(shè)計(jì)。跨層優(yōu)化設(shè)計(jì)中應(yīng)采用測(cè)度，在傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)層次設(shè)計(jì)中有優(yōu)先權(quán)準(zhǔn)則，如：物理層準(zhǔn)則是比特差錯(cuò)率，MAC準(zhǔn)則是節(jié)點(diǎn)吞吐量或信道現(xiàn)存性，網(wǎng)絡(luò)準(zhǔn)則是時(shí)延和路由效率。這就提出什么測(cè)度代表未來(lái)系統(tǒng)的主要性能？如何綜合優(yōu)化這些測(cè)度？如何對(duì)這些測(cè)度進(jìn)行優(yōu)先權(quán)排序？

　　在跨層動(dòng)態(tài)優(yōu)化中，需要復(fù)雜建模或仿真過(guò)程，物理層仿真器采用時(shí)間驅(qū)動(dòng)法，而網(wǎng)絡(luò)仿真器采用事件驅(qū)動(dòng)法。解決上述問(wèn)題的方法是雙層仿真法，即物理層仿真器的輸出去激發(fā)網(wǎng)絡(luò)仿真器。但是，這種方法不允許層次間有相互作用，不利于跨層優(yōu)化設(shè)計(jì)。可以采取下述混合措施：

　　* 混合高層次的功能性能仿真和低層次的功能性能半分析仿真；

　　* 可變量化度措施，即粗量化度網(wǎng)絡(luò)仿真器用于大部分物理層鏈路，細(xì)量化度仿真器用于特定物理層鏈路；

　　* 從物理層到應(yīng)用層的仿真和實(shí)時(shí)處理。

　　在適應(yīng)跨層功能性能時(shí)，網(wǎng)絡(luò)各層次的控制應(yīng)處于最佳位置，應(yīng)有過(guò)程控制。否則，會(huì)出現(xiàn)各種自適應(yīng)的目標(biāo)互相矛盾。總之，以上技術(shù)的優(yōu)勢(shì)僅僅剛剛拉開(kāi)序幕，是否成為移動(dòng)通信發(fā)展里程碑的核心技術(shù)還需要等待時(shí)間檢驗(yàn)和需要額外頻譜安置的支持。結(jié)束語(yǔ)

　　20世紀(jì)的蜂窩移動(dòng)電話和Internet走完了從誕生到全球普遍認(rèn)可的路程，而影響移動(dòng)通信發(fā)展的核心技術(shù)和前沿研究課題可能有：

　　* WLAN技術(shù)和蜂窩移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合提供覆蓋面寬，數(shù)據(jù)率高的移動(dòng)業(yè)務(wù)；

　　* CDMA多址接入技術(shù)在向3G演進(jìn)中面臨著挑戰(zhàn)，要以新的調(diào)制和編碼來(lái)提供高的頻譜利用率。

　　* 提高頻譜利用率的技術(shù)主要在網(wǎng)絡(luò)較高層，目前在物理層的技術(shù)有：OFDM，UWB和空時(shí)調(diào)制編碼；

　　* 因靈活性將在未來(lái)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中扮演重要作用的Ad hoc網(wǎng)絡(luò)；

　　* 未來(lái)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮網(wǎng)絡(luò)跨層間的相互影響和優(yōu)化。

----《中國(guó)移動(dòng)通信》