新一代(B3G/4G)蜂窩移動通信的進展

2019-11-03 09:16:16

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供稿：網友

李承恕
(北方交通大學現代通信研究所)

李承恕，

　　現任北方交通大學電子信息工程學院資深教授、現代通信研究所名譽所長。

　　1953年畢業于北方交通大學電信系，后留校任教至今。

　　1960年在前蘇聯列寧格勒鐵道運輸工程學院研究生畢業，獲副博士學位。

　　1981-1983年以訪問學者身份赴美國麻省理工學院進修學習。

　　主要從事無線通信、移動通信、擴展頻譜通信、個人通信等領域的教學與科研工作。

　　現主持多項國家自然科學基金、國家863計劃等高科技研究項目。并兼任中國通信學會常務理事、無線及移動通信委員會副主任委員、《通信學報》常務編委、北京通信學會理事等學術職務。

　　出版科技圖書有：《擴展頻譜通信》與《數字移動通信》。發表論文200余篇。

　　導讀：本文扼要介紹B3G/4G移動通信的最新進展，包括：B3G/4G移動通信的基本要求、關鍵技術、網絡和MIMO-OFDMA系統，供讀者參考。

前言

　　當前在世界范圍內蜂窩移動通信仍在高速發展。據有關方面公布的統計，到今年3月底，我國移動電話用戶已達2.21億戶，接近固定電話用戶數2.25億戶。全球移動用戶2001年已達8億戶，據預測[1]2010年將達到17億戶(圖1)。這種高速的增長，主要是由于用戶對移動服務的需求所促成的。除了當前第二代移動通信所能提供的通話服務外，人們還要求更多的多媒體服務，不僅有新的應用，還要能滿足無所不在的各種個性化的服務。為了達到此目的，新一代(B3G/4G)的移動通信系統可以采用演進或革新的方式來實現。所謂演進指的是對IMT-2000系統加以改善，而革新則指的完全新開發的系統。對此，國際電聯ITU-R與ITU-T已提出了些建議，以規范新一代無線通信系統的研究與開發。在本文中我們簡單介紹ITU-R提出對新一代移動通信系統的要求，并介紹一些可能應用的關鍵技術和網絡結構，最后介紹一種現在人們研究較多的MIMO-OFDM系統。

圖1 全球移動及固定用戶增長趨勢

一、 ITU關于新一代(B3G/4G)移動通信的基本要求

　　ITU-R的基本看法是IMT-2000將繼續演進，以支持新的應用、產品和服務。希望IMT-2000地面無線接口的能力到2005年能擴展到30Mb/s。除了這種演進之外，ITU預想到2010年能有一種基于新的無線接入技術的新系統，稱為后IMT-2000系統(Systems Beyond IMT-2000)。它將是增強的IMT-2000系統及其他無線系統的補充。新的無線系統能將支持高速移動性高達100Mb/s的峰值數據率，面對低速移動性則可達1Gb/s的數據率。這樣的數據率將為連接到同一無線資源的所有用戶所共享。且上行鏈路的數據率能夠不同于下行鏈路的數據率。由于高數據率的要求，未來需要有附加的頻譜。后IMT-2000系統所需要新的頻譜有望在WRC’07來確定。ITU-R的看法還描述了各種無線接入系統如何在融合中共存，以提供綜合服務。通信的關系可以劃分為3個不同的層次：個人域通信網(PANs——Personal Area Network)，中間環境(immediate environments)，以及通過網絡的通信(communications via network)。再者，衛星通信、無線局域網(WLAN)、數字廣播、蜂窩移動通信，及其它接入系統將連接起來，以提供通過公共的基于ip的核心網提供綜合及無縫的服務。不同的接入系統將根據它們的應用區域、小區范圍以及無線環境組織在一個分層結構中。這對于系統的布署提供一靈活的、可擴展的環境。這些不同接入系統無縫的網絡的互連將由垂直切換或會話的連續來完成。不同的層次對應分布式的層次，包括數字廣播、蜂窩層、若干小區層，很高數據率應用的熱點層，對于短距離通信的個人網層，以及固定接入系統的固定層。為了滿足上述看法，對未來無線通信系統的要求可以小結如下：

　　·高速數據率，并減少每比特數據傳輸價格；

　　·基于IP的網絡；

　　·無縫連接；

　　·綜合服務；

　　·短時延的切換及信包傳輸。

二、關鍵技術

　　近年來人們對實現B3G/4G的關鍵技術進行了大量的研究，并取得了初步的成果。歸納起來有以下一些：

　　·與系統相關的技術：IP語聲技術；軟件定義的無線電技術；廣帶無線收發信機；移動服務的系統平臺；高可靠性的網絡結構；全IP無線；安全性、加密、計費、身份認證及移動電子商務；移動即興網(ad hoc network)技術。

　　·與應用相關的技術：下一代編碼/壓縮技術；動態可變碼率編碼技術；移動代理技術；人-機接口,包括“智能”移動終端；流數據通信技術；內容描述語言；應用發展環境技術。

　　·先進的無線接入技術：動態QoS控制；差錯控制及超高速小區搜索；多播技術；IP移動性控制；無縫IP信包傳輸；鏈路自適應；進入鏈路；光纖無線電。 ·頻率的有效利用：微波頻帶的開拓；頻帶的共用與頻率的共享；自適應動態信道分配；抗干擾與抗衰落技術；高密度三維蜂窩結構；先進的自適應陣列無線及多入多出(MIMO)天線系統；自適應高效多電平調制；正交頻率復用(OFDM)技術。

　　·先進的移動終端：新的功率管理技術；可包裝終端技術;高功能顯示器件技術；語聲識別技術；下一代半導體器件技術；靈敏度的增強；移動終端的系統平臺；移動終端安全性增強技術。

　　以上這些技術都是未來移動通信廣帶無線移動和無線接入融合系統需要研究的課題。下面具體地介紹其中幾種正在研究的熱點技術[3]。

　1.自適應調制與編碼(AMC)

　　AMC的原理是根據信道條件瞬時的變化改變調制與編碼格式(傳輸格式)。AMC擴展了系統自適應良好信道條件的能力。信道條件應基于從接收機反饋信息來估計。具有AMC的系統，對于靠近小區基站的用戶分配給較高碼率的較高階的調制(例如64-QAM，R=3/4turbo碼)。另一方面，對靠近小區邊界的，則分配給具有較低碼率的較低階調制(例如QPSK，R=1/2turbo碼)。AMC允許按照信道條件分配給不同的用戶不同的數據率。由于信道條件在時間上的變化，接收機將收集一系列信道的統計數值，用來提供給發射機和接收機去優化系統參數，如調制及編碼、信號帶寬、信號功率、訓練周期、信道估值濾波器，以及自動增益控制。

　2.自適應復合ARQ

　　一個成功的廣帶無線系統必須有一有效的媒體接入控制(MAC)層，在有損無線信道上具有可靠的鏈路性能。設計相應的MAC使TCP/IP層看來為一高質量的鏈路。它由自動重傳及分片機制(ARQ)獲得，后者為接收機將從上層收到的信包分成更小的子信包，并被依次地發出。如果子信包未正確地接收，則發射機被要求重傳。ARQ可看成是將時間分集機制引入到系統中，這是因為它的從噪聲、干擾和衰落中恢復的能力。自適應ARQ比單獨的鏈路自適應有更大的增益。復合ARQ自優化與自動地調整到信道條件而不需要經常或高度精確的C/I比的測量：

　　·僅當需要時才加入冗余度；

　　·接收機保存失敗的傳輸，試圖去協助未來的譯碼；

　　·每一傳輸有助于增加信包成功的概率。

　3.正交頻分復用(OFDM)

　　對于高延遲擴展信道或高數據率選擇單載的解決方案是因為它具有較低復雜度的均衡器。一個廣帶信號可以分成多個窄帶載波，其中每一載波對多徑更具健壯性。為了在這些子載波之間保持正交性，則增加一循環前綴，其長度要大于所期望的延遲擴展。在這些頻率間具有合適的編碼與交織，多徑產生的頻率分集作用對OFDM系統會帶來好處。在發射機和接收機中，采用快速富氏變換(FFT)能有效地實現OFDM。在接收機中FFT能在一個一個子載波的基礎上減少信道響應為相乘常數。由于每一子載波能獨立地進行均衡，可以避免采用復雜的空—時均衡器。

　4.多入多出(MIMO)天線系統

　　對4G廣帶無線移動通信增加高性能的要求促使其在基站及用戶終端采用多天線系統。多天線技術具有很高的能力去適應互聯網及多媒體服務，并能極大地增加通信范圍與可靠性。這一設計是由于廣帶無線互聯網接入日益增長的需求促成的。對無線廣帶接入的挑戰在于要求提供與有線技術可以比擬的服務質量，而只有相似的可競爭的價格。對此系統的目標頻帶為2～5GHz，由于其具有較好的傳播特性和低的射頻(RF)設備價格。廣帶信道是一典型的非視線信道，并包含不匹配性，例如時間選擇性及頻率選擇性衰落。發射機和接收機的多天線提供了在一衰落環境下的分集。采用多天線則產生了多個空間信道，從而不會所有的信道同時產生衰落。多個信道同時并行工作可大大增加系統的容量。

三、網絡

　　在未來不同類型的無線通信系統將共存與互連。無線通信系統將更加多樣化，而無縫集成這些多樣化的無線系統對它們之間能網絡互連是至關重要的。已有一些建議采用基于IP網絡來集成這些多樣化無線系統。3GPP標準建議的基于IP網絡結構的例子有：基于IP網絡廣帶無線接入(BRAIN)，以及多媒體集成網絡采用無線接入新方法(MIRAI)。下面將簡要介紹這些結構的主要性能，并介紹一種新建議的網絡結構。

　　3GPP標準的全IP網絡是基于GPRS協議，它的開發是向GSM提供信包服務。GPRS服務結點利用GSM注冊與身份驗證去核查數據用戶的身份。3GPP接入網與核心網的接口是通過服務GPRS網關結點。雖然一般的IP協議可用于核心網，接入網則要求對接入網絡功能有專用的協議。

　　1.BRAIN計劃是IST的研究課題。BRAIN網絡結構包括一個BRAIN接入網(BAN)、一些BRAIN移動性網關(BMGs)、一個BRAIN接入路由器(BAR)，以及一個基于IP的核心網。網絡單元由IETF標準協議引入以適于網絡的演進與靈活性。接入網是基于IP，而接入路由器是移動結點與接入網的接口。網關位于接入網與核心網之間。

　　2.MIRAI是日本的國家計劃以實現異種無線系統之間的無縫集成。MIRAI由4個主要的建筑模塊組成：移動主機、無線接入網(RANs)、公共核心網(CCN)，及一個外部IP網。CCN包括一個資源管理器(RM)，在網中進行資源及移動性管理。網關路由器的作用是CCN與外部IP網的接口。

　　上述網絡目前尚在開發之中，計劃在2010年可以實用。但它們都是基于專用的RANs以連接用戶與核心網。這種基于專用的RANs有一系列缺點。應該有一種基于公眾IP網絡的開放式結構。下面是三星公司建議的一種方案。

　　3.一種開放式網絡結構示于圖2中。它包括一個公眾的IP網絡、一個身份驗證、優先級、計費(AAA)服務器、一個駐地代理(HA)及一些無線接入點(RAPs)。這些網絡單元在公眾網中形成一個虛擬專用接入網。這些網絡單元的功能如下：

圖2 開放式網絡結構

　　·HA：用戶注冊及移動臺的位置管理；

　　·AAA服務器：管理用戶的身份認證、優先級及計費；

　　·RAP：路由器與移動終端的連接點，無線鏈路功能的終端點。

　　網絡單元之間的控制信令是封裝后由一種安全方式加以傳輸。例如采用虛擬專用網(VPN)及資源預約協議(RSVP)，同時用戶數據則由Internet直接傳輸。通過互連網協議的通信，網絡單元形成了各種控制功能，例如切換、允許接入控制、資源管理及AAA等。用這種方法一種基于IP而不用新的網絡及新的協議的專用網就建立起來了。這樣一來，網絡結構是可擴展的，建立一個專用網的價格是最小的。

四、4G MIMO-OFDM廣帶無線系統

　　為了滿足4G所要求的高性能，如在非視線環境下提供大的覆蓋(在一個小區>90%的用戶)、可靠的傳輸(>99.9%可靠性)、高的峰值數據率(>1Mb/s)以高的頻譜有效性(>4b/s/Hz/扇區)。這些要求可用前述強有力的關鍵技術，特別是MIMO和OFDM構成MIMO-OFDM廣帶無線系統來實現。其物理層尚包含AMC及復合ARQ。對這一系統方案人們進行了多方面的研究，并完成了實驗室及現場試驗。試驗結果證明可達到預期的效果。下面作一些簡單的介紹。

　1.MIMO-OFDM的體系結構——主要討論一些關鍵的設計與算法的選擇

　　(1)發射分集在下行鏈路的發射選用延遲分集，它比較簡單而有好的性能，又不需要反饋信息。在發射機引入延遲，可在接收信道響應中產生頻率選擇性。配合采用適合的編碼與交織可以獲得空-時分集增益，此時發射機并不需要信道的知識。初步現場試驗表明延遲分集可獲得2～6dB的增益。

　　(2)空間復用有可能在兩個基站天線分別發射兩個編碼的數據流。一個高數據率的數據可以復用成一系列低數據率的流，將其進行編碼、調制，并在同一時隙和不同子頻帶上發射。三個接收天線接收兩個發射信息的線性組合。接收機采用空間均衡器來區分開兩個信號，并解調、解碼和分路以產生原始信號。由于通常空間均衡器采用某種形式的信道矩陣的反變換，只要接收天線的數目大于或等于獨立的發射信號就可能獲得唯一解。鏈路自適應層在單個用戶的基礎上觀察信道條件，并去決定最優的發射方式:多路復用或分集。

　　(3)接收分集及干擾消除由于有3個接收天線，接收分集在BTS和CPE中均可應用。分集采用最大比合并(MRC)算法。它有天然的干擾抑制功能，因它只與希望的空間信號匹配。但它不能抑制空間復用所產生的強干擾，這些空間流相互都產生干擾。同時也不能抑制鄰小區由于頻率重用產生的強同頻信道干擾。此時可采用最小均方誤差(MMSE)算法，以獲得最大的SINR。

　　(4)信道估計每個天線發射各自的訓練頻率進行信道估計，這些訓練頻率是相互正交的，因而信道特性可唯一地確定。這些訓練頻率的間隔小于信道相干帶寬，從而使信道在訓練頻率之間可以進行內插。

　　(5)自適應調制與編碼系統對每個用戶的鏈路參數優化以達到最大化系統容量。這里有多個電平的編碼與調制可在特定時間和位置和用戶QoS的要求，基于用戶SINR統計值對每一用戶的數據流進行優化。QAM的電平可由4到64。編碼為打孔的卷積碼與RS碼的組合。有6種QAM與編碼的組合方式，稱為編碼模式。1-6編碼模式對應于1.1-6.8Mb/s的數據率(在2MHz信道)。

　2.現場試驗結果

　　現場試驗BTS天線裝于屋頂上高49ft，EPE位于半徑為3.5mi小區內。下行鏈路頻率為2.683GHz，上行鏈路頻率為2.545GHz.信道帶寬為2MHz。BTS發射與接收天線相距分別為16及8個波長。天線增益為16dBi，水平方向角為100°。

　　2×3 MIMO-OFDM無線系統試驗結果如下：

　　·衰落容限(99.9%鏈路可靠性)

　　對2×3，1×2及1×1無線系統分別為10dB、23dB與35dB。此時為瑞利衰落信道，無延遲擴展及0天線相關。

　　·小區范圍

　　對2×3、1×2及1×1天線系統對小區范圍90%的覆蓋半徑分別為4.0mi、2.7mi及1.6mi。

　　·數據率

　　對2×3、1×2及1×1天線系統峰值數據率分別為6.8×2=13.6Mb/s、6.8Mb/s、6.8Mb/s。

　　上述試驗表明，MIMO-OFDM在容量、覆蓋和可靠性上比SISO、MISO或SIMO系統有顯著的增加。它是一種實現B3G/4G有希望的技術方案。

----《中國通信》