后3G關鍵技術探討

2019-11-03 09:33:55

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任立剛李真宋梅宋俊德北京郵電大學　　從2001年10月NTTDoCoMo開始提供3G商用業務以來，一些國家也陸續準備部署3G網絡。但與此同時，世界各國也已經開始或者計劃開始新一代移動通信技術的研究，爭取在未來移動通信領域內占有一席之地。這里所提到的新一代移動通信是指后(beyond) 3G或者4G。目前普遍認為后3G的最高傳輸速率將超過100M（10M－100M）；能夠實現全球無縫漫游；具有非常高的靈活性，能自適應地進行資源分配；支持下一代Internet（ipv6），而且是全IP網絡；當然服務成本低也將是后3G的一個重要特征。

　　從技術的角度講，未來4G移動通信的關鍵技術要在2G和3G技術的基礎上演進，因此3G特別是改進后的3G關鍵技術將會是后3G的重要技術之一。

　　改進后3G中的關鍵技術

　　新近列入3GPP技術規范的改進后的3G技術有：

　　智能天線技術：智能天線是基于自適應天線原理，利用天線陣的波束賦形產生多個獨立的波束，并自適應地調整波束方向來跟蹤每一個用戶，達到提高信號干擾噪聲比SINR(Signal-to Interference and Noise Ratio),增加系統容量的目的。在3G的三個標準中的TD-SCDMA RTT中已經使用了智能天線。現在所研究的是如何將它使用在UTRA TDD及兩種FDD系統中。所面臨的將是如下兩方面的問題：基帶數字信號處理能力的問題；是否要修改物理層標準的問題。由于兩種FDD（包括UTRA TDD）系統設計時沒有考慮智能天線的應用，可能要修改其物理層設計。

　　軟件無線電技術：軟件無線電的基本思路是研制出一種基本的可編程硬件平臺，只要在這個硬件平上改變相應軟件即可形成不同標準的通信設施（如基站和終端）。這樣無線通信新體制、新系統、新產品的研制開發將逐步由硬件為主轉變為以軟件為主。軟件無線電的關鍵思想是盡可能在靠近天線的部位（中頻，甚至射頻），進行寬帶A/D和D/A變換，然后用高速數字信號處理器（DSP）進行軟件處理，以實現盡可能多的無線通信功能。軟件無線電技術受到各界高度重視，如何用DSP和軟件在公共硬件平臺上解決各種不同制式的無線接口已成為很多公司研究的主要課題。在未來幾年內，依靠傳統的專用芯片來制造移動通信無線設備的概念將受到重大沖擊。特別是最近幾年內，第三代移動通信技術和標準都還在不斷更新，使用軟件無線電技術，才可能使產品的開發跟上技術的發展。

　　下行高速分組交換數據傳輸技術： 3G的業務在上下行將會呈現出很大的不對稱性。對FDD來說，則非常需要能有效地支持不對稱業務的一種技術。必須在現有3G技術基礎上采用新技術。最近剛剛寫入3GPP技術規范的高速下行分組接入（HSDPA）技術可以實現10.8M的高速下行數據，其中有很多令人矚目的技術很可能就在未來4G的系統中得到應用。

　　HSDPA技術便是一種對多用戶提供高速下行數據業務的技術。此技術特別適合于多媒體、Internet等大量下載信息的業務。在傳輸較高速率的業務數據時，通過在特定時隙中使用較高調制方式（8PSK、16QAM、甚至64QAM）來進行傳輸。在TD-SCDMA RTT中，已經使用8PSK來傳輸2Mb/s的業務。高通公司提出HDR技術，在CDMA 2000 1X中的某些時隙使用16QAM傳輸高速數據，在1.25MHz的帶寬下可傳輸2Mb/s的數據，大量研究表明，采用若干新技術可使空中下行速率達到8Mb/s以上，若成功采用MIMO等技術還可達到20Mb/s以上。目前國際上對HSDPA技術的研究正在進行中，它是3GPP WG1組的一個研究熱點，大量的技術提案基本上集中在像AMC和MIMO等幾項技術上，這些技術將在后面介紹。

　　后3G可能的關鍵技術

　　在上面介紹的3G的各種關鍵技術中的智能天線、軟件無線電等技術也必將成為后3G的核心技術之一。除時分、頻分、碼分等多址技術，還有一種空分多址的技術。空分多址目前可以由智能天線來實現。利用智能天線是實現空分多址，增加系統容量的關鍵。而未來新一代的蜂窩移動通信系統將會融合包括WLAN、LMDS、MMDS等各種無線接入網絡形成一個統一的無線網絡，多種無線網絡意味著終端設備的多模式、多制式信號接收，這就需要軟件無線電技術。很多業內專家認為，在未來5－8年內，所有的無線產品，包括基站和用戶終端，均將使用軟件無線電技術，都是在統一的硬件平臺上，用不同軟件來滿足不同系統的要求。到那時，標準的差別，TDD和FDD等雙工方式的差別，新技術的應用和產品的更新換代都變得非常簡單，都將通過下載不同的軟件來實現；除了這兩種關鍵技術以外，2G和3G系統中使用的FDMA、TDMA、CDMA等多址技術也將是后3G技術的一部分，另外在HSDPA技術中也有很多引人注目的新技術，下面將這些可能的后3G關鍵技術做一介紹。

　　正交頻分復用

　　未來的移動通信業務將從話音擴展到數據、圖像、視頻等多媒體業務，因此，對服務質量和傳輸速率的要求越來越高。這對移動通信系統的性能提出了更高的要求。因此，必須采用先進的技術有效地利用寶貴的頻率資源，以滿足高速率、大容量的業務需求；同時克服高速數據在無線信道下的多徑衰落，降低噪聲和多徑干擾，達到改善系統性能的目的。正交頻分復用（OFDM）在眾多技術中顯示出優越的性能。OFDM應用開始于20世紀60年代，主要用于軍事通信中，但因其結構復雜限制了進一步推廣。70年代，人們提出了采用離散傅氏變換實現多載波調制，由于FFT和IFFT易用DSP實現，使OFDM技術開始走向實用化。OFDM在頻域把信道分成許多正交子信道，各子信道間保持正交，頻譜相互重疊，這樣減少了子信道間干擾，提高了頻譜利用率。同時在每個子信道上信號帶寬小于信道帶寬，雖然整個信道的頻率選擇性是非平坦的，但是每個子信道是平坦的，大大減少了符號間干擾。此外，通過在OFDM中添加循環前綴可增加其抗多徑衰落的能力。由于OFDM把整個信道分成相互正交的子信道，因此抗窄帶干擾能力很強，因為這些干擾僅僅影響到一部分子信道。正是由于OFDM具有抗多徑能力強，頻譜利用率高的優點，因此受到廣泛關注，人們不但認為在寬帶無線接入領域采用OFDM是發展的趨勢，而且它將成為未來移動通信系統的關鍵技術。

　　但是OFDM也有一些缺點，在實現OFDM系統時必須慎重考慮。在OFDM系統中是利用子信道的正交特性保證系統不存在子信道干擾。如果所需要的子信道的峰值頻率與其它頻率的零點不能完全一致，則導致載波間干擾；因此OFDM系統對載波頻率偏移和相位噪聲很敏感。二是峰值對平均功率（PAP）問題。由于OFDM信號是由各個子載波調制信號的和構成的，這樣就會出現峰值功率遠遠大于平均功率的情況，使信號的動態范圍變化較大，這種大的動態范圍使得A/D和D/A變換器的選擇更困難，因此必須使用高線性和低效率的射頻放大器。

　　目前，OFDM技術良好的性能使其在很多領域得到了廣泛的應用，如：HDSL、ADSL、VDSL、DAB和 DVB，無線局域網IEEE802.11a和HIPERLAN2，以及無線城域網IEEE802.16等系統中。

　　自適應調制和編碼

　　實際的無線信道具有兩大特點：時變特性和衰落特性。時變特性是由終端、反射體、散射體之間的相對運動或者僅僅是由于傳輸媒介的細微變化引起的。因此，無線信道的信道容量也是一個時變的隨機變量，要最大限度地利用信道容量，只有使發送速率也是一個隨信道容量變化的量，也就是使編碼調制方式具有自適應特性。自適應調制和編碼（AMC）根據信道的情況確定當前信道的容量，根據容量確定合適的編碼調制方式等，以便最大限度地發送信息，實現比較高的速率。

　　AMC能提供可變化的調制編碼方案（共七級調制方案）以適應每一個用戶的信道質量，可提供高速率傳輸和高的頻譜利用率。解調高次調制和需要的測量報告功能對UE（用戶終端）提出了更高的要求。高階調制另需一些如干擾消除器、更高的調制平衡器等新技術。

　　自適應編碼調制技術主要包括RCPT（Rate Compatible Puncturing Turbo codes）和高階調制（MSPK & M-QAM）的結合、H-ARQ和MIMO等。面臨的技術挑戰是AMC對測量誤差和時延比較敏感。信道的測量誤差將導致調度者選擇錯誤的數據速率和發送功率，或者太高而浪費了系統的容量，或者太低而增加了系統的誤幀率；信道測量報告的時延也會減少時變移動信道質量估計的可靠性。而且干擾的變化也將增加測量誤差。

　　自適應編碼調制系統，根據系統的C/I測量或者相似的測量報告決定編碼和調制的格式，編碼一般采用RCPT，調制可以采用BPSK、QPSK和一些高階調制。RCPT即速率適配鑿孔Turbo碼，通常與H-ARQ-type-II或者H-ARQ-type-III結合使用。

　　高階調制可以有效提高系統的頻譜效率，并且由于高階調制星座圖上點集的密度增加，在衰落信道中，解調時對信道估計的要求比較高，對同步的精度要求隨著階數的增加而提高。而且一般也需要提高接收機的解調門限。常見的有8PSK、16QAM、增強型16QAM、64QAM.

　　混合ARQ協議

　　ARQ即自動請求重發，存在ARQ的通信鏈路一般都是閉環鏈路，存在一個反饋應答信號（ACK&NACK）。目前主要的ARQ技術有選擇重傳（Selective Repeat）和停止等待重傳（Stop and Wait）兩種。SR方法由于其復雜性和對手機容量的要求較高等原因而不作為主要的方案；雙（多）信道SAW H-ARQ（Hybrid ARQ）由于控制開銷小、機制簡單，對手機容量要求低和信道利用率高等優點。

　　H-ARQ是一種鏈路自適應技術，是ARQ和FEC相結合的糾錯方法，與FEC共同完成無差錯傳輸保護。H-ARQ-type-I 的目的是使用FEC處理最常見的一些錯誤模式，比較少發生的錯誤模式由錯誤檢測和ARQ處理。H-ARQ-type-I通常放棄觸發ARQ以前接收的數據包；H-ARQ-type-II是存儲重復發送的包并與這個包的后續傳輸合并，產生一個更可靠的包，合并的方式是編碼合并和分集合并；H-ARQ-type-III屬于一種增量ARQ，但不同之處在于每一次重傳的信息都是可以自編碼的。

　　AMC+H-ARQ可以形成最佳組合：AMC提供了粗糙的數據速率選擇，H-ARQ則可以根據信道條件對數據速率做精細的調整。

　　多入多出天線（MIMO）

　　要提高系統的吞吐量，一個很好的方法是提高信道的容量。MIMO可以成倍地提高衰落信道的信道容量。根據信息論最新成果,假定發送天線數為m,接收天線數是n,在每個天線發送信號能夠被分離的情況下，有如下信道容量公式：

C=mlog2(n/m·SNR) n≥m

其中SNR是每個接收天線的信噪比。

　　根據這個工具,對于采用多天線陣發送和接收技術的系統,在理想情況下信道容量將隨著m線型增加,從而提供了目前其他技術無法達到的容量潛力。其次，由于多天線陣發送和接收技術本質上是空間分集與時間分集技術的結合,有很好的抗干擾能力；進一步將多天線發送和接收技術結合信道編碼技術,可以極大地提高通信系統的性能。這樣導致了空時編碼技術的產生,空時編碼技術真正實現了空分多址,是將來無線通信中必然選擇的技術之一。

　　MIMO天線陣列，是一種開環的MIMO技術，M個發送天線，使用編碼重用 (Code re-use) 技術將同樣的碼集的每個碼重復使用M次, 每個碼用來調制不同的數據子流，這樣在不增加碼資源的基礎上提高了原始數據的傳輸速率。為了分辨M個數據子流，在接收端也要使用多天線和空間信號處理。MIMO是一種能使HSDPA增加容量和提高峰值速率的技術，但受限于物理信道模型，會增加射頻的復雜性，是HSDPA進一步發展的技術。

　　MIMO解調解擴接收機主要分成2個部分，一是空時RAKE接收機，主要功能是分離不同的擴頻碼擴頻的信號，合并多徑信號；二是VBLAST，即對垂直空時碼進行譯碼,分離出不同天線發送的空間疊加的信號。

　　為充分利用MIMO信道的容量,提出了不同的空時處理方案，貝爾實驗室的Foschini等人提出了一種分層空時結構(BLAST：Bell Laboratories Layered Space-Time)，它將信源數據分成幾個子數據流,獨立地進行編碼/調制, 因而它不是基于發射分集的。AT&T的Tarokh等人在發射延遲分集的基礎上正式提出了基于發射分集的空時編碼。同時，Alamouti提出了一種簡單的發送分集方案，Tarokh等把它進一步推廣提出了空時分組編碼，由于它具有很低的譯碼復雜度，已經被正式列入WCDMA提案中。

　　空時編碼是一種把編碼、調制和空間分集結合起來的新興技術，也將成為后3G技術中重要的一部分。目前空時發送分集（STTD）技術已經進入了3G協議，發送分集和接收分集可以提高系統的容量，將編碼調制分集技術有機地結合起來。一個空時碼就是一些T＊M階碼字矩陣所組成的集合。常見的空時碼主要分為空時格碼（STTC）、空時塊碼（STBC）、分層空時碼（LASTC）,上面的STTD屬于空時塊碼的特例。

　　除了上面介紹的MIMO技術和空時編碼技術以外，將在新一代移動通信系統中可能采用的新技術還有：

　　TDD雙工方式：3G和后3G業務的發展，絕大多數業務將是不對稱的IP型業務。而在支持不對稱業務方面，TDD雙工方式具有先天的優勢。因此在后3G中將可能采用TDD技術而不是FDD。

　　擴頻編碼技術：在CDMA系統中，一般擴頻編碼都是使用Walsh碼。對此國內外專家都在研究效率更高的新的編碼。現在國際上的研究熱點是多維編碼技術（配合正在研究的多維計算機技術），它可以成倍地提高編碼效率，從而提高CDMA系統的容量。

　　時域技術：時域技術的基本出發點是，在一個亞納秒級的窄脈沖上（其頻域內帶寬超過幾個GHz）調制上行業務數據，僅需要非常低的發射功率就可能傳輸到相當遠的距離，而且抗干擾能力很強，是一種很有應用前景的技術。

　　聯合檢測：常用的多用戶檢測的方法：最大似然檢測（MISE）方法，該方法性能最優，但計算量太大（與用戶數成指數關系）；線性檢測方法，主要包括解相關方法和最小均方誤差(MMSE)方法，計算量與用戶數成線性關系；干擾消除法，它的主要思想是對碼元進行遞歸估計，減去前次估計的碼元形成的用戶間干擾（MAI）, 提高估計性能。目前多用戶檢測面臨的問題有遠近效應、異步問題、多徑效應等。在此基礎上人們提出聯合檢測，即多用戶檢測，同時使用均衡技術，以消除符號間干擾和碼間干擾。傳統的均衡技術需要用戶發送訓練序列，在GSM系統中，大約有20％的發送序列用于訓練，由于訓練序列的頻繁發送，增加了大量的信道開銷。盲信道均衡和盲識別技術的研究已經成為當今通信領域的一個熱點。在信道的盲均衡中，用戶不用發送訓練序列，接收端通常只知道輸出信號及輸入信號的一些統計信息。目前已經提出了很多的盲均衡算法。但是這些算法速度慢而且很難收斂。另外聯合接收與天線分集技術和Turbo碼技術結合起來，可以得到更好的接收性能。使用聯合檢測技術可以有效地克服傳播路徑損耗、陰影效應和快衰落現象。

　　除了以上介紹的物理層和鏈路層技術以外，在網絡層，后3G還需要有先進的RRM管理算法、有效的分組管理算法、快速靈活的接入管理控制等技術以滿足未來移動通信不同的業務需求及其QoS要求。

摘自《通訊世界》2002.7

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