未来无线通信技术展望

熊 薇 贾怀义

北京交通大学电子信息工程学院 北京100044

　　摘 要 本文主要介绍了未来无线通信领域中几项最关键的技术革新。随着无线业务的扩展，对高数据速率通信的需求必将导致能提供高频谱效率的新的调制和编码技术。我们讨论了满足这一条件三种物理层技术：正交频分复用、超宽带传输、空-时调制/编码。另外由于室内接入正成为无线通信领域的前沿，本文对宽带局域网（WLAN）和即兴（Ad hoc）网的应用也进行了探讨。

　　关键词 空-时处理 多输入多输出 超宽带 正交频分复用 即兴网

　　一、概述



　　用户和路由设备可以在网络中随机移动的即兴（Ad hoc）网，已经成为了一个重要的研究领域，这种新兴的技术必将扩展便携式的接入，并且使突发情况下的通信成为可能。传统的无线网络中，网络接入点固定接入到宽带主干网上，而且对数据速率的要求越来越高，例如IEEE 802.11a/g要求54Mbps的数据速率。许多新技术应运而生，并将对无线通信领域产生重大影响。超宽带（UWB）技术采用极短的脉冲信号来传送信息，而脉冲所占用的带宽高达几GHz。与传统的无线通信系统将基带信号上变频为射频信号不同，UWB可以认为是基带传输，不过刚好是在射频频率上而已。它可以在室内提供高达100Mbps的数据速率，而功率谱密度却非常低。另一种高效的技术是正交频分复用（OFDM）。它提供了以往的调制方式所没有的多址接入和信号处理方式，使得无线网络可以在较窄的频带上获得较高的频谱效率。上个世纪90年代的研究表明，在发射端和接收端采用多天线可以获得很高的功率效率和频谱效率。进一步的研究表明，这一系统在独立的瑞利散射信道中获得的理论数据速率与天线数成正比，并且接近最大香农容量的90%。朗讯的V-BLAST实验室系统模型可以在平均信躁比24-34dB的室内环境中达到20-40bps/Hz的频谱效率，而收发端采用16个天线时可以在30dB的信躁比下获得60-70bps/Hz的频偏效率。


　　下面我们将详细的介绍以上这些技术以及它们在未来无线通信领域中的应用。


　　二、无线通信在室内接入中应用



　　传统意义上说，人们只有在相对静止的情况下才使用宽带资源，而这些活动往往发生在室内。而众所周知，无线通信技术的诞生最初是为了提供移动的语音业务，为旅途中的人们提供通信服务。


　　Internet的飞速发展得宜于Internet服务提供商（ISP）所提供的固定的室内连接，这些服务提供商往往与当地的有线运营商是同出一门。而与此形成鲜明对比的是，在无线通信领域，运营商为了购买带宽资源的使用权、建设户外的移动覆盖投入了大量资本。因此他们一直难以涉足于室内领域。而且，所有现行的第二代数字无线通信系统都主要着眼于提供以话音为主的业务。这就在过去的若干年中将室内的数据通信业务拱手让给了有线通信系统。


　　在未来十年，提供宽带数据业务的室内无线接入将成为无线通信领域最重要的议题。蜂窝和个人通信的发展要求第三代无线设备以能为室内用户提供类似于Internet的网络业务为核心。绝大多数运营商都没有现存的系统来提供这样的室内覆盖。这就为可以提供低成本的设备的基于无线局域网（WLAN）的新竞争者提供了一个切入点。


　　利用建筑物或校园内现有的有线以太网络结构，就可以快速并廉价的使用WLAN，并可以达到比昂贵的3G蜂窝设备更高的数据率。随着VoIP技术的发展，相信WLAN能进一步提供融合了电话和互联网接入的移动/便携无线业务，而不采用蜂窝结构。


　　现在有许多公司在努力将2.5G和3G的蜂窝技术于WLAN技术融合，生产出能完成各种室内链接和业务的手机等无线设备。


　　提到室内无线接入时，WLAN和现存并广泛采用的基于IP的有线网络结构将成为以无线电波为核心的蜂窝/个人移动通信系统的有力竞争者，而后者正试图将其势力范围从户外扩展到室内。与此同时WLAN也将涉足户外，如观光地和机场。


　　三、无线通信数据速率



　　接下来的十年中，高速无线数据业务将更为成熟。而使这成为现实的关键在于频带利用率的提高。在物理层，有三种技术将在这方面起到关键作用：正交频分复用（OFDM）、空-时结构、以及超宽带通信技术。


　　1. 正交频分复用（OFDM）和多载波通信


　　正交频分复用（OFDM）是多载波传输的特例，一个高速的数据流用多个低速的子载波进行传输。由于超大规模集成电路（VLSI）的进步，使得高速大规模的快速傅立叶变换（FFT）芯片成为可能，OFDM技术也成为了商用高速宽带无线通信技术的主要候选。另外，OFDM技术还拥有许多独特的性质使得它颇具吸引力：由于低速并行子载波上符号速率的增加，OFDM技术可以对抗多径衰落和码间干扰。（对于给定的延时扩展，OFDM接收机的复杂度大大小于单载波情况下使用均衡技术。）；OFDM技术通过运用自适应调制和子载波上的功率分配技术有效的利用了射频频带资源，而这些都可以用可编程数字信号处理器实现；由于窄带干扰只能作用于子载波的一小部分，OFDM技术因而具有了抗窄带干扰能力；与其他宽带接入技术不同，OFDM技术无需连续的带宽资源；OFDM是单频网络成为可能，而这非常适用于广播应用。


　　事实上，在过去的几年，OFDM技术已广泛用于宽带数据通信中，如高达1.6Mb/s的高比特率数字用户环路（HDSL）、高达6Mb/s的非对称数字用户环路（ADSL）、高达100Mb/s的超高数率数字用户环路（VDSL）、数字音频广播、数字视频广播。OFDM还被引入新的无线局域网标准，包括IEEE 802.11a和IEEE 802.11g，在5GHz范围提供高达54Mb/s的速率。在高性能局域网如HIPERLAN/2和ETSI-BRAN中也有采用。OFDM技术还被用于了IEEE 802.16的城域网标准和综合业务数字广播（ISDB-T）设备中。


　　当今的潮流表明，OFDM技术将成为第四代宽带多媒体无线通信系统的调制技术。然而在该技术得以广泛应用之前还有若干问题需要解决。与单载波调制相比，OFDM技术有以下缺点：


　　OFDM固有的较高峰均功率比（PAPR），这会降低射频放大器的功率利用率。因为多载波系统的输出是多个子信道信号的叠加，因此如果多个信号的相位一致，那么所得到的叠加信号的瞬时功率就会远远高于信号的平均功率。这就对发射机内放大器的线性提出了很高的要求，否则会带来信号畸变，使信号频谱发生变化，从而导致各个子信道间的正交性遭到破坏，产生干扰，使系统的性能恶化。


　　多载波系统对于频率偏移和相位噪声非常敏感。由于无线信道的时变性，在传输过程中出现无线信号的频率偏移或发射机与接收机本地振荡器之间存在的频率偏差都会使OFDM系统子载波之间的正交性遭到破坏，产生子载波间的干扰（ICI），这将大大降低系统性能，除非采用适当的补偿技术。


　　以上的问题影响了OFDM技术的广泛应用。如ETSI的HIPERLAN/1标准在1996年曾考虑了OFDM技术，却最终放弃。从那以后，许多研究多载波通信的大学和实验室开始考虑如何解决以上两个问题。由于其固有的采用自适应调制和子载波间的功率分配的方便性，OFDM技术仍是未来宽带无线领域的一种优秀的调制技术。将软件无线电技术和智能天线技术与之结合，OFDM技术将获得更大的性能提高。越来越多的新的多载波通信思想结合了OFDM技术和单载波系统如扩频技术的优点。


　　2. 超宽带（UWB）技术


　　超宽带（UWB）调制技术采用上升和下降时间都非常快的基带脉冲成形，这样脉冲占用的带宽高达几GHz，因此最大数据传输速率可达几百Mbps。这样避免了传统的窄带调制技术所需的上变频过程。另外由于发射机的脉冲成形不经过上变频直接用于天线，UWB技术可以利用低成本的宽带发射设备。


　　UWB技术除了带宽大，通信速率高之外，还有许多其他有点。首先，UWB通信的保密性好，其系统发射功率谱密度非常低，有用信息完全淹没在噪声中，被检测到的概率很低。其次，UWB能抗多径衰落，因为UWB系统每次的脉冲发射时间很短，在反射波到达之前，直射波的发射和接收已经完成，所以UWB系统适合在高速移动环境下使用。而且，UWB通信被称为无载波的基带通信，它几乎是全数字通信系统，所需要的射频和微波器件很少，因此减小了系统复杂性。可以说，UWB通信是一种低成本、低功耗、高速率、简单有效的优秀无线通信方式。


　　2002年2月14日美国通信协会（FCC）批准了UWB用于短距离无线通信的申请。UWB的带宽被限制在3.1-10.6GHz范围内，该频带上的发射功率要求低于41dBm，这是为了保护GPS应用、以及航空和军事应用。


　　超短脉冲使应用UWB的雷达具有高的分辨率，而宽带宽使其拥有高的信号速率适用于下一代无线局域网。


　　3. 空-时处理


　　随着业务的扩展，由于频谱资源受限，无线业务提供商必须改进技术来扩大蜂窝系统的容量。通过小区分裂的办法可以增加容量，但是却以增加基站为代价。然而空-时技术和多输入多输出（MIMO）天线结构运用天线和差错控制编码充分利用了小尺度时间和空间分集，大大增加了频谱效率，用比小区分裂更低的成本增强了覆盖。而且空-时技术既可以应用于蜂窝系统又可以用于即兴（Ad hoc）网络结构。


　　多径是影响无线链路可靠性的主要因素。分集技术是减小深衰落影响的有效技术。过去绝大多数的分集都是基于接收端的，主要是从移动台到基站的上行链路。最近，更多的研究着眼于基站和移动台双方的空间分集。原因之一是工作在更高频率的新系统的发展。例如，载波频率高达2.4GHz或5GHz的无线设备需要的天线阵列的间隔并没有大大增加移动终端的体积。双发射分集已经被3GPP和3GPP2用来改善下行信道的数据速率，因为未来的无线多媒体业务对下行速率的要求大大高于上行速率。


　　通过合理的选择编码，可以实现时域上的分集；而发射端和接收端采用多天线，则提供了空间分集。这大大增加了频谱效率，并且用较低的复杂性（所有发射端的编码和接收端的处理都可以用线性处理实现）获得了分集增益和编码增益。研究结果表明多发射多接受天线结构采用最大可能检测器的信号与单发射双接收结构采用最大比合并结构获得的结果相同。这样分集的负担就在不影响性能的情况下转移到了发射端。


　　在闭环发射分集技术中，接收机会通过反馈消息将当前信号的特性提供给发射机，这样就能通过信号选择或预失真来补偿当前信道特性所带来的影响。显然闭环发射分集技术优于简单的“盲发射”STBC。除了STBC，“盲发射”分集也可以通过延迟分集结构实现，即不同的发射天线上的信号具有不同的延迟，因此避免了频率选择性信道。接收端的均衡器用训练序列来补偿信道失真，将具有不同延迟的各路信号进行合并就可以获得分集增益。这一方法的缺点是信道间的差异不是符号周期的整数倍，就会收到码间干扰的影响。在这种情况下，需要用接收端的反馈来调整延迟。


　　MIMO技术同时在发射和接收端应用多个天线来满足高速无线数据业务的需求。Bell实验室的分层空-时（BLAST）方案是MIMO系统的应用之一。该系统可以将无线系统的容量扩大m倍，其中m是发射天线数和接收天线数的较小值。与延迟分集结构类似，BLAST也没有采用信道编码，它通过多发射天线利用了多径，然后在接收端用先进的算法将信号进行合成。有关BLAST的研究主要集中在优化训练序列、检测算发，以及将BLAST技术与编码相结合。其中较成功的研究成果是垂直BLAST（V-BLAST），它的处理更为简化，使其成为了下一代室内和移动无线应用的有力竞争技术。


　　许多无线通信系统已经计划采用空-时码。例如宽带固定无线接入标准IEEE 802.16.3考虑将空-时码作为内码，里德-所罗门码作为外码。欧洲的WIND-FLEX项目在为室内应用的64到100Mbps的自适应调制解调器选择最优的发射和接收天线数量。第四代蜂窝移动通信标准计划在每个蜂窝内达到20的频谱效率，提供高达20Mbps的数据速率。空-时编码是可以达到这一要求的技术之一。


　　四、即兴（Ad hoc）网



　　以较低的成本获得高的数据速率是无线通信领域的关键。前面的介绍表明有许多物理层的技术可以实现这一目标。然而，未来无线通信网络的另一要素是在没有固有的网络结构的情况下存在的能力。因此，即兴（Ad hoc）网就成为了未来系统的关键技术。Ad hoc网络是在没有任何现存网络基础设施或集中管理的情况下通过一组移动节点的合作动态形成的临时网络结构。网络内部的链接是动态的，常常会因为节点的移动而断开。Ad hoc网络的历史可以追溯到1968年，当时刚刚兴起对ALOHA网络的研究。ALOHA的协议支持单跳网络（网络中的每一个节点都可以到达所以其他的节点）的分布式信道接入，但这最初用于固定网络节点。1973年，DARPA开始研究多跳的分组无线网络协议。多跳技术通过空间域的复用增大了网络的容量，不过这需要更为复杂的路由协议来支持。过去Ad hoc网络主要用于战场和灾区这些无法或不便预先敷设网络设施的场合。现在，随着新兴的无线技术如蓝牙技术的成熟，Ad hoc网络的商用前景也越来越被看好，各种便携设备如笔记本、移动电话、PDA、MP3播放器的互联成为可能。


　　现行的蜂窝系统要依靠集中控制和管理，而下一代移动无线系统的标准将努力朝Ad hoc的方向发展。例如HIPERLAN/2的直接模式，相邻的终端之间直接通信。蓝牙技术、IEEE 802.11的Ad hoc模式、IEEE 802.16的Ad hoc网络（MANET）、IEEE 802.15的个人领域网络（PAN）提供了分散的无线、接入和路由技术。因此Ad hoc无线网络具有广阔的发展前景。


　　由于Ad hoc网络没有预先确定的结构，加之网络链接的多变性，在设计和实施过程中存在一些关键性的技术挑战，包括：需要综合考虑安全性和路由问题，保证网络在分布式环境下有效运行；附加开销要在确保动态网络拓扑的条件下最小化（尽量降低路由表的更新频率）；通过合理的路由协议设计，多跳网络中链路容量的不稳定性要保证最小；网络链接（覆盖）、延时需求、网络容量和功率预算之间要合理折中；通过合理的应用功率控制机制和最优的媒质接入控制（MAC）设计，降低与其他技术之间的干扰。


　　五、结论



　　本文介绍了无线通信领域在未来的十几年内有可能蓬勃发展的若干新技术。相信Internet和无线通信将很快的融合起来。我们注意到无线通信领域的许多前沿技术都是室内的，现有的蜂窝/个人通信牌照的持有者和采用WLAN技术的Ad hoc网络的建立者之间将会有一场争夺接入的大战。


　　而对高数据速率的需求必将导致能提供高频谱效率的新的调制和编码技术。我们讨论了满足这一条件三种物理层技术：正交频分复用、超宽带传输、空-时调制/编码。我们相信无线技术将为未来的通信事业作出更杰出的贡献。
----《中国数据通信》