宽带移动通信的关键技术

摘要　随着第三代移动通信系统逐步实施，宽带移动通信的发展及演进问题成了研究热点，也引起了人们对相关关键技术的重视。文章在综合分析3G不足的基础上，提出了宽带移动通信发展的关键技术，并对关键技术的实现思路进行分析和阐述。

关键词　软件无线电　无线局域网　宽带　数字信号处理

1、引言

随着信息社会的到来，移动用户数量迅速增长，人们对移动通信的各种需求也与日俱增。从业务量预测来看，1999？2010年，预计面向话音业务的用户数将增长1.5倍，业务量增长2倍，而在2010年以后，语音类业务将停止增长，多媒体业务迅速膨胀。从整个上下行链路看，话音业务和多媒体业务量的比率将达到1：2。可见，用户对高速移动数据业务及多媒体业务的需求越来越迫切，现存的移动通信必须向着能够支持更高速率多媒体业务的宽带移动通信发展。第三代移动通信的目标是面向高速数据和多媒体应用，终端在室内可达2Mbit/s，步行时速率为384Kbit/s，高速车辆行走时为144kbit/s。3G要比2G优越得多，但3G仍然遗留了一些尚未解决的问题，其局限性主要体现在如下几个方面：

(1)难以支持更高速率的业务。各种不同QoS和性能要求的高速业务之间过多的干扰，使得采用CDMA技术的3G系统难以支持更高速率的业务，无法满足人们对未来高带宽业务的爆炸性要求。

(2)频谱资源的缺乏和带宽饱和。在12GHz频段附近分配给3G系统使用的可用带宽不久将饱和，而使用时分多址方式又受到无线管理部门的限制。

(3)在支持下一代的因特网协议(IPv6)方面存在困难。IPv6能满足庞大的3G设备对网络地址的需求。但在现有3G系统中难以实现支持新版本的因特网协议(IPv6)。

(4)要实现在不同频段间的不同业务环境中的漫游显得非常困难。

(5)无法提供全范围的多速率业务。由于受到3G空中接口标准的限制，3G系统难以提供具有不同QoS和性能要求的各种多速率业务。

(6)缺乏端到端的无线传输机制。用户在跨越一个可移动的子网(如蓝牙、PAN等)和固定网络时，3G缺乏端到端的无缝传输机制。

(7)费用高昂。由于3G运营商们在3G许可证上花费了数十亿美元的巨额费用，而且在构建3G网络时，为了克服一系列技术难题，提供吸引人的商业服务模式等方面又要花费大量开支。因此，运营商将会把这些费用转嫁到用户身上，使得3G的费用就变得格外高昂。

因此，为了解决3G中遇到的上述问题，满足人们对高速数据业务的需求，有必要开发具有更强大多媒体业务能力，能提供更多应用业务和更高传输容量的移动通信系统。

2、未来宽带移动通信系统的系统要求

2.1　高数据速率传输

如4G的传输速率要求10Mbit/s，可以把蓝牙、无线局域网和3G技术等结合在一起组成无缝的通信解决方案及相应的产品。5G的手机要求除了通话，接收丰富的多媒体信息外，还可以演示三维立体游戏，参与三维立体电视会议。

2.2　高移动性

4G蜂窝对移动目标至少提供2Mbit/s数据速率，尽管实现起来难度较大，但可通过智能运输系统(ITS)实现。ITS第一阶段将工作在5.8GHz，第二阶段将采用50-200Mbit/s。

2.3　大区域覆盖及各系统之间无缝漫游

由于将来目标数据速率比当前的系统高出2个数量级，因此小区的半径可以缩小，从而使覆盖区域减小。未来的移动通信系统包括室内的无线LAN、室外的宽带接入、ITS系统和HAPS系统，因此至关重要的是不同系统之间的无缝漫游。

2.4　高性能与低比特成本

提高每个单位区域容量，使比特成本需要大大降低，用户才能不用担心是否用得起。

2.5　无线QoS资源控制

由于Internet业务成本低廉而倍受青睐，而无线系统资源(频率和功率)是有限的且还得受拥塞困扰，所以无线QoS资源控制必须保证业务质量、支持各种级别的应用。

3、有关宽带移动通信的关键技术

3.1　OFDM、多载波技术

正交频分多路复用(OFDM)目前已经作为WLAN(ETSIHIPERLAN/2和IEEE 802.11a)和宽带无线接入的核心技术。OFDM多接入技术将信道分为许多窄的子信道来进行并行传输，可有效对抗多径衰落，应用在移动无线信道上可提供高比特速率传输；OFDM采用正交子载波，各子带之间可以很紧相邻，可大大提高频谱利用率；OFDM还可以在不同的子信道上自适应地分配传输负荷可优化总的传输速率。这些优点非常适合宽带传输。

选择OFDM作为宽带移动通信的核心技术，理由主要为OFDM、多载波技术能克服DS-CDMA在支持高速率数据传输时符号间干扰增大的问题，并且有频谱效率高，抗噪声能力相当强、适合高速数据传输，硬件实施简单等优点。因此OFDM、多载波技术被看作是未来可能的无线宽带高速移动通信系统的空中接口标准。尽管OFDM、多载波技术已不是一项新技术，但是将OFDM应用于新一代的无线宽带移动通信系统，尤其是OFDM、多载波作为一项核心技术和其他先进的发送和接收技术的结合，仍待研究。

3.2　软件无线电技术

实现宽带多网络间的透明无缝业务的另一方法是研究开发多模、多带终端，这种终端可自动进行模式识别，并可根据用户、网络指示或用户剖面及业务QoS要求自适应地进行模式切换跨网操作，由于终端复杂性的限制不可能在其上加载多个网络的软硬件系统，所以多采用软件无线技术实现可配置终端。基于软件无线技术开发可配置终端应具备的主要框架功能包括模式识别、模式转换、软件下载及可配置基带结构4部分，其中模式识别是支持系统间漫游的关键模块，其功能是发现、识别及监测新的无线接入技术(RAT)；模式转换要涉及终端和网络的重新配置以及网络资源的重新分配，必要时还需下载相应的软件，包括应用和业务提供软件、用于改变空中接口和承载业务的RAT协议栈以及一些安装需要的设备配置文件和许可等；为了适应不同模式RAT对基带功能如调制解调、FEC、译码等的不同要求，多模终端的基带必须可配置，即通过重新配置基带处理链上各节点的属性及功能满足模式切换或应用QoS的动态要求。

软件无线电被视为继模拟和数字技术后的又一次电子技术革命。其核心思想是：构造一个具有开放性、标准化、模块化的通用硬件平台，将各种功能，如工作频段、调制解调类型、数据格式、加密模式、通信协议等用软件来实现，并使宽带A/D和D/A转换器尽可能靠近天线，以研制出具有高度灵活性、开放性的新一代移动通信系统。

由于软件所具有的灵活性、廉价等特点，在软件无线电通信系统中可以实现多种通信体制的兼容，便于通信技术升级，同时可以引入多种先进的动态调整技术，从而大大提高无线通信系统的功能和服务质量，有利于各种通信新标准的实施和兼容，使无线通信系统实现极大的灵活性和开放性。随着无线网路的发展，各种无线电功能、组成和设计规范不断出现，特别是未来无缝多模式网路要求无线电终端和基站具有灵活的RF频段、信道接入模式、数据速率和应用功能。软件无线电可以通过灵活的应变能力提高业务质量。同时软件无线电结构简化了硬件组成，提供了快速适应新出现的标准管理方式。无线电接入点、小区和无线数据骨干网等这些基本设施结构可以通过安装新编程的软件满足不断变化的标准，而不用更换新的硬件设备。总之，软件无线电技术应用于无线系统和网络可实现网络的自我更新及演进功能，同样也具备基带可配置、开放的结构、模块及系统升级能力、适时的软件下载更新能力以及与终端及网管动态交互的能力等。软件无线电是实现不同多址接入方式兼容的最佳方案。利用软件无线电技术开发新一代的多模移动通信手机，可以实现一机在手，漫游天下的设想。随着移动通信和PCS业务的不断拓展，软件无线电必将成为移动通信中的主流技术。

3.3　无线局域网(WLAN)技术

无线局域网(WLAN)是利用射频技术实现无线通信的局域网络，对未来的宽带通信很有好处。该技术产生于20世纪80年代，但由于带宽和成本的制约，WLAN未得到广泛的应用。随着无线技术的成熟，WLAN已经逐步进入了推广阶段。IEEE 802.11b作为无线局域网的标准，使用2.4GHz的ISM频段，其最大用户速率是11Mbit/s，这可以在很大程度上缓解了移动用户对宽带数据业务的需求。无线局域网的组成包括无线网络接口卡(NIC)和无线接点（AP）。
 
　　WLAN利用常规的局域网(如10/100/1000Mbit/s以太网)及其互连设备(路由器)构成骨干支撑网，利用无线接入点(AP)和无线接入服务器(WAS)来支持移动终端(MT)的移动和漫游。无线接入服务器的作用是提供无线终端的接入管理和移动性管理。在无线接入服务器管辖的范围内(称为服务区)可支持多个小区。无线接入点的作用是完成WLAN和LAN之间的桥接，实现无线空中接口协议到LAN协议的转换，并实现小区的移动用户管理。在无线接入服务器中运行移动IP Serve服务器软件，在移动终端上运行移动IP Client便可支持移动IP功能。在未来宽带移动通信中，WLAN具有以下优点：(1)安装便捷。一般在网络建设中，施工周期最长、往往需要穿线架管。而WLAN只需安装AP设备。(2)易于扩展。WLAN就能胜任大小网络，并能提供"漫游"等有线无法提供的功能。另外，WLAN还可以实现和3G、GPRS等现行网络的融合。(3)便于移动。允许随时随地访问数据，可以在网络中漫游。另外，无线局域网采用直扩传输无线通讯，具有抗射频干扰强的特点。同时采用的智能放大器和天线等，具有理想的接收灵敏性，能够提供强大和可靠的无线传输。

3.4　先进的数据库管理和调度技术

宽带移动通信系统要实现任何地方任何人任何数据的通信，其核心技术就是如何定义数亿个用户的位置，如何高效管理庞大的用户信息和各种资源的数据库、快速调度和分配资源。调度算法负责控制信道在不同用户之间的分配，在很大程度上决定系统的整体性能。调度的决策是基于多方面的，如预测的信道质量、当前的网络负荷以及不同业务的优先级等。通过合理智能的调度、准确的信道估计、高效的资源分配可提高资源的利用率，提高信道传输的速率。不同网络因地域的分布差异及对资源管理可扩展性的需要，要求资源管理采用一种分布式结构，可采用固定网常用的智能代理方法。另外，未来宽带移动通信网的运营方法也会朝着网络提供者(NP)及业务提供者(SP)的格局发展，不同的SP向一个或多个NP购买容量，用户则向SP购买业务。不同的SP和NP有不同的商业模式和利益目标，资源管理不但要解决基于应用的容量分配问题，还要协商和平衡各代表实体的利益和要求。图2给出了一种基于代理的资源管理结构模型，它包含3个平面，资源代理、用户代理、SP代理和NP代理等位于不同的平面和层次，每一代理都由响应部分(负责快速响应请求)、思考部分(优化小区间分配)和协作部分(用于代理间的协调工作)组成。图3中3个平面的功能分别是：工具平面包含一些实体，负责保证协商平面的顺利、安全交互，为协商平面提供合约、协议和鉴权等支持，协商平面是用户、SP和NP交互的平面，提供本层各代理之间的通信接口和与相邻层的业务交互接口，资源平面是NP对其小区内及小区间资源进行管理的平面，负责管理所有的低层网络业务，包括切换和小区选择管理、小区大小管理以及超负荷时将业务向其它网络输送均衡的管理等。可以看出这个结构模型可提供各层次提供通信协调和交互，具有可扩展性，可用于未来高度复杂的网络结构和多变的应用要求。

3.5　自适应的端到端QoS保证

宽带移动通信的多种网络将采用统一的IP传输以实现互联和融合，但由于不同的接入网的传输特性以及采用的无线传输技术(RTT)等的差异，对IP分组的传输能力不同，而一个会话应用往往跨越多个网络，如何保证端到端的IP传输质量是个极具挑战的问题。通常，IP流会跨多网传输，对于保证端到端的QoS问题，可采用以下两种解决方案。一种是采用无线适配层，另一种是采用自适应终端和QoS代理。在第一种方案中，IP业务与经过的所有网络建立QoS合同，每个网络通过在IP层与RAT之间增加无线适配层(WAL)来保证各自的QoS合同，从而保证端到端的QoS。不同网络需要的WAL不同，但具有相同的结构和操作模式，一般包括传输链路层控制机制(负责补偿不同的无线媒体损耗，提高可靠性及网络吞吐量)和业务控制机制(负责根据业务延时要求进行资源优先级分配)。WAL是一个开放的解决方案，可以根据网络特点和业务要求，增加或删减处理模块，模块的功能和属性也可采用软件无线电技术进行自适应配置和升级如图所示。WAL可实现两大功能，一是使链路层业务处理与信道条件相适应，二是为不同类型的业务提供差分QoS支持前者的实现依赖两点，一是根据链路条件以及业务要求调用合适的链路层模块来提高链路的可靠性，二是可动态设置各模块算法对应的参数WAL可主动向下层无线网络发送测量请求，获得下层反馈来的信道条件作为WAL选择模块和参数的依据。WAL定义了类(class)和联系(association)的抽象，一个WAL类定义可提供的应用类型(如音频/视频流、大文件传输、交互式传输等)以及处理该类业务采用的链路层模块顺序，对同一类的处理模块及顺序相同，这样可以将IP定义的差分业务类与WAL类进行映射，为其提供链路层的支持联系包含两个含义即业务类及业务的发起或目标终端标识，通过Association可对同一用户的同一类业务统一进行处理，增强了处理的灵活性，并且可以考虑单个用户信道条件的瞬时变化WAL技术具有很强的灵活性和可发展性，可根据业务需要和技术进步增加业务类划分、新的处理模块等。第二种方法采用自适应终端和QoS代理，QoS代理位于无线接入网中，当终端检测到另一种更适合的网络模式时(包括重叠网络结构情况的模式切换和跨多网络时的模式间漫游)，通知当前网络中的QoS代理与新网络中的QoS代理进行业务QoS协商，协商完成时，新网络中的QoS代理已通知资源管理控制模块进行相应的资源预留，自适应终端也根据协商的结果，自适应地调整其业务参数，然后进行模式转换(即网间切换)，每次切换时进行同样操作也可保证端到端的QoS。

4、结束语

目前，对宽带移动通信进行确切定义还为时尚早，本文根据当前的研究方向及现状对和宽带移动通信相关的技术进行预测和分析，希望能对以后的研究有所帮助。