后3G关键技术探讨

任立刚 李真 宋梅 宋俊德 北京邮电大学
　　从2001年10月NTTDoCoMo开始提供3G商用业务以来，一些国家也陆续准备部署3G网络。但与此同时，世界各国也已经开始或者计划开始新一代移动通信技术的研究，争取在未来移动通信领域内占有一席之地。这里所提到的新一代移动通信是指后(beyond) 3G或者4G。目前普遍认为后3G的最高传输速率将超过100M（10M－100M）；能够实现全球无缝漫游；具有非常高的灵活性，能自适应地进行资源分配；支持下一代Internet（IPv6），而且是全IP网络；当然服务成本低也将是后3G的一个重要特征。

　　从技术的角度讲，未来4G移动通信的关键技术要在2G和3G技术的基础上演进，因此3G特别是改进后的3G关键技术将会是后3G的重要技术之一。

　　改进后3G中的关键技术

　　新近列入3GPP技术规范的改进后的3G技术有：

　　智能天线技术：智能天线是基于自适应天线原理，利用天线阵的波束赋形产生多个独立的波束，并自适应地调整波束方向来跟踪每一个用户，达到提高信号干扰噪声比SINR(Signal-to Interference and Noise Ratio),增加系统容量的目的。在3G的三个标准中的TD-SCDMA RTT中已经使用了智能天线。现在所研究的是如何将它使用在UTRA TDD及两种FDD系统中。所面临的将是如下两方面的问题：基带数字信号处理能力的问题；是否要修改物理层标准的问题。由于两种FDD（包括UTRA TDD）系统设计时没有考虑智能天线的应用，可能要修改其物理层设计。

　　软件无线电技术：软件无线电的基本思路是研制出一种基本的可编程硬件平台，只要在这个硬件平上改变相应软件即可形成不同标准的通信设施（如基站和终端）。这样无线通信新体制、新系统、新产品的研制开发将逐步由硬件为主转变为以软件为主。软件无线电的关键思想是尽可能在靠近天线的部位（中频，甚至射频），进行宽带A/D和D/A变换，然后用高速数字信号处理器（DSP）进行软件处理，以实现尽可能多的无线通信功能。软件无线电技术受到各界高度重视，如何用DSP和软件在公共硬件平台上解决各种不同制式的无线接口已成为很多公司研究的主要课题。在未来几年内，依靠传统的专用芯片来制造移动通信无线设备的概念将受到重大冲击。特别是最近几年内，第三代移动通信技术和标准都还在不断更新，使用软件无线电技术，才可能使产品的开发跟上技术的发展。

　　下行高速分组交换数据传输技术： 3G的业务在上下行将会呈现出很大的不对称性。对FDD来说，则非常需要能有效地支持不对称业务的一种技术。必须在现有3G技术基础上采用新技术。最近刚刚写入3GPP技术规范的高速下行分组接入（HSDPA）技术可以实现10.8M的高速下行数据，其中有很多令人瞩目的技术很可能就在未来4G的系统中得到应用。

　　HSDPA技术便是一种对多用户提供高速下行数据业务的技术。此技术特别适合于多媒体、Internet等大量下载信息的业务。在传输较高速率的业务数据时，通过在特定时隙中使用较高调制方式（8PSK、16QAM、甚至64QAM）来进行传输。在TD-SCDMA RTT中，已经使用8PSK来传输2Mb/s的业务。高通公司提出HDR技术，在CDMA 2000 1X中的某些时隙使用16QAM传输高速数据，在1.25MHz的带宽下可传输2Mb/s的数据，大量研究表明，采用若干新技术可使空中下行速率达到8Mb/s以上，若成功采用MIMO等技术还可达到20Mb/s以上。目前国际上对HSDPA技术的研究正在进行中，它是3GPP WG1组的一个研究热点，大量的技术提案基本上集中在像AMC和MIMO等几项技术上，这些技术将在后面介绍。

　　后3G可能的关键技术

　　在上面介绍的3G的各种关键技术中的智能天线、软件无线电等技术也必将成为后3G的核心技术之一。除时分、频分、码分等多址技术，还有一种空分多址的技术。空分多址目前可以由智能天线来实现。利用智能天线是实现空分多址，增加系统容量的关键。而未来新一代的蜂窝移动通信系统将会融合包括WLAN、LMDS、MMDS等各种无线接入网络形成一个统一的无线网络，多种无线网络意味着终端设备的多模式、多制式信号接收，这就需要软件无线电技术。很多业内专家认为，在未来5－8年内，所有的无线产品，包括基站和用户终端，均将使用软件无线电技术，都是在统一的硬件平台上，用不同软件来满足不同系统的要求。到那时，标准的差别，TDD和FDD等双工方式的差别，新技术的应用和产品的更新换代都变得非常简单，都将通过下载不同的软件来实现；除了这两种关键技术以外，2G和3G系统中使用的FDMA、TDMA、CDMA等多址技术也将是后3G技术的一部分，另外在HSDPA技术中也有很多引人注目的新技术，下面将这些可能的后3G关键技术做一介绍。

　　正交频分复用

　　未来的移动通信业务将从话音扩展到数据、图像、视频等多媒体业务，因此，对服务质量和传输速率的要求越来越高。这对移动通信系统的性能提出了更高的要求。因此，必须采用先进的技术有效地利用宝贵的频率资源，以满足高速率、大容量的业务需求；同时克服高速数据在无线信道下的多径衰落，降低噪声和多径干扰，达到改善系统性能的目的。正交频分复用（OFDM）在众多技术中显示出优越的性能。OFDM应用开始于20世纪60年代，主要用于军事通信中，但因其结构复杂限制了进一步推广。70年代，人们提出了采用离散傅氏变换实现多载波调制，由于FFT和IFFT易用DSP实现，使OFDM技术开始走向实用化。OFDM在频域把信道分成许多正交子信道，各子信道间保持正交，频谱相互重叠，这样减少了子信道间干扰，提高了频谱利用率。同时在每个子信道上信号带宽小于信道带宽，虽然整个信道的频率选择性是非平坦的，但是每个子信道是平坦的，大大减少了符号间干扰。此外，通过在OFDM中添加循环前缀可增加其抗多径衰落的能力。由于OFDM把整个信道分成相互正交的子信道，因此抗窄带干扰能力很强，因为这些干扰仅仅影响到一部分子信道。正是由于OFDM具有抗多径能力强，频谱利用率高的优点，因此受到广泛关注，人们不但认为在宽带无线接入领域采用OFDM是发展的趋势，而且它将成为未来移动通信系统的关键技术。

　　但是OFDM也有一些缺点，在实现OFDM系统时必须慎重考虑。在OFDM系统中是利用子信道的正交特性保证系统不存在子信道干扰。如果所需要的子信道的峰值频率与其它频率的零点不能完全一致，则导致载波间干扰；因此OFDM系统对载波频率偏移和相位噪声很敏感。二是峰值对平均功率（PAP）问题。由于OFDM信号是由各个子载波调制信号的和构成的，这样就会出现峰值功率远远大于平均功率的情况，使信号的动态范围变化较大，这种大的动态范围使得A/D和D/A变换器的选择更困难，因此必须使用高线性和低效率的射频放大器。

　　目前，OFDM技术良好的性能使其在很多领域得到了广泛的应用，如：HDSL、ADSL、VDSL、DAB和 DVB，无线局域网IEEE802.11a和HIPERLAN2，以及无线城域网IEEE802.16等系统中。

　　自适应调制和编码

　　实际的无线信道具有两大特点：时变特性和衰落特性。时变特性是由终端、反射体、散射体之间的相对运动或者仅仅是由于传输媒介的细微变化引起的。因此，无线信道的信道容量也是一个时变的随机变量，要最大限度地利用信道容量，只有使发送速率也是一个随信道容量变化的量，也就是使编码调制方式具有自适应特性。自适应调制和编码（AMC）根据信道的情况确定当前信道的容量，根据容量确定合适的编码调制方式等，以便最大限度地发送信息，实现比较高的速率。

　　AMC能提供可变化的调制编码方案（ 共七级调制方案）以适应每一个用户的信道质量，可提供高速率传输和高的频谱利用率。解调高次调制和需要的测量报告功能对UE（用户终端）提出了更高的要求。高阶调制另需一些如干扰消除器、更高的调制平衡器等新技术。

　　自适应编码调制技术主要包括RCPT（Rate Compatible Puncturing Turbo codes）和高阶调制（MSPK & M-QAM）的结合、H-ARQ和MIMO等。面临的技术挑战是AMC对测量误差和时延比较敏感。信道的测量误差将导致调度者选择错误的数据速率和发送功率，或者太高而浪费了系统的容量，或者太低而增加了系统的误帧率；信道测量报告的时延也会减少时变移动信道质量估计的可靠性。而且干扰的变化也将增加测量误差。

　　自适应编码调制系统，根据系统的C/I测量或者相似的测量报告决定编码和调制的格式，编码一般采用RCPT，调制可以采用BPSK、QPSK和一些高阶调制。RCPT即速率适配凿孔Turbo码，通常与H-ARQ-type-II或者H-ARQ-type-III结合使用。

　　高阶调制可以有效提高系统的频谱效率，并且由于高阶调制星座图上点集的密度增加，在衰落信道中，解调时对信道估计的要求比较高，对同步的精度要求随着阶数的增加而提高。而且一般也需要提高接收机的解调门限。常见的有8PSK、16QAM、增强型16QAM、64QAM.

　　混合ARQ协议

　　ARQ即自动请求重发，存在ARQ的通信链路一般都是闭环链路，存在一个反馈应答信号（ACK&NACK）。目前主要的ARQ技术有选择重传（Selective Repeat）和停止等待重传（Stop and Wait）两种。SR方法由于其复杂性和对手机容量的要求较高等原因而不作为主要的方案；双（多）信道SAW H-ARQ（Hybrid ARQ）由于控制开销小、机制简单，对手机容量要求低和信道利用率高等优点。

　　H-ARQ是一种链路自适应技术，是ARQ和FEC相结合的纠错方法，与FEC共同完成无差错传输保护。H-ARQ-type-I 的目的是使用FEC处理最常见的一些错误模式，比较少发生的错误模式由错误检测和ARQ处理。H-ARQ-type-I通常放弃触发ARQ以前接收的数据包；H-ARQ-type-II是存储重复发送的包并与这个包的后续传输合并，产生一个更可靠的包，合并的方式是编码合并和分集合并；H-ARQ-type-III属于一种增量ARQ，但不同之处在于每一次重传的信息都是可以自编码的。

　　AMC+H-ARQ可以形成最佳组合：AMC提供了粗糙的数据速率选择，H-ARQ则可以根据信道条件对数据速率做精细的调整。

　　多入多出天线（MIMO）

　　要提高系统的吞吐量，一个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。根据信息论最新成果,假定发送天线数为m,接收天线数是n,在每个天线发送信号能够被分离的情况下，有如下信道容量公式：

C=mlog2(n/m·SNR) n≥m

其中SNR是每个接收天线的信噪比。

　　根据这个工具,对于采用多天线阵发送和接收技术的系统,在理想情况下信道容量将随着m线型增加,从而提供了目前其他技术无法达到的容量潜力。其次，由于多天线阵发送和接收技术本质上是空间分集与时间分集技术的结合,有很好的抗干扰能力；进一步将多天线发送和接收技术结合信道编码技术,可以极大地提高通信系统的性能。这样导致了空时编码技术的产生,空时编码技术真正实现了空分多址,是将来无线通信中必然选择的技术之一。

　　MIMO天线阵列，是一种开环的MIMO技术，M个发送天线，使用编码重用 (Code re-use) 技术将同样的码集的每个码重复使用M次, 每个码用来调制不同的数据子流，这样在不增加码资源的基础上提高了原始数据的传输速率。为了分辨M个数据子流，在接收端也要使用多天线和空间信号处理。MIMO是一种能使HSDPA增加容量和提高峰值速率的技术，但受限于物理信道模型，会增加射频的复杂性，是HSDPA进一步发展的技术。

　　MIMO解调解扩接收机主要分成2个部分，一是空时RAKE接收机，主要功能是分离不同的扩频码扩频的信号，合并多径信号；二是VBLAST， 即对垂直空时码进行译码,分离出不同天线发送的空间叠加的信号。

　　为充分利用MIMO信道的容量,提出了不同的空时处理方案，贝尔实验室的Foschini等人提出了一种分层空时结构(BLAST：Bell Laboratories Layered Space-Time)，它将信源数据分成几个子数据流,独立地进行编码/调制, 因而它不是基于发射分集的。AT&T的Tarokh等人在发射延迟分集的基础上正式提出了基于发射分集的空时编码。同时，Alamouti提出了一种简单的发送分集方案，Tarokh等把它进一步推广提出了空时分组编码，由于它具有很低的译码复杂度，已经被正式列入WCDMA提案中。

　　空时编码是一种把编码、调制和空间分集结合起来的新兴技术，也将成为后3G技术中重要的一部分。目前空时发送分集（STTD）技术已经进入了3G协议，发送分集和接收分集可以提高系统的容量，将编码调制分集技术有机地结合起来。一个空时码就是一些T＊M阶码字矩阵所组成的集合。常见的空时码主要分为空时格码（STTC）、空时块码（STBC）、分层空时码（LASTC）,上面的STTD属于空时块码的特例。

　　除了上面介绍的MIMO技术和空时编码技术以外，将在新一代移动通信系统中可能采用的新技术还有：

　　TDD双工方式：3G和后3G业务的发展，绝大多数业务将是不对称的IP型业务。而在支持不对称业务方面，TDD双工方式具有先天的优势。因此在后3G中将可能采用TDD技术而不是FDD。

　　扩频编码技术：在CDMA系统中，一般扩频编码都是使用Walsh码。对此国内外专家都在研究效率更高的新的编码。现在国际上的研究热点是多维编码技术（配合正在研究的多维计算机技术），它可以成倍地提高编码效率，从而提高CDMA系统的容量。

　　时域技术：时域技术的基本出发点是，在一个亚纳秒级的窄脉冲上（其频域内带宽超过几个GHz）调制上行业务数据，仅需要非常低的发射功率就可能传输到相当远的距离，而且抗干扰能力很强，是一种很有应用前景的技术。

　　联合检测：常用的多用户检测的方法： 最大似然检测（MISE）方法，该方法性能最优，但计算量太大（与用户数成指数关系）；线性检测方法，主要包括解相关方法和最小均方误差(MMSE)方法，计算量与用户数成线性关系；干扰消除法，它的主要思想是对码元进行递归估计，减去前次估计的码元形成的用户间干扰（MAI）, 提高估计性能。目前多用户检测面临的问题有远近效应、异步问题、多径效应等。在此基础上人们提出联合检测，即多用户检测，同时使用均衡技术，以消除符号间干扰和码间干扰。传统的均衡技术需要用户发送训练序列，在GSM系统中，大约有20％的发送序列用于训练，由于训练序列的频繁发送，增加了大量的信道开销。盲信道均衡和盲识别技术的研究已经成为当今通信领域的一个热点。在信道的盲均衡中，用户不用发送训练序列，接收端通常只知道输出信号及输入信号的一些统计信息。目前已经提出了很多的盲均衡算法。但是这些算法速度慢而且很难收敛。另外联合接收与天线分集技术和Turbo码技术结合起来，可以得到更好的接收性能。使用联合检测技术可以有效地克服传播路径损耗、阴影效应和快衰落现象。

　　除了以上介绍的物理层和链路层技术以外，在网络层，后3G还需要有先进的RRM管理算法、有效的分组管理算法、快速灵活的接入管理控制等技术以满足未来移动通信不同的业务需求及其QoS要求。

摘自《通讯世界》2002.7