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基于宽带接入技术的未来几代移动通信
中兴通讯技术 卢仁华
一、概述
第一代移动通信(1G)始于20世纪70年代,基于模拟技术;第二代(2G)蜂窝通信系统出现在80年代,基于 数字技术,主要用于话音传输和支持电路交换。如GSM、IS54、PDC
IS95、DAMPS等,用户室内数据限于几十Kbps。IMT2000是在21世纪一开始引入的3G系统,可以提供室内2Mbps和室外144Kbps用户数据速率,但是多媒体的高速接入速度是无限制的,因此3G系统对于多媒体应用还存在局限性。
本文将讨论第四代和第五代移动通信系统要求。从广义上讲,4G及4G以后将包括若干个系统,不仅仅限于蜂窝电话系统,还包括许多新的通信系统如宽带无线接入系统、毫米波LAN、智能运输系统及高空同温层平台基站系统(HAPS),4G用于狭义的蜂窝电话时就是4G蜂窝系统。
未来几代移动通信必须满足高数据数率、高移动性和无缝覆盖(实现系统间如HDR与CELLAR、HAPS、ITS(智能运输系统)之间的切换,才能达到真正无缝覆盖),各代之间确实难以分清楚界限。从原理上讲要实现宽带高速数据率和高移动性比较困难,且系统性能(如小区的大小、传输数据率等)极大地取决于频带。考虑到这些技术因素,未来系统将包括若干个不同的系统,其中一些是专门为提供高速数据率业务的系统,其它则是解决覆盖和移动性问题。如果能把几个系统集成在另一个系统内,则可能同时提供高速数据和移动性业务。作为未来的系统有4G蜂窝、宽带无线接入系统、ITS和HAPS系统,这些已经在移动通信界引起了极大的兴趣。未来系统之间的无缝漫游乃是一个极为重要的概念。这里的无缝漫游将兼有高速数据、高速移动性和宽带固定接续。
二、未来移动通信系统的业务预测
一个新的无线系统的开发,其中最重要的是得到必需的频谱,以满足预测的业务要求。根据ITU-R TG 8/1对未来业务的预测和IM2000的需求,针对REGION-3亚洲地区的频谱做了计算,结果见图2。
从1999至2010年定向话音业务在1G、2G时代是主要业务,而在这期间增长仅1.5倍的用户数和2倍的业务量。但这并不是在2010年以后就放弃定向话音业务,而是广泛引入多媒体业务话音和多媒体业务,在2010年话音业务和多媒体业务之比将为1:2
(上下行链路)。 假如多媒体业务每年的增长为40%,到2015年则是当前水平的23倍,多媒体与话音业务之比10:1。40%的增长率是以存储器容量、硬盘容量(个人计算机)及CCD数增长为基础测出的。同时WEBSITE的增长每年也在40%。
因此ITU-R TG8/1得出的结论是对3G要分配另外的频率才能满足增长的需求。增加的带宽,2010年初定为160MHz,但是所增加的带宽主要取决于每个用户的业务增长比以及2010年后的继续增长,所以对大容量的4G蜂窝系统的研究必须适应2010年后发展的需求。
三、未来移动通信系统的系统要求
高数据速率传输
3G系统提供室内2Mbps和室外144Kbps数据率,5GHz无线LAN和无线宽带接入在日本(MMAC)、欧洲(HYPERLAN2)、美国(IEEE802.11)兴起,其传输速率将达到2-600Mbps。4G蜂窝最低目标速度为10-20Mbps,对移动车辆至少为2Mbps。
高移动性
4G蜂窝对移动目标至少提供2Mbps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,第二阶段将采用毫米波段,提供更高数据速率:50-200Mbps。
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。有人提出采用高空平台站,在离开地面20公里处的同温层用大型空间飞船作为通信平台(HAPS)。为了提高建筑物穿透性,采用大范围的可变传输速率。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。
高性能与低比特成本
4G系统每个单位区域容量至少是3G的10倍,因此比特成本需要大大降低,用户才能不用担心是否用得起。
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。
四、未来移动通信系统的几个候选方案
4G蜂窝系统
4G系统不仅容量大而且速度高、比特成本低,可以支持2010年的业务需求。为了用合理的带宽实现大容量,4G的小区半径应该缩小,目前的RAN结构没有优化成为微蜂窝网络,所以必须首先作好低比特成本的RAN网络结构。
基于IP技术的网络架构使得在3G、4G、W-LAN、固定网之间无缝漫游可以实现。这种网络的基本结构概念模型见图3所示。上层是应用层,中间是网络业务执行技术层,下层是物理层。物理层提供接入和选路功能,中间层作为桥接层提供QOS映射、地址转换、即插即用、安全管理,有源网络。物理层与中间层提供开放式IP接口。应用层与中间层之间也是开放式接口,提供第三方开发和提供新业务。
宽带无线接入及其本地网络
宽带无线接入系统采用5GHz和毫米波段,1996年日本就开始了称为“多媒体接入通信系统”(MMAC)的新研究。MMAC就是继IMT-2000之后的高性能无线系统,可以提供两类高速无线接入:第一类用于室内外宽带移动通信系统,用5.2GHz频段传输30Mbps的数据,该项目从2001年开始;第二类提供超高速W-LAN室内接入,传输速率达到600Mbps,采用60GHz频率,即毫米波。5GHz的MMAC系统和世界上其它系统类似,其数据速率高达30Mbps。但是这些系统不能提供大范围覆盖,也不能用于车辆业务环境,只能用于“热点地区”。研制出的毫米波样机可以演示60GHz的W-LAN与ATM或100-BASE以太网接口,其数据速率可以达到155Mbps。
智能运输系统(ITS)
ITS是新型的传送系统,由先进的信息通信网组成,为用户道路、车辆等提供信息与通信。ITS不仅提供道路情况、交通事故等,同时还能为驾驶员和乘客提供多媒体业务。
ITS由9个开发层面组成,包括导航系统、电子长途数据采集(ETC)、安全行车辅助系统等。数据采集(ETC)是利用两对5.8GHZ的频段进行连续的长途数据采集。ITS的潜在市场在日本估计有50万亿日元。ITS的通信系统分为路途车辆通信和车辆互通,其中最主要的是路途车辆通信。ITS系统在沿途布上光纤网,光纤无线收发信机是关键技术。
高空同温层平台站系统(HAPS)
HAPS 系统是有吸引力的多媒体通信系统,有可能成为大区制和卫星通信之后的第三个通信系统。平台站建在离开地面20km的同温层,若干个HAPS通过光互联链路可以在空中组成网状网。
宽带接入链路为平台站与用户站之间的链路,接入频率拟采用毫米波。在1997年11月瑞士日内瓦世界无线电大会上(WRC)分配给47/48GHz频段,600MHz带宽频谱用于HAPS。
HAPS可以支持各种用户终端:固定终端、便携终端、移动终端。典型的接入比特率为25Mbps,对于有些固定终端可达几百Mbps(天线比普通的要大)。
由于采用了毫米波频段,容许使用高增益小口径天线,如比特率为144Kbps时,采用5厘米直径、20dbi的碗形小天线。
五、关键技术
调制技术与信号传输
高频段上高速移动传输会产生严重的频率选择性衰落,调制/解调的鲁棒性研究可以克服这种频率选择性衰落。其中多载正交频分频调制(包括OFDM)以及单载波带自适应均衡都是可选方案。另外一个重要的要求是低Eb/N0值。由于接口端的噪声带宽宽,所以低Eb/N0能够实现合理的覆盖。高数据率发射台的功率控制(PTC)可以降低瑞利衰落,同样,增加导频快速跟踪调制器也能达到覆盖目的。
频率域的抗衰落方法如RAKE接收机和跳频技术同样必不可少。
高性能前向纠错(FEC)编码如TUEBO 编码技术、自动重发请求(ARQ)和分集接收技术是建立高速大容量网络的重要因素。所有这些都是为了改善Eb/N0值,对于增加容量也有效果。
传播
在无线传播和链路预算设计中,微波的传播特性和在最大速率20Mbps时宽带信号传播特性有待进一步研究。在研究60GHz室内传播时发现,采用环行极化和定向天线可以有效抑制多径效应,大大改善高速数字传输特性。室内多径传播对于不同的结构材料的实验已经开始,目的是寻找出反射和传播模型。
软件无线电技术
软件无线电技术主要涉及数字信号处理硬件(DSPH),像FPGA、DSP等通过软件无线电技术可以在不同的系统中只采用一个终端。软件无线电的实现需要解决两个问题:大容量软件设计;DSPH软件的实现还存在许多专利技术,如果下行链路类的软件无线电系统实现了,那么这些保密技术也就泄密了。
为了克服这些问题,推出了一种称为“参数受控软件无线电技术”,已经实现的样机有三种:ETC、GPS、PHS。
智能天线(SA)
SA具有干扰信号抑制、自动跟踪以及数字波束调节等智能功能,被认为是未来移动通信的关键技术。SA中有一种AAA天线(ADAPTIVE-ARRARY-ANTTENA)可以降低干扰和发射功率。采用AAA与ICE(干扰消除均衡器)可以消除干扰增加容量,其难点是对于衰落信道的估算、电路的实现较为困难,虽然信道衰落估算方法有许多,但重要的是估算方法的选用和处理器的配置。
光纤无线电
光纤无线电(ROF)被认为是很有前途和有研究价值的课题,尤其在路途车辆系统中,利用ROF技术我们可以将多业务无线电信号通过光纤传送。在日本可用的无线业务很多,比如PDC(800MHz/1500MHz)、PHS(1900MHz)、VICS(2.5GHz)、FM商用无线电(70-90MHz)、TV广播(90-770MHz)和ETC(5.8GHz)。为了降低空中接口数量,已经建议采用基于ROF的发送技术。
网络结构与协议
这部分包括适用于IP分组传输的空中接口、位置寄存、基站网络配置、无线QOS控制、网络配置和集成式3G--WLAN无缝业务控制。
为了解决城区密集业务,频率复用是关键,而且用微蜂窝实现无缝覆盖要比热点覆盖策略好,因为前者可以避免地理位置上的业务集中。
在处理多媒体业务时,智能无线资源管理是关键技术,不仅是频率资源而且包括发射功率控制和移动台的各种限制。无线资源管理者首先检查可用资源、前/后向链路质量、应用类别以及QOS业务用户级别,然后再指配适当的前/后向链路速率和发射功率。
基于IP技术的网络结构可以处理IP包,方便地提供全向功能,关键是选路/切换和鉴权策略。
器件
高频系统主要部件是RF电路,如高效率功放、超低温小型接收机、天线等。毫米波器件主要有双端器件、波导,作为有源单元与传输媒体。
但是波导的缺点是笨重、不灵活,而高速3端器件20年来已经改变了器件的命运,采用集成电路技术。与波导相比更加小型化、轻量化和适合商业生产。
基于铟-磷(INP)的高速电子迁移晶体管(HEMT),其最大震荡频率可达600GHz,而且从微波到毫米波均具有低的噪声优点。多级毫米波低噪声放大器(LNA)具有很好的性能(1.7DB-NF/62GHz)。
天线工作于毫米波段也是未来移动通信的关键器件,为了避免馈电电路的大衰耗,采用了几种类型的天线,如环行极化的全向柱状SLOTING-ARRAY基站天线、与MMAC集成的介质填充式GAUSSIAN波束天线等。
EMC和人体危害
电磁兼容性(EMC)的预测和对于人体的危害估计是极其重要的,尤其是高频段像毫米波和微米波这样的频率。
六、结论
未来几代移动通信系统将不仅包括蜂窝电话,还包括许多类型的通信系统,这里所讨论的有4G蜂窝、微波/毫米波宽带接入系统、智能运输系统、以及高空平台站系统。最关键的是未来多媒体通信和无线接入到固
定宽带网络技术,以及各个不同系统之间的无缝漫游。
摘自《中国数据网》
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