無線通信技術未來發展方向分析

摘 要 本文主要介紹了未來無線通信領域中幾項最關鍵的技術革新。隨著無線業務的擴展，對高數據速率通信的需求必將導致能提供高頻譜效率的新的調制和編碼技術。我們討論了滿足這一條件三種物理層技術：正交頻分復用、超寬帶傳輸、空-時調制/編碼。另外由于室內接入正成為無線通信領域的前沿，本文對寬帶局域網（WLAN）和即興（Ad hoc）網的應用也進行了探討。

　　關鍵詞 空-時處理 多輸入多輸出 超寬帶 正交頻分復用 即興網

　　一、概述

　　用戶和路由設備可以在網絡中隨機移動的即興（Ad hoc）網，已經成為了一個重要的研究領域，這種新興的技術必將擴展便攜式的接入，并且使突發情況下的通信成為可能。傳統的無線網絡中，網絡接入點固定接入到寬帶主干網上，而且對數據速率的要求越來越高，例如IEEE 802.11a/g要求54Mbps的數據速率。許多新技術應運而生，并將對無線通信領域產生重大影響。超寬帶（UWB）技術采用極短的脈沖信號來傳送信息，而脈沖所占用的帶寬高達幾GHz。與傳統的無線通信系統將基帶信號上變頻為射頻信號不同，UWB可以認為是基帶傳輸，不過剛好是在射頻頻率上而已。它可以在室內提供高達100Mbps的數據速率，而功率譜密度卻非常低。另一種高效的技術是正交頻分復用（OFDM）。它提供了以往的調制方式所沒有的多址接入和信號處理方式，使得無線網絡可以在較窄的頻帶上獲得較高的頻譜效率。上個世紀90年代的研究表明，在發射端和接收端采用多天線可以獲得很高的功率效率和頻譜效率。進一步的研究表明，這一系統在獨立的瑞利散射信道中獲得的理論數據速率與天線數成正比，并且接近最大香農容量的90%。朗訊的V-BLAST實驗室系統模型可以在平均信躁比24-34dB的室內環境中達到20-40bps/Hz的頻譜效率，而收發端采用16個天線時可以在30dB的信躁比下獲得60-70bps/Hz的頻偏效率。

　　下面我們將詳細的介紹以上這些技術以及它們在未來無線通信領域中的應用。

　　二、無線通信在室內接入中應用

　　傳統意義上說，人們只有在相對靜止的情況下才使用寬帶資源，而這些活動往往發生在室內。而眾所周知，無線通信技術的誕生最初是為了提供移動的語音業務，為旅途中的人們提供通信服務。

　　Internet的飛速發展得宜于Internet服務提供商（ISP）所提供的固定的室內連接，這些服務提供商往往與當地的有線運營商是同出一門。而與此形成鮮明對比的是，在無線通信領域，運營商為了購買帶寬資源的使用權、建設戶外的移動覆蓋投入了大量資本。因此他們一直難以涉足于室內領域。而且，所有現行的第二代數字無線通信系統都主要著眼于提供以話音為主的業務。這就在過去的若干年中將室內的數據通信業務拱手讓給了有線通信系統。

　　在未來十年，提供寬帶數據業務的室內無線接入將成為無線通信領域最重要的議題。蜂窩和個人通信的發展要求第三代無線設備以能為室內用戶提供類似于Internet的網絡業務為核心。絕大多數運營商都沒有現存的系統來提供這樣的室內覆蓋。這就為可以提供低成本的設備的基于無線局域網（WLAN）的新競爭者提供了一個切入點。

　　利用建筑物或校園內現有的有線以太網絡結構，就可以快速并廉價的使用WLAN，并可以達到比昂貴的3G蜂窩設備更高的數據率。隨著VoIP技術的發展，相信WLAN能進一步提供融合了電話和互聯網接入的移動/便攜無線業務，而不采用蜂窩結構。

　　現在有許多公司在努力將2.5G和3G的蜂窩技術于WLAN技術融合，生產出能完成各種室內鏈接和業務的手機等無線設備。

　　提到室內無線接入時，WLAN和現存并廣泛采用的基于IP的有線網絡結構將成為以無線電波為核心的蜂窩/個人移動通信系統的有力競爭者，而后者正試圖將其勢力范圍從戶外擴展到室內。與此同時WLAN也將涉足戶外，如觀光地和機場。

　　三、無線通信數據速率

　　接下來的十年中，高速無線數據業務將更為成熟。而使這成為現實的關鍵在于頻帶利用率的提高。在物理層，有三種技術將在這方面起到關鍵作用：正交頻分復用（OFDM）、空-時結構、以及超寬帶通信技術。

　　1. 正交頻分復用（OFDM）和多載波通信

　　正交頻分復用（OFDM）是多載波傳輸的特例，一個高速的數據流用多個低速的子載波進行傳輸。由于超大規模集成電路（VLSI）的進步，使得高速大規模的快速傅立葉變換（FFT）芯片成為可能，OFDM技術也成為了商用高速寬帶無線通信技術的主要候選。另外，OFDM技術還擁有許多獨特的性質使得它頗具吸引力：由于低速并行子載波上符號速率的增加，OFDM技術可以對抗多徑衰落和碼間干擾。（對于給定的延時擴展，OFDM接收機的復雜度大大小于單載波情況下使用均衡技術。）；OFDM技術通過運用自適應調制和子載波上的功率分配技術有效的利用了射頻頻帶資源，而這些都可以用可編程數字信號處理器實現；由于窄帶干擾只能作用于子載波的一小部分，OFDM技術因而具有了抗窄帶干擾能力；與其他寬帶接入技術不同，OFDM技術無需連續的帶寬資源；OFDM是單頻網絡成為可能，而這非常適用于廣播應用。

　　事實上，在過去的幾年，OFDM技術已廣泛用于寬帶數據通信中，如高達1.6Mb/s的高比特率數字用戶環路（HDSL）、高達6Mb/s的非對稱數字用戶環路（ADSL）、高達100Mb/s的超高數率數字用戶環路（VDSL）、數字音頻廣播、數字視頻廣播。OFDM還被引入新的無線局域網標準，包括IEEE 802.11a和IEEE 802.11g，在5GHz范圍提供高達54Mb/s的速率。在高性能局域網如HIPERLAN/2和ETSI-BRAN中也有采用。OFDM技術還被用于了IEEE 802.16的城域網標準和綜合業務數字廣播（ISDB-T）設備中。

　　當今的潮流表明，OFDM技術將成為第四代寬帶多媒體無線通信系統的調制技術。然而在該技術得以廣泛應用之前還有若干問題需要解決。與單載波調制相比，OFDM技術有以下缺點：

　　OFDM固有的較高峰均功率比（PAPR），這會降低射頻放大器的功率利用率。因為多載波系統的輸出是多個子信道信號的疊加，因此如果多個信號的相位一致，那么所得到的疊加信號的瞬時功率就會遠遠高于信號的平均功率。這就對發射機內放大器的線性提出了很高的要求，否則會帶來信號畸變，使信號頻譜發生變化，從而導致各個子信道間的正交性遭到破壞，產生干擾，使系統的性能惡化。

　　多載波系統對于頻率偏移和相位噪聲非常敏感。由于無線信道的時變性，在傳輸過程中出現無線信號的頻率偏移或發射機與接收機本地振蕩器之間存在的頻率偏差都會使OFDM系統子載波之間的正交性遭到破壞，產生子載波間的干擾（ICI），這將大大降低系統性能，除非采用適當的補償技術。

　　以上的問題影響了OFDM技術的廣泛應用。如ETSI的HIPERLAN/1標準在1996年曾考慮了OFDM技術，卻最終放棄。從那以后，許多研究多載波通信的大學和實驗室開始考慮如何解決以上兩個問題。由于其固有的采用自適應調制和子載波間的功率分配的方便性，OFDM技術仍是未來寬帶無線領域的一種優秀的調制技術。將軟件無線電技術和智能天線技術與之結合，OFDM技術將獲得更大的性能提高。越來越多的新的多載波通信思想結合了OFDM技術和單載波系統如擴頻技術的優點。

　　2. 超寬帶（UWB）技術

　　超寬帶（UWB）調制技術采用上升和下降時間都非常快的基帶脈沖成形，這樣脈沖占用的帶寬高達幾GHz，因此最大數據傳輸速率可達幾百Mbps。這樣避免了傳統的窄帶調制技術所需的上變頻過程。另外由于發射機的脈沖成形不經過上變頻直接用于天線，UWB技術可以利用低成本的寬帶發射設備。

　　UWB技術除了帶寬大，通信速率高之外，還有許多其他有點。首先，UWB通信的保密性好，其系統發射功率譜密度非常低，有用信息完全淹沒在噪聲中，被檢測到的概率很低。其次，UWB能抗多徑衰落，因為UWB系統每次的脈沖發射時間很短，在反射波到達之前，直射波的發射和接收已經完成，所以UWB系統適合在高速移動環境下使用。而且，UWB通信被稱為無載波的基帶通信，它幾乎是全數字通信系統，所需要的射頻和微波器件很少，因此減小了系統復雜性。可以說，UWB通信是一種低成本、低功耗、高速率、簡單有效的優秀無線通信方式。

　　2002年2月14日美國通信協會（FCC）批準了UWB用于短距離無線通信的申請。UWB的帶寬被限制在3.1-10.6GHz范圍內，該頻帶上的發射功率要求低于41dBm，這是為了保護GPS應用、以及航空和軍事應用。

　　超短脈沖使應用UWB的雷達具有高的分辨率，而寬帶寬使其擁有高的信號速率適用于下一代無線局域網。

　　3. 空-時處理

　　隨著業務的擴展，由于頻譜資源受限，無線業務提供商必須改進技術來擴大蜂窩系統的容量。通過小區分裂的辦法可以增加容量，但是卻以增加基站為代價。然而空-時技術和多輸入多輸出（MIMO）天線結構運用天線和差錯控制編碼充分利用了小尺度時間和空間分集，大大增加了頻譜效率，用比小區分裂更低的成本增強了覆蓋。而且空-時技術既可以應用于蜂窩系統又可以用于即興（Ad hoc）網絡結構。

　　多徑是影響無線鏈路可靠性的主要因素。分集技術是減小深衰落影響的有效技術。過去絕大多數的分集都是基于接收端的，主要是從移動臺到基站的上行鏈路。最近，更多的研究著眼于基站和移動臺雙方的空間分集。原因之一是工作在更高頻率的新系統的發展。例如，載波頻率高達2.4GHz或5GHz的無線設備需要的天線陣列的間隔并沒有大大增加移動終端的體積。雙發射分集已經被3GPP和3GPP2用來改善下行信道的數據速率，因為未來的無線多媒體業務對下行速率的要求大大高于上行速率。

　　通過合理的選擇編碼，可以實現時域上的分集；而發射端和接收端采用多天線，則提供了空間分集。這大大增加了頻譜效率，并且用較低的復雜性（所有發射端的編碼和接收端的處理都可以用線性處理實現）獲得了分集增益和編碼增益。研究結果表明多發射多接受天線結構采用最大可能檢測器的信號與單發射雙接收結構采用最大比合并結構獲得的結果相同。這樣分集的負擔就在不影響性能的情況下轉移到了發射端。

　　在閉環發射分集技術中，接收機會通過反饋消息將當前信號的特性提供給發射機，這樣就能通過信號選擇或預失真來補償當前信道特性所帶來的影響。顯然閉環發射分集技術優于簡單的“盲發射”STBC。除了STBC，“盲發射”分集也可以通過延遲分集結構實現，即不同的發射天線上的信號具有不同的延遲，因此避免了頻率選擇性信道。接收端的均衡器用訓練序列來補償信道失真，將具有不同延遲的各路信號進行合并就可以獲得分集增益。這一方法的缺點是信道間的差異不是符號周期的整數倍，就會收到碼間干擾的影響。在這種情況下，需要用接收端的反饋來調整延遲。

　　MIMO技術同時在發射和接收端應用多個天線來滿足高速無線數據業務的需求。Bell實驗室的分層空-時（BLAST）方案是MIMO系統的應用之一。該系統可以將無線系統的容量擴大m倍，其中m是發射天線數和接收天線數的較小值。與延遲分集結構類似，BLAST也沒有采用信道編碼，它通過多發射天線利用了多徑，然后在接收端用先進的算法將信號進行合成。有關BLAST的研究主要集中在優化訓練序列、檢測算發，以及將BLAST技術與編碼相結合。其中較成功的研究成果是垂直BLAST（V-BLAST），它的處理更為簡化，使其成為了下一代室內和移動無線應用的有力競爭技術。

　　許多無線通信系統已經計劃采用空-時碼。例如寬帶固定無線接入標準IEEE 802.16.3考慮將空-時碼作為內碼，里德-所羅門碼作為外碼。歐洲的WIND-FLEX項目在為室內應用的64到100Mbps的自適應調制解調器選擇最優的發射和接收天線數量。第四代蜂窩移動通信標準計劃在每個蜂窩內達到20的頻譜效率，提供高達20Mbps的數據速率。空-時編碼是可以達到這一要求的技術之一。

　　四、即興（Ad hoc）網

　　以較低的成本獲得高的數據速率是無線通信領域的關鍵。前面的介紹表明有許多物理層的技術可以實現這一目標。然而，未來無線通信網絡的另一要素是在沒有固有的網絡結構的情況下存在的能力。因此，即興（Ad hoc）網就成為了未來系統的關鍵技術。Ad hoc網絡是在沒有任何現存網絡基礎設施或集中管理的情況下通過一組移動節點的合作動態形成的臨時網絡結構。網絡內部的鏈接是動態的，常常會因為節點的移動而斷開。Ad hoc網絡的歷史可以追溯到1968年，當時剛剛興起對ALOHA網絡的研究。ALOHA的協議支持單跳網絡（網絡中的每一個節點都可以到達所以其他的節點）的分布式信道接入，但這最初用于固定網絡節點。1973年，DARPA開始研究多跳的分組無線網絡協議。多跳技術通過空間域的復用增大了網絡的容量，不過這需要更為復雜的路由協議來支持。過去Ad hoc網絡主要用于戰場和災區這些無法或不便預先敷設網絡設施的場合。現在，隨著新興的無線技術如藍牙技術的成熟，Ad hoc網絡的商用前景也越來越被看好，各種便攜設備如筆記本、移動電話、PDA、MP3播放器的互聯成為可能。

　　現行的蜂窩系統要依靠集中控制和管理，而下一代移動無線系統的標準將努力朝Ad hoc的方向發展。例如HIPERLAN/2的直接模式，相鄰的終端之間直接通信。藍牙技術、IEEE 802.11的Ad hoc模式、IEEE 802.16的Ad hoc網絡（MANET）、IEEE 802.15的個人領域網絡（PAN）提供了分散的無線、接入和路由技術。因此Ad hoc無線網絡具有廣闊的發展前景。

　　由于Ad hoc網絡沒有預先確定的結構，加之網絡鏈接的多變性，在設計和實施過程中存在一些關鍵性的技術挑戰，包括：需要綜合考慮安全性和路由問題，保證網絡在分布式環境下有效運行；附加開銷要在確保動態網絡拓撲的條件下最小化（盡量降低路由表的更新頻率）；通過合理的路由協議設計，多跳網絡中鏈路容量的不穩定性要保證最小；網絡鏈接（覆蓋）、延時需求、網絡容量和功率預算之間要合理折中；通過合理的應用功率控制機制和最優的媒質接入控制（MAC）設計，降低與其他技術之間的干擾。

　　五、結論

　　本文介紹了無線通信領域在未來的十幾年內有可能蓬勃發展的若干新技術。相信Internet和無線通信將很快的融合起來。我們注意到無線通信領域的許多前沿技術都是室內的，現有的蜂窩/個人通信牌照的持有者和采用WLAN技術的Ad hoc網絡的建立者之間將會有一場爭奪接入的大戰。

　　而對高數據速率的需求必將導致能提供高頻譜效率的新的調制和編碼技術。我們討論了滿足這一條件三種物理層技術：正交頻分復用、超寬帶傳輸、空-時調制/編碼。我們相信無線技術將為未來的通信事業作出更杰出的貢獻。
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