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影響無線通信未來的幾項技術(shù)革新
一、概述
用戶和路由設(shè)備可以在網(wǎng)絡中隨機移動的即興(Ad hoc)網(wǎng)，已經(jīng)成為了一個重要的研究領(lǐng)域，這種新興的技術(shù)必將擴展便攜式的接入，并且使突發(fā)情況下的通信成為可能。傳統(tǒng)的無線網(wǎng)絡中，網(wǎng)絡接入點固定接入到寬帶主干網(wǎng)上，而且對數(shù)據(jù)速率的要求越來越高，例如IEEE 802.11a/g要求54Mbps的數(shù)據(jù)速率。許多新技術(shù)應運而生，并將對無線通信領(lǐng)域產(chǎn)生重大影響。
超寬帶(UWB)技術(shù)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(tǒng)的無線通信系統(tǒng)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(nèi)提供高達100Mbps的數(shù)據(jù)速率，而功率譜密度卻非常低。
另一種高效的技術(shù)是正交頻分復用(OFDM)。它提供了以往的調(diào)制方式所沒有的多址接入和信號處理方式，使得無線網(wǎng)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(fā)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(tǒng)在獨立的瑞利散射信道中獲得的理論數(shù)據(jù)速率與天線數(shù)成正比，并且接近最大香農(nóng)容量的90%。朗訊的V-BLAST實驗室系統(tǒng)模型可以在平均信躁比24-34dB的室內(nèi)環(huán)境中達到20-40bps/Hz的頻譜效率，而收發(fā)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(shù)以及它們在未來無線通信領(lǐng)域中的應用。
二、無線通信在室內(nèi)接入中應用
傳統(tǒng)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(fā)生在室內(nèi)。而眾所周知，無線通信技術(shù)的誕生最初是為了提供移動的語音業(yè)務，為旅途中的人們提供通信服務。
Internet的飛速發(fā)展得宜于Internet服務提供商(ISP)所提供的固定的室內(nèi)連接，這些服務提供商往往與當?shù)氐挠芯�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(lǐng)域，運營商為了購買帶寬資源的使用權(quán)、建設(shè)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(nèi)領(lǐng)域。而且，所有現(xiàn)行的第二代數(shù)字無線通信系統(tǒng)都主要著眼于提供以話音為主的業(yè)務。這就在過去的若干年中將室內(nèi)的數(shù)據(jù)通信業(yè)務拱手讓給了有線通信系統(tǒng)。
在未來十年，提供寬帶數(shù)據(jù)業(yè)務的室內(nèi)無線接入將成為無線通信領(lǐng)域最重要的議題。蜂窩和個人通信的發(fā)展要求第三代無線設(shè)備以能為室內(nèi)用戶提供類似于Internet的網(wǎng)絡業(yè)務為核心。絕大多數(shù)運營商都沒有現(xiàn)存的系統(tǒng)來提供這樣的室內(nèi)覆蓋。這就為可以提供低成本的設(shè)備的基于無線局域網(wǎng)(WLAN)的新競爭者提供了一個切入點。
利用建筑物或校園內(nèi)現(xiàn)有的有線以太網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，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(shè)備更高的數(shù)據(jù)率。隨著VoIP技術(shù)的發(fā)展，相信WLAN能進一步提供融合了電話和互聯(lián)網(wǎng)接入的移動/便攜無線業(yè)務，而不采用蜂窩結(jié)構(gòu)。現(xiàn)在有許多公司在努力將2.5G和3G的蜂窩技術(shù)于WLAN技術(shù)融合，生產(chǎn)出能完成各種室內(nèi)鏈接和業(yè)務的手機等無線設(shè)備。
提到室內(nèi)無線接入時，WLAN和現(xiàn)存并廣泛采用的基于IP的有線網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)將成為以無線電波為核心的蜂窩/個人移動通信系統(tǒng)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(nèi)。與此同時WLAN也將涉足戶外，如觀光地和機場。
三、無線通信數(shù)據(jù)速率
接下來的十年中，高速無線數(shù)據(jù)業(yè)務將更為成熟。而使這成為現(xiàn)實的關(guān)鍵在于頻帶利用率的提高。在物理層，有三種技術(shù)將在這方面起到關(guān)鍵作用：正交頻分復用(OFDM)、空-時結(jié)構(gòu)、以及超寬帶通信技術(shù)。
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?shù)奶乩�，一個高速的數(shù)據(jù)流用多個低速的子載波進行傳輸。由于超大規(guī)模集成電路(VLSI)的進步，使得高速大規(guī)模的快速傅立葉變換(FFT)芯片成為可能，OFDM技術(shù)也成為了商用高速寬帶無線通信技術(shù)的主要候選。另外，OFDM技術(shù)還擁有許多獨特的性質(zhì)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(shù)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(shù)。)；OFDM技術(shù)通過運用自適應調(diào)制和子載波上的功率分配技術(shù)有效的利用了射頻頻帶資源，而這些都可以用可編程數(shù)字信號處理器實現(xiàn)；由于窄帶干擾只能作用于子載波的一小部分，OFDM技術(shù)因而具有了抗窄帶干擾能力；與其他寬帶接入技術(shù)不同，OFDM技術(shù)無需連續(xù)的帶寬資源；OFDM是單頻網(wǎng)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(shù)已廣泛用于寬帶數(shù)據(jù)通信中，如高達1.6Mb/s的高比特率數(shù)字用戶環(huán)路(HDSL)、高達6Mb/s的非對稱數(shù)字用戶環(huán)路(ADSL)、高達100Mb/s的超高數(shù)率數(shù)字用戶環(huán)路(VDSL)、數(shù)字音頻廣播、數(shù)字視頻廣播。OFDM還被引入新的無線局域網(wǎng)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(wǎng)如HIPERLAN/2和ETSI-BRAN中也有采用。OFDM技術(shù)還被用于了IEEE 802.16的城域網(wǎng)標準和綜合業(yè)務數(shù)字廣播(ISDB-T)設(shè)備中。
當今的潮流表明，OFDM技術(shù)將成為第四代寬帶多媒體無線通信系統(tǒng)的調(diào)制技術(shù)。然而在該技術(shù)得以廣泛應用之前還有若干問題需要解決。與單載波調(diào)制相比，OFDM技術(shù)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(tǒng)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(fā)射機內(nèi)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(fā)生變化，從而導致各個子信道間的正交性遭到破壞，產(chǎn)生干擾，使系統(tǒng)的性能惡化。
多載波系統(tǒng)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(xiàn)無線信號的頻率偏移或發(fā)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(tǒng)子載波之間的正交性遭到破壞，產(chǎn)生子載波間的干擾(ICI)，這將大大降低系統(tǒng)性能，除非采用適當?shù)难a償技術(shù)。
以上的問題影響了OFDM技術(shù)的廣泛應用。如ETSI的HIPERLAN/1標準在1996年曾考慮了OFDM技術(shù)，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(diào)制和子載波間的功率分配的方便性，OFDM技術(shù)仍是未來寬帶無線領(lǐng)域的一種優(yōu)秀的調(diào)制技術(shù)。將軟件無線電技術(shù)和智能天線技術(shù)與之結(jié)合，OFDM技術(shù)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(jié)合了OFDM技術(shù)和單載波系統(tǒng)如擴頻技術(shù)的優(yōu)點。
2. 超寬帶(UWB)技術(shù)
超寬帶(UWB)調(diào)制技術(shù)采用上升和下降時間都非�？斓幕鶐}沖成形，這樣脈沖占用的帶寬高達幾GHz，因此最大數(shù)據(jù)傳輸速率可達幾百Mbps。這樣避免了傳統(tǒng)的窄帶調(diào)制技術(shù)所需的上變頻過程。另外由于發(fā)射機的脈沖成形不經(jīng)過上變頻直接用于天線，UWB技術(shù)可以利用低成本的寬帶發(fā)射設(shè)備。
UWB技術(shù)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(tǒng)發(fā)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(tǒng)每次的脈沖發(fā)射時間很短，在反射波到達之前，直射波的發(fā)射和接收已經(jīng)完成，所以UWB系統(tǒng)適合在高速移動環(huán)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(shù)字通信系統(tǒng)，所需要的射頻和微波器件很少，因此減小了系統(tǒng)復雜性�？梢哉f，UWB通信是一種低成本、低功耗、高速率、簡單有效的優(yōu)秀無線通信方式。
2002年2月14日美國通信協(xié)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(nèi)，該頻帶上的發(fā)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(wǎng)。
3. 空-時處理
隨著業(yè)務的擴展，由于頻譜資源受限，無線業(yè)務提供商必須改進技術(shù)來擴大蜂窩系統(tǒng)的容量。通過小區(qū)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(shù)和多輸入多輸出(MIMO)天線結(jié)構(gòu)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(qū)分裂更低的成本增強了覆蓋。而且空-時技術(shù)既可以應用于蜂窩系統(tǒng)又可以用于即興(Ad hoc)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。
多徑是影響無線鏈路可靠性的主要因素。分集技術(shù)是減小深衰落影響的有效技術(shù)。過去絕大多數(shù)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(tǒng)的發(fā)展。例如，載波頻率高達2.4GHz或5GHz的無線設(shè)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(fā)射分集已經(jīng)被3GPP和3GPP2用來改善下行信道的數(shù)據(jù)速率，因為未來的無線多媒體業(yè)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(xiàn)時域上的分集；而發(fā)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(fā)射端的編碼和接收端的處理都可以用線性處理實現(xiàn))獲得了分集增益和編碼增益。研究結(jié)果表明多發(fā)射多接受天線結(jié)構(gòu)采用最大可能檢測器的信號與單發(fā)射雙接收結(jié)構(gòu)采用最大比合并結(jié)構(gòu)獲得的結(jié)果相同。這樣分集的負擔就在不影響性能的情況下轉(zhuǎn)移到了發(fā)射端。
在閉環(huán)發(fā)射分集技術(shù)中，接收機會通過反饋消息將當前信號的特性提供給發(fā)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(huán)發(fā)射分集技術(shù)優(yōu)于簡單的“盲發(fā)射”STBC。除了STBC，“盲發(fā)射”分集也可以通過延遲分集結(jié)構(gòu)實現(xiàn)，即不同的發(fā)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(shù)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(diào)整延遲。
MIMO技術(shù)同時在發(fā)射和接收端應用多個天線來滿足高速無線數(shù)據(jù)業(yè)務的需求。Bell實驗室的分層空-時(BLAST)方案是MIMO系統(tǒng)的應用之一。該系統(tǒng)可以將無線系統(tǒng)的容量擴大m倍，其中m是發(fā)射天線數(shù)和接收天線數(shù)的較小值。與延遲分集結(jié)構(gòu)類似，BLAST也沒有采用信道編碼，它通過多發(fā)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(guān)BLAST的研究主要集中在優(yōu)化訓練序列、檢測算發(fā)，以及將BLAST技術(shù)與編碼相結(jié)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(nèi)和移動無線應用的有力競爭技術(shù)。
許多無線通信系統(tǒng)已經(jīng)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(nèi)碼，里德-所羅門碼作為外碼。歐洲的WIND-FLEX項目在為室內(nèi)應用的64到100Mbps的自適應調(diào)制解調(diào)器選擇最優(yōu)的發(fā)射和接收天線數(shù)量。第四代蜂窩移動通信標準計劃在每個蜂窩內(nèi)達到20的頻譜效率，提供高達20Mbps的數(shù)據(jù)速率�？�-時編碼是可以達到這一要求的技術(shù)之一。
四、即興(Ad hoc)網(wǎng)
以較低的成本獲得高的數(shù)據(jù)速率是無線通信領(lǐng)域的關(guān)鍵。前面的介紹表明有許多物理層的技術(shù)可以實現(xiàn)這一目標。然而，未來無線通信網(wǎng)絡的另一要素是在沒有固有的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的情況下存在的能力。因此，即興(Ad hoc)網(wǎng)就成為了未來系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。Ad hoc網(wǎng)絡是在沒有任何現(xiàn)存網(wǎng)絡基礎(chǔ)設(shè)施或集中管理的情況下通過一組移動節(jié)點的合作動態(tài)形成的臨時網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。網(wǎng)絡內(nèi)部的鏈接是動態(tài)的，常常會因為節(jié)點的移動而斷開。Ad hoc網(wǎng)絡的歷史可以追溯到1968年，當時剛剛興起對ALOHA網(wǎng)絡的研究。ALOHA的協(xié)議支持單跳網(wǎng)絡(網(wǎng)絡中的每一個節(jié)點都可以到達所以其他的節(jié)點)的分布式信道接入，但這最初用于固定網(wǎng)絡節(jié)點。1973年，DARPA開始研究多跳的分組無線網(wǎng)絡協(xié)議。多跳技術(shù)通過空間域的復用增大了網(wǎng)絡的容量，不過這需要更為復雜的路由協(xié)議來支持。過去Ad hoc網(wǎng)絡主要用于戰(zhàn)場和災區(qū)這些無法或不便預先敷設(shè)網(wǎng)絡設(shè)施的場合�，F(xiàn)在，隨著新興的無線技術(shù)如藍牙技術(shù)的成熟，Ad hoc網(wǎng)絡的商用前景也越來越被看好，各種便攜設(shè)備如筆記本、移動電話、PDA、MP3播放器的互聯(lián)成為可能。
現(xiàn)行的蜂窩系統(tǒng)要依靠集中控制和管理，而下一代移動無線系統(tǒng)的標準將努力朝Ad hoc的方向發(fā)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(shù)、IEEE 802.11的Ad hoc模式、IEEE 802.16的Ad hoc網(wǎng)絡(MANET)、IEEE 802.15的個人領(lǐng)域網(wǎng)絡(PAN)提供了分散的無線、接入和路由技術(shù)。因此Ad hoc無線網(wǎng)絡具有廣闊的發(fā)展前景。
由于Ad hoc網(wǎng)絡沒有預先確定的結(jié)構(gòu)，加之網(wǎng)絡鏈接的多變性，在設(shè)計和實施過程中存在一些關(guān)鍵性的技術(shù)挑戰(zhàn)，包括：需要綜合考慮安全性和路由問題，保證網(wǎng)絡在分布式環(huán)境下有效運行；附加開銷要在確保動態(tài)網(wǎng)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(xié)議設(shè)計，多跳網(wǎng)絡中鏈路容量的不穩(wěn)定性要保證最��；網(wǎng)絡鏈接(覆蓋)、延時需求、網(wǎng)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(yōu)的媒質(zhì)接入控制(MAC)設(shè)計，降低與其他技術(shù)之間的干擾。
五、結(jié)論
本文介紹了無線通信領(lǐng)域在未來的十幾年內(nèi)有可能蓬勃發(fā)展的若干新技術(shù)。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(lǐng)域的許多前沿技術(shù)都是室內(nèi)的，現(xiàn)有的蜂窩/個人通信牌照的持有者和采用WLAN技術(shù)的Ad hoc網(wǎng)絡的建立者之間將會有一場爭奪接入的大戰(zhàn)。
而對高數(shù)據(jù)速率的需求必將導致能提供高頻譜效率的新的調(diào)制和編碼技術(shù)。我們討論了滿足這一條件三種物理層技術(shù)：正交頻分復用、超寬帶傳輸、空-時調(diào)制/編碼。我們相信無線技術(shù)將為未來的通信事業(yè)作出更杰出的貢獻。
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