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B3G移动通信关键技术

工程师
2008-03-26 17:05:01    评分
.1. 通信发展与市场需求
自移动通信诞生之日起,其主流业务一直是人与人之间通过移动通信系统用语音进行沟通的语音业务。随着Internet及多媒体技术的快速发展, 用户越来越不满足这种人与人之间的单一通信方式。人们希望移动通信系统能够提供更丰富的业务,例如因特网接入、图像传送、视频点播、数据互传、实时电视节目等数据或多媒体业务。同时也希望从目前的人与人之间的通信发展到人与机器、 机器与机器之间的通信。此外,对于运营商来说,则更希望下一代的通信系统能够更易于加载各类新业务及融合新技术,而无需频繁地进行系统结构和设备的变动,这些需求将会使得移动通信模式发生较大的变化。
为适应人们对移动通信越来越高的要求,2000年10月6日,国际电信联盟(ITU)在加拿大蒙特利尔市成立了IMT-2000(International Mobile Telecommunications-2000)and Beyond工作组,负责协调分布在欧洲、美洲、亚洲等世界各地的无线通信技术研发机构和通信设备制造公司对B3G的研究与标准化工作。我国在2002年3月正式宣布启动对B3G通信系统的研究工作,并于2004年4月正式启动B3G移动通信技术的标准化进程。
依照国内外对未来移动通信技术的普遍看法,B3G系统至少应具备以下6个基本特征。
(1)具有很高的传输速率和传输质量
未来的移动通信系统应该能够承载大量的多媒体信息,因此要具备达到100Mbit/s~1Gbit/s的最大传输速率、较大地域的连续覆盖、QoS(Quality of Service)保证机制、很低的比特开销等性能。
(2)灵活多样的业务功能
未来的移动通信网络应能使各类媒体、通信主机及网络之间完成“无缝”连接,使得用户能够自由地在各种网络环境间无缝漫游,并觉察不到业务质量上的变化,因此新的通信系统要支持网间移动管理及相应的认证、鉴权、代理等功能。
(3)开放的平台
未来的移动通信系统应在移动终端、业务节点及移动网络机制上具有“开放性”,使得用户能够自由地选择协议、应用和网络。让应用业务提供商(ASP, Application Service Provider)及内容提供商(ACP,Application Content Provider)能够提供独立于操作的业务及内容。使定位信息和计费信息能够在各个网络和各类应用之间共享。改良的安全机制能够作用于广泛的功能范围。
(4)高度智能化的网络
未来的移动通信网将是一个高度自治、自适应的网络,具有很好的重构性、可变性、自组织性等,以便于满足不同用户在不同环境下的通信需求。
(5)高度可靠的鉴权及安全机制
未来的移动通信网将是一个基于分组数据的网络,具有高度可靠的鉴权及安全机制,因为如何保证数据的安全可靠性将直接影响到整个网络的生存力,也会影响到用户对整个网络的信任程度。
(6)高数据速率和QoS保证
未来的移动通信系统不仅是为了适应用户数的增加,更重要的是,必须要适应多媒体的传输需求,还包括通信品质QoS的要求。必须可以容纳庞大的用户数、改善现有通信品质以及达到高速数据传输的要求。
ITU对B3G通信系统初步定义为IMT-2000的已有成分、演进成分和新开发成分,游牧无线接入系统,以及其它无线系统的无缝功能融合。B3G通 信系统作为Beyond IMT-2000,其容量大于IMT-2000等被它涵盖的无线系统,所涵盖系统包括:IMT-2000系统、无线接入系统、数字广播系统以及两个新成员 ——数据速率峰值100Mbit/s的蜂窝移动通信系统和数据速率峰值1Gbit/s的游牧无线系统。[1]

1.2. B3G相对于3G的优势
虽然与3G移动通信技术相比,B3G移动通信技术更为复杂,但B3G移动通信技术较3G 移动通信技术有许多优势。
(1) 数据传输速率
预计B3G移动通信系统可以达到100Mbit/s ~1GMbit/s的数据传输速率。虽然3G移动通信系统可以比现有2G移动通信系统的数据传输速率快上千倍,但是未来仍无法满足多媒体的通信需求,B3G移动通信系统的提出希望能满足更大的数据传输速率需求。
(2) 适应性和灵活性
虽然3G系统的速率已有很大的提高,但是仍不能很好地动态分配资源,大流量时系统资源利用率低。而B3G通信系统拟采用智能技术使其能自适应地进行资源分配,能够调整系统对通信过程中变化的业务流大小,进行相应处理而满足通信要求,采用智能信号处理技术对信道条件不同的各种复杂环境都能进行信号的正常发送与接收,有很强的智能性、适应性和灵活性。
(3) 标准兼容性
3G 的初衷是希望统一全球纷杂的移动通信技术,但各方利益没有得到最终的调和,导致分化成如今的几大标准阵营。目前,ITU 承认的、在全球已有相当规模的移动通信标准共有GSM、CDMA 和TDMA 三大分支,每个分支的标准都在抢占市场。预期只有通过B3G移动通信标准的制定才能解决这些标准的纷争问题。
(4) 业务的多样性
在未来的全球通信中,人们更期待的是多媒体通信。3G虽然也具有支持多媒体业务的能力,但是它受制于较低的传输速率。在B3G中,个人通信系统、广播 娱乐系统等各行业系统将会结合成一个整体,提供给用户比以往更广泛的业务与应用;系统的使用会更加安全、方便与照顾用户的个性。B3G能提供更广泛的通信 业务,从而满足宽带和综合业务需求。
(5) 较好的技术基础
B3G 技术将以几项突破性技术为基础而迅速发展起来,例如OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing)技术、MIMO(Multiple Input Multiple Output)技术、SDR(Software Defined Radio)技术等能大幅提高无线频率的使用效率和系统可实现性。
(6) 便于过渡和演进
由于现在改进的2.5G通信网络也初具规模,并将继续朝着3G和B3G的方向发展。人们在快速推进3G移动通信系统商业化带来优质服务的同时,也在努力进行B3G移动通信技术的研究、开发。B3G网络一定能在以往网络的基础上逐渐演进而成,并与固定网、广播网兼容。

1.3. B3G发展现状
现阶段,B3G无线通信技术已是世界范围内移动通信的研究热点。B3G标准制定工作也在ITU的领导下如火如荼的进行着,各国都积极地参与提案,希望 未来的标准中出现符合本国利益的条款。B3G在不久的将来会给人类带来全新优质的通信方式已成为共识。本节主要介绍世界三大洲的B3G技术发展和标准化现 状。
1.3.1. 技术动态[2]
1.3.1.1. 欧洲
  欧洲国家一般认为B3G是一种可以有效使用频谱的无线数据通信技术,并且一定是以IPv6为基础的,通过在移动通信网络中引入 IPv6把现有的各种不同的网络融合在一起。B3G网络将会融合卫星和平流层通信系统、数字广播电视系统、各种蜂窝和准蜂窝系统、无线本地环路和无线局域 网,并且可以和2G、3G兼容。
为提升WCDMA传输速率,爱立信、诺基亚等,纷纷投入“B3G”—HSDPA(High Speed Downlink Packet Access)的研发工作,并陆续在2005年下半年起进入商业运转。HSDPA被视为WCDMA演化的下一步,可在既有WCDMA结构下,将无线数据下 载的传输速率提高到最高14Mbit/s的水平,是现行WCDMA传输速率的3倍以上,同时可以把系统数据容量提高一倍以上。
诺基亚的观点是,B3G应该能够让运营商在投资最小的情况下最大限度地提高网络性能。B3G网络应该是有线、无线的统一,是为了提高无线传输速率而采 用新无线接入技术的全IP网络。其通信系统事业部行销暨业务副总裁Olli Oittinen表示,目前诺基亚的HSDPA开发已趋于成熟,在2005年与客户进行系统测试后,2006年可正式进入商用。  
爱立信则把B3G的发展分为两个阶段。第一阶段是把现有的蜂窝、WLAN、WPAN等多种无线通信系统整合,让用户可以在任何地方任何时间都能够享受 最好的无线服务。最终的B3G应该是以IPv6为基础的共同核心网,多种无线接入网络共存的网络。为了提高频谱使用效率,用户可以在多种无线接入网络 (3G、WLAN、其它新的无线接入系统)中选择最适合的,同时,使用先进的天线技术,如智能天线、MIMO技术等。此外,还利用OFDM和多载波技术来 提高系统性能。
在2004年9月于德国举办的教育科研部门讨论会“Mobile Internet 2010”上,西门子公司展示了其最新的移动网络研究成果,在测试中,视频、音乐文件和Microsoft的NetMeeting视频会议在无线模式下,可达到360MBit/s的传输速度。这个速度是目前最快的DSL连接速度的100倍,西门子公司是第一个将OFDM和Multi-hop技术结合使用的公司。
2005年3月,无线基础结构网络设备提供商北电网络公司称,在刚完成的测试中B3G技术数据传输速度已经高达37Mbit/s。北电网络采用了OFDM 结合MIMO技术,测试是在5MHz频段上进行的。

1.3.1.2. 北美
北美的部分厂商和欧洲的厂商保持一致,比如摩托罗拉。有些厂商则认为WLAN应该在B3G中发挥更大的作用。
摩托罗拉参照有线通信的发展历程来推测下一代无线通信的发展并认为:首先是有线通信系统上的话音业务无线化,然后是数据通信业务也转移到无线通信网络 上,最后,有线通信网络上所有的内容服务,也在向无线网络上转移。B3G网络的核心网是IPv6网络,接入系统则是多种无线接入方式的统一。摩托罗拉认为 以IPv6核心网为中心,有线无线的接入方式将实现统一。基于此,摩托罗拉的研究领域几乎覆盖了所有的通信领域,包括无线系统设计、多媒体技术、用户中心设计、无线应用、IP网络、代理技术、WLAN、语音技术和IC设计等。
摩托罗拉在2004年7月27日召开的记者招待会上发布:新一代移动通信试验用20MHz带宽可得到300Mbit/s的下行通信速率。该公司通过采用OFDM调制方式、配备多根天线,实现了最快300Mbit/s的通信。
朗讯则利用其信息热点结构的概念来诠释B3G移动通信网络。他们认为B3G是从3G一步步发展来的,是现有的移动通信系统和WLAN的结合。B3G是由基础网络和多种技术共存的系统。为此,朗讯在积极研究全IP网络、智能天线技术、网络自组织技术等。

1.3.1.3. 亚洲
在我国,B3G的立项早在2000年初就已开始酝酿,2001年11月立项申请被批准,随后国家成立了由尤肖虎教授负责、“863”计划通信技术主题 专家组领导的总体组,并于2001年底和2002年6月发布了两次课题指南,成立了一系列课题组,开始了计划的启动,称为FuTURE(Future Technologies for Universal Radio Environment)计划。中兴、华为等公司也投资进入到了各自的B3G的研发课题当中。阿尔卡特、西门子等国际著名公司首次作为合作伙伴参加了 863计划通信主题的有关项目。由于B3G作为移动通信技术,前瞻性太强,故目前我国B3G的研发主要还是靠政府支持,企业研究资金投入有限[3]。
日本的B3G研究是围绕mITF(Mobile IT Forum)所制定的方针来进行的,近几年已经进行了很多项课题研究。mITF的主要目标包括B3G移动通信系统的构造、B3G通信系统的核心技术分析与 研究、技术层面的要求事项和性能提高的方法等。为此,日本的企业在进行积极的研究,其中NTT DoCoMo最为活跃。
NTT DoCoMo的B3G研究大体上可以分为以IP为基础的平台和VSF-OFCDM(Variable spreading factor-Orthogonal Frequency and Code Division Multiplexing)无线接入技术两大部分。NTT DoCoMo于2004年12月17日宣布,当用户以步行速度移动时,下行最高无线传输速率实现了1Gbit/s。该实验系统下行链路采用VSF- Spread OFDM技术(不同于以往的VSF-OFCDM,以时分复用技术在同一频带内区分多用户)并组合多路信号空间复用的MIMO技术(4发4收),从而实现了 相当于现有FOMA(Freedom of Multimedia Access)服务的2600倍以上的高速无线传输。接收方除采用被称为“最优判定法”的信号分离方式外还应用NTT DoCoMo自主开发的分离方式,从而大幅减少与MIMO相关的运算量。[4]
韩国政府和产/学/研部门共同组成了B3G前景委员会,该委员会确定了B3G的发展前景目标以及需要研究的核心技术。按照韩国政府制定的B3G通信系 统发展计划,韩国将从国家层面上积极开发宽带移动通信系统、便携式互联网系统、智能型融合移动终端、多媒体移动终端内使用的核心部件、移动终端使用的极低 功率的RF/HW/SW模块等战略产品。B3G的研发活动将分两个阶段进行:第一阶段的研究是以ETRI(Electronics and Telecommunications Research Institute)为主导,从2002年1月开始启动,到2007年能够研发出B3G移动通信的主要核心技术和试验系统。要求这些核心技术应该能够比国 际上的其它企业的相应技术具备一定的优势。试验系统的传输速率应该可以达到100Mbit/s。第二阶段则要把这一最高速率提高到1Gbit/s。
ETRI的B3G目标是宽带移动接入系统,该系统具有最好的宽带接入和成本条件,当前的主要目标是寻找特定的一种无线接入技术,从而可以大大提高频谱 使用效率。ETRI为此在进行OFDMA(Orthogonal Frequency and Code Division Multiplexing Access)、MIMO、LDPC(Low Density Parity Check Codes)、OAM(Operation And Management)等方面技术的研究。

1.3.2. 标准化进程及标准化组织
为了共同推动B3G技术和标准的发展,各利益团体组织了如WWRF(Wireless World Research Forum),mITF等多个联合体和论坛。他们致力于在B3G的正式标准化组织成立之前,联合更多的力量,推出自己的技术标准,以便在B3G时代创造对 自己发展有力的态势。对于B3G的标准化进程,欧洲、北美、东亚地区的政府和研究机构,以及诺基亚、爱立信、NTT DoCoMo等企业表现非常积极。

1.3.2.1. ITU
  ITU的B3G标准化工作分为两大部分。一部分是由ITU-R的WP8F负责,另一部分是由ITU-T的SSG负责。ITU-R WP8F的主要任务是负责3G的未来发展和B3G的标准化研究目标,通过B3G业务与市场分析报告、频谱估计报告、新技术报告等,在WRC-07上提出 B3G的频谱分配方案和形成ITU的B3G建议等,其 B3G标准化研究工作非常积极;ITU-T SSG主要负责在网络层面进行相应的B3G标准制定工作。
ITU-R WP8F的工作组成立于1999年。2001年10月在日本举行的WP8F第六次会议上,它讨论通过了IMT-2000未来发展及Beyond IMT-2000的远景框架及总目标。ITU-R WP8F对B3G能力的介绍主要包括三个方面的内容。首先是3G系统的未来发展,增强型IMT-2000的传输速率大约在10Mbit/s左右,到 2005年将支持最高30Mbit/s的数据传输速率。其次是B3G通信系统的新的通信能力,Systems beyond IMT-2000通过新的无线接人技术的引入,达到低速移动1Gbit/s,高速移动100Mbit/s的传输速率。第三是IMT-2000、 Beyond IMT-2000和其它无线接入技术将会是一个相互融合的局面,实现相互的联动。
WRC-03通过了一项关于B3G的频谱议程。其核心是在WRC-07前,完成Beyond IMT-2000的频谱计算方法、业务分析、频谱需求量分析、频谱规划等。此次大会完成了B3G的愿景文件以后,ITU-8F立即开始了具体的研究工作。 目前,工作可以划分为两个阶段:
a. 在2007年的WRC-07以前,完成B3G频谱需求分析,以及业务与市场研究。争取在WRC-07上为B3G通信系统确定频谱资源。
b. 在2007年以后,开始B3G相关技术的研究。
为了完成上述第一阶段任务,ITU-R WP8F的工作目前划分为几个部分:
  ● 频谱需求计算方法的理论研究和计算
从2003年开始,ITU就开始寻找可以准确预测未来移动通信频率需求的理论和方法。确定频谱需求有两种方法。一种叫做蒙特卡罗仿真方法,主要是使用计算机模拟用户的行为,从而得出特定时间下实际使用的频率资源数量。另外一种方法被称为确定性的方法,主要是从业务出发,分析每种业务的使用情况,频率资源的占用情况,然后汇总所有业务的频谱需求,从而得出频率资源需求。
从理论上说,蒙特卡罗仿真方法可以得到比较高的准确率。但是,由于B3G采用的技术还没有确定,仿真工作需要的输入数据不足,影响了仿真实际能够达到 的准确度。所以,ITU最后决定采用确定性的方法。目前, ITU正在完善有关的计算过程和输入输出参数, 预计将在2005年中基本完成理论工作,并开始计算过程。
  ● 确定可以使用的频段
ITU-R WP8F在2004年10月份完成了一份频谱资源调研函,了解各个国家对B3G频谱分配的期望,以及6GHz以下频谱资源的使用情况。ITU将在各国反馈的基础上,尽力统一世界范围内的B3G通信系统使用的频率。
  ● 未来业务和市场的研究
2004年6月,ITU-R WP8F向各个成员国调研对未来B3G业务和市场的预测。在各个成员国答复的基础上,ITU将完成业务和市场的研究报告,这项工作将在2005年完成。之 后,ITU-R WP8F将起草B3G业务建议和B3G市场建议。这两个建议是对ITU的B3G愿景的进一步细化和完善,也是将来开展B3G技术研究的市场需求基础。另 外,这个研究报告也是进行频谱需求计算的输入数据。
  ● 新技术的研究
ITU-R WP8F目前正在开展未来移动通信新技术的研究。其研究重点是新技术的频谱资源利用率,主要是作为上述频谱资源需求分析的输入参数。ITU-R WP8F将未来移动通信的使用情况划分为几个特定的场景,分析每个场景可能采用的新技术,分析相应的技术可以达到的频谱资源利用率,从而为频谱计算提供支 持。[5]

1.3.2.2. IEEE
IEEE的802局域网和城域网标准委员会涉及了部分B3G标准化工作。在IEEE中,802委员会负责制定WLAN、WMAN和WPAN的标准,这 些标准都属于低速和固定的无线接入系统的范畴。在新的移动通信技术领域,IEEE 802还在制定包括802.16e以及802.20等具有较高移动性的移动通信系统的标准。2004年,IEEE还成立了802.21研究组,准备进行 WPAN、WMAN以及WLAN相互融合的工作。

1.3.2.3. WWRF(欧洲)
  在欧洲,B3G 研究活动是以欧盟的IST(Information Society Technologies)研究计划为中心来进行的。欧盟的研究活动是4年一个周期,每个周期都会制定一个框架研究计划。目前的FP6 (The 6th Frame-work Programme)的有效期是从 2003 年到 2006 年。欧盟已经将B3G 的研究列入政府支持的计划中。在FP6中,IST被列作优先支持的项目,有总额为36.25亿欧元的经费支持。在IST中,B3G 移动和无线通信系统技术的研究项目最先获得了9000万欧元的预支经费,占总预支经费的80%。
2001年8月份,以欧美5大通信设备制造商(阿尔卡特、爱立信、摩托罗拉、诺基亚、西门子)为中心成立了WWRF。该组织的主要目标是邀请有兴趣的 各方一起研究未来移动通信系统的发展趋势。WWRF下设6个工作组,分别讨论业务、市场、结构、接口、核心技术等问题。WWRF的特点是其人员不仅来自于 企业,还来自于大学等研究机构,因此将从市场以及学术两方面进行问题探讨。目前全世界已经有140多家企业和大学加入了WWRF。
WWRF和ITU、IEEE比较起来,WWRF是进行技术标准化的场所;ITU、IEEE则是在标准化确定之前促使企业和研究机构达成共识的场所,以使ITU和IEEE内部的磋商更加顺利。
WWRF非常关注中国未来移动通讯技术的发展。第八届世界无线研究论坛于2004年2月首次在中国召开,表明中国在亚洲乃至世界无线通讯领域的重要地 位。日前,在加拿大多伦多召开的WWRF第12次会议上,北京邮电大学电信工程学院无线新技术研究室主任张平教授成功当选为WWRF副主席,负责WWRF 在亚太地区及澳大利亚的相关事务,包括推动和协调该地区无线通信研究的发展及合作关系,以及与世界其它地区的沟通及合作等。

1.3.2.4. mITF(日本)
日本于2001年6月成立了mITF,下设B3G移动通信委员会,由运营商、制造商和高等院校参加。日本的ARIB(Association of Radio Industry and Business)在mITF中发挥了主导作用。mITF的B3G研究委员会还下设技术子委员会和应用子委员会。
mITF的B3G移动通信委员会的目标是:
  ● 明确B3G的系统结构和主要应用;
  ● 按照预想的在2010年引入B3G的商用计划,规划一系列的具体研究和实验活动。
近期的活动包括:
  ● 支持业界和研究机构的研发和标准化活动;
  ● 制定一个研发和标准化的框架,准备在10年内创造一个新的B3G市场;
  ● 选择、研究和评估新技术项目;
  ● 研究实现各个系统之间无缝漫游的方案;
  ● 与世界上其它研究机构之间的合作;
  ● 提前分析B3G的商业模式,从而明确其启动要求。
2004年5月,日本总务省向负责中国、韩国电信政策的人士表示,正在探讨将B3G手机频率设定在3400-4900MHz的范围之内。中日韩已就共 同开发B3G手机通信技术达成一致,将使用相同频率推进实验。此举显示三国将在带宽上领先世界,以便在国际开发竞争中确立主导权。鉴于2007年ITU将 召开国际会议统一手机通讯频率,各国竞争激烈,日本将同中国、韩国携手争取在竞争中确立主动权。

1.3.2.5. NGMC(韩国)
韩国信息通信部MIC于2003年9月29日成立了下一代移动通信论坛NGMC(Next Generation Mobile Communications Committee)来专门进行B3G通信系统方面的研究。该组织如同WWRF、mITF、FuTURE组织一样将工作目标定位为B3G技术及其应用的展 望与研发,力图出台本国的B3G标准并进行紧密的国际合作以及对B3G的频谱分配和使用进行调研和规划。

1.3.2.6. CCSA(中国)
  中国通信标准化协会无线通信技术工作委员会(CCSA-TC5,原CWTS)于2004年4月26日至28日在北京召开的第三次全 体成员大会及各工作组会议上新成立了2个工作组:WG6(B3G)工作组和WG7(移动业务与应用)工作组。其中B3G工作组负责人为信产部电信研究院万 屹、清华大学粟欣。目前,工作组已经召开过7次会议,国内外著名通信设备制造商、运营商和研究机构都非常关注该工作组,并已积极参与到中国B3G标准化活 动中。
CCSA与FuTURE项目组已经联合召开了多次有关B3G的研讨会,并在积极研究和探讨进一步联合的工作模式,推动我国在B3G研究领域研发和标准化活动的早期结合,为我国在B3G领域取得更大的成绩奠定基础。
在B3G的技术研究中,CCSA的相关标准化研究组将结合ITU的研究进展,在B3G的远景、业务和市场、频谱研究和技术趋势方面积极开展研究,同时 将积极关注蜂窝、WLAN等多种无线技术的发展和相互之间的协作,并同时研究全IP网络的发展方向。在跟踪和参与ITU关于Beyond IMT-2000研究的同时,CCSA将积极提交中国的候选技术。CCSA-TC5作为我国负责无线通信领域标准化的组织,也作为ITU、3GPPs等国 际标准化组织的对口研究组织,一直积极参加ITU等组织关于B3G的研究活动。
目前,CCSA-TC5-WG6正通过和日韩的合作(CJK-B3G)将标准化和技术研发工作紧密结合并且国际化,力争开发出具有自主知识产权的技术和国际化的下一代移动通信标准,实现移动通信产业的跨越式发展。
此外,其它标准化组织及论坛如:WINNER(Wireless World Initiative New Radio)、UMTS、FCC(Federal Communications Commission)、3GPP、3GPP2、OMA、IPv6 论坛、SDR论坛、IETF和MWIF(The Mobile Wireless Internet Forum)等,也都涉及到B3G方面的课题研究。

2. B3G通信系统网络结构
2.1. 整体架构
  随着人类社会的飞速发展和不断进步,人们越来越向往利用随身携带的手机随时随地进行相互的通信联络,因此B3G通信系统不会只局限 在移动蜂窝网中使用,移动通信的研究范围应当扩大。诚然,移动蜂窝网已经为人们自由地进行通信联络发挥出前所未有的作用,它们继续改进和发展是完全符合社 会需求的。但是,除了移动蜂窝网以外,还有无线局域网WLAN、无线城域网WMAN、无线个域网WPAN、卫星通信网络、数字广播网、平流层通信网、传统 有线连接网等。这些接入网各有特色和最佳适用环境,因此B3G通信系统不应该由完全不同的网络取代已有网络,而应通过多种接入技术和标准的融合为用户提供 透明、高效的服务[6]。
预计未来的B3G移动通信系统将整合蜂窝、RLAN(Radio Local Area Network)、数字广播、卫星及其它接入系统,同时要求这些系统间为无缝交互,用户能够依据终端性能、位置和类型享受多种传输机制提供的多种信息。不 同的无线接入系统将通过灵活的核心网络互连,水平/垂直地切换服务,在移动性、安全性和QoS方面协商后提供无缝服务,由核心网或者接入核心网的服务器提 供。为实现这样无缝服务,要开发高度自适应、对称/非对称的分组数据传输解决方案。[7]
B3G移动通信系统所依存的是用户能够随时随地连接的网络,它由多种协同工作的接入系统及一个公用的分组数据核心网络组成,如图1所示。


图中,基于IP的核心网提供服务及路由控制,接入网则提供无线传输和资源管理,移动性管理是两网合作共同完成的。网络中信息的传输基于IP规范,每一个MT(Mobile Terminal)用唯一的IP地址进行标识。[9]
目前一些已有移动通信系统(例如IMT-2000系统)也要实现基于IP的不同接入网络融合,关于多种接入网融合方式的讨论很多,已有的提案主要在不 同RAT(Radio Access Technology)之间的融合程度(即各接入网技术间的妥协、修改程度)上有所差别。结合OSI模型,下文简要列举了三种融合结构(如图2所示)。


A. 隧道网络模型(Tunneled Networks Model)
在隧道网络模型中,每个接入网包括四层(物理层、链路层、网络层和传输层),路由、资源分配等过程均按照各自不同的协议执行。当最佳接入网络根据某种 策略被选择后,信息交互必须通过接入网和因特网,即融合是在IP核心网之上进行的。该模型的优点是无需对已有接入网做任何更改;缺点是网络层次、功能上存 在很大冗余并且各接入网协议栈不兼容,服务传输延迟十分大。
B. 混合网络模型(Hybrid Networks Model)
在混合网络模型中,每个接入网设置了三层(物理层、链路层和网络层)。融合层位于IP核心网和不同无线接入网之间。该模型省去了接入网中冗余的TCP/UDP层,延迟有所减少,但是仍然存在网络重复(冗余)。优点在于接入网的协议栈不用更改。
C. 异构网络(Heterogeneous Networks Model)
在异构网络模型中,IP核心层负责实现全部链路层以上的网络功能,不同的接入网只需配置各自的物理层和链路层,网络结构最为高效,延迟最小。但是需要不同接入网络的运营商互相妥协,在技术和网络结构上进行一定程度的融合。
由于B3G移动通信系统对实时性业务的延迟和QoS要求严格,异构网络是最适合的解决方案,其中接入网之间可以基于移动IP进行融合,从而能够进一步降低服务延迟[10]。
综上所述,B3G通信系统的网络结构将是一个以移动IP为核心、结合多种接入方式、支持全球漫游、QoS、随时随地接入并能在不同接入网间无缝漫游的 无线异构网。该网络还具备充分的后向兼容性,前向适应和可扩展性,接入网和核心网均能够支持兼容的QoS,并且能够合理配置资源,选择最佳路由以及保证核 心网和接入网的安全性。

2.2. 核心网
B3G移动通信系统将采用基于IP的全分组的方式传送数据流,通过比较,IPv6比IPv4更适合于成为B3G网络的核心协议。选择IPv6协议主要基于以下几点考虑:
(1)巨大的地址空间
在可预见的时期内,IPv6几乎能够为所有网络设备提供一个全球惟一的地址,这正符合B3G移动通信系统中每一个移动终端均拥有唯一确定的IP地址这一设想。
(2)自动控制
IPv6支持无状态和有状态两种地址自动配置方式。无状态地址自动配置方式是获得地址的关键。在这种方式下,需要配置地址的节点使用一种邻居发现机制 获得一个局部连接地址。一旦得到这个地址之后,它使用另一种即插即用的机制,在没有任何人工干预的情况下,获得一个全球惟一的路由地址。有状态配置机制, 如DHCP(Dynamic Host Configuration Protocol),但需要额外的服务器,因此需要额外的操作和维护。
(3)服务质量
服务质量QoS包含几个方面的内容。从协议的角度看,IPv6与目前的IPv4提供相同的QoS,但是IPv6的优点体现在能提供不同的服务。这些优 点来自于IPv6报头中新增加的字段“流标志”,有了这个20位长的字段,在传输过程中,中间的各节点就可以识别和分开处理任何IP地址流。尽管对这个流 标志的准确应用还没有制定出有关标准,但将来它用于基于服务级别的新计费系统。
(4)移动性
IPv6支持移动性,比移动IPv4在新功能和新服务方面可提供更大的灵活性。[11]
未来的移动用户接入B3G 通信系统不同于现在的互联网用户接入Internet,其最大的特征是具有不确定的移动性,因此IPv6的移动性成为B3G核心网络的关键。移动IP的主要目标是:为移动节点在本地网络和外地网络之间提供无缝漫游和不间断的通信能力。
移动IP在网络层加入了新的特性,使得在改变无线网络接入点时,移动节点可以使用同一IP地址进行通信,运行在节点上的应用程序不 用修改或配置仍然可用,从而提供连续的、处处对等的业务和应用。移动IP实际上是一种叠加于IP协议之上的路由协议,但又独立于路由协议,如RIP (Routing Information Protocol)、OSPF(Open Shortest Path First)等。移动IPv6与移动IPv4相比,结合了IPv6的很多新特性,在路由开销、信令开销等方面有了明显的提高。
移动IP的简单原理图如图3所示。使用家乡地址(HA,Home Address)来标识移动终端的IP 地址,使用转交地址CoA(Care of Address)来表示移动终端的当前所在位置并用于选路,其主要思想类似于现网上采用的MSISDN(Mobile Station International ISDN Number)及MSRN(Mobile Station Roaming Number)。移动终端(Node A)在离开归属地(家乡)的时候会选择一个路由器作为家乡代理HA,并在家乡代理上注册CoA(图中①、②)。其它通信节点(Node B)先通过移动终端的家乡地址将信息发送给Node A 的家乡代理(图中③)。由HA通过隧道的方式将来自Node B 的数据包转发给Node A 的CoA 地址(图中④)。当NodeA收到由家乡代理转发过来的数据包后,它可以从数据包的源地址得知Node B 想与自己进行通信,于是发送自己现在的新地址给Node B(图中⑤)。之后NodeB 与Node A 之间可以不再通过家乡代理的转发而直接进行双向通信了(图中⑥)。[12]


目前,移动IP还不支持对实时业务和高质量业务的快速切换,为解决这个问题,一些移动IP的扩展,例如FMIP(Fast Handover for MIP)以及HMIP(Hierarchical MIP)正被IETF所开发。相信包括了这些扩展的移动IP规范能满足B3G网络的需求。[8]

2.3. 接入网
  依据不同的应用地区、小区范围和无线环境,不同的接入网可以被纳入一个类似蜂窝系统的层次结构中。图4展示了接入网间无缝连接的案例。


网络互连(双向箭头)是通过垂直切换或在服务协商(为适应候选接入系统服务能力)控制下的跨网业务不中断过程完成的。单向箭头则代表广播信道的返回信道。下表是对各层的描述:

表2对现有几种无线接入技术进行了比较。[13-15]


基于IP的无线接入网应该具备以下功能:[16]
(1) 最有效地利用频谱资源来为某种级别的实时性应用提供端到端的IP传输。这就意味着必须对IP规范定义的大量冗余进行压缩,例如语音数据一般比IP/UDP/RTP包头要短,如果不对包头进行压缩处理(应用各种适应和复用技术),会出现不能容忍的时延;
(2) 支持动态小区内以及上/下行链路的资源分配,以适应多变的IP业务;
(3) 支持接入网和核心网分别定义的QoS机制的交互,这个过程可能引入新的参数;
(4) 最大化频谱效率,统计复用可以用于支持混合业务,信源/信道编码技术应该向着适应多种IP多媒体应用的方向发展;
(5) 协议栈应该能够支持不同QoS要求的服务,提高对这些服务的媒体接入控制和无线链路控制;
(6) 最优化物理层技术以保证要求严格的业务质量,例如VoIP等;
(7) 支持多种广播、多播业务;
(8) 能够在空中接口区分业务种类,并对它们进行复用以取得最大频谱利用率;
(9) 对于某些“开关”业务(例如WWW和FTP),支持快速的资源分配和释放过程;
(10) 支持最小化包丢失率和延迟的切换过程,以支持鲁棒的和无缝的IP分组传输。

2.4. 实例
基于IP的网络现已设计出一些实现方式,例如3GPP标准采用的全IP网、BRAIN(Broadband Radio Access for IP based Networks)、MIRAI(Multimedia Integrated Network by Radio Access Innovation)等:
(1) 在3GPP的规范中,全IP网络的设计基于为GSM提供分组数据服务的GPRS规范。GPRS服务节点使用GSM的注册和鉴权规范验证数据用户身份。3GPP接入网通过GPRS网关节点接入核心网。虽然IP规范在核心网得到了应用,接入网内仍然使用专用协议。
(2) BRAIN是一个IST项目,BRAIN网络结构包括一个BRAIN接入网,一些BRAIN移动性网关,一个BRAIN接入路由器和一个基于IP的核心 网。这些网络元素由IETF规范引入,保证了灵活性和演进性。其中接入网络也是基于IP,接入路由器为移动节点与接入网建立了连接,网关则居于接入网和核 心网之间。
(3) MIRAI隶属于日本政府e-Japan计划,目的是建立高度融合的无线异构网。MIRAI结构由四大元素组成:一个移动主机、多个无线接入网络、一个公共核心网CCN(Common Core Network)和一个外部IP网络。
以上网络都在建设之中,并预期于2010年建成。然而,它们都依赖于专用接入网以连接用户和核心网。诚然,一个专用网络可以满足控制和数据的QoS要 求,但是它也有很多缺点妨碍了无线通信系统的无缝融合,而且专用网络在安装和维护上代价较大,各个专用网络控制层面上的协议栈也不相同。因此,网络间需要 网关实现一步转换,这就引入了严重的通信瓶颈,并且降低了无线通信系统的可扩展性以及融合性。
基于公共IP的开放网络结构更有前景,该结构具有一个公共IP网络、一个AAA服务器(Authentication Authorization Accounting server)、一个家乡代理HA(Home Agent)、一些无线接入点RAP(Radio Access Points)和存在于公共网络中的虚拟私有接入网的一些元素,如图5所示:


其中HA进行用户注册和移动位置管理;AAA服务器管理用户鉴权、认证和计费;RAP用于连接路由器和移动终端。
在网络成员间控制信号被打包并且通过安全渠道传输,例如VPN(Virtual Private Network)和RSVP(ReSerVation Protocol),而用户数据则直接通过因特网传输。依据因特网协议进行通信过程中,网络成员实现了各种控制功能,如切换、进入许可和AAA。例如,每 一个基站都保存关于其邻居基站的信息,并为实现无线资源控制和移动性管理与邻居基站交换信息。
开放网络结构中,服务提供者可以直接添加一个面向因特网的接入节点从而增加一个核心IP网的接入子网,同时用VPN建立该节点与其它接入节点之间的虚 拟连接。因此,开放网络结构不需要建立全新的网络和规范,并实现了网络结构的可扩展性,使得建立网络的费用得到了最小化。[17]
对于上图中“全IP核心网”协议栈的理解,应该包括从IP骨干传输层到控制层、应用层的一个整体。因此,未来的无线基站将具备通过IP协议直接接入“全IP 核心网”的能力,原有的交换中心、归属位置寄存器、鉴权中心等的主要功能都将由网络上的服务器或数据库来实现,信令网上的各层协议也将逐渐被IP协议所取代。整个网络将从过去的垂直树型结构演变为分布式的路由结构,业务的差异性也只体现在接入层面。

3. B3G关键技术
  近年来,人们对实现B3G通信系统的关键技术进行了大量的研究,并取得了初步的成果。归纳起来有以下一些:[18]
  ● 与系统相关的技术:IP语声技术;软件无线电技术;广带无线收发信技术;移动性、安全性、加密、计费、身份认证管理;多跳网络技术等。
  ● 与应用相关的技术:下一代编码/压缩技术;动态可变码率编码技术;移动代理技术;人-机接口,包括“智能”移动终端技术;流数据通信技术;应用发展环境技术等。
  ● 先进的无线接入技术:动态QoS控制技术;差错控制及超高速小区搜索技术;多播技术;IP移动性控制技术;无缝IP信包传输技术;链路自适应技术;光纤无线电技术。
  ● 频率的有效利用技术:微波频带的开拓技术;频带共用与频率共享技术;自适应动态信道分配技术;抗干扰与抗衰落技术;自适应阵列天线及MIMO技术;自适应高效多电平调制技术;正交频分复用技术。
  ● 先进的移动终端技术:新的功率管理技术;可包装终端技术;高功能显示器件实现技术;语声识别技术;半导体器件技术;灵敏度增强技术;移动终端的系统平台技术;移动终端安全性增强技术。
以上这些技术都是未来移动通信广带无线移动和无线接入融合系统需要研究的课题。下面具体地介绍其中几种正在研究的热点技术。

3.1. OFDM技术
未来的无线多媒体业务首先要求数据传输速率要高,同时又要保证传输质量,这就要求所采用的调制解调技术既要有较高的信元速率,又要有较长的码元周期。基于这样的考虑,产生了OFDM 技术,属于MCM(Multi-carrier Modulation)中的一种。
OFDM的主要思想是:将信道分成若干正交子信道,将高速数据信号转换成并行的低速子数据流,调制到每个子信道上进行传输。正交信号通过接收端采用相 关技术分开,可以在一定条件下减少子信道之间的相互干扰ICI(Inter-Carrier-Interference)。每个子信道上的信号带宽小于信 道的相关带宽,因此每个子信道可看作平衰落信道,从而消除了符号间干扰ISI(Inter-Symbol-Interference)。由于每个子信道的 带宽仅仅是原信道带宽的一小部分,信道均衡变得相对容易。
OFDM的工作原理:输入数据信元的速率为R,经过串并转换后,分成M个并行的子数据流,每个子数据流的速率为R/M,把每个子数据流中的若干个比特 分成一组,每组的数目取决于对应子载波上的调制方式,如PSK(Phase Shift Keying)、QAM(Quadrature Amplitude Modulation)等。M个并行的子数据信元编码交织后进行IFFT(Inverse Fast Fourier Transform)变换,将频域信号转换到时域,IFFT块的输出是N个时域的样点,再将长为Lp的CP(Cyclic Prefix)加到N个样点前,形成循环扩展的OFDM信元,因此,实际发送的OFDM信元的长度为Lp+N,经过并/串转换后发射。接收端接收到的信号 是时域信号,此信号经过串并转换后移去CP,当CP长度大于信道的记忆长度时,ISI仅仅影响CP,而不影响有用数据,去掉CP也就彻底去除了ISI的影 响[13]。CP的存在同时使得信号与信道响应的线卷积变为循环卷积,从而简化了接收端的设计(只用进行FFT并采用单抽头均衡器即可)。


OFDM技术之所以越来越受关注,是因为OFDM有很多独特的优点:[20]
(1)频谱利用率很高,频谱效率比串行系统高近一倍,这一点在频谱资源有限的无线环境中很重要。OFDM信号的相邻子载波相互重叠,从理论上讲其频谱利用率可以接近Nyquist极限。
(2)抗多径干扰与频率选择性衰落能力强,由于OFDM系统把数据分散到许多个子载波上,大大降低了各子载波的符号速率,从而减弱多径传播的影响,若再通过采用加循环前缀作为保护间隔的方法,甚至可以完全消除符号间干扰。
(3)采用动态子载波分配技术能使系统达到最大比特率。通过选取各子信道,每个符号的比特数(调制方案)以及分配给各子信道的功率使总比特率最大。即要求各子信道信息分配应遵循信息论中的“注水定理”,亦即优质信道多传送,较差信道少传送,劣质信道不传送的原则。
(4)通过各子载波的联合编码,可具有很强的抗衰落能力。OFDM技术本身已经利用了信道的频率分集,如果衰落不是特别严重,就没有必要再加时域均衡器。但通过将各个信道联合编码,可以使系统性能得到提高。
(5)基于离散傅立叶变换DFT(Discrete Fourier Transform)的OFDM有快速算法,OFDM采用IFFT和FFT来实现调制和解调,易用DSP(Digital Signal Processing)实现。
除上述优点以外,OFDM也有3个较明显的缺点:
(1)对频偏和相位噪声敏感。频率偏移和相位噪声会使OFDM各个子载波之间的正交性恶化,使得接收信号的信干噪比下降。
(2)PAPR(Peak Average Power Rate)大,导致发送端放大器功率效率较低。由于OFDM 的信号是由多个独立的经过调制的子载波信号相加合成的,因此有可能产生比较大的峰值功率,也就有可能产生较大的PAPR值。而过高的PAPR 值通常会对发送端功率放大器提出较高的线性要求,降低功放效率,从而增加基站和用户终端的成本。
(3)自适应的调制技术使系统复杂度有所增加。OFDM 采用的自适应调制技术会增加发射机和接收机的复杂度,并且当移动终端达到车载的移动速度时,自适应的调制技术就没有很大意义了。[19]
OFDM作为保证高频谱效率的调制方案已被一些规范及系统采用,一般DAB(Digital Audio Broadcast)采用可选长度的OFDM块,分别做256,512,2k的FFT;DVB-T(Digital Video Broadcast-T)选用2k和8k的FFT;IEEE 802.11a及HIPERLAN/2(High Performance Radio Local Access Network/2)采用64点FFT;IEEE 802.16d/e规定256点FFT;高速UWB(Ultra Wide Band,IEEE 802.15.3a)的备选调制方案MB-OFDM(Multiband-OFDM)基于128点FFT。[13-15]OFDM将成为B3G通信系统中 特别是下行链路的最优调制方案之一,也会和传统多址技术结合成为新一代通信系统多址技术的备选方案。

3.2. 智能天线技术
随着电子通信产业的飞速发展,人们生活环境中的无线干扰也日渐嘈杂,来自广播电视、移动通信、无线通信等各个不同领域的电磁波相互干扰,为人们在复杂的背景噪声中正确接收有效信号带来了一定的难度。
目前在2G移动通信系统中采用的天线分为全向天线和定向天线两种,全向天线应用于360°覆盖的小区,定向天线应用于分扇区覆盖的小区。这两种天线覆 盖的区域形状都是不变的,因此对于基站来说,给每一个移动用户的下行信号是广播式发送的,这样会引起系统干扰,并降低了系统容量。
智能天线采用了空分多址SDMA(Space Division Multiple Access)技术,利用信号在传输方向上的差别,将同频率或同时隙、同码道的信号进行区分,动态改变信号的覆盖区域,使主波束对准用户方向,旁瓣或零陷 对准干扰信号方向,并能够自动跟踪用户和监测环境变化,为每位用户提供优质的上行链路和下行链路信号,从而达到抑制干扰、准确提取有效信号的目的。
智能天线的基本原理是在无线基站端使用天线阵列和相干无线收发信机来实现射频信号的接收和发射,同时,通过基带数字信号处理器,对各根天线链路上接收到的信号按一定算法进行合并,实现波束成形。[21]
因此,智能天线技术更加适用于具有复杂电波传播环境的移动通信系统。在我国提出的3G标准TD-SCDMA中采用了智能天线技术。
智能天线具有以下优点:
(1)提高系统容量。智能天线采用了SDMA 技术,利用空间方向的不同进行信道的分割,在不同的信道中可以在同一时间使用同一种频率而不会产生干扰,从而提高了系统容量。
(2)降低系统干扰。智能天线技术将波束的旁瓣或零陷对准干扰信号方向,因此能够有效抑制干扰。
(3)扩大覆盖区域。由于智能天线有了自适应的波束定向功能,因此与普通天线相比,在同等发射功率的条件下,采用智能天线技术的信号能够传送到更远的距离,从而增加了覆盖范围。
(4)降低系统建设成本。由于智能天线技术能够扩大覆盖区域,因此基站的建设数量可以相对减少,降低了运营商的建设成本。
智能天线技术的主要缺点在于它的使用将增加通信系统的复杂度,并对元器件提出了较高的性能要求。

3.3. MIMO技术
  MIMO技术最早是由Marconi于1908年提出的,它利用多天线来抑制信道衰落。根据收发两端天线数量,相对于普通的 SISO(Single-Input Single-Output)系统,MIMO还可以包括SIMO(Single-Input Multiple-Output)系统和MISO(Multiple-Input Single-Output)系统[12]。图7是MIMO系统示意图。


3.3.1. MIMO的优势
  设计高QoS保证和在非视距范围下覆盖广的高速无线链路是当今无线通信系统研发的重点。SISO系统若要实现高频谱效率,需要较高带宽和复杂的编码和调制技术,但源于下述四点因素:
(1) 手持终端发射功率限制(对人体有辐射影响);
(2) 实现一个线性、低相位噪声的无线接收机所带来的SNR(Signal-to-Noise Ratio)峰值限制;
(3) 同频干扰导致的SINR(Signal-to-Interference-and-Noise Ratio)平顶;
(4) 信道衰落在发射端功率控制不理想以及发射功率有限条件下导致的最大接收SINR低于接收SNR门限,SISO系统的频谱效率在非视距传输的蜂窝网络中很难 达到峰值4-6bit/s/Hz(均值2-4bit/s/Hz)。相比之下,MIMO系统在非视距环境下不需要增加额外的带宽和发送功率便可以实现高于 10bit/s/Hz的频谱效率,代价只是增加了收发设备的复杂程度。
设MIMO系统发送天线数为M,接收天线数为N,使系统性能优越的因素如下:
(1) 阵列增益(Array Gain)
在已知信道信息的条件下,发端和收端通过对信号的相关合并增加平均接收SNR。
(2) 分集增益(Diversity Gain)
分集对抗衰落十分有效,而空间分集由于不占用时频资源更加有益。理想情况下,可以得到空间MN重分集。在发端不知道信道矩阵的情况下,收端也可以得到分集增益,利用的技术便是著名的空时码技术。
(3) 空间复用增益(Spatial Multiplexing Gain)
通过将互相独立的数据分别从不同天线传送来实现。在充分散射的信道条件下,接收端可以将这些独立的数据流分开,从而得到容量的线性放大(比SISO放大 倍)。
(4) 干扰消除(Interference Reduction)
同信道干扰来自频率重用,但在多天线系统中可以利用空间对信号进行区分以减少干扰。干扰消除需要已知信号传输信道的特征,可以在收或发端进行,增加了频率重用度,从而提高了多蜂窝容量。
然而,如上MIMO技术所带来的全部优势无法同时获得,因为这些优势与对空间自由度(天线根数)的需求是相互矛盾的,但可以依赖有效的信号处理及收发机设计方案在一定程度上解决矛盾[22]。
目前,MIMO技术正在被开发应用到各种高速无线通信系统中:在WMAN(IEEE802.16规范)领域,Iospan Wireless成功开发了一个非视距MIMO-OFDM无线系统,基于的是物理层和MAC(Medium Access Control)层技术;在移动接入领域,ITU工作组正致力于将MIMO技术融入HSDPA;Lucent Technologies已做出用MIMO增强UMTS/HSDPA的芯片;WNG(Wireless Next Generation)组织正努力将MIMO和IEEE802.11标准(WLAN)结合。除了Iospan Wireless的产品之外,其它组织或厂商在MIMO技术上的研发工作预计需要两到三年时间才能在实现上有所突破[22]。

3.3.2. MIMO信道容量分析
MIMO信道是在收发两端使用多根天线,每根收发天线对之间形成一个MIMO子信道,假定发送端有M根发送天线,有N根接收天线,在收发天线之间形成N×M信道矩阵H,在某一时刻t,信道矩阵为:


的元素是任意一对收发天线之间的增益,假设信道是平衰落的,那么在一个符号周期上的输入输出关系式如下(单载波调值):


其中 是 N×1 维接收信号矢量, 是 M×1 维是发送信号矢量, 是加性高斯白噪声且有 是一个符号周期内在发送端的总平均能量, 是信号矢量的相关矩阵,满足

3.3.2.1. 确定性MIMO信道容量
假定收端已知信道矩阵 (可以通过训练序列或导频获取),那么MIMO信道容量满足下式:


其中容量最大值在所有满足 的发送信号中取得。
a. 当发端不知信道矩阵时,各天线独立发送等功率信号( )为最佳方案,此时容量为[23,24]:



r是H的秩; 的r个正特征值。上式表示MIMO信道的频谱效率等同于r个发送能量为 、信道增益分别为 的SISO信道容量之和。
b. 当发端已知信道情况时,可以通过在发端和收端同时对信号做线性处理而获得独立的空间信道(信道去相关),然后将传输能量依据  “注水”分配便达容量上界。[25,26]

3.3.2.2. 平衰落MIMO信道容量
假设平频选衰落并服从Rayleigh分布,且块间满足各态历经性(在任一个包含了几个符号的符号块内信道保持不变,不同符号块间信道独立变化),且只有收端已知信道矩阵。注意到每根接收天线的平均SNR是 ,因为 。在衰落信道模型中,有两种容量定义——各态历经容量和中断概率[25,27,28]。
a. 各态历经容量(Ergodic Capacity)
在快衰落情况下(传输码字跨越无穷独立衰落块),香农容量用各态历经容量衡量。当s取为循环对称的高斯随机矢量且有 时容量最大[25,29]:


为平均接收SNR,上式表示MIMO系统容量随收发天线数的最小值线性增加。注意到SIMO(M×1)信道容量比MISO(1×N )信道容量高,这是因为发端不知道信道矩阵H,所以MISO系统没有阵列增益。
b. 中断容量(Outrage Capacity)
在慢衰落情况下(时延要求严格,传输码字只跨越一个块),香农容量为0,因为无论期望传输速率多么小,给定信道不能承载该速率的概率都大于零。于是定义中断容量 ,当以此值作为信息速率时,信道能以(100-q)% 的概率承载[27,28],即 是收端信号互信息),中断容量是SNR的函数并且随SNR增大而增大。
给定传输速率R时的中断容量是互信息低于R的概率: ,可以理解为数据包错误概率PER(Packet Error Rate),可以看出传输速率和中断容量之间有一定折衷。

3.3.2.3. 频率选择性衰落MIMO信道容量
频率选择性衰落信道的容量可以通过将频带分为N个子带,从而得到N个平衰落信道(N足够大),那么互信息可写为[30]:


其中, 是分配给第i个子带的能量。频率选择性衰落信道的各态历经容量为:


    中断容量的定义与平衰落信道相同,注意到在低中断容量值下,频选衰落信道的中断容量一般比平衰落信道高,这是因为频率分集的作用[30]。

3.3.3. MIMO信号处理
利用MIMO技术可以提高信道的容量,同时也可以提高信道的可靠性,降低误码率。前者是利用MIMO信道提供的空间复用增益,后者是利用MIMO信道提供的空间分集增益。

3.3.3.1. 空间复用
获取空间复用增益的方法主要是贝尔实验室提出的BLAST(Bell Labs Layered Space-Time)结构,它比多址接入技术大大提高了频谱效率。BLAST结构不是通过信号变换(编码、调制、映射等)引入符号间的正交性,而是充分 利用了信道的多径特点,解除了信号之间的相关性。BLAST结构主要分为V-BLAST(Vertical-BLAST)和D-BLAST (Diagonal-BLAST):V-BLAST将M个比特流编码,映射和交织后通过互相独立的天线发射出去,充分发掘了分集增益,而且每一个信息流可 以单独检测。D-BLAST也先经过相同的处理,但是各编码块分配给不同的天线发送,从而减小了因某一个独立信道传输效果较差而导致的系统整体性能的下 降,但意味着更加复杂的收发设备[22,]。
BLAST的检测算法主要用于对抗MSI(MultiStream Interference),具体实现分为线性算法——如ZF(Zero Forcing)算法、MMSE(Minimum Mean Square Error)算法以及非线性算法——如ML(Maximum Likelihood)算法等。ML算法具有很好的译码性能,但是复杂度比较大,对于实时性要求较高的无线通信来说,目前还很难实现实时译码。ZF算法原 理简单且容易实现,但其放大了噪声,对信道的信噪比要求较高。在线性检测算法(例如ZF、MMSE准则下的线性算法)和ML检测算法之间取得性能和复杂度 折中的算法有基于ZF准则或者MMSE准则的逐次干扰抵销算法,该算法实际上是使用ZF算法或者MMSE算法加上干扰删除技术得出的。
BLAST结构最大程度上发掘了频谱效率,但是一般需要接收天线数目大于或等于传输天线数目,而这一点在下行链路难以实现;另外因为不同的链路传输独立的信号,那么如果一条链路被损坏,我们就将面对不可挽回的错误。[20]

3.3.3.2. 空时编码
目前MIMO技术领域另一个研究热点就是空时编码(Space Time Coding)。空时码的主要思想是利用空间和时间上的编码实现一定的空间分集和时间分集,从而降低信道误码率。使用空时码时,在发端不知道信道状态信息 情况下,系统仍能开发最大分集增益(M×N);并且接收天线数为1,仍然能够工作(获得较小的分集增益)[32,33]。
常见的空时码有STBC(Space Time Block Code)、STTC(Space Time Trellis Code)。STBC只能获得分集增益而无编码增益,以经典的Alamouti 方案为例[33]。通过正交设计,STBC各信号在接收端可以独立译码,接收机的复杂度随着天线数目线性增长。STTC既有分集增益也有编码增益,最简单 的例子是将同一码字在不同天线上顺次延迟 发送,类似信道编码中的重复码。对这些码字的最优检测方法的复杂程度随着天线数成指数增长。[34]
    鉴于BLAST结构和空时编码各有侧重点和优缺点,可以将二者结合从而得到高频谱效率和传输质量的良好折中。

3.3.4. MIMO-OFDM
    MIMO系统在一定程度上可以利用传播中的多径分量,也就是说窄带MIMO系统可以有效对抗多径衰落,但是对于宽带系统中突出的频率选择性深衰落,以往基 于窄带技术的MIMO系统依然是无能为力,目前解决MIMO系统中的频率选择性衰落的方案一般是利用均衡技术,还有一种是利用OFDM。同时,B3G需要 极高频谱利用率的技术,而OFDM提高频谱利用率的作用毕竟是有限的。因此,在OFDM的基础上合理开发空间资源,也就是MIMO+OFDM,可以提供更 高的数据传输速率。另外,OFDM由于码率低和加入了时域保护间隔而具有极强的抗多径干扰能力,即当多径时延小于保护间隔时,系统不受ISI(码间串扰) 的困扰,因此允许单频网络(Singel Frequency Network)用于宽带OFDM系统,依靠多天线来实现,采用由大量低功率发射机组成的发射机阵列消除阴影效应,实现完全覆盖。[12]图8给出了 MIMO+OFDM的结合方案。

   FFT/IFFT和CP添加过程都在每一个发送和接收天线完成,而MIMO的信号处理技术也可以应用于OFDM的每个子载波上(对应平衰落信道),即空 时编码和BLAST结构可以在频域实现[22]。总而言之,在MIMO-OFDM系统中,增加了频域的分集和复用作用,带来了更大的系统增益和系统容量。

3.4. 混合多址接入技术
  目前绝大多数通信系统采用基于时域、频域或码域的多址接入方式,而空间多址技术的加入进一步增加了用户容量(最简单的是基站天线扇区化)。考虑到B3G通信系统对容量、频谱效率、抗多用户干扰能力以及支持非对称链路能力等方面的严格要求,混合多址接入更加合适。
混合多址接入有效增加了用户容量和系统的灵活性。特别是将B3G关键技术OFDM调制方案与各种多址技术相结合后,其系统能体现出显著的优越性。

3.4.1. OFDM+CDMA
CDMA扩频多址接入作为3G的核心技术给蜂窝系统带来了频率规划简单、抗干扰能力较强以及速率动态可变等优点。然而在多用户带限系统中,DS- CDMA(Direct Sequence-Code Division Multiple Access)也面临例如MAI(Multiple Access Interference)、RAKE接收机难以实现(复杂性随时延增加而增大)、频率干扰(Single-/Multitone interference)等问题。因此,人们提出了OFDM和DS-CDMA相结合的调制多址方案,以充分发掘频谱效率并获取分集增益。
主要有如下三种方案被提出:MC-CDMA(Multi Carrier-CDMA)、MC-DS-CDMA(Multi Carrier-Direct Sequence-CDMA)和MT-CDMA(Multi Tone-CDMA)。

3.4.1.1. MC-CDMA Vs. MC-DS-CDMA
首先分析对比前两种技术,二者的共同点是不同用户占用相同时频资源而以特定的扩频码进行区分,并且在频域上具有相互正交的子载波。两种方案都采用多载波调制技术以降低子载波上的数据速率从而减小符号间串扰,在码片速率较高的扩频系统中这个优势尤为显著。
然而,MC-CDMA和MC-DS-CDMA采用了不同方式将码片映射到子带,前者在频域扩频——将扩频符号的不同码片分配到正交的子载波上同时传输,后者在时域扩频——将不同码片依次占用不同时隙传输(更类似直扩)[35]。下图展示了这两种工作原理:


MC-CDMA支持灵活的系统设计,即扩频码长度不必和子载波数目相同,因而接收机复杂程度可控。
MC-DS-CDMA也可运用除OFDM之外的多载波调制方案。具体而言,当使用宽带子载波时,仅有为数不多的子载波存在,每个子载波都可以被看作是 一个DS-CDMA系统,只是串/并转换带来了降低的数据速率和ISI;当使用窄带子载波时,便可以应用OFDM在频域上规划出相互正交的子载波从而得到 高频谱效率。如果没有引入编码或交织技术,以上技术只能获取时间分集增益。
两种技术的优缺点比较如下表所示:



  因此,高频谱效率和低接收机复杂程度使得MC-CDMA十分适合于蜂窝系统下行链路;而低PAPR使得MC-DS-CDMA十分适于多用户上行链路[36]。

3.4.1.2. MT-CDMA
MT-CDMA发射机使用给定扩频码,对串/并变换后的数据流做时域扩频,破坏了子载波之间的正交性。MT-CDMA方案采用长度和子载波数目成正比 的扩频码(比DS-CDMA方案更长),因此系统可以容纳更多的用户[35]。下图显示了MT-CDMA的发射机、发射信号的功率谱密度和接收机原理框 图:


  MT-CDMA系统中子载波间存在着干扰,但是长码的采用使得ISI和MAI问题得到了一定缓解。

3.4.1.3. 一维扩频方案比较
文献[35,37]中对以上三种一维扩频方案(MC-CDMA、MC-DS-CDMA、MT-CDMA)的系统性能进行了比较。当使用矩形脉冲时, MC-CDMA和MC-DS-CDMA所需带宽几乎是DS-CDMA的一半,而MT-CDMA几乎和DS-CDMA相同。然而,当在DS-CDMA系统使 用滚降系数较小的Nyquist成型滤波器时,MC-CDMA、MC-DS-CDMA和DS-CDMA所需带宽相当。上述四种系统特点比较如下表所示 [35]:

         

3.4.1.4. 二维扩频——VSF-OFCDM
NTT DoCoMo公司提出了VSF-OFCDM的接入方案[38-40]。VSF-OFCDM采用了二维扩频,调制数据符号通过由正交的短信道区分码和长小区 区分码组合的码字扩频。扩频后序列的每一个码片在时域被分配给接连的OFCDM符号,在频域被分配给接连的子载波。因此,总扩频因子SF可以写成 。
在VSF-OFCDM中,虽然SF的每一码字信道的数据速率与非扩频(例如OFDM)比较,降低为 ,但是总数据速率通过引入由正交短码构造的信道码分多址得到了增加。如果码分多址数目等于SF,VS-OFCDM的总数据速率就等同于OFDM。在这种情 况下,人们更倾向于时域扩频,因为在频率选择性衰落信道中,时域扩频在保证码分信道之间正交性上优于频域扩频,并且这一特性有利于在AMC (Adaptive Modulation and Coding)中采用多进制调制。同时,为了实现小区频率重用因子为1,使用更大的扩频因子或者更小数量的码分多址在VSF-OFCDM中可有效降低临小 区的干扰。
VSF-OFCDM系统的另一个优势在于可以在同一帧中灵活地实现不同的多信道复用。源于扩频和码分复用特性,只要正交短信道区分码资源保留,任何信 道可以在需要的帧持续区间灵活地进行码分,而不会带来额外的传输延迟。例如,数据信道被灵活地用它相应的控制信道区分码进行码分复用,控制信道传输着对数 据信道的AMC、HARQ(Hybrid Automatic Repeat re-Quest)和快速包调度等关键控制数据。
下图展示了多小区环境下VSF-OFDMA与OFDM的配置差别:


3.4.2. OFDM+FDMA
  扩频、跳频与多载波调制方案的结合带来了更多混合多址接入解决方案,例如OFDMA、SS-MC-MA(OFDMA结合CDM(Code Division Multiplexing))和IFDMA。

3.4.2.1. OFDMA
OFDMA给每一个用户分配一个或几个OFDM子载波,不像传统FDMA接收机需要为每个用户配置一个解调器,OFDMA只需要一个解调器和DFT模块即可。下图描述了简单的OFDMA工作原理(图中每a用户只占用一个子载波)。


OFDMA常用于多用户上行链路,结合低进制调制方案和Gray映射(当然高进制调制和其它映射方案也可以被采用)。系统中子载波的分配方案可动态调 整,动态分配(跳频)方案对于增加系统鲁棒性更加有利—利用了频域分集效果,类似MC-CDMA中的M-或Q-Modification。OFDMA系统 对定时和载波同步要求很严格,用以保证不同用户调制符号之间的正交性,如果移动台能够锁定基站传送的同步信息,就使得上行基站接收的载波和时钟恢复电路相 对简单,从而大大简化了OFDM解调器结构。[41]
OFDMA系统同OFDM系统一样对相位噪声很敏感。不同用户之间的相位校正仅靠度量单独信号的功率和延迟不足以满足要求,然而可以利用一个大保护间隔(循环冗余)补偿相位偏差。
跳频OFDMA(FH-OFDMA)中,基站按照一定跳频模式动态分配子载波给用户[42]。FH-OFDMA和MC-CDMA很相似,因为在OFDMA中,频率分配可以根据一个由跳频模式生成的码字完成,这就和MC-CDMA在频域扩频概念相同。
为了提供多速率多媒体服务,OFDMA可以依据用户的需求对用户分配不同数目的子载波,这种子载波分配和跳频模式控制消息,功率控制消息以及时间、频率同步信息都属于MAC层控制信令。

3.4.2.2. SS-MC-MA
OFDMA结合码分复用就得到扩频多载波多址:SS-MC-MA(Spread Spectrum-Multicarrier-Multiple Access)[43,44]。SS-MC-MA使用OFDMA区分用户,并将CDM用在属于同一用户的数据符号上,从而取得了额外的分集增益。
SS-MC-MA和M-Modification MC-CDMA很相似,共同点如下:
(1) 都将每一个数据符号扩频到L个子载波上从而获得频率分集增益;
(2) 对每一个子系统可以使用相同的检测技术;
(3) ISI和ICI可以被消除,简化接收机设计。
二者差别在于:
(1) SS-MC-MA使用CDM在同一子载波上同时传输同一用户的不同数据,是一个子载波上的OFDMA;而MC-CDMA使用CDM在同一子载波传递不同用户的数据,是一个CDMA方案;
(2) MC-CDMA系统必须解决MAI;SS-MC-MA系统没有MAI,却要解决自干扰;
(3) SS-MC-MA中每个子载波只属于一个用户,使得信道估计(尤其是上行链路)易于实现;而在MC-CDMA中,上行链路的信道估计必须面对混合的历经独立衰落的多用户信号,因此过程很复杂;
(4) SS-MC-MA系统(特别在下行)应用多符号检测(类似MC-CDMA的多用户检测)得到一步估计L个符号的高效率,即SS-MC-MA系统下行符号检测复杂度是MC-CDMA系统的1/L。
SS-MC-MA的上行发射和接收电路如下图所示:


B3G通信系统可以在下行使用MC-CDMA而在上行用SS-MC-MA,以获得上下行高频谱效率和灵活性,并且上下行可以使用同样的硬件,只需对用 户数据提供不同的映射方式[45]。从另一个角度看,带有灵活资源分配的改进SS-MC-MA方案也可应用在下行链路以提高下行吞吐率[46]。SS- MC-MA还可以利用下行链路的同步信息来降低上行接收端同步的复杂度,并且在系统轻负荷情况下可以调整方案,调用剩余资源保证更可靠的传输 [47,48]。

3.4.2.3. IFDMA
IFDMA(Interleaved Frequncy Division Multiple Access)设计目标是实现没有多址接入干扰的FDMA[49, 50]。系统中每一个用户独享一个子载波集,对不同用户的子载波进行交织。在IFDMA中,每个用户占用的子载波在传输频段上均匀分配,以获得最大程度上 的频率分集增益。IFDMA的信号在时域设计,从而实现了低PAPR。然而,IFDMA也有如下不足:
(1) IFDMA比OFDM矩形波需要更大的传输带宽,即频谱效率不及OFDM系统;
(2) 在IFDMA系统中,多径信道导致的ISI需要更复杂的接收机才能消除;
(3) IFDMA设计不如MC-CDMA灵活,因为它不支持自适应的子载波分配。
带有循环冗余保护间隔的IFDMA的信号设计如下图所示:


每个用户的Q个符号经过压缩和重复交织过程构成了一个IFDMA符号,压缩过程即在频域进行了扩展。然后将该IFDMA符号与用户特有的相位向量作矢 量内积(以每个压缩符号作为基本单位),从而保证每个用户被分配了独立于其它用户的子载波集(包含有Q个子载波)。IFDMA接收机需要做均衡以抵抗 ISI。由于低PAPR(恒包络)特性,IFDMA可以应用于功率受限终端的上行链路。

3.4.3. OFDM+TDMA
结合OFDM和TDMA的多址技术被称为MC-TDMA(Multicarrier-TDMA)或OFDM-TDMA,并且已经在高速WLAN标准中 应用[51-54]。MC-TDMA的一帧包含K个时隙,分别分配给K个用户,每个时隙包含一个或多个OFDM符号。时隙分配方案由基站MAC层信令控 制,当相邻OFDM符号间的ISI被足够长的保护间隔或精确的时间控制机制消除时,多址接入干扰也被消除。每个时隙可以分配不同的编码和调制方案。
MC-TDMA主要的优势在于保证了高峰值速率,实现了突发传输,消除了多址接入干扰并实现了简单的接收机结构。相干解调需要精确的OFDM突发同步,特别是在上行链路,为此采用了频域同步系统进行补偿。
除了需要引入复杂的OFDM同步机制外,MC-TDMA的缺陷还体现在三点上:首先,分集增益只能通过额外的方式,例如信道编码或MIMO技术获得; 其次,在TDMA系统中,终端瞬间传输功率很高,因此要求比FDMA系统中使用更高效的功放;再次,MC-TDMA系统作为一个OFDM系统还需要一个很 迅速的发射功放回退。
下图显示了MC-TDMA系统结构。收发机结构和OFDM/OFDMA系统很类似,只不过MC-TDMA系统需要进行突发同步。


结合OFDMA和MC-TDMA可以获得一个具备高吞吐率的灵活的多用户系统[55]。

3.5. 非对称业务支持技术

因需要B3G支持上下行链路不对称的多媒体业务,故列出可有效地支持这种不对称性的技术如下[16]。

3.5.1. 双工模式
双工模式是影响系统整体频谱效率的一个重要因素,为能支持非对称业务,不同的双工模式各有利弊。双工模式的选择依赖于应用类型(近距离、广域、灵活性 等)。在链路非对称的情况下使用TDD(Time Division Duplex)或FDD(Frequency Division Duplex)模式各有其优势和劣势。

3.5.1.1. TDD
  在TDD模式下,通过给上/下行链路分配不同大小的时隙实现不对称业务,每一链路可达到的最大数据速率取决于时隙分配的不对称比例。
TDD具有如下优点:
(1) 提供容易识别的上/下行统一频带,下行信道估计结果可以用于上行链路(慢衰落和延迟较小情况);
(2) 流量的不对称性可以灵活调整,只需考虑同频带(同小区)和临频带(临小区)干扰情况;
(3) 因TDD可以在一定范围内改变不对称程度,故频谱效率相对独立于实际网络流量的不对称性;
(4) 在低速移动条件下,可以利用上行提供的信道特性更好地调整自适应天线以进一步提高容量;
TDD可能存在的缺点如下:
(1) 邻频干扰包括上行和下行干扰;
(2) 当频率重用因子较小时,相邻小区上/下行链路的同步和网络规划是必须的,否则一个基站/扇区的下行时隙将干扰另一个基站/扇区的上行时隙;而当频率复用因子较大时,在一个运营商分配的频段内不用做规划,但在不同运营商分配的相邻频段上仍然需要做;
(3) 多运营商能否实现基站同站址取决于系统设计、同站址的这些运营商之间的频率重用率和频率间隔;
(4) 需要进行邻频段隔离;

3.5.1.2. FDD
在FDD模式下,通过给上/下行链路分配总宽度不同的频带实现不对称业务,一旦分配方案确定,每一链路的最大用户数据速率就固定下来了。
FDD具有如下优点:
(1) 能够灵活配置上下行载波从而获得非对称容量,当所选带宽比和业务不对称性需求一致时频率利用率最大;
(2) 不对称频率分配可以依靠两种方案实现:不对称载波数量或者不对称载波宽度;
(3) 扩展不对称性可以通过在已有频段外增加不对称频带实现。
FDD可能存在的缺点如下:
(1) 在建设初期需要对未来的频谱需求进行估计,运行后对频谱更多的需求很难立即得到满足;
(2) 对灵活的双工间距的支持增加了终端复杂性;
(3) 频谱效率取决于实际网络流量的不对称性和频谱分配不对称性之间的关系;
(4) 当上下行载波宽度不同时,需要不同带宽的信道能够提供多速率、多容量。

3.5.2. 其它辅助技术
3.5.2.1. 不对称调制技术
  不论在FDD还是TDD系统,通过在上/下行链路使用不同的调制方案,可以获得不同的数据速率。优点如下:
(1) 不需额外的频率分配或时隙分配;
(2) 使用链路自适应技术得到更高的信道吞吐率,但需要高信噪比或者近距离通信环境;
(3) 在较好的无线信道条件下可以增强TDD或者FDD的性能。
可能存在的问题有:
(1) 系统边沿上传输方向对技术的实现有影响;
(2) 仅能实现有限的不对称比例;
(3) 需要应用链路自适应技术;
(4) 主要适用于分组数据业务;
(5) 需要比较复杂的规划和实现。
如果一条链路的容量得到改善,那么应用同样的技术也可以提高其它链路的容量。因此,在提高非对称服务上没有实际优势。

3.5.2.2. 自适应天线或先进的检测技术
自适应天线或者更加先进的检测技术(如能够减轻同频道干扰危害的先进检测方案)可以增加某一条链路的容量,这将给已有频率分配方案提供更多的不对称性。优点如下:
(1) 可以和TDD或者FDD结合使用;
(2) 下行链路使用自适应天线可以提高容量;
(3) 自适应传输天线在TDD系统中更加有效。
可能存在的问题有:
(1) 下行链路需要更大的容量,从而增加了终端接收机的复杂度(当采用了先进的检测方案时);
(2) 自适应天线或检测技术对终端的复杂性影响比对基站大。

3.6. 软件无线电技术
软件无线电也称SDR(Software Defined Radio)技术,诞生于20世纪90年代。美国是第一个建立实用软件无线电系统的国家,美军的“Speakeasy”和麻省理工的“Spectrum Ware”系统不仅首次证实了软件无线电的可行性和优越性,而且成为了软件无线电系统研制中存在的两种体系结构的典型代表。
“Speakeasy”采用双总线结构,即VME总线和高速数据总线,以通用DSP和FPGA芯片为基础,把各个功能模块通过总线连 接起来形成系统,它的思路是立足于已有的硬件条件,建造实用的、能实现软件无线电思想的无线通信系统。“Spectrum Ware”以ATM网络联接的工作站为基础构成,能够在工作站的用户空间内完成所有的信号处理工作,它的思路是针对软件无线电实现中?/span>



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