下一代無線通信系統(tǒng)的進(jìn)展

王　藝　姚　彥

摘要：

文章簡述了無線通信的演進(jìn)過程與下一代無線通信的劃分方式，介紹了ITU、ETSI和IST等各組織的研究計劃和研究進(jìn)展情況，并進(jìn)一步介紹了清華大學(xué)提出的分布式無線通信系統(tǒng)方案。

關(guān)鍵詞：

未來無線通信；軟件無線電；分布式無線通信系統(tǒng)

ABSTRACT:

With the overview of the evolution course of wireless communications, the definition of next-generation wireless communications is discussed. Relevant research plans of ITU, ETSI, IST and other organizations and advances of their present studies are introduced. The distributed wireless communication system, a solution scheme proposed by Tsinghua University, is also overviewed.

KEY WORDS:

Future wireless communications; Software radio; Distributed wireless communication system

1 引言

無線通信技術(shù)是當(dāng)前發(fā)展最快的技術(shù)之一。各種全新的無線通信概念層出不窮，各種新體制及其關(guān)鍵技術(shù)日新月異。一些重大體制改變和技術(shù)進(jìn)步將成為21世紀(jì)無線通信領(lǐng)域革命的標(biāo)志。

90年代，數(shù)字技術(shù)的成功應(yīng)用大大推動了無線通信的發(fā)展，相繼出現(xiàn)了以GSM為典范的第2代蜂窩移動通信系統(tǒng)和以數(shù)字視頻廣播/數(shù)字音訊廣播(DVB/DAB)為標(biāo)志的數(shù)字廣播系統(tǒng)。隨著光纖通信和Internet技術(shù)的發(fā)展，有線網(wǎng)的傳輸速率和業(yè)務(wù)都得到了極大的突破，使得無線接入網(wǎng)成為高速信息傳輸?shù)摹捌款i”。ITU提出的以IMT-2000為標(biāo)志的第3代移動通信系統(tǒng)，在近幾年里得到了各國廣泛深入的研究^[1]，預(yù)計將很快可以投入商用，從而形成蜂窩移動通信系統(tǒng)、數(shù)字廣播系統(tǒng)、無線局域網(wǎng)、衛(wèi)星通信系統(tǒng)等多種體制并存的無線通信網(wǎng)絡(luò)。然而這種無線通信網(wǎng)絡(luò)仍然不能滿足未來通信的需求，首先是通信體制的多樣化，如IMT-2000系統(tǒng)就有好幾種標(biāo)準(zhǔn)，無法實現(xiàn)全球漫游和系統(tǒng)融合；其次是無線傳輸速率較低，如IMT-2000系統(tǒng)在車載情況下的最大數(shù)據(jù)率為144 kbit/s，僅僅相當(dāng)于窄帶綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)(ISDN)的數(shù)據(jù)速率，無法實現(xiàn)高質(zhì)量的多媒體業(yè)務(wù)；另外Internet技術(shù)的高速發(fā)展，需要接入網(wǎng)能夠很好地支持IP協(xié)議，而現(xiàn)有無線通信系統(tǒng)沒有很好地考慮與Internet的融合。

為了適應(yīng)未來通信的發(fā)展需求，ITU在制訂IMT-2000標(biāo)準(zhǔn)的同時開始把目光放到3G以后的無線通信上。1999年12月ITU-R成立了WP8F工作小組，負(fù)責(zé)規(guī)劃IMT-2000及以后移動通信(簡稱3B)的發(fā)展。至此掀起了研究未來無線通信的熱潮^[2,3]，如歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)組織(ETSI)的BRAN計劃、IST第4小組的未來無線系統(tǒng)技術(shù)等，中國在“十五”的“863”計劃中也投入了大量資金著手研究基于多載波和正交頻分多路復(fù)用(OFDM)的下一代無線通信系統(tǒng)，這些將極大地影響無線通信的發(fā)展方向。

劃分第1、2代移動通信系統(tǒng)時，有著明確的衡量標(biāo)準(zhǔn)，即第1代提出了蜂窩概念，而第2代引入了數(shù)字技術(shù)。相對來說，第3代的概念比較模糊，往往認(rèn)為CDMA技術(shù)和寬帶業(yè)務(wù)是它的標(biāo)志，雖然IS-95也采用了CDMA技術(shù)，但是它的業(yè)務(wù)速率沒有上去。IMT-2000系統(tǒng)的目標(biāo)是實現(xiàn)任何人在任何時間、地點以任何方式與任何人進(jìn)行通信(簡稱5A)^[1]，具體參數(shù)為室內(nèi)通信速率2 Mbit/s，車載通信速率144 kbit/s，步行者通信速率384 kbit/s，并實現(xiàn)全球漫游和多媒體業(yè)務(wù)。如果根據(jù)研究目標(biāo)來定義，顯然4G不能超越5A的目標(biāo)。那么是否可以根據(jù)業(yè)務(wù)速率來劃分呢？如日本提出業(yè)務(wù)速率在20~100 Mbit/s之間為4G，當(dāng)達(dá)到600 Mbit/s時成為5G^[2]。我們知道通用移動通信系統(tǒng)(UMTS)第2階段的一個目標(biāo)是研究新型的物理層技術(shù)，使得業(yè)務(wù)速率達(dá)到20 Mbit/s。也就是說如果按照速率劃分，UMTS既屬于3G，也屬于4G，這是不合理的。另外速率劃分方法忽略了人們對業(yè)務(wù)的需要以及無線網(wǎng)與有線網(wǎng)的融合問題，不是未來通信發(fā)展的趨勢。日本另外的一種看法是在3G中引入智能天線和干擾抵消技術(shù)就形成了3.5G，如果采用軟件無線電實現(xiàn)各種體制的融合就構(gòu)成了4G。實際上3G的發(fā)展已經(jīng)充分說明了下一代無線通信系統(tǒng)不會再以某種技術(shù)的飛躍為標(biāo)志，除了各大廠商的利益以外，用戶的需求(如全球漫游、多媒體業(yè)務(wù)等)將是發(fā)展4G的主要動力。歐洲有一部分學(xué)者認(rèn)為高速的基于IP的綜合業(yè)務(wù)是4G的主要特征，雖然這代表了無線通信與Internet融合的方向，但是IP業(yè)務(wù)在3G中已經(jīng)有了明確的規(guī)定，并正在研究全I(xiàn)P網(wǎng)絡(luò)，因此這種提法也沒有給出很好的4G劃分標(biāo)準(zhǔn)。綜上所述4G與3G之間并沒有明確的劃分標(biāo)準(zhǔn)，4G的研究目標(biāo)并沒有超過3G的研究范疇，因此遵從ITU-R的提法，下一步的研究系統(tǒng)應(yīng)稱為3代以后未來無線通信(簡稱3B)，或者叫作IMT-2010。

2 下一代無線通信的研究現(xiàn)狀

2.1 ITU-R WP8F

1999年12月ITU-R成立了WP8F工作小組^[4]，負(fù)責(zé)IMT-2000及以后的移動通信發(fā)展。IMT-2000中的衛(wèi)星通信及以后的發(fā)展由WP8D負(fù)責(zé)，兩個小組共同完成整個IMT-2000及以后的無線通信的發(fā)展。

WP8F小組的研究內(nèi)容分為兩個部分：IMT-2000與IMT-2000以后的無線通信。

IMT-2000的研究工作預(yù)計2003年完成，主要內(nèi)容包括：

*9誗IMT-2000的哪些目標(biāo)不能滿足未來通信的發(fā)展？

*9誗隨著IMT-2000的發(fā)展，需要增加哪些業(yè)務(wù)(包括基于IP的應(yīng)用)？

*9誗在操作和技術(shù)上需要增加哪些特征以滿足需求？

*9誗如何合理地優(yōu)化頻譜分配？

*9誗如何從IMT-2000平穩(wěn)地向增強型IMT-2000和以后的無線通信系統(tǒng)過渡？

*9誗如何成功地推出IMT-2000？

IMT-2000以后的無線通信系統(tǒng)的研究工作，預(yù)計2010年完成，主要內(nèi)容包括：

*9誗未來無線通信的研究目標(biāo)是什么？

*9誗未來無線通信的業(yè)務(wù)和應(yīng)用是什么？

*9誗如何在技術(shù)、操作和頻譜分配等相關(guān)問題上實現(xiàn)研究目標(biāo)？

*9誗如何順利地引入未來無線通信系統(tǒng)？

除此之外，WP8F小組還需要著重考慮3個方面的問題：一是讓移動通信技術(shù)適應(yīng)發(fā)展中國家的需求；二是在移動通信系統(tǒng)中引入IP應(yīng)用，特別需要研究IP話音業(yè)務(wù)(VoIP)；三是研究自適應(yīng)天線，以便降低移動通信中的干擾。

2.2 ETSI BRAN計劃

ETSI BRAN小組成立于1997年4月，主要負(fù)責(zé)寬帶無線局域網(wǎng)和固定無線接入的研究^[5]，要求支持高速率、高質(zhì)量的非對稱數(shù)據(jù)傳輸，同時支持ISDN和低速率業(yè)務(wù)，實現(xiàn)全球移動多媒體的目標(biāo)。也就是說，BRAN計劃的實施將為本地用戶(辦公室、大樓等)提供另外一種高速接入方式，成為不對稱數(shù)字用戶線(ADSL)、電纜調(diào)制解調(diào)器的競爭對手。

BRAN計劃的研究內(nèi)容不包括核心網(wǎng)絡(luò)部分，但需要與UMTS核心網(wǎng)的發(fā)展一致。為了避免不必要的重復(fù)工作，BRAN計劃需要保持與ATM論壇、因特網(wǎng)工程任務(wù)組(IETF)、國際電子電工工程協(xié)會(IEEE)、歐洲計算機制造聯(lián)合會(ECMA)及數(shù)字音頻視頻委員會 (DAVIC)的協(xié)調(diào)工作。

BRAN主要完成無線接入網(wǎng)絡(luò)部分的功能，為了與GSM/UMTS核心網(wǎng)絡(luò)或其他網(wǎng)絡(luò)互連，BRAN采用不同的互連網(wǎng)關(guān)(IWF)適配到不同的網(wǎng)絡(luò)或終端實體上。

BRAN的研究內(nèi)容包括3個部分： HiperLAN/2，適用于室內(nèi)的高速短距離通信，數(shù)據(jù)速率為36～54 Mbit/s，采用的頻率為5 GHz；HiperACCESS，適用于大范圍內(nèi)的點對點通信，速率高達(dá)155 Mbit/s；HiperLINK，適用于HiperACCESS與HiperLAN/2之間的點對多點或點對點通信，采用的頻率為17 GHz。

在BRAN的3個研究內(nèi)容中，HiperLAN/2研究得最為廣泛深入，目前已經(jīng)初步完成了協(xié)議棧的定義。

HiperLAN/2的物理層采用正交頻分多路復(fù)用(OFDM)調(diào)制，子載波數(shù)為52個，其中48個用于傳送數(shù)據(jù)，其余的傳送導(dǎo)頻。子載波調(diào)制方式有3種，64QAM為可選方式之一，數(shù)據(jù)速率6，9，12，18，27，36，54 Mbit/s?？罩薪涌诓捎脛討B(tài)時分多址/時分雙工(TDMA/TDD)方式，幀長20 ms，采用ATM格式。

數(shù)據(jù)鏈路控制層(DLC)包括兩個部分。第1部分包括媒體接入控制(MAC)和差錯控制(EC)單元；第2部分是無線鏈路控制(RLC)子層，用于控制平面內(nèi)接入點和移動終端之間的數(shù)據(jù)交換。

匯聚層(CL)主要有兩個功能：一是將上層的業(yè)務(wù)請求適配成DLC識別的原語；二是將來自上層可變/固定長度的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成DLC規(guī)定的數(shù)據(jù)包格式。另外CL還要完成與不同的核心網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的互連。

HiperLAN/2支持兩種工作模式，集中式和直連式。集中式用于蜂窩結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)中，即一個小區(qū)只有一個接入點，移動臺與其他節(jié)點或網(wǎng)絡(luò)通信都需要經(jīng)過接入點的處理。直連式用于特殊(如Ad Hoc)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，任何兩個移動臺都可以相互通信，不需要公共的接入點服務(wù)。直連式主要用于家庭內(nèi)部的通信。

2.3 IST KA4計劃

IST是歐洲委員會(EC)于1999年成立的一個組織，全面負(fù)責(zé)信息技術(shù)的發(fā)展。IST第4組(IST KA4)主要負(fù)責(zé)移動衛(wèi)星和個人通信的研究^[6]，目標(biāo)是實現(xiàn)任何人能在任何時間、地點進(jìn)行高速的無線多媒體通信。KA4又分49個項目組，每個項目組各有一個明確的研究目標(biāo)，如ADAMAS項目組研究自適應(yīng)多載波接入系統(tǒng)。在這些項目組的基礎(chǔ)上又設(shè)立了5個課題，每個課題由一個或多個項目組協(xié)調(diào)完成。這5個課題分別是未來無線通信、智能天線、軟件無線電、衛(wèi)星通信和定位業(yè)務(wù)。

3B課題組共有10個項目組成員，研究范圍包括衛(wèi)星通信、陸地通信及交互式廣播系統(tǒng)，不同接入系統(tǒng)的融合和IP技術(shù)也是3B的重要研究內(nèi)容。由于各項目組都有自己的研究思路，如BRAIN組主要考慮如何構(gòu)建未來基于IP的無線通信網(wǎng)絡(luò)，WSI組從業(yè)務(wù)級研究無線Internet，而DRVIE組則從頻譜的有效利用角度研究未來的無線通信系統(tǒng)，因此至今尚沒有正式統(tǒng)一的方案。不過我們可以介紹其中比較有特色的兩個小組的工作。BRAIN小組的研究目標(biāo)是實現(xiàn)開放式無線寬帶Internet接入系統(tǒng)，使得用戶能夠在全球范圍內(nèi)通過現(xiàn)有的和未來的無線接入網(wǎng)訪問IP業(yè)務(wù)。作為現(xiàn)有業(yè)務(wù)的補充，BRAIN的業(yè)務(wù)速率提高到20 Mbit/s，并包括點對點、點對多點、對稱與非對稱、端到端的IP業(yè)務(wù)。

BRAIN的研究內(nèi)容不包括空中接口，理論上可以采用任何類型的接口方式，但在初期主要是基于HiperLAN/2進(jìn)行研究，從而與ETSI BRAN計劃一致。BRAIN采用了自上而下的設(shè)計方法，即首先考慮實現(xiàn)哪些業(yè)務(wù)和應(yīng)用，然后研究支持這些業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及相關(guān)技術(shù)。在HiperLAN/2中引入IP業(yè)務(wù)最重要的是要保證業(yè)務(wù)質(zhì)量，所以BRAIN現(xiàn)階段的任務(wù)是研究HiperLAN/2中的二、三層協(xié)議及相關(guān)技術(shù)，如切換管理、地址分配、資源管理等。BRAIN的另外一個研究焦點是如何在網(wǎng)絡(luò)層及底層進(jìn)行透明傳輸，從而在不修改現(xiàn)有Internet協(xié)議的情況下將IP業(yè)務(wù)引入到BRAIN網(wǎng)絡(luò)中。

DRIVE研究項目，主要研究在多種體制共存的無線環(huán)境中如何提高無線頻譜的利用率，同時提供移動的多媒體業(yè)務(wù)，特別是教育、娛樂業(yè)務(wù)?，F(xiàn)有的無線通信體制繁多，各自占用不同的頻段，而在未來的無線通信中，某個頻段很難滿足不同的無線通信，因此固定地將某個頻段分配給不同體制的接入網(wǎng)，就不能根據(jù)業(yè)務(wù)量靈活地分配資源，造成資源浪費。在未來的無線通信中業(yè)務(wù)并不是均勻分布，不同地區(qū)在不同時間對業(yè)務(wù)的需求會有很大差別，這是一種分布式業(yè)務(wù)模型，而現(xiàn)在頻率分配往往是根據(jù)最大業(yè)務(wù)量進(jìn)行分配的，因此不適合業(yè)務(wù)變化很大的情況。為了提高頻譜的利用率，DRIVE提出動態(tài)頻譜分配(DSA)方案。該方案在不同的無線接入網(wǎng)中增加一個DSA業(yè)務(wù)控制單元，并受DRIVE核心網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)控制單元的控制，這樣每個區(qū)域在不同的時刻會根據(jù)業(yè)務(wù)量自適應(yīng)地分配頻譜，從而克服了傳統(tǒng)固定分配方法的問題，大大提高了頻譜利用率。

2.4 NTT DoCoMo計劃

日本在發(fā)展3G的同時也著手3B的研究，主要的倡導(dǎo)者是NTT DoCoMo公司。

在概念上，日本提出3B應(yīng)當(dāng)具有高速的數(shù)據(jù)傳輸，特別是下行鏈路的速率應(yīng)當(dāng)大于20 Mbit/s；3B應(yīng)當(dāng)能夠?qū)崟r地傳送活動圖像；3B應(yīng)當(dāng)是一個全I(xiàn)P的網(wǎng)絡(luò)。

從研究內(nèi)容^[7]上來看，DoCoMo主要研究智能天線、干擾抵消和軟件無線電技術(shù)，這些都屬于物理層的范疇。也就是說，DoCoMo認(rèn)為3B的關(guān)鍵技術(shù)集中在無線傳輸上，因此DoCoMo所設(shè)計的3B藍(lán)圖是多種小區(qū)并存，基站通過智能天線保持對移動臺的跟蹤，而移動臺通過下載來更新通信方式，從而實現(xiàn)全球無縫漫游。

3 分布式無線通信系統(tǒng)

中國國家自然科學(xué)基金和“863”都圍繞多天線開展了下一代無線通信的研究，清華大學(xué)提出了分布式無線通信系統(tǒng)(DWCS)方案，其邏輯結(jié)構(gòu)如圖1。第1層是分布式天線系統(tǒng)。天線分布在地面的不同位置，發(fā)送和接收來自移動臺的無線射頻信號。由于在未來的高速無線通信中，往往采用比較高的頻率發(fā)送，使得無線信號的傳播距離很短，因此要實現(xiàn)對某個區(qū)域的無縫覆蓋需要很多的天線。另外為了提高系統(tǒng)的容量，也經(jīng)常采用多天線結(jié)構(gòu)，如智能天線、多入多出(MIMO)天線、室內(nèi)覆蓋分布式天線等結(jié)構(gòu)。如果在天線端增加復(fù)雜的信號處理，不僅損失了信息量，而且增加了系統(tǒng)的成本。因此在DWCS中，分布式天線對無線信號只完成功率放大和光電轉(zhuǎn)換等最簡單的功能。第2層是分布式光纖傳輸系統(tǒng)。光纖分布在地下，完成分布式天線和分布式處理系統(tǒng)之間的信號傳輸，不對收發(fā)的無線信號進(jìn)行任何信息處理。從功能上來看，分布式光纖傳輸系統(tǒng)相當(dāng)于是空中傳輸?shù)难永m(xù)，但是它基本上不會降低信號質(zhì)量，因為光纖傳輸?shù)恼`碼率很低。當(dāng)然在DWCS系統(tǒng)中，我們假設(shè)未來光纖的成本很低，這與當(dāng)前光纖技術(shù)的發(fā)展趨勢相符合。另外為了區(qū)分來自不同天線的信號，在這一層里需要給無線信號打包，以表明來自和發(fā)送給哪根天線，將要傳送給哪個處理節(jié)點。一般情況下天線采用內(nèi)部地址標(biāo)識，而處理節(jié)點則可以采用內(nèi)部地址或者全球識別的地址，如IP地址，在不同的發(fā)展階段可以有不同規(guī)定。第3層是分布式處理系統(tǒng)。每個處理節(jié)點分布在不同的位置，完成對無線信號的一項或多項處理功能，如調(diào)制解調(diào)、匹配接收或信道編譯碼等。處理節(jié)點之間相互通信，協(xié)調(diào)工作任務(wù)，共同完成物理層和鏈路層的功能。第4層是虛擬或分布式核心網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點分布在不同的地理位置上，甚至可以是Internet網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點主要完成數(shù)據(jù)交換、路由、安全認(rèn)證以及相關(guān)數(shù)據(jù)訪問等功能，可以認(rèn)為分布式網(wǎng)絡(luò)相當(dāng)于傳統(tǒng)無線通信系統(tǒng)中的核心網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)引入移動IP后，分布式網(wǎng)絡(luò)還需要承擔(dān)代理服務(wù)器的功能。由于在這一層里主要進(jìn)行數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)層及信令的高層處理，因此可以采用TCP/IP協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，取代傳統(tǒng)的建立在七號信令網(wǎng)上的移動應(yīng)用協(xié)議(MAP)和IS-41協(xié)議，以便能夠和Internet更好地結(jié)合，最終完成與Internet的融合，成為Internet的一部分。

DWCS在邏輯上分為上述4個層次，但是可以有不同的實現(xiàn)方式，具體方式可參考文獻(xiàn)^[8]。

4 總結(jié)

ITU-R WP8F小組的成立標(biāo)志著未來無線通信的開始，從上面介紹的目前3B發(fā)展現(xiàn)狀及3B的發(fā)展趨勢來看，一部分學(xué)者致力于對3G系統(tǒng)的擴(kuò)展，如在系統(tǒng)中增加智能天線、軟件無線電等技術(shù)，以實現(xiàn)全球移動多媒體的目標(biāo)；另一部分學(xué)者則提出全新的系統(tǒng)模型，然后再考慮如何融合現(xiàn)有的無線通信系統(tǒng)。兩種路線各有其優(yōu)點和缺點，在實際3G系統(tǒng)與5A目標(biāo)之間的空白處尚有大量的工作值得我們?nèi)ネ瓿??！?/p>

參考文獻(xiàn)

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2 Evans B G, Baughan K. Visions of 4G. Electronics & Commun Journal, 2000:293—303

3 Hata M. Fourth generation: now, it is personal. IEEE International Symposium on Personal, 4 Indoor and Mobile Radio Communications (PIMRC) 2000, 2000,2:1009—1016

4 ITU Work Party 8F. http://www.itu.int/imt/5_mtgs/wp8f

5 ETSI BRAN Project. http://www.etsi.org/bran

6 IST KA4 Project. http://www.cordis.lu/ist/ka4/mobile

7 NTT DoCoMo Project. http://www.nttdocomo.co.jp

8 王京,姚彥,周世東.分布式無線通信系統(tǒng)的概念平臺.電子學(xué)報,2002,(9)

(收稿日期：2002-07-22)

作者簡介

王藝，清華大學(xué)電子工程系博士后，北京航空航天大學(xué)學(xué)士畢業(yè)，北京郵電大學(xué)碩士、博士畢業(yè)。主要研究方向為下一代無線通信系統(tǒng)及多天線、多用戶檢測、OFDM技術(shù)。已發(fā)表論文40余篇。

姚彥，清華大學(xué)電子工程系教授、博士生導(dǎo)師，微波與數(shù)字通信國家重點實驗室副主任。主要研究領(lǐng)域為無線通信、微波通信、信息論等。