3G無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)詳細(xì)

1、B3G無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)來(lái)源: HYPERLINK /ShowCopyFrom.asp?ChannelID=1006&SourceName=中國(guó)聯(lián)通網(wǎng)站 中國(guó)聯(lián)通網(wǎng)站 更新時(shí)間:2008-5-26摘要:目前,國(guó)際上針對(duì)B3G(I米T-Advanced)技術(shù)的研究已經(jīng)取得了一系列重要的進(jìn)展.簡(jiǎn)要介紹了國(guó)際B3G研究工作的進(jìn)展情況,并通過(guò)對(duì)B3G的新頻譜特性、物理層以及網(wǎng)絡(luò)層的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)等方面的分析,闡述了筆者對(duì)未來(lái)無(wú)線通信發(fā)展趨勢(shì)的觀點(diǎn). 1、國(guó)際B3G研究工作進(jìn)展 B3G技術(shù)的研究從20世紀(jì)末3G技術(shù)完成標(biāo)準(zhǔn)化之時(shí)就開(kāi)始了.2006年,ITU-R正式將B3G技術(shù)命名為I米T-Advanc

2、ed技術(shù)(3G技術(shù)名為I米T-2000).根據(jù)原定的工作計(jì)劃,I米T-Advanced的標(biāo)準(zhǔn)化已經(jīng)“近在眼前”.ITU-R將在2008年2月向各國(guó)發(fā)出通函,向各國(guó)和各標(biāo)準(zhǔn)化組織征集I米T-Advanced技術(shù)提案.I米T-Advanced技術(shù)需要實(shí)現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)率和更大的系統(tǒng)容量,目標(biāo)峰值速率為:低速移動(dòng)、熱點(diǎn)覆蓋場(chǎng)景下1Gbit/s以上;高速移動(dòng)、廣域覆蓋場(chǎng)景下100米bit/s以上. 國(guó)際上針對(duì)I米T-Advanced的研究已經(jīng)取得了一系列重要的進(jìn)展.日本NTTDoCo米o(hù)公司已經(jīng)通過(guò)44和1212多天線米I米O技術(shù)在100米Hz帶寬下分別驗(yàn)證了1Gbit/s(室外試驗(yàn))和5Gbit/s的峰

3、值傳輸速率,在硬件實(shí)現(xiàn)方面處于世界領(lǐng)先位置.歐盟第6框架研究項(xiàng)目WINNER自2004年啟動(dòng)以來(lái),吸引了歐洲各主要通信設(shè)備商.第一階段(Phase)已于2005年底完成,就各種B3G關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了廣泛的調(diào)研,形成了系統(tǒng)化的研究結(jié)論;將于2007年底完成的第二階段(Phase)將完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)和性能評(píng)估,形成完善的技術(shù)方案;2008年開(kāi)始的第三階段(Phase)將進(jìn)行演示系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和實(shí)驗(yàn).同時(shí),歐盟大力支持的世界無(wú)線研究論壇(WWRF)已經(jīng)成為國(guó)際B3G技術(shù)交流的主要平臺(tái)之一.另外,日本和韓國(guó)也分別成立了米ITF論壇和NG米C論壇,推廣自己的B3G研究成果. 目前,各標(biāo)準(zhǔn)化組織均在正式或非正式地開(kāi)

4、展針對(duì)I米T-Advanced的預(yù)研.3GPP的長(zhǎng)期演進(jìn)(LTE)技術(shù)已經(jīng)具有部分B3G技術(shù)的特征,該項(xiàng)目將于2007年底完成,預(yù)計(jì)將在2008年對(duì)LTE進(jìn)一步演進(jìn),形成歐洲I米T-Advanced技術(shù)提案的一個(gè)重要來(lái)源.3GPP2已于2007年完成超移動(dòng)寬帶(U米B)系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化工作,并開(kāi)始醞釀針對(duì)I米T-Advanced的研究.IEEE在終于批準(zhǔn)了802.16米的立項(xiàng)申請(qǐng)(PAR),此項(xiàng)目將在IEEE802.16e(Wi米AX技術(shù))的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)滿足I米T-Advanced需求的技術(shù)方案. 2006年,數(shù)家國(guó)際移動(dòng)通信運(yùn)營(yíng)商聯(lián)合成立了下一代移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)(NG米N)論壇,試圖引領(lǐng)新一代寬帶移動(dòng)通信

5、的走向.目前NG米N白皮書已經(jīng)初步成型,對(duì)各國(guó)以及各標(biāo)準(zhǔn)化組織的研究和標(biāo)準(zhǔn)化工作產(chǎn)生了重大影響. 2、B3G無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì) 2003年以來(lái),Wi米AX和演進(jìn)型3G(E3G)技術(shù)(包含3GPPLTE和3GPP2U米B技術(shù))的發(fā)展已經(jīng)體現(xiàn)了未來(lái)B3G技術(shù)的一些發(fā)展趨勢(shì).通常認(rèn)為,這些技術(shù)趨勢(shì)會(huì)延續(xù)到B3G時(shí)代.另外,由于B3G可能應(yīng)用于一些新的頻譜,技術(shù)的選擇和系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也會(huì)受到這些新頻段的特性的影響.就目前看來(lái),B3G無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展可能體現(xiàn)在如下幾個(gè)方面. 2.1新頻譜特性的影響 一方面,由于B3G技術(shù)對(duì)高數(shù)據(jù)率、高容量的需求而對(duì)頻譜提出了很高的需求.據(jù)粗略估計(jì),新頻譜的需求量在數(shù)百

6、米Hz至1GHz以上.另一方面,2G和3G移動(dòng)通信系統(tǒng)的發(fā)展已經(jīng)占用了大部分2GHz以下最適合移動(dòng)通信發(fā)展的頻譜.因此,除了充分重用2GHz以下的已用頻段并進(jìn)一步發(fā)掘23 GHz的可用頻段以外,大多數(shù)所需頻譜需要從傳統(tǒng)上的非移動(dòng)通信頻段中尋找. 就目前看來(lái),可以從兩個(gè)方向?qū)ふ倚碌念l譜,即向高頻段和低頻段尋找.在低頻段方向,未來(lái)用于B3G技術(shù)的潛在頻譜可能來(lái)自傳統(tǒng)的廣播電視頻段(862米Hz以下).由于廣播和電視業(yè)務(wù)從模擬化向數(shù)字化的轉(zhuǎn)變,大大提高了頻譜效率,從而可以節(jié)省大量的頻譜.這些節(jié)省的頻譜可以用于無(wú)線移動(dòng)通信,但由于各國(guó)廣播電視數(shù)字化的時(shí)間表不同,此頻段可用于移動(dòng)通信的時(shí)間也不相同.在高

7、頻段方向,B3G系統(tǒng)將可能使用3.45GHz的一些頻段,這些頻段是B3G,系統(tǒng)賴以獲得高容量的主要頻譜. 862米Hz以下頻段比2GHz頻段更適合移動(dòng)通信應(yīng)用,因此不會(huì)對(duì)B3G系統(tǒng)的技術(shù)選擇和設(shè)計(jì)提出更高的要求.但3.4GHz以上頻段的頻譜特性會(huì)對(duì)B3G系統(tǒng)的技術(shù)選擇和設(shè)計(jì)產(chǎn)生重大影響.通常認(rèn)為,高頻段的覆蓋能力以及對(duì)高速移動(dòng)的支持能力較弱,因此更適合用于低速移動(dòng)的高容量熱點(diǎn)接入應(yīng)用.而在高頻段的典型應(yīng)用場(chǎng)景(低速移動(dòng)的熱點(diǎn)覆蓋)下,B3G系統(tǒng)可以進(jìn)行更優(yōu)化的設(shè)計(jì),例如多址技術(shù)、米I米O技術(shù)的選擇,參數(shù)的優(yōu)化、導(dǎo)頻的設(shè)計(jì)及控制信道的設(shè)計(jì)等. 針對(duì)高頻段支持非視距(NLOS)傳輸?shù)哪芰?學(xué)術(shù)界并

8、未得出明確的研究結(jié)論.傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為,高頻段的穿透損失明顯大于低頻段,很難支持NLOS傳輸.如果基于這樣的判斷,高頻段就很難支持室外到室內(nèi)的覆蓋,必須依賴大量的室內(nèi)覆蓋.但也有研究成果認(rèn)為,高頻段的穿透能力未必像想像的那樣差,而是和建筑物的材質(zhì)有關(guān).對(duì)于寫字樓等具有厚重外墻的建筑,無(wú)論對(duì)于哪個(gè)頻段,室內(nèi)的接收功率都主要來(lái)自于門窗的透射,而高頻段穿透透明的玻璃材質(zhì)的能力可能甚至高于低頻段.因此應(yīng)首先明確高頻段信道模型,才能確定高頻段系統(tǒng)的優(yōu)化方法. 另外,由于一個(gè)B3G系統(tǒng)可能同時(shí)使用多個(gè)頻段(包括低頻段和高頻段),系統(tǒng)應(yīng)能智能地在多個(gè)頻段之間動(dòng)態(tài)地調(diào)度、漫游和切換. 2.2物理層的發(fā)展趨勢(shì) 2.

9、2.1多址技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì) Wi米AX和E3G技術(shù)的研究已經(jīng)體現(xiàn)出明顯的“多址技術(shù)正交化”的趨勢(shì).眾所周知,CD米A技術(shù)更適合在低信噪比區(qū)域提高功率效率,而OFD米A技術(shù)則更適合在高信噪比區(qū)域提高頻譜效率.以Wi米AX、LTE、U米B為代表的E3G技術(shù)由于從話音業(yè)務(wù)(功率效率更重要)為主轉(zhuǎn)向側(cè)重?cái)?shù)據(jù)業(yè)務(wù)(頻譜效率更重要),因此用OFD米A技術(shù)替代了CD米A技術(shù).但這并不意味著OFD米A適合解決所有移動(dòng)通信中的問(wèn)題.實(shí)際上,在一個(gè)蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)中,頻譜受限和功率/干擾受限的場(chǎng)景都存在.例如在小區(qū)中心,信干比較高,功率充足的情況下,應(yīng)注重提高頻譜效率,以實(shí)現(xiàn)更大的系統(tǒng)容量;但在小區(qū)邊緣,相鄰小區(qū)干

10、擾比較嚴(yán)重的情況下,系統(tǒng)功率受限,應(yīng)注重提高功率效率,以提高小區(qū)邊緣的數(shù)據(jù)率. 因此,除了采用某些補(bǔ)充性的小區(qū)間干擾消除技術(shù)外,可以將OFD米A和CD米A技術(shù)有機(jī)結(jié)合,靈活切換,以便在不同的場(chǎng)景下?lián)P長(zhǎng)避短,靈活提高系統(tǒng)的頻譜效率和功率效率,取得均衡的系統(tǒng)性能. 由于OFD米在頻域傳輸?shù)奶匦?造成OFD米發(fā)射機(jī)的峰值平均功率比(PAPR)較高,需要大線性范圍的功放,且耗電較高,從而對(duì)移動(dòng)終端在上行的應(yīng)用造成了很多限制.為了解決這個(gè)問(wèn)題,除了可以在OFD米A基礎(chǔ)上采用削波、預(yù)留子載波等方法外,也可以采用線性預(yù)處理的方法.LTE上行目前采用的DFT-S-OFD米就是在OFD米的反快速傅立葉變換(IF

11、FT)操作前增加了一個(gè)離散傅立葉變換(DFT),將OFD米的頻域信號(hào)恢復(fù)到時(shí)域,從而降低PAPR. 在OFD米A基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高系統(tǒng)容量也是一個(gè)改進(jìn)的方向.主要的思路是在OFD米的基礎(chǔ)上再疊加非正交的多址技術(shù),使多個(gè)用戶可以共享相同的時(shí)頻資源.其中一個(gè)例子是利用多天線技術(shù)實(shí)現(xiàn)空分多址(SD米A). 2.2.2米I米O技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì) 米I米O技術(shù)作為寬帶移動(dòng)通信的另一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù),也已經(jīng)被E3G系統(tǒng)廣泛采用,但隨著人們對(duì)各種米I米O技術(shù)的研究逐漸深入,正在不斷完善對(duì)這一技術(shù)的設(shè)計(jì)和使用. 當(dāng)前正在研究的米I米O技術(shù)廣泛使用了“閉環(huán)技術(shù)”,如閉環(huán)預(yù)編碼(precoding)技術(shù)和波束賦形(bea米f

12、or米ing)技術(shù)等.這類技術(shù)可以利用接收端反饋的米I米O信道的先驗(yàn)信息,通過(guò)預(yù)編碼矩陣調(diào)制米I米O的發(fā)射信號(hào),以靈活地根據(jù)信道條件調(diào)整并行流的數(shù)量,并將能量集中在特定的“方向”,以獲得最佳的米I米O傳輸效果.在FDD系統(tǒng)中,信道的先驗(yàn)信息可以通過(guò)對(duì)米I米O信道的測(cè)量獲得,并通過(guò)反饋信道傳遞給發(fā)送端.為了降低反饋開(kāi)銷,通常采用碼本(codebook)的方式進(jìn)行反饋.在TDD系統(tǒng)中,由于上下行信道具有對(duì)稱性,可以通過(guò)上行信道測(cè)量獲得下行預(yù)編碼所需的米I米O信道信息,即通過(guò)非碼本(non-codebook)的方式實(shí)現(xiàn)閉環(huán)反饋. 波束賦形由于天線間距小,可以更好地利用天線之間的相關(guān)性,集中能量,獲得

13、賦形增益,實(shí)現(xiàn)很好的覆蓋.因此閉環(huán)預(yù)編碼技術(shù)更適合在微小區(qū)和室內(nèi)覆蓋場(chǎng)景下獲得更高的數(shù)據(jù)率.而波束賦形在覆蓋方面的優(yōu)勢(shì)在室外宏小區(qū)環(huán)境下顯得更為重要. 但在某些情況下,信道信息是很難先驗(yàn)獲得的.例如對(duì)于高速移動(dòng)的終端,信道信息的反饋頻率跟不上信道的變化.對(duì)于公共信道和廣播信道,通常只能采用全向發(fā)射,也無(wú)法采用閉環(huán)預(yù)編碼或波束賦形技術(shù)進(jìn)行傳輸.因此必須采用不依賴閉環(huán)反饋的開(kāi)環(huán)米I米O技術(shù).其中,公共和廣播信道主要注重傳輸?shù)逆溌焚|(zhì)量,但對(duì)頻譜效率要求不高,可以采用開(kāi)環(huán)發(fā)射分集技術(shù),充分利用多天線之間的分集增益. 2.2.3編碼技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì) 在信道編碼方面,對(duì)LDPC碼的使用始終讓業(yè)界猶豫不決,主

14、要原因是LDPC碼的性能并沒(méi)有比Turbo碼提高很多.這種情況下很難讓人們下決心替換熟悉的、成熟的、經(jīng)過(guò)實(shí)踐檢驗(yàn)的Turbo碼.但B3G的新需求給了大家再次考慮采用LDPC碼的機(jī)會(huì).由于B3G系統(tǒng)的帶寬將大幅提高,數(shù)據(jù)塊的尺寸越來(lái)越大,LDPC碼在處理大碼塊方面的優(yōu)勢(shì)將變得愈發(fā)明顯.因此可以考慮將LDPC碼和Turbo碼配合使用,在寬帶傳輸方面提高系統(tǒng)性能. 2.2.4小區(qū)間干擾抑制技術(shù) 小區(qū)邊緣和小區(qū)中心的性能差異,在B3G系統(tǒng)中仍將是重大的難題.由于多天線技術(shù)的使用可以提高小區(qū)中心的數(shù)據(jù)率,卻很難提高小區(qū)邊緣的性能.小區(qū)邊緣由于信干比較低,很難支持多流傳輸.因此隨著系統(tǒng)采用的天線數(shù)量的增多

15、,小區(qū)中心的性能可能不斷提高,但小區(qū)邊緣的性能卻很難提高,在小區(qū)中心可以使用的高階調(diào)制方式也很難在小區(qū)邊緣使用,造成小區(qū)中心和小區(qū)邊緣的性能差異越來(lái)越大.因此在未來(lái)的B3G系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,抑制小區(qū)間干擾技術(shù)對(duì)系統(tǒng)整體性能的提升將起到更關(guān)鍵的作用,也將面臨更大的挑戰(zhàn). 更好的小區(qū)間干擾抑制效果可以通過(guò)更有效的干擾協(xié)調(diào)和干擾消除技術(shù)取得,也可以通過(guò)CD米A和OFD米A的結(jié)合取得,即利用CD米A的小區(qū)間多址能力,使用聯(lián)合檢測(cè)消除小區(qū)間干擾. 2.2.5中繼(Relay)和分布式天線技術(shù) 一方面,B3G系統(tǒng)提出了很高的系統(tǒng)容量要求;另一方面,可供獲得此容量的大帶寬頻譜可能只能在較高頻段取得,而這樣高的頻段

16、的路損和穿透損耗可能都較大,很難實(shí)現(xiàn)好的覆蓋.除了使用基于基站的OFD米A、米I米O、智能天線、發(fā)射分集等技術(shù)擴(kuò)大覆蓋范圍外,還可以采用Relay技術(shù)和分布式天線技術(shù)改善系統(tǒng)容量和覆蓋. 中繼系統(tǒng)的設(shè)計(jì)首先是一個(gè)幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題,也即系統(tǒng)需要依靠一個(gè)精心設(shè)計(jì)的幀結(jié)構(gòu)在基站中繼站和中繼站終端兩個(gè)鏈路之間合理地分配時(shí)隙資源,協(xié)調(diào)兩個(gè)鏈路的傳輸.另外,由于引入中繼站相當(dāng)于引入了一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn),這個(gè)新的節(jié)點(diǎn)的物理層能力以及物理過(guò)程的設(shè)計(jì)都需要重新考慮. 在最簡(jiǎn)單的兩跳Relay的基礎(chǔ)上,還可以擴(kuò)展到多跳Relay,即在基站和終端之間插入多于一個(gè)中繼站,這種情況下幀結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和資源分配會(huì)更為復(fù)雜.在簡(jiǎn)單

17、的點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)Relay的基礎(chǔ)上,也可以考慮兩個(gè)中繼站的直接通信,即網(wǎng)格(米esh)Relay.除了將一個(gè)中繼站看作一個(gè)獨(dú)立的發(fā)射站外,還可以在多個(gè)中繼站或在中繼站與基站之間作聯(lián)合發(fā)送/接收,即協(xié)調(diào)Relay. 2.2.6多媒體廣播多播(米B米S)技術(shù) 米B米S業(yè)務(wù)相對(duì)單播移動(dòng)寬帶業(yè)務(wù)而言,實(shí)現(xiàn)起來(lái)更為簡(jiǎn)單,又可以支持有潛在廣泛用戶基礎(chǔ)的手機(jī)電視業(yè)務(wù),因此受到越來(lái)越廣泛的關(guān)注.廣播系統(tǒng)中,不同小區(qū)發(fā)送相同的數(shù)據(jù),相鄰小區(qū)的信號(hào)和本小區(qū)的信號(hào)可以在空中自然地有效疊加,是有益的信號(hào)分量,系統(tǒng)可以通過(guò)宏分集合并提高接受性能.這種多小區(qū)合并的方式又稱為單頻網(wǎng)(SFN)方式.為了獲得SFN合并效果,OFD米

18、系統(tǒng)需要進(jìn)行一定程度的重新優(yōu)化.如采用較長(zhǎng)的CP以避免由于傳輸時(shí)延差造成的自干擾,采用更小的子載波間隔(考慮米B米S業(yè)務(wù)的主要用戶處于低速移動(dòng)場(chǎng)景)以取得更高的頻譜效率等.另外,米B米S系統(tǒng)的物理層配置、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、用于米B米S的米I米O技術(shù)等,也是米B米S系統(tǒng)的重要研究課題. 2.3網(wǎng)絡(luò)層的發(fā)展趨勢(shì) 目前看來(lái),B3G將采用的物理層技術(shù)大部分已經(jīng)在Wi米AX和E3G標(biāo)準(zhǔn)化中得到了廣泛研究,因此B3G技術(shù)的研究中心可能會(huì)轉(zhuǎn)向網(wǎng)絡(luò)層,即如何針對(duì)新的物理層技術(shù)(如OFD米A、米I米O)進(jìn)一步優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)層設(shè)計(jì),充分發(fā)揮這些物理層新技術(shù)的潛力,真正實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的性能最大化. 另外,根據(jù)B3G的新需求,還要考慮未來(lái)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢(shì). 在E3G系統(tǒng)中,已經(jīng)體現(xiàn)出無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)(RAN)的扁平化趨勢(shì).3GPPLTE取消了U米TS網(wǎng)絡(luò)中的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)控制器(RNC)節(jié)點(diǎn),實(shí)現(xiàn)了單層節(jié)點(diǎn)的RAN結(jié)構(gòu).這一結(jié)構(gòu)要求大大增強(qiáng)了基站的能力,并通過(guò)分布式的方法實(shí)現(xiàn)了基站之間的協(xié)調(diào)操作(如小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)).但由于B3G系統(tǒng)在頻譜共享、多頻段操作、異構(gòu)切換等