B3G无线通信技术发展趋势

导读：国际上针对B3G（IMT-Advanced）技术的研究已经取得了一系列重要的进展。简要介绍了国际B3G研究工作的进展情况，并通过对B3G的新频谱特性、物理层以及网络层的技术发展趋势等方面的分析，阐述了笔者对未来无线通信发展趋势的观点。 1、国际

国际上针对B3G（IMT-Advanced）技术的研究已经取得了一系列重要的进展。简要介绍了国际B3G研究工作的进展情况，并通过对B3G的新频谱特性、物理层以及网络层的技术发展趋势等方面的分析，阐述了笔者对未来无线通信发展趋势的观点。 1、国际B3G研究工作进展

B3G技术的研究从20世纪末3G技术完成标准化之时就开始了。2006年，ITU-R正式将B3G技术命名为IMT-Advanced技术（3G技术名为IMT-2000）。根据原定的工作计划，IMT-Advanced的标准化已经“近在眼前”。ITU-R将在2008年2月向各国发出通函，向各国和各标准化组织征集IMT-Advanced技术提案。IMT-Advanced技术需要实现更高的数据率和更大的系统容量，目标峰值速率为：低速移动、热点覆盖场景下1Gbit/s以上；高速移动、广域覆盖场景下100Mbit/s以上。 国际上针对IMT-Advanced的研究已经取得了一系列重要的进展。日本NTTDoCoMo公司已经通过4×4和12×12多天线MIMO技术在100MHz带宽下分别验证了1Gbit/s（室外试验）和5Gbit/s的峰值传输速率，在硬件实现方面处于世界领先位置。欧盟第6框架研究项目 WINNER自2004年启动以来，吸引了欧洲各主要通信设备商。第一阶段（PhaseⅠ）已于2005年底完成，就各种B3G关键技术进行了广泛的调研，形成了系统化的研究结论；将于2007年底完成的第二阶段（Phase Ⅱ）将完成系统设计和性能评估，形成完善的技术方案；2008年开始的第三阶段（Phase Ⅲ）将进行演示系统的开发和实验。同时，欧盟大力支持的世界无线研究论坛（WWRF）已经成为国际B3G技术交流的主要平台之一。另外，日本和韩国也分别成立了mITF论坛和NGMC论坛，推广自己的B3G研究成果。 目前，各标准化组织均在正式或非正式地开展针对IMT-Advanced的预研。3GPP的长期演进（LTE）技术已经具有部分B3G技术的特征，该项目将于2007年底完成，预计将在2008年对LTE进一步演进，形成欧洲IMT-Advanced技术提案的一个重要来源。3GPP2已于2007年完成超移动宽带（UMB）系统的标准化工作，并开始酝酿针对IMT-Advanced的研究。IEEE在2006年12月终于批准了802.16m的立项申请（PAR），此项目将在IEEE802.16e（WiMAX技术）的基础上开发满足IMT-Advanced需求的技术方案。 2006年，数家国际移动通信运营商联合成立了下一代移动网络（NGMN）论坛，试图引领新一代宽带移动通信的走向。目前NGMN白皮书已经初步成型，对各国以及各标准化组织的研究和标准化工作产生了重大影响。 2、B3G无线通信技术的发展趋势 2003年以来，WiMAX和演进型3G（E3G）技术（包含3GPPLTE和3GPP2UMB技术）的发展已经体现了未来B3G技术的一些发展趋势。通常认为，这些技术趋势会延续到B3G时代。另外，由于B3G可能应用于一些新的频谱，技术的选择和系统的设计也会受到这些新频段的特性的影响。就目前看来，B3G无线通信技术的发展可能体现在如下几个方面。 2.1新频谱特性的影响 一方面，由于B3G技术对高数据率、高容量的需求而对频谱提出了很高的需求。据粗略估计，新频谱的需求量在数百MHz至1GHz以上。另一方面，2G和 3G移动通信系统的发展已经占用了大部分2GHz以下最适合移动通信发展的频谱。因此，除了充分重用2GHz以下的已用频段并进一步发掘2～3 GHz的可用频段以外，大多数所需频谱需要从传统上的非移动通信频段中寻找。 就目前看来，可以从两个方向寻找新的频谱，即向高频段和低频段寻找。在低频段方向，未来用于B3G技术的潜在频谱可能来自传统的广播电视频段（862MHz以下）。由于广播和电视业务从模拟化向数字化的转变，大大提高了频谱效率，从而可以节省大量的频谱。这些节省的频谱可以用于无线移动通信，但由于各国广播电视数字化的时间表不同，此频段可用于移动通信的时间也不相同。在高频段方向，B3G系统将可能使用3.4～5GHz的一些频段，这些频段是B3G，系统赖以获得高容量的主要频谱。 862MHz以下频段比2GHz频段更适合移动通信应用，因此不会对B3G系统的技术选择和设计提出更高的要求。但3.4GHz以上频段的频谱特性会对 B3G系统的技术选择和设计产生重大影响。通常认为，高频段的覆盖能力以及对高速移动的支持能力较弱，因此更适合用于低速移动的高容量热点接入应用。而在高频段的典型应用场景（低速移动的热点覆盖）下，B3G系统可以进行更优化的设计，例如多址技术、MIMO技术的选择，参数的优化、导频的设计及控制信道的设计等。 针对高频段支持非视距（NLOS）传输的能力，学术界并未得出明确的研究结论。传统观点认为，高频段的穿透损失明显大于低频段，很难支持NLOS传输。如果基于这样的判断，高频段就很难支持室外到室内的覆盖，必须依赖大量的室内覆盖。但也有研究成果认为，高频段的穿透能力未必像想像的那样差，而是和建筑物的材质有关。对于写字楼等具有厚重外墙的建筑，无论对于哪个频段，室内的接收功率都主要来自于门窗的透射，而高频段穿透透明的玻璃材质的能力可能甚至高于低频段。因此应首先明确高频段信道模型，才能确定高频段系统的优化方法。
另外，由于一个B3G系统可能同时使用多个频段（包括低频段和高频段），系统应能智能地在多个频段之间动态地调度、漫游和切换。 2.2物理层的发展趋势 2.2.1多址技术的发展趋势 WiMAX和E3G技术的研究已经体现出明显的“多址技术正交化”的趋势。众所周知，CDMA技术更适合在低信噪比区域提高功率效率，而OFDMA技术则更适合在高信噪比区域提高频谱效率。以WiMAX、LTE、UMB为代表的E3G技术由于从话音业务（功率效率更重要）为主转向侧重数据业务（频谱效率更重要），因此用OFDMA技术替代了CDMA技术。但这并不意味着OFDMA适合解决所有移动通信中的问题。实际上，在一个蜂窝移动通信系统中，频谱受限和功率/干扰受限的场景都存在。例如在小区中心，信干比较高，功率充足的情况下，应注重提高频谱效率，以实现更大的系统容量；但在小区边缘，相邻小区干扰比较严重的情况下，系统功率受限，应注重提高功率效率，以提高小区边缘的数据率。 因此，除了采用某些补充性的小区间干扰消除技术外，可以将OFDMA和CDMA技术有机结合，灵活切换，以便在不同的场景下扬长避短，灵活提高系统的频谱效率和功率效率，取得均衡的系统性能。 由于OFDM在频域传输的特性，造成OFDM发射机的峰值平均功率比（PAPR）较高，需要大线性范围的功放，且耗电较高，从而对移动终端在上行的应用造成了很多限制。为了解决这个问题，除了可以在OFDMA基础上采用削波、预留子载波等方法外，也可以采用线性预处理的方法。LTE上行目前采用的DFT- S-OFDM就是在OFDM的反快速傅立叶变换（IFFT）操作前增加了一个离散傅立叶变换（DFT），将OFDM的频域信号恢复到时域，从而降低 PAPR。 在OFDMA基础上进一步提高系统容量也是一个改进的方向。主要的思路是在OFDM的基础上再叠加非正交的多址技术，使多个用户可以共享相同的时频资源。其中一个例子是利用多天线技术实现空分多址（SDMA）。 2.2.2MIMO技术的发展趋势 MIMO技术作为宽带移动通信的另一项关键技术，也已经被E3G系统广泛采用，但随着人们对各种MIMO技术的研究逐渐深入，正在不断完善对这一技术的设计和使用。 当前正在研究的MIMO技术广泛使用了“闭环技术”，如闭环预编码（precoding）技术和波束赋形（beamforming）技术等。这类技术可以利用接收端反馈的MIMO信道的先验信息，通过预编码矩阵调制MIMO的发射信号，以灵活地根据信道条件调整并行流的数量，并将能量集中在特定的“方向”，以获得最佳的MIMO传输效果。在FDD系统中，信道的先验信息可以通过对MIMO信道的测量获得，并通过反馈信道传递给发送端。为了降低反馈开销，通常采用码本（codebook）的方式进行反馈。在TDD系统中，由于上下行信道具有对称性，可以通过上行信道测量获得下行预编码所需的MIMO信道信息，即通过非码本（non-codebook）的方式实现闭环反馈。 波束赋形由于天线间距小，可以更好地利用天线之间的相关性，集中能量，获得赋形增益，实现很好的覆盖。因此闭环预编码技术更适合在微小区和室内覆盖场景下获得更高的数据率。而波束赋形在覆盖方面的优势在室外宏小区环境下显得更为重要。 但在某些情况下，信道信息是很难先验获得的。例如对于高速移动的终端，信道信息的反馈频率跟不上信道的变化。对于公共信道和广播信道，通常只能采用全向发射，也无法采用闭环预编码或波束赋形技术进行传输。因此必须采用不依赖闭环反馈的开环MIMO技术。其中，公共和广播信道主要注重传输的链路质量，但对频谱效率要求不高，可以采用开环发射分集技术，充分利用多天线之间的分集增益。 2.2.3编码技术的发展趋势 在信道编码方面，对LDPC码的使用始终让业界犹豫不决，主要原因是LDPC码的性能并没有比Turbo码提高很多。这种情况下很难让人们下决心替换熟悉的、成熟的、经过实践检验的Turbo码。但B3G的新需求给了大家再次考虑采用LDPC码的机会。由于B3G系统的带宽将大幅提高，数据块的尺寸越来越大，LDPC码在处理大码块方面的优势将变得愈发明显。因此可以考虑将LDPC码和Turbo码配合使用，在宽带传输方面提高系统性能。 2.2.4小区间干扰抑制技术 小区边缘和小区中心的性能差异，在B3G系统中仍将是重大的难题。由于多天线技术的使用可以提高小区中心的数据率，却很难提高小区边缘的性能。小区边缘由于信干比较低，很难支持多流传输。因此随着系统采用的天线数量的增多，小区中心的性能可能不断提高，但小区边缘的性能却很难提高，在小区中心可以使用的高阶调制方式也很难在小区边缘使用，造成小区中心和小区边缘的性能差异越来越大。因此在未来的B3G系统设计中，抑制小区间干扰技术对系统整体性能的提升将起到更关键的作用，也将面临更大的挑战。 更好的小区间干扰抑制效果可以通过更有效的干扰协调和干扰消除技术取得，也可以通过CDMA和OFDMA的结合取得，即利用CDMA的小区间多址能力，使用联合检测消除小区间干扰。 2.2.5中继（Relay）和分布式天线技术 一方面，B3G系统提出了很高的系统容量要求；另一方面，可供获得此容量的大带宽频谱可能只能在较高频段取得，而这样高的频段的路损和穿透损耗可能都较大，很难实现好的覆盖。除了使用基于基站的OFDMA、MIMO、智能天线、发射分集等技术扩大覆盖范围外，还可以采用Relay技术和分布式天线技术改善系统容量和覆盖。 中继系统的设计首先是一个帧结构设计问题，也即系统需要依靠一个精心设计的帧结构在基站中继站和中继站终端两个链路之间合理地分配时隙资源，协调两个链路的传输。另外，由于引入中继站相当于引入了一个新的网络节点，这个新的节点的物理层能力以及物理过程的设计都需要重新考虑。 在最简单的两跳Relay的基础上，还可以扩展到多跳Relay，即在基站和终端之间插入多于一个中继站，这种情况下帧结构的设计和资源分配会更为复杂。在简单的点对多点Relay的基础上，也可以考虑两个中继站的直接通信，即网格（Mesh）Relay。除了将一个中继站看作一个独立的发射站外，还可以在多个中继站或在中继站与基站之间作联合发送/接收，即协调Relay。 2.2.6多媒体广播多播（MBMS）技术 MBMS业务相对单播移动宽带业务而言，实现起来更为简单，又可以支持有潜在广泛用户基础的手机电视业务，因此受到越来越广泛的关注。广播系统中，不同小区发送相同的数据，相邻小区的信号和本小区的信号可以在空中自然地有效叠加，是有益的信号分量，系统可以通过宏分集合并提高接受性能。这种多小区合并的方式又称为单频网（SFN）方式。为了获得SFN合并效果，OFDM系统需要进行一定程度的重新优化。如采用较长的CP以避免由于传输时延差造成的自干扰，采用更小的子载波间隔（考虑MBMS业务的主要用户处于低速移动场景）以取得更高的频谱效率等。另外，MBMS系统的物理层配置、网络架构、用于MBMS的MIMO技术等，也是MBMS系统的重要研究课题。 2.3网络层的发展趋势 目前看来，B3G将采用的物理层技术大部分已经在WiMAX和E3G标准化中得到了广泛研究，因此B3G技术的研究中心可能会转向网络层，即如何针对新的物理层技术（如OFDMA、MIMO）进一步优化网络层设计，充分发挥这些物理层新技术的潜力，真正实现整个系统的性能最大化。
另外，根据B3G的新需求，还要考虑未来网络的发展趋势。 在E3G系统中，已经体现出无线接入网络（RAN）的扁平化趋势。3GPPLTE取消了UMTS网络中的无线网络控制器（RNC）节点，实现了单层节点的RAN结构。这一结构要求大大增强了基站的能力，并通过分布式的方法实现了基站之间的协调操作（如小区间干扰协调）。但由于B3G系统在频谱共享、多频段操作、异构切换等方面提出了更高的要求，需要更大量的网内协调。在上述扁平化网络架构下如何实现更有效的中央控制和协调，还有待于进一步研究。 另外，Relay的引入也会对网络架构产生重大的影响。由于中继站的引入实际上是在基站之下增加了新的网元，因此基站成为了新的“中央控制节点”。中继站或分布式基站的能力大小尚不明确，如果他们的能力和基站相仿（即实际上是“小基站”），是否会和网络扁平化的趋势有冲突，也有待于进一步研究。 随着网络的扁平化，运营商对网络的自规划、自配置、自优化的需求也逐渐显现。即要求基站在架设后可以自动测量、感知周围的无线环境和网络环境，自动配置系统参数、自动组成网络。在此基础上，也提出了“家庭基站”（HomeBaseStation）的概念。 在B3G阶段，国际漫游将变得越来越重要。B3G系统是否能实现全球统一的空中接口标准，目前尚不明确。如果仍出现类似于3G时代的多标准并存的局面，国际间漫游会成为一个难题。在这方面，软件无线电技术可能会起到重要的作用。这种技术可以通过可配置软件实现对多种无线技术制式的支持，以实现国际间漫游和切换。 3、结语 文章介绍了国际B3G技术的研究情况和B3G无线通信技术的几个发展趋势。当然，技术的发展方向也不是一成不变的，而是随着人们对无线通信业务需求的不断增长和对无线通信技术理解的加深，不断调整和变化的。B3G技术标准化最终会形成一个什么样的B3G系统，相信在未来3～5年的时间内，我们就会得到答案。
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