要害詞：碼分多址；正交頻分復用；超寬帶
Abstract:The paper discusses some key technologies that will influence wireless communication in the future, sUCh as wireless communication in buildings and challenges encountered during the evolution from CDMA to 4G. It additionally analyzes the measures to imPRove the frequency spectrum utilization ratio, such as orthogonal frequency division multiplexing (OFDM), ultra wideband (UWB), space-time modulation and coding, Ad hoc network and trans-layer network optimization.
Key Words:CDMA; OFDM; UWB
目前全球移動通信用戶數已達到7億，預計到2008年移動通信用戶數可達20億。
在無線通信產業快速發展的20世紀，成功轉化為生產力的無線通信技術有GSM和CDMA。1988年歐洲把GSM作為泛歐數字蜂窩移動通信標準，GSM的先進性使其在全球無線通信市場上迅速占據了主導地位。1990年Qualcomm公司把碼分多址(CDMA)技術引入到蜂窩移動通信，美國基于CDMA技術制定了數字移動通信IS-95標準。CDMA能提供額外的信道容量，其基帶信號處理技術能降低移動終端的復雜性。
在無線通信產業快速發展的20世紀，也有因各種原因而失敗的探索。一個例子是，在開展任何時間、任何地點通信的研發中，銥(Iridium)公司在空間蜂窩小區移動通信概念基礎上，研發基于衛星的全球無線通信業務的銥系統。由于中軌道 (MEO) 衛星和地面站設施昂貴，用戶難以承擔每分鐘3美元的全球漫游業務費，最終使得銥系統推廣失敗。但是其基于空間的越區切換、點波束天線、功率增效工程和網絡治理等技術后來被其他系統成功應用。另一個例子是，Metricom公司利用IP技術，采用低功率設備，在免許可證頻段(ISM工科醫頻段)上給移動用戶提供Internet接入和峰值為64～128 Kb/s基于跳飛(ricochet)分組技術的無線數據接入。眾多跳飛基礎設施安裝在建筑物、燈柱和廣播塔上，給有個人計算機的移動用戶提供高質量的數據接入和Internet接入。然而，Metricom公司的研發因受到通用分組無線業務(GPRS)的沖擊而中斷。
綜上所述，過去的幾十年間，無線通信領域有許多成功或失敗的案例，無線通信產業一直在向前發展。今后，由于Internet和接入數據業務需求的推動，無線通信產業將繼續快速發展。因此探討未來無線通信領域的新技術具有現實意義。
1 提高頻譜利用率的技術
未來10年無線高速數據傳輸不能一味僅靠頻譜的擴展，還應在提高頻譜效率上有所突破，頻譜效率至少應高于目前一個數量級?？稍谖锢韺硬捎?項技術，即正交頻分復用(OFDM)、超寬帶(UWB)和空時調制編碼。
1.1 正交頻分復用
擴頻通信可認為是單載頻傳輸，而OFDM是多載頻傳輸的非凡形式。OFDM把高速串行數據流并行分配在多路低速子載頻上。目前，OFDM成為高速寬帶無線通信的優選方案的原因有：
(1)高速大規?？焖俑道锶~變換(FFT)芯片的商業化使得OFDM易于與軟件無線電、智能天線組合，實現OFDM比實現具有均衡器的單載頻系統簡單。
(2)低速多路子載頻增加了符號的持續時間，使抗多徑衰落和符號間干擾具有魯棒性。
(3)可編程數字信號處理器(DSP)能在多路子載頻間靈活地實現自適應調制和功率分配，有效地按需分配帶寬，提高射頻(RF)頻譜利用率。
(4)窄帶干擾僅影響部分子載頻，OFDM具有抗窄帶干擾的魯棒性。
(5)不同于其他寬帶接入技術，OFDM對鄰近帶寬無嚴格要求。
20世紀60年代OFDM的多路數據傳輸已被成功地用于高頻軍事通信系統。過去10多年，OFDM技術被廣泛應用于1.6 Mb/s高比特率數字用戶線(HDSL)、6 Mb/s不對稱數字用戶線(ADSL)、100 Mb/s甚高速數字用戶線(VDSL)、數字音頻廣播和數字視頻廣播等方面。最近，OFDM又被用于54 Mb/s無線局域網標準IEEE 802.11a和IEEE 802.11g、高性能局域網標準HiperLAN/2、歐洲寬帶無線接入網ETSI-BRAN、IEEE 802.16 MAN和集成業務數字廣播(ISDB-T)標準中。編碼OFDM(COFDM)被美國聯邦通信委員會(FCC)接受為數字電視(DTV)陸地廣播標準，在6 MHz信道上將以19.3 Mb/s的MPEG格式分組傳輸，并進行數字格狀編碼，計劃2006年底進行DTV轉換。
與單載頻調制制式相比，OFDM如要成為4G寬帶多媒體無線通信系統的調制制式，需要解決其存在的一些缺點，如：相對大的峰均功率比(PAPR)降低射頻(RF)放大器的效率；多載頻系統對頻率位移和相位噪聲敏感，收發雙方間的頻率抖動和多普勒頻移會引起互載頻干擾(ICI)，降低系統性能。上述缺點限制了OFDM的應用，1996年歐洲通信標準化組織(ETSI)曾把OFDM引入HiperLAN/1標準，最近又將其從標準中刪除。
1.2 超寬帶
超寬帶(UWB)也可稱為脈沖無線電。UWB采用寬度在納秒級的快速上升和下降脈沖進行調制，脈沖覆蓋的頻譜從直流至吉赫茲，不須常規窄帶調制所需的RF頻率變換，脈沖成型后可直接送至天線發射。圖1所示為UWB雙態高斯脈沖和頻譜圖。
1.3 空時調制編碼
目前，在許可頻段上已不能滿足無線數據業務增長的需求，頻譜資源緊缺，必須增加通信容量來滿足需求。增加通信容量的方案有：
后兩種方案相比第1種小區分隔方案，可以較低代價明顯地改進頻譜利用率，提高系統容量和覆蓋面積。多徑衰落信道影響無線鏈路傳輸的可靠性，對從時域、頻域、空域和極化域獲得的信號進行分集是解決多徑衰落的有效方法。移動通信的分集往往注重對從移動終端到基站的上行鏈路進行分集，隨著2.4 GHz和5 GHz等更高頻段的開發，天線陣列單元間隔要求不像以前那樣嚴格，不會明顯影響移動終端尺寸，可把分集的壓力部分轉移至發射機上。3GPP和3GPP2確定了基站和移動終端的發射分集，來提高下行鏈路的數據傳輸率。
開環發射分集的空時分組碼(STBC)使數據在時間上擴展以提供時間分集，使收發信機采用多天線提供空間分集，利用分集增益和編碼增益共同改進頻譜利用率。STBC中合成信號送至最大似然檢測器，其效果等效于單發射天線雙接收天線最大比接收的組合結構(MRRC)。開環發射分集的另一形式為時延分集，發射符號在時延遞增下均等地分配給各天線，接收機的均衡器利用練習序列抵消信道失真，采用多時延組合接收分集結構。
閉環發射分集的接收機需要把反饋信息提供給發射機，并選擇最佳信號或復制信號來抵消即時信道失真。閉環發射分集優于開環發射分集，一般用于移動終端。
收發雙方應用多天線的MIMO也能滿足高速無線數據業務要求。收發雙方的空間分集將是下一代高容量無線通信系統采用技術之一。貝爾實驗室的分層次空時(BLAST)又稱為對角BLAST(D-BLAST)，為MIMO抗多徑干擾的一種形式。DBLAST容量的增加為收發雙方最小天線數的函數，與時延分集一樣，不須信道編碼。利用多發射天線和多接收天線，所構成的跨時域和空域的擴展信號可以反抗多徑干擾。圖2為BLAST收發信機原理框圖。
為降低BLAST結構的復雜性，收發信機采用遞推“分離和抵消”算法。BLAST的研究方向集中在優化練習序列、檢測算法以及BLAST與編碼的組合上。而垂直BLAST(V-BLAST)天線之間沒有碼循環現象，接收機的分離和抵消算法為選擇最佳信噪比(SNR)線性加權接收信號的遞推算法。這就大大簡化了接收處理，使V-BLAST成為下一代移動和室內通信的備選方案。許多未來無線系統計劃采用空時處理技術，例如IEEE 802.16.3寬帶固定無線接入標準的物理層把空時碼作為內碼，RS碼作為外碼；歐洲WIND-FLEX項目研究空時處理用于室內64～100 Mb/s的無線自適應MODEM。數據速率20 Mb/s、帶寬效率提高20%的空時碼是4G重要技術之一。
2 Ad hoc網絡
1968年研究的ALOHA協議在固定節點的ALOHA網絡中支持分布式信道接入，網絡中所有節點都位于其他參與節點的覆蓋范圍內，也就是說ALOHA網絡是一種單跳網。1993年美國國防部先進研究機構(DARPA)開始研究多跳分組無線網協議。多跳技術增加網絡容量的思路是：在大型網絡中采用共存與分離多跳會話、空域復用、預留發射功率資源和復雜路由協議來提高全網吞吐量。
未來無線網絡除了以低成本達到高數據速率外，還要求在無專用通信基礎設施的情況下，網絡具有適應和生存能力。Ad hoc網絡(又稱為分組無線網絡)就能滿足這樣的要求，作為非集中控制網絡結構，所有移動節點以約定協議建立全向通信，主要被用于軍事和災難通信?，F在，Ad hoc網絡作為商業領域的先進無線技術，加強了如筆記本電腦、蜂窩電話、PDA和mp3等袖珍設備間的相互聯系。
現蜂窩通信系統主要依靠集中控制和治理，而下一代移動通信系統標準將轉向固定網與移動網相結合，無隙縫和全方位通信，采用Ad hoc模式，如無線局域網HiperLAN/2標準中的直接模式中鄰近節點可互相直接通信。藍牙(Bluetooth)、IEEE 802.11中的Ad hoc模式、IEEE 802.16中的移動Ad hoc網(MANET)和IEEE 802.15中的個人域網(PAN)都采用非集中無線接入和路由技術。Ad hoc多跳的傳感網絡可用于環境監測。
Ad hoc網絡沒有事先確定的基礎設施和網絡鏈路的時間特性，這給分組無線網絡設計和實施帶來一些新的挑戰，主要有：
(1)必須優化設計安全和路由功能，保證分布式結構有效運行。
(2)在網絡動態運行時，必須降低路由表更新頻數和開銷以保證鏈路連接。
(3)在多跳網絡中，必須改進路由協議設計以減少鏈路容量和等待時間的波動。
(4)必須全面權衡網絡連接(覆蓋)、時延、容量和功率預算等指標。
(5)必須優化功率治理和媒體訪問控制(MAC)設計以減少先進技術的負面效應。
3 網絡跨層優化
3.1 網絡設計
在網絡設計時，必須研究網絡功能和網絡分層結構。隨著無線網絡的發展，已經在通信系統中應用多年的開放系統互連(OSI)網絡分層設計，將集中在物理層、數據鏈路層和網絡層(見圖3)。對網絡特性的要求也發生了變化，如時延、吞吐量、支持各種QoS多媒體業務的動態流量、差錯率、頻譜帶寬、節點連續不斷進出網絡引起的網絡拓撲變化等，這些都對網絡設計提出了新的挑戰。
3.2 跨層優化
在新一代多媒體網絡優化設計時，不僅要考慮靜態跨層優化，還應考慮動態跨層自適應優化。傳統的網絡設計也包含一些自適應能力，如利用自適應信號處理調整信道參數、更新路由表、改變流量負載等，但這些調整更新與網絡層次是不相關的?？鐚幼赃m應答應網絡功能同時在功能和自適應之間通過信息交換，滿足網絡負載、信道環境和QoS可變的要求。
跨層優化設計中實時動態優化網絡是難以實現的，但可以進行一些限制性設計?？鐚觾灮O計中應采用測度，在傳統網絡層次設計中有優先權準則，如物理層準則是比特差錯率，MAC準則是節點吞吐量或信道現存性，網絡準則是時延和路由效率。這就提出什么測度代表未來系統的主要性能，如何綜合優化這些測度，如何對這些測度進行優先權排序的問題。
在跨層動態優化中，需要復雜的建?；蚍抡孢^程。若把網絡功能加到傳統物理層仿真器上，將產生無法實用的問題。另外，由于物理層仿真器采用時間驅動法，而網絡仿真器采用事件驅動法，存在方法不同問題。解決上述問題的方法是采用雙層仿真法，即用物理層仿真器的輸出去激發網絡仿真器。但是，這種方法不答應層次間有相互作用，不利于跨層優化設計?？刹扇∠率龌旌洗胧┙鉀Q這一問題：
在適應跨層功能性能時，網絡各層次的控制應處于最佳位置并有過程控制，否則，會出現各種自適應的目標互相矛盾問題。
4 參考文獻
[1] Theodore S, Rappaport A, Annamalai R M. Wireless Communications: Past Events and a Future Perspective [J]. IEEE Communications Magazine,2002(5):148-161.
[2] 談振輝. 第三代移動通信系統的演進趨勢 [J]. 電信科學, 2000,16(5):32-34.
作者簡介：
談振輝，工學博士，北京交通大學校長，教授，博士生導師。第一、二、三屆國家“863”計劃通信主題個人通信專業專家組成員。現從事無線ATM、擴頻通信、個人通信方面的研究。
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