影響無線通信未來的幾項技術革新

　一

、概述

　　用戶和路由設備可以在網絡中隨機移動的即興(Ad hoc)網wang，已yi經jing成cheng為wei了le一yi個ge重zhong要yao的de研yan究jiu領ling域yu，這zhe種zhong新xin興xing的de技ji術shu必bi將jiang擴kuo展zhan便bian攜xie式shi的de接jie入ru，並bing且qie使shi突tu發fa情qing況kuang下xia的de通tong信xin成cheng為wei可ke能neng。傳chuan統tong的de無wu線xian網wang絡luo中zhong，網wang絡luo接jie入ru點dian固gu定ding接jie入ru到dao寬kuan帶dai主zhu幹gan網wang上shang，而er且qie對dui數shu據ju速su率lv的de要yao求qiu越yue來lai越yue高gao，例li如ruIEEE 802.11a/g要求54Mbps的數據速率。許多新技術應運而生，並將對無線通信領域產生重大影響。

　　超寬帶(UWB)技術采用極短的脈衝信號來傳送信息，而脈衝所占用的帶寬高達幾GHz。與傳統的無線通信係統將基帶信號上變頻為射頻信號不同，UWB可以認為是基帶傳輸，不過剛好是在射頻頻率上而已。它可以在室內提供高達100Mbps的數據速率，而功率譜密度卻非常低。

　　另一種高效的技術是正交頻分複用(OFDM)。它提供了以往的調製方式所沒有的多址接入和信號處理方式，使得無線網絡可以在較窄的頻帶上獲得較高的頻譜效率。上個世紀90年nian代dai的de研yan究jiu表biao明ming，在zai發fa射she端duan和he接jie收shou端duan采cai用yong多duo天tian線xian可ke以yi獲huo得de很hen高gao的de功gong率lv效xiao率lv和he頻pin譜pu效xiao率lv。進jin一yi步bu的de研yan究jiu表biao明ming，這zhe一yi係xi統tong在zai獨du立li的de瑞rui利li散san射she信xin道dao中zhong獲huo得de的de理li論lun數shu據ju速su率lv與yu天tian線xian數shu成cheng正zheng比bi
，並bing且qie接jie近jin最zui大da香xiang農nong容rong量liang的de90%。朗訊的V-BLAST實驗室係統模型可以在平均信躁比24-34dB的室內環境中達到20-40bps/Hz的頻譜效率
，而收發端采用16個天線時可以在30dB的信躁比下獲得60-70bps/Hz的頻偏效率。

　　下麵我們將詳細的介紹以上這些技術以及它們在未來無線通信領域中的應用。

　　二
、無線通信在室內接入中應用

　  傳(chuan)統(tong)意(yi)義(yi)上(shang)說(shuo)，人(ren)們(men)隻(zhi)有(you)在(zai)相(xiang)對(dui)靜(jing)止(zhi)的(de)情(qing)況(kuang)下(xia)才(cai)使(shi)用(yong)寬(kuan)帶(dai)資(zi)源(yuan)，而(er)這(zhe)些(xie)活(huo)動(dong)往(wang)往(wang)發(fa)生(sheng)在(zai)室(shi)內(nei)。而(er)眾(zhong)所(suo)周(zhou)知(zhi)，無(wu)線(xian)通(tong)信(xin)技(ji)術(shu)的(de)誕(dan)生(sheng)最(zui)初(chu)是(shi)為(wei)了(le)提(ti)供(gong)移(yi)動(dong)的(de)語(yu)音(yin)業(ye)務(wu)
，為(wei)旅(lv)途(tu)中(zhong)的(de)人(ren)們(men)提(ti)供(gong)通(tong)信(xin)服(fu)務(wu)。

　　Internet的飛速發展得宜於Internet服務提供商(ISP)所(suo)提(ti)供(gong)的(de)固(gu)定(ding)的(de)室(shi)內(nei)連(lian)接(jie)，這(zhe)些(xie)服(fu)務(wu)提(ti)供(gong)商(shang)往(wang)往(wang)與(yu)當(dang)地(di)的(de)有(you)線(xian)運(yun)營(ying)商(shang)是(shi)同(tong)出(chu)一(yi)門(men)。而(er)與(yu)此(ci)形(xing)成(cheng)鮮(xian)明(ming)對(dui)比(bi)的(de)是(shi)
，在(zai)無(wu)線(xian)通(tong)信(xin)領(ling)域(yu)，運(yun)營(ying)商(shang)為(wei)了(le)購(gou)買(mai)帶(dai)寬(kuan)資(zi)源(yuan)的(de)使(shi)用(yong)權(quan)、建jian設she戶hu外wai的de移yi動dong覆fu蓋gai投tou入ru了le大da量liang資zi本ben。因yin此ci他ta們men一yi直zhi難nan以yi涉she足zu於yu室shi內nei領ling域yu。而er且qie，所suo有you現xian行xing的de第di二er代dai數shu字zi無wu線xian通tong信xin係xi統tong都dou主zhu要yao著zhe眼yan於yu提ti供gong以yi話hua音yin為wei主zhu的de業ye務wu。這zhe就jiu在zai過guo去qu的de若ruo幹gan年nian中zhong將jiang室shi內nei的de數shu據ju通tong信xin業ye務wu拱gong手shou讓rang給gei了le有you線xian通tong信xin係xi統tong。

　　在(zai)未(wei)來(lai)十(shi)年(nian)，提(ti)供(gong)寬(kuan)帶(dai)數(shu)據(ju)業(ye)務(wu)的(de)室(shi)內(nei)無(wu)線(xian)接(jie)入(ru)將(jiang)成(cheng)為(wei)無(wu)線(xian)通(tong)信(xin)領(ling)域(yu)最(zui)重(zhong)要(yao)的(de)議(yi)題(ti)。蜂(feng)窩(wo)和(he)個(ge)人(ren)通(tong)信(xin)的(de)發(fa)展(zhan)要(yao)求(qiu)第(di)三(san)代(dai)無(wu)線(xian)設(she)備(bei)以(yi)能(neng)為(wei)室(shi)內(nei)用(yong)戶(hu)提(ti)供(gong)類(lei)似(si)於(yu)Internet的網絡業務為核心。絕大多數運營商都沒有現存的係統來提供這樣的室內覆蓋。這就為可以提供低成本的設備的基於無線局域網(WLAN)的新競爭者提供了一個切入點。

　　利用建築物或校園內現有的有線以太網絡結構，就可以快速並廉價的使用WLAN，並可以達到比昂貴的3G蜂窩設備更高的數據率。隨著VoIP技術的發展

，相信WLAN能進一步提供融合了電話和互聯網接入的移動/便攜無線業務，而不采用蜂窩結構。現在有許多公司在努力將2.5G和3G的蜂窩技術於WLAN技術融合，生產出能完成各種室內鏈接和業務的手機等無線設備。

　　提到室內無線接入時
，WLAN和現存並廣泛采用的基於IP的有線網絡結構將成為以無線電波為核心的蜂窩/個人移動通信係統的有力競爭者
，而後者正試圖將其勢力範圍從戶外擴展到室內。與此同時WLAN也將涉足戶外，如觀光地和機場。

　　三、無線通信數據速率

　　接jie下xia來lai的de十shi年nian中zhong，高gao速su無wu線xian數shu據ju業ye務wu將jiang更geng為wei成cheng熟shu。而er使shi這zhe成cheng為wei現xian實shi的de關guan鍵jian在zai於yu頻pin帶dai利li用yong率lv的de提ti高gao。在zai物wu理li層ceng

，有you三san種zhong技ji術shu將jiang在zai這zhe方fang麵mian起qi到dao關guan鍵jian作zuo用yong：正交頻分複用(OFDM)、空-時結構、以及超寬帶通信技術。

1. 正交頻分複用(OFDM)和多載波通信

正交頻分複用(OFDM)是多載波傳輸的特例，一個高速的數據流用多個低速的子載波進行傳輸。由於超大規模集成電路(VLSI)的進步，使得高速大規模的快速傅立葉變換(FFT)芯片成為可能，OFDM技術也成為了商用高速寬帶無線通信技術的主要候選。另外，OFDM技術還擁有許多獨特的性質使得它頗具吸引力：由於低速並行子載波上符號速率的增加，OFDM技術可以對抗多徑衰落和碼間幹擾。(對於給定的延時擴展
，OFDM接收機的複雜度大大小於單載波情況下使用均衡技術。)
；OFDM技術通過運用自適應調製和子載波上的功率分配技術有效的利用了射頻頻帶資源，而這些都可以用可編程數字信號處理器實現；由於窄帶幹擾隻能作用於子載波的一小部分，OFDM技術因而具有了抗窄帶幹擾能力；與其他寬帶接入技術不同，OFDM技術無需連續的帶寬資源；OFDM是單頻網絡成為可能，而這非常適用於廣播應用。

　　事實上
，在過去的幾年
，OFDM技術已廣泛用於寬帶數據通信中
，如高達1.6Mb/s的高比特率數字用戶環路(HDSL)、高達6Mb/s的非對稱數字用戶環路(ADSL)
、高達100Mb/s的超高數率數字用戶環路(VDSL)、數字音頻廣播


、數字視頻廣播。OFDM還被引入新的無線局域網標準，包括IEEE 802.11a和IEEE 802.11g，在5GHz範圍提供高達54Mb/s的速率。在高性能局域網如HIPERLAN/2和ETSI-BRAN中也有采用。OFDM技術還被用於了IEEE 802.16的城域網標準和綜合業務數字廣播(ISDB-T)設備中。

　　當今的潮流表明
，OFDM技術將成為第四代寬帶多媒體無線通信係統的調製技術。然而在該技術得以廣泛應用之前還有若幹問題需要解決。與單載波調製相比
，OFDM技術有以下缺點：

　　OFDM固有的較高峰均功率比(PAPR)，zhehuijiangdishepinfangdaqidegonglvliyonglv。yinweiduozaiboxitongdeshuchushiduogezixindaoxinhaodediejia，yinciruguoduogexinhaodexiangweiyizhi，namesuodedaodediejiaxinhaodeshunshigonglvjiuhuiyuanyuangaoyuxinhaodepingjungonglv。zhejiuduifashejineifangdaqidexianxingtichulehengaodeyaoqiu，fouzehuidailaixinhaojibian，shixinhaopinpufashengbianhua，congerdaozhigegezixindaojiandezhengjiaoxingzaodaopohuai，chanshengganrao，shixitongdexingnengehua。

　　duozaiboxitongduiyupinlvpianyihexiangweizaoshengfeichangmingan。youyuwuxianxindaodeshibianxing
，zaichuanshuguochengzhongchuxianwuxianxinhaodepinlvpianyihuofashejiyujieshoujibendizhendangqizhijiancunzaidepinlvpianchadouhuishiOFDM係統子載波之間的正交性遭到破壞，產生子載波間的幹擾(ICI)，這將大大降低係統性能，除非采用適當的補償技術。

　　以上的問題影響了OFDM技術的廣泛應用。如ETSI的HIPERLAN/1標準在1996年曾考慮了OFDM技(ji)術(shu)，卻(que)最(zui)終(zhong)放(fang)棄(qi)。從(cong)那(na)以(yi)後(hou)，許(xu)多(duo)研(yan)究(jiu)多(duo)載(zai)波(bo)通(tong)信(xin)的(de)大(da)學(xue)和(he)實(shi)驗(yan)室(shi)開(kai)始(shi)考(kao)慮(lv)如(ru)何(he)解(jie)決(jue)以(yi)上(shang)兩(liang)個(ge)問(wen)題(ti)。由(you)於(yu)其(qi)固(gu)有(you)的(de)采(cai)用(yong)自(zi)適(shi)應(ying)調(tiao)製(zhi)和(he)子(zi)載(zai)波(bo)間(jian)的(de)功(gong)率(lv)分(fen)配(pei)的(de)方(fang)便(bian)性(xing)，OFDM技術仍是未來寬帶無線領域的一種優秀的調製技術。將軟件無線電技術和智能天線技術與之結合
，OFDM技術將獲得更大的性能提高。越來越多的新的多載波通信思想結合了OFDM技術和單載波係統如擴頻技術的優點。

　　2. 超寬帶(UWB)技術

　　超寬帶(UWB)調製技術采用上升和下降時間都非常快的基帶脈衝成形，這樣脈衝占用的帶寬高達幾GHz
，因此最大數據傳輸速率可達幾百Mbps。這樣避免了傳統的窄帶調製技術所需的上變頻過程。另外由於發射機的脈衝成形不經過上變頻直接用於天線，UWB技術可以利用低成本的寬帶發射設備。

　　UWB技術除了帶寬大，通信速率高之外
，還有許多其他有點。首先，UWB通信的保密性好，其係統發射功率譜密度非常低，有用信息完全淹沒在噪聲中，被檢測到的概率很低。其次，UWB能抗多徑衰落，因為UWB係統每次的脈衝發射時間很短

，在反射波到達之前，直射波的發射和接收已經完成，所以UWB係統適合在高速移動環境下使用。而且，UWB通信被稱為無載波的基帶通信，它幾乎是全數字通信係統
，所需要的射頻和微波器件很少
，因此減小了係統複雜性。可以說

，UWB通信是一種低成本、低功耗、高速率、簡單有效的優秀無線通信方式。

　　2002年2月14日美國通信協會(FCC)批準了UWB用於短距離無線通信的申請。UWB的帶寬被限製在3.1-10.6GHz範圍內
，該頻帶上的發射功率要求低於41dBm，這是為了保護GPS應用、以及航空和軍事應用。

　　超短脈衝使應用UWB的雷達具有高的分辨率
，而寬帶寬使其擁有高的信號速率適用於下一代無線局域網。

　　3. 空-時處理

　　隨sui著zhe業ye務wu的de擴kuo展zhan，由you於yu頻pin譜pu資zi源yuan受shou限xian，無wu線xian業ye務wu提ti供gong商shang必bi須xu改gai進jin技ji術shu來lai擴kuo大da蜂feng窩wo係xi統tong的de容rong量liang。通tong過guo小xiao區qu分fen裂lie的de辦ban法fa可ke以yi增zeng加jia容rong量liang
，但dan是shi卻que以yi增zeng加jia基ji站zhan為wei代dai價jia。然ran而er空kong-時技術和多輸入多輸出(MIMO)天tian線xian結jie構gou運yun用yong天tian線xian和he差cha錯cuo控kong製zhi編bian碼ma充chong分fen利li用yong了le小xiao尺chi度du時shi間jian和he空kong間jian分fen集ji，大da大da增zeng加jia了le頻pin譜pu效xiao率lv，用yong比bi小xiao區qu分fen裂lie更geng低di的de成cheng本ben增zeng強qiang了le覆fu蓋gai。而er且qie空kong-時技術既可以應用於蜂窩係統又可以用於即興(Ad hoc)網絡結構。

　　多(duo)徑(jing)是(shi)影(ying)響(xiang)無(wu)線(xian)鏈(lian)路(lu)可(ke)靠(kao)性(xing)的(de)主(zhu)要(yao)因(yin)素(su)。分(fen)集(ji)技(ji)術(shu)是(shi)減(jian)小(xiao)深(shen)衰(shuai)落(luo)影(ying)響(xiang)的(de)有(you)效(xiao)技(ji)術(shu)。過(guo)去(qu)絕(jue)大(da)多(duo)數(shu)的(de)分(fen)集(ji)都(dou)是(shi)基(ji)於(yu)接(jie)收(shou)端(duan)的(de)，主(zhu)要(yao)是(shi)從(cong)移(yi)動(dong)台(tai)到(dao)基(ji)站(zhan)的(de)上(shang)行(xing)鏈(lian)路(lu)。最(zui)近(jin)，更(geng)多(duo)的(de)研(yan)究(jiu)著(zhe)眼(yan)於(yu)基(ji)站(zhan)和(he)移(yi)動(dong)台(tai)雙(shuang)方(fang)的(de)空(kong)間(jian)分(fen)集(ji)。原(yuan)因(yin)之(zhi)一(yi)是(shi)工(gong)作(zuo)在(zai)更(geng)高(gao)頻(pin)率(lv)的(de)新(xin)係(xi)統(tong)的(de)發(fa)展(zhan)。例(li)如(ru)，載(zai)波(bo)頻(pin)率(lv)高(gao)達(da)2.4GHz或5GHz的無線設備需要的天線陣列的間隔並沒有大大增加移動終端的體積。雙發射分集已經被3GPP和3GPP2用來改善下行信道的數據速率，因為未來的無線多媒體業務對下行速率的要求大大高於上行速率。

　　通過合理的選擇編碼
，可以實現時域上的分集
；而發射端和接收端采用多天線，則提供了空間分集。這大大增加了頻譜效率，並且用較低的複雜性(所有發射端的編碼和接收端的處理都可以用線性處理實現)huodelefenjizengyihebianmazengyi。yanjiujieguobiaomingduofasheduojieshoutianxianjiegoucaiyongzuidakenengjianceqidexinhaoyudanfasheshuangjieshoujiegoucaiyongzuidabihebingjiegouhuodedejieguoxiangtong。zheyangfenjidefudanjiuzaibuyingxiangxingnengdeqingkuangxiazhuanyidaolefasheduan。

　　zaibihuanfashefenjijishuzhong，jieshoujihuitongguofankuixiaoxijiangdangqianxinhaodetexingtigonggeifasheji，zheyangjiunengtongguoxinhaoxuanzehuoyushizhenlaibuchangdangqianxindaotexingsuodailaideyingxiang。xianranbihuanfashefenjijishuyouyujiandande“盲發射”STBC。除了STBC，“盲發射”fenjiyekeyitongguoyanchifenjijiegoushixian，jibutongdefashetianxianshangdexinhaojuyoubutongdeyanchi，yincibimianlepinlvxuanzexingxindao。jieshouduandejunhengqiyongxunlianxulielaibuchangxindaoshizhen，jiangjuyoubutongyanchidegeluxinhaojinxinghebingjiukeyihuodefenjizengyi。zheyifangfadequedianshixindaojiandechayibushifuhaozhouqidezhengshubei，jiuhuishoudaomajianganraodeyingxiang。zaizhezhongqingkuangxia，xuyaoyongjieshouduandefankuilaitiaozhengyanchi。

　　MIMO技術同時在發射和接收端應用多個天線來滿足高速無線數據業務的需求。Bell實驗室的分層空-時(BLAST)方案是MIMO係統的應用之一。該係統可以將無線係統的容量擴大m倍，其中m是發射天線數和接收天線數的較小值。與延遲分集結構類似，BLAST也沒有采用信道編碼，它通過多發射天線利用了多徑，然後在接收端用先進的算法將信號進行合成。有關BLAST的研究主要集中在優化訓練序列、檢測算發
，以及將BLAST技術與編碼相結合。其中較成功的研究成果是垂直BLAST(V-BLAST)，它的處理更為簡化，使其成為了下一代室內和移動無線應用的有力競爭技術。

　　許多無線通信係統已經計劃采用空-時碼。例如寬帶固定無線接入標準IEEE 802.16.3考慮將空-時碼作為內碼
，裏德-所羅門碼作為外碼。歐洲的WIND-FLEX項目在為室內應用的64到100Mbps的自適應調製解調器選擇最優的發射和接收天線數量。第四代蜂窩移動通信標準計劃在每個蜂窩內達到20的頻譜效率

，提供高達20Mbps的數據速率。空-時編碼是可以達到這一要求的技術之一。

　　四、即興(Ad hoc)網

　　以yi較jiao低di的de成cheng本ben獲huo得de高gao的de數shu據ju速su率lv是shi無wu線xian通tong信xin領ling域yu的de關guan鍵jian。前qian麵mian的de介jie紹shao表biao明ming有you許xu多duo物wu理li層ceng的de技ji術shu可ke以yi實shi現xian這zhe一yi目mu標biao。然ran而er
，未wei來lai無wu線xian通tong信xin網wang絡luo的de另ling一yi要yao素su是shi在zai沒mei有you固gu有you的de網wang絡luo結jie構gou的de情qing況kuang下xia存cun在zai的de能neng力li。因yin此ci，即ji興xing(Ad hoc)網就成為了未來係統的關鍵技術。Ad hoc網(wang)絡(luo)是(shi)在(zai)沒(mei)有(you)任(ren)何(he)現(xian)存(cun)網(wang)絡(luo)基(ji)礎(chu)設(she)施(shi)或(huo)集(ji)中(zhong)管(guan)理(li)的(de)情(qing)況(kuang)下(xia)通(tong)過(guo)一(yi)組(zu)移(yi)動(dong)節(jie)點(dian)的(de)合(he)作(zuo)動(dong)態(tai)形(xing)成(cheng)的(de)臨(lin)時(shi)網(wang)絡(luo)結(jie)構(gou)。網(wang)絡(luo)內(nei)部(bu)的(de)鏈(lian)接(jie)是(shi)動(dong)態(tai)的(de)，常(chang)常(chang)會(hui)因(yin)為(wei)節(jie)點(dian)的(de)移(yi)動(dong)而(er)斷(duan)開(kai)。Ad hoc網絡的曆史可以追溯到1968年，當時剛剛興起對ALOHA網絡的研究。ALOHA的協議支持單跳網絡(網絡中的每一個節點都可以到達所以其他的節點)的分布式信道接入，但這最初用於固定網絡節點。1973年
，DARPA開始研究多跳的分組無線網絡協議。多跳技術通過空間域的複用增大了網絡的容量，不過這需要更為複雜的路由協議來支持。過去Ad hoc網絡主要用於戰場和災區這些無法或不便預先敷設網絡設施的場合。現在，隨著新興的無線技術如藍牙技術的成熟

，Ad hoc網絡的商用前景也越來越被看好，各種便攜設備如筆記本
、移動電話、PDA、MP3播放器的互聯成為可能。

　　現行的蜂窩係統要依靠集中控製和管理，而下一代移動無線係統的標準將努力朝Ad hoc的方向發展。例如HIPERLAN/2的直接模式，相鄰的終端之間直接通信。藍牙技術
、IEEE 802.11的Ad hoc模式
、IEEE 802.16的Ad hoc網絡(MANET)、IEEE 802.15的個人領域網絡(PAN)提供了分散的無線
、接入和路由技術。因此Ad hoc無線網絡具有廣闊的發展前景。

　　由於Ad hoc網絡沒有預先確定的結構
，加之網絡鏈接的多變性
，在設計和實施過程中存在一些關鍵性的技術挑戰，包括：需要綜合考慮安全性和路由問題
，保證網絡在分布式環境下有效運行；附加開銷要在確保動態網絡拓撲的條件下最小化(盡量降低路由表的更新頻率)；通過合理的路由協議設計，多跳網絡中鏈路容量的不穩定性要保證最小；網絡鏈接(覆蓋)、延時需求、網絡容量和功率預算之間要合理折中；通過合理的應用功率控製機製和最優的媒質接入控製(MAC)設計，降低與其他技術之間的幹擾。

　　五、結論

　　本文介紹了無線通信領域在未來的十幾年內有可能蓬勃發展的若幹新技術。相信Internet和無線通信將很快的融合起來。我們注意到無線通信領域的許多前沿技術都是室內的，現有的蜂窩/個人通信牌照的持有者和采用WLAN技術的Ad hoc網絡的建立者之間將會有一場爭奪接入的大戰。

　　而對高數據速率的需求必將導致能提供高頻譜效率的新的調製和編碼技術。我們討論了滿足這一條件三種物理層技術：正交頻分複用
、超寬帶傳輸、空-時調製/編碼。我們相信無線技術將為未來的通信事業作出更傑出的貢獻。