本文關(guān)鍵詞：新興發(fā)展的無線通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

第 38卷第7 期 2008年7月
JOURNAL OF UNIVERSI TY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY OF CHI NA

V ol. 38, No. 7 Jul. 2 0 0 8

文章編號: 0253 2778( 2008) 07 0735 10 -

新興發(fā)展的無線通信技術(shù)

和網(wǎng)絡(luò)
朱近康
( 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)個人通信與擴(kuò)頻實驗室, 安徽合肥 230027)

摘要: 針對無線移動通信面臨的發(fā)展需求和技術(shù)挑戰(zhàn), 分析討論了近年新興發(fā)展起來的無線移動通 信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò), 重點綜合評述了以多輸入輸出( M IM O) 、 協(xié)同通信、 認(rèn)知無線技術(shù)等為代表的新興 無線通信技術(shù), 和以第四代移動通信網(wǎng)絡(luò)、 無線 mesh 網(wǎng)絡(luò)、 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)等為代表的新興無線 網(wǎng)絡(luò), 最后簡要說明我們的相關(guān)研究和進(jìn)展. 關(guān)鍵詞: 無線通信; 多輸入輸出; 協(xié)同通信; 認(rèn)知無線技術(shù); mesh 中圖分類號: T N929 文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A

New wireless communication techniques and networks
Z H U Jin kang ( P CN & SS L ab, Uni v ersi ty of S ci ence and T ech nol ogy of Chi na, H e f ei 230027, Chi na)

特 約 評 述

Abstract: T he development of w ir eless com municat ion is facing new requir em ent s and challenges. N ew t echno logies and net w orks dev elo ped in r ecent year s are analyzed and discussed. F ocus is laid o n t he t ypical novel w ireless co mmunication t echnolo gies, such as mult iple input and m ult iple out put ( M IMO ) , co operat ive com municat ion, cog nit ive radio, and t he new w ireless netw or ks, such as 4G m obile co mmunicatio n net wo rk, w ireless mesh netw or k and w ireless sensor net w ork. F inally, a brief int roduction t o our relat ed research and it s pro gress is given. Key words: w ireless comm unicat ion; m ult iple input and m ultiple out put ; cooperative com municat ion; cog nit ive radio; m esh 體業(yè)務(wù)服務(wù). 在此迅速發(fā)展中, 未來無線移動通信技 術(shù)與網(wǎng)絡(luò)的研究和標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)就成為眾所關(guān)注和大 力研究的重點. 一些令人興奮的新興技術(shù)和新興網(wǎng) 絡(luò)的出現(xiàn), 成為研究開發(fā)的熱點, 也為面臨極大需求 和重大研究開發(fā)的無線移動通信注入了活力.

0

引言
目前, 無論是移動電話還是無線接入, 無線移動

通信從模擬電子技術(shù)的第一代、 數(shù)字技術(shù)的第二代, 已經(jīng)進(jìn)入第三代, 形成自適應(yīng)技術(shù)有效應(yīng)用的多媒

收稿日期: 2008 - 15; 修回日期: 2008 - 28 -05 -05 基金項目: 國家自然科學(xué)基金( 60572066) , 華為基金資助. 作者簡介: 朱近康, 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授、 博士生導(dǎo)師, 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)個人通信與擴(kuò)頻實驗室主任. 現(xiàn)主要從事無線移動通信、 通信信號處理、 無線網(wǎng)絡(luò)和相關(guān)協(xié)議的研究. E ail: jkz hu@ us tc. edu. cn -m

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以 3GPP 組織推動的后第三代( B3G) 的長期演 進(jìn)安排 ) ) ) L T E, 是將來發(fā)展的 方向, 從 已經(jīng)采納 的一些標(biāo)準(zhǔn)化建議看, 其主要的技術(shù)發(fā)展趨勢是: 從 現(xiàn)在的 電信 網(wǎng) 絡(luò)過 渡到 將 來 的 IP 移動 網(wǎng) 絡(luò) ( 如 BT S 功能化, 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)扁平化等) , 從現(xiàn)有的每秒幾 兆數(shù)據(jù)速率發(fā)展到將來的每秒幾十甚至上百兆數(shù)據(jù) 速率( 如自適應(yīng)高效調(diào)制與編碼, 信道準(zhǔn)確估計的自 適應(yīng)等) , 從現(xiàn)有的集中傳輸處理發(fā)展到將來的分布 傳輸處理( 如 M IM O 技術(shù), mesh 技術(shù)等) , 從現(xiàn)在的 單發(fā)業(yè)務(wù)通信發(fā)展到將來的并行多發(fā)業(yè)務(wù)( 如視頻 業(yè)務(wù), 游戲業(yè)務(wù), 多播業(yè)務(wù)等) . 以 IT U 組織推動的 IMT- advanced( 4G 也即第 四代移動通信) 標(biāo)準(zhǔn)化研究, 從技術(shù)研究開發(fā)和應(yīng)用 來說, 很多方面與 L T E 好像沒有什么區(qū)別, 特別是 L T E 有不斷演進(jìn)推出不同時期的不同要求的長遠(yuǎn)

率, 就必須利用一切可能的資源: 頻率、 時間、 編碼、 功率、 空間等. 其中, 空間 資源還沒有有效利用, 是 4G 可能開發(fā)利用的新天地. 充分利用空間地理分布 下的分布技術(shù)和系統(tǒng), 將可能成為未來無線移動通 信的重要技術(shù)特征. 基于分布結(jié)構(gòu)和分布處理的相 關(guān)技術(shù), 如近年發(fā)展起來的 M IMO 技術(shù)、 協(xié)同通信 ( coo perat iv e comm unicat ions, CC) 、 認(rèn)知無 線技 術(shù) ( cog nit ive r adio t echnolog y) 、 mesh 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等, 在 資源的充分調(diào)度和利用、 處理能力的綜合與提高、 傳 輸能力和性能的改善等方面十分有效、 突出, 是新興 的無線移動通信技術(shù).

1

新興的無線移動通信技術(shù)
近幾年, 無線移動通信的技術(shù)研究和發(fā)展十分

特 計劃, 最終, 兩者可能會走到一起. 從目前的研究看, 約 兩者的目標(biāo)和重點還是有些不同. 3GPP 更多地是 評 述
從現(xiàn)有應(yīng)用出發(fā), 盡量平滑過渡; 而 4G 首先是從拓 展可用頻譜資源開始, 研究將來可支持上千兆數(shù)據(jù) 速率需要的可用資源和技術(shù), 同時積極吸納創(chuàng)新技 術(shù)和系統(tǒng)建議, 評估將來可用方法和技術(shù), 力爭實現(xiàn) 頻譜效率達(dá) 10 bit / ( H z1 s) , 數(shù)據(jù)速率達(dá)1 000 M bps 的無線移動通信. 隨著國家重大專項/ 新一代寬帶無線移動通信 的研究開發(fā)0的啟動, 我們國家緊跟未來無線移動通 信發(fā)展 的研發(fā) 要求, 提出 T D SCDM A 往 L T E 和 4G 的演進(jìn), 這是 中國對 4G 技 術(shù)和網(wǎng) 絡(luò)標(biāo)準(zhǔn) 化的 貢獻(xiàn). 面對眾多的各種各樣的無線移動通信技術(shù)和網(wǎng) 絡(luò)的進(jìn)展, 值得我們特別關(guān)注的重點是從無線移動 通信發(fā)展的技術(shù)演進(jìn)歷程來分析未來的第四代的基 本技術(shù)特征. 第一代移動通信系統(tǒng)是使用模擬技術(shù) 的系統(tǒng), 由于提出了蜂窩小區(qū)結(jié)構(gòu)、 終端移動管理、 漫游與切換等技術(shù), 實現(xiàn)了在移動中通信、 通信中移 動; 第二代移動通信系統(tǒng)是使用數(shù)字技術(shù)的系統(tǒng), 基 于數(shù)字信號處理技術(shù)和專用芯片, 盡量采用軟件處 理, 實現(xiàn)了設(shè)備的小型化和大量用戶接入, 特別是手 機(jī)的小型化和多樣性, 使移動通信迅速普及; 第三代 移動通信是充分應(yīng)用自適應(yīng)技術(shù)實現(xiàn)寬帶高速的通 信系統(tǒng), 調(diào)制自適應(yīng)、 編碼自適應(yīng)、 信道自適應(yīng)、 接入 自適應(yīng)、 業(yè)務(wù)自適應(yīng)等, 實現(xiàn)了傳輸鏈路和通信系統(tǒng) 的高效率. 在這些技術(shù)和系統(tǒng)基礎(chǔ)上發(fā)展的第四代 移動通信, 若要實現(xiàn)如上所述的更高寬帶和更高速

迅速, 各種各樣的新方法不斷涌現(xiàn), 各種現(xiàn)有方法不 斷翻新, 與分布技術(shù)和分布處理緊密相關(guān)、 能極大增 強(qiáng)容 量 和效 率、 廣闊 應(yīng) 用前 景 的, 可 能要 首 選 有 M IM O 技術(shù)、 協(xié)同通信技術(shù)和認(rèn)知無線技術(shù). M IMO 技術(shù), 是 多天線輸入多天 線輸出技術(shù). 它充分利用天線輸入輸出的無線衰落信道特性, 不 同天線有不同無線信道傳播特性, 獨立隨機(jī), 實現(xiàn)多 天線并行多信道高速傳輸. 其原理如圖 1 所示, M 個發(fā)送天 線( S 1 , S 2 , ,, S M ) , N 個接 收天 線( R 1 , R 2 , ,, R N ) , 從第 i 個發(fā)送天 線到第 j 個接收天 線 的信道傳遞特性是 W ij , 則有如下多天線發(fā)收的 轉(zhuǎn) 移關(guān)系 R1 R2 s RN
j

W 11 = W 12 s W 1N
i= 1

W 21 W 22 s W 2N
ij

, ,

W M1 W M2

S1 S2 s SM ,

s s , W MN

R =

EW

M

* S i , j = 1, 2, ,, N

( 1)

圖1 Fig. 1

MIMO 原理圖

The schematic diagram of MIMO

顯然, 要從式( 1) 的接收信號, 求解發(fā)送來的信號, 從

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新興發(fā)展的無線通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)

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數(shù)學(xué)手段出發(fā), 需實現(xiàn)如下逆運算 W R= W W S 其中 W 11 W= W 12 s W 1N R1 R= R2 s RN 如果有 W W= I 那么, 我們能夠得到 M 個天線發(fā)來的信號, 有 S= W R
-1 -1 -1 -1

( 2) W M1 W M2 s S1

形成終端虛擬多天線, 形成 M IMO 系統(tǒng), 如圖 2 所 示. 如果基站是 4 個天線, 那么只有一個天線的終端 加 上 3 個 relay 終 端, 共 4 個 天線, 構(gòu) 成 4 * 4 的 M IM O 系統(tǒng), 實現(xiàn)式( 3) 的正交性比較容易, 只要調(diào) 整選擇最接近下式的 3 個 r elay 終端和參數(shù), 即選擇 最適合的 W ij ( i , j = 2, 3, 4) , 就能實現(xiàn)并行高速 傳 輸. 雖然 relay 處理會增加系統(tǒng)一些額外開銷, 但在 分布系統(tǒng)狀態(tài)下, 多數(shù)情況能實現(xiàn)多路通信, 獲得更 高的系統(tǒng)容量( 如圖 3 所示) , 能在低信號中斷概率 下容納大量用戶終端工作. 即使不能完全正交, 由于 能提供附加的分集增益, 信噪比和誤碼率都會得到 明顯改善[ 2] .

W 21 W 22 s W 2N

, , s

, W MN S2 s SM ( 3) ( 4)

,

S=

W 11 W 12 W 13 W 14

W 21 W 22 W 23 W 24 1 0 0 0

W 31 W 32 W 33 W 34 0 0 0 1

W 41 W 42 W 43 W 44

-1

W 11 W 12 W 13 W 14

W 21 W 22 W 23 W 24

W 31 W 32 W 33 W 34

W 41 W 42 W 43 W 44 U

在實際處理中, 由于多天線陣列的無線信道傳 播特性( 式( 1) ) 是隨信道起伏隨時變化, 經(jīng)常無法給 出如式( 3) 結(jié)果的信道特性逆矩陣, 只能盡量做出部 分正交的結(jié)果, 即 W W U
-1

0 0 1 0 0 1 0 0

特 約
( 6)

評 述

I A I

a Aa

( 5)

這樣, 可以利用干擾對消或天線選擇技術(shù), 對于非正 交部分實現(xiàn)有通信質(zhì)量保證的部分多路高速通信. 由于 M IM O 技術(shù)極大地依賴于多天線間的信 道傳播特性, 有眾多問題值得研究, 過去幾年在基礎(chǔ) 和方法研究上取得了相當(dāng)可喜的成果, 近年已經(jīng)開 始走向?qū)嶋H應(yīng)用性研究. 其代表性的是由英國的大 學(xué)牽頭聯(lián)合各大公司和運營商的歐洲 mo bile VCE ( V ir tual Cent re of Ex cellence in M obile) 的研究, 針 對 M IM O 技術(shù)面向 B3G 的基本問題 和研究重點, 比較集中在對新的無線傳播環(huán)境( 從 5 GH z, 7 GH z 到 24 GH z 的載波頻率, 100M H z 以上的帶寬) 的測 量、 估計和信道模型的建立, 特別有效地對繁雜的收 發(fā)矩陣的運算簡化和技術(shù)實現(xiàn), 能提高容量的空間 分集方法, 支持高速率的室內(nèi)分布天線系統(tǒng), 對多路 并行傳輸與分集綜合的資源調(diào)度和管理等課題上, 預(yù)計 2010 年底完成[ 1] . 歐洲 mo bile VCE 在 M IM O 收發(fā)技術(shù)的 研究 中, 針對分 布式天線 提出了虛 擬天線陣 列( virt ual ant enna ar ray s, VAA ) 概 念, 并 進(jìn) 行了 深入 研 究. VAA 由一個多天線的基站和它覆蓋的多個終端組 成, 并且終端間有中繼轉(zhuǎn)發(fā)( r elay ) 功能, 這樣可以 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)對 M IM O 技術(shù)的研究和貢獻(xiàn)主 要集中在多用戶 M IMO 技術(shù)上, 有基于全反饋和有

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限反饋的多天線選擇處理方法, 形成正交或準(zhǔn)正交 的虛擬定向波束, 實現(xiàn)多路與分集通信[ 3, 4] ; 有多用 戶 M IM O 系統(tǒng)條件受限情況下的最佳化設(shè)計和處 理方法 等. 另一 項新 興 無 線 移動 通 信 技 術(shù) 是協(xié) 同 通 信 ( CC) , 它是基于用戶和站點間, 由于信道特性、 功率 限制、 覆蓋狀況、 高速需求等不同原因, 單一直接通 信困難, 需要借助鄰近站點或周邊用戶中繼、 協(xié)同與 分集, 實現(xiàn)可靠傳輸?shù)耐ㄐ? 前述的虛擬天線陣列, 就是協(xié)同通信的應(yīng)用之一. 協(xié)同通信是分布無線通信系統(tǒng)最基本的通信技 術(shù), 其基本信道模型是如圖 4 所示的 relay 信道, 某 一終端用戶( X ) 離站點較遠(yuǎn)或衰落嚴(yán)重, 僅僅靠一 個信道( h X D ) 直接傳輸已 經(jīng)不能保證有效通 信, 甚 至?xí)袛? 而在臨近站點( relay 1) 中繼協(xié) 助下, 通 過分集和多路處理, 通信能力能得到明顯改善. 如果
圖5 relay 信道的多路增益與分集增益 Fig. 5 The mult- path gain and diversity gain of relay channel i
[ 5]

構(gòu), 理論上可行, 但實際應(yīng)用考慮較少. 目前, 實 現(xiàn) relay 處理的方法比 較簡單, 有 放大轉(zhuǎn) 發(fā)( amplify to forward, AF) 和 解 碼 轉(zhuǎn) 發(fā) ( decode to - -forward, DF) , 通常情況在 relay 接收信號較好時采用 AF 處 理, 信號較弱時使用 DF 處理[ 7] . Relay 的資源分配 方法最常見的是功率分配和頻率分配, 進(jìn)一步的研 究有考慮物理層和上層結(jié)合的跨層處理方法和考慮 relay 分組處理方法[ 8] . 文獻(xiàn)[ 9] 研究了對面向 B3G LT E 移動通信的 OFDM A 系統(tǒng), 采用 relay 通信的 實際系 統(tǒng)上 下 行 通 信 的 總 容量. 系 統(tǒng) 總 帶 寬 80 M H z, 256 個子載波的 OFDM , 每個子載波頻帶 為 312 5 kH z, 在頻率選擇性衰落信道下模擬. 結(jié)果表 1

特 約 relay 1 的 傳 輸處 理 表示 為 R 1 , 那 么圖 4 的協(xié) 同 評 relay 通信的接收信號為 Y , 則有 Y = h X D X D + h RD R 1 hX R X R ( 7) 述

圖4

協(xié)同 relay 通信原理圖

明, 采用一個 relay 站可以獲得 239 9 M bps 的系統(tǒng) 1 總?cè)萘? 比常規(guī)方式的 224 M bps, 增大 7 1% ; 采用 1 三個 relay 站可以獲得 4891 7 Mbps 的系統(tǒng)總?cè)萘? 比常規(guī)方式的 4521 1 Mbps, 增大 8 3% . 1 隨著無線分布技術(shù)的發(fā)展, 將協(xié)同通信技術(shù)在 上述用戶終端彼此協(xié)同轉(zhuǎn)發(fā)的基礎(chǔ)上, 擴(kuò)展到多基 站的協(xié)同通 信, 如圖 6 所示. 蜂窩 小區(qū)交叉重疊 覆 蓋, 終端用戶在小區(qū)邊緣, 受限于 信號功率和信 干 比、 僅與一個基站連接不能實現(xiàn)可靠通信時, 讓鄰近

Fig. 4 The schematic diagram of cooperative relay

式中, X D 是終端用戶通過直接信道傳送 給站點的 信息, X R 是通過 relay 信道傳 送給的信息. 信息理 論能夠證明, 這種協(xié)同 relay 信道的聯(lián)合 信道的最 大容量為 I max [ 2I X D , if X D = X R , I X D = I X R ( 8) 實際應(yīng)用過程中, 完全實現(xiàn)最大多路并行傳輸 是做不到的, 常常是多路并行與分集處理相結(jié)合, 根 據(jù)信道特性, 在多路和分集之間折中. 圖 5 給出了在 不同信噪比情況下, X D = X R = 1/ 2 時, 多路增益與 分集增益之間的變化關(guān)系[ 6] . 近年來, 協(xié)同通信應(yīng)用到蜂窩移動系統(tǒng)中, 研究 relay 站的選擇、 實現(xiàn) r elay 處理、 分配資源等, 以實 現(xiàn)盡量大的系統(tǒng)容量和 傳輸特性. 對 r elay 站的選 擇: 一般考慮一個 relay 站, 構(gòu)成如圖 4 的基本結(jié)構(gòu); 考慮兩個 r elay 站, 可構(gòu)成三路收發(fā); 考慮三個 relay 站, 可構(gòu)成四路收發(fā); 超過三個以上的 r elay 通信結(jié)

圖6 Fig. 6

多基站的協(xié)同通信

Cooperative communication of mult- BSs i

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基站作為 relay 站點, 協(xié)同通信處理, 成為分布無線 移動通信的研究熱點. 對圖 6 的三個基站小區(qū)交叉 的蜂窩系統(tǒng), 有近一半?yún)^(qū)域交叉覆蓋, 在交叉覆蓋區(qū) 采用三基站協(xié)同通信的新型小區(qū)結(jié)構(gòu)下, OFDM 系 統(tǒng)的仿真結(jié)果的系統(tǒng)平均容量, 性能提高 明顯[ 10] , 如圖 7 所示.

圖9 Fig. 9

認(rèn)知無線電通信的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

The sketch of cognitive radio system

發(fā)現(xiàn)可用頻譜空洞, 經(jīng)與頻譜先驗數(shù)據(jù)庫的知識比 對, 頻譜判決器作出頻譜空洞應(yīng)用的決策, 再給出指 令控制軟件無線收發(fā)器工作
[ 11]

.

對認(rèn)知無線電的研究, 基本上分為兩方面: 一是 管理上的. 認(rèn)知使用空閑頻譜帶來的管理策略、 商業(yè)
圖 7 三基站協(xié) 同的系統(tǒng)性能 Fig. 7 The system perf ormance of 3 BSs cooperation

規(guī)范、 行為準(zhǔn)則等; 二是技術(shù)上的. 發(fā)現(xiàn)和利用頻譜. 最近, 基于認(rèn)知無線電技術(shù)發(fā)展起來的動態(tài)頻譜接 入技術(shù), 是認(rèn)知技術(shù)在移動通信中應(yīng)用的新進(jìn)展, 主 要包括: ? 頻譜感知. 其中利用信號周期譜理論和方 法, 對信號作頻譜發(fā)現(xiàn)和狀態(tài)分析, 是一種有效的方 法, 文獻(xiàn)[ 12] 給出了對 QP SK 和 QAM 的 OFDM 信 號的分析識別結(jié)果, 0 dB 下的識別概率大于 98% ; ?傳輸技術(shù). 對動態(tài)頻譜接入的收發(fā)傳輸技術(shù), 從不 同角度有眾多研究, Pursley 等提出了利用認(rèn)知技術(shù) 對鏈路不確知且有明顯時變傳播損耗情況的自適應(yīng) 發(fā) 送 接 收, 可 實 現(xiàn) 很 接 近 于 理 想 結(jié) 果 的 系 統(tǒng) 容 量
[ 13]

特 約 評 述

認(rèn)知無線電技術(shù)是在頻譜資源日益緊缺、 無線 通信需求急劇上升的情況下, 出現(xiàn)的又一新興技術(shù), 是在軟件無線電技術(shù)基礎(chǔ)上, 適應(yīng)多頻段多制式無 線移動通信發(fā)展的需求, 采用頻段掃描和信號識別 方法, 檢測和認(rèn)知已分配頻段的應(yīng)用狀況, 臨時借用 空閑頻段進(jìn)行通信的技術(shù). 顯然, 采用這種技術(shù)方法 能大大提高頻譜的利用效率, 拓展和提供更多可用 的頻帶資源, 滿 足無線移動通信 更高速、 更寬帶的 需求. 認(rèn)知無線電技術(shù)的基本原理如圖 8 所示. 利用 一個帶寬為 B 的循環(huán)掃描頻譜信號, 對整個有興趣 和潛在應(yīng)用可能的頻帶進(jìn)行掃描, 獲取信號強(qiáng)度低 于噪聲門限的頻譜空洞, 從而依據(jù)借用規(guī)則利用空 洞頻譜實現(xiàn)通信. 認(rèn)知無線電通信的收發(fā)結(jié)構(gòu)如圖 9 所示. 由頻譜掃描檢測器、 頻譜先驗數(shù)據(jù) 庫、 應(yīng)用 頻譜判決器、 軟件無線收發(fā)器構(gòu)成, 頻譜掃描檢測器

, 如圖 10 所示; ?MAC 協(xié)議和成網(wǎng)技術(shù). 文獻(xiàn)

圖 10 認(rèn)知技術(shù)的自適應(yīng)收發(fā)結(jié)構(gòu) 圖 8 認(rèn)知無線 電基本原理圖 Fig. 8 The schematic diagram of cognitive radio Fig. 10 The adaptive transceiver architecture of cognitive technology

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圖 11 Fig. 11

信令與業(yè)務(wù)傳輸分離通信的信號幀格式

The frame structure which separate the transmission of signaling and traffic 表 1 無線移動網(wǎng)絡(luò)的評估參數(shù)表 Tab. 1
C B/ %

特 約 評 述
# 1 e. g. , U M TS # 2 e. g. , 802. 11b # 3 e. g. , 802. 11a # 4 e. g. , 802. 11n # 5 e. g. , 4G

The parameter for the evaluation of wireless mobile network
T B/ ( M b # s- 1 ) 2 11 54 100 100 A B/ ( M b # s- 1 ) 0. 2 1 2 5 5 U/ % 10 20 20 40 20 D/m s 400 200 100 150 100 J / ms 50 25 15 30 20 L / ( per 106 ) 100 20 15 20 15

100 20 10 5 301 , 52

[ 14] 給出了實現(xiàn)動態(tài)頻譜接入的認(rèn)知 m esh 網(wǎng)絡(luò), 把頻譜感知、 傳輸狀況和媒體數(shù)據(jù)調(diào)度需求結(jié)合起 來分析, 確定 動 態(tài)頻 譜 利用 和 信道 分配, 特別 是 mesh 無線信道的頻譜分配和資源調(diào)度, 解決現(xiàn)行網(wǎng) 絡(luò)在業(yè)務(wù)繁雜情況下經(jīng)常出現(xiàn)擁塞的問題. 考慮到 未來無線移動通信對頻譜的極大需求和零散分配的 可能, 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)提出了一種利用認(rèn)知技術(shù) 實現(xiàn)零散頻譜資源綜合利用的方法, 這是把信令傳 輸和業(yè)務(wù)傳輸相分離的通信方式, 即將公共信令建 立在授權(quán)頻譜傳輸、 媒體業(yè)務(wù)建立在認(rèn)知頻譜傳輸, 彼此分開, 能有效利用所有可能頻譜資源 , 圖 11 顯示了這種通信方式的基本信號幀格式設(shè)計.
[ 15]

網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架設(shè)計, 如圖 12 所示. 基于 IPv6 架構(gòu)的統(tǒng)一 IP 網(wǎng)絡(luò) 平 臺, 可 以 連 接 其 他 數(shù) 據(jù) 網(wǎng) 絡(luò) 和 現(xiàn) 有 的 PST N, 通過接入網(wǎng)關(guān)( gat ew ay, GW) 與下層的移動 支撐接入站( mo bilit y anchor point , M AP) 連接; 移 動 支撐 接 入 站 MAP 帶 有 本 地用 戶 歸 屬 服 務(wù) 器 ( H SS) 和鑒權(quán)認(rèn)證和計費服務(wù)器, 并連接多個接入 路由器( access router, AR) , 對用戶實現(xiàn) IP 化移動 管理; 已有的無線系統(tǒng)( 2G, 3G, B3G, WL AN 等) 通

2

新興的無線移動網(wǎng)絡(luò)技術(shù)
新興的無線移動通信網(wǎng)絡(luò), 種類繁多, 但規(guī)模最

大和最有影響的要數(shù)第四代移動通信網(wǎng)絡(luò)( 4G) 、 無 線 mesh 網(wǎng)絡(luò)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)( WSN) . 在 B3G 網(wǎng)絡(luò)之后的未來無線移動通 信 4G 網(wǎng) 絡(luò), 又稱為下一代移動網(wǎng)絡(luò)( nex t g eneration mobile net w orks, NGM N) , 它能上 下兼容平 滑過渡 的 4G
圖 12 4G 網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)設(shè)計 Fig. 12 The design of the architecture of 4G network

第7期

新興發(fā)展的無線通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)

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過接入路由器接入網(wǎng)絡(luò), 有共存共用接入能力, 能實 現(xiàn)多頻段多制式多業(yè)務(wù)應(yīng)用[ 16] . 其中, 基于 IP v6 網(wǎng) 絡(luò)平臺的無線移動管理, 多制式多系統(tǒng)跨層協(xié)議的 協(xié)調(diào)和調(diào)度, 多頻段多業(yè)務(wù)的智能接入, 呼叫的準(zhǔn)入 控制和多系統(tǒng)垂直切換等, 是面臨的研究課題. 文獻(xiàn)[ 17] 提出了一種針對未來不同異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán) 境下的網(wǎng)絡(luò)自動選擇方法, 網(wǎng)絡(luò)的選擇通常按網(wǎng)絡(luò) 能力、 信號質(zhì)量和使用成本等考慮, 為此, 網(wǎng)絡(luò)選擇 的數(shù)學(xué)依據(jù)表述為 NW i = [ CBi , T B i , ABi , Ui , D i , J i , L i ] ( 9)
[ 19]

圖 13

無線 mesh 網(wǎng)絡(luò)

Fig. 13 Wireless mesh network

式中, i 表示 第 i 個網(wǎng)絡(luò), CB 是每傳輸 1by t e 的成 本, T B 是該網(wǎng)絡(luò)總帶寬, AB 是該網(wǎng)絡(luò)允許使用帶 寬, U 是當(dāng)前無線鏈路的利用率, D 是信包延時, J 是信 包抖 動, L 是 信 包 丟失 率. 表 1 給 出 了 3G, B3G, 8021 11a, 802 11b, 8021 11n 無 線移 動網(wǎng) 絡(luò)的 1 相關(guān)評估參數(shù)值. 假定有 N 種網(wǎng)絡(luò)可供選擇, i = 1, 2, ,, N , 式( 9) 就變成行數(shù)為 N 的網(wǎng)絡(luò)選擇矩陣, 采用 Barriac 等提 出的 逐次 優(yōu)選 逼近 理想 結(jié)果 的 T OP SIS 算法 , 可獲得優(yōu)選網(wǎng)絡(luò). 文獻(xiàn)[ 18] 研究了呼叫的準(zhǔn)入控制和多系統(tǒng)垂直 切換, 提出了 一種面 向蜂窩 ( cellular) 和 無線 接入 ( WL AN) 負(fù)載平衡交互算法, cellular 與 WL AN 有 各自的接入決策器和接入執(zhí)行器, 綜合網(wǎng)絡(luò)也有接 入決策器和接入執(zhí)行器, 一個呼叫進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)后, 由綜 合網(wǎng)絡(luò)啟動自己的接入決策器, 作出是接入 cellular 還是 WLAN 的決策, 然后由執(zhí)行器聯(lián)絡(luò) 相應(yīng)系統(tǒng) 執(zhí)行. 如果決定接入 cellular, 就啟動 cellular 的接入 決策器, 在給定資源分配后, 由執(zhí)行器完成. 垂直切 換多半是當(dāng)前支持系統(tǒng)通過自己的接入決策器發(fā)起 接入決策請求給網(wǎng)絡(luò), 網(wǎng)絡(luò)聯(lián)絡(luò)另一系統(tǒng)的接入決 策器決定, 由執(zhí)行器執(zhí)行. 這種決策機(jī)制, 能較好地 平衡不同業(yè)務(wù)請求和用戶需求, 呼叫接入中斷概率 可降低 3~ 6 dB. 無線 mesh 網(wǎng)絡(luò)是在接入 Internet 網(wǎng)關(guān)( GW) 有限、 不可能覆蓋所有移動終端的情況下, 增設(shè)眾多 mesh 路由器( M R) , 利用 m esh 路由器的中繼和協(xié) 同處理, 實現(xiàn)低功率微小區(qū)分布覆蓋, 不依賴于基站 位置和功率限制, 實現(xiàn)任意地理環(huán)境和場景無縫覆 蓋的新興網(wǎng)絡(luò). 圖 13 是無線 m esh 網(wǎng)絡(luò)的覆蓋示意 圖, 與 Int ernet 連 線的設(shè)備 是 GW, 未連線的 表示 WR. 顯然, 利用眾多微小功 率的 WR, 能 覆蓋任意 大范圍. 在無線 mesh 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究中, 其物理層 技術(shù), 路由器配置技術(shù), MAC 協(xié)議與路由技術(shù)等備
[ ]

受關(guān)注 . M esh 路由器的物理層技術(shù), 即 m esh 無線傳輸 技術(shù), 最好采用定向天線、 實現(xiàn)低臨界功率發(fā)射, 最 大限度地減小對鄰近 WR 的干擾. 低臨界發(fā)射功率 控制技術(shù)是使發(fā)射功率最小臨界化, 提高信號功率 效率, 實現(xiàn)低信號功率應(yīng)用, 對無線接入密集覆蓋的 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)十分有效. 無線傳輸中的 mesh 路 由 器間的中繼與協(xié)同, 如前所述, 也是很重要的. 在覆 蓋區(qū)域給定的情況下, GW 的位置通常是不可變動 的; 無 線 mesh 布局 密度 和 數(shù)目 就成 為 構(gòu)建 無 線 mesh 網(wǎng)絡(luò)的又一基本課題. 在大多數(shù)情況下, mesh 路由器的配置, 要為構(gòu)建無縫覆蓋的、 最大功率有限 的、 頻譜效率高的、 公平支持的路由協(xié)議提供物理基 礎(chǔ). 無線 mesh 網(wǎng)絡(luò)的 M AC 協(xié)議和路由技術(shù)已有相 當(dāng)?shù)难芯? 有的就直接引入 Ad hoc 網(wǎng)絡(luò)的相關(guān) 技 術(shù). 文獻(xiàn)[ 20] 提出的集簇化 mesh 結(jié)構(gòu)和多重資 源 分配管理方法, 對簡化路由設(shè)計和接入?yún)f(xié)議很有參 考價值. 無線 mesh 網(wǎng)絡(luò), 盡管是在 Int er net 網(wǎng)絡(luò)應(yīng) 用 早期發(fā)展起來的, 目前主要針對 IEEE 802 系列 的 無線接入網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用, 但它的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和組網(wǎng)方法, 已開始在未來無線移動通信得到應(yīng)用 , 圖 14 是 3GP P L T E 提出的未來無線移動通信的 mesh eNB
[ 21]

特 約 評 述

圖 14

LTE 的 mesh eNB 成 網(wǎng)構(gòu)架

Fig. 14 LTE network architecture composed of mesh eNB

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中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)報

第 38 卷

成網(wǎng)構(gòu)架, 其基站之間底層采用 IP 傳輸, 在邏輯上 通過 X 2 接口互相連接, 是傳統(tǒng)的 mesh 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu). 而 mesh eNB 之間 的連 接, 使 用 S 1 接 口, 也采 用 mesh 型或部分 mesh 型連接形式, 實現(xiàn)一個基站可 以和其他多個基站、 多個 SGW 相連, 為運營商和用 戶不斷增長的需求提供更好的支持. 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種可任意放置的傳感器和 就近無線中繼接入、 可在長時間無供電下可靠運行 和無人值守、 發(fā)送類噪聲微弱信號工作并可以抗干 擾的通信網(wǎng)絡(luò). 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是第一個非傳輸人 類信息的大型通信網(wǎng)絡(luò), 目前主要應(yīng)用于軍事監(jiān)視 與偵查、 環(huán)境、 氣象、 水利、 電力等監(jiān)測、 人體監(jiān)護(hù)和 保健、 工業(yè)過程控制等. 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究中, 首要的是微型傳感 器, 并已有相當(dāng)多的成果和進(jìn)展; 其次是無線傳感器

基礎(chǔ), 也是無線傳感器成網(wǎng)的基礎(chǔ), 文獻(xiàn)[ 23] 給出了 較為詳細(xì)的論述. 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是極大數(shù)量的傳感終端的接入 網(wǎng)絡(luò), 各終端( 或相當(dāng)部分終端) 還要作為中繼接力 的節(jié)點, 對鄰近終端給予接入支持, 因此, 無線電頻 譜資源的使用和承載能力, 與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的頻譜并存 和共用, 就需要仔細(xì)規(guī)劃和調(diào)度. 文獻(xiàn)[ 24] 提出將頻 譜中斷概率( spect ral outag e probabilit y) 參數(shù)作 為 評價基準(zhǔn), 如果 這 個參 數(shù)高 于 某 個設(shè) 定 門限 ( 如 10- 3 ) , 就說明這個頻譜在探測點附近不能使用. 探 測點一般設(shè)在中繼節(jié)點附近, 接收各發(fā)送節(jié)點的信 號, 經(jīng)聚合加權(quán) FF T 變換處理, 得到這些發(fā)送節(jié)點 環(huán)境下的綜合信號功率譜密度, 進(jìn)而給出時間和環(huán) 境的統(tǒng)計結(jié)果, 即給定信號功率譜密度下的出現(xiàn)概 率, 并將其作為頻譜中斷概率參數(shù). 圖 16 是網(wǎng)絡(luò)的 頻譜中斷概率, 實線是分段區(qū)域下的頻譜中斷概率,

特 的通信和節(jié)能設(shè)計, 現(xiàn)在的無線傳感器通常由傳感 約 器模塊、 儲 器單 元、 信模 塊、 存 通 位置 處 理 單 元、 評 述
CPU 和電源與管理模塊組成, 在 CPU 程序的控制 下完成信息感知、 數(shù)據(jù)傳輸、 接入路由建立和電源管 理. 有的無線傳感器, 還有移動管理模塊, 為位置更 新和移動服務(wù)提供支持. 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)基本上是 Ad hoc 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu), 通過無線終端節(jié)點的中繼接力, 到達(dá)網(wǎng)絡(luò)接 入路由 器進(jìn) 入網(wǎng)絡(luò). 新 近的 研究 有把 mesh 結(jié)構(gòu)和 Ad ho c 結(jié)構(gòu)同 時引入無線傳感器網(wǎng) 絡(luò)
[ 22]

, 構(gòu)成強(qiáng)大接入能力的新型無線多媒體傳感器
圖 16 網(wǎng)絡(luò)的頻譜中斷概率 Fig. 16 The spectral outage probability of network

網(wǎng)絡(luò), 適應(yīng)各種環(huán)境條件和業(yè)務(wù)的需要. 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)建立, 分三步處理, 如圖 15 所示. 首先是用戶終端與鄰近節(jié)點的距離和方位 估計; 其次是終端和相關(guān)節(jié)點的位置計算估計; 第三 是考慮到信號功率和接收能力, 進(jìn)行終端和可用節(jié) 點的無線連接和中繼接力的定位, 構(gòu)成用戶終端通 過相關(guān)節(jié)點的多跳( 或單跳) 中繼接力, 可實現(xiàn)經(jīng)網(wǎng) 絡(luò)接入路由器接入后進(jìn)入網(wǎng)絡(luò). 確定的無線電連接 的定位結(jié)果是建立用戶終端接入網(wǎng)絡(luò)的路由設(shè)計的

其頻譜主瓣區(qū)的中斷概率基本低于設(shè)定門限. 這個 頻譜特性參數(shù)可以作為判定是否允許新的終端發(fā)送 進(jìn)入的依據(jù). 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由建立和接入?yún)f(xié)議, 也已 有相當(dāng)多的研究, 但是在傳感器位置不變或相對穩(wěn) 定的情況下, 網(wǎng)絡(luò)布局給 定后, 經(jīng) 過前述的成網(wǎng) 處 理, 路由和接入相對固定, 其路由建立和協(xié)議就比較 簡單, 除非傳感終端在移動. 最近提出把無線傳感與 RFID 結(jié)合的通信網(wǎng)絡(luò)是一種新型的無線傳感器網(wǎng) 絡(luò), 由于 RFID 的移動性, 對網(wǎng)絡(luò)提 出了更高的 要 求, 有待進(jìn)一步研究.

3
圖 15 Fig. 15 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的成網(wǎng)處理 The organization of wireless sensor network

結(jié)論
面對未來無線移動通信和網(wǎng)絡(luò)的研究發(fā)展, 特

別是上述新興技術(shù), 整個趨勢是從近年來的單一技

第7期

新興發(fā)展的無線通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)

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術(shù)研究( 如 QAM 的高階調(diào)制、 DM 的正交多路、 OF 高效編解碼、 跨層設(shè)計等) 和它們的自適應(yīng)調(diào)整與調(diào) 度的研究, 轉(zhuǎn)向不再局限于傳統(tǒng)的頻率、 時間、 編碼 等資源, 而是利用分布結(jié)構(gòu)和分布處理, 構(gòu)成分布系 統(tǒng), 在利用傳統(tǒng)資源的基礎(chǔ)上, 實現(xiàn)對空間的充分運 用. 如前所述, 充分利用空間地理分布下的分布技術(shù) 和系統(tǒng), 將可能成為未來無線移動通信的重要技術(shù) 特征. M IMO 技術(shù)、 協(xié)同通信技術(shù)、 認(rèn)知技術(shù), 都與 空間位置和 地理分 布有關(guān), 新興 的 4G 網(wǎng)絡(luò)、 無線 mesh 網(wǎng)絡(luò)、 無線傳感器網(wǎng)絡(luò), 也都是分布式網(wǎng)絡(luò). 因 此, 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)提出研究/ 有序分布無線移動 通信0, 即未來無線移動通信是有序分布的、 彼此協(xié) 同的、 主從關(guān)聯(lián)的、 可移植復(fù)用的無線移動通信技術(shù) 和系統(tǒng), 重點研究基于空間地理位置的條件和環(huán)境, 適合未來無線移動通信的、 高效利用資源的、 分布狀 況有序的移動通信, 盡可能有效地利用和綜合上述 新興通信技術(shù), 并應(yīng)用于上述新興網(wǎng)絡(luò). 我們提出了以 M IMO 技術(shù)和協(xié)同技術(shù)為基礎(chǔ) 的、 無線覆蓋從現(xiàn)有的蜂窩小區(qū)結(jié)構(gòu)演變?yōu)橥膱A 的小區(qū)結(jié)構(gòu), 進(jìn)而演變成具有更高的系統(tǒng)容量和傳 輸能力 的 正三 角 形小 區(qū) 結(jié)構(gòu) 和 正六 邊 形 小區(qū) 結(jié) 構(gòu)[ 10] , 如圖 17, 18 所示. 同時, 我們提出了有主從關(guān) 系的協(xié)同通信方法: 主從協(xié)同通信, 支持分布式多基 站協(xié)同, 構(gòu)成用戶虛擬基站系統(tǒng); 同時也提出了支持 這種通信 方式的 L DC 空 時編碼 方法和 分布 編碼 方法 [ 25] . 本文試圖對近年新興的無線通信技術(shù)和無線網(wǎng) 絡(luò)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行討論, 反映作者的關(guān)注重點和相 應(yīng)思考, 因此, 本文不是針對未來無線通信和移動通 致謝 在本文撰寫過程中, 得到中國科學(xué)技術(shù) 大學(xué)個人通信與擴(kuò)頻實驗室的邱玲教授、 周武旸教 授的支持, 在此表示感謝.
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信的所有技術(shù)和成果進(jìn)行介紹, 包括中國科學(xué)技術(shù) 大學(xué)正在研究 UWB 技術(shù)、 DP C 編譯碼、 L 無線資源 管理、 新媒體業(yè)務(wù)、 跨層設(shè)計以及 L T E 實驗系統(tǒng)等 方面的成果和進(jìn)展等都沒有涉及.

特 約 評 述

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circular cell and traditional cell

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中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)報

第 38 卷

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