B3G無線通信技術發展趨勢

    國際上針對B3G（IMT-Advanced）技術的研究已經取得了一系列重要的進展。簡要介紹了國際B3G研究工作的進展情況，並通過對B3G的新頻譜特性、物理層以及網絡層的技術發展趨勢等方面的分析，闡述了筆者對未來無線通信發展趨勢的觀點。

    1、國際B3G研究工作進展
 
    B3G技術的研究從20世紀末3G技術完成標準化之時就開始了。2006年，ITU-R正式將B3G技術命名為IMT-Advanced技術（3G技術名為IMT-2000）。根據原定的工作計劃，IMT-Advanced的標準化已經「近在眼前」。ITU-R將在2008年2月向各國發出通函，向各國和各標準化組織徵集IMT-Advanced技術提案。IMT-Advanced技術需要實現更高的數據率和更大的系統容量，目標峰值速率為：低速移動、熱點覆蓋場景下1Gbit/s以上；高速移動、廣域覆蓋場景下100Mbit/s以上。

    國際上針對IMT-Advanced的研究已經取得了一系列重要的進展。日本NTTDoCoMo公司已經通過4×4和12×12多天線MIMO技術在100MHz帶寬下分別驗證了1Gbit/s（室外試驗）和5Gbit/s的峰值傳輸速率，在硬體實現方面處於世界領先位置。歐盟第6框架研究項目 WINNER自2004年啟動以來，吸引了歐洲各主要通信設備商。第一階段（PhaseⅠ）已於2005年底完成，就各種B3G關鍵技術進行了廣泛的調研，形成了系統化的研究結論；將於2007年底完成的第二階段（Phase Ⅱ）將完成系統設計和性能評估，形成完善的技術方案；2008年開始的第三階段（Phase Ⅲ）將進行演示系統的開發和實驗。同時，歐盟大力支持的世界無線研究論壇（WWRF）已經成為國際B3G技術交流的主要平台之一。另外，日本和韓國也分別成立了mITF論壇和NGMC論壇，推廣自己的B3G研究成果。

    目前，各標準化組織均在正式或非正式地開展針對IMT-Advanced的預研。3GPP的長期演進（LTE）技術已經具有部分B3G技術的特徵，該項目將於2007年底完成，預計將在2008年對LTE進一步演進，形成歐洲IMT-Advanced技術提案的一個重要來源。3GPP2已於2007年完成超移動寬帶（UMB）系統的標準化工作，並開始醞釀針對IMT-Advanced的研究。IEEE在2006年12月終於批准了802.16m的立項申請（PAR），此項目將在IEEE802.16e（WiMAX技術）的基礎上開發滿足IMT-Advanced需求的技術方案。

    2006年，數家國際移動通信運營商聯合成立了下一代行動網路（NGMN）論壇，試圖引領新一代寬帶移動通信的走向。目前NGMN白皮書已經初步成型，對各國以及各標準化組織的研究和標準化工作產生了重大影響。

    2、B3G無線通信技術的發展趨勢

    2003年以來，WiMAX和演進型3G（E3G）技術（包含3GPPLTE和3GPP2UMB技術）的發展已經體現了未來B3G技術的一些發展趨勢。通常認為，這些技術趨勢會延續到B3G時代。另外，由於B3G可能應用於一些新的頻譜，技術的選擇和系統的設計也會受到這些新頻段的特性的影響。就目前看來，B3G無線通信技術的發展可能體現在如下幾個方面。

    2.1新頻譜特性的影響

    一方面，由於B3G技術對高數據率、高容量的需求而對頻譜提出了很高的需求。據粗略估計，新頻譜的需求量在數百MHz至1GHz以上。另一方面，2G和 3G移動通信系統的發展已經占用了大部分2GHz以下最適合移動通信發展的頻譜。因此，除了充分重用2GHz以下的已用頻段並進一步發掘2～3 GHz的可用頻段以外，大多數所需頻譜需要從傳統上的非移動通信頻段中尋找。

    就目前看來，可以從兩個方向尋找新的頻譜，即向高頻段和低頻段尋找。在低頻段方向，未來用於B3G技術的潛在頻譜可能來自傳統的廣播電視頻段（862MHz以下）。由於廣播和電視業務從模擬化向數位化的轉變，大大提高了頻譜效率，從而可以節省大量的頻譜。這些節省的頻譜可以用於無線移動通信，但由於各國廣播電視數位化的時間表不同，此頻段可用於移動通信的時間也不相同。在高頻段方向，B3G系統將可能使用3.4～5GHz的一些頻段，這些頻段是B3G，系統賴以獲得高容量的主要頻譜。

    862MHz以下頻段比2GHz頻段更適合移動通信應用，因此不會對B3G系統的技術選擇和設計提出更高的要求。但3.4GHz以上頻段的頻譜特性會對 B3G系統的技術選擇和設計產生重大影響。通常認為，高頻段的覆蓋能力以及對高速移動的支持能力較弱，因此更適合用於低速移動的高容量熱點接入應用。而在高頻段的典型應用場景（低速移動的熱點覆蓋）下，B3G系統可以進行更優化的設計，例如多址技術、MIMO技術的選擇，參數的優化、導頻的設計及控制信道的設計等。

    針對高頻段支持非視距（NLOS）傳輸的能力，學術界並未得出明確的研究結論。傳統觀點認為，高頻段的穿透損失明顯大於低頻段，很難支持NLOS傳輸。如果基於這樣的判斷，高頻段就很難支持室外到室內的覆蓋，必須依賴大量的室內覆蓋。但也有研究成果認為，高頻段的穿透能力未必像想像的那樣差，而是和建築物的材質有關。對於寫字樓等具有厚重外牆的建築，無論對於哪個頻段，室內的接收功率都主要來自於門窗的透射，而高頻段穿透透明的玻璃材質的能力可能甚至高於低頻段。因此應首先明確高頻段信道模型，才能確定高頻段系統的優化方法。
    另外，由於一個B3G系統可能同時使用多個頻段（包括低頻段和高頻段），系統應能智能地在多個頻段之間動態地調度、漫遊和切換。

    2.2物理層的發展趨勢

    2.2.1多址技術的發展趨勢

    WiMAX和E3G技術的研究已經體現出明顯的「多址技術正交化」的趨勢。眾所周知，CDMA技術更適合在低信噪比區域提高功率效率，而OFDMA技術則更適合在高信噪比區域提高頻譜效率。以WiMAX、LTE、UMB為代表的E3G技術由於從話音業務（功率效率更重要）為主轉向側重數據業務（頻譜效率更重要），因此用OFDMA技術替代了CDMA技術。但這並不意味著OFDMA適合解決所有移動通信中的問題。實際上，在一個蜂窩移動通信系統中，頻譜受限和功率/干擾受限的場景都存在。例如在小區中心，信干比較高，功率充足的情況下，應注重提高頻譜效率，以實現更大的系統容量；但在小區邊緣，相鄰小區干擾比較嚴重的情況下，系統功率受限，應注重提高功率效率，以提高小區邊緣的數據率。

    因此，除了採用某些補充性的小區間干擾消除技術外，可以將OFDMA和CDMA技術有機結合，靈活切換，以便在不同的場景下揚長避短，靈活提高系統的頻譜效率和功率效率，取得均衡的系統性能。

    由於OFDM在頻域傳輸的特性，造成OFDM發射機的峰值平均功率比（PAPR）較高，需要大線性範圍的功放，且耗電較高，從而對移動終端在上行的應用造成了很多限制。為了解決這個問題，除了可以在OFDMA基礎上採用削波、預留子載波等方法外，也可以採用線性預處理的方法。LTE上行目前採用的DFT- S-OFDM就是在OFDM的反快速傅立葉變換（IFFT）操作前增加了一個離散傅立葉變換（DFT），將OFDM的頻域信號恢復到時域，從而降低 PAPR。

    在OFDMA基礎上進一步提高系統容量也是一個改進的方向。主要的思路是在OFDM的基礎上再疊加非正交的多址技術，使多個用戶可以共享相同的時頻資源。其中一個例子是利用多天線技術實現空分多址（SDMA）。

    2.2.2MIMO技術的發展趨勢

    MIMO技術作為寬帶移動通信的另一項關鍵技術，也已經被E3G系統廣泛採用，但隨著人們對各種MIMO技術的研究逐漸深入，正在不斷完善對這一技術的設計和使用。

    當前正在研究的MIMO技術廣泛使用了「閉環技術」，如閉環預編碼（precoding）技術和波束賦形（beamforming）技術等。這類技術可以利用接收端反饋的MIMO信道的先驗信息，通過預編碼矩陣調製MIMO的發射信號，以靈活地根據信道條件調整並行流的數量，並將能量集中在特定的「方向」，以獲得最佳的MIMO傳輸效果。在FDD系統中，信道的先驗信息可以通過對MIMO信道的測量獲得，並通過反饋信道傳遞給發送端。為了降低反饋開銷，通常採用碼本（codebook）的方式進行反饋。在TDD系統中，由於上下行信道具有對稱性，可以通過上行信道測量獲得下行預編碼所需的MIMO信道信息，即通過非碼本（non-codebook）的方式實現閉環反饋。

    波束賦形由於天線間距小，可以更好地利用天線之間的相關性，集中能量，獲得賦形增益，實現很好的覆蓋。因此閉環預編碼技術更適合在微小區和室內覆蓋場景下獲得更高的數據率。而波束賦形在覆蓋方面的優勢在室外宏小區環境下顯得更為重要。

    但在某些情況下，信道信息是很難先驗獲得的。例如對於高速移動的終端，信道信息的反饋頻率跟不上信道的變化。對於公共信道和廣播信道，通常只能採用全向發射，也無法採用閉環預編碼或波束賦形技術進行傳輸。因此必須採用不依賴閉環反饋的開環MIMO技術。其中，公共和廣播信道主要注重傳輸的鏈路質量，但對頻譜效率要求不高，可以採用開環發射分集技術，充分利用多天線之間的分集增益。

    2.2.3編碼技術的發展趨勢

    在信道編碼方面，對LDPC碼的使用始終讓業界猶豫不決，主要原因是LDPC碼的性能並沒有比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、經過實踐檢驗的Turbo碼。但B3G的新需求給了大家再次考慮採用LDPC碼的機會。由於B3G系統的帶寬將大幅提高，數據塊的尺寸越來越大，LDPC碼在處理大碼塊方面的優勢將變得愈發明顯。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性能。

    2.2.4小區間干擾抑制技術

    小區邊緣和小區中心的性能差異，在B3G系統中仍將是重大的難題。由於多天線技術的使用可以提高小區中心的數據率，卻很難提高小區邊緣的性能。小區邊緣由於信干比較低，很難支持多流傳輸。因此隨著系統採用的天線數量的增多，小區中心的性能可能不斷提高，但小區邊緣的性能卻很難提高，在小區中心可以使用的高階調製方式也很難在小區邊緣使用，造成小區中心和小區邊緣的性能差異越來越大。因此在未來的B3G系統設計中，抑制小區間干擾技術對系統整體性能的提升將起到更關鍵的作用，也將面臨更大的挑戰。

    更好的小區間干擾抑制效果可以通過更有效的干擾協調和干擾消除技術取得，也可以通過CDMA和OFDMA的結合取得，即利用CDMA的小區間多址能力，使用聯合檢測消除小區間干擾。

    2.2.5中繼（Relay）和分布式天線技術

    一方面，B3G系統提出了很高的系統容量要求；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，而這樣高的頻段的路損和穿透損耗可能都較大，很難實現好的覆蓋。除了使用基於基站的OFDMA、MIMO、智能天線、發射分集等技術擴大覆蓋範圍外，還可以採用Relay技術和分布式天線技術改善系統容量和覆蓋。

    中繼系統的設計首先是一個幀結構設計問題，也即系統需要依靠一個精心設計的幀結構在基站中繼站和中繼站終端兩個鏈路之間合理地分配時隙資源，協調兩個鏈路的傳輸。另外，由於引入中繼站相當於引入了一個新的網絡節點，這個新的節點的物理層能力以及物理過程的設計都需要重新考慮。

    在最簡單的兩跳Relay的基礎上，還可以擴展到多跳Relay，即在基站和終端之間插入多於一個中繼站，這種情況下幀結構的設計和資源分配會更為複雜。在簡單的點對多點Relay的基礎上，也可以考慮兩個中繼站的直接通信，即網格（Mesh）Relay。除了將一個中繼站看作一個獨立的發射站外，還可以在多個中繼站或在中繼站與基站之間作聯合發送/接收，即協調Relay。

    2.2.6多媒體廣播多播（MBMS）技術

    MBMS業務相對單播移動寬帶業務而言，實現起來更為簡單，又可以支持有潛在廣泛用戶基礎的手機電視業務，因此受到越來越廣泛的關注。廣播系統中，不同小區發送相同的數據，相鄰小區的信號和本小區的信號可以在空中自然地有效疊加，是有益的信號分量，系統可以通過宏分集合併提高接受性能。這種多小區合併的方式又稱為單頻網（SFN）方式。為了獲得SFN合併效果，OFDM系統需要進行一定程度的重新優化。如採用較長的CP以避免由於傳輸時延差造成的自干擾，採用更小的子載波間隔（考慮MBMS業務的主要用戶處於低速移動場景）以取得更高的頻譜效率等。另外，MBMS系統的物理層配置、網絡架構、用於MBMS的MIMO技術等，也是MBMS系統的重要研究課題。

    2.3網絡層的發展趨勢

    目前看來，B3G將採用的物理層技術大部分已經在WiMAX和E3G標準化中得到了廣泛研究，因此B3G技術的研究中心可能會轉向網絡層，即如何針對新的物理層技術（如OFDMA、MIMO）進一步優化網絡層設計，充分發揮這些物理層新技術的潛力，真正實現整個系統的性能最大化。
    另外，根據B3G的新需求，還要考慮未來網絡的發展趨勢。

    在E3G系統中，已經體現出無線接入網絡（RAN）的扁平化趨勢。3GPPLTE取消了UMTS網絡中的無線網絡控制器（RNC）節點，實現了單層節點的RAN結構。這一結構要求大大增強了基站的能力，並通過分布式的方法實現了基站之間的協調操作（如小區間干擾協調）。但由於B3G系統在頻譜共享、多頻段操作、異構切換等方面提出了更高的要求，需要更大量的網內協調。在上述扁平化網絡架構下如何實現更有效的中央控制和協調，還有待於進一步研究。

    另外，Relay的引入也會對網絡架構產生重大的影響。由於中繼站的引入實際上是在基站之下增加了新的網元，因此基站成為了新的「中央控制節點」。中繼站或分布式基站的能力大小尚不明確，如果他們的能力和基站相仿（即實際上是「小基站」），是否會和網絡扁平化的趨勢有衝突，也有待於進一步研究。

    隨著網絡的扁平化，運營商對網絡的自規劃、自配置、自優化的需求也逐漸顯現。即要求基站在架設後可以自動測量、感知周圍的無線環境和網絡環境，自動配置系統參數、自動組成網絡。在此基礎上，也提出了「家庭基站」（HomeBaseStation）的概念。

    在B3G階段，國際漫遊將變得越來越重要。B3G系統是否能實現全球統一的空中接口標準，目前尚不明確。如果仍出現類似於3G時代的多標準並存的局面，國際間漫遊會成為一個難題。在這方面，軟體無線電技術可能會起到重要的作用。這種技術可以通過可配置軟體實現對多種無線技術制式的支持，以實現國際間漫遊和切換。

    3、結語

    文章介紹了國際B3G技術的研究情況和B3G無線通信技術的幾個發展趨勢。當然，技術的發展方向也不是一成不變的，而是隨著人們對無線通信業務需求的不斷增長和對無線通信技術理解的加深，不斷調整和變化的。B3G技術標準化最終會形成一個什麼樣的B3G系統，相信在未來3～5年的時間內，我們就會得到答案。

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