基于照明燈及電力線為載體的新型寬帶移動通信系統

摘要：適應未來寬帶移動通信的發展要求，解決目前制約移動通信快速發展的4個“瓶頸”性難題，可以采用一種全新的以信息燈為接入點的移動通信網絡形式。信息燈是一種具有普通照明功能且能實現部分無線信號收發功能的新型裝置，通過與之相連的電力線(或者光纖)實現接入點與接入網的信息交互?；谛畔舻木W絡架構以多天線分布式空時信號處理和資源管理為核心支撐技術，通過有線網絡和無線網絡的有機融合，提供高速、高質量的移動通信服務。

關鍵詞：電力線通信；多天線信號處理；信息燈；通信；照明

Abstract: A new mobile communications network architecture using the information lamp as the access point is proposed for solving the existing four bottlenecks that restrict the rapid development of mobile communications and meeting the development demands of future broadband mobile communications. The information lamp is a new device that has the function of transceiving certain radio signals besides lighting. It fulfills information interaction between the access point and the access network through the power line (or fiber). Multi-antenna distributed space-time signal processing and resource management is the core supporting technology of this new system， which is an organic integration of the wired and wireless networks to provide high-speed and high-quality mobile communication services.

Key words: power-line communication; multi-antenna signal processing; information lamp; communication; lighting

基金項目：國家自然科學基金項目(60572090、60472045、60496313)；教育部博士點基金(20050614009)

移動通信技術是當前發展最快的通信技術之一，每一次概念和技術的突破都實現了工程上的飛躍并帶來了巨大的經濟效益[1]。蜂窩概念的提出成功實現了第1代移動通信系統[2]，數字信號處理技術和器件的成熟促進了以全球移動通信系統(GSM)為標志的第2代移動通信的蓬勃發展，而寬帶碼分多址(WCDMA)的商用和多媒體技術的提出則充分滿足了當時對第3代移動通信系統的功能要求[3]。

為了使未來移動通信系統能夠支持更大的系統容量，以多輸入多輸出(MIMO)為代表的多天線收發技術得到發展并成為無線通信領域的研究熱點之一[4-5]。

考慮到下一代移動通信系統不僅要求比第3代移動通信系統具有更快的傳輸速率、更大的系統容量和更高的頻譜利用率，還要考慮更低的功率消耗、更復雜的網絡環境(面臨多種通信網絡體制的共存)等問題，因此，尤其要徹底解決移動通信發展過程中的4個根本性問題：

●基站選址困難問題

●手機輻射功率大的問題[6-8]

●傳統基站周圍強輻射問題

●5 GHz以下的無線電頻譜相當昂貴

為了較好地解決以上4個移動通信發展過程中面臨的“瓶頸”問題，并滿足未來移動通信系統對容量、傳輸速率等方面的高性能要求，本文以多天線信號處理為核心技術，提出基于信息燈(IL)的面向未來的新型移動通信系統架構，給出室內外接入的典型場景，討論圍繞信息燈網絡所涉及的相關技術。

1 系統總體結構

考慮到室內及室外的照明燈已覆蓋城區的現實，只要用戶身在城區中，就有一個照明燈離其很近。將無線接入點集成在照明燈中，組成具有信息收發功能的信息燈。

在上行鏈路上，基于信息燈的無線接入點接收到的信號通過電力線傳輸到中心信號處理器，完成信號處理過程。在下行鏈路上，中心信號處理器發出的信息通過電力線、信息燈中的無線接入點傳給無線接收裝置(如移動臺等)。

1.1 室內外典型場景

室內基于信息燈的無線接入場景如圖1所示，在照明燈中集成了通信信號接入點(AP)，室內的無線入網設備(如筆記本電腦、PDA、手機等終端)可以與一個或者多個接入點同時建立連接，如果終端設備本身具有多個天線，那么將形成具有分布式特征的MIMO系統結構。

信息燈中的無線接入點完成部分信號處理功能，且與照明用的電力線相連，通過電力線與外圍的中心信號處理器通信。通信信號通過信號分離/耦合器實現與電力線的分離和加載。分離后的通信信號利用電力線(或經轉換后使用光纖等其他媒質)傳給中心信號處理器，在中心信號處理器中實現電力線信號和一部分分布式空時信號的處理。

室外基于信息燈的無線接入場景如圖2所示，這里選擇戶外的路燈作為無線接入點，手機終端、車載臺等通過周圍的多個路燈接入點接入網絡。路燈接入點通過電力線、光纖或者同軸電纜與中心信號處理器相連，實現與主干網的通信。

1.2 網絡層次模型

圖3給出了基于信息燈的新型移動通信系統的網絡層次模型，從用戶端到核心網(至底向上)共分為3個主要層次：接入層、信號處理層和管理層。其中，信號處理層還可以分為3個子層：無線轉換子層、電力線轉換子層和處理子層。各層功能如下：

(1)接入層

接入層主要由用戶設備及信息燈組成，信息燈為用戶設備提供網絡接入點，一個用戶設備可以同時與多個信息燈通信，形成分布式MIMO結構。用戶設備與信息燈之間的接口為空中接口(但是針對特殊要求的用戶設備可以提供有線接口)。這里的用戶設備泛指網絡支持的有接入需求的終端設備，比如手機、便攜式電腦、車載移動臺、定位設備等。

(2)信號處理層

信號處理層主要完成無線通信信號與電力線(或者光纖)通信信號的相互轉換，并實現部分分布式空時信號處理的功能，涵蓋3個子層：無線轉換子層、電力線轉換子層、處理子層。

(3)管理層

管理層負責分布式信號的管理，與核心網直接交互信息。

2 結構優勢和技術挑戰

基于信息燈的新型移動通信系統以多天線分布式信號處理為核心信號處理技術，通過分布式信號管理技術實現分布式信息燈的管理和控制，較好地解決了移動通信發展過程中的4個根本性問題，并具有自身的結構優勢：

(1)解決基站選址困難的問題

采用基于信息燈的分布式基站結構，解決了基站選址的難題，且基站完全隱蔽、美觀。

(2)解決手機輻射功率大的問題

GSM手機平均發射功率為1 W，CDMA手機的發射功率范圍一般在0.01 W～1 W；假設信息燈接入點距離手機的平均距離為10 m，傳統的GSM和CDMA基站距離手機的平均距離為250 m(保守值)，且分布式接入點和傳統基站接收機的干擾容限基本相同，根據電磁波自由空間傳播損耗規律，利用分布式信息燈接入的手機可比傳統的GSM和CDMA手機小28 dB的發射功率。可見，近距離的分布式信息燈接入方案使得實現超低輻射手機成為可能。

(3)解決傳統基站周圍強輻射問題

一般情況下，小區覆蓋半徑在100 m～500 m左右的CDMA基站的平均發射功率為0.25 W，按照和上面一樣的假設條件，如果采用分布式信息燈接入點，則最大可以節省1萬倍的廣播信道發射功率。

(4)避免使用熱點頻譜資源

基于信息燈的無線接入通信技術，其視距(LOS)信道發生的概率很高，而我們知道近距離LOS信道的衰落對載波頻率不敏感，這樣就為使用更高頻段(大于5 GHz)的頻譜提供了可能性。

(5)安全、美觀

無線接入點與照明燈集成在一起，在防火、防其他傷害上更安全，且外形美觀。

(6)方便、靈活、可控的接入

安裝在室內的信息燈接入點，可以完全根據用戶的需要，由用戶自主控制安裝、開關，就像安裝和開關燈泡一樣簡捷、方便，不會影響其他用戶的使用。

以信息燈為接入點的分布式移動通信系統是面向未來的一種全新無線移動通信體系架構，無論在物理層的分布式信號處理還是協議層的分布式信號管理等方面，都面臨著一些核心技術的挑戰，需要大量開創性的研究工作。這里僅列出部分關鍵的待研究問題：

(1)接入點與照明燈的集成

如何將具有通信功能的接入點與照明燈做到完美的結合是信息燈接入面臨的首要問題，這里的結合不能僅僅是接入點與照明燈的簡單拼湊和組合，而是接入點與照明燈的有機融合。

(2)無線通信與有線通信的轉換

在家庭、辦公室等室內接入環境下，信息燈與電力線相連，通過電力線通信實現信息的傳遞和交接，需要無線通信與有線通信的物理格式轉換，對處理芯片的要求較高。

(3)信息安全問題

電力線是典型的共享傳輸媒質，如何保證電力線傳輸的私有信息安全性仍然是一個開放性的課題，電力線標準化組織采用數據加密標準(DES)作為暫時的解決方案，文獻[9]和文獻[10]中有較為詳細的討論。

(4)分布式信號的資源管理

信息燈接入點雖然在接入功能上與傳統基站有類似之處，但接入點的數量將大幅度增加，且地理分布特性具有相當的自由度，這些都是傳統的無線資源管理方法無法應對的，需要從分布式信號管理的理念、思維方式、操作層面等角度綜合設計。

(5)近距離信道特性

信息燈的應用環境決定了接入距離與傳統移動通信相比會減少很多，需要對這種近距離接入的MIMO信道特性進行科學測量和合理建模。

3 參考文獻

[1] 尤肖虎. 未來移動通信技術發展趨勢與展望 [J]. 電信技術， 2003， (6): 14-17.

[2] Rappaport T S. 無線通信原理與應用 [M]. 周文安， 付秀花， 王志輝， 等譯. 北京: 電子工業出版社， 1998.

[3] 王京， 姚彥， 趙明， 等. 分布式無線通信系統的概念平臺 [J]. 電子學報， 2002， 30(7): 937-940.

[4] Sampath H， Talwar S， Tellado J， et al. A fourth-generation MIMO-OFDM broadband wireless system: design， performance， and field trial results [J]. IEEE Communications Magazine， 2002， 40(9): 143-149.

[5] Paulraj A J， Gore D A， Nabar R U， et al. An overview of MIMO communications: A key to gigabit wireless [J]. Proceedings of the IEEE， 2004， 92(2): 198-218.

[6] 孫儒石. GSM數字移動通信工程 [M].北京:人民郵電出版社， 2002.

[7] 中國信息產業網[EB/OL]. http://www.cnii.com.cn/20030218/ca131975.htm.

[8] Lee J S， Miller L E. CDMA系統工程手冊 [M]. 許希斌， 周世東，等譯. 北京:人民郵電出版社， 2001.

[9] Hrasnica H， Haidine A， Lehnert R. Broadband powerline communications networks [M]. New York， NY，USA: Wiley Sons， 2004.

[10] Vick R. Estimating the radiated emissions of domestic main wiring caused by power-line communication systems [C]// Proceedings of 15th Zurich Symposium and Technical Exhibitionon Electromagnetic Compatibility， Feb 18-20，2003， Zurich， Switzerland. 2003:87-92.

收稿日期：2006-12-27

唐友喜，電子科技大學博士畢業。電子科技大學通信抗干擾技術國家級重點實驗室教授、博士生導師，主要研究方向為分布式多天線信號處理技術、分布式信號管理技術等。

邵士海，電子科技大學通信抗干擾技術國家級重點實驗室在讀博士研究生，主要研究方向為分布式多天線信號處理技術、多天線擴頻通信技術。