未來移動(dòng)通信的特點(diǎn)及關(guān)鍵技術(shù)

張晶壹

摘 要：基于移動(dòng)通信的特點(diǎn)及網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)以及人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的物質(zhì)精神文化需要，文章介紹了目前人們對(duì)未來通信系統(tǒng)的構(gòu)思及可實(shí)行性，對(duì)頻譜充分利用及無線電領(lǐng)域作了簡(jiǎn)單的闡釋。

關(guān)鍵詞：未來移動(dòng)通信；無線電；頻譜

中圖分類號(hào)：TN929.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2015）17-0062-02

眾所周知，通信技術(shù)的終極目標(biāo)是5 W原則，即任何人在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)與任何他人進(jìn)行任何類型的信息交換（whoever，whenever，wherever，whomever，whatever）。隨著人們生活方式的豐富多樣化，人們對(duì)移動(dòng)通信的種種需求與日俱增，盡快想辦法使這一問題得到解決是目前唯一能做的。因此要充分進(jìn)一步、全面的認(rèn)識(shí)移動(dòng)通信的特點(diǎn)，其次，未來的移動(dòng)關(guān)鍵技術(shù)更是當(dāng)下討論的焦點(diǎn)、熱點(diǎn)問題。

1 未來移動(dòng)通信系前景

首先，未來移動(dòng)通信系統(tǒng)將會(huì)寬帶化以滿足不斷增長(zhǎng)的寬帶數(shù)據(jù)速率需求。第一代模擬式僅提供語(yǔ)音服務(wù)；2G傳輸速率僅有9.6 kbps，最高可達(dá)32 kbps；3G數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)到2 Mbps；4G可以達(dá)到10 Mbps至20 Mbps，最高可以達(dá)到高達(dá)100 Mbps。3GPP LTE-Advanced系統(tǒng)要求在下行鏈路上支持高達(dá)1 Gbps（低移動(dòng)性）或者至少100 Mbps（高移動(dòng)性）的峰值數(shù)據(jù)速率。

其次，在互聯(lián)網(wǎng)誕生以前，人類的時(shí)間分為以下幾段：睡覺，工作，坐車，吃飯，與朋友會(huì)面聊天，看書，看電視，逛街；而在移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)誕生以后，人類的時(shí)間被分為三段：睡覺，工作，用智能手機(jī)上網(wǎng)，可見互聯(lián)網(wǎng)的移動(dòng)應(yīng)用化仍是本質(zhì)特點(diǎn)。為了滿足移動(dòng)通信系統(tǒng)的寬帶化和互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的移動(dòng)化，對(duì)未來的移動(dòng)通信系統(tǒng)而言，可以預(yù)見，其主要需求仍會(huì)集中在更高的數(shù)據(jù)速率和用戶終端（UE）處于高速移動(dòng)狀態(tài)時(shí)的QoS性能方面。

然而，對(duì)于現(xiàn)有移動(dòng)通信系統(tǒng)所分配到的有限頻譜資源而言，這種數(shù)據(jù)速率的擴(kuò)張需求勢(shì)必難以滿足；尋找另外的可用頻段，又必然要觸動(dòng)和挑戰(zhàn)目前靜態(tài)（甚至是僵化）的無線資源規(guī)劃。因此，迫切需要新的技術(shù)方式和通信體制來支撐未來移動(dòng)通信系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展需求。

2 當(dāng)前移動(dòng)通信技術(shù)存在的問題

結(jié)合當(dāng)前頻譜利用現(xiàn)狀分析，當(dāng)前無線通信的特點(diǎn)為多種網(wǎng)絡(luò)共存、同一頻率的信號(hào)相互干擾、靜態(tài)頻譜分配。就現(xiàn)有頻譜策略而言，靜態(tài)地分配頻譜，頻譜利用率低。非授權(quán)頻帶逐漸趨于飽和：隨著無線局域網(wǎng)和無線個(gè)人網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展，以及無線技術(shù)在移動(dòng)通信、城市安全、智能交通、廣播電視、智能社區(qū)、戰(zhàn)場(chǎng)指揮等系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用，無線電頻譜資源也變得日趨緊張。隨著全球移動(dòng)用戶數(shù)量的不斷增加，頻率資源緊張，移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商也深感頻率資源短缺。當(dāng)今飛速增長(zhǎng)的頻譜資源需求與相對(duì)匱乏的頻譜資源供給已造成供不應(yīng)求的局面，更是成為制約未來無線通信發(fā)展的瓶頸。授權(quán)頻譜資源利用率非常低：傳統(tǒng)頻譜使用和管理存在的突出問題是授權(quán)頻譜利用率低，頻譜利用情況極不平衡。而美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)曾在一篇報(bào)告中指出，美國(guó)有70%的授權(quán)頻譜沒有被充分利用。

針對(duì)上述提到的問題，我們不難總結(jié)出制約未來移動(dòng)通信發(fā)展的瓶頸。無線資源的有限和無限的用戶需求之間的矛盾。可用的功率、頻率、時(shí)間、碼字、空間角度、極化方式等都屬于無限資源；就頻譜資源而言，尋找另外的可用頻段，又必然要觸動(dòng)和挑戰(zhàn)目前靜態(tài)（甚至是僵化）的無線資源規(guī)劃。因此，新的技術(shù)方式需要改善，此外通信系統(tǒng)的可用無線資源的利用效率也迫切需要提高。有限的頻譜資源與持續(xù)增長(zhǎng)的無線通信業(yè)務(wù)需求之間的抵牾所帶來的挑戰(zhàn)，將推動(dòng)無線通信理論與技術(shù)不斷發(fā)生變革。

3 解決辦法

關(guān)于解決方案，大體可以概括為如下五點(diǎn)，下面詳細(xì)介紹。

3.1 從信號(hào)設(shè)計(jì)與處理方面出發(fā)，選用高效的調(diào)制及信

道編碼等技術(shù)增加頻譜利用率

信號(hào)處理的復(fù)雜性將限制其在實(shí)際系統(tǒng)中的應(yīng)用。例如，如果完全依靠增加調(diào)制進(jìn)制來提高傳輸速率，當(dāng)速率超過10 bps/Hz時(shí)，其復(fù)雜度及對(duì)信道的要求相當(dāng)之高，每增加1 bps/Hz就要增加3 dB的信噪比，而要實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度，那么對(duì)時(shí)鐘精度的要求及對(duì)信道參數(shù)估計(jì)精度的要求等相應(yīng)地都要成倍增加。但從結(jié)果來看，可能是得不償失，由于對(duì)各方面精度的要求及對(duì)應(yīng)參數(shù)儀器的選擇都需高標(biāo)準(zhǔn)的配置，其預(yù)期成本已遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于它本身所帶來的效益，因此不為大多數(shù)客戶需要。

3.2 工作頻點(diǎn)繼續(xù)上移

2007年11月閉幕的世界無線電通信大會(huì)上曾議決了適用于全球3G與4G移動(dòng)通信體系的四個(gè)新頻段，其中包括3.4～3.6 GHz的200 MHz帶寬以及分配給我國(guó)TD-SCDMA的2.3 GHz～2.4 GHz的100 MHz帶寬。更高的系統(tǒng)工作頻率將導(dǎo)致無線信號(hào)在空間傳輸中快速衰落。盡管采用微蜂窩技術(shù)可以縮小小區(qū)半徑，增加天線覆蓋面積，提高了用戶的接收性能，但隨之而來的另一個(gè)問題在于系統(tǒng)中頻繁的切換會(huì)增添了系統(tǒng)信令開銷并使系統(tǒng)的工作效率下降；可想而知，它遠(yuǎn)不能滿足人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的對(duì)移動(dòng)通信數(shù)據(jù)速率增加的需求。

3.3 開發(fā)頻譜、時(shí)間、空間、碼字、極化域等資源

認(rèn)知無線電技術(shù)，因其靈活化、智能化、可重配置資源等顯著特性，通過感知外界環(huán)境可利用的無線資源，并使用人工智能技術(shù)從環(huán)境中學(xué)習(xí)，有目的地實(shí)時(shí)改動(dòng)某些操作參數(shù)（例如傳輸功率、載波頻率和調(diào)制技術(shù)等），使其內(nèi)部狀態(tài)適應(yīng)于接收到的無線信號(hào)的統(tǒng)計(jì)變化，從而實(shí)現(xiàn)任何時(shí)間、任何地點(diǎn)的高可靠通信，以及對(duì)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下有限的無線頻譜資源進(jìn)行高效地利用。相對(duì)前兩者而言，該方案不失為一個(gè)良好的解決方案。

3.4 協(xié)作通信

協(xié)作通信（Cooperative Communication）技術(shù)是利用網(wǎng)絡(luò)中閑置的天線資源作為信源的中繼協(xié)助轉(zhuǎn)發(fā)信息，通過不同天線傳輸相同的數(shù)據(jù)達(dá)到空間分集的目的，以提高通信系統(tǒng)的可靠性，是繼MIMO多天線技術(shù)之后無線通信領(lǐng)域內(nèi)又一前沿研究課題。但協(xié)作中繼的選擇是個(gè)棘手的問題，現(xiàn)在已成為一個(gè)大問題。

3.5 大規(guī)模MIMO（massive MIMO）系統(tǒng)

大規(guī)模MIMO（Massive MIMO）系統(tǒng)作為傳統(tǒng)MIMO技術(shù)的推廣，可以大幅度提升速率和能源效率，是未來無線通信的一個(gè)重要研究方向。Massive MIMO需要在基站選用大規(guī)模的陣列來服務(wù)有限的終端用戶，這使基站天線陣列的尺寸大幅度增大，設(shè)置難度也相應(yīng)大幅增加。于是，導(dǎo)頻污染被認(rèn)為是大規(guī)模MIMO體系中的“瓶頸”問題。

4 認(rèn)知無線電技術(shù)

通過以上五點(diǎn)的對(duì)比，我們不難發(fā)現(xiàn)，認(rèn)知無線電技術(shù)是目前有效可行并加之以開發(fā)的不二選擇。

認(rèn)知無線電最早是在1998年由Mitola提出。主體為感知頻譜、傳播環(huán)境并自適應(yīng)選擇可用頻譜、自適應(yīng)調(diào)制、編碼、天線波束、功率調(diào)整等。具體是指，允許系統(tǒng)獲取周圍的工作和地理環(huán)境信息、已建立的通信策略及其內(nèi)部狀態(tài)，依據(jù)獲取的信息對(duì)其自我學(xué)習(xí)，形成決策并動(dòng)態(tài)的和自主的調(diào)整工作參數(shù)和通信協(xié)議來實(shí)現(xiàn)預(yù)定的目標(biāo)。認(rèn)知無線電的主要功能可以歸納為：頻譜感知（檢測(cè)可用的頻譜空洞，檢測(cè)主用戶是否存在）、頻譜管理（制定頻譜使用政策，使頻譜利用率盡可能的高）、頻譜共享（協(xié)調(diào)頻譜接入）、頻譜切換（頻譜之間的無縫過渡）此外，頻譜空洞常規(guī)定義為特定地理區(qū)域、特定時(shí)間內(nèi)主用戶沒有使用的的頻譜；而我們可以擴(kuò)展為，未被占用的無線電信號(hào)的多維空間。因?yàn)轭l譜空洞，既而我們提出頻譜共享與動(dòng)態(tài)接入模式，主要為Interweave模式：認(rèn)知用戶通過尋找（感知）主用戶授權(quán)頻段的中的頻譜“白空間”，機(jī)會(huì)式接入頻譜空洞來進(jìn)行通信，主要技術(shù)為感知技術(shù)和退出機(jī)制；Underlay模式：認(rèn)知用戶和主用戶使用相同頻率進(jìn)行通信，前提是認(rèn)知用戶遠(yuǎn)小于主用戶的發(fā)射功率產(chǎn)生的干擾量不會(huì)影響主用戶的通信質(zhì)量，主要技術(shù)為次用戶發(fā)射功率控制和調(diào)制技術(shù)的選則；Overlay模式：認(rèn)知用戶和主用戶在時(shí)間和空間上使用相同的頻譜進(jìn)行通信，主要技術(shù)為網(wǎng)絡(luò)編碼。

對(duì)于它的實(shí)現(xiàn)也有個(gè)別問題需要解決。而認(rèn)知無線電所具備能力也相對(duì)較高。也有具體概括為感知能力和可配置能力，其中感知能力主要體現(xiàn)為頻譜感知、位置識(shí)別、系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)、業(yè)務(wù)發(fā)現(xiàn)。就頻譜感知而言主要是在信號(hào)能量、波形特征、循環(huán)平穩(wěn)特征等方面得以體現(xiàn)，同時(shí)也要對(duì)用戶位置信息、周圍電波傳播環(huán)境的干擾信息有一定的感知能力。可重配置能力主要表現(xiàn)在根據(jù)獲得的信息動(dòng)態(tài)選擇合適的工作頻段（即頻譜靈活性）。同時(shí)在動(dòng)態(tài)頻率選擇上能夠動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)其它無線系統(tǒng)的信息，能夠保證與這些系統(tǒng)在同一頻率上工作并互不影響。在自適應(yīng)編碼方面，要能夠根據(jù)工作狀態(tài)的不同選擇最合適的調(diào)制編碼類型以用于特定的傳輸系統(tǒng)，保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行操作。再者也能通過功率控制在數(shù)據(jù)傳輸工程中在不同等級(jí)中來回切換。

最后，還要滿足的是能夠接入多個(gè)運(yùn)行不同協(xié)議的通信體系。頻譜共享與接入方面，我們的終極目標(biāo)是為認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)用戶（包括授權(quán)網(wǎng)絡(luò)用戶網(wǎng)絡(luò)）提供公平有效的頻譜共享，這就需要在頻譜判決、頻譜共享和頻譜移動(dòng)性管理方面做足功夫。能夠通過對(duì)頻譜空洞和業(yè)務(wù)需求方面的分析，為當(dāng)前的傳輸選擇合適的工作頻段和自適應(yīng)調(diào)整傳輸參數(shù)；多個(gè)用戶或網(wǎng)絡(luò)之間公平、協(xié)調(diào)的共享頻譜機(jī)制，感知用戶間、用戶和授權(quán)用戶間及不同感知網(wǎng)絡(luò)間的頻譜共享等問題，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)頻譜的無沖突使用，并最大化的提升頻譜利用效率；能隨時(shí)切換以保證工作的連續(xù)性。

對(duì)于實(shí)施認(rèn)知無線電帶來的挑戰(zhàn)，主要體現(xiàn)在頻譜管理的四種手段：行政、經(jīng)濟(jì)、法律、技術(shù)。目前亟需從行政和技術(shù)兩方面考慮引入CR后的變化和應(yīng)對(duì)措施。行政管理挑戰(zhàn)方面，固定頻譜分配政策下的許多技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)需要被改變，以及新的頻譜使用相關(guān)屬性需要被定義。對(duì)頻譜使用政策的改變會(huì)引入許多使用無線頻譜資源的部門單位改變其頻譜操作行為，需要制定有效辦法對(duì)部門間進(jìn)行協(xié)調(diào)處理無線電管理相關(guān)事宜。技術(shù)挑戰(zhàn)方面，頻譜感知、頻譜管理、頻譜共享、頻譜切換都是一系列的挑戰(zhàn)因素。

5 結(jié) 語(yǔ)

當(dāng)前，移動(dòng)無線領(lǐng)域正處于高速蓬勃發(fā)展時(shí)期，移動(dòng)通信系統(tǒng)本身也在這個(gè)高速路上不斷變革創(chuàng)新。未來移動(dòng)通信系統(tǒng)盡管有著更快的通信速度，更寬的網(wǎng)絡(luò)頻譜，更靈活更能滿足人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的對(duì)通信的數(shù)據(jù)傳輸速率的需求，但要真正實(shí)現(xiàn)，目前看來仍面臨諸多難題。因此，現(xiàn)階段對(duì)未來移動(dòng)通信系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的可行性，靈活性及關(guān)鍵核心技術(shù)的探索有重要意義。

參考文獻(xiàn)：

[1] 馬文敏.未來移動(dòng)通信系統(tǒng)資源分配與調(diào)度策略研究[D].北京：北京郵電大學(xué)，2013.