Ｂ３Ｇ移動通信系統(tǒng)的研究框架

摘要：和3G移動通信系統(tǒng)的業(yè)務相比，B3G移動通信系統(tǒng)的業(yè)務具有顯著的特征，如：分組數(shù)據(jù)業(yè)務占優(yōu)、業(yè)務類型顯著增多、業(yè)務規(guī)模顯著增大、傳輸峰值速率顯著提高、業(yè)務傳輸速率的動態(tài)范圍顯著增大、業(yè)務在空間和時間上的分布差異顯著增大、業(yè)務請求常發(fā)生在高速移動的交通工具中等。為了適應B3G系統(tǒng)的業(yè)務需求，B3G系統(tǒng)必須在網(wǎng)絡結構、空中接口方案、無線資源分配策略，乃至電波頻段和射頻技術等方面都有全新的改變。因此，B3G移動通信系統(tǒng)的研究應當重點包括以下幾個方面的內(nèi)容：廣義蜂窩通信網(wǎng)絡理論與構造方法、充分利用空間資源的MIMO無線通信傳輸理論、無線通信資源與新型空中接口適配方法、新型迭代式編碼調(diào)制與自適應鏈路技術、新型天線與射頻技術等。

關鍵詞：B3G移動通信系統(tǒng)；業(yè)務特點；關鍵技術；研究框架

Abstract: Compared with 3G mobile services， Beyond 3G(B3G) services are characterized by the following distinctive properties: dominated by packet data services， diversified service categories， large-scale services， high peak transmission rate， wide dynamic range of transmission rate， differentiated distribution of services in time and space， services usually being requested from fast-moving vehicles. In order to meet these service demands， B3G systems should be well designed in respects of network architecture， air interface， radio resource allocation， Radio Frequency (RF) band and radio frequency related technologies. Therefore， the researches of B3G systems should focus on following respects such as generalized cellular communications network， Multiple Input Multiple Output (MIMO) wireless transmission that can make full use of space resources， adaptation of radio resources and new type air interfaces， iterative demodulation and decoding and adaptive link techniques， and new type antenna and RF techniques.

Key words: B3G mobile communications system; service feature; key technology; research frame

基金項目：國家自然科學基金項目(60496311)；國家“863”計劃項目(2005AA121052)

在第三代移動通信系統(tǒng)(3G)的研發(fā)工作接近尾聲時，學術界和工業(yè)界已經(jīng)在思考、構建和展望B3G移動通信系統(tǒng)的藍圖。由于國際電信聯(lián)盟(ITU)將3G標準稱為IMT-2000(全球移動電信-2000)，所以對B3G所使用的學名為Beyond IMT-2000，并于1999年將Beyond IMT-2000的概念與需求研究正式列入議事日程。2001年10月在東京進行的ITU-R WP8F會議上，收到了許多有關Beyond IMT-2000的研究提案，初步明確了基本研究框架，并指出Beyond IMT-2000是指廣泛用于各種電信環(huán)境的無線系統(tǒng)的總和，包括蜂窩、固定無線接入、游牧(Nordic)接入系統(tǒng)等，其能力將涵蓋并遠遠超出IMT-2000系統(tǒng)，也即不僅涵蓋目前的IMT-2000、無線接入、數(shù)字廣播等系統(tǒng)的能力，還將新增兩個部分：支持約100 Mb/s的蜂窩系統(tǒng)和支持高達1 Gb/s以上速率的游牧和本地無線接入系統(tǒng)。

圖1所示為ITU制訂的B3G系統(tǒng)的開發(fā)時間表，在ITU給出的有關B3G的研發(fā)進程時間表中，總體目標及遠景計劃已于2002年6月完成，2003年到2006年之間完成B3G系統(tǒng)的需求定義，2006年到2010年左右完成全球標準化工作，2010年之后開始商用，而其頻譜分配將在2006以后漸進完成。

在ITU對B3G的研發(fā)進程進行定義之后，世界各國移動通信研究機構競相展開了B3G系統(tǒng)的研究工作。例如，歐盟在第五框架研究計劃的基礎上，成立了世界無線通信研究論壇(WWRF)，著手進行B3G移動通信系統(tǒng)的概念、需求與基本框架研究，并把B3G的研究列入2002年啟動的歐盟第六框架研究計劃；日本總務大臣的咨詢機構——信息通信審議會專門委員會于2001年6月15日完成了B3G移動通信系統(tǒng)框架建議；韓國有關運營商和通信研究所也向政府提出了B3G移動通信系統(tǒng)的研究計劃；中國2002年正式啟動了一個名為未來通用無線環(huán)境技術(FuTURE)的國家“863”研究計劃。

1 B3G業(yè)務的七大特征

從目前移動通信系統(tǒng)的發(fā)展趨勢和研究動態(tài)可以看出，B3G移動通信系統(tǒng)的業(yè)務所具備的特征及對現(xiàn)有系統(tǒng)提出的挑戰(zhàn)主要表現(xiàn)在如下7個方面^[1-7]：

(1)分組數(shù)據(jù)業(yè)務將占據(jù)主要成分，話音業(yè)務的比例將逐漸降低。數(shù)據(jù)業(yè)務將由從屬地位上升為主導地位，其比例將從目前通信業(yè)務總流量的10%～20%上升至80%以上。傳統(tǒng)蜂窩移動通信系統(tǒng)是以滿足話音業(yè)務需求而設計的，如果B3G系統(tǒng)生搬硬套其網(wǎng)絡結構和空中接口方案，將無法適應這一需求，因此需要運用全新的理念，設計基于數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o線傳輸方案及網(wǎng)絡結構，最大程度地滿足B3G系統(tǒng)數(shù)據(jù)業(yè)務占優(yōu)的特點。

(2)多種有線網(wǎng)絡的業(yè)務將逐漸融合到移動通信系統(tǒng)中來，移動通信系統(tǒng)所支持的業(yè)務種類將顯著增多。由于不同的業(yè)務具有不同的特點，所以對系統(tǒng)的要求也有非常顯著的差異。例如，支持移動電視的廣播和多播業(yè)務就是未來移動通信系統(tǒng)所要支持的一種常見業(yè)務，其特點是多個用戶同時接收同樣的視頻信息，因此原來的點到點傳播模式將不再適用于這種業(yè)務的傳播，需要設計專門的廣播信道來實現(xiàn)點到多點的傳輸。這需要系統(tǒng)具有支持多種業(yè)務的能力。因此系統(tǒng)的復雜度將顯著提高，無線資源的分配方式需要高度靈活。

(3)業(yè)務規(guī)模(包括流量和數(shù)量)將顯著增大。信息時代的特點就是信息交換的量越來越大，這就要求移動通信系統(tǒng)能夠承載更大的信息流量，具有更高的信息吞吐量和用戶容量。從目前人與人、人與機器以及機器與機器之間信息交換量的發(fā)展趨勢來預測，一般認為B3G系統(tǒng)的容量將比3G提高10倍以上。這就需要系統(tǒng)在信息傳遞能力方面有本質性的提高。

(4)業(yè)務的峰值傳輸速率將提高一至兩個量級，達到100 Mb/s以上。傳統(tǒng)蜂窩移動通信系統(tǒng)所用的3 GHz以下頻段無法滿足這一要求，需要開發(fā)頻率更高的無線資源。由此所帶來的問題是，電波的傳輸特性將更為惡劣，受天氣以及物理環(huán)境的影響更大。如果采用傳統(tǒng)意義上的蜂窩移動通信技術，則發(fā)射功率需相應地增加十倍甚至上百倍，電磁兼容問題將變得無法容忍，因此需要采用全新的小區(qū)結構解決此問題。

(5)業(yè)務傳輸速率的動態(tài)范圍將擴大，可能會在10 kb/s至100 Mb/s之間動態(tài)地變化。為滿足這一需求，B3G系統(tǒng)的無線資源調(diào)配方式必須極為靈活，能夠高效地適應數(shù)據(jù)速率的大動態(tài)變化范圍。

(6)業(yè)務的地點和時間分布將呈現(xiàn)較大的差異。地點分布的差異：例如，某些熱點場所的業(yè)務量是鄉(xiāng)村等非熱點場所的很多倍；突發(fā)事件場所是用戶突然增多的地方，需要系統(tǒng)具有相應的應急增容措施。時間分布差異：在某些時間段，某地點的業(yè)務可能出現(xiàn)某種周期性變化的特征，需要系統(tǒng)具有周期性的容量適應性。業(yè)務的上述特征需要系統(tǒng)在通信容量方面具有較好的環(huán)境自適應性和時間周期自適應性。

(7)業(yè)務傳輸請求常發(fā)生在高速移動的交通工具中。高速移動用戶一般都處于某種高速移動的交通工具中，例如高速移動的汽車、火車和飛機上。為了能夠容納更多的高速移動用戶，需要在相應的交通工具上設置“移動中轉基站”。這樣，只要處理高速移動的“移動中轉基站”和地面基站之間的信息交換和小區(qū)切換問題就能實現(xiàn)通信，而且可以減少移動臺的功率損耗。這就要求未來移動通信系統(tǒng)的基站能夠接入更多種類的移動終端。事實上，這樣的移動中轉基站還能夠作為突發(fā)事件場所的應急移動基站。

2 解決B3G業(yè)務需求所帶來挑戰(zhàn)的基本思路

綜合B3G業(yè)務的上述7大特征，B3G系統(tǒng)要很好地滿足業(yè)務需求，主要需要解決如下3對矛盾：

(1)業(yè)務規(guī)模(數(shù)量、吞吐量和峰值速率等)的日益增長性與頻譜資源有限性之間的矛盾。

(2)業(yè)務空間和時間分布的差異性與無線網(wǎng)絡結構上的單一性之間的矛盾。

(3)業(yè)務速率和種類的多樣性與傳輸信道類型的局限性之間的矛盾。

為了解決上述矛盾，B3G移動通信系統(tǒng)必將從網(wǎng)絡結構、空中接口、載波頻段等諸多方面有全新的改進措施，使得B3G移動通信系統(tǒng)可以全方位地適應未來B3G業(yè)務的需求。具體來說，B3G系統(tǒng)應當在以下幾個方面有本質性的改進和提升：

(1)在網(wǎng)絡結構方面，原來基于支持語音業(yè)務的蜂窩小區(qū)結構將很難支持大用戶容量和大吞吐量等方面的需求，所以要探索新型的移動通信網(wǎng)絡結構。例如，采用分布式多天線廣義小區(qū)的結構就可以有效增加小區(qū)容量和系統(tǒng)吞吐量。

(2)在電波頻段方面，3 GHz以下的頻段難以支撐大容量和高速傳輸?shù)男枨螅孕枰_發(fā)3 GHz以上的更高頻段資源。而3 GHz以上頻段的電波傳輸具有很強的衰減特性，所以需要對其衰減及傳播特征進行仔細地研究，以確定3 GHz以上頻段電波的傳輸特征及其相應的信道模型。

(3)在空中接口方案方面，由于高速傳輸?shù)囊螅孕枰哂懈咚賯鬏數(shù)奈锢韺臃桨浮６噍斎攵噍敵?MIMO)多天線傳輸技術開拓了一條有效利用空間資源提高傳輸速率和頻帶利用率的方法，多載波或OFDM技術可提供更靈活的無線資源分配平臺，高效信道編碼(如LDPC、Turbo碼)可以提高傳輸質量，鏈路自適應技術可提高頻譜效率。

(4)在天線及射頻方面，為了在小尺寸的移動終端上設計多個天線以形成獨立的MIMO信道，需要采用新型多天線分集技術和射頻技術，改善信道的傳輸特性。

(5)在無線資源分配方面，由于業(yè)務速率的動態(tài)范圍加大，所以需要更加靈活的無線資源分配方案，為不同速率的業(yè)務分配合理的無線資源。此外，為了達到大用戶容量的需求，需要研究將現(xiàn)有的時分多址(TDMA)、頻分多址(FDMA)、碼分多址(CDMA)、空分多址(SDMA)等多址方式綜合起來的高維多址方式，以便為更多用戶靈活地分配無線資源。

由此可見，未來B3G移動通信的研究是極具挑戰(zhàn)性的，涉及大量的基本理論與技術研究。

3 B3G系統(tǒng)的研究框架

根據(jù)解決挑戰(zhàn)的基本思路和目前的研究趨勢，B3G系統(tǒng)的研究框架主要包含以下幾個方面的研究內(nèi)容：

3.1 廣義蜂窩通信網(wǎng)絡理論與構造方法

貝爾實驗室提出的蜂窩組網(wǎng)方式可以有效地解決移動通信系統(tǒng)出現(xiàn)的頻譜匱乏、容量不足、服務質量差及頻譜利用率低等問題。但是隨著移動通信系統(tǒng)信息交換量的迅猛增長，這些問題又重新顯現(xiàn)出來，并且日益尖銳。一方面，如果將小區(qū)過度分裂，用很小的蜂窩進行覆蓋，會造成切換頻繁，給系統(tǒng)帶來沉重的負擔；另一方面，如果小區(qū)半徑太大，則每小區(qū)的吞吐量又不能滿足信息吞吐量的需求。因此需要探索一種新的廣義蜂窩通信網(wǎng)絡結構，來解決這個矛盾。

目前，研究得比較多的是可以支持MIMO的分布式天線覆蓋網(wǎng)絡^{[8， 9]}。在這種廣義蜂窩組網(wǎng)方式中，多副天線被分布在小區(qū)的不同地點，以支持MIMO傳輸，這種組網(wǎng)方式可有效提高單位地表面積上的信息吞吐量。

圖2所示為分布式天線覆蓋網(wǎng)絡，多副天線被分散放置在某個區(qū)域內(nèi)，這些天線通過光纖和一個處理單元(CU)連接，這些處理單元又通過光纖和基站控制器連接。移動終端(MT)在網(wǎng)絡覆蓋區(qū)域內(nèi)可以和多副天線之間建立一個MIMO信道，從而可以利用MIMO信道的高頻譜利用率特性，提高網(wǎng)絡的吞吐量。

可以說，分布式天線覆蓋網(wǎng)絡是傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡的一個自然推廣，其顯著特點就是一個地點可以由多副天線來加以覆蓋，從而形成高頻譜利用率的MIMO信道。關于分布式天線覆蓋網(wǎng)絡，亟需解決以下問題：

(1)如何用合理的網(wǎng)絡結構來管理這些分布在地面的天線，并形成高吞吐量、低信令交互的高效網(wǎng)絡？

(2)如何根據(jù)移動終端的業(yè)務需求和當前信道環(huán)境，自適應地配置與之建立通信關系的天線，并形成相應的MIMO信道？

(3)如何解決移動終端的天線激活組切換問題？這是一個比較復雜的問題。當天線激活組中的天線從屬于同一個處理單元或基站控制器時，切換問題相對簡單，如果屬于不同的基站控制器，則切換問題較為復雜。

此外，在理論上需要進一步研究天線地表分布密度、頻段和單位面積上的信息吞吐量之間的關系。

還可以將移動終端以自組織組網(wǎng)的方式引入B3G系統(tǒng)以提高網(wǎng)絡效率、完善網(wǎng)絡功能，如同一小區(qū)的移動終端之間可以不通過基站直接進行通信，一個移動終端可以將其他移動終端作為“跳板”間接和基站建立通信，這樣可以降低平均發(fā)射功率，提高小區(qū)吞吐量^[10]。

3.2 充分利用空間資源的MIMO無線通信傳輸理論

對頻譜資源的充分利用一直是推動無線通信技術發(fā)展的直接驅動力。隨著個人移動通信需求的不斷增長，移動通信系統(tǒng)在覆蓋、系統(tǒng)容量、不同速率業(yè)務的質量保證等方面均出現(xiàn)了日益顯著的矛盾，而這些矛盾均可歸結為頻譜利用率受限的問題。而利用空間資源的無線通信傳輸技術為解決頻譜利用率問題開辟了一個新途徑。高通公司的創(chuàng)始人之一，Andrew Viterbi博士于20世紀90年代中期曾經(jīng)說過：“在多用戶接入系統(tǒng)的發(fā)展中，空域處理是最有前途的，而且也是最后一個未開發(fā)的領域”。

信息論的研究結果已表明^[11]，在無線通信鏈路的發(fā)射端和接收端同時布置多個天線陣元所得到的多入多出(MIMO)無線通信結構(如圖3所示)，可以充分利用信號的空間資源，大幅度提高頻譜利用率(如圖4所示)。

學術界已經(jīng)對MIMO系統(tǒng)的信號檢測理論和空時調(diào)制、編碼理論進行了深入的研究[12]，業(yè)已提出了各種低復雜度的信號檢測算法和各種高頻譜利用率的空時編碼方案。上述研究基本上是針對獨立MIMO信道進行的，也即MIMO信道的各個子單輸入單輸出(SISO)信道之間是相互獨立的。然而，在實際應用中，這種情況成立的概率并不大，也即隨著移動臺的移動，在大多數(shù)時候，MIMO信道的各個子SISO信道之間存在或強或弱的相關性。所以，關于MIMO傳輸理論目前亟待研究的問題有：

●相關MIMO信道模型的建立；

●MIMO信道估計問題：不僅需要估計信道參數(shù)，還要估計MIMO各子SISO信道之間的相關性；

●相關MIMO信道的信號檢測和空時編碼。

3.3 無線通信資源與新型空中接口適配方法

無線通信資源與新型空中接口的適配方法主要研究廣義蜂窩結構下的無線資源預測與規(guī)劃理論，針對未來移動通信業(yè)務模型，提出新的無線資源調(diào)配機制與空中接口方案，以適應大動態(tài)數(shù)據(jù)傳輸范圍的需求。

B3G移動通信業(yè)務以間歇性的、大動態(tài)范圍的數(shù)據(jù)業(yè)務為主，需要從新的角度擺脫第二代、第三代移動通信的設計理念，探討全新的無線資源調(diào)配機制與空中接口方式，以最大限度地利用有限的頻率資源、時間資源與空間資源。需要研究的問題如下：

(1)B3G的業(yè)務模型及其分布特性。針對新的業(yè)務需求，建立相應的業(yè)務模型，并研究這些新型業(yè)務的服務質量(QoS)度量方法。研究各種業(yè)務所占比例及相應的業(yè)務特征，為確定空中接口方案及其參數(shù)提供依據(jù)。

(2)業(yè)務空中接口適配問題的研究。如何為不同規(guī)模和特點的業(yè)務設計合適的空中接口資源是系統(tǒng)設計的重要環(huán)節(jié)之一。就像為一定規(guī)格的貨物設計運載貨倉一樣，過大或過小的“貨倉”都會導致無線資源的浪費。

(3)服務請求接入控制方案研究。需要建立排隊論模型，建立最優(yōu)的接入控制方案。

3.4 新型迭代式編碼調(diào)制與自適應鏈路技術

在點到點通信系統(tǒng)范疇內(nèi)，研究工作一直圍繞著如何用最小的運算復雜度來實現(xiàn)逼近信道Shannon極限的傳輸。要達到這一目的，需要在以下3個方面進行研究：

(1)逼近信道Shannon極限的信道編碼技術研究。近年來，信道編碼領域的另一重要發(fā)現(xiàn)是低密度奇偶校驗碼(LDPC)的再發(fā)現(xiàn)，受Turbo碼的啟發(fā)，人們在60年代發(fā)明的LDPC碼的基礎上，構造出新型LDPC碼，其性能已接近Shannon極限，特別適用于高速數(shù)據(jù)傳輸，而其“好”碼的構造方法以及在移動通信中的應用仍需進一步的研究。

(2)迭代接收技術的研究。無論發(fā)送端采用什么編碼或調(diào)制策略，在理論上，接收端的最小誤碼率檢測是一定存在的，但是需要很高的運算復雜度，以致在現(xiàn)有的硬件水平范圍內(nèi)無法實現(xiàn)。所以，通信領域的很大一部分工作都是圍繞著如何用較低的運算復雜度來實現(xiàn)較低誤碼率性能的接收機而展開的。迭代式的Turbo接收技術在近年來得到了較大的發(fā)展，性能可較傳統(tǒng)的RAKE接收、Viterbi均衡等技術有較大程度的提高，且可進一步與譯碼器進行迭代式求解。

(3)鏈路自適應技術研究。由于無線信道的時變性，所以根據(jù)信道參數(shù)的變化自適應地調(diào)節(jié)鏈路參數(shù)是提高頻譜利用率的有效途徑之一。

3.5 新型天線與射頻技術

B3G系統(tǒng)的MIMO傳輸與移動終端個人化等特征對天線及相應的射頻前端提出了前所未有的要求。

首先，在移動終端上，個人化的特點要求降低移動終端和天線的尺寸，而MIMO傳輸?shù)奶攸c要求在有限的尺寸下構造多個獨立的SISO信道。此時，天線不僅需要在很小的手持機上實現(xiàn)多點激勵、雙極化、多天線等工作模式，而且需要滿足帶寬、增益指標、極化隔離度等各項電性能指標。多天線之間還要設法減小天線間的耦合和交叉極化耦合以獲得獨立的信道和極化特性的選擇功能等。隨著載波頻率的提高，天線附近的物體所產(chǎn)生的鄰近效應將會更加影響天線的性能。所以，B3G移動終端的天線設計已不再是一個局限于輪廓分明的平坦基面上實現(xiàn)小型化、薄剖面或平嵌安裝的全向天線，而是需要建立一個復雜的分布式共形結構，結合整個移動終端系統(tǒng)進行一體化設計。

其次，在接入點中，固定天線的設計也不再局限于全向天線、板狀扇區(qū)天線(單極化空間分集、雙極化的極化分集)等形式，而需要結合基帶信號處理，從整個系統(tǒng)的角度來考慮多個天線的空間分布和配置，以實現(xiàn)空間分集、空分復用、多波束和自適應波束形成、極化特性的補償?shù)裙δ堋崿F(xiàn)滿足上述要求的天線系統(tǒng)在技術上是一個挑戰(zhàn)性的工作。

解決上述難題需要尋找適當?shù)奶炀€結構與工藝并加以優(yōu)化。需要對天線結構精確地電磁建模，模型應包括各類效應(如寄生效應，寄生模式的泄漏、串擾、輻射效應，不連續(xù)性效應，臨近手、頭部的外部干擾，附近基帶電路高速信號噪聲形成的內(nèi)部耦合干擾)的影響。需要求解電磁模型的快速算法，對天線進行接近實際環(huán)境條件的實際測試。

4 結束語

本文從B3G業(yè)務特征及其挑戰(zhàn)的角度出發(fā)，對B3G系統(tǒng)的研究框架進行了歸納和總結。提出了采用廣義蜂窩通信網(wǎng)絡構造方法、充分利用空間資源的MIMO無線通信傳輸技術、新型迭代式編碼調(diào)制與自適應鏈路技術、無線通信資源與新型空中接口適配方法、新型天線與射頻技術來解決因發(fā)展B3G帶來的挑戰(zhàn)。

事實上，移動通信系統(tǒng)的發(fā)展不僅要考慮滿足業(yè)務需求，還需要考慮其他方方面面的要素，如高頻譜利用率、低功耗、低硬件復雜度、低電磁污染、智能化等。所以，在此研究框架之外，尚有其他需要研究和解決的問題，但限于篇幅，這里就不再討論。

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收稿日期：2006-02-12

作 者 簡 介

陳明，東南大學移動通信國家重點實驗室教授、博士生導師；長期從事移動通信領域的科研和教學工作；已發(fā)表科研論文40余篇，國際學術會議論文30余篇，編著并出版研究生教材1本，獲國家發(fā)明專利1項。

尤肖虎，東南大學移動通信國家重點實驗室教授、博士生導師；東南大學無線電工程系主任、長江學者計劃特聘教授、國家級有突出貢獻的中青年專家、國家杰出青年基金獲得者、國家教委跨世紀青年專家首批入選者；國家“863”計劃未來移動通信總體組組長，負責未來移動通信項目的組織與實施工作。