無(wú)線通信技術(shù)未來(lái)展望

一、概述
　　用戶和路由設(shè)備可以在網(wǎng)絡(luò)中隨機(jī)移動(dòng)的即興（Ad hoc）網(wǎng)，已經(jīng)成為了一個(gè)重要的研究領(lǐng)域，這種新興的技術(shù)必將擴(kuò)展便攜式的接入，并且使突發(fā)情況下的通信成為可能。傳統(tǒng)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)固定接入到寬帶主干網(wǎng)上，而且對(duì)數(shù)據(jù)速率的要求越來(lái)越高，例如IEEE 802.11a/g要求54Mbps的數(shù)據(jù)速率。許多新技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，并將對(duì)無(wú)線通信領(lǐng)域產(chǎn)生重大影響。超寬帶（UWB）技術(shù)采用極短的脈沖信號(hào)來(lái)傳送信息，而脈沖所占用的帶寬高達(dá)幾GHz。與傳統(tǒng)的無(wú)線通信系統(tǒng)將基帶信號(hào)上變頻為射頻信號(hào)不同，UWB可以認(rèn)為是基帶傳輸，不過(guò)剛好是在射頻頻率上而已。它可以在室內(nèi)提供高達(dá)100Mbps的數(shù)據(jù)速率，而功率譜密度卻非常低。另一種高效的技術(shù)是正交頻分復(fù)用（OFDM）。它提供了以往的調(diào)制方式所沒(méi)有的多址接入和信號(hào)處理方式，使得無(wú)線網(wǎng)絡(luò)可以在較窄的頻帶上獲得較高的頻譜效率。上個(gè)世紀(jì)90年代的研究表明，在發(fā)射端和接收端采用多天線可以獲得很高的功率效率和頻譜效率。進(jìn)一步的研究表明，這一系統(tǒng)在獨(dú)立的瑞利散射信道中獲得的理論數(shù)據(jù)速率與天線數(shù)成正比，并且接近最大香農(nóng)容量的90%。朗訊的V-BLAST實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)模型可以在平均信躁比24-34dB的室內(nèi)環(huán)境中達(dá)到20-40bps/Hz的頻譜效率，而收發(fā)端采用16個(gè)天線時(shí)可以在30dB的信躁比下獲得60-70bps/Hz的頻偏效率。
　　
　　下面我們將詳細(xì)的介紹以上這些技術(shù)以及它們?cè)谖磥?lái)無(wú)線通信領(lǐng)域中的應(yīng)用。

　　二、無(wú)線通信在室內(nèi)接入中應(yīng)用
　　傳統(tǒng)意義上說(shuō)，人們只有在相對(duì)靜止的情況下才使用寬帶資源，而這些活動(dòng)往往發(fā)生在室內(nèi)。而眾所周知，無(wú)線通信技術(shù)的誕生最初是為了提供移動(dòng)的語(yǔ)音業(yè)務(wù)，為旅途中的人們提供通信服務(wù)。
　　
　　Internet的飛速發(fā)展得宜于Internet服務(wù)提供商（ISP）所提供的固定的室內(nèi)連接，這些服務(wù)提供商往往與當(dāng)?shù)氐挠芯€運(yùn)營(yíng)商是同出一門。而與此形成鮮明對(duì)比的是，在無(wú)線通信領(lǐng)域，運(yùn)營(yíng)商為了購(gòu)買帶寬資源的使用權(quán)、建設(shè)戶外的移動(dòng)覆蓋投入了大量資本。因此他們一直難以涉足于室內(nèi)領(lǐng)域。而且，所有現(xiàn)行的第二代數(shù)字無(wú)線通信系統(tǒng)都主要著眼于提供以話音為主的業(yè)務(wù)。這就在過(guò)去的若干年中將室內(nèi)的數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)拱手讓給了有線通信系統(tǒng)。
　　
　　在未來(lái)十年，提供寬帶數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的室內(nèi)無(wú)線接入將成為無(wú)線通信領(lǐng)域最重要的議題。蜂窩和個(gè)人通信的發(fā)展要求第三代無(wú)線設(shè)備以能為室內(nèi)用戶提供類似于Internet的網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)為核心。絕大多數(shù)運(yùn)營(yíng)商都沒(méi)有現(xiàn)存的系統(tǒng)來(lái)提供這樣的室內(nèi)覆蓋。這就為可以提供低成本的設(shè)備的基于無(wú)線局域網(wǎng)（WLAN）的新競(jìng)爭(zhēng)者提供了一個(gè)切入點(diǎn)。
　　
　　利用建筑物或校園內(nèi)現(xiàn)有的有線以太網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，就可以快速并廉價(jià)的使用WLAN，并可以達(dá)到比昂貴的3G蜂窩設(shè)備更高的數(shù)據(jù)率。隨著VoIP技術(shù)的發(fā)展，相信WLAN能進(jìn)一步提供融合了電話和互聯(lián)網(wǎng)接入的移動(dòng)/便攜無(wú)線業(yè)務(wù)，而不采用蜂窩結(jié)構(gòu)。
　　
　　現(xiàn)在有許多公司在努力將2.5G和3G的蜂窩技術(shù)于WLAN技術(shù)融合，生產(chǎn)出能完成各種室內(nèi)鏈接和業(yè)務(wù)的手機(jī)等無(wú)線設(shè)備。
　　
　　提到室內(nèi)無(wú)線接入時(shí)，WLAN和現(xiàn)存并廣泛采用的基于IP的有線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)將成為以無(wú)線電波為核心的蜂窩/個(gè)人移動(dòng)通信系統(tǒng)的有力競(jìng)爭(zhēng)者，而后者正試圖將其勢(shì)力范圍從戶外擴(kuò)展到室內(nèi)。與此同時(shí)WLAN也將涉足戶外，如觀光地和機(jī)場(chǎng)。
　　
　　三、無(wú)線通信數(shù)據(jù)速率
　　接下來(lái)的十年中，高速無(wú)線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)將更為成熟。而使這成為現(xiàn)實(shí)的關(guān)鍵在于頻帶利用率的提高。在物理層，有三種技術(shù)將在這方面起到關(guān)鍵作用：正交頻分復(fù)用（OFDM）、空-時(shí)結(jié)構(gòu)、以及超寬帶通信技術(shù)。
　　
　　1. 正交頻分復(fù)用（OFDM）和多載波通信
　　
　　正交頻分復(fù)用（OFDM）是多載波傳輸?shù)奶乩?，一個(gè)高速的數(shù)據(jù)流用多個(gè)低速的子載波進(jìn)行傳輸。由于超大規(guī)模集成電路（VLSI）的進(jìn)步，使得高速大規(guī)模的快速傅立葉變換（FFT）芯片成為可能，OFDM技術(shù)也成為了商用高速寬帶無(wú)線通信技術(shù)的主要候選。另外，OFDM技術(shù)還擁有許多獨(dú)特的性質(zhì)使得它頗具吸引力：由于低速并行子載波上符號(hào)速率的增加，OFDM技術(shù)可以對(duì)抗多徑衰落和碼間干擾。（對(duì)于給定的延時(shí)擴(kuò)展，OFDM接收機(jī)的復(fù)雜度大大小于單載波情況下使用均衡技術(shù)。）；OFDM技術(shù)通過(guò)運(yùn)用自適應(yīng)調(diào)制和子載波上的功率分配技術(shù)有效的利用了射頻頻帶資源，而這些都可以用可編程數(shù)字信號(hào)處理器實(shí)現(xiàn)；由于窄帶干擾只能作用于子載波的一小部分，OFDM技術(shù)因而具有了抗窄帶干擾能力；與其他寬帶接入技術(shù)不同，OFDM技術(shù)無(wú)需連續(xù)的帶寬資源；OFDM是單頻網(wǎng)絡(luò)成為可能，而這非常適用于廣播應(yīng)用。
　　
　　事實(shí)上，在過(guò)去的幾年，OFDM技術(shù)已廣泛用于寬帶數(shù)據(jù)通信中，如高達(dá)1.6Mb/s的高比特率數(shù)字用戶環(huán)路（HDSL）、高達(dá)6Mb/s的非對(duì)稱數(shù)字用戶環(huán)路（ADSL）、高達(dá)100Mb/s的超高數(shù)率數(shù)字用戶環(huán)路（VDSL）、數(shù)字音頻廣播、數(shù)字視頻廣播。OFDM還被引入新的無(wú)線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，包括IEEE 802.11a和IEEE 802.11g，在5GHz范圍提供高達(dá)54Mb/s的速率。在高性能局域網(wǎng)如HIPERLAN/2和ETSI-BRAN中也有采用。OFDM技術(shù)還被用于了IEEE 802.16的城域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)和綜合業(yè)務(wù)數(shù)字廣播（ISDB-T）設(shè)備中。
　　
　　當(dāng)今的潮流表明，OFDM技術(shù)將成為第四代寬帶多媒體無(wú)線通信系統(tǒng)的調(diào)制技術(shù)。然而在該技術(shù)得以廣泛應(yīng)用之前還有若干問(wèn)題需要解決。與單載波調(diào)制相比，OFDM技術(shù)有以下缺點(diǎn)：
　　
　　OFDM固有的較高峰均功率比（PAPR），這會(huì)降低射頻放大器的功率利用率。因?yàn)槎噍d波系統(tǒng)的輸出是多個(gè)子信道信號(hào)的疊加，因此如果多個(gè)信號(hào)的相位一致，那么所得到的疊加信號(hào)的瞬時(shí)功率就會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于信號(hào)的平均功率。這就對(duì)發(fā)射機(jī)內(nèi)放大器的線性提出了很高的要求，否則會(huì)帶來(lái)信號(hào)畸變，使信號(hào)頻譜發(fā)生變化，從而導(dǎo)致各個(gè)子信道間的正交性遭到破壞，產(chǎn)生干擾，使系統(tǒng)的性能惡化。
　　
　　多載波系統(tǒng)對(duì)于頻率偏移和相位噪聲非常敏感。由于無(wú)線信道的時(shí)變性，在傳輸過(guò)程中出現(xiàn)無(wú)線信號(hào)的頻率偏移或發(fā)射機(jī)與接收機(jī)本地振蕩器之間存在的頻率偏差都會(huì)使OFDM系統(tǒng)子載波之間的正交性遭到破壞，產(chǎn)生子載波間的干擾（ICI），這將大大降低系統(tǒng)性能，除非采用適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償技術(shù)。
　　
　　以上的問(wèn)題影響了OFDM技術(shù)的廣泛應(yīng)用。如ETSI的HIPERLAN/1標(biāo)準(zhǔn)在1996年曾考慮了OFDM技術(shù)，卻最終放棄。從那以后，許多研究多載波通信的大學(xué)和實(shí)驗(yàn)室開(kāi)始考慮如何解決以上兩個(gè)問(wèn)題。由于其固有的采用自適應(yīng)調(diào)制和子載波間的功率分配的方便性，OFDM技術(shù)仍是未來(lái)寬帶無(wú)線領(lǐng)域的一種優(yōu)秀的調(diào)制技術(shù)。將軟件無(wú)線電技術(shù)和智能天線技術(shù)與之結(jié)合，OFDM技術(shù)將獲得更大的性能提高。越來(lái)越多的新的多載波通信思想結(jié)合了OFDM技術(shù)和單載波系統(tǒng)如擴(kuò)頻技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)。
　　
　　2. 超寬帶（UWB）技術(shù)
　　
　　超寬帶（UWB）調(diào)制技術(shù)采用上升和下降時(shí)間都非?？斓幕鶐}沖成形，這樣脈沖占用的帶寬高達(dá)幾GHz，因此最大數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)幾百M(fèi)bps。這樣避免了傳統(tǒng)的窄帶調(diào)制技術(shù)所需的上變頻過(guò)程。另外由于發(fā)射機(jī)的脈沖成形不經(jīng)過(guò)上變頻直接用于天線，UWB技術(shù)可以利用低成本的寬帶發(fā)射設(shè)備。
　　
　　UWB技術(shù)除了帶寬大，通信速率高之外，還有許多其他有點(diǎn)。首先，UWB通信的保密性好，其系統(tǒng)發(fā)射功率譜密度非常低，有用信息完全淹沒(méi)在噪聲中，被檢測(cè)到的概率很低。其次，UWB能抗多徑衰落，因?yàn)閁WB系統(tǒng)每次的脈沖發(fā)射時(shí)間很短，在反射波到達(dá)之前，直射波的發(fā)射和接收已經(jīng)完成，所以UWB系統(tǒng)適合在高速移動(dòng)環(huán)境下使用。而且，UWB通信被稱為無(wú)載波的基帶通信，它幾乎是全數(shù)字通信系統(tǒng)，所需要的射頻和微波器件很少，因此減小了系統(tǒng)復(fù)雜性。可以說(shuō)，UWB通信是一種低成本、低功耗、高速率、簡(jiǎn)單有效的優(yōu)秀無(wú)線通信方式。
　　
　　2002年2月14日美國(guó)通信協(xié)會(huì)（FCC）批準(zhǔn)了UWB用于短距離無(wú)線通信的申請(qǐng)。UWB的帶寬被限制在3.1-10.6GHz范圍內(nèi)，該頻帶上的發(fā)射功率要求低于41dBm，這是為了保護(hù)GPS應(yīng)用、以及航空和軍事應(yīng)用。
　　
　　超短脈沖使應(yīng)用UWB的雷達(dá)具有高的分辨率，而寬帶寬使其擁有高的信號(hào)速率適用于下一代無(wú)線局域網(wǎng)。
　　
　　3. 空-時(shí)處理
　　
　　隨著業(yè)務(wù)的擴(kuò)展，由于頻譜資源受限，無(wú)線業(yè)務(wù)提供商必須改進(jìn)技術(shù)來(lái)擴(kuò)大蜂窩系統(tǒng)的容量。通過(guò)小區(qū)分裂的辦法可以增加容量，但是卻以增加基站為代價(jià)。然而空-時(shí)技術(shù)和多輸入多輸出（MIMO）天線結(jié)構(gòu)運(yùn)用天線和差錯(cuò)控制編碼充分利用了小尺度時(shí)間和空間分集，大大增加了頻譜效率，用比小區(qū)分裂更低的成本增強(qiáng)了覆蓋。而且空-時(shí)技術(shù)既可以應(yīng)用于蜂窩系統(tǒng)又可以用于即興（Ad hoc）網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。
　　
　　多徑是影響無(wú)線鏈路可靠性的主要因素。分集技術(shù)是減小深衰落影響的有效技術(shù)。過(guò)去絕大多數(shù)的分集都是基于接收端的，主要是從移動(dòng)臺(tái)到基站的上行鏈路。最近，更多的研究著眼于基站和移動(dòng)臺(tái)雙方的空間分集。原因之一是工作在更高頻率的新系統(tǒng)的發(fā)展。例如，載波頻率高達(dá)2.4GHz或5GHz的無(wú)線設(shè)備需要的天線陣列的間隔并沒(méi)有大大增加移動(dòng)終端的體積。雙發(fā)射分集已經(jīng)被3GPP和3GPP2用來(lái)改善下行信道的數(shù)據(jù)速率，因?yàn)槲磥?lái)的無(wú)線多媒體業(yè)務(wù)對(duì)下行速率的要求大大高于上行速率。
　　
　　通過(guò)合理的選擇編碼，可以實(shí)現(xiàn)時(shí)域上的分集；而發(fā)射端和接收端采用多天線，則提供了空間分集。這大大增加了頻譜效率，并且用較低的復(fù)雜性（所有發(fā)射端的編碼和接收端的處理都可以用線性處理實(shí)現(xiàn)）獲得了分集增益和編碼增益。研究結(jié)果表明多發(fā)射多接受天線結(jié)構(gòu)采用最大可能檢測(cè)器的信號(hào)與單發(fā)射雙接收結(jié)構(gòu)采用最大比合并結(jié)構(gòu)獲得的結(jié)果相同。這樣分集的負(fù)擔(dān)就在不影響性能的情況下轉(zhuǎn)移到了發(fā)射端。
　　
　　在閉環(huán)發(fā)射分集技術(shù)中，接收機(jī)會(huì)通過(guò)反饋消息將當(dāng)前信號(hào)的特性提供給發(fā)射機(jī)，這樣就能通過(guò)信號(hào)選擇或預(yù)失真來(lái)補(bǔ)償當(dāng)前信道特性所帶來(lái)的影響。顯然閉環(huán)發(fā)射分集技術(shù)優(yōu)于簡(jiǎn)單的“盲發(fā)射”STBC。除了STBC，“盲發(fā)射”分集也可以通過(guò)延遲分集結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，即不同的發(fā)射天 更多請(qǐng)看Cisco與華為技術(shù)網(wǎng)（Vlan9.com）.