下一代无线通信系统的进展

　1 引言

　　无线通信技术是当前发展最快的技术之一。各种全新的无线通信概念层出不穷，各种新体制及其关键技术日新月异。一些重大体制改变和技术进步将成为21世纪无线通信领域革命的标志。

　　90年代，数字技术的成功应用大大推动了无线通信的发展，相继出现了以GSM为典范的第2代蜂窝移动通信系统和以数字视频广播/数字音讯广播(DVB/DAB)为标志的数字广播系统。随着光纤通信和Internet技术的发展，有线网的传输速率和业务都得到了极大的突破，使得无线接入网成为高速信息传输的“瓶颈”。ITU提出的以IMT-2000为标志的第3代移动通信系统，在近几年里得到了各国广泛深入的研究[1]，预计将很快可以投入商用，从而形成蜂窝移动通信系统、数字广播系统、无线局域网、卫星通信系统等多种体制并存的无线通信网络。然而这种无线通信网络仍然不能满足未来通信的需求，首先是通信体制的多样化，如IMT-2000系统就有好几种标准，无法实现全球漫游和系统融合；其次是无线传输速率较低，如IMT-2000系统在车载情况下的最大数据率为144 kbit/s，仅仅相当于窄带综合业务数字网(ISDN)的数据速率，无法实现高质量的多媒体业务；另外Internet技术的高速发展，需要接入网能够很好地支持IP协议，而现有无线通信系统没有很好地考虑与Internet的融合。

　　为了适应未来通信的发展需求，ITU在制订IMT-2000标准的同时开始把目光放到3G以后的无线通信上。1999年12月ITU-R成立了WP8F工作小组，负责规划IMT-2000及以后移动通信(简称3B)的发展。至此掀起了研究未来无线通信的热潮[2,3]，如欧洲电信标准组织(ETSI)的BRAN计划、IST第4小组的未来无线系统技术等，中国在“十五”的“863”计划中也投入了大量资金着手研究基于多载波和正交频分多路复用(OFDM)的下一代无线通信系统，这些将极大地影响无线通信的发展方向。

　　划分第1、2代移动通信系统时，有着明确的衡量标准，即第1代提出了蜂窝概念，而第2代引入了数字技术。相对来说，第3代的概念比较模糊，往往认为CDMA技术和宽带业务是它的标志，虽然IS-95也采用了CDMA技术，但是它的业务速率没有上去。IMT-2000系统的目标是实现任何人在任何时间、地点以任何方式与任何人进行通信(简称5A)[1]，具体参数为室内通信速率2 Mbit/s，车载通信速率144 kbit/s，步行者通信速率384 kbit/s，并实现全球漫游和多媒体业务。如果根据研究目标来定义，显然4G不能超越5A的目标。那么是否可以根据业务速率来划分呢？如日本提出业务速率在20~100 Mbit/s之间为4G，当达到600 Mbit/s时成为5G[2]。我们知道通用移动通信系统(UMTS)第2阶段的一个目标是研究新型的物理层技术，使得业务速率达到20 Mbit/s。也就是说如果按照速率划分，UMTS既属于3G，也属于4G，这是不合理的。另外速率划分方法忽略了人们对业务的需要以及无线网与有线网的融合问题，不是未来通信发展的趋势。日本另外的一种看法是在3G中引入智能天线和干扰抵消技术就形成了3.5G，如果采用软件无线电实现各种体制的融合就构成了4G。实际上3G的发展已经充分说明了下一代无线通信系统不会再以某种技术的飞跃为标志，除了各大厂商的利益以外，用户的需求(如全球漫游、多媒体业务等)将是发展4G的主要动力。欧洲有一部分学者认为高速的基于IP的综合业务是4G的主要特征，虽然这代表了无线通信与Internet融合的方向，但是IP业务在3G中已经有了明确的规定，并正在研究全IP网络，因此这种提法也没有给出很好的4G划分标准。综上所述4G与3G之间并没有明确的划分标准，4G的研究目标并没有超过3G的研究范畴，因此遵从ITU-R的提法，下一步的研究系统应称为3代以后未来无线通信(简称3B)，或者叫作IMT-2010。

　　2 下一代无线通信的研究现状

　　2.1 ITU-R WP8F

　　1999年12月ITU-R成立了WP8F工作小组[4]，负责IMT-2000及以后的移动通信发展。IMT-2000中的卫星通信及以后的发展由WP8D负责，两个小组共同完成整个IMT-2000及以后的无线通信的发展。

　　WP8F小组的研究内容分为两个部分：IMT-2000与IMT-2000以后的无线通信。

　　IMT-2000的研究工作预计2003年完成，主要内容包括：

• IMT-2000的哪些目标不能满足未来通信的发展？
  
• 随着IMT-2000的发展，需要增加哪些业务(包括基于IP的应用)？
  
• 在操作和技术上需要增加哪些特征以满足需求？
  
• 如何合理地优化频谱分配？
  
• 如何从IMT-2000平稳地向增强型IMT-2000和以后的无线通信系统过渡？
  
• 如何成功地推出IMT-2000？

　　IMT-2000以后的无线通信系统的研究工作，预计2010年完成，主要内容包括：

• 未来无线通信的研究目标是什么？
  
• 未来无线通信的业务和应用是什么？
  
• 如何在技术、操作和频谱分配等相关问题上实现研究目标？
  
• 如何顺利地引入未来无线通信系统？
  

　　除此之外，WP8F小组还需要着重考虑3个方面的问题：一是让移动通信技术适应发展中国家的需求；二是在移动通信系统中引入IP应用，特别需要研究IP话音业务(VoIP)；三是研究自适应天线，以便降低移动通信中的干扰。

　　2.2 ETSI BRAN计划

　　ETSI BRAN小组成立于1997年4月，主要负责宽带无线局域网和固定无线接入的研究[5]，要求支持高速率、高质量的非对称数据传输，同时支持ISDN和低速率业务，实现全球移动多媒体的目标。也就是说，BRAN计划的实施将为本地用户(办公室、大楼等)提供另外一种高速接入方式，成为不对称数字用户线(ADSL)、电缆调制解调器的竞争对手。

　　BRAN计划的研究内容不包括核心网络部分，但需要与UMTS核心网的发展一致。为了避免不必要的重复工作，BRAN计划需要保持与ATM论坛、因特网工程任务组(IETF)、国际电子电工工程协会(IEEE)、欧洲计算机制造联合会(ECMA)及数字音频视频委员会 (DAVIC)的协调工作。
BRAN主要完成无线接入网络部分的功能，为了与GSM/UMTS核心网络或其他网络互连，BRAN采用不同的互连网关(IWF)适配到不同的网络或终端实体上。

　　BRAN的研究内容包括3个部分： HiperLAN/2，适用于室内的高速短距离通信，数据速率为36～54 Mbit/s，采用的频率为5 GHz；

　　HiperACCESS，适用于大范围内的点对点通信，速率高达155 Mbit/s；HiperLINK，适用于HiperACCESS与HiperLAN/2之间的点对多点或点对点通信，采用的频率为17 GHz。

　　在BRAN的3个研究内容中，HiperLAN/2研究得最为广泛深入，目前已经初步完成了协议栈的定义。

　　HiperLAN/2的物理层采用正交频分多路复用(OFDM)调制，子载波数为52个，其中48个用于传送数据，其余的传送导频。子载波调制方式有3种，64QAM为可选方式之一，数据速率6，9，12，18，27，36，54 Mbit/s。空中接口采用动态时分多址/时分双工(TDMA/TDD)方式，帧长20 ms，采用ATM格式。

　　数据链路控制层(DLC)包括两个部分。第1部分包括媒体接入控制(MAC)和差错控制(EC)单元；第2部分是无线链路控制(RLC)子层，用于控制平面内接入点和移动终端之间的数据交换。

　　汇聚层(CL)主要有两个功能：一是将上层的业务请求适配成DLC识别的原语；二是将来自上层可变/固定长度的数据转换成DLC规定的数据包格式。另外CL还要完成与不同的核心网络协议的互连。

　　HiperLAN/2支持两种工作模式，集中式和直连式。集中式用于蜂窝结构的网络中，即一个小区只有一个接入点，移动台与其他节点或网络通信都需要经过接入点的处理。直连式用于特殊(如Ad Hoc)网络的拓扑结构中，任何两个移动台都可以相互通信，不需要公共的接入点服务。直连式主要用于家庭内部的通信。

　　2.3 IST KA4计划

　　IST是欧洲委员会(EC)于1999年成立的一个组织，全面负责信息技术的发展。IST第4组(IST KA4)主要负责移动卫星和个人通信的研究[6] ，目标是实现任何人能在任何时间、地点进行高速的无线多媒体通信。KA4又分49个项目组，每个项目组各有一个明确的研究目标，如ADAMAS项目组研究自适应多载波接入系统。在这些项目组的基础上又设立了5个课题，每个课题由一个或多个项目组协调完成。这5个课题分别是未来无线通信、智能天线、软件无线电、卫星通信和定位业务。

　　3B课题组共有10个项目组成员，研究范围包括卫星通信、陆地通信及交互式广播系统，不同接入系统的融合和IP技术也是3B的重要研究内容。由于各项目组都有自己的研究思路，如BRAIN组主要考虑如何构建未来基于IP的无线通信网络，WSI组从业务级研究无线Internet，而DRVIE组则从频谱的有效利用角度研究未来的无线通信系统，因此至今尚没有正式统一的方案。不过我们可以介绍其中比较有特色的两个小组的工作。BRAIN小组的研究目标是实现开放式无线宽带Internet接入系统，使得用户能够在全球范围内通过现有的和未来的无线接入网访问IP业务。作为现有业务的补充，BRAIN的业务速率提高到20 Mbit/s，并包括点对点、点对多点、对称与非对称、端到端的IP业务。

　　BRAIN的研究内容不包括空中接口，理论上可以采用任何类型的接口方式，但在初期主要是基于HiperLAN/2进行研究，从而与ETSI BRAN计划一致。BRAIN采用了自上而下的设计方法，即首先考虑实现哪些业务和应用，然后研究支持这些业务的网络结构及相关技术。在HiperLAN/2中引入IP业务最重要的是要保证业务质量，所以BRAIN现阶段的任务是研究HiperLAN/2中的二、三层协议及相关技术，如切换管理、地址分配、资源管理等。BRAIN的另外一个研究焦点是如何在网络层及底层进行透明传输，从而在不修改现有Internet协议的情况下将IP业务引入到BRAIN网络中。

　　DRIVE研究项目，主要研究在多种体制共存的无线环境中如何提高无线频谱的利用率，同时提供移动的多媒体业务，特别是教育、娱乐业务。现有的无线通信体制繁多，各自占用不同的频段，而在未来的无线通信中，某个频段很难满足不同的无线通信，因此固定地将某个频段分配给不同体制的接入网，就不能根据业务量灵活地分配资源，造成资源浪费。在未来的无线通信中业务并不是均匀分布，不同地区在不同时间对业务的需求会有很大差别，这是一种分布式业务模型，而现在频率分配往往是根据最大业务量进行分配的，因此不适合业务变化很大的情况。为了提高频谱的利用率，DRIVE提出动态频谱分配(DSA)方案。该方案在不同的无线接入网中增加一个DSA业务控制单元，并受DRIVE核心网络业务控制单元的控制，这样每个区域在不同的时刻会根据业务量自适应地分配频谱，从而克服了传统固定分配方法的问题，大大提高了频谱利用率。

　　2.4 NTT DoCoMo计划

　　日本在发展3G的同时也着手3B的研究，主要的倡导者是NTT DoCoMo公司。

　　在概念上，日本提出3B应当具有高速的数据传输，特别是下行链路的速率应当大于20 Mbit/s；3B应当能够实时地传送活动图像；3B应当是一个全IP的网络。

　　从研究内容[7]上来看，DoCoMo主要研究智能天线、干扰抵消和软件无线电技术，这些都属于物理层的范畴。也就是说，DoCoMo认为3B的关键技术集中在无线传输上，因此DoCoMo所设计的3B蓝图是多种小区并存，基站通过智能天线保持对移动台的跟踪，而移动台通过下载来更新通信方式，从而实现全球无缝漫游。

　　3 分布式无线通信系统

　　中国国家自然科学基金和“863”都围绕多天线开展了下一代无线通信的研究，清华大学提出了分布式无线通信系统(DWCS)方案，其逻辑结构如图1。第1层是分布式天线系统。天线分布在地面的不同位置，发送和接收来自移动台的无线射频信号。由于在未来的高速无线通信中，往往采用比较高的频率发送，使得无线信号的传播距离很短，因此要实现对某个区域的无缝覆盖需要很多的天线。另外为了提高系统的容量，也经常采用多天线结构，如智能天线、多入多出(MIMO)天线、室内覆盖分布式天线等结构。如果在天线端增加复杂的信号处理，不仅损失了信息量，而且增加了系统的成本。因此在DWCS中，分布式天线对无线信号只完成功率放大和光电转换等最简单的功能。第2层是分布式光纤传输系统。光纤分布在地下，完成分布式天线和分布式处理系统之间的信号传输，不对收发的无线信号进行任何信息处理。从功能上来看，分布式光纤传输系统相当于是空中传输的延续，但是它基本上不会降低信号质量，因为光纤传输的误码率很低。当然在DWCS系统中，我们假设未来光纤的成本很低，这与当前光纤技术的发展趋势相符合。另外为了区分来自不同天线的信号，在这一层里需要给无线信号打包，以表明来自和发送给哪根天线，将要传送给哪个处理节点。一般情况下天线采用内部地址标识，而处理节点则可以采用内部地址或者全球识别的地址，如IP地址，在不同的发展阶段可以有不同规定。第3层是分布式处理系统。每个处理节点分布在不同的位置，完成对无线信号的一项或多项处理功能，如调制解调、匹配接收或信道编译码等。处理节点之间相互通信，协调工作任务，共同完成物理层和链路层的功能。第4层是虚拟或分布式核心网络。网络节点分布在不同的地理位置上，甚至可以是Internet网络的节点。网络节点主要完成数据交换、路由、安全认证以及相关数据访问等功能，可以认为分布式网络相当于传统无线通信系统中的核心网络。当引入移动IP后，分布式网络还需要承担代理服务器的功能。由于在这一层里主要进行数据的网络层及信令的高层处理，因此可以采用TCP/IP协议进行数据传输，取代传统的建立在七号信令网上的移动应用协议(MAP)和IS-41协议，以便能够和Internet更好地结合，最终完成与Internet的融合，成为Internet的一部分。

图1 DWCS逻辑结构

　　DWCS在逻辑上分为上述4个层次，但是可以有不同的实现方式，具体方式可参考文献[8]。

　　4 总结

　　ITU-R WP8F小组的成立标志着未来无线通信的开始，从上面介绍的目前3B发展现状及3B的发展趋势来看，一部分学者致力于对3G系统的扩展，如在系统中增加智能天线、软件无线电等技术，以实现全球移动多媒体的目标；另一部分学者则提出全新的系统模型，然后再考虑如何融合现有的无线通信系统。两种路线各有其优点和缺点，在实际3G系统与5A目标之间的空白处尚有大量的工作值得我们去完成。□

　　参考文献

　　1 ITU. Special issue on IMT-2000 standards efforts of the ITU. IEEE personal Commun, 1997,4(4)
　　2 Evans B G, Baughan K. Visions of 4G. Electronics & Commun Journal, 2000:293—303
　　3 Hata M. Fourth generation: now, it is personal. IEEE International Symposium on Personal, 4 Indoor and Mobile Radio Communications (PIMRC) 2000, 2000,2:1009—1016
　　4 ITU Work Party 8F. http://www.itu.int/imt/5_mtgs/wp8f
　　5 ETSI BRAN Project. http://www.etsi.org/bran
　　6 IST KA4 Project. http://www.cordis.lu/ist/ka4/mobile
　　7 NTT DoCoMo Project. http://www.nttdocomo.co.jp
　　8 王京,姚彦,周世东.分布式无线通信系统的概念平台.电子学报,2002,(9)

[摘要] 文章简述了无线通信的演进过程与下一代无线通信的划分方式，介绍了ITU、ETSI和IST等各组织的研究计划和研究进展情况，并进一步介绍了清华大学提出的分布式无线通信系统方案。

[关键词] 未来无线通信；软件无线电；分布式无线通信系统

[Abstract] With the overview of the evolution course of wireless communications, the definition of next-generation wireless communications is discussed. Relevant research plans of ITU, ETSI, IST and other organizations and advances of their present studies are introduced. The distributed wireless communication system, a solution scheme proposed by Tsinghua University, is also overviewed.

[Keywords] Future wireless communications; Software radio; Distributed wireless communication system