本文關鍵詞：新興發(fā)展的無線通信技術和網絡，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

第 38卷第7 期 2008年7月
JOURNAL OF UNIVERSI TY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY OF CHI NA

V ol. 38, No. 7 Jul. 2 0 0 8

文章編號: 0253 2778( 2008) 07 0735 10 -

新興發(fā)展的無線通信技術

和網絡
朱近康
( 中國科學技術大學個人通信與擴頻實驗室, 安徽合肥 230027)

摘要: 針對無線移動通信面臨的發(fā)展需求和技術挑戰(zhàn), 分析討論了近年新興發(fā)展起來的無線移動通 信技術和網絡, 重點綜合評述了以多輸入輸出( M IM O) 、 協(xié)同通信、 認知無線技術等為代表的新興 無線通信技術, 和以第四代移動通信網絡、 無線 mesh 網絡、 無線傳感器網絡等為代表的新興無線 網絡, 最后簡要說明我們的相關研究和進展. 關鍵詞: 無線通信; 多輸入輸出; 協(xié)同通信; 認知無線技術; mesh 中圖分類號: T N929 文獻標識碼: A

New wireless communication techniques and networks
Z H U Jin kang ( P CN & SS L ab, Uni v ersi ty of S ci ence and T ech nol ogy of Chi na, H e f ei 230027, Chi na)

特 約 評 述

Abstract: T he development of w ir eless com municat ion is facing new requir em ent s and challenges. N ew t echno logies and net w orks dev elo ped in r ecent year s are analyzed and discussed. F ocus is laid o n t he t ypical novel w ireless co mmunication t echnolo gies, such as mult iple input and m ult iple out put ( M IMO ) , co operat ive com municat ion, cog nit ive radio, and t he new w ireless netw or ks, such as 4G m obile co mmunicatio n net wo rk, w ireless mesh netw or k and w ireless sensor net w ork. F inally, a brief int roduction t o our relat ed research and it s pro gress is given. Key words: w ireless comm unicat ion; m ult iple input and m ultiple out put ; cooperative com municat ion; cog nit ive radio; m esh 體業(yè)務服務. 在此迅速發(fā)展中, 未來無線移動通信技 術與網絡的研究和標準化建設就成為眾所關注和大 力研究的重點. 一些令人興奮的新興技術和新興網 絡的出現, 成為研究開發(fā)的熱點, 也為面臨極大需求 和重大研究開發(fā)的無線移動通信注入了活力.

0

引言
目前, 無論是移動電話還是無線接入, 無線移動

通信從模擬電子技術的第一代、 數字技術的第二代, 已經進入第三代, 形成自適應技術有效應用的多媒

收稿日期: 2008 - 15; 修回日期: 2008 - 28 -05 -05 基金項目: 國家自然科學基金( 60572066) , 華為基金資助. 作者簡介: 朱近康, 中國科學技術大學教授、 博士生導師, 中國科學技術大學個人通信與擴頻實驗室主任. 現主要從事無線移動通信、 通信信號處理、 無線網絡和相關協(xié)議的研究. E ail: jkz hu@ us tc. edu. cn -m

736

中國科學技術大學學報

第 38 卷

以 3GPP 組織推動的后第三代( B3G) 的長期演 進安排 ) ) ) L T E, 是將來發(fā)展的 方向, 從 已經采納 的一些標準化建議看, 其主要的技術發(fā)展趨勢是: 從 現在的 電信 網 絡過 渡到 將 來 的 IP 移動 網 絡 ( 如 BT S 功能化, 網絡結構扁平化等) , 從現有的每秒幾 兆數據速率發(fā)展到將來的每秒幾十甚至上百兆數據 速率( 如自適應高效調制與編碼, 信道準確估計的自 適應等) , 從現有的集中傳輸處理發(fā)展到將來的分布 傳輸處理( 如 M IM O 技術, mesh 技術等) , 從現在的 單發(fā)業(yè)務通信發(fā)展到將來的并行多發(fā)業(yè)務( 如視頻 業(yè)務, 游戲業(yè)務, 多播業(yè)務等) . 以 IT U 組織推動的 IMT- advanced( 4G 也即第 四代移動通信) 標準化研究, 從技術研究開發(fā)和應用 來說, 很多方面與 L T E 好像沒有什么區(qū)別, 特別是 L T E 有不斷演進推出不同時期的不同要求的長遠

率, 就必須利用一切可能的資源: 頻率、 時間、 編碼、 功率、 空間等. 其中, 空間 資源還沒有有效利用, 是 4G 可能開發(fā)利用的新天地. 充分利用空間地理分布 下的分布技術和系統(tǒng), 將可能成為未來無線移動通 信的重要技術特征. 基于分布結構和分布處理的相 關技術, 如近年發(fā)展起來的 M IMO 技術、 協(xié)同通信 ( coo perat iv e comm unicat ions, CC) 、 認知無 線技 術 ( cog nit ive r adio t echnolog y) 、 mesh 網絡技術等, 在 資源的充分調度和利用、 處理能力的綜合與提高、 傳 輸能力和性能的改善等方面十分有效、 突出, 是新興 的無線移動通信技術.

1

新興的無線移動通信技術
近幾年, 無線移動通信的技術研究和發(fā)展十分

特 計劃, 最終, 兩者可能會走到一起. 從目前的研究看, 約 兩者的目標和重點還是有些不同. 3GPP 更多地是 評 述
從現有應用出發(fā), 盡量平滑過渡; 而 4G 首先是從拓 展可用頻譜資源開始, 研究將來可支持上千兆數據 速率需要的可用資源和技術, 同時積極吸納創(chuàng)新技 術和系統(tǒng)建議, 評估將來可用方法和技術, 力爭實現 頻譜效率達 10 bit / ( H z1 s) , 數據速率達1 000 M bps 的無線移動通信. 隨著國家重大專項/ 新一代寬帶無線移動通信 的研究開發(fā)0的啟動, 我們國家緊跟未來無線移動通 信發(fā)展 的研發(fā) 要求, 提出 T D SCDM A 往 L T E 和 4G 的演進, 這是 中國對 4G 技 術和網 絡標準 化的 貢獻. 面對眾多的各種各樣的無線移動通信技術和網 絡的進展, 值得我們特別關注的重點是從無線移動 通信發(fā)展的技術演進歷程來分析未來的第四代的基 本技術特征. 第一代移動通信系統(tǒng)是使用模擬技術 的系統(tǒng), 由于提出了蜂窩小區(qū)結構、 終端移動管理、 漫游與切換等技術, 實現了在移動中通信、 通信中移 動; 第二代移動通信系統(tǒng)是使用數字技術的系統(tǒng), 基 于數字信號處理技術和專用芯片, 盡量采用軟件處 理, 實現了設備的小型化和大量用戶接入, 特別是手 機的小型化和多樣性, 使移動通信迅速普及; 第三代 移動通信是充分應用自適應技術實現寬帶高速的通 信系統(tǒng), 調制自適應、 編碼自適應、 信道自適應、 接入 自適應、 業(yè)務自適應等, 實現了傳輸鏈路和通信系統(tǒng) 的高效率. 在這些技術和系統(tǒng)基礎上發(fā)展的第四代 移動通信, 若要實現如上所述的更高寬帶和更高速

迅速, 各種各樣的新方法不斷涌現, 各種現有方法不 斷翻新, 與分布技術和分布處理緊密相關、 能極大增 強容 量 和效 率、 廣闊 應 用前 景 的, 可 能要 首 選 有 M IM O 技術、 協(xié)同通信技術和認知無線技術. M IMO 技術, 是 多天線輸入多天 線輸出技術. 它充分利用天線輸入輸出的無線衰落信道特性, 不 同天線有不同無線信道傳播特性, 獨立隨機, 實現多 天線并行多信道高速傳輸. 其原理如圖 1 所示, M 個發(fā)送天 線( S 1 , S 2 , ,, S M ) , N 個接 收天 線( R 1 , R 2 , ,, R N ) , 從第 i 個發(fā)送天 線到第 j 個接收天 線 的信道傳遞特性是 W ij , 則有如下多天線發(fā)收的 轉 移關系 R1 R2 s RN
j

W 11 = W 12 s W 1N
i= 1

W 21 W 22 s W 2N
ij

, ,

W M1 W M2

S1 S2 s SM ,

s s , W MN

R =

EW

M

* S i , j = 1, 2, ,, N

( 1)

圖1 Fig. 1

MIMO 原理圖

The schematic diagram of MIMO

顯然, 要從式( 1) 的接收信號, 求解發(fā)送來的信號, 從

第7期

新興發(fā)展的無線通信技術和網絡

737

數學手段出發(fā), 需實現如下逆運算 W R= W W S 其中 W 11 W= W 12 s W 1N R1 R= R2 s RN 如果有 W W= I 那么, 我們能夠得到 M 個天線發(fā)來的信號, 有 S= W R
-1 -1 -1 -1

( 2) W M1 W M2 s S1

形成終端虛擬多天線, 形成 M IMO 系統(tǒng), 如圖 2 所 示. 如果基站是 4 個天線, 那么只有一個天線的終端 加 上 3 個 relay 終 端, 共 4 個 天線, 構 成 4 * 4 的 M IM O 系統(tǒng), 實現式( 3) 的正交性比較容易, 只要調 整選擇最接近下式的 3 個 r elay 終端和參數, 即選擇 最適合的 W ij ( i , j = 2, 3, 4) , 就能實現并行高速 傳 輸. 雖然 relay 處理會增加系統(tǒng)一些額外開銷, 但在 分布系統(tǒng)狀態(tài)下, 多數情況能實現多路通信, 獲得更 高的系統(tǒng)容量( 如圖 3 所示) , 能在低信號中斷概率 下容納大量用戶終端工作. 即使不能完全正交, 由于 能提供附加的分集增益, 信噪比和誤碼率都會得到 明顯改善[ 2] .

W 21 W 22 s W 2N

, , s

, W MN S2 s SM ( 3) ( 4)

,

S=

W 11 W 12 W 13 W 14

W 21 W 22 W 23 W 24 1 0 0 0

W 31 W 32 W 33 W 34 0 0 0 1

W 41 W 42 W 43 W 44

-1

W 11 W 12 W 13 W 14

W 21 W 22 W 23 W 24

W 31 W 32 W 33 W 34

W 41 W 42 W 43 W 44 U

在實際處理中, 由于多天線陣列的無線信道傳 播特性( 式( 1) ) 是隨信道起伏隨時變化, 經常無法給 出如式( 3) 結果的信道特性逆矩陣, 只能盡量做出部 分正交的結果, 即 W W U
-1

0 0 1 0 0 1 0 0

特 約
( 6)

評 述

I A I

a Aa

( 5)

這樣, 可以利用干擾對消或天線選擇技術, 對于非正 交部分實現有通信質量保證的部分多路高速通信. 由于 M IM O 技術極大地依賴于多天線間的信 道傳播特性, 有眾多問題值得研究, 過去幾年在基礎 和方法研究上取得了相當可喜的成果, 近年已經開 始走向實際應用性研究. 其代表性的是由英國的大 學牽頭聯(lián)合各大公司和運營商的歐洲 mo bile VCE ( V ir tual Cent re of Ex cellence in M obile) 的研究, 針 對 M IM O 技術面向 B3G 的基本問題 和研究重點, 比較集中在對新的無線傳播環(huán)境( 從 5 GH z, 7 GH z 到 24 GH z 的載波頻率, 100M H z 以上的帶寬) 的測 量、 估計和信道模型的建立, 特別有效地對繁雜的收 發(fā)矩陣的運算簡化和技術實現, 能提高容量的空間 分集方法, 支持高速率的室內分布天線系統(tǒng), 對多路 并行傳輸與分集綜合的資源調度和管理等課題上, 預計 2010 年底完成[ 1] . 歐洲 mo bile VCE 在 M IM O 收發(fā)技術的 研究 中, 針對分 布式天線 提出了虛 擬天線陣 列( virt ual ant enna ar ray s, VAA ) 概 念, 并 進 行了 深入 研 究. VAA 由一個多天線的基站和它覆蓋的多個終端組 成, 并且終端間有中繼轉發(fā)( r elay ) 功能, 這樣可以 中國科學技術大學對 M IM O 技術的研究和貢獻主 要集中在多用戶 M IMO 技術上, 有基于全反饋和有

738

中國科學技術大學學報

第 38 卷

限反饋的多天線選擇處理方法, 形成正交或準正交 的虛擬定向波束, 實現多路與分集通信[ 3, 4] ; 有多用 戶 M IM O 系統(tǒng)條件受限情況下的最佳化設計和處 理方法 等. 另一 項新 興 無 線 移動 通 信 技 術 是協(xié) 同 通 信 ( CC) , 它是基于用戶和站點間, 由于信道特性、 功率 限制、 覆蓋狀況、 高速需求等不同原因, 單一直接通 信困難, 需要借助鄰近站點或周邊用戶中繼、 協(xié)同與 分集, 實現可靠傳輸的通信. 前述的虛擬天線陣列, 就是協(xié)同通信的應用之一. 協(xié)同通信是分布無線通信系統(tǒng)最基本的通信技 術, 其基本信道模型是如圖 4 所示的 relay 信道, 某 一終端用戶( X ) 離站點較遠或衰落嚴重, 僅僅靠一 個信道( h X D ) 直接傳輸已 經不能保證有效通 信, 甚 至會中斷, 而在臨近站點( relay 1) 中繼協(xié) 助下, 通 過分集和多路處理, 通信能力能得到明顯改善. 如果
圖5 relay 信道的多路增益與分集增益 Fig. 5 The mult- path gain and diversity gain of relay channel i
[ 5]

構, 理論上可行, 但實際應用考慮較少. 目前, 實 現 relay 處理的方法比 較簡單, 有 放大轉 發(fā)( amplify to forward, AF) 和 解 碼 轉 發(fā) ( decode to - -forward, DF) , 通常情況在 relay 接收信號較好時采用 AF 處 理, 信號較弱時使用 DF 處理[ 7] . Relay 的資源分配 方法最常見的是功率分配和頻率分配, 進一步的研 究有考慮物理層和上層結合的跨層處理方法和考慮 relay 分組處理方法[ 8] . 文獻[ 9] 研究了對面向 B3G LT E 移動通信的 OFDM A 系統(tǒng), 采用 relay 通信的 實際系 統(tǒng)上 下 行 通 信 的 總 容量. 系 統(tǒng) 總 帶 寬 80 M H z, 256 個子載波的 OFDM , 每個子載波頻帶 為 312 5 kH z, 在頻率選擇性衰落信道下模擬. 結果表 1

特 約 relay 1 的 傳 輸處 理 表示 為 R 1 , 那 么圖 4 的協(xié) 同 評 relay 通信的接收信號為 Y , 則有 Y = h X D X D + h RD R 1 hX R X R ( 7) 述

圖4

協(xié)同 relay 通信原理圖

明, 采用一個 relay 站可以獲得 239 9 M bps 的系統(tǒng) 1 總容量, 比常規(guī)方式的 224 M bps, 增大 7 1% ; 采用 1 三個 relay 站可以獲得 4891 7 Mbps 的系統(tǒng)總容量, 比常規(guī)方式的 4521 1 Mbps, 增大 8 3% . 1 隨著無線分布技術的發(fā)展, 將協(xié)同通信技術在 上述用戶終端彼此協(xié)同轉發(fā)的基礎上, 擴展到多基 站的協(xié)同通 信, 如圖 6 所示. 蜂窩 小區(qū)交叉重疊 覆 蓋, 終端用戶在小區(qū)邊緣, 受限于 信號功率和信 干 比、 僅與一個基站連接不能實現可靠通信時, 讓鄰近

Fig. 4 The schematic diagram of cooperative relay

式中, X D 是終端用戶通過直接信道傳送 給站點的 信息, X R 是通過 relay 信道傳 送給的信息. 信息理 論能夠證明, 這種協(xié)同 relay 信道的聯(lián)合 信道的最 大容量為 I max [ 2I X D , if X D = X R , I X D = I X R ( 8) 實際應用過程中, 完全實現最大多路并行傳輸 是做不到的, 常常是多路并行與分集處理相結合, 根 據信道特性, 在多路和分集之間折中. 圖 5 給出了在 不同信噪比情況下, X D = X R = 1/ 2 時, 多路增益與 分集增益之間的變化關系[ 6] . 近年來, 協(xié)同通信應用到蜂窩移動系統(tǒng)中, 研究 relay 站的選擇、 實現 r elay 處理、 分配資源等, 以實 現盡量大的系統(tǒng)容量和 傳輸特性. 對 r elay 站的選 擇: 一般考慮一個 relay 站, 構成如圖 4 的基本結構; 考慮兩個 r elay 站, 可構成三路收發(fā); 考慮三個 relay 站, 可構成四路收發(fā); 超過三個以上的 r elay 通信結

圖6 Fig. 6

多基站的協(xié)同通信

Cooperative communication of mult- BSs i

第7期

新興發(fā)展的無線通信技術和網絡

739

基站作為 relay 站點, 協(xié)同通信處理, 成為分布無線 移動通信的研究熱點. 對圖 6 的三個基站小區(qū)交叉 的蜂窩系統(tǒng), 有近一半區(qū)域交叉覆蓋, 在交叉覆蓋區(qū) 采用三基站協(xié)同通信的新型小區(qū)結構下, OFDM 系 統(tǒng)的仿真結果的系統(tǒng)平均容量, 性能提高 明顯[ 10] , 如圖 7 所示.

圖9 Fig. 9

認知無線電通信的系統(tǒng)結構

The sketch of cognitive radio system

發(fā)現可用頻譜空洞, 經與頻譜先驗數據庫的知識比 對, 頻譜判決器作出頻譜空洞應用的決策, 再給出指 令控制軟件無線收發(fā)器工作
[ 11]

.

對認知無線電的研究, 基本上分為兩方面: 一是 管理上的. 認知使用空閑頻譜帶來的管理策略、 商業(yè)
圖 7 三基站協(xié) 同的系統(tǒng)性能 Fig. 7 The system perf ormance of 3 BSs cooperation

規(guī)范、 行為準則等; 二是技術上的. 發(fā)現和利用頻譜. 最近, 基于認知無線電技術發(fā)展起來的動態(tài)頻譜接 入技術, 是認知技術在移動通信中應用的新進展, 主 要包括: ? 頻譜感知. 其中利用信號周期譜理論和方 法, 對信號作頻譜發(fā)現和狀態(tài)分析, 是一種有效的方 法, 文獻[ 12] 給出了對 QP SK 和 QAM 的 OFDM 信 號的分析識別結果, 0 dB 下的識別概率大于 98% ; ?傳輸技術. 對動態(tài)頻譜接入的收發(fā)傳輸技術, 從不 同角度有眾多研究, Pursley 等提出了利用認知技術 對鏈路不確知且有明顯時變傳播損耗情況的自適應 發(fā) 送 接 收, 可 實 現 很 接 近 于 理 想 結 果 的 系 統(tǒng) 容 量
[ 13]

特 約 評 述

認知無線電技術是在頻譜資源日益緊缺、 無線 通信需求急劇上升的情況下, 出現的又一新興技術, 是在軟件無線電技術基礎上, 適應多頻段多制式無 線移動通信發(fā)展的需求, 采用頻段掃描和信號識別 方法, 檢測和認知已分配頻段的應用狀況, 臨時借用 空閑頻段進行通信的技術. 顯然, 采用這種技術方法 能大大提高頻譜的利用效率, 拓展和提供更多可用 的頻帶資源, 滿 足無線移動通信 更高速、 更寬帶的 需求. 認知無線電技術的基本原理如圖 8 所示. 利用 一個帶寬為 B 的循環(huán)掃描頻譜信號, 對整個有興趣 和潛在應用可能的頻帶進行掃描, 獲取信號強度低 于噪聲門限的頻譜空洞, 從而依據借用規(guī)則利用空 洞頻譜實現通信. 認知無線電通信的收發(fā)結構如圖 9 所示. 由頻譜掃描檢測器、 頻譜先驗數據 庫、 應用 頻譜判決器、 軟件無線收發(fā)器構成, 頻譜掃描檢測器

, 如圖 10 所示; ?MAC 協(xié)議和成網技術. 文獻

圖 10 認知技術的自適應收發(fā)結構 圖 8 認知無線 電基本原理圖 Fig. 8 The schematic diagram of cognitive radio Fig. 10 The adaptive transceiver architecture of cognitive technology

740

中國科學技術大學學報

第 38 卷

圖 11 Fig. 11

信令與業(yè)務傳輸分離通信的信號幀格式

The frame structure which separate the transmission of signaling and traffic 表 1 無線移動網絡的評估參數表 Tab. 1
C B/ %

特 約 評 述
# 1 e. g. , U M TS # 2 e. g. , 802. 11b # 3 e. g. , 802. 11a # 4 e. g. , 802. 11n # 5 e. g. , 4G

The parameter for the evaluation of wireless mobile network
T B/ ( M b # s- 1 ) 2 11 54 100 100 A B/ ( M b # s- 1 ) 0. 2 1 2 5 5 U/ % 10 20 20 40 20 D/m s 400 200 100 150 100 J / ms 50 25 15 30 20 L / ( per 106 ) 100 20 15 20 15

100 20 10 5 301 , 52

[ 14] 給出了實現動態(tài)頻譜接入的認知 m esh 網絡, 把頻譜感知、 傳輸狀況和媒體數據調度需求結合起 來分析, 確定 動 態(tài)頻 譜 利用 和 信道 分配, 特別 是 mesh 無線信道的頻譜分配和資源調度, 解決現行網 絡在業(yè)務繁雜情況下經常出現擁塞的問題. 考慮到 未來無線移動通信對頻譜的極大需求和零散分配的 可能, 中國科學技術大學提出了一種利用認知技術 實現零散頻譜資源綜合利用的方法, 這是把信令傳 輸和業(yè)務傳輸相分離的通信方式, 即將公共信令建 立在授權頻譜傳輸、 媒體業(yè)務建立在認知頻譜傳輸, 彼此分開, 能有效利用所有可能頻譜資源 , 圖 11 顯示了這種通信方式的基本信號幀格式設計.
[ 15]

網絡構架設計, 如圖 12 所示. 基于 IPv6 架構的統(tǒng)一 IP 網絡 平 臺, 可 以 連 接 其 他 數 據 網 絡 和 現 有 的 PST N, 通過接入網關( gat ew ay, GW) 與下層的移動 支撐接入站( mo bilit y anchor point , M AP) 連接; 移 動 支撐 接 入 站 MAP 帶 有 本 地用 戶 歸 屬 服 務 器 ( H SS) 和鑒權認證和計費服務器, 并連接多個接入 路由器( access router, AR) , 對用戶實現 IP 化移動 管理; 已有的無線系統(tǒng)( 2G, 3G, B3G, WL AN 等) 通

2

新興的無線移動網絡技術
新興的無線移動通信網絡, 種類繁多, 但規(guī)模最

大和最有影響的要數第四代移動通信網絡( 4G) 、 無 線 mesh 網絡和無線傳感器網絡( WSN) . 在 B3G 網絡之后的未來無線移動通 信 4G 網 絡, 又稱為下一代移動網絡( nex t g eneration mobile net w orks, NGM N) , 它能上 下兼容平 滑過渡 的 4G
圖 12 4G 網絡的架構設計 Fig. 12 The design of the architecture of 4G network

第7期

新興發(fā)展的無線通信技術和網絡

741

過接入路由器接入網絡, 有共存共用接入能力, 能實 現多頻段多制式多業(yè)務應用[ 16] . 其中, 基于 IP v6 網 絡平臺的無線移動管理, 多制式多系統(tǒng)跨層協(xié)議的 協(xié)調和調度, 多頻段多業(yè)務的智能接入, 呼叫的準入 控制和多系統(tǒng)垂直切換等, 是面臨的研究課題. 文獻[ 17] 提出了一種針對未來不同異構網絡環(huán) 境下的網絡自動選擇方法, 網絡的選擇通常按網絡 能力、 信號質量和使用成本等考慮, 為此, 網絡選擇 的數學依據表述為 NW i = [ CBi , T B i , ABi , Ui , D i , J i , L i ] ( 9)
[ 19]

圖 13

無線 mesh 網絡

Fig. 13 Wireless mesh network

式中, i 表示 第 i 個網絡, CB 是每傳輸 1by t e 的成 本, T B 是該網絡總帶寬, AB 是該網絡允許使用帶 寬, U 是當前無線鏈路的利用率, D 是信包延時, J 是信 包抖 動, L 是 信 包 丟失 率. 表 1 給 出 了 3G, B3G, 8021 11a, 802 11b, 8021 11n 無 線移 動網 絡的 1 相關評估參數值. 假定有 N 種網絡可供選擇, i = 1, 2, ,, N , 式( 9) 就變成行數為 N 的網絡選擇矩陣, 采用 Barriac 等提 出的 逐次 優(yōu)選 逼近 理想 結果 的 T OP SIS 算法 , 可獲得優(yōu)選網絡. 文獻[ 18] 研究了呼叫的準入控制和多系統(tǒng)垂直 切換, 提出了 一種面 向蜂窩 ( cellular) 和 無線 接入 ( WL AN) 負載平衡交互算法, cellular 與 WL AN 有 各自的接入決策器和接入執(zhí)行器, 綜合網絡也有接 入決策器和接入執(zhí)行器, 一個呼叫進入網絡后, 由綜 合網絡啟動自己的接入決策器, 作出是接入 cellular 還是 WLAN 的決策, 然后由執(zhí)行器聯(lián)絡 相應系統(tǒng) 執(zhí)行. 如果決定接入 cellular, 就啟動 cellular 的接入 決策器, 在給定資源分配后, 由執(zhí)行器完成. 垂直切 換多半是當前支持系統(tǒng)通過自己的接入決策器發(fā)起 接入決策請求給網絡, 網絡聯(lián)絡另一系統(tǒng)的接入決 策器決定, 由執(zhí)行器執(zhí)行. 這種決策機制, 能較好地 平衡不同業(yè)務請求和用戶需求, 呼叫接入中斷概率 可降低 3~ 6 dB. 無線 mesh 網絡是在接入 Internet 網關( GW) 有限、 不可能覆蓋所有移動終端的情況下, 增設眾多 mesh 路由器( M R) , 利用 m esh 路由器的中繼和協(xié) 同處理, 實現低功率微小區(qū)分布覆蓋, 不依賴于基站 位置和功率限制, 實現任意地理環(huán)境和場景無縫覆 蓋的新興網絡. 圖 13 是無線 m esh 網絡的覆蓋示意 圖, 與 Int ernet 連 線的設備 是 GW, 未連線的 表示 WR. 顯然, 利用眾多微小功 率的 WR, 能 覆蓋任意 大范圍. 在無線 mesh 網絡技術的研究中, 其物理層 技術, 路由器配置技術, MAC 協(xié)議與路由技術等備
[ ]

受關注 . M esh 路由器的物理層技術, 即 m esh 無線傳輸 技術, 最好采用定向天線、 實現低臨界功率發(fā)射, 最 大限度地減小對鄰近 WR 的干擾. 低臨界發(fā)射功率 控制技術是使發(fā)射功率最小臨界化, 提高信號功率 效率, 實現低信號功率應用, 對無線接入密集覆蓋的 網絡拓撲結構十分有效. 無線傳輸中的 mesh 路 由 器間的中繼與協(xié)同, 如前所述, 也是很重要的. 在覆 蓋區(qū)域給定的情況下, GW 的位置通常是不可變動 的; 無 線 mesh 布局 密度 和 數目 就成 為 構建 無 線 mesh 網絡的又一基本課題. 在大多數情況下, mesh 路由器的配置, 要為構建無縫覆蓋的、 最大功率有限 的、 頻譜效率高的、 公平支持的路由協(xié)議提供物理基 礎. 無線 mesh 網絡的 M AC 協(xié)議和路由技術已有相 當的研究, 有的就直接引入 Ad hoc 網絡的相關 技 術. 文獻[ 20] 提出的集簇化 mesh 結構和多重資 源 分配管理方法, 對簡化路由設計和接入協(xié)議很有參 考價值. 無線 mesh 網絡, 盡管是在 Int er net 網絡應 用 早期發(fā)展起來的, 目前主要針對 IEEE 802 系列 的 無線接入網絡的應用, 但它的網絡結構和組網方法, 已開始在未來無線移動通信得到應用 , 圖 14 是 3GP P L T E 提出的未來無線移動通信的 mesh eNB
[ 21]

特 約 評 述

圖 14

LTE 的 mesh eNB 成 網構架

Fig. 14 LTE network architecture composed of mesh eNB

742

中國科學技術大學學報

第 38 卷

成網構架, 其基站之間底層采用 IP 傳輸, 在邏輯上 通過 X 2 接口互相連接, 是傳統(tǒng)的 mesh 網絡結構. 而 mesh eNB 之間 的連 接, 使 用 S 1 接 口, 也采 用 mesh 型或部分 mesh 型連接形式, 實現一個基站可 以和其他多個基站、 多個 SGW 相連, 為運營商和用 戶不斷增長的需求提供更好的支持. 無線傳感器網絡是一種可任意放置的傳感器和 就近無線中繼接入、 可在長時間無供電下可靠運行 和無人值守、 發(fā)送類噪聲微弱信號工作并可以抗干 擾的通信網絡. 無線傳感器網絡是第一個非傳輸人 類信息的大型通信網絡, 目前主要應用于軍事監(jiān)視 與偵查、 環(huán)境、 氣象、 水利、 電力等監(jiān)測、 人體監(jiān)護和 保健、 工業(yè)過程控制等. 無線傳感器網絡的研究中, 首要的是微型傳感 器, 并已有相當多的成果和進展; 其次是無線傳感器

基礎, 也是無線傳感器成網的基礎, 文獻[ 23] 給出了 較為詳細的論述. 無線傳感器網絡是極大數量的傳感終端的接入 網絡, 各終端( 或相當部分終端) 還要作為中繼接力 的節(jié)點, 對鄰近終端給予接入支持, 因此, 無線電頻 譜資源的使用和承載能力, 與現有網絡的頻譜并存 和共用, 就需要仔細規(guī)劃和調度. 文獻[ 24] 提出將頻 譜中斷概率( spect ral outag e probabilit y) 參數作 為 評價基準, 如果 這 個參 數高 于 某 個設 定 門限 ( 如 10- 3 ) , 就說明這個頻譜在探測點附近不能使用. 探 測點一般設在中繼節(jié)點附近, 接收各發(fā)送節(jié)點的信 號, 經聚合加權 FF T 變換處理, 得到這些發(fā)送節(jié)點 環(huán)境下的綜合信號功率譜密度, 進而給出時間和環(huán) 境的統(tǒng)計結果, 即給定信號功率譜密度下的出現概 率, 并將其作為頻譜中斷概率參數. 圖 16 是網絡的 頻譜中斷概率, 實線是分段區(qū)域下的頻譜中斷概率,

特 的通信和節(jié)能設計, 現在的無線傳感器通常由傳感 約 器模塊、 儲 器單 元、 信模 塊、 存 通 位置 處 理 單 元、 評 述
CPU 和電源與管理模塊組成, 在 CPU 程序的控制 下完成信息感知、 數據傳輸、 接入路由建立和電源管 理. 有的無線傳感器, 還有移動管理模塊, 為位置更 新和移動服務提供支持. 無線傳感器網絡基本上是 Ad hoc 網絡結構, 通過無線終端節(jié)點的中繼接力, 到達網絡接 入路由 器進 入網絡. 新 近的 研究 有把 mesh 結構和 Ad ho c 結構同 時引入無線傳感器網 絡
[ 22]

, 構成強大接入能力的新型無線多媒體傳感器
圖 16 網絡的頻譜中斷概率 Fig. 16 The spectral outage probability of network

網絡, 適應各種環(huán)境條件和業(yè)務的需要. 無線傳感器網絡的網絡建立, 分三步處理, 如圖 15 所示. 首先是用戶終端與鄰近節(jié)點的距離和方位 估計; 其次是終端和相關節(jié)點的位置計算估計; 第三 是考慮到信號功率和接收能力, 進行終端和可用節(jié) 點的無線連接和中繼接力的定位, 構成用戶終端通 過相關節(jié)點的多跳( 或單跳) 中繼接力, 可實現經網 絡接入路由器接入后進入網絡. 確定的無線電連接 的定位結果是建立用戶終端接入網絡的路由設計的

其頻譜主瓣區(qū)的中斷概率基本低于設定門限. 這個 頻譜特性參數可以作為判定是否允許新的終端發(fā)送 進入的依據. 無線傳感器網絡的路由建立和接入協(xié)議, 也已 有相當多的研究, 但是在傳感器位置不變或相對穩(wěn) 定的情況下, 網絡布局給 定后, 經 過前述的成網 處 理, 路由和接入相對固定, 其路由建立和協(xié)議就比較 簡單, 除非傳感終端在移動. 最近提出把無線傳感與 RFID 結合的通信網絡是一種新型的無線傳感器網 絡, 由于 RFID 的移動性, 對網絡提 出了更高的 要 求, 有待進一步研究.

3
圖 15 Fig. 15 無線傳感器網絡的成網處理 The organization of wireless sensor network

結論
面對未來無線移動通信和網絡的研究發(fā)展, 特

別是上述新興技術, 整個趨勢是從近年來的單一技

第7期

新興發(fā)展的無線通信技術和網絡

743

術研究( 如 QAM 的高階調制、 DM 的正交多路、 OF 高效編解碼、 跨層設計等) 和它們的自適應調整與調 度的研究, 轉向不再局限于傳統(tǒng)的頻率、 時間、 編碼 等資源, 而是利用分布結構和分布處理, 構成分布系 統(tǒng), 在利用傳統(tǒng)資源的基礎上, 實現對空間的充分運 用. 如前所述, 充分利用空間地理分布下的分布技術 和系統(tǒng), 將可能成為未來無線移動通信的重要技術 特征. M IMO 技術、 協(xié)同通信技術、 認知技術, 都與 空間位置和 地理分 布有關, 新興 的 4G 網絡、 無線 mesh 網絡、 無線傳感器網絡, 也都是分布式網絡. 因 此, 中國科學技術大學提出研究/ 有序分布無線移動 通信0, 即未來無線移動通信是有序分布的、 彼此協(xié) 同的、 主從關聯(lián)的、 可移植復用的無線移動通信技術 和系統(tǒng), 重點研究基于空間地理位置的條件和環(huán)境, 適合未來無線移動通信的、 高效利用資源的、 分布狀 況有序的移動通信, 盡可能有效地利用和綜合上述 新興通信技術, 并應用于上述新興網絡. 我們提出了以 M IMO 技術和協(xié)同技術為基礎 的、 無線覆蓋從現有的蜂窩小區(qū)結構演變?yōu)橥膱A 的小區(qū)結構, 進而演變成具有更高的系統(tǒng)容量和傳 輸能力 的 正三 角 形小 區(qū) 結構 和 正六 邊 形 小區(qū) 結 構[ 10] , 如圖 17, 18 所示. 同時, 我們提出了有主從關 系的協(xié)同通信方法: 主從協(xié)同通信, 支持分布式多基 站協(xié)同, 構成用戶虛擬基站系統(tǒng); 同時也提出了支持 這種通信 方式的 L DC 空 時編碼 方法和 分布 編碼 方法 [ 25] . 本文試圖對近年新興的無線通信技術和無線網 絡技術的發(fā)展進行討論, 反映作者的關注重點和相 應思考, 因此, 本文不是針對未來無線通信和移動通 致謝 在本文撰寫過程中, 得到中國科學技術 大學個人通信與擴頻實驗室的邱玲教授、 周武旸教 授的支持, 在此表示感謝.
參考文獻( References) [ 1 ] D ohler M , M cLaug hlin S, laurenso n D, et al. I mplementable w ireless access for B3G netw orks Par t I : M IM O channel measur ement, analysis, and mo deling[ J] . IEEE Communications M agazine, 2007, 45( 3) : 85 92. [ 2 ] D ohler M , M cL aughlin S, Ag hvami A H. 圖 18 Fig. 18 正三角形和正六邊形小區(qū)結構 The architecture of triangular cell and hexangular cell

信的所有技術和成果進行介紹, 包括中國科學技術 大學正在研究 UWB 技術、 DP C 編譯碼、 L 無線資源 管理、 新媒體業(yè)務、 跨層設計以及 L T E 實驗系統(tǒng)等 方面的成果和進展等都沒有涉及.

特 約 評 述

I mplementable w ireless access for B3G netw orks Par t I I: M IM O receiver ar chitectur es [ J ] . I EEE Communicatio ns M ag azine, 2007, 45( 3) : 93 9 297. [ 3 ] Z hao K , Qiu L, Zhu J K . Optimizatio n and perfo rmance analysis o f zero for cing decisio n feedback detector for M I M O block fading channels with per antenna pow er contro l [ J ] . W ir eless Communicatio ns, 2006, 38( 4) : 481 493. Per so na l

[ 4 ] 陳明, 朱近康. 非理想 反饋鏈路下的發(fā) 送天線選 擇系統(tǒng) 性能分析[ J] . 電子與信息學報, 2007, 29( 2) : 296 300. [ 5 ] W ei C M , Q iu L, Zhu J K . M arg in adapt ive o pt imizatio n in mult- user M ISO OF DM system under i r ate constraint [ J] . Jo urnal of Co mmunicatio ns and N etw or ks, 2007, 9( 2) : 112 117. [ 6 ] Stauffer E, O yman O , Nar asimhan R, et al. F inite 圖 17 Fig. 17 同心圓小區(qū)結構與蜂窩結構 The architecture of concentric SN R div ersity multiplex ing tr adeo ffs in fading relay channels [ J ] . IEEE journal on Selected Ar eas in Communicatio ns, 2007, 25( 2) : 245 257. -

circular cell and traditional cell

744

中國科學技術大學學報

第 38 卷

[ 7 ] Elia P , O gg ier F , K umar P V . A symptotically optimal coo perat ive w ir eless netw orks with reduced sig na ling complex ity [ J] . IEEE jo ur nal o n Selected A reas in Communicat ions, 2007, 25( 2) : 258 -267. [ 8 ] N osrat inia A , Hunter T E. G ro uping and partner selectio n in co operativ e w ir eless netwo rks [ J] . IEEE jo ur na l on Selected A reas in Communicat ions, 2007, 25 ( 2) : 369 378. [ 9 ] N g T C Y , Yu W . Joint o ptimizatio n of relay st rateg ies and r eso ur ce a llo cation in coo per ative cellular netw o rks [ J ]. IEEE jo urnal on Selected A reas in Communicat ions, 2007, 25( 2) : 328 -339. [ 10] 呂星哉, 王 振, 朱近 康. 新 型三 角形蜂 窩小 區(qū)的 容量分 析[ J] . 電子信息學報, 2008, 30( 4) : 801 804. [ 11] Jo ndr al F K. Cog nitiv e radio : a co mmunications eng ineering view [ J] . IEEE Wireless Communicatio ns, 2007, 14( 4) : 28 33. -

報( 已錄用) . [ 16] K ibr ia M R, jamalipour A . On designing issues o f the nex t generation mobile netwo rk [ J] . IEEE Netw or k, 2007, 21( 1) : 6 13. [ 17] Bari F, L eung V C W. Automat ed netw or k selectio n in a heter og eneous wireless netw or k environment [ J ] . I EEE N etwo rk, 2007, 21( 1) : 34 40. [ 18] So ng W, Zhuang W H , Cheng Y. L oad balancing fo r cellular / W LA N integr ated netw or ks [ J ] . I EEE N etw or k, 2007, 21( 1) : 27 33. [ 19] A kyildiz I F, Wang. X D. Wang W L . W ir eless mesh netw or ks: a surv ey [ J] . IEEE Computer N et wo rks, 2005, 47( 4) : 445 487. [ 20] Skalli H, Gho sh S, Das S K, et a l. Channel assig nment str ategies for multir adio wireless mesh netw or ks: issues and solutions [ J ] . Communicatio ns, 2007, 45( 11) : 86 95. I EEE

特 約 評 述

[ 12] Sutt on P D, N o lan K E, Do yle L E. Cy clostationary sig natures in pr actical cog nitiv e r adio applications [ J] . IEEE jour nal o n Selected A reas in Communicatio ns, 2007, 26( 1) : 13 24. [ 13] Pursley M B, Ro yster T C. L ow- complex ity adaptiv e transmission fo r co gnit ive radio in dy namic spectr um access netw o rks[ J] . I EEE jo ur nal on Selected A reas in Communicat ions, 2007, 26( 1) : 83 94. [ 14] Cho wdhur y K R , A ky ildiz I F. Cog nitiv e w ir eless mesh netwo rks wit h dynamic spectrum access [ J] . IEEE jour nal o n Selected A reas in Communicatio ns, 2007, 26( 1) : 168 181. [ 15] 朱有團, 朱 近康, 唐 志華. 基于 已有頻 譜通 信信 令傳輸 的認知無線電蜂窩通信系統(tǒng)[ J] . 中國 科學技 術大學學

[ 21] 朱 近康. 無線 M esh 技 術 和 網絡 [ J] . 中興 通 訊 技 術, 2008, 14( 2) : 1 7. [ 22] A kyildiz I F, M elodia T , Cho wdury K R. wireless multimedia senso r netw or ks: a survey [ J ] . I EEE W ir eless Co mmunicatio ns, 2007, 14( 6) : 32 39. [ 23] Bouker che A , Oliveira H A B, N akamura E F , et al. L ocalization system for w ireless senso r netwo rks [ J] . I EEE W ireless Communications, 2007, 14( 6) : 6 12. [ 24] P into P C, Win M Z. Spect ral character izat ion of w ir eless netw or ks [ J ]. IEEE Wireless Communicatio ns, 2007, 14( 6) : 27 31. [ 25] Deng D, Zhu J K , Q iu L . L inear dispersio n codes w ith limited feedback [ J ] . IEICE T ransactions Communicatio ns, 2007, E90 B( 7) : 1 876 1 879. on



更多相關文檔:

現代無線通信技術的現狀分析及發(fā)展

隨著物聯(lián)網技術的不斷發(fā)展,無線網絡通信技術不斷得到升級換代,滿 足了人們生活...2.2 藍牙技術成為新興的短距離無線通信技術 龍源期刊網

無線通信技術熱點及發(fā)展趨勢

無線通信技術熱點及發(fā)展趨勢 由于無線通信網絡存在的帶寬需求和移動網絡帶寬不足的...從用戶創(chuàng)造的價值來看,歐美 發(fā)達國家的 ARPU 值遠遠超過了新興的發(fā)展中國家。從...

無線通信技術熱點及發(fā)展趨勢分析

現在的無線通信網絡和移動網絡帶寬明顯的存在著不足,在此新形勢下, 3G、手機電視、運營級以太網等一些新興的領域也逐漸的發(fā)展起來,把越來越 多的在無線通信技術...

無線通信技術熱點及發(fā)展趨勢

同技術優(yōu)勢和不足共存的矛盾,因此,決定了發(fā)展無線通信 網絡需要綜合運用各種技術...從用戶創(chuàng)造的價值來看,歐美發(fā)達國家的 ARPU 值遠遠超過了新興的發(fā)展中國家。從...

無線通信的發(fā)展歷程

加大對代表國 際發(fā)展方向的戰(zhàn)略高技術研發(fā)的支持力度, 加快培育戰(zhàn)略性新興產業(yè) ...5G 將與其他無線移動通信技術密切結合,構成新一代無所不在的移 動信息網絡,...

無線通信技術熱點及發(fā)展趨勢

發(fā)展無線通信網絡需要綜合運用各種技術手段,從全局和長遠的眼光出發(fā),采取一體化的...從用戶創(chuàng)造 的價值來看,歐美發(fā)達國家的 ARPU 值遠遠超過了新興的發(fā)展中國家。從...

無線通信技術的發(fā)展歷程與趨勢

因此,決定了發(fā)展無線通信網絡需要綜合運用各種技 術手段,從全局和長遠的眼光出發(fā)...逐步開放和市場競爭的需要,將進一步推動傳統(tǒng)的電信網絡與新興 的計算機網絡的融合...

無線通信技術的發(fā)展與無線傳感器網絡技術發(fā)展現狀

無線通信技術的發(fā)展與無線傳感器網絡技術發(fā)展現狀_教育學_高等教育_教育專區(qū)。學習...管制的逐步開放和市場競爭的需要,將進 一步推動傳統(tǒng)的電信網絡與新興的計算機...

無線通信技術的發(fā)展歷程與趨勢

技術優(yōu)勢和不足共存的矛盾, 因此, 決定了發(fā)展無線通信 網絡需要綜合運用各種技術...就我國而言,也 要借鑒歐美的經驗,在用戶數量增長放緩之前,就應提前培育新興...

物聯(lián)網綜合測試試題及答案

A.無線通信網 B.傳感器網絡 C.互聯(lián)網 D.有線...存儲技術 13、 ( A )技術是一種新興的近距離、...城市化率也 是衡量一個國家發(fā)展的重要指標。但是在...

更多相關標簽:

  本文關鍵詞：新興發(fā)展的無線通信技術和網絡，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。