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摘要　目前，國際上針對B3G（IMT-Advanced）技術(shù)的研究已經(jīng)取得了一系列重要的進展。簡要介紹了國際B3G研究工作的進展情況，并通過對B3G的新頻譜特性、物理層以及網(wǎng)絡(luò)層的技術(shù)發(fā)展趨勢等方面的分析，闡述了筆者對未來無線通信發(fā)展趨勢的觀點。

1、國際B3G研究工作進展

　　B3G技術(shù)的研究從20世紀末3G技術(shù)完成標準化之時就開始了。2006年，ITU-R正式將B3G技術(shù)命名為IMT-Advanced技術(shù)（3G技術(shù)名為IMT-2000）。根據(jù)原定的工作計劃，IMT-Advanced的標準化已經(jīng)“近在眼前”。ITU-R將在2008年2月向各國發(fā)出通函，向各國和各標準化組織征集IMT-Advanced技術(shù)提案。IMT-Advanced技術(shù)需要實現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)率和更大的系統(tǒng)容量，目標峰值速率為：低速移動、熱點覆蓋場景下1 Gbit/s以上；高速移動、廣域覆蓋場景下100 Mbit/s以上。

　　國際上針對IMT-Advanced的研究已經(jīng)取得了一系列重要的進展。日本NTT DoCoMo公司已經(jīng)通過4×4和12×12多天線MIMO技術(shù)在100 MHz帶寬下分別驗證了1 Gbit/s（室外試驗）和5Gbit/s的峰值傳輸速率，在硬件實現(xiàn)方面處于世界領(lǐng)先位置。歐盟第6框架研究項目WINNER自2004年啟動以來，吸引了歐洲各主要通信設(shè)備商。第一階段（PhaseⅠ）已于2005年底完成，就各種B3G關(guān)鍵技術(shù)進行了廣泛的調(diào)研，形成了系統(tǒng)化的研究結(jié)論；將于2007年底完成的第二階段（Phase Ⅱ）將完成系統(tǒng)設(shè)計和性能評估，形成完善的技術(shù)方案；2008年開始的第三階段（Phase Ⅲ）將進行演示系統(tǒng)的開發(fā)和實驗。同時，歐盟大力支持的世界無線研究論壇（WWRF）已經(jīng)成為國際B3G技術(shù)交流的主要平臺之一。另外，日本和韓國也分別成立了mITF論壇和NGMC論壇，推廣自己的B3G研究成果。

　　目前，各標準化組織均在正式或非正式地開展針對IMT-Advanced的預研。3GPP的長期演進（LTE）技術(shù)已經(jīng)具有部分B3G技術(shù)的特征，該項目將于2007年底完成，預計將在2008年對LTE進一步演進，形成歐洲IMT-Advanced技術(shù)提案的一個重要來源。3GPP2已于2007年完成超移動寬帶（UMB）系統(tǒng)的標準化工作，并開始醞釀針對IMT-Advanced的研究。IEEE在2006年12月終于批準了802.16m的立項申請（PAR），此項目將在IEEE 802.16e（WiMAX技術(shù)）的基礎(chǔ)上開發(fā)滿足IMT-Advanced需求的技術(shù)方案。

　　2006年，數(shù)家國際移動通信運營商聯(lián)合成立了下一代移動網(wǎng)絡(luò)（NGMN）論壇，試圖引領(lǐng)新一代寬帶移動通信的走向。目前NGMN白皮書已經(jīng)初步成型，對各國以及各標準化組織的研究和標準化工作產(chǎn)生了重大影響。

2、B3G無線通信技術(shù)的發(fā)展趨勢

　　2003年以來，WiMAX和演進型3G（E3G）技術(shù)（包含3GPP LTE和3GPP2 UMB技術(shù)）的發(fā)展已經(jīng)體現(xiàn)了未來B3G技術(shù)的一些發(fā)展趨勢。通常認為，這些技術(shù)趨勢會延續(xù)到B3G時代。另外，由于B3G可能應(yīng)用于一些新的頻譜，技術(shù)的選擇和系統(tǒng)的設(shè)計也會受到這些新頻段的特性的影響。就目前看來，B3G無線通信技術(shù)的發(fā)展可能體現(xiàn)在如下幾個方面。

　　2.1　新頻譜特性的影響

　　一方面，由于B3G技術(shù)對高數(shù)據(jù)率、高容量的需求而對頻譜提出了很高的需求。據(jù)粗略估計，新頻譜的需求量在數(shù)百MHz至1 GHz以上。另一方面，2G和3G移動通信系統(tǒng)的發(fā)展已經(jīng)占用了大部分2 GHz以下最適合移動通信發(fā)展的頻譜。因此，除了充分重用2 GHz以下的已用頻段并進一步發(fā)掘2～3 GHz的可用頻段以外，大多數(shù)所需頻譜需要從傳統(tǒng)上的非移動通信頻段中尋找。

　　就目前看來，可以從兩個方向?qū)ふ倚碌念l譜，即向高頻段和低頻段尋找。在低頻段方向，未來用于B3G技術(shù)的潛在頻譜可能來自傳統(tǒng)的廣播電視頻段（862 MHz以下）。由于廣播和電視業(yè)務(wù)從模擬化向數(shù)字化的轉(zhuǎn)變，大大提高了頻譜效率，從而可以節(jié)省大量的頻譜。這些節(jié)省的頻譜可以用于無線移動通信，但由于各國廣播電視數(shù)字化的時間表不同，此頻段可用于移動通信的時間也不相同。在高頻段方向，B3G系統(tǒng)將可能使用3.4～5 GHz的一些頻段，這些頻段是B3G，系統(tǒng)賴以獲得高容量的主要頻譜。

　　862 MHz以下頻段比2 GHz頻段更適合移動通信應(yīng)用，因此不會對B3G系統(tǒng)的技術(shù)選擇和設(shè)計提出更高的要求。但3.4 GHz以上頻段的頻譜特性會對B3G系統(tǒng)的技術(shù)選擇和設(shè)計產(chǎn)生重大影響。通常認為，高頻段的覆蓋能力以及對高速移動的支持能力較弱，因此更適合用于低速移動的高容量熱點接入應(yīng)用。而在高頻段的典型應(yīng)用場景（低速移動的熱點覆蓋）下，B3G系統(tǒng)可以進行更優(yōu)化的設(shè)計，例如多址技術(shù)、MIMO技術(shù)的選擇，參數(shù)的優(yōu)化、導頻的設(shè)計及控制信道的設(shè)計等。

　　針對高頻段支持非視距（NLOS）傳輸?shù)哪芰?，學術(shù)界并未得出明確的研究結(jié)論。傳統(tǒng)觀點認為，高頻段的穿透損失明顯大于低頻段，很難支持NLOS傳輸。如果基于這樣的判斷，高頻段就很難支持室外到室內(nèi)的覆蓋，必須依賴大量的室內(nèi)覆蓋。但也有研究成果認為，高頻段的穿透能力未必像想像的那樣差，而是和建筑物的材質(zhì)有關(guān)。對于寫字樓等具有厚重外墻的建筑，無論對于哪個頻段，室內(nèi)的接收功率都主要來自于門窗的透射，而高頻段穿透透明的玻璃材質(zhì)的能力可能甚至高于低頻段。因此應(yīng)首先明確高頻段信道模型，才能確定高頻段系統(tǒng)的優(yōu)化方法。

　　另外，由于一個B3G系統(tǒng)可能同時使用多個頻段（包括低頻段和高頻段），系統(tǒng)應(yīng)能智能地在多個頻段之間動態(tài)地調(diào)度、漫游和切換。

　　2.2　物理層的發(fā)展趨勢

　　2.2.1　多址技術(shù)的發(fā)展趨勢

　　WiMAX和E3G技術(shù)的研究已經(jīng)體現(xiàn)出明顯的“多址技術(shù)正交化”的趨勢。眾所周知，CDMA技術(shù)更適合在低信噪比區(qū)域提高功率效率，而OFDMA技術(shù)則更適合在高信噪比區(qū)域提高頻譜效率。以WiMAX、LTE、UMB為代表的E3G技術(shù)由于從話音業(yè)務(wù)（功率效率更重要）為主轉(zhuǎn)向側(cè)重數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)（頻譜效率更重要），因此用OFDMA技術(shù)替代了CDMA技術(shù)。但這并不意味著OFDMA適合解決所有移動通信中的問題。實際上，在一個蜂窩移動通信系統(tǒng)中，頻譜受限和功率/干擾受限的場景都存在。例如在小區(qū)中心，信干比較高，功率充足的情況下，應(yīng)注重提高頻譜效率，以實現(xiàn)更大的系統(tǒng)容量；但在小區(qū)邊緣，相鄰小區(qū)干擾比較嚴重的情況下，系統(tǒng)功率受限，應(yīng)注重提高功率效率，以提高小區(qū)邊緣的數(shù)據(jù)率。

　　因此，除了采用某些補充性的小區(qū)間干擾消除技術(shù)外，可以將OFDMA和CDMA技術(shù)有機結(jié)合，靈活切換，以便在不同的場景下?lián)P長避短，靈活提高系統(tǒng)的頻譜效率和功率效率，取得均衡的系統(tǒng)性能。

　　由于OFDM在頻域傳輸?shù)奶匦?，造成OFDM發(fā)射機的峰值平均功率比（PAPR）較高，需要大線性范圍的功放，且耗電較高，從而對移動終端在上行的應(yīng)用造成了很多限制。為了解決這個問題，除了可以在OFDMA基礎(chǔ)上采用削波、預留子載波等方法外，也可以采用線性預處理的方法。LTE上行目前采用的DFT-S-OFDM就是在OFDM的反快速傅立葉變換（IFFT）操作前增加了一個離散傅立葉變換（DFT），將OFDM的頻域信號恢復到時域，從而降低PAPR。

　　在OFDMA基礎(chǔ)上進一步提高系統(tǒng)容量也是一個改進的方向。主要的思路是在OFDM的基礎(chǔ)上再疊加非正交的多址技術(shù)，使多個用戶可以共享相同的時頻資源。其中一個例子是利用多天線技術(shù)實現(xiàn)空分多址（SDMA）。

　　2.2.2　MIMO技術(shù)的發(fā)展趨勢

　　MIMO技術(shù)作為寬帶移動通信的另一項關(guān)鍵技術(shù)，也已經(jīng)被E3G系統(tǒng)廣泛采用，但隨著人們對各種MIMO技術(shù)的研究逐漸深入，正在不斷完善對這一技術(shù)的設(shè)計和使用。

　　當前正在研究的MIMO技術(shù)廣泛使用了“閉環(huán)技術(shù)”，如閉環(huán)預編碼（precoding）技術(shù)和波束賦形（beamforming）技術(shù)等。這類技術(shù)可以利用接收端反饋的MIMO信道的先驗信息，通過預編碼矩陣調(diào)制MIMO的發(fā)射信號，以靈活地根據(jù)信道條件調(diào)整并行流的數(shù)量，并將能量集中在特定的“方向”，以獲得最佳的MIMO傳輸效果。在FDD系統(tǒng)中，信道的先驗信息可以通過對MIMO信道的測量獲得，并通過反饋信道傳遞給發(fā)送端。為了降低反饋開銷，通常采用碼本（codebook）的方式進行反饋。在TDD系統(tǒng)中，由于上下行信道具有對稱性，可以通過上行信道測量獲得下行預編碼所需的MIMO信道信息，即通過非碼本（non-codebook）的方式實現(xiàn)閉環(huán)反饋。

　　波束賦形由于天線間距小，可以更好地利用天線之間的相關(guān)性，集中能量，獲得賦形增益，實現(xiàn)很好的覆蓋。因此閉環(huán)預編碼技術(shù)更適合在微小區(qū)和室內(nèi)覆蓋場景下獲得更高的數(shù)據(jù)率。而波束賦形在覆蓋方面的優(yōu)勢在室外宏小區(qū)環(huán)境下顯得更為重要。

　　但在某些情況下，信道信息是很難先驗獲得的。例如對于高速移動的終端，信道信息的反饋頻率跟不上信道的變化。對于公共信道和廣播信道，通常只能采用全向發(fā)射，也無法采用閉環(huán)預編碼或波束賦形技術(shù)進行傳輸。因此必須采用不依賴閉環(huán)反饋的開環(huán)MIMO技術(shù)。其中，公共和廣播信道主要注重傳輸?shù)逆溌焚|(zhì)量，但對頻譜效率要求不高，可以采用開環(huán)發(fā)射分集技術(shù)，充分利用多天線之間的分集增益。

　　2.2.3　編碼技術(shù)的發(fā)展趨勢

　　在信道編碼方面，對LDPC碼的使用始終讓業(yè)界猶豫不決，主要原因是LDPC碼的性能并沒有比Turbo碼提高很多。這種情況下很難讓人們下決心替換熟悉的、成熟的、經(jīng)過實踐檢驗的Turbo碼。但B3G的新需求給了大家再次考慮采用LDPC碼的機會。由于B3G系統(tǒng)的帶寬將大幅提高，數(shù)據(jù)塊的尺寸越來越大，LDPC碼在處理大碼塊方面的優(yōu)勢將變得愈發(fā)明顯。因此可以考慮將LDPC碼和Turbo碼配合使用，在寬帶傳輸方面提高系統(tǒng)性能。

　　2.2.4　小區(qū)間干擾抑制技術(shù)

　　小區(qū)邊緣和小區(qū)中心的性能差異，在B3G系統(tǒng)中仍將是重大的難題。由于多天線技術(shù)的使用可以提高小區(qū)中心的數(shù)據(jù)率，卻很難提高小區(qū)邊緣的性能。小區(qū)邊緣由于信干比較低，很難支持多流傳輸。因此隨著系統(tǒng)采用的天線數(shù)量的增多，小區(qū)中心的性能可能不斷提高，但小區(qū)邊緣的性能卻很難提高，在小區(qū)中心可以使用的高階調(diào)制方式也很難在小區(qū)邊緣使用，造成小區(qū)中心和小區(qū)邊緣的性能差異越來越大。因此在未來的B3G系統(tǒng)設(shè)計中，抑制小區(qū)間干擾技術(shù)對系統(tǒng)整體性能的提升將起到更關(guān)鍵的作用，也將面臨更大的挑戰(zhàn)。

　　更好的小區(qū)間干擾抑制效果可以通過更有效的干擾協(xié)調(diào)和干擾消除技術(shù)取得，也可以通過CDMA和OFDMA的結(jié)合取得，即利用CDMA的小區(qū)間多址能力，使用聯(lián)合檢測消除小區(qū)間干擾。

　　2.2.5　中繼（Relay）和分布式天線技術(shù)

　　一方面，B3G系統(tǒng)提出了很高的系統(tǒng)容量要求；另一方面，可供獲得此容量的大帶寬頻譜可能只能在較高頻段取得，而這樣高的頻段的路損和穿透損耗可能都較大，很難實現(xiàn)好的覆蓋。除了使用基于基站的OFDMA、MIMO、智能天線、發(fā)射分集等技術(shù)擴大覆蓋范圍外，還可以采用Relay技術(shù)和分布式天線技術(shù)改善系統(tǒng)容量和覆蓋。

　　中繼系統(tǒng)的設(shè)計首先是一個幀結(jié)構(gòu)設(shè)計問題，也即系統(tǒng)需要依靠一個精心設(shè)計的幀結(jié)構(gòu)在基站中繼站和中繼站終端兩個鏈路之間合理地分配時隙資源，協(xié)調(diào)兩個鏈路的傳輸。另外，由于引入中繼站相當于引入了一個新的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，這個新的節(jié)點的物理層能力以及物理過程的設(shè)計都需要重新考慮。

　　在最簡單的兩跳Relay的基礎(chǔ)上，還可以擴展到多跳Relay，即在基站和終端之間插入多于一個中繼站，這種情況下幀結(jié)構(gòu)的設(shè)計和資源分配會更為復雜。在簡單的點對多點Relay的基礎(chǔ)上，也可以考慮兩個中繼站的直接通信，即網(wǎng)格（Mesh）Relay。除了將一個中繼站看作一個獨立的發(fā)射站外，還可以在多個中繼站或在中繼站與基站之間作聯(lián)合發(fā)送/接收，即協(xié)調(diào)Relay。

　　2.2.6　多媒體廣播多播（MBMS）技術(shù)

　　MBMS業(yè)務(wù)相對單播移動寬帶業(yè)務(wù)而言，實現(xiàn)起來更為簡單，又可以支持有潛在廣泛用戶基礎(chǔ)的手機電視業(yè)務(wù)，因此受到越來越廣泛的關(guān)注。廣播系統(tǒng)中，不同小區(qū)發(fā)送相同的數(shù)據(jù)，相鄰小區(qū)的信號和本小區(qū)的信號可以在空中自然地有效疊加，是有益的信號分量，系統(tǒng)可以通過宏分集合并提高接受性能。這種多小區(qū)合并的方式又稱為單頻網(wǎng)（SFN）方式。為了獲得SFN合并效果，OFDM系統(tǒng)需要進行一定程度的重新優(yōu)化。如采用較長的CP以避免由于傳輸時延差造成的自干擾，采用更小的子載波間隔（考慮MBMS業(yè)務(wù)的主要用戶處于低速移動場景）以取得更高的頻譜效率等。另外，MBMS系統(tǒng)的物理層配置、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、用于MBMS的MIMO技術(shù)等，也是MBMS系統(tǒng)的重要研究課題。

　　2.3　網(wǎng)絡(luò)層的發(fā)展趨勢

　　目前看來，B3G將采用的物理層技術(shù)大部分已經(jīng)在WiMAX和E3G標準化中得到了廣泛研究，因此B3G技術(shù)的研究中心可能會轉(zhuǎn)向網(wǎng)絡(luò)層，即如何針對新的物理層技術(shù)（如OFDMA、MIMO）進一步優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)層設(shè)計，充分發(fā)揮這些物理層新技術(shù)的潛力，真正實現(xiàn)整個系統(tǒng)的性能最大化。

　　另外，根據(jù)B3G的新需求，還要考慮未來網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢。

　　在E3G系統(tǒng)中，已經(jīng)體現(xiàn)出無線接入網(wǎng)絡(luò)（RAN）的扁平化趨勢。3GPP LTE取消了UMTS網(wǎng)絡(luò)中的無線網(wǎng)絡(luò)控制器（RNC）節(jié)點，實現(xiàn)了單層節(jié)點的RAN結(jié)構(gòu)。這一結(jié)構(gòu)要求大大增強了基站的能力，并通過分布式的方法實現(xiàn)了基站之間的協(xié)調(diào)操作（如小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)）。但由于B3G系統(tǒng)在頻譜共享、多頻段操作、異構(gòu)切換等方面提出了更高的要求，需要更大量的網(wǎng)內(nèi)協(xié)調(diào)。在上述扁平化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下如何實現(xiàn)更有效的中央控制和協(xié)調(diào)，還有待于進一步研究。

　　另外，Relay的引入也會對網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)產(chǎn)生重大的影響。由于中繼站的引入實際上是在基站之下增加了新的網(wǎng)元，因此基站成為了新的“中央控制節(jié)點”。中繼站或分布式基站的能力大小尚不明確，如果他們的能力和基站相仿（即實際上是“小基站”），是否會和網(wǎng)絡(luò)扁平化的趨勢有沖突，也有待于進一步研究。

　　隨著網(wǎng)絡(luò)的扁平化，運營商對網(wǎng)絡(luò)的自規(guī)劃、自配置、自優(yōu)化的需求也逐漸顯現(xiàn)。即要求基站在架設(shè)后可以自動測量、感知周圍的無線環(huán)境和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，自動配置系統(tǒng)參數(shù)、自動組成網(wǎng)絡(luò)。在此基礎(chǔ)上，也提出了“家庭基站”（Home Base Station）的概念。

　　在B3G階段，國際漫游將變得越來越重要。B3G系統(tǒng)是否能實現(xiàn)全球統(tǒng)一的空中接口標準，目前尚不明確。如果仍出現(xiàn)類似于3G時代的多標準并存的局面，國際間漫游會成為一個難題。在這方面，軟件無線電技術(shù)可能會起到重要的作用。這種技術(shù)可以通過可配置軟件實現(xiàn)對多種無線技術(shù)制式的支持，以實現(xiàn)國際間漫游和切換。

3、結(jié)語

　　文章介紹了國際B3G技術(shù)的研究情況和B3G無線通信技術(shù)的幾個發(fā)展趨勢。當然，技術(shù)的發(fā)展方向也不是一成不變的，而是隨著人們對無線通信業(yè)務(wù)需求的不斷增長和對無線通信技術(shù)理解的加深，不斷調(diào)整和變化的。B3G技術(shù)標準化最終會形成一個什么樣的B3G系統(tǒng)，相信在未來3～5年的時間內(nèi)，我們就會得到答案。