新兴发展的无线通信技术和网络

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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

文章编号: 0253 2778( 2008) 07 0735 10 -

新兴发展的无线通信技术

和网络
朱近康
( 中国科学技术大学个人通信与扩频实验室, 安徽合肥 230027)

摘要: 针对无线移动通信面临的发展需求和技术挑战, 分析讨论了近年新兴发展起来的无线移动通 信技术和网络, 重点综合评述了以多输入输出( M IM O) 、 协同通信、 认知无线技术等为代表的新兴 无线通信技术, 和以第四代移动通信网络、 无线 mesh 网络、 无线传感器网络等为代表的新兴无线 网络, 最后简要说明我们的相关研究和进展. 关键词: 无线通信; 多输入输出; 协同通信; 认知无线技术; mesh 中图分类号: T N929 文献标识码: 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 约 评 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 体业务服务. 在此迅速发展中, 未来无线移动通信技 术与网络的研究和标准化建设就成为众所关注和大 力研究的重点. 一些令人兴奋的新兴技术和新兴网 络的出现, 成为研究开发的热点, 也为面临极大需求 和重大研究开发的无线移动通信注入了活力.

0

引言
目前, 无论是移动电话还是无线接入, 无线移动

通信从模拟电子技术的第一代、 数字技术的第二代, 已经进入第三代, 形成自适应技术有效应用的多媒

收稿日期: 2008 - 15; 修回日期: 2008 - 28 -05 -05 基金项目: 国家自然科学基金( 60572066) , 华为基金资助. 作者简介: 朱近康, 中国科学技术大学教授、 博士生导师, 中国科学技术大学个人通信与扩频实验室主任. 现主要从事无线移动通信、 通信信号处理、 无线网络和相关协议的研究. E ail: jkz hu@ us tc. edu. cn -m

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以 3GPP 组织推动的后第三代( B3G) 的长期演 进安排 ) ) ) L T E, 是将来发展的 方向, 从 已经采纳 的一些标准化建议看, 其主要的技术发展趋势是: 从 现在的 电信 网 络过 渡到 将 来 的 IP 移动 网 络 ( 如 BT S 功能化, 网络结构扁平化等) , 从现有的每秒几 兆数据速率发展到将来的每秒几十甚至上百兆数据 速率( 如自适应高效调制与编码, 信道准确估计的自 适应等) , 从现有的集中传输处理发展到将来的分布 传输处理( 如 M IM O 技术, mesh 技术等) , 从现在的 单发业务通信发展到将来的并行多发业务( 如视频 业务, 游戏业务, 多播业务等) . 以 IT U 组织推动的 IMT- advanced( 4G 也即第 四代移动通信) 标准化研究, 从技术研究开发和应用 来说, 很多方面与 L T E 好像没有什么区别, 特别是 L T E 有不断演进推出不同时期的不同要求的长远

率, 就必须利用一切可能的资源: 频率、 时间、 编码、 功率、 空间等. 其中, 空间 资源还没有有效利用, 是 4G 可能开发利用的新天地. 充分利用空间地理分布 下的分布技术和系统, 将可能成为未来无线移动通 信的重要技术特征. 基于分布结构和分布处理的相 关技术, 如近年发展起来的 M IMO 技术、 协同通信 ( coo perat iv e comm unicat ions, CC) 、 认知无 线技 术 ( cog nit ive r adio t echnolog y) 、 mesh 网络技术等, 在 资源的充分调度和利用、 处理能力的综合与提高、 传 输能力和性能的改善等方面十分有效、 突出, 是新兴 的无线移动通信技术.

1

新兴的无线移动通信技术
近几年, 无线移动通信的技术研究和发展十分

特 计划, 最终, 两者可能会走到一起. 从目前的研究看, 约 两者的目标和重点还是有些不同. 3GPP 更多地是 评 述
从现有应用出发, 尽量平滑过渡; 而 4G 首先是从拓 展可用频谱资源开始, 研究将来可支持上千兆数据 速率需要的可用资源和技术, 同时积极吸纳创新技 术和系统建议, 评估将来可用方法和技术, 力争实现 频谱效率达 10 bit / ( H z1 s) , 数据速率达1 000 M bps 的无线移动通信. 随着国家重大专项/ 新一代宽带无线移动通信 的研究开发0的启动, 我们国家紧跟未来无线移动通 信发展 的研发 要求, 提出 T D SCDM A 往 L T E 和 4G 的演进, 这是 中国对 4G 技 术和网 络标准 化的 贡献. 面对众多的各种各样的无线移动通信技术和网 络的进展, 值得我们特别关注的重点是从无线移动 通信发展的技术演进历程来分析未来的第四代的基 本技术特征. 第一代移动通信系统是使用模拟技术 的系统, 由于提出了蜂窝小区结构、 终端移动管理、 漫游与切换等技术, 实现了在移动中通信、 通信中移 动; 第二代移动通信系统是使用数字技术的系统, 基 于数字信号处理技术和专用芯片, 尽量采用软件处 理, 实现了设备的小型化和大量用户接入, 特别是手 机的小型化和多样性, 使移动通信迅速普及; 第三代 移动通信是充分应用自适应技术实现宽带高速的通 信系统, 调制自适应、 编码自适应、 信道自适应、 接入 自适应、 业务自适应等, 实现了传输链路和通信系统 的高效率. 在这些技术和系统基础上发展的第四代 移动通信, 若要实现如上所述的更高宽带和更高速

迅速, 各种各样的新方法不断涌现, 各种现有方法不 断翻新, 与分布技术和分布处理紧密相关、 能极大增 强容 量 和效 率、 广阔 应 用前 景 的, 可 能要 首 选 有 M IM O 技术、 协同通信技术和认知无线技术. M IMO 技术, 是 多天线输入多天 线输出技术. 它充分利用天线输入输出的无线衰落信道特性, 不 同天线有不同无线信道传播特性, 独立随机, 实现多 天线并行多信道高速传输. 其原理如图 1 所示, M 个发送天 线( S 1 , S 2 , ,, S M ) , N 个接 收天 线( R 1 , R 2 , ,, R N ) , 从第 i 个发送天 线到第 j 个接收天 线 的信道传递特性是 W ij , 则有如下多天线发收的 转 移关系 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)

图1 Fig. 1

MIMO 原理图

The schematic diagram of MIMO

显然, 要从式( 1) 的接收信号, 求解发送来的信号, 从

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数学手段出发, 需实现如下逆运算 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, 我们能够得到 M 个天线发来的信号, 有 S= W R
-1 -1 -1 -1

( 2) W M1 W M2 s S1

形成终端虚拟多天线, 形成 M IMO 系统, 如图 2 所 示. 如果基站是 4 个天线, 那么只有一个天线的终端 加 上 3 个 relay 终 端, 共 4 个 天线, 构 成 4 * 4 的 M IM O 系统, 实现式( 3) 的正交性比较容易, 只要调 整选择最接近下式的 3 个 r elay 终端和参数, 即选择 最适合的 W ij ( i , j = 2, 3, 4) , 就能实现并行高速 传 输. 虽然 relay 处理会增加系统一些额外开销, 但在 分布系统状态下, 多数情况能实现多路通信, 获得更 高的系统容量( 如图 3 所示) , 能在低信号中断概率 下容纳大量用户终端工作. 即使不能完全正交, 由于 能提供附加的分集增益, 信噪比和误码率都会得到 明显改善[ 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

在实际处理中, 由于多天线阵列的无线信道传 播特性( 式( 1) ) 是随信道起伏随时变化, 经常无法给 出如式( 3) 结果的信道特性逆矩阵, 只能尽量做出部 分正交的结果, 即 W W U
-1

0 0 1 0 0 1 0 0

特 约
( 6)

评 述

I A I

a Aa

( 5)

这样, 可以利用干扰对消或天线选择技术, 对于非正 交部分实现有通信质量保证的部分多路高速通信. 由于 M IM O 技术极大地依赖于多天线间的信 道传播特性, 有众多问题值得研究, 过去几年在基础 和方法研究上取得了相当可喜的成果, 近年已经开 始走向实际应用性研究. 其代表性的是由英国的大 学牵头联合各大公司和运营商的欧洲 mo bile VCE ( V ir tual Cent re of Ex cellence in M obile) 的研究, 针 对 M IM O 技术面向 B3G 的基本问题 和研究重点, 比较集中在对新的无线传播环境( 从 5 GH z, 7 GH z 到 24 GH z 的载波频率, 100M H z 以上的带宽) 的测 量、 估计和信道模型的建立, 特别有效地对繁杂的收 发矩阵的运算简化和技术实现, 能提高容量的空间 分集方法, 支持高速率的室内分布天线系统, 对多路 并行传输与分集综合的资源调度和管理等课题上, 预计 2010 年底完成[ 1] . 欧洲 mo bile VCE 在 M IM O 收发技术的 研究 中, 针对分 布式天线 提出了虚 拟天线阵 列( virt ual ant enna ar ray s, VAA ) 概 念, 并 进 行了 深入 研 究. VAA 由一个多天线的基站和它覆盖的多个终端组 成, 并且终端间有中继转发( r elay ) 功能, 这样可以 中国科学技术大学对 M IM O 技术的研究和贡献主 要集中在多用户 M IMO 技术上, 有基于全反馈和有

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限反馈的多天线选择处理方法, 形成正交或准正交 的虚拟定向波束, 实现多路与分集通信[ 3, 4] ; 有多用 户 M IM O 系统条件受限情况下的最佳化设计和处 理方法 等. 另一 项新 兴 无 线 移动 通 信 技 术 是协 同 通 信 ( CC) , 它是基于用户和站点间, 由于信道特性、 功率 限制、 覆盖状况、 高速需求等不同原因, 单一直接通 信困难, 需要借助邻近站点或周边用户中继、 协同与 分集, 实现可靠传输的通信. 前述的虚拟天线阵列, 就是协同通信的应用之一. 协同通信是分布无线通信系统最基本的通信技 术, 其基本信道模型是如图 4 所示的 relay 信道, 某 一终端用户( X ) 离站点较远或衰落严重, 仅仅靠一 个信道( h X D ) 直接传输已 经不能保证有效通 信, 甚 至会中断, 而在临近站点( relay 1) 中继协 助下, 通 过分集和多路处理, 通信能力能得到明显改善. 如果
图5 relay 信道的多路增益与分集增益 Fig. 5 The mult- path gain and diversity gain of relay channel i
[ 5]

构, 理论上可行, 但实际应用考虑较少. 目前, 实 现 relay 处理的方法比 较简单, 有 放大转 发( amplify to forward, AF) 和 解 码 转 发 ( decode to - -forward, DF) , 通常情况在 relay 接收信号较好时采用 AF 处 理, 信号较弱时使用 DF 处理[ 7] . Relay 的资源分配 方法最常见的是功率分配和频率分配, 进一步的研 究有考虑物理层和上层结合的跨层处理方法和考虑 relay 分组处理方法[ 8] . 文献[ 9] 研究了对面向 B3G LT E 移动通信的 OFDM A 系统, 采用 relay 通信的 实际系 统上 下 行 通 信 的 总 容量. 系 统 总 带 宽 80 M H z, 256 个子载波的 OFDM , 每个子载波频带 为 312 5 kH z, 在频率选择性衰落信道下模拟. 结果表 1

特 约 relay 1 的 传 输处 理 表示 为 R 1 , 那 么图 4 的协 同 评 relay 通信的接收信号为 Y , 则有 Y = h X D X D + h RD R 1 hX R X R ( 7) 述

图4

协同 relay 通信原理图

明, 采用一个 relay 站可以获得 239 9 M bps 的系统 1 总容量, 比常规方式的 224 M bps, 增大 7 1% ; 采用 1 三个 relay 站可以获得 4891 7 Mbps 的系统总容量, 比常规方式的 4521 1 Mbps, 增大 8 3% . 1 随着无线分布技术的发展, 将协同通信技术在 上述用户终端彼此协同转发的基础上, 扩展到多基 站的协同通 信, 如图 6 所示. 蜂窝 小区交叉重叠 覆 盖, 终端用户在小区边缘, 受限于 信号功率和信 干 比、 仅与一个基站连接不能实现可靠通信时, 让邻近

Fig. 4 The schematic diagram of cooperative relay

式中, X D 是终端用户通过直接信道传送 给站点的 信息, X R 是通过 relay 信道传 送给的信息. 信息理 论能够证明, 这种协同 relay 信道的联合 信道的最 大容量为 I max [ 2I X D , if X D = X R , I X D = I X R ( 8) 实际应用过程中, 完全实现最大多路并行传输 是做不到的, 常常是多路并行与分集处理相结合, 根 据信道特性, 在多路和分集之间折中. 图 5 给出了在 不同信噪比情况下, X D = X R = 1/ 2 时, 多路增益与 分集增益之间的变化关系[ 6] . 近年来, 协同通信应用到蜂窝移动系统中, 研究 relay 站的选择、 实现 r elay 处理、 分配资源等, 以实 现尽量大的系统容量和 传输特性. 对 r elay 站的选 择: 一般考虑一个 relay 站, 构成如图 4 的基本结构; 考虑两个 r elay 站, 可构成三路收发; 考虑三个 relay 站, 可构成四路收发; 超过三个以上的 r elay 通信结

图6 Fig. 6

多基站的协同通信

Cooperative communication of mult- BSs i

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基站作为 relay 站点, 协同通信处理, 成为分布无线 移动通信的研究热点. 对图 6 的三个基站小区交叉 的蜂窝系统, 有近一半区域交叉覆盖, 在交叉覆盖区 采用三基站协同通信的新型小区结构下, OFDM 系 统的仿真结果的系统平均容量, 性能提高 明显[ 10] , 如图 7 所示.

图9 Fig. 9

认知无线电通信的系统结构

The sketch of cognitive radio system

发现可用频谱空洞, 经与频谱先验数据库的知识比 对, 频谱判决器作出频谱空洞应用的决策, 再给出指 令控制软件无线收发器工作
[ 11]

.

对认知无线电的研究, 基本上分为两方面: 一是 管理上的. 认知使用空闲频谱带来的管理策略、 商业
图 7 三基站协 同的系统性能 Fig. 7 The system perf ormance of 3 BSs cooperation

规范、 行为准则等; 二是技术上的. 发现和利用频谱. 最近, 基于认知无线电技术发展起来的动态频谱接 入技术, 是认知技术在移动通信中应用的新进展, 主 要包括: ? 频谱感知. 其中利用信号周期谱理论和方 法, 对信号作频谱发现和状态分析, 是一种有效的方 法, 文献[ 12] 给出了对 QP SK 和 QAM 的 OFDM 信 号的分析识别结果, 0 dB 下的识别概率大于 98% ; ?传输技术. 对动态频谱接入的收发传输技术, 从不 同角度有众多研究, Pursley 等提出了利用认知技术 对链路不确知且有明显时变传播损耗情况的自适应 发 送 接 收, 可 实 现 很 接 近 于 理 想 结 果 的 系 统 容 量
[ 13]

特 约 评 述

认知无线电技术是在频谱资源日益紧缺、 无线 通信需求急剧上升的情况下, 出现的又一新兴技术, 是在软件无线电技术基础上, 适应多频段多制式无 线移动通信发展的需求, 采用频段扫描和信号识别 方法, 检测和认知已分配频段的应用状况, 临时借用 空闲频段进行通信的技术. 显然, 采用这种技术方法 能大大提高频谱的利用效率, 拓展和提供更多可用 的频带资源, 满 足无线移动通信 更高速、 更宽带的 需求. 认知无线电技术的基本原理如图 8 所示. 利用 一个带宽为 B 的循环扫描频谱信号, 对整个有兴趣 和潜在应用可能的频带进行扫描, 获取信号强度低 于噪声门限的频谱空洞, 从而依据借用规则利用空 洞频谱实现通信. 认知无线电通信的收发结构如图 9 所示. 由频谱扫描检测器、 频谱先验数据 库、 应用 频谱判决器、 软件无线收发器构成, 频谱扫描检测器

, 如图 10 所示; ?MAC 协议和成网技术. 文献

图 10 认知技术的自适应收发结构 图 8 认知无线 电基本原理图 Fig. 8 The schematic diagram of cognitive radio Fig. 10 The adaptive transceiver architecture of cognitive technology

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图 11 Fig. 11

信令与业务传输分离通信的信号帧格式

The frame structure which separate the transmission of signaling and traffic 表 1 无线移动网络的评估参数表 Tab. 1
C B/ %

特 约 评 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] 给出了实现动态频谱接入的认知 m esh 网络, 把频谱感知、 传输状况和媒体数据调度需求结合起 来分析, 确定 动 态频 谱 利用 和 信道 分配, 特别 是 mesh 无线信道的频谱分配和资源调度, 解决现行网 络在业务繁杂情况下经常出现拥塞的问题. 考虑到 未来无线移动通信对频谱的极大需求和零散分配的 可能, 中国科学技术大学提出了一种利用认知技术 实现零散频谱资源综合利用的方法, 这是把信令传 输和业务传输相分离的通信方式, 即将公共信令建 立在授权频谱传输、 媒体业务建立在认知频谱传输, 彼此分开, 能有效利用所有可能频谱资源 , 图 11 显示了这种通信方式的基本信号帧格式设计.
[ 15]

网络构架设计, 如图 12 所示. 基于 IPv6 架构的统一 IP 网络 平 台, 可 以 连 接 其 他 数 据 网 络 和 现 有 的 PST N, 通过接入网关( gat ew ay, GW) 与下层的移动 支撑接入站( mo bilit y anchor point , M AP) 连接; 移 动 支撑 接 入 站 MAP 带 有 本 地用 户 归 属 服 务 器 ( H SS) 和鉴权认证和计费服务器, 并连接多个接入 路由器( access router, AR) , 对用户实现 IP 化移动 管理; 已有的无线系统( 2G, 3G, B3G, WL AN 等) 通

2

新兴的无线移动网络技术
新兴的无线移动通信网络, 种类繁多, 但规模最

大和最有影响的要数第四代移动通信网络( 4G) 、 无 线 mesh 网络和无线传感器网络( WSN) . 在 B3G 网络之后的未来无线移动通 信 4G 网 络, 又称为下一代移动网络( nex t g eneration mobile net w orks, NGM N) , 它能上 下兼容平 滑过渡 的 4G
图 12 4G 网络的架构设计 Fig. 12 The design of the architecture of 4G network

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过接入路由器接入网络, 有共存共用接入能力, 能实 现多频段多制式多业务应用[ 16] . 其中, 基于 IP v6 网 络平台的无线移动管理, 多制式多系统跨层协议的 协调和调度, 多频段多业务的智能接入, 呼叫的准入 控制和多系统垂直切换等, 是面临的研究课题. 文献[ 17] 提出了一种针对未来不同异构网络环 境下的网络自动选择方法, 网络的选择通常按网络 能力、 信号质量和使用成本等考虑, 为此, 网络选择 的数学依据表述为 NW i = [ CBi , T B i , ABi , Ui , D i , J i , L i ] ( 9)
[ 19]

图 13

无线 mesh 网络

Fig. 13 Wireless mesh network

式中, i 表示 第 i 个网络, CB 是每传输 1by t e 的成 本, T B 是该网络总带宽, AB 是该网络允许使用带 宽, U 是当前无线链路的利用率, D 是信包延时, J 是信 包抖 动, L 是 信 包 丢失 率. 表 1 给 出 了 3G, B3G, 8021 11a, 802 11b, 8021 11n 无 线移 动网 络的 1 相关评估参数值. 假定有 N 种网络可供选择, i = 1, 2, ,, N , 式( 9) 就变成行数为 N 的网络选择矩阵, 采用 Barriac 等提 出的 逐次 优选 逼近 理想 结果 的 T OP SIS 算法 , 可获得优选网络. 文献[ 18] 研究了呼叫的准入控制和多系统垂直 切换, 提出了 一种面 向蜂窝 ( cellular) 和 无线 接入 ( WL AN) 负载平衡交互算法, cellular 与 WL AN 有 各自的接入决策器和接入执行器, 综合网络也有接 入决策器和接入执行器, 一个呼叫进入网络后, 由综 合网络启动自己的接入决策器, 作出是接入 cellular 还是 WLAN 的决策, 然后由执行器联络 相应系统 执行. 如果决定接入 cellular, 就启动 cellular 的接入 决策器, 在给定资源分配后, 由执行器完成. 垂直切 换多半是当前支持系统通过自己的接入决策器发起 接入决策请求给网络, 网络联络另一系统的接入决 策器决定, 由执行器执行. 这种决策机制, 能较好地 平衡不同业务请求和用户需求, 呼叫接入中断概率 可降低 3~ 6 dB. 无线 mesh 网络是在接入 Internet 网关( GW) 有限、 不可能覆盖所有移动终端的情况下, 增设众多 mesh 路由器( M R) , 利用 m esh 路由器的中继和协 同处理, 实现低功率微小区分布覆盖, 不依赖于基站 位置和功率限制, 实现任意地理环境和场景无缝覆 盖的新兴网络. 图 13 是无线 m esh 网络的覆盖示意 图, 与 Int ernet 连 线的设备 是 GW, 未连线的 表示 WR. 显然, 利用众多微小功 率的 WR, 能 覆盖任意 大范围. 在无线 mesh 网络技术的研究中, 其物理层 技术, 路由器配置技术, MAC 协议与路由技术等备
[ ]

受关注 . M esh 路由器的物理层技术, 即 m esh 无线传输 技术, 最好采用定向天线、 实现低临界功率发射, 最 大限度地减小对邻近 WR 的干扰. 低临界发射功率 控制技术是使发射功率最小临界化, 提高信号功率 效率, 实现低信号功率应用, 对无线接入密集覆盖的 网络拓扑结构十分有效. 无线传输中的 mesh 路 由 器间的中继与协同, 如前所述, 也是很重要的. 在覆 盖区域给定的情况下, GW 的位置通常是不可变动 的; 无 线 mesh 布局 密度 和 数目 就成 为 构建 无 线 mesh 网络的又一基本课题. 在大多数情况下, mesh 路由器的配置, 要为构建无缝覆盖的、 最大功率有限 的、 频谱效率高的、 公平支持的路由协议提供物理基 础. 无线 mesh 网络的 M AC 协议和路由技术已有相 当的研究, 有的就直接引入 Ad hoc 网络的相关 技 术. 文献[ 20] 提出的集簇化 mesh 结构和多重资 源 分配管理方法, 对简化路由设计和接入协议很有参 考价值. 无线 mesh 网络, 尽管是在 Int er net 网络应 用 早期发展起来的, 目前主要针对 IEEE 802 系列 的 无线接入网络的应用, 但它的网络结构和组网方法, 已开始在未来无线移动通信得到应用 , 图 14 是 3GP P L T E 提出的未来无线移动通信的 mesh eNB
[ 21]

特 约 评 述

图 14

LTE 的 mesh eNB 成 网构架

Fig. 14 LTE network architecture composed of mesh eNB

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成网构架, 其基站之间底层采用 IP 传输, 在逻辑上 通过 X 2 接口互相连接, 是传统的 mesh 网络结构. 而 mesh eNB 之间 的连 接, 使 用 S 1 接 口, 也采 用 mesh 型或部分 mesh 型连接形式, 实现一个基站可 以和其他多个基站、 多个 SGW 相连, 为运营商和用 户不断增长的需求提供更好的支持. 无线传感器网络是一种可任意放置的传感器和 就近无线中继接入、 可在长时间无供电下可靠运行 和无人值守、 发送类噪声微弱信号工作并可以抗干 扰的通信网络. 无线传感器网络是第一个非传输人 类信息的大型通信网络, 目前主要应用于军事监视 与侦查、 环境、 气象、 水利、 电力等监测、 人体监护和 保健、 工业过程控制等. 无线传感器网络的研究中, 首要的是微型传感 器, 并已有相当多的成果和进展; 其次是无线传感器

基础, 也是无线传感器成网的基础, 文献[ 23] 给出了 较为详细的论述. 无线传感器网络是极大数量的传感终端的接入 网络, 各终端( 或相当部分终端) 还要作为中继接力 的节点, 对邻近终端给予接入支持, 因此, 无线电频 谱资源的使用和承载能力, 与现有网络的频谱并存 和共用, 就需要仔细规划和调度. 文献[ 24] 提出将频 谱中断概率( spect ral outag e probabilit y) 参数作 为 评价基准, 如果 这 个参 数高 于 某 个设 定 门限 ( 如 10- 3 ) , 就说明这个频谱在探测点附近不能使用. 探 测点一般设在中继节点附近, 接收各发送节点的信 号, 经聚合加权 FF T 变换处理, 得到这些发送节点 环境下的综合信号功率谱密度, 进而给出时间和环 境的统计结果, 即给定信号功率谱密度下的出现概 率, 并将其作为频谱中断概率参数. 图 16 是网络的 频谱中断概率, 实线是分段区域下的频谱中断概率,

特 的通信和节能设计, 现在的无线传感器通常由传感 约 器模块、 储 器单 元、 信模 块、 存 通 位置 处 理 单 元、 评 述
CPU 和电源与管理模块组成, 在 CPU 程序的控制 下完成信息感知、 数据传输、 接入路由建立和电源管 理. 有的无线传感器, 还有移动管理模块, 为位置更 新和移动服务提供支持. 无线传感器网络基本上是 Ad hoc 网络结构, 通过无线终端节点的中继接力, 到达网络接 入路由 器进 入网络. 新 近的 研究 有把 mesh 结构和 Ad ho c 结构同 时引入无线传感器网 络
[ 22]

, 构成强大接入能力的新型无线多媒体传感器
图 16 网络的频谱中断概率 Fig. 16 The spectral outage probability of network

网络, 适应各种环境条件和业务的需要. 无线传感器网络的网络建立, 分三步处理, 如图 15 所示. 首先是用户终端与邻近节点的距离和方位 估计; 其次是终端和相关节点的位置计算估计; 第三 是考虑到信号功率和接收能力, 进行终端和可用节 点的无线连接和中继接力的定位, 构成用户终端通 过相关节点的多跳( 或单跳) 中继接力, 可实现经网 络接入路由器接入后进入网络. 确定的无线电连接 的定位结果是建立用户终端接入网络的路由设计的

其频谱主瓣区的中断概率基本低于设定门限. 这个 频谱特性参数可以作为判定是否允许新的终端发送 进入的依据. 无线传感器网络的路由建立和接入协议, 也已 有相当多的研究, 但是在传感器位置不变或相对稳 定的情况下, 网络布局给 定后, 经 过前述的成网 处 理, 路由和接入相对固定, 其路由建立和协议就比较 简单, 除非传感终端在移动. 最近提出把无线传感与 RFID 结合的通信网络是一种新型的无线传感器网 络, 由于 RFID 的移动性, 对网络提 出了更高的 要 求, 有待进一步研究.

3
图 15 Fig. 15 无线传感器网络的成网处理 The organization of wireless sensor network

结论
面对未来无线移动通信和网络的研究发展, 特

别是上述新兴技术, 整个趋势是从近年来的单一技

第7期

新兴发展的无线通信技术和网络

743

术研究( 如 QAM 的高阶调制、 DM 的正交多路、 OF 高效编解码、 跨层设计等) 和它们的自适应调整与调 度的研究, 转向不再局限于传统的频率、 时间、 编码 等资源, 而是利用分布结构和分布处理, 构成分布系 统, 在利用传统资源的基础上, 实现对空间的充分运 用. 如前所述, 充分利用空间地理分布下的分布技术 和系统, 将可能成为未来无线移动通信的重要技术 特征. M IMO 技术、 协同通信技术、 认知技术, 都与 空间位置和 地理分 布有关, 新兴 的 4G 网络、 无线 mesh 网络、 无线传感器网络, 也都是分布式网络. 因 此, 中国科学技术大学提出研究/ 有序分布无线移动 通信0, 即未来无线移动通信是有序分布的、 彼此协 同的、 主从关联的、 可移植复用的无线移动通信技术 和系统, 重点研究基于空间地理位置的条件和环境, 适合未来无线移动通信的、 高效利用资源的、 分布状 况有序的移动通信, 尽可能有效地利用和综合上述 新兴通信技术, 并应用于上述新兴网络. 我们提出了以 M IMO 技术和协同技术为基础 的、 无线覆盖从现有的蜂窝小区结构演变为同心圆 的小区结构, 进而演变成具有更高的系统容量和传 输能力 的 正三 角 形小 区 结构 和 正六 边 形 小区 结 构[ 10] , 如图 17, 18 所示. 同时, 我们提出了有主从关 系的协同通信方法: 主从协同通信, 支持分布式多基 站协同, 构成用户虚拟基站系统; 同时也提出了支持 这种通信 方式的 L DC 空 时编码 方法和 分布 编码 方法 [ 25] . 本文试图对近年新兴的无线通信技术和无线网 络技术的发展进行讨论, 反映作者的关注重点和相 应思考, 因此, 本文不是针对未来无线通信和移动通 致谢 在本文撰写过程中, 得到中国科学技术 大学个人通信与扩频实验室的邱玲教授、 周武旸教 授的支持, 在此表示感谢.
参考文献( 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. 图 18 Fig. 18 正三角形和正六边形小区结构 The architecture of triangular cell and hexangular cell

信的所有技术和成果进行介绍, 包括中国科学技术 大学正在研究 UWB 技术、 DP C 编译码、 L 无线资源 管理、 新媒体业务、 跨层设计以及 L T E 实验系统等 方面的成果和进展等都没有涉及.

特 约 评 述

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circular cell and traditional cell

744

中国科学技术大学学报

第 38 卷

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