張晶壹

摘 要：基于移動通信的特點及網絡架構以及人們日益增長的物質精神文化需要，文章介紹了目前人們對未來通信系統(tǒng)的構思及可實行性，對頻譜充分利用及無線電領域作了簡單的闡釋。

關鍵詞：未來移動通信；無線電；頻譜

中圖分類號：TN929.5 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2015）17-0062-02

眾所周知，通信技術的終極目標是5 W原則，即任何人在任何時間、任何地點與任何他人進行任何類型的信息交換（whoever，whenever，wherever，whomever，whatever）。隨著人們生活方式的豐富多樣化，人們對移動通信的種種需求與日俱增，盡快想辦法使這一問題得到解決是目前唯一能做的。因此要充分進一步、全面的認識移動通信的特點，其次，未來的移動關鍵技術更是當下討論的焦點、熱點問題。

1 未來移動通信系前景

首先，未來移動通信系統(tǒng)將會寬帶化以滿足不斷增長的寬帶數據速率需求。第一代模擬式僅提供語音服務；2G傳輸速率僅有9.6 kbps，最高可達32 kbps；3G數據傳輸速率可達到2 Mbps；4G可以達到10 Mbps至20 Mbps，最高可以達到高達100 Mbps。3GPP LTE-Advanced系統(tǒng)要求在下行鏈路上支持高達1 Gbps（低移動性）或者至少100 Mbps（高移動性）的峰值數據速率。

其次，在互聯網誕生以前，人類的時間分為以下幾段：睡覺，工作，坐車，吃飯，與朋友會面聊天，看書，看電視，逛街；而在移動互聯網誕生以后，人類的時間被分為三段：睡覺，工作，用智能手機上網，可見互聯網的移動應用化仍是本質特點。為了滿足移動通信系統(tǒng)的寬帶化和互聯網應用的移動化，對未來的移動通信系統(tǒng)而言，可以預見，其主要需求仍會集中在更高的數據速率和用戶終端（UE）處于高速移動狀態(tài)時的QoS性能方面。

然而，對于現有移動通信系統(tǒng)所分配到的有限頻譜資源而言，這種數據速率的擴張需求勢必難以滿足；尋找另外的可用頻段，又必然要觸動和挑戰(zhàn)目前靜態(tài)（甚至是僵化）的無線資源規(guī)劃。因此，迫切需要新的技術方式和通信體制來支撐未來移動通信系統(tǒng)的進一步發(fā)展需求。

2 當前移動通信技術存在的問題

結合當前頻譜利用現狀分析，當前無線通信的特點為多種網絡共存、同一頻率的信號相互干擾、靜態(tài)頻譜分配。就現有頻譜策略而言，靜態(tài)地分配頻譜，頻譜利用率低。非授權頻帶逐漸趨于飽和：隨著無線局域網和無線個人網絡的快速發(fā)展，以及無線技術在移動通信、城市安全、智能交通、廣播電視、智能社區(qū)、戰(zhàn)場指揮等系統(tǒng)中的廣泛應用，無線電頻譜資源也變得日趨緊張。隨著全球移動用戶數量的不斷增加，頻率資源緊張，移動運營商也深感頻率資源短缺。當今飛速增長的頻譜資源需求與相對匱乏的頻譜資源供給已造成供不應求的局面，更是成為制約未來無線通信發(fā)展的瓶頸。授權頻譜資源利用率非常低：傳統(tǒng)頻譜使用和管理存在的突出問題是授權頻譜利用率低，頻譜利用情況極不平衡。而美國聯邦通信委員會曾在一篇報告中指出，美國有70%的授權頻譜沒有被充分利用。

針對上述提到的問題，我們不難總結出制約未來移動通信發(fā)展的瓶頸。無線資源的有限和無限的用戶需求之間的矛盾?？捎玫墓β?、頻率、時間、碼字、空間角度、極化方式等都屬于無限資源；就頻譜資源而言，尋找另外的可用頻段，又必然要觸動和挑戰(zhàn)目前靜態(tài)（甚至是僵化）的無線資源規(guī)劃。因此，新的技術方式需要改善，此外通信系統(tǒng)的可用無線資源的利用效率也迫切需要提高。有限的頻譜資源與持續(xù)增長的無線通信業(yè)務需求之間的抵牾所帶來的挑戰(zhàn)，將推動無線通信理論與技術不斷發(fā)生變革。

3 解決辦法

關于解決方案，大體可以概括為如下五點，下面詳細介紹。

3.1 從信號設計與處理方面出發(fā)，選用高效的調制及信

道編碼等技術增加頻譜利用率

信號處理的復雜性將限制其在實際系統(tǒng)中的應用。例如，如果完全依靠增加調制進制來提高傳輸速率，當速率超過10 bps/Hz時，其復雜度及對信道的要求相當之高，每增加1 bps/Hz就要增加3 dB的信噪比，而要實現復雜度，那么對時鐘精度的要求及對信道參數估計精度的要求等相應地都要成倍增加。但從結果來看，可能是得不償失，由于對各方面精度的要求及對應參數儀器的選擇都需高標準的配置，其預期成本已遠遠大于它本身所帶來的效益，因此不為大多數客戶需要。

3.2 工作頻點繼續(xù)上移

2007年11月閉幕的世界無線電通信大會上曾議決了適用于全球3G與4G移動通信體系的四個新頻段，其中包括3.4～3.6 GHz的200 MHz帶寬以及分配給我國TD-SCDMA的2.3 GHz～2.4 GHz的100 MHz帶寬。更高的系統(tǒng)工作頻率將導致無線信號在空間傳輸中快速衰落。盡管采用微蜂窩技術可以縮小小區(qū)半徑，增加天線覆蓋面積，提高了用戶的接收性能，但隨之而來的另一個問題在于系統(tǒng)中頻繁的切換會增添了系統(tǒng)信令開銷并使系統(tǒng)的工作效率下降；可想而知，它遠不能滿足人們日益增長的對移動通信數據速率增加的需求。

3.3 開發(fā)頻譜、時間、空間、碼字、極化域等資源

認知無線電技術，因其靈活化、智能化、可重配置資源等顯著特性，通過感知外界環(huán)境可利用的無線資源，并使用人工智能技術從環(huán)境中學習，有目的地實時改動某些操作參數（例如傳輸功率、載波頻率和調制技術等），使其內部狀態(tài)適應于接收到的無線信號的統(tǒng)計變化，從而實現任何時間、任何地點的高可靠通信，以及對異構網絡環(huán)境下有限的無線頻譜資源進行高效地利用。相對前兩者而言，該方案不失為一個良好的解決方案。

3.4 協(xié)作通信

協(xié)作通信（Cooperative Communication）技術是利用網絡中閑置的天線資源作為信源的中繼協(xié)助轉發(fā)信息，通過不同天線傳輸相同的數據達到空間分集的目的，以提高通信系統(tǒng)的可靠性，是繼MIMO多天線技術之后無線通信領域內又一前沿研究課題。但協(xié)作中繼的選擇是個棘手的問題，現在已成為一個大問題。

3.5 大規(guī)模MIMO（massive MIMO）系統(tǒng)

大規(guī)模MIMO（Massive MIMO）系統(tǒng)作為傳統(tǒng)MIMO技術的推廣，可以大幅度提升速率和能源效率，是未來無線通信的一個重要研究方向。Massive MIMO需要在基站選用大規(guī)模的陣列來服務有限的終端用戶，這使基站天線陣列的尺寸大幅度增大，設置難度也相應大幅增加。于是，導頻污染被認為是大規(guī)模MIMO體系中的“瓶頸”問題。

4 認知無線電技術

通過以上五點的對比，我們不難發(fā)現，認知無線電技術是目前有效可行并加之以開發(fā)的不二選擇。

認知無線電最早是在1998年由Mitola提出。主體為感知頻譜、傳播環(huán)境并自適應選擇可用頻譜、自適應調制、編碼、天線波束、功率調整等。具體是指，允許系統(tǒng)獲取周圍的工作和地理環(huán)境信息、已建立的通信策略及其內部狀態(tài)，依據獲取的信息對其自我學習，形成決策并動態(tài)的和自主的調整工作參數和通信協(xié)議來實現預定的目標。認知無線電的主要功能可以歸納為：頻譜感知（檢測可用的頻譜空洞，檢測主用戶是否存在）、頻譜管理（制定頻譜使用政策，使頻譜利用率盡可能的高）、頻譜共享（協(xié)調頻譜接入）、頻譜切換（頻譜之間的無縫過渡）此外，頻譜空洞常規(guī)定義為特定地理區(qū)域、特定時間內主用戶沒有使用的的頻譜；而我們可以擴展為，未被占用的無線電信號的多維空間。因為頻譜空洞，既而我們提出頻譜共享與動態(tài)接入模式，主要為Interweave模式：認知用戶通過尋找（感知）主用戶授權頻段的中的頻譜“白空間”，機會式接入頻譜空洞來進行通信，主要技術為感知技術和退出機制；Underlay模式：認知用戶和主用戶使用相同頻率進行通信，前提是認知用戶遠小于主用戶的發(fā)射功率產生的干擾量不會影響主用戶的通信質量，主要技術為次用戶發(fā)射功率控制和調制技術的選則；Overlay模式：認知用戶和主用戶在時間和空間上使用相同的頻譜進行通信，主要技術為網絡編碼。

對于它的實現也有個別問題需要解決。而認知無線電所具備能力也相對較高。也有具體概括為感知能力和可配置能力，其中感知能力主要體現為頻譜感知、位置識別、系統(tǒng)發(fā)現、業(yè)務發(fā)現。就頻譜感知而言主要是在信號能量、波形特征、循環(huán)平穩(wěn)特征等方面得以體現，同時也要對用戶位置信息、周圍電波傳播環(huán)境的干擾信息有一定的感知能力。可重配置能力主要表現在根據獲得的信息動態(tài)選擇合適的工作頻段（即頻譜靈活性）。同時在動態(tài)頻率選擇上能夠動態(tài)監(jiān)測其它無線系統(tǒng)的信息，能夠保證與這些系統(tǒng)在同一頻率上工作并互不影響。在自適應編碼方面，要能夠根據工作狀態(tài)的不同選擇最合適的調制編碼類型以用于特定的傳輸系統(tǒng)，保證系統(tǒng)的正常運行操作。再者也能通過功率控制在數據傳輸工程中在不同等級中來回切換。

最后，還要滿足的是能夠接入多個運行不同協(xié)議的通信體系。頻譜共享與接入方面，我們的終極目標是為認知無線電網絡用戶（包括授權網絡用戶網絡）提供公平有效的頻譜共享，這就需要在頻譜判決、頻譜共享和頻譜移動性管理方面做足功夫。能夠通過對頻譜空洞和業(yè)務需求方面的分析，為當前的傳輸選擇合適的工作頻段和自適應調整傳輸參數；多個用戶或網絡之間公平、協(xié)調的共享頻譜機制，感知用戶間、用戶和授權用戶間及不同感知網絡間的頻譜共享等問題，從而實現對頻譜的無沖突使用，并最大化的提升頻譜利用效率；能隨時切換以保證工作的連續(xù)性。

對于實施認知無線電帶來的挑戰(zhàn)，主要體現在頻譜管理的四種手段：行政、經濟、法律、技術。目前亟需從行政和技術兩方面考慮引入CR后的變化和應對措施。行政管理挑戰(zhàn)方面，固定頻譜分配政策下的許多技術標準需要被改變，以及新的頻譜使用相關屬性需要被定義。對頻譜使用政策的改變會引入許多使用無線頻譜資源的部門單位改變其頻譜操作行為，需要制定有效辦法對部門間進行協(xié)調處理無線電管理相關事宜。技術挑戰(zhàn)方面，頻譜感知、頻譜管理、頻譜共享、頻譜切換都是一系列的挑戰(zhàn)因素。

5 結 語

當前，移動無線領域正處于高速蓬勃發(fā)展時期，移動通信系統(tǒng)本身也在這個高速路上不斷變革創(chuàng)新。未來移動通信系統(tǒng)盡管有著更快的通信速度，更寬的網絡頻譜，更靈活更能滿足人們日益增長的對通信的數據傳輸速率的需求，但要真正實現，目前看來仍面臨諸多難題。因此，現階段對未來移動通信系統(tǒng)中網絡結構的可行性，靈活性及關鍵核心技術的探索有重要意義。

參考文獻：

[1] 馬文敏.未來移動通信系統(tǒng)資源分配與調度策略研究[D].北京：北京郵電大學，2013.