基于照明燈及電力線為載體的新型寬帶移動通信系統(tǒng)

  移動通信技術(shù)是當前發(fā)展最快的通信技術(shù)之一，每一次概念和技術(shù)的突破都實現(xiàn)了工程上的飛躍并帶來了巨大的經(jīng)濟效益[1]。蜂窩概念的提出成功實現(xiàn)了第1代移動通信系統(tǒng)[2]，數(shù)字信號處理技術(shù)和器件的成熟促進了以全球移動通信系統(tǒng)(GSM)為標志的第2代移動通信的蓬勃發(fā)展，而寬帶碼分多址(WCDMA)的商用和多媒體技術(shù)的提出則充分滿足了當時對第3代移動通信系統(tǒng)的功能要求[3]。

    為了使未來移動通信系統(tǒng)能夠支持更大的系統(tǒng)容量，以多輸入多輸出(MIMO)為代表的多天線收發(fā)技術(shù)得到發(fā)展并成為無線通信領(lǐng)域的研究熱點之一[4-5]。

    考慮到下一代移動通信系統(tǒng)不僅要求比第3代移動通信系統(tǒng)具有更快的傳輸速率、更大的系統(tǒng)容量和更高的頻譜利用率，還要考慮更低的功率消耗、更復雜的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境(面臨多種通信網(wǎng)絡(luò)體制的共存)等問題，因此，尤其要徹底解決移動通信發(fā)展過程中的4個根本性問題：

    基站選址困難問題

    手機輻射功率大的問題[6-8]

    傳統(tǒng)基站周圍強輻射問題

    5GHz以下的無線電頻譜相當昂貴

    為了較好地解決以上4個移動通信發(fā)展過程中面臨的“瓶頸”問題，并滿足未來移動通信系統(tǒng)對容量、傳輸速率等方面的高性能要求，本文以多天線信號處理為核心技術(shù)，提出基于信息燈(IL)的面向未來的新型移動通信系統(tǒng)架構(gòu)，給出室內(nèi)外接入的典型場景，討論圍繞信息燈網(wǎng)絡(luò)所涉及的相關(guān)技術(shù)。

    1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

    考慮到室內(nèi)及室外的照明燈已覆蓋城區(qū)的現(xiàn)實，只要用戶身在城區(qū)中，就有一個照明燈離其很近。將無線接入點集成在照明燈中，組成具有信息收發(fā)功能的信息燈。

    在上行鏈路上，基于信息燈的無線接入點接收到的信號通過電力線傳輸?shù)街行男盘柼幚砥?，完成信號處理過程。在下行鏈路上，中心信號處理器發(fā)出的信息通過電力線、信息燈中的無線接入點傳給無線接收裝置(如移動臺等)。

    1.1室內(nèi)外典型場景

    室內(nèi)基于信息燈的無線接入場景如圖1所示，在照明燈中集成了通信信號接入點(AP)，室內(nèi)的無線入網(wǎng)設(shè)備(如筆記本電腦、PDA、手機等終端)可以與一個或者多個接入點同時建立連接，如果終端設(shè)備本身具有多個天線，那么將形成具有分布式特征的MIMO系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

    信息燈中的無線接入點完成部分信號處理功能，且與照明用的電力線相連，通過電力線與外圍的中心信號處理器通信。通信信號通過信號分離/耦合器實現(xiàn)與電力線的分離和加載。分離后的通信信號利用電力線(或經(jīng)轉(zhuǎn)換后使用光纖等其他媒質(zhì))傳給中心信號處理器，在中心信號處理器中實現(xiàn)電力線信號和一部分分布式空時信號的處理。

    室外基于信息燈的無線接入場景如圖2所示，這里選擇戶外的路燈作為無線接入點，手機終端、車載臺等通過周圍的多個路燈接入點接入網(wǎng)絡(luò)。路燈接入點通過電力線、光纖或者同軸電纜與中心信號處理器相連，實現(xiàn)與主干網(wǎng)的通信。

    1.2網(wǎng)絡(luò)層次模型

    圖3給出了基于信息燈的新型移動通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)層次模型，從用戶端到核心網(wǎng)(至底向上)共分為3個主要層次：接入層、信號處理層和管理層。其中，信號處理層還可以分為3個子層：無線轉(zhuǎn)換子層、電力線轉(zhuǎn)換子層和處理子層。各層功能如下：

    (1)接入層

    接入層主要由用戶設(shè)備及信息燈組成，信息燈為用戶設(shè)備提供網(wǎng)絡(luò)接入點，一個用戶設(shè)備可以同時與多個信息燈通信，形成分布式MIMO結(jié)構(gòu)。用戶設(shè)備與信息燈之間的接口為空中接口(但是針對特殊要求的用戶設(shè)備可以提供有線接口)。這里的用戶設(shè)備泛指網(wǎng)絡(luò)支持的有接入需求的終端設(shè)備，比如手機、便攜式電腦、車載移動臺、定位設(shè)備等。

    (2)信號處理層

    信號處理層主要完成無線通信信號與電力線(或者光纖)通信信號的相互轉(zhuǎn)換，并實現(xiàn)部分分布式空時信號處理的功能，涵蓋3個子層：無線轉(zhuǎn)換子層、電力線轉(zhuǎn)換子層、處理子層。

    (3)管理層

    管理層負責分布式信號的管理，與核心網(wǎng)直接交互信息。

    2 結(jié)構(gòu)優(yōu)勢和技術(shù)挑戰(zhàn)

    基于信息燈的新型移動通信系統(tǒng)以多天線分布式信號處理為核心信號處理技術(shù)，通過分布式信號管理技術(shù)實現(xiàn)分布式信息燈的管理和控制，較好地解決了移動通信發(fā)展過程中的4個根本性問題，并具有自身的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢：

    (1)解決基站選址困難的問題

    采用基于信息燈的分布式基站結(jié)構(gòu)，解決了基站選址的難題，且基站完全隱蔽、美觀。

    (2)解決手機輻射功率大的問題

    GSM手機平均發(fā)射功率為1 W，CDMA手機的發(fā)射功率范圍一般在0.01 W～1 W；假設(shè)信息燈接入點距離手機的平均距離為10 m，傳統(tǒng)的GSM和CDMA基站距離手機的平均距離為250 m(保守值)，且分布式接入點和傳統(tǒng)基站接收機的干擾容限基本相同，根據(jù)電磁波自由空間傳播損耗規(guī)律，利用分布式信息燈接入的手機可比傳統(tǒng)的GSM和CDMA手機小28 dB的發(fā)射功率。可見，近距離的分布式信息燈接入方案使得實現(xiàn)超低輻射手機成為可能。

    (3)解決傳統(tǒng)基站周圍強輻射問題

    一般情況下，小區(qū)覆蓋半徑在100 m～500 m左右的CDMA基站的平均發(fā)射功率為0.25 W，按照和上面一樣的假設(shè)條件，如果采用分布式信息燈接入點，則最大可以節(jié)省1萬倍的廣播信道發(fā)射功率。

    (4)避免使用熱點頻譜資源

    基于信息燈的無線接入通信技術(shù)，其視距(LOS)信道發(fā)生的概率很高，而我們知道近距離LOS信道的衰落對載波頻率不敏感，這樣就為使用更高頻段(大于5 GHz)的頻譜提供了可能性。

    (5)安全、美觀

    無線接入點與照明燈集成在一起，在防火、防其他傷害上更安全，且外形美觀。

    (6)方便、靈活、可控的接入

    安裝在室內(nèi)的信息燈接入點，可以完全根據(jù)用戶的需要，由用戶自主控制安裝、開關(guān)，就像安裝和開關(guān)燈泡一樣簡捷、方便，不會影響其他用戶的使用。

    以信息燈為接入點的分布式移動通信系統(tǒng)是面向未來的一種全新無線移動通信體系架構(gòu)，無論在物理層的分布式信號處理還是協(xié)議層的分布式信號管理等方面，都面臨著一些核心技術(shù)的挑戰(zhàn)，需要大量開創(chuàng)性的研究工作。這里僅列出部分關(guān)鍵的待研究問題：

    (1)接入點與照明燈的集成

    如何將具有通信功能的接入點與照明燈做到完美的結(jié)合是信息燈接入面臨的首要問題，這里的結(jié)合不能僅僅是接入點與照明燈的簡單拼湊和組合，而是接入點與照明燈的有機融合。

    (2)無線通信與有線通信的轉(zhuǎn)換

    在家庭、辦公室等室內(nèi)接入環(huán)境下，信息燈與電力線相連，通過電力線通信實現(xiàn)信息的傳遞和交接，需要無線通信與有線通信的物理格式轉(zhuǎn)換，對處理芯片的要求較高。

    (3)信息安全問題

    電力線是典型的共享傳輸媒質(zhì)，如何保證電力線傳輸?shù)乃接行畔踩匀匀皇且粋€開放性的課題，電力線標準化組織采用數(shù)據(jù)加密標準(DES)作為暫時的解決方案，文獻[9]和文獻[10]中有較為詳細的討論。

    (4)分布式信號的資源管理

    信息燈接入點雖然在接入功能上與傳統(tǒng)基站有類似之處，但接入點的數(shù)量將大幅度增加，且地理分布特性具有相當?shù)淖杂啥龋@些都是傳統(tǒng)的無線資源管理方法無法應對的，需要從分布式信號管理的理念、思維方式、操作層面等角度綜合設(shè)計。

    (5)近距離信道特性

    信息燈的應用環(huán)境決定了接入距離與傳統(tǒng)移動通信相比會減少很多，需要對這種近距離接入的MIMO信道特性進行科學測量和合理建模。