4G演進(jìn)方向

LTE和WiMAX這兩個4G系列技術(shù)已將通信業(yè)近三十年的技術(shù)積累都加以應(yīng)用，點對點鏈路也已十分接近香儂信道容量限。為此，當(dāng)前業(yè)界對4G以后的物理層技術(shù)發(fā)展比較悲觀，愛立信CTOHakan Eriksson甚至曾表示：“我沒看到5G的到來，因為我們現(xiàn)在使用的技術(shù)已經(jīng)達(dá)到了實際信道容量的極限?！?BR>
4G往后，無線通信技術(shù)再往哪里發(fā)展？筆者認(rèn)為，雖然目前4G已將無線技術(shù)的大部分潛力發(fā)揮出來，但仍存在一些空白和缺陷，特別是在分布式異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)方面還有很長的路要走。

物理層在無線通信系統(tǒng)中占有核心地位，并在很大程度上決定了移動通信系統(tǒng)的性能。無線系統(tǒng)的物理層把發(fā)送端的信息比特編碼調(diào)制后，通過無線信道傳輸?shù)浇邮斩耍婕暗奖容^復(fù)雜的基帶信號處理和射頻信號處理。按照ITUIMT-Advanced定義的4G系統(tǒng)，其峰值速率在靜止條件下達(dá)到1Gbit/s，在高速移動條件下達(dá)到100Mbit/s。如此之高的數(shù)據(jù)速率對物理層技術(shù)提出了極高要求。

MIMO技術(shù)提高信道容量

從通信理論來看，要提高點對點鏈路速率可以從兩個方面下功夫，一是使用更寬的無線頻譜，目前IMT-Advanced規(guī)定4G頻譜最少要支持到40MHz帶寬，并設(shè)計了載波聚合技術(shù)可以最高支持到100MHz帶寬的頻譜，比3G寬了很多；二是使用更先進(jìn)的技術(shù)提高頻譜效率，目前的4G技術(shù)通過使用Turbo碼等技術(shù)已經(jīng)基本達(dá)到這一容量限，提高頻譜效率的另一個途徑是使用MIMO技術(shù)尤其是空間復(fù)用來提高信道容量，這在4G技術(shù)中也已得到廣泛使用。

具體而言，MIMO技術(shù)通過空間分集、空間復(fù)用、波束賦形三種形式，在發(fā)射端和接收端同時使用多個天線來提高性能。其目的在于通過對應(yīng)提高信道可靠性，增加并行子信道的數(shù)量、增加信噪比來增加信道容量。

移動無線信道是一個條件惡劣的信道，同時存在時域和頻域的二維衰落。分集技術(shù)就是通過在多個衰落信道上發(fā)送相同的信息來降低信道出錯的概率，信息經(jīng)過不同的信道越多，同時衰落的概率越小信道的可靠性就越高。空間復(fù)用是MIMO中最吸引人的方面，其將信道矩陣分解成多個并行子信道來同時發(fā)送不同的信息從而大大提高信道容量。當(dāng)發(fā)射機和接收機都使用多個天線時信道可以表示成一個矩陣，兩兩收發(fā)天線對之間信道是獨立不相關(guān)的時候這個信道矩陣可以分解成多個并行子信道以進(jìn)行空間復(fù)用。

空間分集和空間復(fù)用都比較適合在散射比較厲害不存在視距傳播的條件下使用，當(dāng)基站和終端之間存在視距傳播或較強的主徑分量時，可以用波束賦形形成一個方向性很強的波束來提高接收側(cè)信噪比和直接實現(xiàn)空間復(fù)用。目前LTE-Advanced和IEEE802.16m都支持這三種MIMO技術(shù)。

實際場景應(yīng)用意義有限

過度依賴MIMO是目前4G技術(shù)的主要局限之一。

4G技術(shù)通常要求達(dá)到極高的峰值速率，在不能大幅增加可用頻譜帶寬的條件下，目前4G系統(tǒng)主要是通過增加收發(fā)天數(shù)進(jìn)行空間復(fù)用來實現(xiàn)，如LTE-Advanced設(shè)計下行支持多達(dá)8個流的空間復(fù)用、上行支持多達(dá)4個流的空間復(fù)用。用這種方法來大幅提高頻譜效率以達(dá)到IMT-Advanced要求的下行1Gbit/s峰值速率和每Hz速度15bit/s的峰值頻譜效率要求。但當(dāng)前這種方案只適合在實驗室中演示，在實際場景下意義有限，因為實際信道環(huán)境收發(fā)天線之間的信道經(jīng)常具有很強的相關(guān)性達(dá)不到空間復(fù)用的信道要求，能達(dá)到的速率要遠(yuǎn)小于實驗室速率。

雖然4G中把物理層的主要潛力挖掘出來了，但在某些方面4G以后物理層技術(shù)有仍有突破空間。在筆者看來，今后一是要從網(wǎng)絡(luò)協(xié)作的角度對物理層技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化從而提高系統(tǒng)容量，如中繼、干擾協(xié)調(diào)、多小區(qū)合作MIMO等。二是用頻譜效率以外的指標(biāo)來對物理層技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化，如低功耗的綠色網(wǎng)絡(luò)。

傳統(tǒng)通信技術(shù)主要關(guān)注頻譜效率和系統(tǒng)容量，出于環(huán)保和經(jīng)濟(jì)的原因，目前業(yè)界對綠色網(wǎng)絡(luò)日益重視，這方面的研究也有待加強。

分布式異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)是必由之路

4G以后無線系統(tǒng)最重要的方向?qū)⑹菑木W(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞慕嵌葘o線系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，用分布式異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的集中式同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。

按照手機之父MartinCooper的估計，在過去的104年中，無線系統(tǒng)的容量每30個月翻一番，按這個計算方法自1957年以后無線系統(tǒng)的容量大約增長了一百萬倍，分解開來，25倍歸功于使用更寬的頻譜，5倍歸功于把頻譜分割成小段，5倍歸功于使用更好的調(diào)制方案即物理層技術(shù)，最大的增益在于通過減小小區(qū)尺寸和傳輸距離產(chǎn)生的1600倍增益，也就是說，減小小區(qū)尺寸和傳輸距離產(chǎn)生的容量增益遠(yuǎn)大于物理層技術(shù)發(fā)展帶來的增益。

事實上，要使無線系統(tǒng)容量獲得增長，最直接的方法就是減少小區(qū)面積、增加小區(qū)數(shù)量，這樣既可以減少頻率重用距離提高單位面積內(nèi)的頻譜效率，又可以減小無線信號傳遞距離而提高了信噪比。由于無線網(wǎng)絡(luò)能達(dá)到的最高數(shù)據(jù)速率隨傳輸距離增加遞減很快，未來的無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)是多種標(biāo)準(zhǔn)或技術(shù)重疊的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，其基本原則是按照需求場景的不同使用不同層次的網(wǎng)絡(luò)，不同層次網(wǎng)絡(luò)則盡快將無線業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)回傳到有線網(wǎng)絡(luò)，盡量用帶寬成本比較低的有線網(wǎng)絡(luò)來代替高成本的無線網(wǎng)絡(luò)。如極高速率超短距離傳輸可以使用類似UWB之類的網(wǎng)絡(luò)支持，中等速率室內(nèi)傳輸可以使用蜂窩家庭基站或者Wi-Fi來覆蓋，真正室外需要支持移動的低速業(yè)務(wù)才用高成本的室外蜂窩宏基站來支持。這種分布式異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)會大大增加網(wǎng)絡(luò)和終端物理層的復(fù)雜度，但是也是必由之路，需要業(yè)界和學(xué)界共同努力探索。