未来移动通信的特点及关键技术

张晶壹

摘 要：基于移动通信的特点及网络架构以及人们日益增长的物质精神文化需要，文章介绍了目前人们对未来通信系统的构思及可实行性，对频谱充分利用及无线电领域作了简单的阐释。

关键词：未来移动通信；无线电；频谱

中图分类号：TN929.5 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2015）17-0062-02

众所周知，通信技术的终极目标是5 W原则，即任何人在任何时间、任何地点与任何他人进行任何类型的信息交换（whoever，whenever，wherever，whomever，whatever）。随着人们生活方式的丰富多样化，人们对移动通信的种种需求与日俱增，尽快想办法使这一问题得到解决是目前唯一能做的。因此要充分进一步、全面的认识移动通信的特点，其次，未来的移动关键技术更是当下讨论的焦点、热点问题。

1 未来移动通信系前景

首先，未来移动通信系统将会宽带化以满足不断增长的宽带数据速率需求。第一代模拟式仅提供语音服务；2G传输速率仅有9.6 kbps，最高可达32 kbps；3G数据传输速率可达到2 Mbps；4G可以达到10 Mbps至20 Mbps，最高可以达到高达100 Mbps。3GPP LTE-Advanced系统要求在下行链路上支持高达1 Gbps（低移动性）或者至少100 Mbps（高移动性）的峰值数据速率。

其次，在互联网诞生以前，人类的时间分为以下几段：睡觉，工作，坐车，吃饭，与朋友会面聊天，看书，看电视，逛街；而在移动互联网诞生以后，人类的时间被分为三段：睡觉，工作，用智能手机上网，可见互联网的移动应用化仍是本质特点。为了满足移动通信系统的宽带化和互联网应用的移动化，对未来的移动通信系统而言，可以预见，其主要需求仍会集中在更高的数据速率和用户终端（UE）处于高速移动状态时的QoS性能方面。

然而，对于现有移动通信系统所分配到的有限频谱资源而言，这种数据速率的扩张需求势必难以满足；寻找另外的可用频段，又必然要触动和挑战目前静态（甚至是僵化）的无线资源规划。因此，迫切需要新的技术方式和通信体制来支撑未来移动通信系统的进一步发展需求。

2 当前移动通信技术存在的问题

结合当前频谱利用现状分析，当前无线通信的特点为多种网络共存、同一频率的信号相互干扰、静态频谱分配。就现有频谱策略而言，静态地分配频谱，频谱利用率低。非授权频带逐渐趋于饱和：随着无线局域网和无线个人网络的快速发展，以及无线技术在移动通信、城市安全、智能交通、广播电视、智能社区、战场指挥等系统中的广泛应用，无线电频谱资源也变得日趋紧张。随着全球移动用户数量的不断增加，频率资源紧张，移动运营商也深感频率资源短缺。当今飞速增长的频谱资源需求与相对匮乏的频谱资源供给已造成供不应求的局面，更是成为制约未来无线通信发展的瓶颈。授权频谱资源利用率非常低：传统频谱使用和管理存在的突出问题是授权频谱利用率低，频谱利用情况极不平衡。而美国联邦通信委员会曾在一篇报告中指出，美国有70%的授权频谱没有被充分利用。

针对上述提到的问题，我们不难总结出制约未来移动通信发展的瓶颈。无线资源的有限和无限的用户需求之间的矛盾。可用的功率、频率、时间、码字、空间角度、极化方式等都属于无限资源；就频谱资源而言，寻找另外的可用频段，又必然要触动和挑战目前静态（甚至是僵化）的无线资源规划。因此，新的技术方式需要改善，此外通信系统的可用无线资源的利用效率也迫切需要提高。有限的频谱资源与持续增长的无线通信业务需求之间的抵牾所带来的挑战，将推动无线通信理论与技术不断发生变革。

3 解决办法

关于解决方案，大体可以概括为如下五点，下面详细介绍。

3.1 从信号设计与处理方面出发，选用高效的调制及信

道编码等技术增加频谱利用率

信号处理的复杂性将限制其在实际系统中的应用。例如，如果完全依靠增加调制进制来提高传输速率，当速率超过10 bps/Hz时，其复杂度及对信道的要求相当之高，每增加1 bps/Hz就要增加3 dB的信噪比，而要实现复杂度，那么对时钟精度的要求及对信道参数估计精度的要求等相应地都要成倍增加。但从结果来看，可能是得不偿失，由于对各方面精度的要求及对应参数仪器的选择都需高标准的配置，其预期成本已远远大于它本身所带来的效益，因此不为大多数客户需要。

3.2 工作频点继续上移

2007年11月闭幕的世界无线电通信大会上曾议决了适用于全球3G与4G移动通信体系的四个新频段，其中包括3.4～3.6 GHz的200 MHz带宽以及分配给我国TD-SCDMA的2.3 GHz～2.4 GHz的100 MHz带宽。更高的系统工作频率将导致无线信号在空间传输中快速衰落。尽管采用微蜂窝技术可以缩小小区半径，增加天线覆盖面积，提高了用户的接收性能，但随之而来的另一个问题在于系统中频繁的切换会增添了系统信令开销并使系统的工作效率下降；可想而知，它远不能满足人们日益增长的对移动通信数据速率增加的需求。

3.3 开发频谱、时间、空间、码字、极化域等资源

认知无线电技术，因其灵活化、智能化、可重配置资源等显著特性，通过感知外界环境可利用的无线资源，并使用人工智能技术从环境中学习，有目的地实时改动某些操作参数（例如传输功率、载波频率和调制技术等），使其内部状态适应于接收到的无线信号的统计变化，从而实现任何时间、任何地点的高可靠通信，以及对异构网络环境下有限的无线频谱资源进行高效地利用。相对前两者而言，该方案不失为一个良好的解决方案。

3.4 协作通信

协作通信（Cooperative Communication）技术是利用网络中闲置的天线资源作为信源的中继协助转发信息，通过不同天线传输相同的数据达到空间分集的目的，以提高通信系统的可靠性，是继MIMO多天线技术之后无线通信领域内又一前沿研究课题。但协作中继的选择是个棘手的问题，现在已成为一个大问题。

3.5 大规模MIMO（massive MIMO）系统

大规模MIMO（Massive MIMO）系统作为传统MIMO技术的推广，可以大幅度提升速率和能源效率，是未来无线通信的一个重要研究方向。Massive MIMO需要在基站选用大规模的阵列来服务有限的终端用户，这使基站天线阵列的尺寸大幅度增大，设置难度也相应大幅增加。于是，导频污染被认为是大规模MIMO体系中的“瓶颈”问题。

4 认知无线电技术

通过以上五点的对比，我们不难发现，认知无线电技术是目前有效可行并加之以开发的不二选择。

认知无线电最早是在1998年由Mitola提出。主体为感知频谱、传播环境并自适应选择可用频谱、自适应调制、编码、天线波束、功率调整等。具体是指，允许系统获取周围的工作和地理环境信息、已建立的通信策略及其内部状态，依据获取的信息对其自我学习，形成决策并动态的和自主的调整工作参数和通信协议来实现预定的目标。认知无线电的主要功能可以归纳为：频谱感知（检测可用的频谱空洞，检测主用户是否存在）、频谱管理（制定频谱使用政策，使频谱利用率尽可能的高）、频谱共享（协调频谱接入）、频谱切换（频谱之间的无缝过渡）此外，频谱空洞常规定义为特定地理区域、特定时间内主用户没有使用的的频谱；而我们可以扩展为，未被占用的无线电信号的多维空间。因为频谱空洞，既而我们提出频谱共享与动态接入模式，主要为Interweave模式：认知用户通过寻找（感知）主用户授权频段的中的频谱“白空间”，机会式接入频谱空洞来进行通信，主要技术为感知技术和退出机制；Underlay模式：认知用户和主用户使用相同频率进行通信，前提是认知用户远小于主用户的发射功率产生的干扰量不会影响主用户的通信质量，主要技术为次用户发射功率控制和调制技术的选则；Overlay模式：认知用户和主用户在时间和空间上使用相同的频谱进行通信，主要技术为网络编码。

对于它的实现也有个别问题需要解决。而认知无线电所具备能力也相对较高。也有具体概括为感知能力和可配置能力，其中感知能力主要体现为频谱感知、位置识别、系统发现、业务发现。就频谱感知而言主要是在信号能量、波形特征、循环平稳特征等方面得以体现，同时也要对用户位置信息、周围电波传播环境的干扰信息有一定的感知能力。可重配置能力主要表现在根据获得的信息动态选择合适的工作频段（即频谱灵活性）。同时在动态频率选择上能够动态监测其它无线系统的信息，能够保证与这些系统在同一频率上工作并互不影响。在自适应编码方面，要能够根据工作状态的不同选择最合适的调制编码类型以用于特定的传输系统，保证系统的正常运行操作。再者也能通过功率控制在数据传输工程中在不同等级中来回切换。

最后，还要满足的是能够接入多个运行不同协议的通信体系。频谱共享与接入方面，我们的终极目标是为认知无线电网络用户（包括授权网络用户网络）提供公平有效的频谱共享，这就需要在频谱判决、频谱共享和频谱移动性管理方面做足功夫。能够通过对频谱空洞和业务需求方面的分析，为当前的传输选择合适的工作频段和自适应调整传输参数；多个用户或网络之间公平、协调的共享频谱机制，感知用户间、用户和授权用户间及不同感知网络间的频谱共享等问题，从而实现对频谱的无冲突使用，并最大化的提升频谱利用效率；能随时切换以保证工作的连续性。

对于实施认知无线电带来的挑战，主要体现在频谱管理的四种手段：行政、经济、法律、技术。目前亟需从行政和技术两方面考虑引入CR后的变化和应对措施。行政管理挑战方面，固定频谱分配政策下的许多技术标准需要被改变，以及新的频谱使用相关属性需要被定义。对频谱使用政策的改变会引入许多使用无线频谱资源的部门单位改变其频谱操作行为，需要制定有效办法对部门间进行协调处理无线电管理相关事宜。技术挑战方面，频谱感知、频谱管理、频谱共享、频谱切换都是一系列的挑战因素。

5 结 语

当前，移动无线领域正处于高速蓬勃发展时期，移动通信系统本身也在这个高速路上不断变革创新。未来移动通信系统尽管有着更快的通信速度，更宽的网络频谱，更灵活更能满足人们日益增长的对通信的数据传输速率的需求，但要真正实现，目前看来仍面临诸多难题。因此，现阶段对未来移动通信系统中网络结构的可行性，灵活性及关键核心技术的探索有重要意义。

参考文献：

[1] 马文敏.未来移动通信系统资源分配与调度策略研究[D].北京：北京邮电大学，2013.