Ｂ３Ｇ移动通信系统的研究框架

摘要：和3G移动通信系统的业务相比，B3G移动通信系统的业务具有显著的特征，如：分组数据业务占优、业务类型显著增多、业务规模显著增大、传输峰值速率显著提高、业务传输速率的动态范围显著增大、业务在空间和时间上的分布差异显著增大、业务请求常发生在高速移动的交通工具中等。为了适应B3G系统的业务需求，B3G系统必须在网络结构、空中接口方案、无线资源分配策略，乃至电波频段和射频技术等方面都有全新的改变。因此，B3G移动通信系统的研究应当重点包括以下几个方面的内容：广义蜂窝通信网络理论与构造方法、充分利用空间资源的MIMO无线通信传输理论、无线通信资源与新型空中接口适配方法、新型迭代式编码调制与自适应链路技术、新型天线与射频技术等。

关键词：B3G移动通信系统；业务特点；关键技术；研究框架

Abstract: Compared with 3G mobile services, Beyond 3G(B3G) services are characterized by the following distinctive properties: dominated by packet data services, diversified service categories, large-scale services, high peak transmission rate, wide dynamic range of transmission rate, differentiated distribution of services in time and space, services usually being requested from fast-moving vehicles. In order to meet these service demands, B3G systems should be well designed in respects of network architecture, air interface, radio resource allocation, Radio Frequency (RF) band and radio frequency related technologies. Therefore, the researches of B3G systems should focus on following respects such as generalized cellular communications network, Multiple Input Multiple Output (MIMO) wireless transmission that can make full use of space resources, adaptation of radio resources and new type air interfaces, iterative demodulation and decoding and adaptive link techniques, and new type antenna and RF techniques.

Key words: B3G mobile communications system; service feature; key technology; research frame

基金项目：国家自然科学基金项目(60496311)；国家“863”计划项目(2005AA121052)

在第三代移动通信系统(3G)的研发工作接近尾声时，学术界和工业界已经在思考、构建和展望B3G移动通信系统的蓝图。由于国际电信联盟(ITU)将3G标准称为IMT-2000(全球移动电信-2000)，所以对B3G所使用的学名为Beyond IMT-2000，并于1999年将Beyond IMT-2000的概念与需求研究正式列入议事日程。2001年10月在东京进行的ITU-R WP8F会议上，收到了许多有关Beyond IMT-2000的研究提案，初步明确了基本研究框架，并指出Beyond IMT-2000是指广泛用于各种电信环境的无线系统的总和，包括蜂窝、固定无线接入、游牧(Nordic)接入系统等，其能力将涵盖并远远超出IMT-2000系统，也即不仅涵盖目前的IMT-2000、无线接入、数字广播等系统的能力，还将新增两个部分：支持约100 Mb/s的蜂窝系统和支持高达1 Gb/s以上速率的游牧和本地无线接入系统。

图1所示为ITU制订的B3G系统的开发时间表，在ITU给出的有关B3G的研发进程时间表中，总体目标及远景计划已于2002年6月完成，2003年到2006年之间完成B3G系统的需求定义，2006年到2010年左右完成全球标准化工作，2010年之后开始商用，而其频谱分配将在2006以后渐进完成。

在ITU对B3G的研发进程进行定义之后，世界各国移动通信研究机构竞相展开了B3G系统的研究工作。例如，欧盟在第五框架研究计划的基础上，成立了世界无线通信研究论坛(WWRF)，着手进行B3G移动通信系统的概念、需求与基本框架研究，并把B3G的研究列入2002年启动的欧盟第六框架研究计划；日本总务大臣的咨询机构——信息通信审议会专门委员会于2001年6月15日完成了B3G移动通信系统框架建议；韩国有关运营商和通信研究所也向政府提出了B3G移动通信系统的研究计划；中国2002年正式启动了一个名为未来通用无线环境技术(FuTURE)的国家“863”研究计划。

1 B3G业务的七大特征

从目前移动通信系统的发展趋势和研究动态可以看出，B3G移动通信系统的业务所具备的特征及对现有系统提出的挑战主要表现在如下7个方面^[1-7]：

(1)分组数据业务将占据主要成分，话音业务的比例将逐渐降低。数据业务将由从属地位上升为主导地位，其比例将从目前通信业务总流量的10%～20%上升至80%以上。传统蜂窝移动通信系统是以满足话音业务需求而设计的，如果B3G系统生搬硬套其网络结构和空中接口方案，将无法适应这一需求，因此需要运用全新的理念，设计基于数据传输的无线传输方案及网络结构，最大程度地满足B3G系统数据业务占优的特点。

(2)多种有线网络的业务将逐渐融合到移动通信系统中来，移动通信系统所支持的业务种类将显著增多。由于不同的业务具有不同的特点，所以对系统的要求也有非常显著的差异。例如，支持移动电视的广播和多播业务就是未来移动通信系统所要支持的一种常见业务，其特点是多个用户同时接收同样的视频信息，因此原来的点到点传播模式将不再适用于这种业务的传播，需要设计专门的广播信道来实现点到多点的传输。这需要系统具有支持多种业务的能力。因此系统的复杂度将显著提高，无线资源的分配方式需要高度灵活。

(3)业务规模(包括流量和数量)将显著增大。信息时代的特点就是信息交换的量越来越大，这就要求移动通信系统能够承载更大的信息流量，具有更高的信息吞吐量和用户容量。从目前人与人、人与机器以及机器与机器之间信息交换量的发展趋势来预测，一般认为B3G系统的容量将比3G提高10倍以上。这就需要系统在信息传递能力方面有本质性的提高。

(4)业务的峰值传输速率将提高一至两个量级，达到100 Mb/s以上。传统蜂窝移动通信系统所用的3 GHz以下频段无法满足这一要求，需要开发频率更高的无线资源。由此所带来的问题是，电波的传输特性将更为恶劣，受天气以及物理环境的影响更大。如果采用传统意义上的蜂窝移动通信技术，则发射功率需相应地增加十倍甚至上百倍，电磁兼容问题将变得无法容忍，因此需要采用全新的小区结构解决此问题。

(5)业务传输速率的动态范围将扩大，可能会在10 kb/s至100 Mb/s之间动态地变化。为满足这一需求，B3G系统的无线资源调配方式必须极为灵活，能够高效地适应数据速率的大动态变化范围。

(6)业务的地点和时间分布将呈现较大的差异。地点分布的差异：例如，某些热点场所的业务量是乡村等非热点场所的很多倍；突发事件场所是用户突然增多的地方，需要系统具有相应的应急增容措施。时间分布差异：在某些时间段，某地点的业务可能出现某种周期性变化的特征，需要系统具有周期性的容量适应性。业务的上述特征需要系统在通信容量方面具有较好的环境自适应性和时间周期自适应性。

(7)业务传输请求常发生在高速移动的交通工具中。高速移动用户一般都处于某种高速移动的交通工具中，例如高速移动的汽车、火车和飞机上。为了能够容纳更多的高速移动用户，需要在相应的交通工具上设置“移动中转基站”。这样，只要处理高速移动的“移动中转基站”和地面基站之间的信息交换和小区切换问题就能实现通信，而且可以减少移动台的功率损耗。这就要求未来移动通信系统的基站能够接入更多种类的移动终端。事实上，这样的移动中转基站还能够作为突发事件场所的应急移动基站。

2 解决B3G业务需求所带来挑战的基本思路

综合B3G业务的上述7大特征，B3G系统要很好地满足业务需求，主要需要解决如下3对矛盾：

(1)业务规模(数量、吞吐量和峰值速率等)的日益增长性与频谱资源有限性之间的矛盾。

(2)业务空间和时间分布的差异性与无线网络结构上的单一性之间的矛盾。

(3)业务速率和种类的多样性与传输信道类型的局限性之间的矛盾。

为了解决上述矛盾，B3G移动通信系统必将从网络结构、空中接口、载波频段等诸多方面有全新的改进措施，使得B3G移动通信系统可以全方位地适应未来B3G业务的需求。具体来说，B3G系统应当在以下几个方面有本质性的改进和提升：

(1)在网络结构方面，原来基于支持语音业务的蜂窝小区结构将很难支持大用户容量和大吞吐量等方面的需求，所以要探索新型的移动通信网络结构。例如，采用分布式多天线广义小区的结构就可以有效增加小区容量和系统吞吐量。

(2)在电波频段方面，3 GHz以下的频段难以支撑大容量和高速传输的需求，所以需要开发3 GHz以上的更高频段资源。而3 GHz以上频段的电波传输具有很强的衰减特性，所以需要对其衰减及传播特征进行仔细地研究，以确定3 GHz以上频段电波的传输特征及其相应的信道模型。

(3)在空中接口方案方面，由于高速传输的要求，所以需要具有高速传输的物理层方案。多输入多输出(MIMO)多天线传输技术开拓了一条有效利用空间资源提高传输速率和频带利用率的方法，多载波或OFDM技术可提供更灵活的无线资源分配平台，高效信道编码(如LDPC、Turbo码)可以提高传输质量，链路自适应技术可提高频谱效率。

(4)在天线及射频方面，为了在小尺寸的移动终端上设计多个天线以形成独立的MIMO信道，需要采用新型多天线分集技术和射频技术，改善信道的传输特性。

(5)在无线资源分配方面，由于业务速率的动态范围加大，所以需要更加灵活的无线资源分配方案，为不同速率的业务分配合理的无线资源。此外，为了达到大用户容量的需求，需要研究将现有的时分多址(TDMA)、频分多址(FDMA)、码分多址(CDMA)、空分多址(SDMA)等多址方式综合起来的高维多址方式，以便为更多用户灵活地分配无线资源。

由此可见，未来B3G移动通信的研究是极具挑战性的，涉及大量的基本理论与技术研究。

3 B3G系统的研究框架

根据解决挑战的基本思路和目前的研究趋势，B3G系统的研究框架主要包含以下几个方面的研究内容：

3.1 广义蜂窝通信网络理论与构造方法

贝尔实验室提出的蜂窝组网方式可以有效地解决移动通信系统出现的频谱匮乏、容量不足、服务质量差及频谱利用率低等问题。但是随着移动通信系统信息交换量的迅猛增长，这些问题又重新显现出来，并且日益尖锐。一方面，如果将小区过度分裂，用很小的蜂窝进行覆盖，会造成切换频繁，给系统带来沉重的负担；另一方面，如果小区半径太大，则每小区的吞吐量又不能满足信息吞吐量的需求。因此需要探索一种新的广义蜂窝通信网络结构，来解决这个矛盾。

目前，研究得比较多的是可以支持MIMO的分布式天线覆盖网络^{[8, 9]}。在这种广义蜂窝组网方式中，多副天线被分布在小区的不同地点，以支持MIMO传输，这种组网方式可有效提高单位地表面积上的信息吞吐量。

图2所示为分布式天线覆盖网络，多副天线被分散放置在某个区域内，这些天线通过光纤和一个处理单元(CU)连接，这些处理单元又通过光纤和基站控制器连接。移动终端(MT)在网络覆盖区域内可以和多副天线之间建立一个MIMO信道，从而可以利用MIMO信道的高频谱利用率特性，提高网络的吞吐量。

可以说，分布式天线覆盖网络是传统蜂窝网络的一个自然推广，其显著特点就是一个地点可以由多副天线来加以覆盖，从而形成高频谱利用率的MIMO信道。关于分布式天线覆盖网络，亟需解决以下问题：

(1)如何用合理的网络结构来管理这些分布在地面的天线，并形成高吞吐量、低信令交互的高效网络？

(2)如何根据移动终端的业务需求和当前信道环境，自适应地配置与之建立通信关系的天线，并形成相应的MIMO信道？

(3)如何解决移动终端的天线激活组切换问题？这是一个比较复杂的问题。当天线激活组中的天线从属于同一个处理单元或基站控制器时，切换问题相对简单，如果属于不同的基站控制器，则切换问题较为复杂。

此外，在理论上需要进一步研究天线地表分布密度、频段和单位面积上的信息吞吐量之间的关系。

还可以将移动终端以自组织组网的方式引入B3G系统以提高网络效率、完善网络功能，如同一小区的移动终端之间可以不通过基站直接进行通信，一个移动终端可以将其他移动终端作为“跳板”间接和基站建立通信，这样可以降低平均发射功率，提高小区吞吐量^[10]。

3.2 充分利用空间资源的MIMO无线通信传输理论

对频谱资源的充分利用一直是推动无线通信技术发展的直接驱动力。随着个人移动通信需求的不断增长，移动通信系统在覆盖、系统容量、不同速率业务的质量保证等方面均出现了日益显著的矛盾，而这些矛盾均可归结为频谱利用率受限的问题。而利用空间资源的无线通信传输技术为解决频谱利用率问题开辟了一个新途径。高通公司的创始人之一，Andrew Viterbi博士于20世纪90年代中期曾经说过：“在多用户接入系统的发展中，空域处理是最有前途的，而且也是最后一个未开发的领域”。

信息论的研究结果已表明^[11]，在无线通信链路的发射端和接收端同时布置多个天线阵元所得到的多入多出(MIMO)无线通信结构(如图3所示)，可以充分利用信号的空间资源，大幅度提高频谱利用率(如图4所示)。

学术界已经对MIMO系统的信号检测理论和空时调制、编码理论进行了深入的研究[12]，业已提出了各种低复杂度的信号检测算法和各种高频谱利用率的空时编码方案。上述研究基本上是针对独立MIMO信道进行的，也即MIMO信道的各个子单输入单输出(SISO)信道之间是相互独立的。然而，在实际应用中，这种情况成立的概率并不大，也即随着移动台的移动，在大多数时候，MIMO信道的各个子SISO信道之间存在或强或弱的相关性。所以，关于MIMO传输理论目前亟待研究的问题有：

●相关MIMO信道模型的建立；

●MIMO信道估计问题：不仅需要估计信道参数，还要估计MIMO各子SISO信道之间的相关性；

●相关MIMO信道的信号检测和空时编码。

3.3 无线通信资源与新型空中接口适配方法

无线通信资源与新型空中接口的适配方法主要研究广义蜂窝结构下的无线资源预测与规划理论，针对未来移动通信业务模型，提出新的无线资源调配机制与空中接口方案，以适应大动态数据传输范围的需求。

B3G移动通信业务以间歇性的、大动态范围的数据业务为主，需要从新的角度摆脱第二代、第三代移动通信的设计理念，探讨全新的无线资源调配机制与空中接口方式，以最大限度地利用有限的频率资源、时间资源与空间资源。需要研究的问题如下：

(1)B3G的业务模型及其分布特性。针对新的业务需求，建立相应的业务模型，并研究这些新型业务的服务质量(QoS)度量方法。研究各种业务所占比例及相应的业务特征，为确定空中接口方案及其参数提供依据。

(2)业务空中接口适配问题的研究。如何为不同规模和特点的业务设计合适的空中接口资源是系统设计的重要环节之一。就像为一定规格的货物设计运载货仓一样，过大或过小的“货仓”都会导致无线资源的浪费。

(3)服务请求接入控制方案研究。需要建立排队论模型，建立最优的接入控制方案。

3.4 新型迭代式编码调制与自适应链路技术

在点到点通信系统范畴内，研究工作一直围绕着如何用最小的运算复杂度来实现逼近信道Shannon极限的传输。要达到这一目的，需要在以下3个方面进行研究：

(1)逼近信道Shannon极限的信道编码技术研究。近年来，信道编码领域的另一重要发现是低密度奇偶校验码(LDPC)的再发现，受Turbo码的启发，人们在60年代发明的LDPC码的基础上，构造出新型LDPC码，其性能已接近Shannon极限，特别适用于高速数据传输，而其“好”码的构造方法以及在移动通信中的应用仍需进一步的研究。

(2)迭代接收技术的研究。无论发送端采用什么编码或调制策略，在理论上，接收端的最小误码率检测是一定存在的，但是需要很高的运算复杂度，以致在现有的硬件水平范围内无法实现。所以，通信领域的很大一部分工作都是围绕着如何用较低的运算复杂度来实现较低误码率性能的接收机而展开的。迭代式的Turbo接收技术在近年来得到了较大的发展，性能可较传统的RAKE接收、Viterbi均衡等技术有较大程度的提高，且可进一步与译码器进行迭代式求解。

(3)链路自适应技术研究。由于无线信道的时变性，所以根据信道参数的变化自适应地调节链路参数是提高频谱利用率的有效途径之一。

3.5 新型天线与射频技术

B3G系统的MIMO传输与移动终端个人化等特征对天线及相应的射频前端提出了前所未有的要求。

首先，在移动终端上，个人化的特点要求降低移动终端和天线的尺寸，而MIMO传输的特点要求在有限的尺寸下构造多个独立的SISO信道。此时，天线不仅需要在很小的手持机上实现多点激励、双极化、多天线等工作模式，而且需要满足带宽、增益指标、极化隔离度等各项电性能指标。多天线之间还要设法减小天线间的耦合和交叉极化耦合以获得独立的信道和极化特性的选择功能等。随着载波频率的提高，天线附近的物体所产生的邻近效应将会更加影响天线的性能。所以，B3G移动终端的天线设计已不再是一个局限于轮廓分明的平坦基面上实现小型化、薄剖面或平嵌安装的全向天线，而是需要建立一个复杂的分布式共形结构，结合整个移动终端系统进行一体化设计。

其次，在接入点中，固定天线的设计也不再局限于全向天线、板状扇区天线(单极化空间分集、双极化的极化分集)等形式，而需要结合基带信号处理，从整个系统的角度来考虑多个天线的空间分布和配置，以实现空间分集、空分复用、多波束和自适应波束形成、极化特性的补偿等功能。实现满足上述要求的天线系统在技术上是一个挑战性的工作。

解决上述难题需要寻找适当的天线结构与工艺并加以优化。需要对天线结构精确地电磁建模，模型应包括各类效应(如寄生效应，寄生模式的泄漏、串扰、辐射效应，不连续性效应，临近手、头部的外部干扰，附近基带电路高速信号噪声形成的内部耦合干扰)的影响。需要求解电磁模型的快速算法，对天线进行接近实际环境条件的实际测试。

4 结束语

本文从B3G业务特征及其挑战的角度出发，对B3G系统的研究框架进行了归纳和总结。提出了采用广义蜂窝通信网络构造方法、充分利用空间资源的MIMO无线通信传输技术、新型迭代式编码调制与自适应链路技术、无线通信资源与新型空中接口适配方法、新型天线与射频技术来解决因发展B3G带来的挑战。

事实上，移动通信系统的发展不仅要考虑满足业务需求，还需要考虑其他方方面面的要素，如高频谱利用率、低功耗、低硬件复杂度、低电磁污染、智能化等。所以，在此研究框架之外，尚有其他需要研究和解决的问题，但限于篇幅，这里就不再讨论。

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收稿日期：2006-02-12

作 者 简 介

陈明，东南大学移动通信国家重点实验室教授、博士生导师；长期从事移动通信领域的科研和教学工作；已发表科研论文40余篇，国际学术会议论文30余篇，编著并出版研究生教材1本，获国家发明专利1项。

尤肖虎，东南大学移动通信国家重点实验室教授、博士生导师；东南大学无线电工程系主任、长江学者计划特聘教授、国家级有突出贡献的中青年专家、国家杰出青年基金获得者、国家教委跨世纪青年专家首批入选者；国家“863”计划未来移动通信总体组组长，负责未来移动通信项目的组织与实施工作。