无线通信最关键的技术是什么 无线通信技术应用介绍详细解释

无线通信技术未来发展方向分析

摘要 本文主要介绍未来无线通信领域最关键的几项技术创新。 随着无线服务的扩展,对高数据速率通信的需求将不可避免地催生能够提供高频谱效率的新调制和编码技术。 我们讨论满足这一条件的三种物理层技术:正交频分复用、超宽带传输和空时调制/编码。 此外,由于室内接入正在成为无线通信的前沿,本文还讨论了宽带局域网(WLAN)和自组织网络的应用。

关键词 : 时空处理, 多输入多输出, 超宽带正交频分复用, 简易网络

一、概述

用户和路由设备可以在网络中随机移动的自组织网络已成为一个重要的研究领域。 这项新兴技术必将扩展便携式接入并使紧急情况下的通信成为可能。 。 在传统无线网络中,网络接入点固定连接到宽带骨干网,对数据速率的要求越来越高。 例如,IEEE 802.11a/g 要求数据速率为 54Mbps。 许多新技术已经出现,将对无线通信领域产生重大影响。 超宽带(UWB)技术利用极短的脉冲信号来传输信息,脉冲占用的带宽高达数GHz。 与将基带信号上变频为射频信号的传统无线通信系统不同,UWB可以被认为是基带传输,但它恰好是在射频频率上。 它可以在室内以极低的功率谱密度提供高达 100Mbps 的数据速率。 另一种有效的技术是正交频分复用(OFDM)。 它提供了以前的调制方法所不具备的多址接入和信号处理方法,使无线网络能够在更窄的频段内实现更高的频谱效率。 20 世纪 90 年代的研究表明,在发射机和接收机处使用多个天线可以实现高功率和频谱效率。 进一步研究表明,该系统在独立瑞利散射通道中实现的理论数据速率与天线数量成正比,接近最大香农容量的90%。 朗讯的V-BLAST实验室系统模型可以在室内环境中实现20-40bps/Hz的频谱效率,平均信噪比为24-34dB。 当收发器使用16根天线时,在30dB的信噪比下可以获得60。 -70bps/Hz 频偏效率。

下面我们将详细介绍上述技术及其在未来无线通信领域的应用。

2、无线通信在室内接入中的应用

传统上,人们只有在相对静止时才使用宽带资源,而这些活动往往发生在室内。 众所周知,无线通信技术的诞生最初是为了提供移动语音服务,为人们在路上提供通信服务。

互联网服务提供商 (ISP) 提供的固定室内连接促进了互联网的快速发展,这些提供商通常与当地有线电视运营商是同一家公司。 与此形成鲜明对比的是,在无线通信领域,运营商投入大量资金,以购买带宽资源使用权、建设室外移动覆盖。 因此,他们一直很难涉足室内领域。 此外,当前所有的第二代数字无线通信系统主要集中于提供基于语音的服务。 这在过去几年中将室内数据通信服务让给了有线通信系统。

未来十年,室内无线接入提供宽带数据服务将成为无线通信领域最重要的问题。 蜂窝和个人通信的发展要求第三代无线设备能够为室内用户提供类似互联网的网络服务为核心。 大多数运营商没有现有系统来提供此类室内覆盖。 这为能够提供低成本设备的基于无线局域网(WLAN)的新竞争对手提供了一个切入点。

通过利用建筑物或园区内现有的有线以太网网络基础设施,可以快速且廉价地使用 WLAN,并且可以实现比昂贵的 3G 蜂窝设备更高的数据速率。 随着VoIP技术的发展,人们相信WLAN可以进一步提供不使用蜂窝结构而集成电话和互联网接入的移动/便携式无线服务。

现在许多公司正在努力将2.5G和3G蜂窝技术与WLAN技术相结合,生产出可以完成各种室内链路和服务的手机和其他无线设备。

在室内无线接入方面,WLAN以及现有并广泛采用的基于IP的有线网络结构将成为以无线电波为核心的蜂窝/个人移动通信系统的有力竞争对手,这些系统正试图从室外扩大影响范围。 。 扩展到室内。 同时,WLAN还将涉足户外,例如旅游景点、机场等。

3、无线通信数据速率

未来十年,高速无线数据服务将更加成熟。 实现这一目标的关键是频段利用率的提高。 在物理层,三项技术将在这方面发挥关键作用:正交频分复用(OFDM)、空时架构和超宽带通信技术。

1. 正交频分复用(OFDM)和多载波通信

正交频分复用(OFDM)是多载波传输的特例。 使用多个低速子载波传输高速数据流。 由于超大规模集成电路(VLSI)的进步,高速、大规模的快速傅里叶变换(FFT)芯片已成为可能,正交频分复用技术已成为商用高速宽带无线通信技术的主要候选技术。 此外,OFDM技术还具有许多使其具有吸引力的独特性能:由于低速并行子载波上符号率的提高,OFDM技术可以抵抗多径衰落和码间干扰。 (对于给定的时延扩展,OFDM接收机的复杂度比单载波情况下使用均衡技术的复杂度小得多); OFDM技术通过在子载波上采用自适应调制和功率分配技术,有效地利用了射频频段资源,而这些都可以用可编程数字信号处理器来实现; 由于窄带干扰只能作用于一小部分子载波,因此OFDM技术具有抗窄带干扰的能力; 与其他宽带接入技术不同,OFDM技术不需要连续的带宽源; OFDM 使单频网络成为可能,这非常适合广播应用。

事实上,在过去的几年中,OFDM技术已经广泛应用于宽带数据通信,例如高达1.6Mb/s的高比特率数字用户环路(HDSL)、高达6Mb/s的非对称数字用户环路(HDSL) ADSL)、高达 100Mb/s 的极高数据速率数字用户环路 (VDSL)、数字音频广播和数字视频广播。 OFDM 还被引入新的无线 LAN 标准,包括 IEEE 802.11a 和 IEEE 802.11g,在 5GHz 范围内提供高达 54Mb/s 的速率。 它还用于高性能 LAN,如 HIPERLAN/2 和 ETSI-BRAN。 OFDM 技术还用于 IEEE 802.16 城域网标准和综合业务数字广播 (ISDB-T) 设备。

当今的趋势表明,OFDM技术将成为第四代宽带多媒体无线通信系统的调制技术。 然而,在这项技术得到广泛应用之前,还需要解决几个问题。 与单载波调制相比,OFDM技术有以下缺点:

OFDM 本质上具有较高的峰均功率比 (PAPR),从而降低了射频放大器的功率利用率。 由于多载波系统的输出是多个子信道信号的叠加,如果多个信号的相位一致,则叠加后的信号的瞬时功率将远高于信号的平均功率。 这对发射机中放大器的线性度提出了很高的要求。 否则会引起信号失真,改变信号频谱,破坏各子信道之间的正交性,产生干扰,影响系统性能。 恶化。

多载波系统对频率偏移和相位噪声非常敏感。 由于无线信道的时变性,无线信号在传输过程中的频率偏移或者发射机和接收机本振之间的频率偏差都会破坏OFDM系统子载波之间的正交性,从而导致帧间干扰。子载波干扰 (ICI),除非使用适当的补偿技术,否则将显着降低系统性能。

上述问题影响了OFDM技术的广泛应用。 例如,ETSI的HIPERLAN/1标准在1996年就考虑过OFDM技术,但最终放弃了。 此后,许多研究多载波通信的大学和实验室开始考虑如何解决上述两个问题。 由于其固有的自适应调制和子载波间功率分配的便利性,OFDM技术在未来宽带无线领域仍然是一种优秀的调制技术。 结合软件无线电技术和智能天线技术,OFDM技术将实现更大的性能提升。 越来越多新的多载波通信思想结合了OFDM技术和扩频技术等单载波系统的优点。

2.超宽带(UWB)技术

超宽带(UWB)调制技术采用上升和下降时间非常快的基带脉冲整形,使脉冲占据高达数GHz的带宽,因此最大数据传输速率可达数百Mbps。 这避免了传统窄带调制技术所需的上变频过程。 此外,由于发射机的脉冲整形直接用于天线而无需上变频,因此UWB技术可以利用低成本的宽带发射设备。

除了大带宽和高通信速率之外,UWB技术还有很多其他优点。 首先,UWB通信具有良好的保密性。 其系统传输功率谱密度很低。 有用的信息完全淹没在噪音中,被检测到的概率很低。 其次,UWB可以抵抗多径衰落,因为每个UWB系统的脉冲传输时间很短。 在反射波到达之前,直达波的发射和接收已经完成,因此UWB系统适合在高速移动环境中使用。 而且,UWB通信被称为无载波基带通信。 它几乎是一个全数字通信系统,需要很少的射频和微波器件,从而降低了系统复杂性。 可以说,UWB通信是一种低成本、低功耗、高速度、简单有效的优秀无线通信方式。

2002年2月14日,FCC批准了UWB用于短距离无线通信的申请。 UWB的带宽限制在3.1-10.6GHz范围,该频段的发射功率要求小于41dBm。 这是为了保护 GPS 应用以及航空和军事应用。

超短脉冲使基于 UWB 的雷达具有高分辨率,而宽带宽可实现适合下一代无线 LAN 的高信号速率。

3.时空处理

随着服务的扩展,由于频谱资源有限,无线服务提供商必须改进技术来扩展蜂窝系统的容量。 容量可以通过小区分裂来增加,但代价是增加基站。 而空时技术和多输入多输出(MIMO)天线结构利用天线和差错控制编码,充分利用小尺度时间和空间分集,大大提高频谱效率,以比小区更低的成本增强覆盖范围分裂。 此外,时空技术可以应用于蜂窝系统和自组织网络结构。

多路径是影响无线链路可靠性的主要因素。 分集技术是减少深度衰落影响的有效技术。 过去,大多数分集是基于接收机的,主要是从移动站到基站的上行链路。 最近,更多的研究集中在基站和移动站的空间分集上。 原因之一是开发了以更高频率运行的新系统。 例如,载波频率高达2.4GHz或5GHz的无线设备需要不会显着增加移动终端尺寸的天线阵列间距。 3GPP和3GPP2已使用双发射分集来提高下行链路信道的数据速率,因为未来的无线多媒体服务需要比上行链路速率高得多的下行链路速率。

通过合理选择编码,可以实现时域的多样性; 在发射机和接收机处使用多个天线提供了空间分集。 这大大提高了频谱效率,并以较低的复杂度获得分集增益和编码增益(所有发送端编码和接收端处理都可以用线性处理来实现)。 研究结果表明,在多发射多接收天线结构中使用最大可能检测器获得的信号与在单发射双接收结构中使用最大比组合结构获得的信号相同。 这样,分集的负担就转移到发射机而不影响性能。

在闭环发射分集技术中,接收机通过反馈消息向发射机提供当前信号的特性,从而可以通过信号选择或预失真来补偿当前信道特性的影响。 显然,闭环发射分集技术优于简单的“盲发射”STBC。 除了STBC之外,还可以通过延迟分集结构来实现“盲发射”分集,其中不同发射天线上的信号具有不同的延迟,从而避免频率选择性信道。 接收端的均衡器利用训练序列来补偿信道失真,通过组合不同时延的信号可以获得分集增益。 该方法的缺点是信道间的差异不是符号周期的整数倍,因此会受到符号间干扰的影响。 在这种情况下,需要接收端的反馈来调整延迟。

MIMO技术在发送端和接收端应用多个天线来满足高速无线数据业务的需求。 贝尔实验室的分层空时(BLAST)方案是MIMO系统的应用之一。 该系统可以将无线系统的容量扩展m倍,其中m为发射天线数量和接收天线数量中的较小者。 与延迟分集结构类似,BLAST 不使用信道编码。 它通过多个发射天线利用多径,然后使用先进的算法在接收端合成信号。 BLAST的研究主要集中在优化训练序列、检测计算以及BLAST技术与编码相结合等方面。 其中比较成功的研究成果之一是垂直BLAST(V-BLAST),其处理更加简化,使其成为下一代室内和移动无线应用的有竞争力的技术。

许多无线通信系统已经计划使用空时码。 例如,宽带固定无线接入标准IEEE 802.16.3将空时码视为内码,将Reed-Solomon码视为外码。 欧洲的 WIND-FLEX 项目正在为室内应用的 64 至 100 Mbps 自适应调制解调器选择最佳数量的发射和接收天线。 第四代蜂窝移动通信标准计划在每个小区内实现20%的频谱效率,提供高达20Mbps的数据速率。 空时编码是可以实现这一要求的技术之一。

4. 自组织网络

以低成本实现高数据速率是无线通信的关键。 前面的介绍表明,有很多物理层技术可以实现这一目标。 然而,未来无线通信网络的另一个要素是能够在没有固有网络结构的情况下存在。 因此,自组织网络已成为未来系统的关键技术。 Ad hoc网络是一组移动节点协作动态形成的临时网络结构,没有任何现有的网络基础设施或集中管理。 网络内的链接是动态的,并且经常由于节点的移动而断开。 Ad hoc网络的历史可以追溯到1968年,当时ALOHA网络的研究刚刚兴起。 ALOHA的协议支持单跳网络中的分布式通道访问(网络中的每个节点都可以到达所有其他节点),但这最初用于固定网络节点。 1973年,DARPA开始研究多跳分组无线网络协议。 多跳技术通过空间域复用来增加网络容量,但这需要更复杂的路由协议来支持。 过去,Ad hoc网络主要应用于战场和灾区等无法或不方便提前铺设网络设施的地方。 现在,随着蓝牙技术等新兴无线技术的成熟,Ad hoc网络的商业前景越来越被看好,笔记本、手机、PDA、MP3播放器等各种便携式设备的互联已成为可能。 。

当前的蜂窝系统依赖集中控制和管理,下一代移动无线系统的标准将努力向Ad hoc方向发展。 例如HIPERLAN/2的直连模式,相邻终端直接通信。 蓝牙技术、IEEE 802.11 Ad hoc 模式、IEEE 802.16 Ad hoc 网络 (MANET) 和 IEEE 802.15 个域网 (PAN) 提供分散式无线、接入和路由技术。 因此,Ad hoc无线网络具有广阔的发展前景。

由于Ad hoc网络没有预定的结构,加上网络链路的多变性,因此在设计和实现过程中存在一些关键的技术挑战,包括:需要综合考虑安全和路由问题,以确保网络有效在分布式环境中运行; 在保证网络拓扑动态的同时应尽量减少额外的开销(尽量减少路由表的更新频率); 通过合理的路由协议设计,尽量减少多跳网络中链路容量的不稳定性; 网络链路(覆盖范围)、时延要求、网络容量和功率预算之间必须有合理的折衷; 通过合理应用功率控制机制和优化媒体访问控制(MAC)设计,减少对其他技术的干扰。

5. 结论

本文介绍了未来十年左右可能在无线通信领域蓬勃发展的几种新技术。 我相信互联网和无线通信很快就会融合在一起。 我们注意到,无线通信领域的许多尖端技术都在室内,现有蜂窝/个人通信许可证持有者与使用WLAN技术的Ad hoc网络建设者之间将会展开一场接入争夺战。

对高数据速率的需求将催生提供高频谱效率的新调制和编码技术。 我们讨论满足这一条件的三种物理层技术:正交频分复用、超宽带传输和空时调制/编码。 我们相信无线技术将为未来的通信行业做出更加卓越的贡献。