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行业视角
下一代无线电技术与广播电视发展的探讨
作者:崔 荣 王典荫 日期:2009/4/30 11:58:57 人气: 标签:

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摘要:本文叙述了下一代无线电技术对广播电视技术发展的影响。空时无线电、感知无线电、IPCN 、无线电资源管理将成为下一代无线电发展的主要方向,以完成无线电资源的挖掘和更有效的配置,实现技术系统和业务系统的贯通与整合。广播电视将作为顶层业务和技术系统出现在下一代无线电中。

关键词:下一代无线电?? 空时无线电??? 感知无线电

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1 前言

下一代无线电技术是广播电视发展的重要机遇。在未来的无线电宽带数据和多媒体业务的发展中,无线电数字广播电视将位居顶层业务,从而保持广播电视在诸多信息业务中不可取代的重要位置。下一代无线电技术将实现如下的转型和整合:

1 )对无线电的第四维资源——空间资源进行挖掘。采用空时无线电技术( space Time Radio),根据信号在传播方向的空间差异,将同频率、同间隙的信号从空域中分开,可以成倍地扩展传输容量,并且与其他复用技术相结合,最大限度地利用有限的频谱资源。空时无线电技术还能有效地减轻移动无线电终端由于复杂地形、建筑物结构对无线电波传播的影响,即时延扩展、瑞利衰落、快衰落、共信道干扰等产生的影响。

2 )利用感知无线电( Cognitive Radio )技术实现频谱资源更为有效的配置,以及使用软件无线电技术,实现不同无线电技术系统的纵向贯通。

3 )使用 IPCN ( IP Core Network IP 核心网)实现业务系统的贯通。

4)无线电资源与业务资源管理,实现技术体系和业务体系的整合。

无线数字广播电视将作为社会的公共信息总线和管理总线,起着顶层业务的作用。我国提出的 CMMB技术体系,由于占据了空—天资源,极有可能成为未来广播电视业务的佼佼者。

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2 下一代无线电的特点

2.1 下一代无线电的发展需求

下一代无线电需要一个公共、灵活、可扩展的平台。

目前的无线接入系统都是针对某一类型的业务而专门设计的,例如数字广播电视、蜂窝移动系统(第二代移动通信系统GSM CDMA PNS DMBTH CMMB DRM 等。第三代移动通信系统TDSCDMAWCDMA CDMA2000 以及新的无线电接口)、短距离无线接入系统(蓝牙和DECT数字系统等)、有线系统(同轴线上的CATV、双绞线上的 xDSL 等)。这些接入系统各自拥有不同的应用领域,小区范围和无线电环境,目前没有一种可以在市场和技术上完全取代的方法将其统一起来。将上述无线接入系统整合成一个体系,并且将业务实现无缝融合,是切实可行的方法。

因此,可以将目前的无线接入系统,以一种分层的组织结构整合起来,信息终端在接入到系统中时,根据自己业务类型,自动选择接入系统,以达到对业务的最佳支持。由于 IP 可以运行于不同的接入网络(包括无线和有线接入网)之上,独立于物理传输媒体和接入技术,它使无线接入网更具扩展性,采用 IP 可以与互联网等有线网络很好地融合,实现业务的无缝融合,IP 以其在有线网络的成功广泛应用,和在无线网络上应用的方便性被公认为未来无线电技术最合适的网络层技术。

2.2 下一代无线电的结构

1)分配层:主要由数字广播电视网构成,其服务小区较大,特别适合于广播业务。以较低成本构建数据容量巨大的公共数据总线。此外,它可以与 GSM UMTS PSTN ISDN 等网络结合,由这些系统提供上行链路,而由数字广播电视网提供宽带的信息和下载信道,这些系统是为公共信息系统服务的。

2 )蜂窝层:包括第二代、第三代移动通信系统以及新的无线接口(例如IEEE 802.16 ),以提供更高通信数据率的信息服务,这些系统是为个人信息系统服务的。

3 )热点小区:对于高速信号传输的应用环境和个人连接服务(例如,公司、会议中心、机场等地方)而言,无线宽带本地接入网是最好的选择,它支持自适应的调制方式,不对称的数据通信以及高速的信号传输。

4 )个人网络:指办公室、家庭等短距离应用环境,不同的设备之间可以通过蓝牙、 DECT等系统连接起来。这些系统也可以作为个人链路连接到其他的网络层或直接连接到媒体接入系统。

5 )固定层:指用光纤、同轴电缆、双绞线组成的层。固定无线接入或无线本地环路也可以归到这一类。其主要作用是提供高的系统容量,用以支持个人通信服务。

例如,ITU 设想的一种B3G / 4G 系统和网络结构如图 1 所示。

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国家 863 计划 FUTURE 项目组也提出了一个相似的系统和网络结构,其网络构成如下:

1 )广播层:采用高空平台技术,提供高速率无线多媒体广播业务。

2 )小区层:采用多天线和新型小区结构等关键技术,构造峰值速率及传输性能能够比 3G 系统提高 1~2 个数量级的公众蜂窝通信系统。

3 )区域层:采用无线局域网、无线点域网等技术,构建区域性高速率、低成本的无线通信系统。

4 )核心网:采用 IPv6 作为无线通信核心网络,以此来解决中国IP地址匮乏问题。

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3 下一代无线电的核心技术

无线电技术是年逾百年的“古老”技术。但是为了进一步领会信息集之间的动态和静态关系,构建综合模型以解释信息集之间的关系,我们可以进一步提高对时间/空间/频谱的关联和预测精度,以提高可用数据的使用程度即感知质量,从而进一步挖掘时间/空间/频谱的潜在资源,这是下一代无线电的精华所在。

3.1空时无线电技术

空时无线电技术的出现,为无线电技术引入了继幅度、时间、频谱之后的第四维资源——空间资源。

空时无线电基于收发天线阵列对无线电信号在空域、时域的自适应处理,最早源自于雷达、声纳等军事用途,用于完成空间滤波和定位(参见图2)。目前,新一代的移动通信,如 TD-SCDMA CDMA2000 WCDMA 开始引入空时无线电技术,在下一代的移动通信 B3G/4G 可望有广泛的应用。在无线互联网方向,如 IEEE802. 11n 802.16 802.20,空时无线电技术的应用已臻成熟,而在广播电视领域,则在星—地广播系统中开始其应用,如美国的天狼星、 XM 空—地数字广播。

空时无线电用于实现无线与传播环境,发射基站与用户之间实现最佳空时匹配通信。它为系统带来的效益为:

1)减轻时延扩展和多径衰落

无线信道的多径效应是引起时延扩展和多径衰落,也是造成符号间干扰的重要原因之一,采用无线阵列元分集联合处理技术和波束成型技术,可以有效地减轻多径衰落对系统的影响。例如在的802.20的应用中,在保证可用性99.9 %的前提下,衰落储备由常规的 40dB 降至15dB

2 )对任何位置的用户都带来最大处理增益

最大处理增益的实现是通过阵列增益、分集增益和波束赋型增益实现的。

3 )主动干扰抑制( Active Interference Mitigation

通过自适应波束赋形,在使主波束对准目标的情况下,使零陷和旁瓣尽可能对准干扰源,可以有效地降低干扰。

4 )提高频谱利用效率及增大系统容量

时延扩展及多径衰落的减轻、共信道干扰的减少,可以提高频谱利用率,由于多输入多输出( MIMO )等技术的使用,实现了空间复用,可以提高数据传输率,支持宽带数据通信。

5 )减小发射机功率和空间电磁干扰,改善空间电磁环境

由于分集技术有效地减轻了多径衰落,尤其是快衰落的影响,发射台和移动终端的发射功率可以得到相当程度的降低,可以减少发射机功率和发射台网的布局密度,从而改善空间电磁环境,也降低了系统造价,改善系统管理。

6)实现移动台(或移动体)的定位

天线阵列元所连的接收机一旦收到移动台所发出的信号或移动体反射的发射台信号,空时无线电系统可以产生响应并作出相应处理,获得信号的空间矢量特征和矩阵,以获得目标的方位、速度和其他特征给用户和网络管理者提供便利,有可能在未来的智能交通系统( ITS Intelligent Traffic SYstem )得到广泛应用。

3.2 感知无线电

感知无线电是一种新兴的灵巧无线电技术,它可以通过载波侦测/退避/协调重设技术,搜寻并连接到任何一个空闲无线电频率,从而为用户提供最佳服务,这一功能在紧急情况下尤为重要。

感知无线电将大幅度改善对频谱资源的利用,有可能彻底改观无线电资源匮乏的现状,会对通信行业的根本变革起到极大的推动作用。

借助自适应软件,感知无线电装置可以在必要时重置其功能,以

满足通信网或消费者的要求,探测并记录各相关因素,如无线电

谱、用户习惯、任何时间、任何地点的不同传输环境中的网络状态,

以提高无线电通信的可靠性和便利程度。

感知无线电技术在无线互联网已开始应用,目前限于ITU 定义ISM (仪器、仪表、医疗器械)频段中,将来极有可能在无线电网络运行的高级通信装置逐步取代传统手机和微蜂窝基站。而变革实现之时,现在的广播电视将转换为标准化的数字广播频道,执行社会信息总线和无线电网络管理功能。

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