走向智能化的第三代移动通信系统
摘要：第三代移动通信系统最重要的技术特征是智能移动通信技术，即系统的各功能模块由智能处理单元来实现，这些单元包括智能天线、智能传输、智能接收、智能业务接入和智能网络管理。智能天线的研究最有特色的是适合于CDMA的智能天线技术；智能传输主要涉及自适应调制、综合功率控制等；在智能接收中使用中国科技大学提出的最小均方误差简化方法（S-MMSE）检测的用户数比常规方法的用户数增烟叶约一半，有很好的应用可能；智能接入则通过智能控制管理，实现信道的充分利用和最大通信流量，文中还提出了一种系统多址能力和通信容量的监控方法
主题词：智能 移动通信 宽带CDMA 天线 传输 接收
网络管理进入90年代以来，信息技术和通信技术的突出成就和急剧发展，集中表现在个人通信、多媒体信息业务、因特网应用三个方面。把信息送给个人，使移动通信走向个人通信，在任何地方和任何时候都可进行信息交流，这给人们带来了极大的方便。
当前，移动通信市场以每年30％～50％的速度增长，移动通信已成为当今通信发展的主流。人们预计，到21世纪初，移动通信用户数将会超过固定通信用户数。
第三代移动通信系统的研究和开发正紧锣密鼓地进行着，它是一种智能通信系统，能把信息传送给个人，可提供多媒体信息业务和接入不同的全球网络。
IMT2000和第三代移动通信系统
国际电联ITU提出IMT 2000作为第三代移动通信系统的发展目标，支持速率高达2M的多媒体业务。根据这个建议，各国纷纷提出相应的空中接口标准，其中欧洲电信标准化组织(ETSI)的全球移动通信系统(UMTD)、日本电信工业协会(ARIB)的W-CDMA、美国电信工业协会(TIA)的CDMA 2000是其中有代表性的建议。我国也向国际电联提交了，TD-SCDMA建议。这些建议和提案，其共同特征是：以宽带CDMA技术为基础；能传送最高达2Mbbit/s的多媒体业务信息；追求高的频谱利用效率和通信质量；尽量利用第二代移动通信已有的基础和条件向第三代过渡并争取彼此兼容。但应该看到，5MHz的带宽与1.25MHz的带宽没有多大本质的差别，因此，使用5MHz甚至更高带宽的宽带CDMA，不能说它代表新一代移动通信具有划时代意义的最重要技术特征。
第一代移动通信是模拟移动通信系统，其最重要的技术特征是模拟技术，各功能模块用模拟电路单元来实现。第一代系统实现的频率可重复利用的蜂窝结构、不间断通话的越区切换、全区漫游的自由接入等特点和功能，是对移动通信发展的重大贡献。
第二代移动通信是数字移动通信系统，其最重要的技术特征是数字技术，各功能模块用数字处理单元实现。第二代移动通信系统采用的用户鉴权识别技术、推出的个人便携式手机和使用的大容量移动网络，对移动通信的飞速发展和迅速普及起了决定性作用。
第三代移动通信是什么样的移动通信系统?什麽技术是第三代移动通信系统最重要的技术特征?我们认为，第三代移动通信是智能移动通信系统，其最重要的技术特征是智能移动通信技术，各功能模块用智能处理单元来实现。采用智能移动通信技术，能灵活方便地提供各种信息业务和接入不同网络，能容纳大量的用户和进行高效率的传输，真正走向移动通信的个人化，实现个人通信。
智能移动通信技术
从目前的技术发展和实现能力看，第三代移动通信的智能处理单元主要是：智能天线、智能传输、智能接收、智能业务接入、智能网络管理。
1．智能天线
不同天线波束成形方法，适合于不同的多址通信系统。最有特色的是适合于CDMA的智能天线技术，对CDMA的正交编码做不同相位处理，形成不同波束形态的方向波瓣。由于编码正交，各编码形成的波束互不干扰，这能减少用户间彼此干扰，节省发射能量，改善电磁环境，增大系统容量。
中国在智能天线的实际应用中取得了相当优异的成绩。中国的TD-SCDMA系统建议，是IMT2000的各种建议中，唯一明确给定使用智能天线的建议。当然，智能天线在移动通信中的应用，还有很多课题要研究，如宽带信号的高速波束成形处理、用户移动状态下的波束跟踪等。
2．智能传输
第三代移动通信要为不同用户传送不同业务和不同信息，其信道特性、通信流量分布、信息类型和服务要求都会动态改变，这就需要具有智能化功能的传输技术。智能传输是减缓通信流量动态起伏变化、按照信息类型控制服务质量、减轻信道衰落起伏影响、增加系统容量的有效方法。智能传输主要涉及自适应调制、综合功率控制等。
自适应调制技术是在无线多媒体接入系统中提出来的，在绘定数据传输质量的情况下，它根据业务量、平均信干比、平均时延、断话概率和数据速率等来决定采用的调制方式，包括1／4QPSK、1／3QPSK、QPSK、16QAM或64QAM，如图1所示。在多媒体业务的可变速率情况下，保证信噪比不变时不产生邻道干扰起伏，同时也可控制系统的通信容量。图2给出了使用QPSK调制和自适应调制在不同断话概率情况下的频谱利用效率，自适应调制比QPSK高3.5倍。
在蜂窝系统中，为满足多媒体业务通信质量要求，发射信号功率一定要动态控制，在保证整个蜂窝系统各个小区的信号总功率平衡的情况下(各小区间干扰基本稳定)，满足各种业务的不同传输速率和不同的误码率要求。为此，我们提出了一种信号功率平衡调整法，功率控制的调整参数是链路增益(信道衰落)、数据速率、通信质量的复杂函数，根据业务接入的优先级别，可获得满意的控制效果。
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图1 自适应调制技术的原理图 |
智能接收的核心是智能检测，主要是智能化的多用户检测、干扰抑制与对消、分集接收。
多用户检测方法和技术，多年来一直是大家积极研究的课题，并提出了各种各样的研究成果，但真正有用的不多，有应用前景的方法更少。针对TD—CDMA方式提出的联合检测方法是其中的杰出成果之一。
中国科学技术大学个人通信与扩频实验室提出了一种多用户检测的最小均方误差(MMSE)简化方法：S-MMSE自适应多用户检测法。这种方法能根据用户多少、干犹大小、性能好坏、信号处理能力大小来调整检测器的某些参数，达到需要的通信质量。图3绘出了一个DSP芯片实现的S-MMSE自适应多用户检测器的相关性能(扩频码长31)，如果误码率要求为10—2，则使用S-MMSE方法的用户数(17)比常规方法的用户数(11)增加近一半。这种方法有很好的应用可能和前景。
干扰抑制和对消，与多用户检测有关联之处，技术上更为复杂，研究发表的成果离实用还有相当大的差距。而分集接收已经是被广泛采用的技术，但在使用智能天线的情况下，如何分集、如何接收，还有待研究开发。
4.智能业务接入
智能业务接入，主要是用户业务接入、信道分配、通信容量的智能控制管理，实现信道充分利用和最大通信流量。
第三代移动通信系统要完成多种业务传输，这绘通信系统带来了许多新的特性：业务种类不同，要求的误码率不同（如语音为10—3，数据10-5）；传输速率不同，如：语音8kbit/s，数据8kbit/s～64kbit/s、144kbit/s、384kbit/s等；对实时性要求不同，语音业务要求实时传送，数据业务则可以采用信包分组等方式。此外，业务信道的功率控制与整个系统的通信容量也有直接的关系。因此，我们提出了一种基于通信流量调整的系统多址能力和通信容量的监控方法，可以较好地实现多业务通信系统要求。从该提案方法对用户接入情况和小区通信流量的模拟结果来看，尽管用户接入起伏很大(一般为30～45人)，仍然能实现最大通信流量传输(可达到理论总流量的60％上下)。模拟条件是所有信道带宽为5MHz，移动用户(MS)在蜂窝内均匀分布，每个MS的信道衰落因子取以0dB为均值、6dB为方差的Log—nor-ma1分布。MS接入按泊松分布，MS的占用信道的时间为[1，MAX]的均匀分布。
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图2 QPSK与自适应调制的频谱效率 |
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图3 S—MMSE自适应多用户检测特性 |
智能网络管理主要是网络接口的智能化、蜂窝动态规划和智能网管系统。智能化的网络接口能根据接入需要，灵活进行协议转换，准确接入需要的不同网络。蜂窝动态规划和智能网管系统是建成有自律、自我组织能力的智能移动通信系统网络的重要内容。
文章出处：朱近康 陈军
