探析移动通信的最新技术发展

无线通信应用的迅速发展，导致现有的无线频谱资源处于相对稀缺状态，包括无线协同通信、无线网络编码、认知无线电等新技术的出现，为提高无线频谱利用率提供了相关的技术支撑。本节介绍相关的新技术原理。

1.无线协同通信

无线通信中最初提出协同通信（Cooperative Communication）技术时，主要是为了解决如何利用多个单天线用户进行相互的配合实现多天线发射带来的性能增益，或者更具体地说，即实现多天线发射时由于不同天线到接收机的衰落的独立特性带来的分集增益，在此基础上提升系统传输信息的可靠性或者覆盖等性能指标。而这其中隐含着两个条件，一个是这些相互协同的用户或终端自身无法支持多天线，其原因可能是尺寸受限，或硬件复杂度受限，或者系统整体成本受限等原因；另一个条件则是这些相互协同的用户或终端到接收机的信道衰落特性应该尽量独立，同时彼此之间可以相互通信。根据上面的这些描述，无线协同的典型应用场景主要是传感器网络或者自组织（Ad Hoc）网，这些网络中通常终端配置简单；当然，目前在蜂窝移动通信系统中，比如在移动台到基站的上行链路中，两个或多个单天线移动台也可以相互协同组成一个虚拟的多天线阵列实现MIMO 的有关功能，这又称为Virtual MIMO。

（1）协同通信的基本原理和分类

首先介绍一下协同通信技术的基本模型，以两用户的协同为例，如图10.36所示，这个基本模型可以扩展到更多用户之间的协同。

图10.36　两用户协同通信

在这个模型中，移动台MS1和移动台MS2之间相互协同，使得它们自身除了可以有一条直接通向基站BS的链路之外，还可以通过对方将发射的信号进行某种形式的转发（中继），获得另一条链路传输带来的分集增益。这里涉及另一个重要的概念，即中继（Relay）的概念，虽然实际上协同的概念从某种程度上说起源于中继，但协同与中继还是有一定的区别的。典型的中继系统模型如图10.37所示，两者对比可以看出，中继系统中的中继节点通常只有单一的中继功能，而不像上面所说的协同通信中，两个移动台既是信源，又是对方的中继，两者平等、相互配合。至于MIMO 协同中继这个概念，则通常指将单一的中继替换为多个相互协同配合的中继站群，从而实现一个虚拟的多天线中继站的功能，以进一步挖掘系统的潜力。

图10.37　两用户中继通信系统

当然，在分析协同通信的问题时，可以在一定条件下将其分解成中继的问题，根据协同方对发送源信息的处理方式不同，通常可以把协同的方式分为基本的三类：放大转发（AF，非再生方式），解码转发（DF，再生方式）和编码协同（CC）。放大转发即协同方把发送源的信号接收下来后（其中包含了噪声），直接放大发往接收机。解码转发则是协同方把发送源的信息接收下来后进行判决和译码（降低了噪声的影响但其中仍有可能出错），然后再发往接收机。编码协同则是将信道编码与协同结合，以典型的情况举例，相当于将原始信息进行信道编码后，不同的编码后的信息（校验信息）将根据情况在不同的链路上发往接收机，从而获得增益。

（2）协同通信的主要特点及应用

大多数研究表明，上述三种方式在衰落信道条件下信噪比较高的时候，能够获得比不使用协同更好的差错性能，而其中编码性能虽然复杂度最高，但其性能最好，且随信噪比恶化的程度较轻；而放大转发方式最为简单，但性能相对而言最差。虽然协同通信需要更多的发射机参与进来，但在充分利用信道的分集效果后，可以从整体上降低功率的消耗，提高频谱效率和可靠性。

协同通信方面，目前研究得比较多的是如何进行信道编码的设计（针对编码协同）以及如何对通信的不同环节公平分配合适的资源（如功率、频率、时隙等）以达到性能的优化。另外如何判断哪些用户间可以进行协同以及用户组如何更新，也是很重要的。干扰问题是协同通信中需要面对的。多跳中继网络下的协同通信也是研究的热点之一。对于蜂窝系统而言，设备本身的局限必须考虑，拿上行链路来说，协同通信要求手机之间可以直接通信，这个对于传统的网络架构而言是不支持的。而相应的信令的设计以及信道信息的测量和报告机制是现实中需要仔细研究的，否则系统的效率将与理论值有很大差距。

目前，除了在终端侧的协同外，多点协同（Co MP，Coordinated Multi Point）可以看成协同通信在基站侧的一种典型应用，这种技术要求相邻的多个基站相互配合，形成一个多天线阵列，以更好地对处于它们覆盖区域边缘交叠处的用户提供高质量的服务，包括更好的覆盖和更大的吞吐量等，这都是协同通信的基本目标。

2.无线网络编码

传统的网络中，网络节点对输入数据的处理仅限于路由、缓冲、转发，然而R.Ahlswede等人提出通过网络编码（NC，Network Coding），即通过增加网络节点的编码功能，可以在不增加网络带宽消耗下，提高网络流量，并且从理论上阐明网络编码可以实现网络的最大流传输，从而节省带宽资源、平衡链路负载、减少能量消耗。

早期网络编码研究主要针对链路质量可靠的有线网络，近年来利用无线传输的广播特性和节点侦听能力将网络编码应用于无线协同通信引起广泛关注。例如，网络编码在无线Mesh网、Ad hoc网、无线传感器网络以及蜂窝无线通信系统中的实现。为了对现有无线网络的软硬件设备和相应的协议不进行大的修改，通常在高层实现网络编码。无线协同通信中，在物理层实现并与物理层技术相结合的物理层网络编码能进一步提高无线网络的吞吐量。

（1）网络编码基本原理

所谓网络编码，是指网络中间节点不仅具有存储、转发与路由功能，同时还具有将接收到的多个信息流进行编码的功能，从而提高传输能力的技术。

以图10.38为例说明网络编码的原理。图10.38（a）中，带箭头直线代表有向链路，假设每条链路的容量为1，节点1欲将b1和b2两个比特分别传送给节点6和7。传统的存储转发方式将在中间节点4和5之间产生排队时延，如采用如图所示的简单网络编码策略可提高带宽效率：节点4将接收的两个比特进行异或操作后再转发，节点6接收到b1和b1⊕b2，通过异或操作方式的解码即可恢复出b2。同样，节点7也可收到完整信息。

将其推广到无线领域中，如图10.38（b）所示，引入传输半径的概念（用以节点为中心的虚线圈表示），节点4进行异或操作形式的网络编码，两个接收节点分别进行网络译码操作，就可接收到完整信息，并提高了传输效率。

图10.38　网络编码技术从有线网络到无线网络的扩展

有效的网络编码方案使接收点从接收到的数据中恢复出原始信息，数据传输时可能经过多次编码。中继节点发送的信息来源于接收到的信息，其信息量不会超过接收到的信息量，即信息熵是非增的，故须保证接收节点接收到足够多的不相关信息。因此，根据网络拓扑特点，建立节点间的合作机制和设计低复杂度的编码算法是网络编码技术研究的重点。

（2）网络编码的优缺点

1）增加网络流量

对于一个多发多收的多端网络，只考虑其中一个接收端时，对应此接收端有一个传输速率。网络编码的功能在于，当所有的接收端同时接收信息时，每个接收端的速率仍然可以保持，而不用网络编码时，速率一般会小于网络中只有一个接收端时的速率。换言之，当有N 个接收端共享网络资源时，每个接收端都可以达到最大的接收速率，整个网络好像是只为这一个接收端所用。因此，网络编码有助于更好地共享网络资源。

2）网络编码提高网络健壮性

网络编码后的数据包具有同等的重要性，接收端只要收到足够数量的包就可以进行解码，从而提高网络健壮性和适应性。网络编码分布式地存在于整个网络，而不是仅仅存在于信源，这种特性与典型的分布式网络特性相适应（各节点只知道整个网络拓扑结构的部分信息），使得网络编码可适用于集中式与分布式网络。

3）网络编码带来时延以及复杂度的提高

网络编码可以带来吞吐量以及健壮性的提高，在某种程度上提高整个网络的安全性，但付出的代价就是时延和复杂度的增加。对于编码节点而言，需要缓存接收到的信息再编码，从而带来额外的处理延时，同时编码节点采取的编码算法也在某种程度上决定了整个网络运算的复杂性。对于线性网络编码，由于仅采用乘法、加法等线性运算，复杂度不高；如果采用更加复杂的编码方式，解码复杂度随之增加，故需选择合适的编解码方式。

（3）无线网络编码的发展

由于无线信道的时变衰落特性、广播特性以及噪声的干扰，无线信道不可避免会引入传输误差，此时网络编码技术带来的容量增益将大为降低。最新的研究表明，在物理层实现，并与物理层技术相结合的物理层网络编码技术能进一步提高系统容量。为提高无线信道下网络编码的性能，结合信道编码、中继协同、空时编码、正交频分复用、功率分配、调制等链路级技术的物理层网络编码研究渐入佳境。

3.认知无线电

随着无线通信技术的迅速发展，新的无线通信系统不断涌现：一方面需要分配新的无线频率供使用，而目前无线频谱基本上已经没有新的频段可供分配，造成频谱资源稀缺局面；另一方面对目前频谱实际利用率的调查研究表明，整个无线频谱的利用率却十分低下，其平均利用率不到15%，巨大的反差促使各国无线管理部门开始考虑如何更有效地使用无线频谱资源。

目前频谱利用率低下的部分原因在于现有的频谱共享方式为静态共享，即分配一个固定的频段给特定的无线通信系统，其他系统不得使用该频段。静态频谱分配体制带来频谱规划和管理的方便性，然而正如实际调查情况表明其造成了无线频谱资源利用的低效率，鉴于此，动态共享频谱方式作为提高频谱效率的一种有效手段受到了极大的重视。通过研究如何与现有无线通信系统共享频谱而对其不产生干扰，能有效地提高现有的频谱利用效率，缓解不断增加的频谱资源分配压力。动态共享频谱主要可以分成如下形式。

①不授权频段多系统共享，各系统只要满足相应的功率参数，就可以自由使用该频段，典型的如ISM 2.4 GHz频段，IEEE802.11与Bluetooth等系统共享该频段。这种共享方式需要设计合理的频谱礼仪、政策等因素，使各系统对公共频谱的共享满足一定的公平性，达到一定的频谱效率。

②授权频段系统允许其他系统共享。这种共享方式允许原授权频段系统开放频谱第二市场，允许其他系统在不影响原系统正常使用情况下机会使用该频段，因此共享系统必须具有实时监测频谱资源状态的能力，从而获得机会共享该频谱。典型的系统如IEEE802.22 WRAN 是对电视广播频段的机会共享。

③其他共享方式，如各授权频段系统联合共享、授权频段系统内频谱共享等。

为避免对现有无线通信系统产生干扰，影响其使用，动态频谱共享方式需要智能的无线电系统。J.Mitola等于20世纪末提出通过构造具有认知能力的无线电系统来达到动态共享频谱的方式，成为目前动态频谱共享技术的主流方向。

认知无线电系统可以视为一个具有感知周围频谱环境、依据环境动态调整传输参数的智能无线电通信系统。图10.39示意了认知无线电用户感知—认知—行为的过程：接收机通过感知来自外部无线环境的信号，获取频谱状态信息，这些信息一方面被记录在相应的数据库中，另一方面认知用户可以结合存储的历史数据进行学习、推理，以获取如用户行为、频谱空洞的平均时长、信道状态等信息，认知引擎通过决策数据库对相应的感知信息、策略、规则进行统一决策，确定相应发射参数，如调制方式、编码方式、发射功率等参数，接收、发射相应的信息。

图10.39　认知无线电系统

为实现认知无线电系统，需要解决的关键问题包括频谱感知、终端重配置、资源管理、频谱接入策略等。

（1）频谱感知

认知无线电需要对其所在位置的频谱使用状况进行感知，获取相应的频谱使用信息，如空闲频率位置、带宽、允许的干扰功率、忙闲规律等，以支持系统高层频谱接入策略决策、资源管理等。

（2）终端重配置

认知无线电需要根据不同的信道传输条件，自适应地选择合适的通信协议，有机地选择相应的调制、编码方式，以达到有效的通信，因此认知无线电终端需要具有通信参数、协议可重配的能力。

（3）资源管理

由于频谱使用的动态特性，认知无线电系统需要动态维护可使用的频率资源，保证认知无线电通信系统的通信稳定性，需要相应的频谱资源管理、功率管理、协议管理等。

（4）频谱共享策略

认知无线电基于频谱感知，动态与其他在用无线电系统共享频谱，因此需要设计良好的频谱接入、退出策略，以最大程度保证对在用无线系统造成的干扰在可接受的范围之内。

传统通信网络中，通信节点一般不具备感知、可重配功能，因此网络的自适应性差，导致网络性能达不到最优，尤其在无线通信中，由于无线传输环境的动态变化，为达到最佳通信能力，需要通信网络具有很好的自适应能力。认知无线网络是一个由众多具有认知功能的认知无线电节点组成的智能无线电通信网络，通过认知无线电节点的认知能力和认知网络的认知引擎，认知网络节点之间可以进行合作、协同完成通信任务，使网络获得更优的通信能力。

认知无线网络通过认知功能，可以提供比非认知网络更好的端对端性能，更好的网络吞吐量和更高的安全性。然而要实现这些性能提高，认知网络需要通过各节点的认知功能有机地组合在一起，需要研究相应的资源管理策略、路由策略以及媒体控制策略等；需要具备可自适配的软件、协议平台；需要对网络的不同层进行优化，这些优化往往需要同时涉及不同的协议层，才能完整地保证端对端的优化传输。因此，如何设计具有软件自适配能力、跨层优化能力的认知网络的架构与协议，是认知无线网络研究的一项重要内容。

认知无线电是近年来无线通信领域的一个热点技术，它的提出为更有效地使用频谱提供了一个可行的技术路线，受到各国政府、国际标准组织的重视。目前，国际电联（ITU）、国际电子工程师协会（IEEE 802.18，19，21，22，1900组）、软件无线电论坛（SDR）、美国联邦通信委员会（FCC）、英国通信办（OFCOM）、OMG（Objective Management Group）等组织和政府机构都在积极研究、制定相应的动态频谱共享标准，以规范认知无线电、认知网络等频谱共享技术所应遵循的工业规范。

4.同频全双工

采用合适的双工方式是实现两个节点间双向通信的前提，同频全双工也简称为全双工（FD，Full-Duplex），指的是两个节点间双向通信的信道在时域、频域上是重叠在一起的，与半双工（HD，Half-Duplex）对应。同频全双工技术在不同的文献中还被称为同时同频全双工（CCFD，Co-time Co-frequency FD）、带内全双工（IBFD，In-Band FD）或单信道全双工（SCFD，Single Channel FD）。

同频全双工技术与雷达有着不解的渊源，雷达需要发射脉冲信号并接收目标反射的回波，这两种收发信号在特定情况下有可能在时域和频域重叠，因此接收端需要将来自发射端的脉冲信号即自干扰从反射回波中除去。在通信领域，同频全双工的基本原理也应用在传统模拟固定电话的用户环路上，即回波抵消。回波抵消通过删除用户自己一侧输入的声音引起的回波以保证来自对方的声音能够被清晰地听到，从而使得一对双绞线可以在相同的频带上同时收发各一路音频信号。

而对于无线通信而言，同频全双工无疑比时分双工（TDD）或频分双工（FDD）具有更高的潜在容量和频谱效率，由于只使用一个频点就能实现两个节点间连续不断的双向通信，一般认为同频全双工的容量和频谱效率是时分双工或频分双工的大致两倍。然而要在无线通信中实现同频全双工，所面临的挑战也是巨大的，其解决方案往往需要较高的硬件成本和算法复杂度，实现效果一般也只适用于通信双方距离较近或发射功率较低的场景。因此，该技术在很长一段时间内的研究进展并不显著。但随着移动通信业务需求的爆炸式增长，对时域、频域、空域维度的信道容量潜力挖掘已被广泛研究，而功率维度上的信道容量潜力还有待开发，加上有关的硬件技术和信号处理算法方面的飞速进步，以及无线通信中部署场景日趋高密度化导致节点间距离的缩小，在5G 标准化逐渐被提上日程之时，同频全双工技术引起了日益广泛的关注。

同频全双工的核心优势在于允许节点之间在单一频带上同时收发，其应用场景也非常广泛，可以说，只要是存在同一频率上同时收发的情况，就可以应用该技术，如经典的蜂窝移动通信场景和无线局域网场景等。在蜂窝移动通信场景下，相当于可以实现上下行频率的灵活、高效配置，提升了频谱使用的自由度和效率；部署时也可以有全双工基站+半双工终端、全双工基站+全双工终端等多种组合。在双向中继通信中，同频全双工可以增强双向中继的效率。在随机接入场景或无线自组织网场景下，同频全双工可以使得节点在发起接入时检测有无与其他节点信号之间的碰撞冲突，减小隐藏终端的影响，降低时延；同时增加无线自组织网络中路由选择的灵活性，即可以将某些单向路由变为双向路由，改善了组网性能。在认知无线电通信中，同频全双工可以使得节点在使用共享频谱时更及时地探测其他节点在该频谱上的活动情况，从而进一步提高频谱共享效率。

同频全双工的基本关键技术是自干扰删除或自干扰抑制，这也是实现它的前提条件。其基本原理如图10.40所示，节点A 和节点B 之间采用相同的频率双向同时收发，所发送的信号也会泄露至自己的接收链路，形成自干扰；而接收链路还要负责接收对方发来的信号，由于无线传播的影响，所接收的对方信号功率通常很低，而遭受的自干扰功率通常很高，有研究表明，在微蜂窝场景下两者差异可达100 dB左右。接收链路需要将非常强的自干扰删除或抑制后才能提取出对方发来的有用信号，而要消除这样强的自干扰，仅采用模拟域或数字域的某一种干扰删除技术是不够的，需要对整个接收链路在不同环节综合应用多种干扰删除手段。

图10.40　同频全双工基本原理示意图

同频全双工中的自干扰删除或抑制技术通常包含三个层面：首先是天线端的干扰删除；其次是模拟信号的干扰删除，其中包括模拟射频和中频；最后是数字信号干扰删除。天线端的自干扰删除主要是将发射天线到接收天线这个环节上的自干扰进行隔离或删除，常见的方法如下：依靠空间距离分隔收发天线，在收发天线之间设置电磁屏蔽，将收发天线的极化方式设置为正交的，利用收发天线辐射方向图的相对方位实现收发天线间解耦，收发天线采用天线阵列时将彼此至于波束的零陷中。经过天线端自干扰删除后的信号接下来进行模拟信号的干扰删除，这又可以分为有源和无源两种方案，它们一般都是基于发射链路上的信号重构自干扰，进而再将其删除；但这样的处理难以将发射天线周围散射体引入的额外干扰进行抑制，这种自干扰相当于是经过无线信道后又回到接收链路的，还需要其他手段来对其进行估计和重构。处理后的信号进一步经过模数转换，再进行数字信号的自干扰删除，这通常需要对自干扰的变化进行自适应跟踪，往往要利用训练序列测量自干扰所受到的影响，从而更为准确地重建自干扰并将其删除。上述自干扰删除的处理中，主要挑战在于设备发射出去的信号并不等同于进入接收链路的自干扰信号，因为发射链路包括数模转换、调制、放大、天线发射，发射后还可能受到周围物体的反射等影响，信号会受到线性、非线性失真以及衰落等因素的影响，并引入各种噪声。另外，将多种自干扰删除技术联合应用时，其效果通常并不是将各自的干扰删除结果简单叠加，其中原因之一是不同层面的自干扰删除对于所删除的自干扰的估计是有差异的，因此在设计时需要对接收链路整体方案进行综合考虑。

除了上述侧重物理层处理的自干扰删除或抑制技术，实现同频全双工还需要在MAC 层或组网层面引入相应的方案，如与其他双工技术的组合、新的功率控制机制、同频互干扰协调等。当前，同频全双工技术的有关研究还包括：该技术与其他资源调度方案的结合，如与时域、频域、空域或码域资源调度方案的结合，特别是与空域或多天线技术的结合，受到了广泛关注。当然，在天线数更多、带宽更大、频点更高、发射功率更强、通信距离更远的场景下，同频全双工技术还面临着很多挑战，除了自干扰删除方案的基本性能外，系统的能耗、硬件尺寸、双向业务量需求不对称时的优化，对器件布局及生产工艺误差等其他非理想因素的容忍程度等，也需要更多的深入研究。

5.无线携能通信

无线通信所依赖的电磁波媒介承载着一定的功率，其传播所消耗的能量用于传输信息。随着无线通信所能够支持的节点数不断增加以及业务量的迅猛增长，相应的能源需求也快速攀升，绿色通信的概念在这种情况下应运而生。其中，利用特定的接收电路收集周围环境中电磁波所携带的能量，就属于绿色通信的一种手段，利用这种无线功率传输可以为低功耗传感器节点提供能量。这里，收集无线电波所携带的能量属于广义能量收集（Energy Harvesting）中的一种。此后业界又提出了利用无线方式同时传输功率和信息的技术（SWIPT），其目标是实现绿色节能且能够持续工作的无线通信系统，甚至有望在特定的场合下，彻底摆脱更换电池或有线方式充电的束缚，如节点部署于偏远环境或者人体内部植入等情况，这在物联网（Io T）中非常普遍。射频标签（RFID）就是一种典型应用，其读写器在靠近标签时通过无线信道既提供能量又与标签交换信息。但RFID 的功率低，收发距离较近，即便是高速路收费站所使用的ETC标签，其通信距离也很有限。传统蜂窝通信场景下较大的路径损耗和较高的终端功耗也制约了无线携能通信的应用。4G 之后，随着多天线技术的不断演进以及小小区（Small Cell）这类低功率小覆盖节点的广泛部署，基站和移动台之间的路径损耗大大改善，加上部分移动节点功耗下降，这令无线携能通信的发展又迎来新的机遇。

无线携能通信相比于传统的无线通信，所研究的问题中增加了能量传输和能量管理两个方面，它们还要与无线信息传输兼顾，为相应的系统设计、实现和优化带来了很多挑战。在能量管理中，首先要考虑的是输入的无线能量的模型，这部分要与无线信息传输相互协调、配合，涉及发射功率和信道条件的分析；此外，输入的能量如何使用和存储，需要根据应用场景进行优化与平衡；在多节点组网的情况下，甚至还应考虑节点间能量的共享问题。

同时无线信息与功率传输（SWIPT）技术中，有两种典型的工作模式，即时间共享和功率划分。时间共享是指相应无线信道资源按照时间划分为功率传输的部分和信息传输的部分；功率划分则是将信息与能量同时传输，两者消耗的功率按一定的比例进行设置。时间共享模式目前更受关注，因为它可以采用不同的接收电路来处理，而接收能量和接收信息所需的接收机灵敏度往往差异很大，有的差异高达40 d B，对信息和能量分别进行接收有助于简化系统设计并提高电路的效率，甚至可以从干扰信号中提取能量；但其不足也很明显，即信息传输的灵活性下降。功率划分模式虽然在实现上受到电路的限制，但由于支持能量传输和信息传输间更灵活的资源分配，因此具有较高的研究价值和潜力。

目前无线携能通信还在快速发展之中，下面简介其中一些主要的研究方向。首先，针对点对点的非组网场景，例如，将收发双方的技术方案进行联合优化，将无线携能与多天线技术即空间信号维度优化组合等；其次，针对多节点组网的场景，例如，根据不同的组网类型来进行资源调度，涉及传感器网络、协同通信网络、异构蜂窝网络或采用认知无线电技术的网络等。无线携能通信对信息安全的影响也受到了关注。除了理论上的研究之外，在实现上，无线携能通信往往会考虑与多种能量来源组合使用，如传统电网、电池储能及能量回收、太阳能或风能这类可再生能源等，并且需要面对引入多种非理想因素的挑战，甚至是极地、航海、航空、航天等特殊工作场景下特殊需求的挑战，这就需要大量交叉领域的工作，也意味着这项技术具有更为广阔的前景。