載體為照明燈及電力線的移動(dòng)通信系統(tǒng)介紹 - 全文

　　移動(dòng)通信技術(shù)是當(dāng)前發(fā)展最快的通信技術(shù)之一，每一次概念和技術(shù)的突破都實(shí)現(xiàn)了工程上的飛躍并帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)效益［1］。蜂窩概念的提出成功實(shí)現(xiàn)了第1代移動(dòng)通信系統(tǒng)［2］，數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)和器件的成熟促進(jìn)了以全球移動(dòng)通信系統(tǒng)（GSM）為標(biāo)志的第2代移動(dòng)通信的蓬勃發(fā)展，而寬帶碼分多址（WCDMA）的商用和多媒體技術(shù)的提出則充分滿足了當(dāng)時(shí)對(duì)第3代移動(dòng)通信系統(tǒng)的功能要求［3］。

　　為了使未來移動(dòng)通信系統(tǒng)能夠支持更大的系統(tǒng)容量，以多輸入多輸出（MIMO）為代表的多天線收發(fā)技術(shù)得到發(fā)展并成為無線通信領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一［4-5］。

　　考慮到下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)不僅要求比第3代移動(dòng)通信系統(tǒng)具有更快的傳輸速率、更大的系統(tǒng)容量和更高的頻譜利用率，還要考慮更低的功率消耗、更復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境（面臨多種通信網(wǎng)絡(luò)體制的共存）等問題，因此，尤其要徹底解決移動(dòng)通信發(fā)展過程中的4個(gè)根本性問題：

　　基站選址困難問題

　　手機(jī)輻射功率大的問題［6-8］

　　傳統(tǒng)基站周圍強(qiáng)輻射問題

　　5GHz以下的無線電頻譜相當(dāng)昂貴

　　為了較好地解決以上4個(gè)移動(dòng)通信發(fā)展過程中面臨的“瓶頸”問題，并滿足未來移動(dòng)通信系統(tǒng)對(duì)容量、傳輸速率等方面的高性能要求，本文以多天線信號(hào)處理為核心技術(shù)，提出基于信息燈（IL）的面向未來的新型移動(dòng)通信系統(tǒng)架構(gòu)，給出室內(nèi)外接入的典型場(chǎng)景，討論圍繞信息燈網(wǎng)絡(luò)所涉及的相關(guān)技術(shù)。

　　1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

　　考慮到室內(nèi)及室外的照明燈已覆蓋城區(qū)的現(xiàn)實(shí)，只要用戶身在城區(qū)中，就有一個(gè)照明燈離其很近。將無線接入點(diǎn)集成在照明燈中，組成具有信息收發(fā)功能的信息燈。

　　在上行鏈路上，基于信息燈的無線接入點(diǎn)接收到的信號(hào)通過電力線傳輸?shù)?a target="_blank">中心信號(hào)處理器，完成信號(hào)處理過程。在下行鏈路上，中心信號(hào)處理器發(fā)出的信息通過電力線、信息燈中的無線接入點(diǎn)傳給無線接收裝置（如移動(dòng)臺(tái)等）。

　　1.1室內(nèi)外典型場(chǎng)景

　　室內(nèi)基于信息燈的無線接入場(chǎng)景如圖1所示，在照明燈中集成了通信信號(hào)接入點(diǎn)（AP），室內(nèi)的無線入網(wǎng)設(shè)備（如筆記本電腦、PDA、手機(jī)等終端）可以與一個(gè)或者多個(gè)接入點(diǎn)同時(shí)建立連接，如果終端設(shè)備本身具有多個(gè)天線，那么將形成具有分布式特征的MIMO系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

　　信息燈中的無線接入點(diǎn)完成部分信號(hào)處理功能，且與照明用的電力線相連，通過電力線與外圍的中心信號(hào)處理器通信。通信信號(hào)通過信號(hào)分離/耦合器實(shí)現(xiàn)與電力線的分離和加載。分離后的通信信號(hào)利用電力線（或經(jīng)轉(zhuǎn)換后使用光纖等其他媒質(zhì)）傳給中心信號(hào)處理器，在中心信號(hào)處理器中實(shí)現(xiàn)電力線信號(hào)和一部分分布式空時(shí)信號(hào)的處理。

　　室外基于信息燈的無線接入場(chǎng)景如圖2所示，這里選擇戶外的路燈作為無線接入點(diǎn)，手機(jī)終端、車載臺(tái)等通過周圍的多個(gè)路燈接入點(diǎn)接入網(wǎng)絡(luò)。路燈接入點(diǎn)通過電力線、光纖或者同軸電纜與中心信號(hào)處理器相連，實(shí)現(xiàn)與主干網(wǎng)的通信。

　　1.2網(wǎng)絡(luò)層次模型

　　圖3給出了基于信息燈的新型移動(dòng)通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)層次模型，從用戶端到核心網(wǎng)（至底向上）共分為3個(gè)主要層次：接入層、信號(hào)處理層和管理層。其中，信號(hào)處理層還可以分為3個(gè)子層：無線轉(zhuǎn)換子層、電力線轉(zhuǎn)換子層和處理子層。各層功能如下：

　?。?）接入層

　　接入層主要由用戶設(shè)備及信息燈組成，信息燈為用戶設(shè)備提供網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)，一個(gè)用戶設(shè)備可以同時(shí)與多個(gè)信息燈通信，形成分布式MIMO結(jié)構(gòu)。用戶設(shè)備與信息燈之間的接口為空中接口（但是針對(duì)特殊要求的用戶設(shè)備可以提供有線接口）。這里的用戶設(shè)備泛指網(wǎng)絡(luò)支持的有接入需求的終端設(shè)備，比如手機(jī)、便攜式電腦、車載移動(dòng)臺(tái)、定位設(shè)備等。

　　（2）信號(hào)處理層

　　信號(hào)處理層主要完成無線通信信號(hào)與電力線（或者光纖）通信信號(hào)的相互轉(zhuǎn)換，并實(shí)現(xiàn)部分分布式空時(shí)信號(hào)處理的功能，涵蓋3個(gè)子層：無線轉(zhuǎn)換子層、電力線轉(zhuǎn)換子層、處理子層。

　　（3）管理層

　　管理層負(fù)責(zé)分布式信號(hào)的管理，與核心網(wǎng)直接交互信息。

　　2 結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)和技術(shù)挑戰(zhàn)

　　基于信息燈的新型移動(dòng)通信系統(tǒng)以多天線分布式信號(hào)處理為核心信號(hào)處理技術(shù)，通過分布式信號(hào)管理技術(shù)實(shí)現(xiàn)分布式信息燈的管理和控制，較好地解決了移動(dòng)通信發(fā)展過程中的4個(gè)根本性問題，并具有自身的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)：

　?。?）解決基站選址困難的問題

　　采用基于信息燈的分布式基站結(jié)構(gòu)，解決了基站選址的難題，且基站完全隱蔽、美觀。

　?。?）解決手機(jī)輻射功率大的問題

　　GSM手機(jī)平均發(fā)射功率為1 W，CDMA手機(jī)的發(fā)射功率范圍一般在0.01 W～1 W；假設(shè)信息燈接入點(diǎn)距離手機(jī)的平均距離為10 m，傳統(tǒng)的GSM和CDMA基站距離手機(jī)的平均距離為250 m（保守值），且分布式接入點(diǎn)和傳統(tǒng)基站接收機(jī)的干擾容限基本相同，根據(jù)電磁波自由空間傳播損耗規(guī)律，利用分布式信息燈接入的手機(jī)可比傳統(tǒng)的GSM和CDMA手機(jī)小28 dB的發(fā)射功率?？梢?，近距離的分布式信息燈接入方案使得實(shí)現(xiàn)超低輻射手機(jī)成為可能。

　?。?）解決傳統(tǒng)基站周圍強(qiáng)輻射問題

　　一般情況下，小區(qū)覆蓋半徑在100 m～500 m左右的CDMA基站的平均發(fā)射功率為0.25 W，按照和上面一樣的假設(shè)條件，如果采用分布式信息燈接入點(diǎn)，則最大可以節(jié)省1萬倍的廣播信道發(fā)射功率。

　?。?）避免使用熱點(diǎn)頻譜資源

　　基于信息燈的無線接入通信技術(shù)，其視距（LOS）信道發(fā)生的概率很高，而我們知道近距離LOS信道的衰落對(duì)載波頻率不敏感，這樣就為使用更高頻段（大于5 GHz）的頻譜提供了可能性。

　?。?）安全、美觀

　　無線接入點(diǎn)與照明燈集成在一起，在防火、防其他傷害上更安全，且外形美觀。

　　（6）方便、靈活、可控的接入

　　安裝在室內(nèi)的信息燈接入點(diǎn)，可以完全根據(jù)用戶的需要，由用戶自主控制安裝、開關(guān)，就像安裝和開關(guān)燈泡一樣簡(jiǎn)捷、方便，不會(huì)影響其他用戶的使用。

　　以信息燈為接入點(diǎn)的分布式移動(dòng)通信系統(tǒng)是面向未來的一種全新無線移動(dòng)通信體系架構(gòu)，無論在物理層的分布式信號(hào)處理還是協(xié)議層的分布式信號(hào)管理等方面，都面臨著一些核心技術(shù)的挑戰(zhàn)，需要大量開創(chuàng)性的研究工作。這里僅列出部分關(guān)鍵的待研究問題：

　?。?）接入點(diǎn)與照明燈的集成

　　如何將具有通信功能的接入點(diǎn)與照明燈做到完美的結(jié)合是信息燈接入面臨的首要問題，這里的結(jié)合不能僅僅是接入點(diǎn)與照明燈的簡(jiǎn)單拼湊和組合，而是接入點(diǎn)與照明燈的有機(jī)融合。

　?。?）無線通信與有線通信的轉(zhuǎn)換

　　在家庭、辦公室等室內(nèi)接入環(huán)境下，信息燈與電力線相連，通過電力線通信實(shí)現(xiàn)信息的傳遞和交接，需要無線通信與有線通信的物理格式轉(zhuǎn)換，對(duì)處理芯片的要求較高。

　?。?）信息安全問題

　　電力線是典型的共享傳輸媒質(zhì)，如何保證電力線傳輸?shù)乃接行畔踩匀匀皇且粋€(gè)開放性的課題，電力線標(biāo)準(zhǔn)化組織采用數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)（DES）作為暫時(shí)的解決方案，文獻(xiàn)［9］和文獻(xiàn)［10］中有較為詳細(xì)的討論。

　　（4）分布式信號(hào)的資源管理

　　信息燈接入點(diǎn)雖然在接入功能上與傳統(tǒng)基站有類似之處，但接入點(diǎn)的數(shù)量將大幅度增加，且地理分布特性具有相當(dāng)?shù)淖杂啥?，這些都是傳統(tǒng)的無線資源管理方法無法應(yīng)對(duì)的，需要從分布式信號(hào)管理的理念、思維方式、操作層面等角度綜合設(shè)計(jì)。

　　（5）近距離信道特性

　　信息燈的應(yīng)用環(huán)境決定了接入距離與傳統(tǒng)移動(dòng)通信相比會(huì)減少很多，需要對(duì)這種近距離接入的MIMO信道特性進(jìn)行科學(xué)測(cè)量和合理建模。


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