宽带无线通信：现状、机遇与挑战

1宽带无线通信宽带无线通信::现状、机遇与挑战现状、机遇与挑战陆陆建建华华20072007年年1010月月1515日日2宽带无线通信：宽带无线通信：大系统容量、高业务速率支大系统容量、高业务速率支持能力，亟待发展的核心技术领域持能力，亟待发展的核心技术领域——世界各国高新技术支柱产业世界各国高新技术支柱产业——当前及今后国际学术界及产业界竞争焦点当前及今后国际学术界及产业界竞争焦点——瓶颈问题突出，发展面临巨大挑战瓶颈问题突出，发展面临巨大挑战业务需求旺盛，增长迅猛业务需求旺盛，增长迅猛频谱资源受限，形成瓶颈频谱资源受限，形成瓶颈3内容提要：内容提要：一、现状与趋势一、现状与趋势二、问题与挑战二、问题与挑战三、出路与机遇三、出路与机遇四、小四、小结结41/8---1/91.22亿10亿Internet用户1/513亿65亿人口1/3.33.6亿12亿固定用户1/54亿20亿移动用户中国中国//世界世界中国中国全球全球20062006年年Q1Q1用户量增长迅速用户量增长迅速5业务发展迅猛业务发展迅猛（（20062006中国移动市场发展研究报告）中国移动市场发展研究报告）－－数据业务以每数据业务以每66--77年增加年增加100100倍的速度快速发展倍的速度快速发展199019901995199520002000200520052010201020152015移动移动接入接入9.6kbit/sGSM28.8kbit/sHSCSD40kbit/s384kbit/s384kbit/sGPRSEDGEW-CDMAW-CDMAHSDPAOFDM?2Mbit/s10Mbit/s50Mbit/s11Mbit/s802.11b802.11g54Mbit/s70Mbit/sWiMAX802.16（邬（邬05.1105.11））无线通信速率每十年提高约10倍6E3GGSMUS-TDMAGPRSWCDMAcdmaOnecdma2000-1X1XEV-DV1XEV-DO1010‘‘sofkb/s(2G)sofkb/s(2G)100100’’sofkb/ssofkb/s2Mb/s2Mb/s(3G)(3G)5Mb/s5Mb/s30Mb/s30Mb/s100100--1000Mb/s1000Mb/sHSDPAHSUPATD-SCDMAEDGEPDC3GPP3GPP2B3G20102010--20152015LTEAIE20062006--2007200720032003--2005200520062006--2007200720002000--2002200220012001--20032003标准完成标准完成开始商用开始商用SpecificationscompletedandbecomeSpecificationscompletedandbecomecommercialcommercial100M10MWiMAX技术日新月异技术日新月异7主要能力指标主要能力指标ITUVISIONITUVISION：第四代移动通信系统（：第四代移动通信系统（4G4G））‹‹系统带宽达系统带宽达100MHz100MHz‹‹热点覆盖区峰值速率热点覆盖区峰值速率1Gbit/s1Gbit/s‹‹高速移动广域覆盖区峰值速率高速移动广域覆盖区峰值速率100100Mbit/sMbit/s3GPP3GPP--LTELTE：无线移动网络的长期演进计划：无线移动网络的长期演进计划峰值峰值100Mbps@20MHz100Mbps@20MHz，，8我国国家目标我国国家目标带动我国国民经济增长的重要部分带动我国国民经济增长的重要部分„„移动通信用户移动通信用户4.64.6亿，产业能力年产亿，产业能力年产11亿部手机亿部手机„„带动芯片制造、软件和信息服务等产业发展带动芯片制造、软件和信息服务等产业发展„„移动通信网络已成为国家重要战略基础设施移动通信网络已成为国家重要战略基础设施国内少数几个能在整体上取得重大突破的领域之一国内少数几个能在整体上取得重大突破的领域之一„„从通信产业与市场大国发展成技术创新的强国从通信产业与市场大国发展成技术创新的强国国家科技中长期规划中国家科技中长期规划中1616个重大专项之一个重大专项之一„„新一代宽带移动通信网络新一代宽带移动通信网络9CU1CU2AIUAIUAIUAIUAIUAIUAIUAIUAIUAIUAIUAIUAIUAIUAIUAIUAIUAIUAIUAIUAIUAIUAIUAIUCUCServerServerServer收发信机收发信机实验网络实验网络B3GB3G--FuTUREFuTURE计划技术成果计划技术成果FuTUREFuTURE计划计划10国家无线电管委会移动业务移动业务定位、导航等其他业务定位、导航等其他业务发展面临的瓶颈问题发展面临的瓶颈问题¾现有技术不能有效支持新业务发展需求¾频谱资源短缺，与业务增长需求矛盾日益突出11频谱资源利用率能否大幅度提高？频谱资源利用率能否大幅度提高？什么技术体制是最优的？什么技术体制是最优的？什么服务模式是最有效的？什么服务模式是最有效的？关键理论问题关键理论问题开展基础研究迫在眉睫开展基础研究迫在眉睫理论滞后技术，制约发展理论滞后技术，制约发展12传统方法发展趋势认知无线电跨层优化协作共享固定分配局部优化简单共享理论问题组织运用理论高效传输方法优化共享机理13频谱资源利用有效性模型频谱资源利用有效性模型有效性有效性::传输效率传输效率用户容量用户容量时间、频率、空间……语音、图像、视频、数据……资源资源复杂电磁环境复杂电磁环境业务业务技术方法技术方法挑战：提高频谱利用率挑战：提高频谱利用率14信道特性信道特性移动信道的接收信号移动信道的接收信号强度随时间变化强度随时间变化（（v=5km/h)v=5km/h)00.10.20.30.40.50.60.70.80.91-20-15-10-505Time(s)Amplitude(dB)Thesimulationincaseofvelocity=5时变信道特性时变信道特性15业务颗粒度业务颗粒度多媒体信源（多媒体信源（MPEG4)MPEG4)的比特率随时间变化的比特率随时间变化业务时变特性业务时变特性16频谱资源利用有效性模型频谱资源利用有效性模型数学模型表述数学模型表述有效性有效性::传输效率传输效率用户容量用户容量时间、频率、空间……语音、图像、视频、数据……复杂电磁环境复杂电磁环境业务业务技术方法技术方法1Ω2Ω3ΩRN资源资源17目标：最大化资源利用有效性123,,max{,}RNΩΩΩ数学模型表述数学模型表述传输效率传输效率RN用户容量用户容量1Ω资源约束资源约束::频率、时间、空间、功率等频率、时间、空间、功率等2Ω3Ω业务特性：业务数、业务速率、质量因子业务特性：业务数、业务速率、质量因子环境特性：衰落、时延、多普勒、电磁环境因子环境特性：衰落、时延、多普勒、电磁环境因子2////bitssHzwkm18边界效应边界效应现象现象多天线（多天线（MIMOMIMO）：）：实际应用环境限制及信道自适应实际应用环境限制及信道自适应开销，其容量提升的空间也有限开销，其容量提升的空间也有限信道编码：信道编码：LDPCLDPC距距ShannonShannon信道容量极限仅信道容量极限仅0.0045dB0.0045dB高阶调制：高阶调制：（（16QAM16QAM、、64QAM64QAM）高的频谱效率却受制）高的频谱效率却受制于功率效率于功率效率资源调度：资源调度：针对多媒体业务的优化调度将成为难解针对多媒体业务的优化调度将成为难解问题，构成具有时间约束的问题，构成具有时间约束的““边界效应边界效应””19出路在哪里？出路在哪里？语音、数据、短信息、视频静止图像、WEB、等等多种业务需要面对多维优化处理问题多维优化处理最有效的方法：空间、时间、频率、功率信号（正交码）、等等多种资源协同优化20协同与优化协同与优化XX域域YY域域XYXY域域联合优化联合优化优化优化协同协同XX域域YY域域YY域域优化优化XX域域优化优化XYXY域协同域协同21协同方式天线协同：系统协同：天线极化MIMO认知无线电《Nature》,2001.1NN个个NN个个可参与协同的资源时间、空间、功率、频率、极化方向等Alamouti,IEEEJSAC’98IEEE802.22N=天线数×极化数×频带数×……22举例举例----高阶高阶LDPCLDPC051015202510-510-410-310-210-1100Eb/N0(dB)BER16LDPC-AWGN2LDPC-AWGN16LDPC-独立衰落信道2LDPC-独立衰落信道编码、调制协同仿真结果编码、调制协同仿真结果协同编码调制可提高协同编码调制可提高3dB3dB功率效率功率效率23••为什么需要为什么需要UWBUWB？？––建立以个人为中心的、提供大容量多媒体业务的无线网络建立以个人为中心的、提供大容量多媒体业务的无线网络––WLANWLAN的功耗和成本不适于个人低成本终端的功耗和成本不适于个人低成本终端––蓝牙的低速率不适于大容量视频数据传输蓝牙的低速率不适于大容量视频数据传输••UWBUWB的优势：的优势：––低电磁辐射低电磁辐射→→频带共享：与现有窄带系统共存频带共享：与现有窄带系统共存––低成本：不使用载波，射频简单低成本：不使用载波，射频简单→→低功耗：电池寿命低功耗：电池寿命优于传统无线设备优于传统无线设备––高传输速率高传输速率––兼备定位能力兼备定位能力机遇：机遇：UWBUWB24UWBUWB应用前景应用前景UWBUWB技术的市场定位技术的市场定位––甚高速甚高速WPANWPAN（（100Mbps100Mbps以上）：以上）：––标准陷入僵局，竞争最为激烈，参与厂家实力雄厚标准陷入僵局，竞争最为激烈，参与厂家实力雄厚––取胜更在于工艺水平，而非设计取胜更在于工艺水平，而非设计––中高速中高速WPANWPAN（（2020--100Mbps100Mbps）：）：––技术可行性更高，有利于快速形成产品技术可行性更高，有利于快速形成产品––成本体积有较高要求，能与成本体积有较高要求，能与WLANWLAN竞争竞争––低速远距离通信（低速远距离通信（20Mbps20Mbps以下）：以下）：––传统传统IRIR方式方式––特种应用（隔墙成像等）特种应用（隔墙成像等）25IEEE802.15IEEE802.15WPANWPANTG1TG1WPANWPANBluetoothBluetoothTG2TG2共存共存TG3TG3高速高速（（20Mbps+20Mbps+））WPANWPANTG4TG4低速低速WPANWPANTG3aTG3a甚高速甚高速（（110110－－480Mbps480Mbps））UWBUWB分歧围绕分歧围绕TG3aTG3aUWBUWB标准与实现标准与实现26UWBUWB主要技术研究主要技术研究超宽带信号设计及传输特性研究超宽带信号设计及传输特性研究„„信号波形和频谱的控制方法信号波形和频谱的控制方法„„超宽频谱信号的传输信道模型：多径及群时延特性超宽频谱信号的传输信道模型：多径及群时延特性超宽带接收机结构研究超宽带接收机结构研究„„不同的超宽带无线技术实现方案不同的超宽带无线技术实现方案„„针对低信噪比条件下的信号检测与接收算法针对低信噪比条件下的信号检测与接收算法低成本低功耗超宽带电路硬件实现低成本低功耗超宽带电路硬件实现„„超宽带低功耗射频电路实现超宽带低功耗射频电路实现„„高速低功耗高速低功耗ADCADC电路实现电路实现„„多频点频率综合器电路实现（多频点频率综合器电路实现（MBMB--OFDMOFDM））„„高速调制解调及编解码电路：高速调制解调及编解码电路：FFTFFT，，RAKERAKE接收和接收和LDPCLDPC27UWBUWB芯片实现中的问题芯片实现中的问题成本过高影响技术的推广成本过高影响技术的推广„„高速并行高速并行ADCADC：占用较大的面积：占用较大的面积„„FFTFFT数