基于照明灯及电力线为载体的新型宽带移动通信系统

  移动通信技术是当前发展最快的通信技术之一，每一次概念和技术的突破都实现了工程上的飞跃并带来了巨大的经济效益[1]。蜂窝概念的提出成功实现了第1代移动通信系统[2]，数字信号处理技术和器件的成熟促进了以全球移动通信系统(GSM)为标志的第2代移动通信的蓬勃发展，而宽带码分多址(WCDMA)的商用和多媒体技术的提出则充分满足了当时对第3代移动通信系统的功能要求[3]。

    为了使未来移动通信系统能够支持更大的系统容量，以多输入多输出(MIMO)为代表的多天线收发技术得到发展并成为无线通信领域的研究热点之一[4-5]。

    考虑到下一代移动通信系统不仅要求比第3代移动通信系统具有更快的传输速率、更大的系统容量和更高的频谱利用率，还要考虑更低的功率消耗、更复杂的网络环境(面临多种通信网络体制的共存)等问题，因此，尤其要彻底解决移动通信发展过程中的4个根本性问题：

    基站选址困难问题

    手机辐射功率大的问题[6-8]

    传统基站周围强辐射问题

    5GHz以下的无线电频谱相当昂贵

    为了较好地解决以上4个移动通信发展过程中面临的“瓶颈”问题，并满足未来移动通信系统对容量、传输速率等方面的高性能要求，本文以多天线信号处理为核心技术，提出基于信息灯(IL)的面向未来的新型移动通信系统架构，给出室内外接入的典型场景，讨论围绕信息灯网络所涉及的相关技术。

    1 系统总体结构

    考虑到室内及室外的照明灯已覆盖城区的现实，只要用户身在城区中，就有一个照明灯离其很近。将无线接入点集成在照明灯中，组成具有信息收发功能的信息灯。

    在上行链路上，基于信息灯的无线接入点接收到的信号通过电力线传输到中心信号处理器，完成信号处理过程。在下行链路上，中心信号处理器发出的信息通过电力线、信息灯中的无线接入点传给无线接收装置(如移动台等)。

    1.1室内外典型场景

    室内基于信息灯的无线接入场景如图1所示，在照明灯中集成了通信信号接入点(AP)，室内的无线入网设备(如笔记本电脑、PDA、手机等终端)可以与一个或者多个接入点同时建立连接，如果终端设备本身具有多个天线，那么将形成具有分布式特征的MIMO系统结构。

    信息灯中的无线接入点完成部分信号处理功能，且与照明用的电力线相连，通过电力线与外围的中心信号处理器通信。通信信号通过信号分离/耦合器实现与电力线的分离和加载。分离后的通信信号利用电力线(或经转换后使用光纤等其他媒质)传给中心信号处理器，在中心信号处理器中实现电力线信号和一部分分布式空时信号的处理。

    室外基于信息灯的无线接入场景如图2所示，这里选择户外的路灯作为无线接入点，手机终端、车载台等通过周围的多个路灯接入点接入网络。路灯接入点通过电力线、光纤或者同轴电缆与中心信号处理器相连，实现与主干网的通信。

    1.2网络层次模型

    图3给出了基于信息灯的新型移动通信系统的网络层次模型，从用户端到核心网(至底向上)共分为3个主要层次：接入层、信号处理层和管理层。其中，信号处理层还可以分为3个子层：无线转换子层、电力线转换子层和处理子层。各层功能如下：

    (1)接入层

    接入层主要由用户设备及信息灯组成，信息灯为用户设备提供网络接入点，一个用户设备可以同时与多个信息灯通信，形成分布式MIMO结构。用户设备与信息灯之间的接口为空中接口(但是针对特殊要求的用户设备可以提供有线接口)。这里的用户设备泛指网络支持的有接入需求的终端设备，比如手机、便携式电脑、车载移动台、定位设备等。

    (2)信号处理层

    信号处理层主要完成无线通信信号与电力线(或者光纤)通信信号的相互转换，并实现部分分布式空时信号处理的功能，涵盖3个子层：无线转换子层、电力线转换子层、处理子层。

    (3)管理层

    管理层负责分布式信号的管理，与核心网直接交互信息。

    2 结构优势和技术挑战

    基于信息灯的新型移动通信系统以多天线分布式信号处理为核心信号处理技术，通过分布式信号管理技术实现分布式信息灯的管理和控制，较好地解决了移动通信发展过程中的4个根本性问题，并具有自身的结构优势：

    (1)解决基站选址困难的问题

    采用基于信息灯的分布式基站结构，解决了基站选址的难题，且基站完全隐蔽、美观。

    (2)解决手机辐射功率大的问题

    GSM手机平均发射功率为1 W，CDMA手机的发射功率范围一般在0.01 W～1 W；假设信息灯接入点距离手机的平均距离为10 m，传统的GSM和CDMA基站距离手机的平均距离为250 m(保守值)，且分布式接入点和传统基站接收机的干扰容限基本相同，根据电磁波自由空间传播损耗规律，利用分布式信息灯接入的手机可比传统的GSM和CDMA手机小28 dB的发射功率。可见，近距离的分布式信息灯接入方案使得实现超低辐射手机成为可能。

    (3)解决传统基站周围强辐射问题

    一般情况下，小区覆盖半径在100 m～500 m左右的CDMA基站的平均发射功率为0.25 W，按照和上面一样的假设条件，如果采用分布式信息灯接入点，则最大可以节省1万倍的广播信道发射功率。

    (4)避免使用热点频谱资源

    基于信息灯的无线接入通信技术，其视距(LOS)信道发生的概率很高，而我们知道近距离LOS信道的衰落对载波频率不敏感，这样就为使用更高频段(大于5 GHz)的频谱提供了可能性。

    (5)安全、美观

    无线接入点与照明灯集成在一起，在防火、防其他伤害上更安全，且外形美观。

    (6)方便、灵活、可控的接入

    安装在室内的信息灯接入点，可以完全根据用户的需要，由用户自主控制安装、开关，就像安装和开关灯泡一样简捷、方便，不会影响其他用户的使用。

    以信息灯为接入点的分布式移动通信系统是面向未来的一种全新无线移动通信体系架构，无论在物理层的分布式信号处理还是协议层的分布式信号管理等方面，都面临着一些核心技术的挑战，需要大量开创性的研究工作。这里仅列出部分关键的待研究问题：

    (1)接入点与照明灯的集成

    如何将具有通信功能的接入点与照明灯做到完美的结合是信息灯接入面临的首要问题，这里的结合不能仅仅是接入点与照明灯的简单拼凑和组合，而是接入点与照明灯的有机融合。

    (2)无线通信与有线通信的转换

    在家庭、办公室等室内接入环境下，信息灯与电力线相连，通过电力线通信实现信息的传递和交接，需要无线通信与有线通信的物理格式转换，对处理芯片的要求较高。

    (3)信息安全问题

    电力线是典型的共享传输媒质，如何保证电力线传输的私有信息安全性仍然是一个开放性的课题，电力线标准化组织采用数据加密标准(DES)作为暂时的解决方案，文献[9]和文献[10]中有较为详细的讨论。

    (4)分布式信号的资源管理

    信息灯接入点虽然在接入功能上与传统基站有类似之处，但接入点的数量将大幅度增加，且地理分布特性具有相当的自由度，这些都是传统的无线资源管理方法无法应对的，需要从分布式信号管理的理念、思维方式、操作层面等角度综合设计。

    (5)近距离信道特性

    信息灯的应用环境决定了接入距离与传统移动通信相比会减少很多，需要对这种近距离接入的MIMO信道特性进行科学测量和合理建模。