1、第 卷 第 期年 月金 陵 科 技 学 院 学 报 ，移动通信关键技术研究田甜（金陵科技学院网络与通信工程学院 ，江苏南京）摘要 ：结合国内外移动通信发展的最新趋势 ，对第 代移动通信系统 （）的体系架构分 部分进行分析 ，并对中出现的 种关键技术进行描述。重点论述了上下文感知网络和通信技术，并对感知数据融合处理算法和 用户的功率控制进行相关研究 。关键词 ：；关键技术 ；上下文感知网络 ；中图分类号 ：文献标志码 ：文章编号 ：（）收稿日期 ：作者简介 ：田甜 （），女 ，江苏连云港人 ，讲师 ，硕士 ，主要从事宽带移动通信研究 。 （ ，）： ， （） ， （） ：； ；概念的提出最早可以
2、追溯到年的中后期 ，并且从年开始受到了通信业界的高度关注 。是面向年需求的技术 ，已经积极开展面向年技术趋势 、频谱需求分析和社会愿景等方面的研究工作 ，并计划于年月完成年移动技术发展愿景研究报告 ，以对形成一个基本的全球共识 。行业中讨论可能包括这样的概念和功能 ：高于的数据速率 ，至少比高出倍 ；覆盖区域中更统一的用户体验 ；极低的延迟 ，低于，比的低倍 ，实现对系统更高的实时控制 ；使用高频 ，在以上包括毫米波 （以及更高的）；宽的无线信道 ，甚至更宽 ；无线极灵活 ；个或更多元素的天线阵列 ；用户设备和多个基站之间的同步连接 ，跨越多种接入技术和频率 ；分层和 部署模型 ；使用授权和免
3、授权频段 ；先进的频谱共享 ；上下文感知的网络 ，在该网络自动执行基于用户位置或活动的功能 ；适用于新兴的机器对机器 （）通信的部署 。 体系架构体系架构可分为大模块 ：网络部署场景 、接入网和核心网。和技术主要聚焦在移动宽带应用场景 ，提供增强的系统容量和更高的数据速率 。在未来时代将继续聚焦于此 ，并由像视频这样第 期 田甜 ：移动通信关键技术研究的 业务驱动容量和数据速率。但 未来还将远不止是增强 “常规 ”的移动宽带应用场景 。未来的无线网络能够对任何人和任何物提供无线接入 。因此 ，在未来 ，无线接入不仅服务于人类 ，还扩展到服务于任何能够从连接中获得益处的实体 。这个愿景往往被称为
4、 “物联网 ”，“网 络社会 ”，“机 器对机器通信 （）”或 “机 器中心通信 ”。运 营商的最佳客户不再是人类 ，而是越来越多的机器 ，比如智能电表 、数字标牌和车载信息娱乐系统。在和 核心网中 ，端到端系统的一些改变将成为演化过程中的一部分 。无线接入的未来不仅仅 是关于无线电接口技术 ，无 线接入应该被视为对人和设备都提供无线接入的未来整体解决方案 。核心网主要由和网络功能虚拟化 （ ，）技 术驱动网络变革 。端到端的系统需要被设计为可满足年 及以后的预期需求 ，它需要考虑市场驱动 、使用场景 、需求 、监管和技术要素 。图所 示是在最初规划过程中需要考虑的内容 。它 包括无线 、核心
5、网 、应用 、监管 、设备方面 。其中 ，无线部分需要考虑的技术有 ：先进的干扰管理 、大规模、安 全 、调制 、毫米波技术等 。核心网部分考虑的技术有 ：、安 全 、无 处不在的存储和计算技术等 。在无线和核心网之间需要考虑云、灵 活的网络和技 术等 。应用部分考虑的技术有 ：安全 、上下文感知网络 、应 用技术等 。在核心网和应用之间需要考虑、万 维网的无线网络和云技术等 。监管部分考虑的技术有 ：频谱 、合法侦听 、频谱共享 、紧急服务 、弹性技术等。图 端 到端 生态系统的初步示意 关 键技术中 可能使用的一些关键技术包括 ：大规模，厘 米和毫米波段的传 输 ，认知无线电共享频谱接入
6、，集 成与管理 ，通 信 ，无线回程 接入集成 ，网 络 ，灵活的移动性 ，上下文感知网络 ，网 络技术等 。下面介绍其中的种关键技术 。 大 规模系 统在发射机和接收机端使用多个天线 ，是一种众所周知的提高无线链路频谱效率的技术 。大规模延 伸了多用户的 概念 ，它是大幅增加基站天线的数量 ，这个数量比与基站同时服务于相同时频块的用户天线数量要多得多 。当数百个天线同时服务成千上万的用户时 ，频谱效率可提高倍 ，同 时处于小区边缘的用户仍能保持高吞吐量 。此外 ，每个用户信号需要的预编码处理减少到简单的共轭波束赋形 。发射机获取信道信息的主要挑战可以通过采用时分双工来解决 ，上下行使用相同的
7、频段 ，保证下行信道几乎和上行信道一致 。通过用户在上行发送正交导频 ，可以进行上行信道估计 ，从而用作下行共轭波束赋形 。小区的上行导频传输并不一定是正交的 ，因为用于导频传输的资源很有限 。这将导致所谓的 “导频污染 ”，产 生信道估计误差 。导频复用可以减轻导频污染 ，导频序列的复用仅在使用该导频序列的邻近小区外的小区 。基站侧的大量天线进行成本有效的部署需要无线和天线技术的进步 。信道是互易的 ，而接收和发送金陵科技学院学报 第 卷路径却不是 。考虑到上下行产生的任何实质性的差别时需要天线校准 。需要指出的是 ，大规模并不能显著地增加单个用户的峰值速率 ，因为它本身需要同时服务多用户来
8、达到高频谱效率 。 软件定义网络 （）和信息中心网络 （） 软件定义网络是一种数据平面与控制平面分离 ，并直接对控制平面编程的新型网络架构 。数据中心的弹性计算和存储已经迎来了高动态网络新需求 ，这正由解决 。在数据中心网络的优势已经牢固确立 。数据中心以外的 ，也正在探讨对虚拟专用网络的需求的创建 ，这个网络在企业驻地和数据中心之间的光链路具有动态配置能力 。中的应用可能超出包括无线网络政策框架的传输资源的控制 。实例包括像管理和通过服务连接转发平面功能如何应用在一个有功能的分组核心网 。更广泛的 ，框架还可以应用于无线控制功能 ，例如 ，移动性管理 、安全 、计费和优化成为使用控制器的应用
9、 。虚拟化了网络应用和网络功能 ，如今天提供的专用核心网络组件 、媒体服务器和管理功能 。虚拟化使得这些功能运行在虚拟机管理程序上 ，这些程序使用共享的现成的数据中心计算基础设施 。已经在的实现中采用 ，并将在之前普遍采用 。更进一步 ，的设计可以利用作为技术基础 ，期望和核心网中的无线网络功能的绝大多数是虚拟化的设计 ，从而提高了灵活性以满足控制上的不同需求和多种应用的数据处理 。使用技术最灵活的实现是这些功能和支持移动性的转发平面编程之间的互连 。和的主要工作原理 ，如控制平面和数据平面的分离 ，网络抽象和网络外部应用的可编程性都应广泛地适用于无线网络 。这将允许新的服务 ，从而减少执行这
10、些服务所需要的时间和精力 ，并降低网络的费用 。 信息中心网络 （）学术界提出未来网络应该从当前以 “位置 ”为中心的体系架构 ，演进到以“信息 ”为中心的架构 ，即网络的基本行为模式应该是请求和获取信息 ，而非实现端到端可达 ，这类网络体系架构统称为信息中心网络 。应基于新的网络体系结构和协议 ，以专门支持移动性 、安全性和内容高速缓存作为基本的设计准则 。信息中心网络 例如在命名数据网络 （）中实现和内容为中心的网络 （）计划 正在成为一个领先的架构 ，能够满足这样的设计标准 。方法都专注于多未来互联网演进的支持 ，特别是对新的通信模式的支持 ，这种新的通信模式专注于信息的分发而不是端点之
11、间的数据包的通信 。这项工作的核心是互联网的主要设计原则 ，重新思考将新的应用模型的要求作为基本的架构设计特点 ，比如可扩展的内容分发 、移动性 、安全性和信任 。因此 ，所接触的重点 （网络 ）领域归纳如下 ：）命名 专注于感兴趣的内容是什么而不是在哪里 ；）路由 基于 （分层 ）的名字而不是地址 ；）移动性 现在是网络层的内在性能 ；）缓存 存储 信息在任何时间驻留在网络的任何地方 ；）安全性 安全的内容而不是通信信道 。为了让网络与存储和计算融合 ，综合和两种技术架构的优势 ，取长补短 ，融合这两种技术 ，使融合后的架构能够高效利用进行网络资源的计算和存储 ，并且具有高可控性。 上下文感
12、知网络网络不能提供为众多设备服务的量身定制的资源和没有上下文信息的应用 ，这显著超出了现有的使用 。上下文感知允许网络适应网络约束和运营商策略框架内的应用的需要 。这是更好的选择 ，即应用适应一组统一的服务特性的约束默认承载是典型的。此外 ，网络和设备两者使用上下文感知 （例如 ，位置 、历史使用模式 、用户偏好 ）的能力可以帮助进一步提高用户体验 。这种能力使因特网来向用户提供最相关的和及时的信息 ，而不必去到互联网检索信息 ，然后过滤掉不相关的信息块 。上下文感知包括以下的感知 ：网络分析 、用户分析 、设备属性和功能 、应用程序要求 、用户偏好 、运营商策略和订阅上下文 。上下文信息可以
13、从设备 、网络监视器 、网络元件 、网络数据库和分析平台来收集 。访问的服务属性有 ，成本 、可靠性 、功耗 、安全等级 、和移动性 。用于访问服务的属性可以被映射到配置特征 ，然后再第 期 田甜 ：移动通信关键技术研究由网络分配 。 服务分类和体系架构上下文感知服务分为以下类 ：个性化服务 、主动上下文感知和被动上下文感知 。个性化服务中 ，一般状况由用户提供个人偏好和上下文数据 。主动上下文感知一方面能够自动适应上下文 ，另一方面还可以自动触发为顾客提供某些服务 ，并且不需要用户参与介入 。被动上下文感知能够自主地捕获用户的上下文信息 。但是这些服务一定要由用户本身触发。现在 ，有很多分层
14、结构的上下文感知系统框架 ，虽然主要应用领域不同 ，但是总体的结构框架是一致的 。比如支持上下文感知应用的体系结构 （ ）主要包含种类型的对象 ：）负责获取上下文 ，同时向应用程序提供接口 ；）用以收集特定实体的上下文信息 ；）负责解释上下文信息 。 感知数据融合处理算法上下文感知计算是一种新的计算形态 ，与普适计算 、移动计算和智能计算联系密切 ，具有适应性 、反应性 、情境敏感性和环境导向性等特征 。上下文感知技术是基于复杂的无线传感器网络协同工作的 。各个节点收集到传感信息以后若单独将数据传送到中心网关 ，再进行数据处理 ，这样不仅自身消耗过多能量 ，也缩短了整个网络的生命周期 ，极容易
15、造成接收数据的网关崩溃 ，从而影响服务响应的实时性 。因此 ，需研究一种数据融合技术来有效地解决这种情况 。局部数据融合技术在信息处理中具有关键的作用 ，这将提高所感知数据的准确性 、提高感知数据在网络的传输效率以及节省能量等 。下面考虑对各个区域感知的冗余数据采取局部区域处理 ，在满足应用需求的前提下将需要传送给上一级中心服务器的数据量最小化 。将网络中的被监测空间划分为不同的区域 ，每一个小块区域里 ，存在一个控制节点负责管理本区域的所有传感节点 。提供实时服务 ，即当用户服务被用户请求的时候 ，由服务发现控制节点开始在网络中向上传输数据 ，相关的传感计算群收到命令后 ，即可在由该节点来融
16、合它所控制的区域节点 ，这些节点所采集的感知数据在形式上基本一致 ，感知目标也基本一致 ，因此 ，需要融合算法来对这些数据进行融合处理 ，以提供信息量少 ，但最为符合实际情况的感知数据 。这样的数据作为该区域的数据 ，统一传给上一级网络节点处理的吋候 ，只需要传输一个节点的数据 ，而不是将所有相似数据的节点都传输到上一级 ，实现减少网络传输带宽和中心节点的负载能力 ，实现服务的实时性 。设网络中某个局部的感知计算群中包含个传感器节点和个中心控制节点，各个节点所釆集的数据方差分别，传感器的测量值分别为，它们测量过程中假设不会有任何影响 ，并且是的无偏估计 ，个传感器的数据有效性权重分别为，事实上
17、 ，尽管对个传感节点来说 ，所感知的数据一致 ，但是感知设备的位置和所处环境的不同势必带来一些差异 ，而这种差异在以往数据融合方法中一直被忽略 。实际上 ，这些位置或者环境的差异对实际相同的釆集设备是有一定影响的 ，所反映的是采集节点本身之间的权重 ，设为采集设备所处环境 （包括位置 、温度等 ）的差异方差 ，各个节点的综合方差（）（） （）则所有数据在汇总至中心控制节点的时候 ，该计算群的整体感知值 ： （） （） （） （） （） （）节点感知到数据最终汇总于中心节点，中心计算节点数据融合完成以后 ，将融合得到的数据发送给统一的上一级中心网关 ，该网关同样根据感知器数据融合算法 ，反馈给用
18、户 ，从而完成服务 。 通信在版本中开始引入的设备直接到设备 （）通信 。在这个阶段 ，所考虑的功能相对有限 ，主要集中在通信的公共安全通信和更一般的商业应用中的邻近检测 。然而 ，作为整体讨论的一部分 ，正在考虑的一些组成技术有像高度集成的回程 接入技术和更一般的多跳通信技术 ，作为金陵科技学院学报 第 卷图 无线接入解决方案 一种 可能的组成技术必须包括通信 。那 么应该考虑作为一种更通用的工具 ，直接通信 是整个无线接入解决方案的一个良好集成部分 。除了图所示 ，这 应包括 ：）当附近的设备在彼此之间传递终端用户的数据时 ，直接对等通信 的使用会作为一个整体更有效的传输方式 ；）直接通信
19、的 使用可以作为一种手段来扩大超出常规设施 （基于设备的中继 ）的覆盖范围 ；）采用高速通信的合作设备在多设备之间提供了 “联合 ”传输和 或接收的手段 ，从而开辟了与网络设备的通信更有效的沟通 。这可以看作是在设备上而不是在网络上的一种协同传输 接收 （“”）。通信是一种新型 的蜂窝控制短距离直接通信技术 ，它允许终端在蜂窝系统的控制下复用蜂窝系统的频谱资源直接进行端到端通信 。与传统的蜂窝网络中终端之间通信需经过基站的处理转发相比 ，通信 具有提高小区吞吐量 、降低终端发射功率 、增强瞬时数据传输速率和提高系统频谱效率等方面的显著优势 。由于终端与终端的直接通信复用了蜂窝系统的频谱资源 ，
20、所以 ，链路与蜂窝通信链路之间就 会产生一定的同频干扰 。目前 ，有许多文献从无线资源管理与用户 的功率控制角度研究了链路与 蜂窝网络的干扰管理方法 。 通信 的分类通信 可以分为部分 ：带内通信 和带外通信 。图 信 道 交换过程 带内这类 通信在授权的频谱中发生 （即蜂窝频谱同时被和蜂 窝链路使用 ）。选择带内通信的动机通常是对蜂窝频谱 （即授权频谱 ）的高度控制 。研究人员认为 ，未授权频谱的干扰难以管理 ，这制约了服务质量 （）配置 。带 内进一步分为衬底 （）和重 叠 （）类别 。在 衬底的通信 中 ，蜂窝和通信 共享相同的无线资源 。与此相反 ，在重叠通信中链路被给出专用蜂窝资源。
21、带外这类通信 利用未授权频谱 。使用带外通信 背后的动机是消除和蜂 窝链路之间的干扰问题 。使用未授权的频谱 ，需要一个额外的接口 ，通常采用其他无线技术 ，如 ，或蓝 牙 。带外进一步分为控制和自主通信 。 信道 测量所需的信道测量和测量报告取决于网络参与资源分配和链路适配的程度 。通过对基站的下行链路发送的参考信号的接收强度的测量可以用来估计传输 将引起的干扰 。因此 ，当基站（）分配 资源给链路 时 ，这些测量报告对基站来说是有用的 。在上行链路 ，有种不 同类型的参考符号 ：探测参考符号和解调参考符号 。探测参考信号是在比实际数据传输带宽要宽的带宽上进行发送 ，以获得用于上行链路调度决
22、策的信道信息 。这在场景 中也许是有用的 ，如果网络具有严格的资源分配控制 。在有效载荷的物理资源块 （）下传 输的解调参考符号用于解调 、信道估计 、信道解码和信道均衡 ，并可以在中达 到相同的目的 。然而 ，是否其他参考信号将更适合通信 ，还有 待研究 。一个可能的信道交换信息过程如图所示 。 功率 控制通信 既可操作在一个静态的功率方案 ，也可以操作在一个静态的信号与干扰加噪声比 （）目标 方案 。在静态传输功率的情况第 期 田甜 ：移动通信关键技术研究下 ，模式中的每个用户使用相同的发射功率 。这个方案很简单 ，但由可能的较大的可变范围 ，这种方案并不有利于适应 。的变化范围依赖于所有
23、的干扰情况 。由于所有用户 （）伴有资源分配 调度的随机性质 ，从蜂窝模式的到模式的会有明显的干扰 。在这方面 ，的动态范围较大 ，但专用资源的动态范围比较小 。在静态的目标的情况下 ，目标的选择将会直接影响总的发射功率和最终值 。高目标需要用户更多的发射功率 ，并且那些用户的最终可以得到改善 。不过 ，也有可能是一个加大蜂窝模式的整体干扰的危险 。图 通信共享蜂窝上行资源系统模型 单蜂窝场景如图所示 。一个小区内包括个蜂窝用户 （），对通信用户 （）和一个位于小区中心的基站 （）。个蜂窝用户组成集合，。同时对用户组成一个集合，其中用户对中发送端记为，接收端记为，小区内用户数量。假设基站能够利
24、用信道估计和反馈得到所有蜂窝通信链路和通信链路的当前信道状态以及所有用户的要求 。另外 ，假设通信链路中接收端能够利用导频信号获得通信链路的信道状态 。基站能够基于这些信道状态信息将可用的资源有效地分配给蜂窝用户和用户。为了获得蜂窝系统中最大的系统吞吐量 ，必须对用户的发射功率加以控制 。）在没有引入通信模式的时候 ，小区内蜂窝用户的信干噪比 （）为（） （）其中 ，为蜂窝用户的发送功率 ；为蜂窝链路的信道增益 ；为小区间干扰 ；为高斯白噪声 。）当小区内存在用户且其复用蜂窝用户的资源时 ，蜂窝用户和用户的信干噪比分别为（，） （）（，） （）此时系统吞吐量增益为（）（）（） （）其中 ，为用
25、户发送端的发送功率 ；为用户到基站之间的信道增益 ；为链路间的信道增益 ；为用户受到的小区间干扰 。由公式 （）可以得出 ，随着链路建立的增多 ，系统吞吐量的增益也随着变大 。）考虑到蜂窝用户的需求 ，基站端的信干噪比必须不小于一个门限值 。由公式 （），得出 （）为了保证链路的有效通信 ，应该保证接收端的信干噪比不小于门限值 。由公式（），得出金陵科技学院学报 第 卷 （）（）由公式 （）、（）得出用户对发送端的发送功率的取值范围为，（，） （）其中 ，为确保通信有效性的发送端的最小功率 ；为确保系统吞吐量最大的最高发送功率 ；为所允许的用户发送端的最大发送功率 。以上分析得到用户随着链路建
26、立的增多 ，系统吞吐量的增益也随着变大 。考虑了在保证链路有效通信的功率取值范围 ，对于最优功率的推导会在今后的工作中进一步研究 。 结语移动通信的发展方兴未艾 ，演进中的移动通信从网络架构到关键技术集成都显示出前所未有的创新 ，本文主要介绍了其中的大规模技术 、和技术 、上下文感知网络技术和通信技术 。上下文感知技术的关键是 ，如何减少上下文信息的模糊性 ，保证与用户的准确交互 。数据融合技术能够有效地融合多来源的上下文信息 ，从而得出更为准确可信的决策 ，并确保与用户实现更好的交互 。通信技术的关键是 ，如何消除或减少链路与蜂窝网络的干扰 ，可以从无线资源管理与用户的功率控制角度进行研究 。未来移动通信发展将引导移动互联网向深处发展 ，为社会带来巨大的变化 。参考文献 ：余莉 ，张治中 ，程方 ，等第五代移动通信网络体系架构及其关键技术重庆邮电大学学报：自然科学版 ，（）： ： ： ：， ：黄韬等未来网络体系架构研究综述通信学报，（）：陈颖基于情境感知的智慧校园体系及运营模式探究北京：北京交通大学 ， ， ， ： ，（）：黄俊伟 ，刘晓江基于 最优匹配的 资源分配算法设计计算机应用研究，（）：（责任编辑 ：马金玉 ）
