為了使未來(lái)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(wú)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(wèn)題,，因此,，尤其要徹底解決移動(dòng)通信發(fā)展過(guò)程中的4個(gè)根本性問(wèn)題：
基站選址困難問(wèn)題
手機(jī)輻射功率大的問(wèn)題[6-8]
傳統(tǒng)基站周圍強(qiáng)輻射問(wèn)題
5GHz以下的無(wú)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(guò)程中面臨的“瓶頸”問(wèn)題，并滿足未來(lái)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(lái)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(wú)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(wú)線接入點(diǎn)接收到的信號(hào)通過(guò)電力線傳輸?shù)街行男盘?hào)處理器，完成信號(hào)處理過(guò)程,。在下行鏈路上,，中心信號(hào)處理器發(fā)出的信息通過(guò)電力線、信息燈中的無(wú)線接入點(diǎn)傳給無(wú)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(wú)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(wú)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(wú)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(guò)電力線與外圍的中心信號(hào)處理器通信,。通信信號(hào)通過(guò)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(wú)線接入場(chǎng)景如圖2所示,，這里選擇戶外的路燈作為無(wú)線接入點(diǎn),，手機(jī)終端、車載臺(tái)等通過(guò)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(guò)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(wú)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：
(1)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(wú)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(wú)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(guò)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(guò)程中的4個(gè)根本性問(wèn)題,，并具有自身的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)：
(1)解決基站選址困難的問(wèn)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。
(2)解決手機(jī)輻射功率大的問(wèn)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,?？梢姡嚯x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,。
(3)解決傳統(tǒng)基站周圍強(qiáng)輻射問(wèn)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(wàn)倍的廣播信道發(fā)射功率。
(4)避免使用熱點(diǎn)頻譜資源
基于信息燈的無(wú)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。
(5)安全,、美觀
無(wú)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(lái)的一種全新無(wú)線移動(dòng)通信體系架構(gòu)，無(wú)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(wèn)題：
(1)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(wèn)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。
(2)無(wú)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(guò)電力線通信實(shí)現(xiàn)信息的傳遞和交接,，需要無(wú)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。
(3)信息安全問(wèn)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(wú)線資源管理方法無(wú)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,。