基于TDD的第四代移動通信技術(shù)

摘要

4G網(wǎng)絡(luò)具有極大的吸引力，它將提供更高的數(shù)據(jù)速率及頻譜利用率，本文介紹了基于TDD模式的4G通信的特點及其關(guān)鍵技術(shù)。

TDD模式在第三代移動通信中引起了高度重視，隨著數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的增長、頻率資源的緊張，TDD技術(shù)研究的深入和TDD系統(tǒng)的不斷成熟，在第四代移動通信中TDD模式也將會占有重要的地位，屆時擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的基于TDD模式下的4G通信技術(shù)必將成為主流技術(shù)。

一、4G移動通信的概念

1.4G技術(shù)的特點

第四代移動通信系統(tǒng)是多功能集成的寬帶移動通信系統(tǒng)，比第三代移動通信更接近于個人通信。其特點主要有：

（1）更高的通信速率對大范圍高速移動用戶（250km/h）數(shù)據(jù)速率為2Mbit/s；對中速移動用戶（60km/h）數(shù)據(jù)速率為20Mbit/s；對于低速移動用戶（室內(nèi)或步行者）數(shù)據(jù)速率為100Mbit/s。

（2）更寬的網(wǎng)絡(luò)頻譜4G網(wǎng)絡(luò)在通信帶寬上比3G網(wǎng)絡(luò)的帶寬高出許多。據(jù)研究，每個4G信道將占有約100MHz的頻譜，相當(dāng)于W-CDMA3G網(wǎng)絡(luò)的20倍。

（3）靈活性較強(qiáng)4G系統(tǒng)擬采用智能技術(shù)使其能自適應(yīng)地進(jìn)行資源分配，能夠調(diào)整系統(tǒng)對通信過程中變化的業(yè)務(wù)流大小進(jìn)行相應(yīng)處理而滿足通信要求。采用智能信號處理技術(shù)對信道條件不同的各種復(fù)雜環(huán)境都能進(jìn)行信號的正常發(fā)送與接收，有很強(qiáng)的智能性、適應(yīng)性和靈活性。

（4）業(yè)務(wù)的多樣性。在未來的全球通信中，個人通信、信息系統(tǒng)、廣播和娛樂等各行業(yè)將會結(jié)合成一個整體。提供給用戶比以往更廣泛的服務(wù)與應(yīng)用；系統(tǒng)的使用會更加的安全、方便與更加照顧用戶的個性4G技術(shù)能提供各種標(biāo)準(zhǔn)的通信業(yè)務(wù)。

（5）高度自組織、自適應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)。4G系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)將是一個完全自治、自適應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)。它可以自動管理、動態(tài)改變自己的結(jié)構(gòu)，以滿足系統(tǒng)變化和發(fā)展的要求。

2.4G系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

4G系統(tǒng)為寬帶接入和分布網(wǎng)絡(luò)，未來的4G網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)將是一種全I(xiàn)P的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（包括各種接入網(wǎng)和核心網(wǎng)），4G系統(tǒng)將是一個集成廣播電視網(wǎng)絡(luò)（DAB和DVB）、無線蜂窩網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)、無線局域網(wǎng)（WLAN）、短距離應(yīng)用的藍(lán)牙等系統(tǒng)和固定的有線網(wǎng)絡(luò)為一體的結(jié)構(gòu)，各種類型的接入網(wǎng)通過媒體接入系統(tǒng)都能夠無縫地接入基于IP的核心網(wǎng)，形成一個公共的、靈活的、可擴(kuò)展的平臺。

二、4G中的關(guān)鍵技術(shù)

1.TDD技術(shù)與傳輸預(yù)處理技術(shù)

與第一代和第二代通信中廣泛采用的FDD模式不同，TDD模式中接收和傳送的雙向通信是在同一頻率信道中即載波的不同時隙，用保護(hù)時間來分離接收與傳送信道。其基本原理如圖1所示。圖中，箭頭方向代表通信的下行方向（從基站到用戶設(shè)備）或上行方向（用戶設(shè)備到基站）。

圖1 TDD和FDD基本原理

從基站到用戶設(shè)備的上下行鏈路信道都用同樣的頻率，上下行信道占用不同的時隙，時隙之間預(yù)留足夠的保護(hù)時間，通過時間轉(zhuǎn)換開關(guān)的轉(zhuǎn)換實現(xiàn)上下行雙向通信。在TDD系統(tǒng)中，由于基站到用戶設(shè)備的上下行鏈路信道都有同樣的頻率，上下行鏈路的信道參數(shù)基本相同，在上下行接收和發(fā)送時，根據(jù)一方估計的信道參數(shù)可以直接被另一方利用，使得TDD系統(tǒng)具有上下行信道的互惠性，在系統(tǒng)組網(wǎng)進(jìn)行頻率規(guī)劃和通信過程的無線資源分配時非常簡單。上下行信道占用不同的時隙，利用時間轉(zhuǎn)換開關(guān)的靈活轉(zhuǎn)換實現(xiàn)上下行通信，可以較好地支持上下不對稱業(yè)務(wù)。同時，TDD可以利用FDD模式無法利用的不對稱頻譜，使頻譜利用更靈活，獲得更高的頻譜利用率。

傳輸預(yù)處理技術(shù)需要知道信道的傳播特性，由于TDD系統(tǒng)的上下行信道的互惠性，這在TDD系統(tǒng)中是很容易實現(xiàn)的。因此，可以直接利用傳輸預(yù)處理技術(shù)，有效地減低移動終端的復(fù)雜性。4G中的傳輸預(yù)處理技術(shù)主要有預(yù)RAKE（Pre-RAKE）技術(shù)和聯(lián)合傳輸技術(shù)（JT）兩種。在CDMA系統(tǒng)中，為了減少多徑衰落的不利影響，一般會在接收端采用多徑分集功能的RAKE接收機(jī)。RAKE接收機(jī)利用多個相關(guān)器（匹配濾波器組）分別檢測多徑信號中最強(qiáng)的一組支路信號，然后，對每個相關(guān)器的輸出加權(quán)合并，以提供優(yōu)于單路相關(guān)器的信號檢測，最后，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行解調(diào)判決。要提高RAKE機(jī)的性能，必須在接收端盡可能地收集多徑的能量，但是，這會增加系統(tǒng)硬件的復(fù)雜性和功率消耗。由于TDD模式具有上下行信道互惠性，從而可以利用基站估計的上行信道參數(shù)進(jìn)行發(fā)送端的RAKE多徑合并。在發(fā)送端進(jìn)行RAKE多徑合并后，會在移動終端形成可友好接收的信號，移動終端可以用一個簡單的匹配器接收（單徑接收機(jī)）而沒有犧牲接收性能，這樣就大幅度地降低了移動終端的復(fù)雜性和成本，其結(jié)果好象在發(fā)送端即基站預(yù)先做了一次RAKE接收，這種技術(shù)被稱為預(yù)RAKE技術(shù)。預(yù)RAKE原理如圖2所示。

目前，在3G系統(tǒng)中使用聯(lián)合檢測技術(shù)（JD），由于受手機(jī)處理能力的限制，會嚴(yán)重影響下行鏈路性能和系統(tǒng)容量，于是，提出了一種新的多用戶傳輸技術(shù)聯(lián)合傳輸技術(shù)。聯(lián)合傳輸（JT）的基本思想是將下行手機(jī)中復(fù)雜的聯(lián)合檢測轉(zhuǎn)移到基站中去，只在上行鏈路對信道進(jìn)行估計，下行鏈路利用估計得到的信道沖激響應(yīng)值把在移動臺判決傳輸信號的任務(wù)交給基站來完成。這種方式使得移動臺的數(shù)據(jù)只需一個簡單的線性時變?yōu)V波器就可獲得。聯(lián)合傳輸可以提高系統(tǒng)性能，特別是系統(tǒng)容量，并且大大降低了接收機(jī)的計算量，進(jìn)一步簡化了手機(jī)處理，同時，JT技術(shù)的實現(xiàn)不需對現(xiàn)在通信標(biāo)準(zhǔn)作大的修改，商用前景很好。

圖2 Pre-RAKE系統(tǒng)原理

2.OFDM技術(shù)

據(jù)多徑信道在頻域中表現(xiàn)出來的頻率選擇性衰落特性，研制出了正交頻分復(fù)用技術(shù)（OFDM）調(diào)制技術(shù)，這是一種用于無線環(huán)境下的高速傳輸技術(shù)。OFDM技術(shù)的主要原理就是把高速的數(shù)據(jù)流通過串并變換，分配到傳輸速率較低的若干子信道中進(jìn)行傳輸。無線信道的頻率響應(yīng)曲線大多是非平坦的，而在頻域內(nèi)將給定信道分成許多正交的子信道。在每個子信道上使用一個子載波進(jìn)行調(diào)制，并且各子載波獨立地并行傳輸，這樣，盡管總的信道是非平坦的。即具有頻率選擇性，但是每個子信道的頻譜特性是相對平坦的。并且在每個子信道上進(jìn)行的是窄帶傳輸，信號帶寬小于信道的相應(yīng)帶寬，因此，就可以消除符號間的干擾（ISI），這樣接收端可以不用信道均衡技術(shù)就能對接收信號進(jìn)行解調(diào)。OFDM技術(shù)的最大優(yōu)點是能對抗頻率選擇性衰落或窄帶干擾，在OFDM系統(tǒng)中各個子信道的載波相互正交，于是它們的頻譜是相互重疊的。這樣不但減小了子載波間的相互干擾，同時又提高了頻譜利用率�；�于以上優(yōu)點，OFDM技術(shù)被認(rèn)為是第四代移動通信中的核心技術(shù)。

3.MIMO技術(shù)

MIMO技術(shù)是現(xiàn)代通信中的一個重大技術(shù)突破。MIMO可以簡單定義為，無線網(wǎng)絡(luò)信號通過多重天線進(jìn)行同步收發(fā)，在發(fā)射端和接收端均采用多天線（或陣列天線）和多通道，以提高傳輸率，增加系統(tǒng)容量。MIMO系統(tǒng)的模型如圖3所示。更確切地說就是信號通過多重切割之后，經(jīng)過多重天線進(jìn)行同步傳送。

圖3 MIMO系統(tǒng)框圖

由于無線信號在傳送的過程當(dāng)中為了避免發(fā)生干擾，會走不同的反射或穿透路徑，因此，到達(dá)接收端的時間會不一致。為了避免被切割的信號不一致而無法重新組合，接收端會同時具備多重天線接收，然后，利用DSP重新計算方式，根據(jù)時間差因素，將分開的各信號重新組合，并且快速正確地還原出原來信號。由于信號經(jīng)過分割傳送，不僅單一流量降低，可拉大傳送距離，又?jǐn)U大了天線接收范圍，因此，MIMO技術(shù)不僅可以提高既有無線網(wǎng)絡(luò)頻譜的傳輸速度，成倍地提高系統(tǒng)容量，而且，又不用額外占用頻譜范圍，更重要的是，還能擴(kuò)大信號傳送距離。MIMO技術(shù)是無線移動通信領(lǐng)域智能天線技術(shù)的重大突破，成為新一代移動通信系統(tǒng)必須采用的關(guān)鍵技術(shù)。

4.自適應(yīng)編碼調(diào)制（AMC）技術(shù)

AMC技術(shù)的本質(zhì)就是根據(jù)信道情況（信道狀態(tài)信息CSI）確定當(dāng)前信道的容量，根據(jù)容量確定合適的編碼調(diào)制方式等，以便最大限度地發(fā)送信息，實現(xiàn)較高的速率；而且，針對每一個用戶的信道質(zhì)量變化，AMC都能提供可相應(yīng)變化的調(diào)制編碼方案，從而可提高速率傳輸和頻譜的利用率。信道狀態(tài)信息可以根據(jù)系統(tǒng)的信道信噪比測量或其他相似的測量報告確定，然后，AMC根據(jù)CSI確定相應(yīng)的編碼和調(diào)制格式。當(dāng)信道質(zhì)量好時，可以采用效率較高的高階調(diào)制方案，并結(jié)合較弱的信道進(jìn)行編碼或不編碼，以提高傳輸速率和頻譜利用率；當(dāng)信道質(zhì)量差時，可以采用性能較好的低階調(diào)制方案，并結(jié)合較強(qiáng)的信道編碼，以對付信道變差帶來的性能惡化。AMC的調(diào)整算法如圖4所示。在4G通信系統(tǒng)中采用AMC的好處主要有：處于有利位置的用戶可以具有更高的數(shù)據(jù)速率，蜂窩平均吞吐量由此得到提高；在鏈路自適應(yīng)過程中，通過調(diào)整調(diào)制編碼方案而不是調(diào)整發(fā)射功率的方法可以降低干擾水平。

圖4 AMC的調(diào)整算法

5.軟件無線電

軟件無線電是將標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的硬件功能單元經(jīng)過一個通用硬件平臺，利用軟件加載方式來實現(xiàn)各種類型的無線電通信系統(tǒng)的一種新技術(shù)，具有開放式結(jié)構(gòu)。通過下載不同的軟件程序，在硬件平臺上可以實現(xiàn)不同的功能，用以實現(xiàn)在不同的系統(tǒng)中利用單一的終端進(jìn)行漫游，它是解決移動終端在不同系統(tǒng)中工作的關(guān)鍵技術(shù)。軟件無線電的核心思想是在盡可能靠近天線的地方使用寬帶A/D和D/A變換器，并盡可能多地用軟件來定義無線功能，各種功能和信號處理都盡可能用軟件實現(xiàn)。其軟件系統(tǒng)包括各類無線信令規(guī)則與處理軟件、信號流變換軟件、調(diào)制解調(diào)算法軟件、信道糾錯編碼軟件、信源編碼軟件等。軟件無線電技術(shù)主要涉及數(shù)字信號處理硬件（DSPH）、現(xiàn)場可編程器件（FPGA）、數(shù)字信號處理（DSP）等。目前，軟件無線電技術(shù)雖然基本上實現(xiàn)了其基本功能：硬件數(shù)字化、軟件可編程化、設(shè)備可重復(fù)配置性，但是，其傳統(tǒng)的流水線式結(jié)構(gòu)嚴(yán)重影響了設(shè)備可配置功能和設(shè)備的可擴(kuò)展性。

三、結(jié)束語

4G移動通信系統(tǒng)目前還只是一個基本概念，處于實驗室研究開發(fā)階段。要把4G投入到實際應(yīng)用，還需要對現(xiàn)有的移動通信基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行更新改造。這將會引發(fā)一系列的資金觀念等問題，從而在一定程度上減緩4G正式進(jìn)入市場的速度。然而，可以肯定的是，隨著互聯(lián)網(wǎng)高速發(fā)展，4G也會繼續(xù)高速發(fā)展，4G將會是多功能集成的寬帶移動通信系統(tǒng)，是滿足未來市場需求的新一代移動通信系統(tǒng)。