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目前，世界各國在3G商用化的同時，已把研究重點轉(zhuǎn)入超3代（Beyond 3G，后均簡稱B3G或4G）移動通信的先期研究，在概念和技術(shù)上尋求創(chuàng)新和突破，從而使無線通信的容量和速率有十倍甚至百倍的提高。與傳統(tǒng)的通信技術(shù)相比，超3G通信技術(shù)的優(yōu)勢在于通話質(zhì)量及數(shù)據(jù)通信速率的提高。為改變我國通信產(chǎn)業(yè)發(fā)展長期處于被動跟蹤的局面，繼我國3G研究開發(fā)取得巨大進展之后，國家十五“863”計劃于2001年底制定并啟動了未來移動與無線通信發(fā)展的Future計劃[1，2]。
在Future計劃一期課題的支持下，北京郵電大學(xué)等國內(nèi)六所高校，分別與華為、三星等國內(nèi)外企業(yè)開展合作，經(jīng)過一年多的艱苦努力，完成了六種無線傳輸鏈路方案的設(shè)計，并初步研究了無線資源管理方案和上層協(xié)議；基本完成了基帶電路核心硬件和軟件的設(shè)計和測試，并完成了支持分布式多天線接入的射頻系統(tǒng)的設(shè)計；取得了一系列創(chuàng)新性研究成果，申請了30余項國家發(fā)明專利，為進一步凝煉面向十五末期的超3代總體技術(shù)方案打下了良好的基礎(chǔ)。在此基礎(chǔ)之上，國家“863”Future計劃于2003年11月啟動了第二階段研究開發(fā)計劃。本課題研究開發(fā)的總體目標是：面向超3代移動通信在傳輸速率、業(yè)務(wù)支持、系統(tǒng)容量等方面的應(yīng)用需求，在超3G移動通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、空中接口等各個方面，進一步開展深入系統(tǒng)的研究，重點突破，形成完善的超3代總體技術(shù)方案，構(gòu)建具有超3代移動通信主要技術(shù)特征的試驗系統(tǒng)，具備向ITU提交初步的新一代無線通信體制標準建議的技術(shù)基礎(chǔ)。
國家“863”項目“超3代蜂窩移動通信無線網(wǎng)絡(luò)實驗系統(tǒng)研究與開發(fā)”子課題——“TDD系統(tǒng)OFDM上行鏈路設(shè)計與實現(xiàn)及TDD技術(shù)集成”由北京郵電大學(xué)無線新技術(shù)研究所承擔(dān)，具體負責(zé)該課題的實施和集成。該子課題于2003年11月啟動，2004年7月完成了鏈路方案驗收，至2006年6月完成了上下行鏈路以及整個系統(tǒng)的聯(lián)調(diào)工作，在2006年6月17日進行了正式驗收。驗收結(jié)果表明該系統(tǒng)已達到了國際領(lǐng)先水平，這標志著我國在下一代移動通信系統(tǒng)的研究中取得了突破性進展。
一、Future B3G-TDD系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及參數(shù)
1.B3G系統(tǒng)的研究目標
為適應(yīng)未來發(fā)展的需要，B3G移動通信系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)具備以下基本特征：無論何時何地，都能夠為終端用戶提供高分辨率業(yè)務(wù)；能夠使用“空間分集”技術(shù)對抗更高頻段上的電波傳輸特性，提供更大范圍的服務(wù)；使用多天線技術(shù)，在體積受限的情況下為用戶提供高質(zhì)量的無線通信服務(wù)系統(tǒng)。具體而言，研制目標為：①采用全IP高速分組數(shù)據(jù)傳輸：熱點地區(qū)峰值數(shù)據(jù)速率能達到100 Mbit/s；②具有高的終端移動性：移動臺的移動速度最高能達到250 km/h；③具有高的傳輸質(zhì)量：數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的誤碼率低于10-6；④頻譜利用率大大增加，高于5 bit/s/Hz；⑤高功率：單天線發(fā)射功率較3G系統(tǒng)降低10 dB以上；⑥用戶數(shù)據(jù)速率根據(jù)業(yè)務(wù)類型可在8 kbit/s～100 Mbit/s大動態(tài)范圍內(nèi)變化[1，2]。
2.系統(tǒng)構(gòu)架
北京郵電大學(xué)領(lǐng)頭研制的B3G TDD試驗系統(tǒng)（見圖1）采用多輸入多輸出（MIMO）與OFDM技術(shù)相結(jié)合的傳輸模式，并采用了OFDMA的多址方式。試驗系統(tǒng)包括兩個接入點（AP），其網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)為扁平式無線接入網(wǎng)，應(yīng)用了全新小區(qū)結(jié)構(gòu)——群小區(qū)和群切換，使移動用戶（MT）總處于小區(qū)中心，解決了“更小小區(qū)尺寸”問題，從而避免了“小區(qū)邊緣”效應(yīng)以及頻繁切換等問題，并進一步擴展了覆蓋范圍。在提高系統(tǒng)容量方面，系統(tǒng)架構(gòu)充分利用空間分集，如：分布式天線陣、虛擬MIMO、多跳、中繼等技術(shù)。另外，系統(tǒng)利用軟頻率復(fù)用方案，同時采用“Radio over Fiber”系統(tǒng)結(jié)構(gòu)擴充了設(shè)備的使用范圍與傳輸距離。
圖1 B3G-TDD系統(tǒng)構(gòu)架
二、B3G TDD試驗系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)
1.先進的接入技術(shù)與多址方案
正交頻分復(fù)用（OFDM）是一種無線環(huán)境下的高速傳輸技術(shù)，在頻域內(nèi)將給定信道分成多個正交子信道，并在每個子信道上使用一個子載波進行調(diào)制，各子載波并行傳輸。這樣雖然總信道是非平坦的，即具有頻率選擇性，但是每個子信道是相對平坦的，在每個子信道上進行的是窄帶傳輸，信號帶寬小于信道相對帶寬。這樣便消除或減小了符號間干擾，避免了多徑和多普勒頻移的影響，提高了系統(tǒng)頻譜利用率。
OFDM可與其他多種多用戶接入方法結(jié)合，使多用戶可同時利用OFDM技術(shù)進行信息的傳遞[3，4]。試驗系統(tǒng)中采用了OFDMA的多址方式，將不同子載波分配給不同用戶，使OFDM通過FDMA方式區(qū)分用戶。OFDMA系統(tǒng)通過將正交相鄰的子載波靈活地分配給不同用戶，降低了小區(qū)內(nèi)干擾，提高了系統(tǒng)容量。
2.多天線技術(shù)
MIMO技術(shù)為系統(tǒng)提供空間復(fù)用增益和空間分集增益，在大大提高信道容量的同時提高了信道可靠性并降低了誤碼率。
在系統(tǒng)實現(xiàn)中，采用了靈活配置的MIMO方案，如表2所示。
表2 B3G-TDD演示系統(tǒng)MIMO配置方案
對移動通信數(shù)據(jù)速率和質(zhì)量要求的提高推動著MIMO與OFDM技術(shù)的結(jié)合。兩者結(jié)合的顯著優(yōu)點在于[5]：OFDM技術(shù)可將款待頻率選擇性信道等效于多個并行的平坦性衰落信道，從而大大降低了MIMO技術(shù)空時處理的復(fù)雜度。MIMO-OFDM系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)包括同步技術(shù)，信道估計等技術(shù)和算法研究在系統(tǒng)理論研究與實現(xiàn)中均有突破。
3.先進的編譯碼方案
4G移動通信系統(tǒng)采用Turbo碼與基于低密度校驗（LDPC）碼相結(jié)合的信道編碼技術(shù)，同時與自動重發(fā)請求（ARQ）技術(shù)和分集接收技術(shù)相結(jié)合，從而在低Eb/No條件下保證系統(tǒng)足夠的性能。
4.軟件無線電技術(shù)
4G移動通信系統(tǒng)中，系統(tǒng)速率將有很大提高，對硬件、尤其是軟件的處理能力均有顯著提升。軟件無線電是將標準化、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)的一種具有開放式結(jié)構(gòu)的技術(shù)，軟件無線電將在4G系統(tǒng)中得到充分的應(yīng)用[4，6]。系統(tǒng)采用更多的軟件來定義和實現(xiàn)無線功能，系統(tǒng)的各種功能和信號處理都更多地采用軟件來實現(xiàn)。軟件系統(tǒng)包括無線信令規(guī)則與處理、信號流變換、信源編碼、信道糾錯編碼、調(diào)制解調(diào)算法、同步算法、信道估計算法等一系列軟件。軟件無線電的纓使得系統(tǒng)具有更強的靈活性和適應(yīng)性，從而能夠適應(yīng)不同網(wǎng)絡(luò)與空中接口。
5.基于IP的核心網(wǎng)
B3G-TDD移動通信系統(tǒng)的核心網(wǎng)是一個基于全IP的網(wǎng)絡(luò)，同已有的移動網(wǎng)絡(luò)相比具有根本性的優(yōu)點，即：可實現(xiàn)不同網(wǎng)絡(luò)間的無縫互聯(lián)。核心網(wǎng)獨立于各種具體的無線接入方案，可以提供端到端的IP業(yè)務(wù)，能同已有核心網(wǎng)和公共交換電話網(wǎng)（PSTN）兼容。其具有開放的結(jié)構(gòu)，允許多種空中接口接入核心網(wǎng)；同時能將業(yè)務(wù)、控制和傳輸分開。IP與多種無線接入?yún)f(xié)議相兼容，因此在核心網(wǎng)的設(shè)計上具有很大的靈活性。
三、B3G-TDD系統(tǒng)演示業(yè)務(wù)
演示主要包括極速上行和極速下行兩種狀態(tài)下的業(yè)務(wù)，均采用單基站和單移動臺模式，主要演示業(yè)務(wù)包括上網(wǎng)、無線直播、視頻會議以及VoIP等內(nèi)容。下面以室外極速上行業(yè)務(wù)演示為例，介紹B3G-TDD系統(tǒng)業(yè)務(wù)演示。
1.時隙幀結(jié)構(gòu)
試驗系統(tǒng)幀設(shè)計為非等長時隙的幀結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)無線傳輸幀長5 ms，避免了較長幀使用時自適應(yīng)調(diào)制的復(fù)雜度。其中每幀包含8個時隙，有6個通用數(shù)據(jù)時隙和上下行同步時隙，1個下行信令時隙。上下行時隙可以根據(jù)具體情況靈活變化，當(dāng)演示上行高速率業(yè)務(wù)時，可將6個通用數(shù)據(jù)時隙全部設(shè)置為上行時隙。專用的同步時隙可通過一次同步搜索同時獲得OFDM符號同步和幀同步。為了獲得更為精確的同步估計性能，B3G試驗驗證系統(tǒng)基于同步訓(xùn)練序列，利用本地訓(xùn)練序列和接收碼字序列相關(guān)獲得時間同步和頻率同步的信息。
在B3G試驗系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)以幀為單位傳輸，在每一幀中設(shè)置兩個同步時隙，分別放置下行同步和上行同步訓(xùn)練序列。
2.演示拓撲及場景
B3G-TDD無線通信網(wǎng)絡(luò)實驗系統(tǒng)的驗收在北京郵電大學(xué)無線新技術(shù)研究所進行。演示系統(tǒng)兼容TD-SCDMA，峰值速率高達100 Mbit/s以上，頻譜利用率可達7.1 bit/s/Hz；演示系統(tǒng)支持高清晰視頻點播、FTP高速下載、Internet、語音等多種多媒體、IP數(shù)據(jù)及語音業(yè)務(wù)。
系統(tǒng)極速上行演示拓撲如圖2所示，MT和AP端之間為無線信道。MT端連接交換機和MT計算機，交換機連接視頻服務(wù)器、語音網(wǎng)關(guān)、WAN網(wǎng)關(guān)。AP端連接交換機和AP計算機，交換機連接IP電話機、WAN網(wǎng)關(guān)、業(yè)務(wù)演示計算機和多個媒體計算機。演示現(xiàn)場分室內(nèi)、室外兩部分。
圖2 極速上行業(yè)務(wù)演示拓撲示意
3.演示業(yè)務(wù)內(nèi)容
（1）多媒體業(yè)務(wù)
多媒體業(yè)務(wù)演示包括視頻會議業(yè)務(wù)演示和無線直播業(yè)務(wù)演示兩部分。演示間和演示車之間通過B3G TDD系統(tǒng)提供的通信平臺，進行該類業(yè)務(wù)的演示，如圖3所示。
圖3 極速上行多媒體業(yè)務(wù)演示示意
�。�2）基于IP的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)（WWW瀏覽業(yè)務(wù)演示）
B3G TDD演示系統(tǒng)為WWW上網(wǎng)瀏覽業(yè)務(wù)提供了可靠的通信平臺，如圖4所示。
圖4 極速上行上網(wǎng)業(yè)務(wù)演示示意
�。�3）語音業(yè)務(wù)（VoIP業(yè)務(wù)）
B3G TDD演示系統(tǒng)為在無線環(huán)境中進行VoIP業(yè)務(wù)提供了可靠的通信平臺，如圖5所示。
圖5 極速上行VoIP業(yè)務(wù)演示示意
四、結(jié)語
B3G TDD移動通信系統(tǒng)的設(shè)計將使中國在3G演進以及4G技術(shù)的開發(fā)中占有重要的地位，并且可以使擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的新技術(shù)轉(zhuǎn)化為技術(shù)標準。目前，該項目中產(chǎn)生的專利正在進行評估分析和測試，其中的部分專利技術(shù)已經(jīng)被應(yīng)用于產(chǎn)品中，這標志著專利技術(shù)已經(jīng)開始產(chǎn)生經(jīng)濟效益。
基于寬帶無線移動的B3G/4G信息平臺，可以進一步轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品，進入寬帶移動通信技術(shù)研發(fā)服務(wù)市場，產(chǎn)生良好的經(jīng)濟效益。它可以使以前所不可能實現(xiàn)的超高速高清晰度視頻點播成為現(xiàn)實，使各種多媒體新型業(yè)務(wù)的實現(xiàn)成為可能，為保持我國移動通信產(chǎn)業(yè)的順利發(fā)展和社會經(jīng)濟水平的平滑過渡提供了有力支持，該技術(shù)能極大地提高用戶享受高速、寬帶無線接入的能力，更好地享受以圖像、視頻為代表的多媒體業(yè)務(wù)和互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)。因此，對改善和提高人民的文化生活水平具有重要的價值，帶來了積極的社會效益。
參考文獻
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