B3G/4G TDD試驗(yàn)平臺(tái)框架及研究現(xiàn)狀

摘要　文章在概述B3G移動(dòng)通信系統(tǒng)特征的基礎(chǔ)上描述了B3G TDD硬件平臺(tái)的系統(tǒng)架構(gòu)和連接；之后給出了其主要指標(biāo)參數(shù)、幀結(jié)構(gòu)；最后介紹了系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，包括實(shí)現(xiàn)特點(diǎn)、功能模塊劃分及業(yè)務(wù)演示等內(nèi)容。

1、引言

　　目前，世界各國(guó)在推動(dòng)第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)（3G）商用化的同時(shí)，已將研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)入Beyond 3G或4G（下稱B3G）移動(dòng)通信的研究，在概念和技術(shù)上尋求創(chuàng)新和突破，以使無(wú)線通信系統(tǒng)容量和速率有十倍甚至百倍的大幅度提高。為適應(yīng)未來(lái)發(fā)展的需要，B3G移動(dòng)通信系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)具備以下基本特征：無(wú)論何時(shí)何地，都能夠?yàn)榻K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(duì)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(wú)線通信服務(wù)[1-3]。

　　為滿足這些技術(shù)需求，未來(lái)B3G移動(dòng)通信系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)理論及關(guān)鍵技術(shù)等方面均將具有全新的面貌。國(guó)家863重大項(xiàng)目“FuTURE”計(jì)劃致力于B3G移動(dòng)通信系統(tǒng)的研究，以新一代蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)為目標(biāo)，重點(diǎn)研究新型高效無(wú)線傳輸技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)高效分組數(shù)據(jù)傳輸。北京郵電大學(xué)無(wú)線新技術(shù)研究所作為B3G TDD小組的領(lǐng)頭人，承擔(dān)了863 B3G項(xiàng)目子課題“TDD系統(tǒng)OFDM上行鏈路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)及TDD技術(shù)集成”的研制開(kāi)發(fā)工作。B3G TDD硬件平臺(tái)的研制在于構(gòu)建支持分散式多天線、多小區(qū)的蜂窩移動(dòng)通信無(wú)線網(wǎng)絡(luò)試驗(yàn)系統(tǒng)；為B3G物理層先進(jìn)技術(shù)提供通用的實(shí)驗(yàn)研究驗(yàn)證平臺(tái)；為新型無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)研究提供研究驗(yàn)證平臺(tái)；為基于先進(jìn)技術(shù)的特征業(yè)務(wù)提供演示平臺(tái)，具有深遠(yuǎn)的研究試驗(yàn)與商用價(jià)值，意義重大。

　　B3G TDD試驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)運(yùn)用多天線收發(fā)（MIMO）及收發(fā)空時(shí)信號(hào)處理技術(shù)，同時(shí)采用了Wireless over Fiber的分散式、多天線、多小區(qū)蜂窩系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和相應(yīng)的無(wú)線資源調(diào)配方法與越區(qū)切換方法，從而提供高功率效率和高頻譜利用率。系統(tǒng)發(fā)射功率比典型3G系統(tǒng)降低約10dB，在大范圍多小區(qū)覆蓋情況下，頻譜效率達(dá)到1.5b/Hz/s～2.5b/Hz/s，為3G系統(tǒng)的3～5倍。系統(tǒng)在熱點(diǎn)覆蓋地區(qū)頻譜利用率為2b/Hz/s～5b/Hz/s，達(dá)到3G系統(tǒng)的5～10倍，有效提高了系統(tǒng)的容量。

　　B3G TDD試驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)已通過(guò)項(xiàng)目專家組鑒定，項(xiàng)目成果創(chuàng)新性突出，演示平臺(tái)達(dá)到了國(guó)際領(lǐng)先水平；部分相關(guān)技術(shù)已被國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織采納，產(chǎn)生了明顯的社會(huì)效益；部分技術(shù)已成功應(yīng)用于產(chǎn)品中；有些專利成果成功轉(zhuǎn)讓給企業(yè)，并產(chǎn)生了經(jīng)濟(jì)效益。B3G TDD試驗(yàn)平臺(tái)的研制為我國(guó)移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展作出了積極突出的貢獻(xiàn)，影響深遠(yuǎn)。

2、試驗(yàn)平臺(tái)目標(biāo)及系統(tǒng)架構(gòu)

　　2.1　實(shí)現(xiàn)目標(biāo)與關(guān)鍵技術(shù)[4]

　　B3G TDD試驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)是基于全I(xiàn)P、分布式、自組織的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，支持全I(xiàn)P高速分組數(shù)據(jù)傳輸。在大范圍多小區(qū)覆蓋情況下峰值傳輸速率為30Mb/s～50Mb/s；在熱點(diǎn)覆蓋地區(qū)峰值速率能夠達(dá)到40Mb/s～100Mb/s。

　　基于TDD的正交頻分復(fù)用（OFDM）上、下行無(wú)線鏈路傳輸技術(shù)，能支持B3G廣域大范圍覆蓋和局部熱點(diǎn)覆蓋所需的高用戶密度、高數(shù)據(jù)速率業(yè)務(wù)傳輸。

　　以頻分、時(shí)分為主的多址實(shí)現(xiàn)方式，能在分散式天線環(huán)境下對(duì)無(wú)線資源進(jìn)行靈活調(diào)配，在最大程度上滿足分組數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰�，同時(shí)兼顧實(shí)時(shí)話音傳輸，能有效地支持用戶數(shù)據(jù)速率、用戶容量、服務(wù)質(zhì)量和移動(dòng)速度等方面大動(dòng)態(tài)范圍的變化，從而支持語(yǔ)音、數(shù)據(jù)、視頻、多媒體等更豐富的業(yè)務(wù)。

　　采用基于Doppler估計(jì)的自適應(yīng)編碼調(diào)制和ARQ等先進(jìn)的自適應(yīng)鏈路傳輸控制技術(shù)，能在高、中、低三種移動(dòng)環(huán)境下自適應(yīng)調(diào)整幀時(shí)隙結(jié)構(gòu)與調(diào)制編碼方式，從而支持高的終端移動(dòng)性。

　　系統(tǒng)同時(shí)采用基于OFDM的多載波并行傳輸調(diào)制方式和高階QAM等調(diào)制方式；Turbo碼（或LDPC碼）等高效編碼技術(shù)；利用迭代式檢測(cè)與估計(jì)等有效方法；高速M(fèi)AC實(shí)現(xiàn)技術(shù)能適應(yīng)B3G高速數(shù)據(jù)鏈路傳輸及物理層適配。從而獲得了高的傳輸質(zhì)量，能在Fb/No小于0dB時(shí)實(shí)現(xiàn)正常的話音與數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的誤碼率低于10-6。

　　天線與射頻技術(shù)方面采用新型的多天線技術(shù)以及寬帶高線性度射頻技術(shù)，從而滿足寬帶MIMO系統(tǒng)指標(biāo)功能的要求。

　　2.2　B3G TDD系統(tǒng)架構(gòu)

　　TDD模式的B3G蜂窩移動(dòng)通信無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)試驗(yàn)系統(tǒng)包括4個(gè)天線陣（AA，Antenna Array，4天線/陣）、2個(gè)接入點(diǎn)（AP，Access Point）、1個(gè)控制域（CD，Control）和若干移動(dòng)終端（MT，Mobile Terminal），如圖1所示。


圖1　Beyond 3G試驗(yàn)系統(tǒng)架構(gòu)

　　其中，天線陣由天線系統(tǒng)和射頻前端構(gòu)成，每個(gè)射頻前端有4個(gè)射頻通道，完成對(duì)應(yīng)4天線系統(tǒng)射頻信號(hào)的發(fā)送和接收、模擬基帶信號(hào)的載波調(diào)制和解調(diào)。AP由基帶處理系統(tǒng)和路由器構(gòu)成，完成MIMO基帶信號(hào)的發(fā)送和接收處理以及有線網(wǎng)絡(luò)接口。控制域CD通過(guò)路由器接入IP網(wǎng)，并通過(guò)IP網(wǎng)與兩個(gè)AP相連接，負(fù)責(zé)小區(qū)間無(wú)線資源的調(diào)配和控制。移動(dòng)終端MT由移動(dòng)臺(tái)和終端計(jì)算機(jī)組成，完成MIMO基帶處理、載波調(diào)制/解調(diào)、以及射頻信號(hào)發(fā)送/接收等，它可以通過(guò)天線陣、AP、CD接入因特網(wǎng)，移動(dòng)臺(tái)由天線系統(tǒng)、射頻前端、基帶系統(tǒng)等構(gòu)成，有4個(gè)接收和發(fā)送通道，使用4根天線。

　　天線陣、AP、MT及控制域CD通過(guò)不同的組網(wǎng)方式，可實(shí)現(xiàn)各種滿足系統(tǒng)試驗(yàn)所需的分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

　　基于MIMO和OFDM技術(shù)的B3G蜂窩移動(dòng)通信無(wú)線接入網(wǎng)試驗(yàn)系統(tǒng)具有未來(lái)移動(dòng)通信系統(tǒng)的主要技術(shù)特征：即采用分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，支持分布式多天線接入方式以及靈活配置的MIMO實(shí)現(xiàn)方案；涵蓋城區(qū)典型的蜂窩移動(dòng)通信環(huán)境，并具有多用戶和多小區(qū)網(wǎng)絡(luò)的基本特征。

　　2.3　試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)備連接

　　由AP1、AP2、CD組成的B3G無(wú)線接入網(wǎng)采用基于IP的高速分組網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)層互聯(lián)，接入網(wǎng)通過(guò)千兆以太網(wǎng)經(jīng)網(wǎng)關(guān)或路由器后接入IP廣域網(wǎng)或Internet。具體實(shí)現(xiàn)采用交換式千兆以太網(wǎng)。其物理連接可參見(jiàn)圖2。


圖2　B3G TDD試驗(yàn)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)物理結(jié)構(gòu)

　　AP與射頻近端之間的基帶信號(hào)采用射頻同軸電纜連接，射頻近端與遠(yuǎn)端之間采用光纖傳遞模擬中頻信號(hào)。MT通過(guò)射頻同軸電纜連接到射頻前端和天線陣。AP1與AP2之間通過(guò)授時(shí)型GPS實(shí)現(xiàn)基站同步。

3、B3G TDD系統(tǒng)指標(biāo)及參數(shù)

　　3.1　系統(tǒng)指標(biāo)與功能

　　北京郵電大學(xué)無(wú)線新技術(shù)研究研發(fā)的B3G TDD移動(dòng)通信系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)采用寬帶TDD OFDM MIMO技術(shù)及TDMA/OFDMA為特點(diǎn)的多址方式，兼容TD-SCDMA，峰值速率可達(dá)到122Mb/s，頻譜利用率可達(dá)到7.1b/s/Hz。支持的高清晰視頻點(diǎn)播、FTP高速下載、Internet、語(yǔ)音等業(yè)務(wù)。

　　3.2　系統(tǒng)主要參數(shù)

　　B3G試驗(yàn)系統(tǒng)的主要參數(shù)如表1所示。



　　3.3　試驗(yàn)系統(tǒng)幀結(jié)構(gòu)

　　試驗(yàn)系統(tǒng)幀為非等長(zhǎng)時(shí)隙的幀結(jié)構(gòu)。幀結(jié)構(gòu)共有8個(gè)時(shí)隙（TS），其中TS2到TS7為數(shù)據(jù)時(shí)隙，TS0為下行的專用信令時(shí)隙，包括傳呼，廣播等功能。TS1為下、上行同步時(shí)隙，用于系統(tǒng)的幀同步，頻率同步和上行同步等。

　　系統(tǒng)無(wú)線傳輸幀長(zhǎng)為5ms，避免了較長(zhǎng)幀使用時(shí)自適應(yīng)調(diào)制的復(fù)雜度。其中每幀包含8個(gè)時(shí)隙，有6個(gè)通用數(shù)據(jù)時(shí)隙和上下行同步時(shí)隙，1個(gè)下行信令時(shí)隙。上下行時(shí)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(shí)，可將6個(gè)通用數(shù)據(jù)時(shí)隙全部設(shè)置為上行時(shí)隙。專用的同步時(shí)隙，可通過(guò)一次同步搜索同時(shí)獲得OFDM符號(hào)同步和幀同步。為了獲得更為精確的同步估計(jì)性能，B3G試驗(yàn)驗(yàn)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(shí)間同步和頻率同步的信息。

　　在B3G試驗(yàn)系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)以幀為單位傳輸，在每幀設(shè)置兩個(gè)同步時(shí)隙，分別放置下行同步和上行同步訓(xùn)練序列。

4、硬件平臺(tái)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

　　4.1　系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)特點(diǎn)

　　北京郵電大學(xué)所研制的B3G TDD試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)具有如下一些特點(diǎn)：

　　◆通用平臺(tái)：通用的硬件平臺(tái)總體結(jié)構(gòu)、標(biāo)準(zhǔn)化的機(jī)箱/背板、靈活的模塊化單板結(jié)構(gòu)。

　　◆模塊化設(shè)計(jì)：合理設(shè)計(jì)的系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)，根據(jù)功能將系統(tǒng)分割成不同類的單體模塊，可以單獨(dú)改進(jìn)模塊的設(shè)計(jì)、升級(jí)模塊的性能等而不影響其他模塊。

　　◆系統(tǒng)規(guī)模/性能的可伸縮性：在總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)盡量考慮減少各種因素間的直接耦合但又能在需要時(shí)提供所需的擴(kuò)展連接和處理能力，從而使天線陣數(shù)（微小區(qū)數(shù)）、每陣天線數(shù)、用戶數(shù)、用戶速率可以靈活的調(diào)整或擴(kuò)展。

　　◆全面的分布式并行處理：采用分布式并行處理可以減少對(duì)中央處理器的依賴，避免集中處理帶來(lái)的網(wǎng)絡(luò)吞吐和處理性能瓶頸，提高系統(tǒng)的有效吞吐能力，增強(qiáng)系統(tǒng)的靈活性和可擴(kuò)展性，極大的增加了系統(tǒng)的適應(yīng)性。

　　◆通用單板與模塊復(fù)用：將各種功能單板的共性部分設(shè)計(jì)為1種通用ATCA主板，將差異部分設(shè)計(jì)為多種子板。由通用ATCA主板與各種子板組合，實(shí)現(xiàn)全部功能單板。

　　◆單板處理能力平滑升級(jí)：為保證通用ATCA主板在不同槽位實(shí)現(xiàn)不同功能板型，硬件處理能力可以支持平滑的伸縮，以滿足不同板型的不同處理能力需要。

　　◆完全的軟件定義無(wú)線電：基帶信號(hào)處理完全由可編程的FPGA、DSP實(shí)現(xiàn)，控制及無(wú)線、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議處理完全由可編程通信處理器實(shí)現(xiàn)。采用完全的軟件定義無(wú)線電結(jié)構(gòu)可充分滿足試驗(yàn)系統(tǒng)及進(jìn)一步的發(fā)展進(jìn)化需要。

　　◆板間采用基于交換的點(diǎn)——點(diǎn)高速串行數(shù)據(jù)傳輸，可簡(jiǎn)化功能單板間互聯(lián)和背板接口設(shè)計(jì)，降低了各功能單板間的耦合度，便于各單板獨(dú)立調(diào)試及聯(lián)調(diào)。

　　4.2　系統(tǒng)主要功能模塊劃分及實(shí)現(xiàn)

　　（1）AP系統(tǒng)

　　AP端設(shè)備包括天線陣/射頻前端、基帶處理機(jī)框、機(jī)架式服務(wù)器。機(jī)架式服務(wù)器（帶雙千兆以太網(wǎng)卡）用于實(shí)現(xiàn)運(yùn)行Linux的軟件路由器，同時(shí)作為視頻/多媒體演示業(yè)務(wù)服務(wù)器。以上設(shè)備通過(guò)5類/超5類非屏蔽雙絞線連接，見(jiàn)圖3。


圖3　AP系統(tǒng)功能模塊劃分

　�。�2）MT系統(tǒng)

　　MT端設(shè)備包括天線陣/射頻前端、信號(hào)處理機(jī)框、業(yè)務(wù)演示終端，見(jiàn)圖4。媒體業(yè)務(wù)演示終端采用帶千兆以太網(wǎng)卡的筆記本電腦。MT端天線陣/射頻前端與MT的多天線接收/發(fā)送板采用模擬同軸電纜連接，模擬基帶信號(hào)連接到ATCA機(jī)箱的后面板上。


圖4　MT系統(tǒng)功能模塊劃分

　�。�3）射頻子系統(tǒng)

　　射頻前端采用傳統(tǒng)超外差式結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)了ROF（Radio over Fiber）的分布式天線架構(gòu)。

　　B3G TDD射頻子系統(tǒng)的AP端與MT端基本功能模塊類似，見(jiàn)圖5。AP RF子系統(tǒng)分為近端和遠(yuǎn)端兩部分，之間通過(guò)光纖傳輸中頻信號(hào)；MT RF子系統(tǒng)RF前端組合在一個(gè)機(jī)箱內(nèi)，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，體積和重量較輕便于移動(dòng)，發(fā)射功率較AP平均小3dB。


圖5　MIMO TDD射頻子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　試驗(yàn)系統(tǒng)的主要射頻參數(shù)如表2所示：

表2　B3G-TDD射頻子系統(tǒng)主要參數(shù)


　　4.3　系統(tǒng)演示及場(chǎng)景

　　北京郵電大學(xué)所承擔(dān)的863 B3G項(xiàng)目子課題“TDD系統(tǒng)OFDM上行鏈路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)及TDD技術(shù)集成”已于2006年6月順利完成863課題組項(xiàng)目驗(yàn)收工作。其演示系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟?jiàn)圖6。


圖6　B3G-TDD演示系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

　　主要演示業(yè)務(wù)包括：

　　◆基于IP的分組業(yè)務(wù)：WWW瀏覽、FTP等；

　　◆多媒體（流媒體）：DVD視頻點(diǎn)播、RealPlayer視頻點(diǎn)播、多媒體視頻/音頻交互通信；

　　◆系統(tǒng)監(jiān)控與網(wǎng)絡(luò)管理：傳輸速率、誤幀（碼）率、信道狀況、接收信號(hào)強(qiáng)度指示（RSSI）、系統(tǒng)性能指示等。

　　圖7為現(xiàn)場(chǎng)演示場(chǎng)景，演示分為室內(nèi)和室外兩部分。


圖7　B3G-TDD系統(tǒng)演示場(chǎng)景

5、結(jié)束語(yǔ)

　　基于寬帶無(wú)線移動(dòng)的B3G試驗(yàn)平臺(tái)，研制的成功為保持我國(guó)移動(dòng)通信產(chǎn)業(yè)的順利發(fā)展和社會(huì)經(jīng)濟(jì)水平的平滑過(guò)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(wú)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)。B3G試驗(yàn)平臺(tái)研究成果可以進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品，進(jìn)入寬帶移動(dòng)通信技術(shù)研發(fā)服務(wù)市場(chǎng)，產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益。它可以使以前所不可能實(shí)現(xiàn)的超高速高清晰度視頻點(diǎn)播成為現(xiàn)實(shí)，使各種多媒體新型業(yè)務(wù)的實(shí)現(xiàn)成為可能。其研究對(duì)改善提高人民的文化生活具有重要的價(jià)值，帶來(lái)了積極的社會(huì)效益。B3G/4G的關(guān)鍵技術(shù)與平臺(tái)的研究仍將繼續(xù)，其將面臨更高頻譜效率、更高帶寬、更高載頻、更小體積、更小功耗、更智能化等方面的挑戰(zhàn)。

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