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相關(guān)專題：
1、引言
目前，世界各國在推動第三代移動通信系統(tǒng)（3G）商用化的同時，已將研究重點轉(zhuǎn)入Beyond 3G或4G（下稱B3G）移動通信的研究，在概念和技術(shù)上尋求創(chuàng)新和突破，以使無線通信系統(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)[1-3]。
為滿足這些技術(shù)需求，未來B3G移動通信系統(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。國家863重大項目“FuTURE”計劃致力于B3G移動通信系統(tǒng)的研究，以新一代蜂窩移動通信系統(tǒng)為目標(biāo)，重點研究新型高效無線傳輸技術(shù)，從而實現(xiàn)高效分組數(shù)據(jù)傳輸。北京郵電大學(xué)無線新技術(shù)研究所作為B3G TDD小組的領(lǐng)頭人，承擔(dān)了863 B3G項目子課題“TDD系統(tǒng)OFDM上行鏈路設(shè)計與實現(xiàn)及TDD技術(shù)集成”的研制開發(fā)工作。B3G TDD硬件平臺的研制在于構(gòu)建支持分散式多天線、多小區(qū)的蜂窩移動通信無線網(wǎng)絡(luò)試驗系統(tǒng)；為B3G物理層先進(jìn)技術(shù)提供通用的實驗研究驗證平臺；為新型無線接入網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)研究提供研究驗證平臺；為基于先進(jìn)技術(shù)的特征業(yè)務(wù)提供演示平臺，具有深遠(yuǎn)的研究試驗與商用價值，意義重大。
B3G TDD試驗平臺系統(tǒng)運用多天線收發(fā)（MIMO）及收發(fā)空時信號處理技術(shù)，同時采用了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試驗平臺系統(tǒng)已通過項目專家組鑒定，項目成果創(chuàng)新性突出，演示平臺達(dá)到了國際領(lǐng)先水平；部分相關(guān)技術(shù)已被國際標(biāo)準(zhǔn)化組織采納，產(chǎn)生了明顯的社會效益；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試驗平臺的研制為我國移動通信技術(shù)的發(fā)展作出了積極突出的貢獻(xiàn)，影響深遠(yuǎn)。
2、試驗平臺目標(biāo)及系統(tǒng)架構(gòu)
2.1 實現(xiàn)目標(biāo)與關(guān)鍵技術(shù)[4]
B3G TDD試驗平臺系統(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、下行無線鏈路傳輸技術(shù)，能支持B3G廣域大范圍覆蓋和局部熱點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、時分為主的多址實現(xiàn)方式，能在分散式天線環(huán)境下對無線資源進(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�，同時兼顧實時話音傳輸，能有效地支持用戶數(shù)據(jù)速率、用戶容量、服務(wù)質(zhì)量和移動速度等方面大動態(tài)范圍的變化，從而支持語音、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、低三種移動環(huán)境下自適應(yīng)調(diào)整幀時隙結(jié)構(gòu)與調(diào)制編碼方式，從而支持高的終端移動性。
系統(tǒng)同時采用基于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)；利用迭代式檢測與估計等有效方法；高速MAC實現(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時實現(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蜂窩移動通信無線接入網(wǎng)絡(luò)試驗系統(tǒng)包括4個天線陣（AA，Antenna Array，4天線/陣）、2個接入點（AP，Access Point）、1個控制域（CD，Control）和若干移動終端（MT，Mobile Terminal），如圖1所示。
其中，天線陣由天線系統(tǒng)和射頻前端構(gòu)成，每個射頻前端有4個射頻通道，完成對應(yīng)4天線系統(tǒng)射頻信號的發(fā)送和接收、模擬基帶信號的載波調(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基帶信號的發(fā)送和接收處理以及有線網(wǎng)絡(luò)接口�？刂朴駽D通過路由器接入IP網(wǎng)，并通過IP網(wǎng)與兩個AP相連接，負(fù)責(zé)小區(qū)間無線資源的調(diào)配和控制。移動終端MT由移動臺和終端計算機(jī)組成，完成MIMO基帶處理、載波調(diào)制/解調(diào)、以及射頻信號發(fā)送/接收等，它可以通過天線陣、AP、CD接入因特網(wǎng)，移動臺由天線系統(tǒng)、射頻前端、基帶系統(tǒng)等構(gòu)成，有4個接收和發(fā)送通道，使用4根天線。
天線陣、AP、MT及控制域CD通過不同的組網(wǎng)方式，可實現(xiàn)各種滿足系統(tǒng)試驗所需的分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。
基于MIMO和OFDM技術(shù)的B3G蜂窩移動通信無線接入網(wǎng)試驗系統(tǒng)具有未來移動通信系統(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實現(xiàn)方案；涵蓋城區(qū)典型的蜂窩移動通信環(huán)境，并具有多用戶和多小區(qū)網(wǎng)絡(luò)的基本特征。
2.3 試驗系統(tǒng)設(shè)備連接
由AP1、AP2、CD組成的B3G無線接入網(wǎng)采用基于IP的高速分組網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)層互聯(lián)，接入網(wǎng)通過千兆以太網(wǎng)經(jīng)網(wǎng)關(guān)或路由器后接入IP廣域網(wǎng)或Internet。具體實現(xiàn)采用交換式千兆以太網(wǎng)。其物理連接可參見圖2。
AP與射頻近端之間的基帶信號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。MT通過射頻同軸電纜連接到射頻前端和天線陣。AP1與AP2之間通過授時型GPS實現(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)無線新技術(shù)研究研發(fā)的B3G TDD移動通信系統(tǒng)試驗平臺采用寬帶TDD OFDM MIMO技術(shù)及TDMA/OFDMA為特點的多址方式，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播、FTP高速下載、Internet、語音等業(yè)務(wù)。
3.2 系統(tǒng)主要參數(shù)
B3G試驗系統(tǒng)的主要參數(shù)如表1所示。
3.3 試驗系統(tǒng)幀結(jié)構(gòu)
試驗系統(tǒng)幀為非等長時隙的幀結(jié)構(gòu)。幀結(jié)構(gòu)共有8個時隙（TS），其中TS2到TS7為數(shù)據(jù)時隙，TS0為下行的專用信令時隙，包括傳呼，廣播等功能。TS1為下、上行同步時隙，用于系統(tǒng)的幀同步，頻率同步和上行同步等。
系統(tǒng)無線傳輸幀長為5ms，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，在每幀設(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。
4、硬件平臺系統(tǒng)實現(xiàn)
4.1 系統(tǒng)實現(xiàn)特點
北京郵電大學(xué)所研制的B3G TDD試驗系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)具有如下一些特點：
◆通用平臺：通用的硬件平臺總體結(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：合理設(shè)計的系統(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，可以單獨改進(jìn)模塊的設(shè)計、升級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)計時盡量考慮減少各種因素間的直接耦合但又能在需要時提供所需的擴(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中央處理器的依賴，避免集中處理帶來的網(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)計為1種通用ATCA主板，將差異部分設(shè)計為多種子板。由通用ATCA主板與各種子板組合，實現(xiàn)全部功能單板。
◆單板處理能力平滑升級：為保證通用ATCA主板在不同槽位實現(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。
◆完全的軟件定義無線電：基帶信號處理完全由可編程的FPGA、DSP實現(xiàn)，控制及無線、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議處理完全由可編程通信處理器實現(xiàn)。采用完全的軟件定義無線電結(jié)構(gòu)可充分滿足試驗系統(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——點高速串行數(shù)據(jù)傳輸，可簡化功能單板間互聯(lián)和背板接口設(shè)計，降低了各功能單板間的耦合度，便于各單板獨立調(diào)試及聯(lián)調(diào)。
4.2 系統(tǒng)主要功能模塊劃分及實現(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）用于實現(xiàn)運行Linux的軟件路由器，同時作為視頻/多媒體演示業(yè)務(wù)服務(wù)器。以上設(shè)備通過5類/超5類非屏蔽雙絞線連接，見圖3。
（2）MT系統(tǒng)
MT端設(shè)備包括天線陣/射頻前端、信號處理機(jī)框、業(yè)務(wù)演示終端，見圖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，模擬基帶信號連接到ATCA機(jī)箱的后面板上。
�。�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，見圖5。AP RF子系統(tǒng)分為近端和遠(yuǎn)端兩部分，之間通過光纖傳輸中頻信號；MT RF子系統(tǒng)RF前端組合在一個機(jī)箱內(nèi)，結(jié)構(gòu)相對簡單，體積和重量較輕便于移動，發(fā)射功率較AP平均小3dB。
試驗系統(tǒng)的主要射頻參數(shù)如表2所示：
4.3 系統(tǒng)演示及場景
北京郵電大學(xué)所承擔(dān)的863 B3G項目子課題“TDD系統(tǒng)OFDM上行鏈路設(shè)計與實現(xiàn)及TDD技術(shù)集成”已于2006年6月順利完成863課題組項目驗收工作。其演示系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟妶D6。
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視頻點播、RealPlayer視頻點播、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、接收信號強(qiáng)度指示（RSSI）、系統(tǒng)性能指示等。
圖7為現(xiàn)場演示場景，演示分為室內(nèi)和室外兩部分。
5、結(jié)束語
基于寬帶無線移動的B3G試驗平臺，研制的成功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(jì)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)。B3G試驗平臺研究成果可以進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品，進(jìn)入寬帶移動通信技術(shù)研發(fā)服務(wù)市場，產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)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。其研究對改善提高人民的文化生活具有重要的價值，帶來了積極的社會效益。B3G/4G的關(guān)鍵技術(shù)與平臺的研究仍將繼續(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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