1、引言

　　目前，世界各国在推动第三代移动通信系统（3G）商用化的同时，已将研究重点转入Beyond 3G或4G（下称B3G）移动通信的研究，在概念和技术上寻求创新和突破，以使无线通信系统容量和速率有十倍甚至百倍的大幅度提高。为适应未来发展的需要，B3G移动通信系统应当具备以下基本特征：无论何时何地，都能够为终端用户提供高分辨率业务；能够使用“空间分集”技术对抗更高频段上的电波传输特性，提供更大范围的服务；使用多天线技术，在体积受限的情况下为用户提供高质量的无线通信服务[1-3]。

　　为满足这些技术需求，未来B3G移动通信系统在网络结构、系统理论及关键技术等方面均将具有全新的面貌。国家863重大项目“FuTURE”计划致力于B3G移动通信系统的研究，以新一代蜂窝移动通信系统为目标，重点研究新型高效无线传输技术，从而实现高效分组数据传输。北京邮电大学无线新技术研究所作为B3G TDD小组的领头人，承担了863 B3G项目子课题“TDD系统OFDM上行链路设计与实现及TDD技术集成”的研制开发工作。B3G TDD硬件平台的研制在于构建支持分散式多天线、多小区的蜂窝移动通信无线网络试验系统；为B3G物理层先进技术提供通用的实验研究验证平台；为新型无线接入网络架构研究提供研究验证平台；为基于先进技术的特征业务提供演示平台，具有深远的研究试验与商用价值，意义重大。

　　B3G TDD试验平台系统运用多天线收发（MIMO）及收发空时信号处理技术，同时采用了Wireless over Fiber的分散式、多天线、多小区蜂窝系统结构和相应的无线资源调配方法与越区切换方法，从而提供高功率效率和高频谱利用率。系统发射功率比典型3G系统降低约10dB，在大范围多小区覆盖情况下，频谱效率达到1.5b/Hz/s～2.5b/Hz/s，为3G系统的3～5倍。系统在热点覆盖地区频谱利用率为2b/Hz/s～5b/Hz/s，达到3G系统的5～10倍，有效提高了系统的容量。

　　B3G TDD试验平台系统已通过项目专家组鉴定，项目成果创新性突出，演示平台达到了国际领先水平；部分相关技术已被国际标准化组织采纳，产生了明显的社会效益；部分技术已成功应用于产品中；有些专利成果成功转让给企业，并产生了经济效益。B3G TDD试验平台的研制为我国移动通信技术的发展作出了积极突出的贡献，影响深远。

2、试验平台目标及系统架构

　　2.1　实现目标与关键技术[4]

　　B3G TDD试验平台系统是基于全IP、分布式、自组织的网络结构，支持全IP高速分组数据传输。在大范围多小区覆盖情况下峰值传输速率为30Mb/s～50Mb/s；在热点覆盖地区峰值速率能够达到40Mb/s～100Mb/s。

　　基于TDD的正交频分复用（OFDM）上、下行无线链路传输技术，能支持B3G广域大范围覆盖和局部热点覆盖所需的高用户密度、高数据速率业务传输。

　　以频分、时分为主的多址实现方式，能在分散式天线环境下对无线资源进行灵活调配，在最大程度上满足分组数据传输的需要，同时兼顾实时话音传输，能有效地支持用户数据速率、用户容量、服务质量和移动速度等方面大动态范围的变化，从而支持语音、数据、视频、多媒体等更丰富的业务。

　　采用基于Doppler估计的自适应编码调制和ARQ等先进的自适应链路传输控制技术，能在高、中、低三种移动环境下自适应调整帧时隙结构与调制编码方式，从而支持高的终端移动性。

　　系统同时采用基于OFDM的多载波并行传输调制方式和高阶QAM等调制方式；Turbo码（或LDPC码）等高效编码技术；利用迭代式检测与估计等有效方法；高速MAC实现技术能适应B3G高速数据链路传输及物理层适配。从而获得了高的传输质量，能在Fb/No小于0dB时实现正常的话音与数据传输，数据业务的误码率低于10-6。

　　天线与射频技术方面采用新型的多天线技术以及宽带高线性度射频技术，从而满足宽带MIMO系统指标功能的要求。

　　2.2　B3G TDD系统架构

　　TDD模式的B3G蜂窝移动通信无线接入网络试验系统包括4个天线阵（AA，Antenna Array，4天线/阵）、2个接入点（AP，Access Point）、1个控制域（CD，Control）和若干移动终端（MT，Mobile Terminal），如图1所示。


图1　Beyond 3G试验系统架构


　　其中，天线阵由天线系统和射频前端构成，每个射频前端有4个射频通道，完成对应4天线系统射频信号的发送和接收、模拟基带信号的载波调制和解调。AP由基带处理系统和路由器构成，完成MIMO基带信号的发送和接收处理以及有线网络接口。控制域CD通过路由器接入IP网，并通过IP网与两个AP相连接，负责小区间无线资源的调配和控制。移动终端MT由移动台和终端计算机组成，完成MIMO基带处理、载波调制/解调、以及射频信号发送/接收等，它可以通过天线阵、AP、CD接入因特网，移动台由天线系统、射频前端、基带系统等构成，有4个接收和发送通道，使用4根天线。

　　天线阵、AP、MT及控制域CD通过不同的组网方式，可实现各种满足系统试验所需的分布式网络结构。

　　基于MIMO和OFDM技术的B3G蜂窝移动通信无线接入网试验系统具有未来移动通信系统的主要技术特征：即采用分布式网络结构，支持分布式多天线接入方式以及灵活配置的MIMO实现方案；涵盖城区典型的蜂窝移动通信环境，并具有多用户和多小区网络的基本特征。

　　2.3　试验系统设备连接

　　由AP1、AP2、CD组成的B3G无线接入网采用基于IP的高速分组网络实现网络层互联，接入网通过千兆以太网经网关或路由器后接入IP广域网或Internet。具体实现采用交换式千兆以太网。其物理连接可参见图2。


图2　B3G TDD试验系统网络互联物理结构


　　AP与射频近端之间的基带信号采用射频同轴电缆连接，射频近端与远端之间采用光纤传递模拟中频信号。MT通过射频同轴电缆连接到射频前端和天线阵。AP1与AP2之间通过授时型GPS实现基站同步。

3、B3G TDD系统指标及参数

　　3.1　系统指标与功能

　　北京邮电大学无线新技术研究研发的B3G TDD移动通信系统试验平台采用宽带TDD OFDM MIMO技术及TDMA/OFDMA为特点的多址方式，兼容TD-SCDMA，峰值速率可达到122Mb/s，频谱利用率可达到7.1b/s/Hz。支持的高清晰视频点播、FTP高速下载、Internet、语音等业务。

　　3.2　系统主要参数

　　B3G试验系统的主要参数如表1所示。

　　3.3　试验系统帧结构

　　试验系统帧为非等长时隙的帧结构。帧结构共有8个时隙（TS），其中TS2到TS7为数据时隙，TS0为下行的专用信令时隙，包括传呼，广播等功能。TS1为下、上行同步时隙，用于系统的帧同步，频率同步和上行同步等。

　　系统无线传输帧长为5ms，避免了较长帧使用时自适应调制的复杂度。其中每帧包含8个时隙，有6个通用数据时隙和上下行同步时隙，1个下行信令时隙。上下行时隙可以根据具体情况灵活变化，当演示上行高速率业务时，可将6个通用数据时隙全部设置为上行时隙。专用的同步时隙，可通过一次同步搜索同时获得OFDM符号同步和帧同步。为了获得更为精确的同步估计性能，B3G试验验证系统基于同步训练序列，利用本地训练序列和接收码字序列相关获得时间同步和频率同步的信息。

　　在B3G试验系统中，数据以帧为单位传输，在每帧设置两个同步时隙，分别放置下行同步和上行同步训练序列。

4、硬件平台系统实现

　　4.1　系统实现特点

　　北京邮电大学所研制的B3G TDD试验系统设计与实现具有如下一些特点：

　　◆通用平台：通用的硬件平台总体结构、标准化的机箱/背板、灵活的模块化单板结构。

　　◆模块化设计：合理设计的系统总体结构，根据功能将系统分割成不同类的单体模块，可以单独改进模块的设计、升级模块的性能等而不影响其他模块。

　　◆系统规模/性能的可伸缩性：在总体结构设计时尽量考虑减少各种因素间的直接耦合但又能在需要时提供所需的扩展连接和处理能力，从而使天线阵数（微小区数）、每阵天线数、用户数、用户速率可以灵活的调整或扩展。

　　◆全面的分布式并行处理：采用分布式并行处理可以减少对中央处理器的依赖，避免集中处理带来的网络吞吐和处理性能瓶颈，提高系统的有效吞吐能力，增强系统的灵活性和可扩展性，极大的增加了系统的适应性。

　　◆通用单板与模块复用：将各种功能单板的共性部分设计为1种通用ATCA主板，将差异部分设计为多种子板。由通用ATCA主板与各种子板组合，实现全部功能单板。

　　◆单板处理能力平滑升级：为保证通用ATCA主板在不同槽位实现不同功能板型，硬件处理能力可以支持平滑的伸缩，以满足不同板型的不同处理能力需要。

　　◆完全的软件定义无线电：基带信号处理完全由可编程的FPGA、DSP实现，控制及无线、网络协议处理完全由可编程通信处理器实现。采用完全的软件定义无线电结构可充分满足试验系统及进一步的发展进化需要。

　　◆板间采用基于交换的点——点高速串行数据传输，可简化功能单板间互联和背板接口设计，降低了各功能单板间的耦合度，便于各单板独立调试及联调。

　　4.2　系统主要功能模块划分及实现

　　（1）AP系统

　　AP端设备包括天线阵/射频前端、基带处理机框、机架式服务器。机架式服务器（带双千兆以太网卡）用于实现运行Linux的软件路由器，同时作为视频/多媒体演示业务服务器。以上设备通过5类/超5类非屏蔽双绞线连接，见图3。

图3　AP系统功能模块划分


　　（2）MT系统

　　MT端设备包括天线阵/射频前端、信号处理机框、业务演示终端，见图4。媒体业务演示终端采用带千兆以太网卡的笔记本电脑。MT端天线阵/射频前端与MT的多天线接收/发送板采用模拟同轴电缆连接，模拟基带信号连接到ATCA机箱的后面板上。


图4　MT系统功能模块划分


　　（3）射频子系统

　　射频前端采用传统超外差式结构，系统上实现了ROF（Radio over Fiber）的分布式天线架构。

　　B3G TDD射频子系统的AP端与MT端基本功能模块类似，见图5。AP RF子系统分为近端和远端两部分，之间通过光纤传输中频信号；MT RF子系统RF前端组合在一个机箱内，结构相对简单，体积和重量较轻便于移动，发射功率较AP平均小3dB。


图5　MIMO TDD射频子系统结构


　　试验系统的主要射频参数如表2所示：


表2　B3G-TDD射频子系统主要参数



　　4.3　系统演示及场景

　　北京邮电大学所承担的863 B3G项目子课题“TDD系统OFDM上行链路设计与实现及TDD技术集成”已于2006年6月顺利完成863课题组项目验收工作。其演示系统网络拓扑见图6。


图6　B3G-TDD演示系统网络拓扑图


　　主要演示业务包括：

　　◆基于IP的分组业务：WWW浏览、FTP等；

　　◆多媒体（流媒体）：DVD视频点播、RealPlayer视频点播、多媒体视频/音频交互通信；

　　◆系统监控与网络管理：传输速率、误帧（码）率、信道状况、接收信号强度指示（RSSI）、系统性能指示等。

　　图7为现场演示场景，演示分为室内和室外两部分。


图7　B3G-TDD系统演示场景


5、结束语

　　基于宽带无线移动的B3G试验平台，研制的成功为保持我国移动通信产业的顺利发展和社会经济水平的平滑过渡提供了有力支持，该技术能极大地提高用户享受高速、宽带无线接入的能力，更好地享受以图像、视频为代表的多媒体业务和互联网服务。B3G试验平台研究成果可以进一步转化为产品，进入宽带移动通信技术研发服务市场，产生经济效益。它可以使以前所不可能实现的超高速高清晰度视频点播成为现实，使各种多媒体新型业务的实现成为可能。其研究对改善提高人民的文化生活具有重要的价值，带来了积极的社会效益。B3G/4G的关键技术与平台的研究仍将继续，其将面临更高频谱效率、更高带宽、更高载频、更小体积、更小功耗、更智能化等方面的挑战。

　　参考文献

　　[1]　Ping Zhang，Xiaofeng Tao，Jianhua Zhang，et a1.A Vision from the Future：Beyond 3G TDD[J].IEEE Communications Magazine Vol 43.Issue 1，Jan 2005：38-44.

　　[2]　尤肖虎.国家863计划未来移动通信总体专家组.未来移动通信技术发展趋势与展望[J].电信技术，2003(6)：14 17.

　　[3]　Sun Junzhao，J.Sauvola，D.Howle.Features in Future：4G Visions from A Technical Perspective[C].IEEE Global Telecommunications Conference 2001.Vol 6.2001：3533-3537.

　　[4]　Evans B G，Baughan K.Visions of 4G[J].Electyonics & Communication Engineering Journal.2000，12(6)：293-303.