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FuTURE B3G系统现场集成试验
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摘要 针对B3G系统现场试验的主要特征和面临的技术挑战，文章重点介绍了B3G系统集成测试体系、主要测试内容以及现场试验基本情况。
1、B3G系统集成试验研究背景和必要性
信息技术的迅猛发展以及人们对宽带业务日益增长的需求，为宽带移动通信技术孕育了新一轮的发展机遇。根据业界讨论达成的广泛共识，未来移动通信系统的发展目标将是汇集蜂窝、固定无线接入、游牧、无线区域网络等接入系统，结合全IP网络，在高速移动和步行环境下分别为用户提供峰值速率达100Mb/s及1Gb/s的无线传输能力，实现“任何人在任何时间、任何地点、以任何方式通信”。全球对于新一代移动通信技术的竞争在本世纪之交就已拉开了序幕。欧洲“第六框架研究计划”、日本NTT DoCoMo、美国Motorola、德国Siemens等国际研究机构和公司纷纷开始研制B3G/4G无线传输试验系统，国际信联ITU组织将于2007年为新一代移动通信系统规划频谱。
面对无线通信市场全球化发展趋势，我国于2002年启动了移动通信重大项目八六三“FuTURE计划”，为2010年前后的无线通信应用未雨绸缪，积极开展了第四代无线通信核心技术前瞻性研究。目前，“FuTURE计划”已经形成以GMC/OFDM、U-MIMO、双迭代Turbo接收、IDMA等为技术框架的FDD和TDD两套方案，并研制出了B3G分布式蜂窝移动通信无线网络试验系统。为了促进B3G研究总体目标的全面实现，有必要建立一种针对B3G技术的测试评估机制，达到在多种无线环境及应用场景下检验B3G系统整体性能的目的。为此，我们基于“FuTURE计划”关键技术研究成果，联合合作单位研制出B3G分布式无线电集成测试试验平台。本文主要阐述B3G系统集成试验平台特点以及现场试验情况。
2、B3G集成试验主要特征和面临的技术挑战
“FuTURE计划”B3G试验系统主要具有以下几方面特征：①基于ROF（Radio-Over-Fiber）分布式天线无线组网技术；②基于GMC/OFDM的空中接口技术；③“双涡轮”Turbo迭代接收技术；④U-MIMO多天线与环境自适应技术；⑤在大范围覆盖情况下峰值传输速率可达50Mb/s、频谱效率可达2.5b/s/Hz/s；在热点覆盖地区峰值速率可达100Mb/s、频谱利用率可达5bps/Hz/s；⑥支持多小区、多用户、80～250km/h中高速移动；⑦比现有蜂窝系统发射功率明显降低。
测试检验这样高性能的试验系统面临很大的技术挑战：首先，在比3G系统频段更高的微波频段上开展宽带无线传输试验，需抵抗无线电波在城市市区内的严重损耗，避免产生覆盖“盲点”；第二，现有蜂窝网络系统应用频段较低，因此在新频段上开展无线组网试验需经受无线信道传播特性的考验，尤其是MIMO多天线系统的移动传输试验难度更大；第三，B3G技术无线应用环境的动态范围更大，需要比传统仪器仪表测试方法和测试范围更为有效的综合性测试评估手段；第四，现有无线通信的业务带宽并不能体现B3G系统高速数据传输速率的特点，需要尝试新的业务应用。此外，现场试验过程中还会遇到各种具体的实际问题，需要大量的协调工作。
3、B3G现场试验主要测试内容
B3G现场试验不单单是测试无线链路峰值传输速率等空中接口指标，还将围绕由多个基站多个移动终端构成的模拟试验网，考察室内、高架路、市区、郊区等多种应用场景下，系统的环境自适应能力，以及对话音、视频、流媒体等传统电信业务与IP分组非对称高速数据业务的QoS质量，从而达到检验系统整体性能的目的。
（1）检验空中接口关键技术的频谱效率和移动环境自适应
频谱效率对于无线接口的设计十分重要。当带宽和业务质量给定的情况下，频谱效率越高，传输的业务量就越大。鉴于无线资源往往是有限的，支持更高的数据传输速率和更好的频谱利用率是B3G系统的基本要求。由于频谱效率集中反映了系统中调制技术、编码技术、分集技术等B3G关键技术的性能，因此进行频谱效率的测试是必要的。
移动应用使得通信系统的无线信道环境变得复杂多变。B3G系统中环境自适应（Environmental Adaptation）技术是为了能够快速更新信道物理信息，对系统的功率控制、调制编码模式、天线模式选择进行及时调整，以保证系统在信道大幅变化的动态范围内仍能维持低误码率，实现对数据传输数率的优化，保证业务应用。因此对复杂信道环境的测试技术显得尤为急迫。
（2）检验基于ROF分布式天线新型无线接入网络系统容量
随着人们对宽带移动多媒体服务需求的不断增长和用户数量的增加，网络的容量成为了整个通信网络的瓶颈之一。为提高系统容量，蜂窝通信网络结构正向扇区化、微小区方向发展，但小区覆盖面积的减小往往导致干扰上升、切换频繁等问题。B3G无线接入系统融合分布式多天线技术和MIMO技术，形成分布式MIMO广义小区新型结构，可以在发射功率不变的条件下明显改善系统容量。检验这种新型网络结构的系统容量成为B3G现场试验的重要方面。
（3）检测各种应用场景下无线传输业务QoS质量
B3G系统空中接口性能测试是现场试验一个重要组成部分，但是仅仅用物理层的性能指标很难全面地反映系统整体的性能，例如影响业务无线传输质量的无线资源管理、调度算法、数据流控制等上层协议机制。而且，物理层静态性能指标与用户感知的传输效果还是有相当差距的。因此，增加对传统话音业务及IP分组数据业务等的无线传输性能测试能够较为全面地反映出物理层以及其上各层协议机制的协同工作能力。
4、B3G系统集成测试体系
为了实现上述测试目标，我们研制了由一个ROF分布式天线模拟试验网络环境、一个B3G集成测试平台和一个基于IPv6业务演示平台构成的B3G系统集成测试体系，完成对B3G原型试验系统、无线链路质量、分布式系统组网性能以及业务应用效果的综合测试。
（1）ROF分布式天线模拟试验网络
未来宽带移动通信系统趋向工作于微波高频段，并且能为更多业务需求提供足够的容量以及动态的无线资源分配，而传统蜂窝组网技术无论从前期规划设计和后期扩容维护成本来看都将面临很大的挑战。这主要是由于高频段电磁波在城市环境中电波绕射能力下降，路损增加，导致在发射功率相同的条件下，信号覆盖质量下降。而增加系统发射功率不仅受限于微波功率器件性能，同时还要避免对附近其它移动用户造成干扰，而影响系统容量。此外，功效低耗电大还会带来电磁兼容EMC、维护成本等一系列问题。另一种思路是通过提升微波功率转换效率增加功率输出，但这种方法对工艺和设计的水平要求很高，目前尚在研究阶段。由此可知，虽然新一代无线通信技术能够大幅提高系统频谱效率，但是功率效率将成为未来系统提升容量的瓶颈。
为了使B3G系统的性能在频谱效率和功率效率两方面获得平衡，“FuTURE计划”提出了基于分布式天线广义小区（Gerneralized Cell based Distributed Radio）的无线接入网络结构。广义小区是传统蜂窝小区概念的扩展。由于采用了分布式天线，广义小区并不取决于单个天线的覆盖范围，更方便地，可定义为无线资源并行处理的多个天线构成的一个小区。广义小区提升系统性能的作用主要表现在四方面：其一，分散在小区内部的天线缩短了移动终端的无线接入距离，从而达到降低发射功率和干扰的目的；其二，广义小区内分布式多天线电波辐射较单个集中天线更为均匀，能够较好地改善高频段电波覆盖效果；其三，广义小区利用分布式多天线接入无线资源，各天线的信道衰落空间特性可视为是独立变化的，因而系统可通过宏分集增益、动态天线合并处理增益等弥补MIMO天线相关性的影响，提高频谱效率和容量；其四，广义小区利用宏分集有利于在移动过程中实现平滑切换。
基于广义小区的分布式无线接入网络结构主要包括：中央单元控制器（CUC）、基站中央单元（CU）、无线光纤（ROF）、远端天线单元（RAU）。其中，CUC控制多个CU之间的协调工作；CU完成通信所需的信号处理功能及无线资源管理等任务；RAU用来接收和发射无线信号；CU和RAU之间的ROF实现无线调制信号的远距离高性能传输，无线调制信号可以是数字基带、中频或射频多种选择。ROF技术使天线可灵活延伸到较远的地方以减少盲区。基于ROF分布式天线广义小区的接入网技术也将面临挑战，譬如：多天线协同工作、动态无线资源管理、ROF光纤复用等等，还需要在现场组网试验过程中不断完善。
（2）B3G集成测试平台
B3G集成测试平台具有开放式架构、功能可重构等特征，主要由一系列现代化通信仪器设备和测试开发构件组成，能够实现空中接口指标测试、模拟无线信道MIMO性能测试、电波覆盖性能移动路测、无线环境多径信道测试、以及业务QOS性能测试等新型测试功能。
B3G集成测试平台架构包括顶层被测系统、中间仪器设备和底层综合控制。具体功能包括：①中心控制。用于实现参数配置、测试流程自动化、实时高速数据采集控制、用户界面显示等；②测试激励生成。包括各类生成激励及波形的测试设备和测试开发构件；③测试性能分析：包括各类分析信号、能量、性能的测试设备和后处理分析软件；④无线信道模拟。主要利用多通道无线信道仿真仪模拟真实环境中的各类无线信道；⑤与试验系统接口。测试平台提供基带、射频、数据等多种接口，以满足被测系统的需要。
（3）基于IPv6的业务演示平台
全IP网络已成为新一代网络技术发展的趋势。B3G业务演示平台（见图1）基于IPv6将B3G试验系统接入到的高速数据核心网3TNet（“863计划”项目），集成了IPTV数字电视、Internet、IP电话、视频会议、VOD视频点播、FTP等各种典型的业务应用，是检验B3G系统业务承载能力的重要手段，对于探索未来“三网融合”的业务应用模式也有很好的借鉴作用。此外，B3G业务演示平台可以支持多种无线应用场景，包括室内、城市热点、开阔地以及高速移动等等。为了验证B3G系统最大的业务支撑能力，B3G业务演示平台采用数字高清晰度电视组播节目，可达到100Mb/s的数据带宽。
图1 业务演示平台结构
5、B3G现场试验情况
根据“FuTURE计划”的B3G系统研发计划，B3G系统现场试验环境的研制工作于2004年启动，先后完成了“B3G系统组网关键技术及集成测试方法”总体方案评估、技术可行性验证、集成测试平台研制及外场环境构建、以及与B3G试验系统对接等一系列工作，目前，已开放给“FuTURE计划”B3G系统现场试验使用。
B3G现场试验情况如图2所示。B3G外场位于上海市西北的长宁区古北地段，模拟试验网是一个包含多种场景的多小区环境：在一个大学内由四个接入点构成了分布式两小区，主要支持步行及车载慢速移动，移动路线包括大学操场和城市街道；另外，由两个接入点构成的分布式单小区，覆盖附近的高架路，支持车载高速移动。图2还显示出了B3G基站中央单元原型机、远端站天线、移动终端原型机，以及B3G测试平台、移动测试车、业务演示环境等等。B3G现场试验主要特征如表1所示。
图2 B3G现场试验
表1 B3G现场试验主要特征
B3G现场试验包括在上述各种无线环境下测试单小区单用户、单小区多用户以及多小区多用户的系统容量、切换性能，以及演示高情电视、视频会议、VOD视频点播、Internet、Web浏览、FTP等宽带移动业务。部分测试与业务演示情况如图3所示。
图3 部分测试与业务演示情况
6、结论
在中国3G系统迈向产业化和国外B3G研究纷起的背景下，中国B3G系统在“FuTURE计划”框架下顺利进入了现场试验阶段。同时，融合了自主创新和集成创新技术的B3G系统研发集成试验平台，为我国新一代宽带无线移动通信技术的持续发展创造了一个良好的科研服务平台。该平台凝聚了我国无线通信科研人员和各界精英的智慧和辛勤努力，展望未来，我国将为国际4G标准做出积极贡献，该平台将不断发展与完善，力争为促进B3G技术走向成熟、迈向国际标准发挥更大作用。
----《移动通信》
作者：王萍
1、B3G系统集成试验研究背景和必要性
信息技术的迅猛发展以及人们对宽带业务日益增长的需求，为宽带移动通信技术孕育了新一轮的发展机遇。根据业界讨论达成的广泛共识，未来移动通信系统的发展目标将是汇集蜂窝、固定无线接入、游牧、无线区域网络等接入系统，结合全IP网络，在高速移动和步行环境下分别为用户提供峰值速率达100Mb/s及1Gb/s的无线传输能力，实现“任何人在任何时间、任何地点、以任何方式通信”。全球对于新一代移动通信技术的竞争在本世纪之交就已拉开了序幕。欧洲“第六框架研究计划”、日本NTT DoCoMo、美国Motorola、德国Siemens等国际研究机构和公司纷纷开始研制B3G/4G无线传输试验系统，国际信联ITU组织将于2007年为新一代移动通信系统规划频谱。
面对无线通信市场全球化发展趋势，我国于2002年启动了移动通信重大项目八六三“FuTURE计划”，为2010年前后的无线通信应用未雨绸缪，积极开展了第四代无线通信核心技术前瞻性研究。目前，“FuTURE计划”已经形成以GMC/OFDM、U-MIMO、双迭代Turbo接收、IDMA等为技术框架的FDD和TDD两套方案，并研制出了B3G分布式蜂窝移动通信无线网络试验系统。为了促进B3G研究总体目标的全面实现，有必要建立一种针对B3G技术的测试评估机制，达到在多种无线环境及应用场景下检验B3G系统整体性能的目的。为此，我们基于“FuTURE计划”关键技术研究成果，联合合作单位研制出B3G分布式无线电集成测试试验平台。本文主要阐述B3G系统集成试验平台特点以及现场试验情况。
2、B3G集成试验主要特征和面临的技术挑战
“FuTURE计划”B3G试验系统主要具有以下几方面特征：①基于ROF（Radio-Over-Fiber）分布式天线无线组网技术；②基于GMC/OFDM的空中接口技术；③“双涡轮”Turbo迭代接收技术；④U-MIMO多天线与环境自适应技术；⑤在大范围覆盖情况下峰值传输速率可达50Mb/s、频谱效率可达2.5b/s/Hz/s；在热点覆盖地区峰值速率可达100Mb/s、频谱利用率可达5bps/Hz/s；⑥支持多小区、多用户、80～250km/h中高速移动；⑦比现有蜂窝系统发射功率明显降低。
测试检验这样高性能的试验系统面临很大的技术挑战：首先，在比3G系统频段更高的微波频段上开展宽带无线传输试验，需抵抗无线电波在城市市区内的严重损耗，避免产生覆盖“盲点”；第二，现有蜂窝网络系统应用频段较低，因此在新频段上开展无线组网试验需经受无线信道传播特性的考验，尤其是MIMO多天线系统的移动传输试验难度更大；第三，B3G技术无线应用环境的动态范围更大，需要比传统仪器仪表测试方法和测试范围更为有效的综合性测试评估手段；第四，现有无线通信的业务带宽并不能体现B3G系统高速数据传输速率的特点，需要尝试新的业务应用。此外，现场试验过程中还会遇到各种具体的实际问题，需要大量的协调工作。
3、B3G现场试验主要测试内容
B3G现场试验不单单是测试无线链路峰值传输速率等空中接口指标，还将围绕由多个基站多个移动终端构成的模拟试验网，考察室内、高架路、市区、郊区等多种应用场景下，系统的环境自适应能力，以及对话音、视频、流媒体等传统电信业务与IP分组非对称高速数据业务的QoS质量，从而达到检验系统整体性能的目的。
（1）检验空中接口关键技术的频谱效率和移动环境自适应
频谱效率对于无线接口的设计十分重要。当带宽和业务质量给定的情况下，频谱效率越高，传输的业务量就越大。鉴于无线资源往往是有限的，支持更高的数据传输速率和更好的频谱利用率是B3G系统的基本要求。由于频谱效率集中反映了系统中调制技术、编码技术、分集技术等B3G关键技术的性能，因此进行频谱效率的测试是必要的。
移动应用使得通信系统的无线信道环境变得复杂多变。B3G系统中环境自适应（Environmental Adaptation）技术是为了能够快速更新信道物理信息，对系统的功率控制、调制编码模式、天线模式选择进行及时调整，以保证系统在信道大幅变化的动态范围内仍能维持低误码率，实现对数据传输数率的优化，保证业务应用。因此对复杂信道环境的测试技术显得尤为急迫。
（2）检验基于ROF分布式天线新型无线接入网络系统容量
随着人们对宽带移动多媒体服务需求的不断增长和用户数量的增加，网络的容量成为了整个通信网络的瓶颈之一。为提高系统容量，蜂窝通信网络结构正向扇区化、微小区方向发展，但小区覆盖面积的减小往往导致干扰上升、切换频繁等问题。B3G无线接入系统融合分布式多天线技术和MIMO技术，形成分布式MIMO广义小区新型结构，可以在发射功率不变的条件下明显改善系统容量。检验这种新型网络结构的系统容量成为B3G现场试验的重要方面。
（3）检测各种应用场景下无线传输业务QoS质量
B3G系统空中接口性能测试是现场试验一个重要组成部分，但是仅仅用物理层的性能指标很难全面地反映系统整体的性能，例如影响业务无线传输质量的无线资源管理、调度算法、数据流控制等上层协议机制。而且，物理层静态性能指标与用户感知的传输效果还是有相当差距的。因此，增加对传统话音业务及IP分组数据业务等的无线传输性能测试能够较为全面地反映出物理层以及其上各层协议机制的协同工作能力。
4、B3G系统集成测试体系
为了实现上述测试目标，我们研制了由一个ROF分布式天线模拟试验网络环境、一个B3G集成测试平台和一个基于IPv6业务演示平台构成的B3G系统集成测试体系，完成对B3G原型试验系统、无线链路质量、分布式系统组网性能以及业务应用效果的综合测试。
（1）ROF分布式天线模拟试验网络
未来宽带移动通信系统趋向工作于微波高频段，并且能为更多业务需求提供足够的容量以及动态的无线资源分配，而传统蜂窝组网技术无论从前期规划设计和后期扩容维护成本来看都将面临很大的挑战。这主要是由于高频段电磁波在城市环境中电波绕射能力下降，路损增加，导致在发射功率相同的条件下，信号覆盖质量下降。而增加系统发射功率不仅受限于微波功率器件性能，同时还要避免对附近其它移动用户造成干扰，而影响系统容量。此外，功效低耗电大还会带来电磁兼容EMC、维护成本等一系列问题。另一种思路是通过提升微波功率转换效率增加功率输出，但这种方法对工艺和设计的水平要求很高，目前尚在研究阶段。由此可知，虽然新一代无线通信技术能够大幅提高系统频谱效率，但是功率效率将成为未来系统提升容量的瓶颈。
为了使B3G系统的性能在频谱效率和功率效率两方面获得平衡，“FuTURE计划”提出了基于分布式天线广义小区（Gerneralized Cell based Distributed Radio）的无线接入网络结构。广义小区是传统蜂窝小区概念的扩展。由于采用了分布式天线，广义小区并不取决于单个天线的覆盖范围，更方便地，可定义为无线资源并行处理的多个天线构成的一个小区。广义小区提升系统性能的作用主要表现在四方面：其一，分散在小区内部的天线缩短了移动终端的无线接入距离，从而达到降低发射功率和干扰的目的；其二，广义小区内分布式多天线电波辐射较单个集中天线更为均匀，能够较好地改善高频段电波覆盖效果；其三，广义小区利用分布式多天线接入无线资源，各天线的信道衰落空间特性可视为是独立变化的，因而系统可通过宏分集增益、动态天线合并处理增益等弥补MIMO天线相关性的影响，提高频谱效率和容量；其四，广义小区利用宏分集有利于在移动过程中实现平滑切换。
基于广义小区的分布式无线接入网络结构主要包括：中央单元控制器（CUC）、基站中央单元（CU）、无线光纤（ROF）、远端天线单元（RAU）。其中，CUC控制多个CU之间的协调工作；CU完成通信所需的信号处理功能及无线资源管理等任务；RAU用来接收和发射无线信号；CU和RAU之间的ROF实现无线调制信号的远距离高性能传输，无线调制信号可以是数字基带、中频或射频多种选择。ROF技术使天线可灵活延伸到较远的地方以减少盲区。基于ROF分布式天线广义小区的接入网技术也将面临挑战，譬如：多天线协同工作、动态无线资源管理、ROF光纤复用等等，还需要在现场组网试验过程中不断完善。
（2）B3G集成测试平台
B3G集成测试平台具有开放式架构、功能可重构等特征，主要由一系列现代化通信仪器设备和测试开发构件组成，能够实现空中接口指标测试、模拟无线信道MIMO性能测试、电波覆盖性能移动路测、无线环境多径信道测试、以及业务QOS性能测试等新型测试功能。
B3G集成测试平台架构包括顶层被测系统、中间仪器设备和底层综合控制。具体功能包括：①中心控制。用于实现参数配置、测试流程自动化、实时高速数据采集控制、用户界面显示等；②测试激励生成。包括各类生成激励及波形的测试设备和测试开发构件；③测试性能分析：包括各类分析信号、能量、性能的测试设备和后处理分析软件；④无线信道模拟。主要利用多通道无线信道仿真仪模拟真实环境中的各类无线信道；⑤与试验系统接口。测试平台提供基带、射频、数据等多种接口，以满足被测系统的需要。
（3）基于IPv6的业务演示平台
全IP网络已成为新一代网络技术发展的趋势。B3G业务演示平台（见图1）基于IPv6将B3G试验系统接入到的高速数据核心网3TNet（“863计划”项目），集成了IPTV数字电视、Internet、IP电话、视频会议、VOD视频点播、FTP等各种典型的业务应用，是检验B3G系统业务承载能力的重要手段，对于探索未来“三网融合”的业务应用模式也有很好的借鉴作用。此外，B3G业务演示平台可以支持多种无线应用场景，包括室内、城市热点、开阔地以及高速移动等等。为了验证B3G系统最大的业务支撑能力，B3G业务演示平台采用数字高清晰度电视组播节目，可达到100Mb/s的数据带宽。
5、B3G现场试验情况
根据“FuTURE计划”的B3G系统研发计划，B3G系统现场试验环境的研制工作于2004年启动，先后完成了“B3G系统组网关键技术及集成测试方法”总体方案评估、技术可行性验证、集成测试平台研制及外场环境构建、以及与B3G试验系统对接等一系列工作，目前，已开放给“FuTURE计划”B3G系统现场试验使用。
B3G现场试验情况如图2所示。B3G外场位于上海市西北的长宁区古北地段，模拟试验网是一个包含多种场景的多小区环境：在一个大学内由四个接入点构成了分布式两小区，主要支持步行及车载慢速移动，移动路线包括大学操场和城市街道；另外，由两个接入点构成的分布式单小区，覆盖附近的高架路，支持车载高速移动。图2还显示出了B3G基站中央单元原型机、远端站天线、移动终端原型机，以及B3G测试平台、移动测试车、业务演示环境等等。B3G现场试验主要特征如表1所示。
表1 B3G现场试验主要特征
B3G现场试验包括在上述各种无线环境下测试单小区单用户、单小区多用户以及多小区多用户的系统容量、切换性能，以及演示高情电视、视频会议、VOD视频点播、Internet、Web浏览、FTP等宽带移动业务。部分测试与业务演示情况如图3所示。
6、结论
在中国3G系统迈向产业化和国外B3G研究纷起的背景下，中国B3G系统在“FuTURE计划”框架下顺利进入了现场试验阶段。同时，融合了自主创新和集成创新技术的B3G系统研发集成试验平台，为我国新一代宽带无线移动通信技术的持续发展创造了一个良好的科研服务平台。该平台凝聚了我国无线通信科研人员和各界精英的智慧和辛勤努力，展望未来，我国将为国际4G标准做出积极贡献，该平台将不断发展与完善，力争为促进B3G技术走向成熟、迈向国际标准发挥更大作用。
----《移动通信》
作者：王萍
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