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B3G/4G TDD试验系统与业务演示
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摘要 作为国家十五“863”Future计划的重大项目，B3G TDD OFDM系统技术研究与集成的子课题于2006年6月正式通过验收。该系统采用宽带TDD OFDM MIMO技术，兼容TD-SCDMA，峰值速率可达122 Mbit/s，频谱利用率为7.1 bit/s/Hz，支持高清晰视频点播、FTP高速下载、Internet、语音等业务。重点介绍了B3G-TDD试验系统的结构性能、系统参数、关键技术以及业务演示等方面的内容。
目前，世界各国在3G商用化的同时，已把研究重点转入超3代（Beyond 3G，后均简称B3G或4G）移动通信的先期研究，在概念和技术上寻求创新和突破，从而使无线通信的容量和速率有十倍甚至百倍的提高。与传统的通信技术相比，超3G通信技术的优势在于通话质量及数据通信速率的提高。为改变我国通信产业发展长期处于被动跟踪的局面，继我国3G研究开发取得巨大进展之后，国家十五“863”计划于2001年底制定并启动了未来移动与无线通信发展的Future计划[1，2]。
在Future计划一期课题的支持下，北京邮电大学等国内六所高校，分别与华为、三星等国内外企业开展合作，经过一年多的艰苦努力，完成了六种无线传输链路方案的设计，并初步研究了无线资源管理方案和上层协议；基本完成了基带电路核心硬件和软件的设计和测试，并完成了支持分布式多天线接入的射频系统的设计；取得了一系列创新性研究成果，申请了30余项国家发明专利，为进一步凝炼面向十五末期的超3代总体技术方案打下了良好的基础。在此基础之上，国家“863”Future计划于2003年11月启动了第二阶段研究开发计划。本课题研究开发的总体目标是：面向超3代移动通信在传输速率、业务支持、系统容量等方面的应用需求，在超3G移动通信系统网络结构、空中接口等各个方面，进一步开展深入系统的研究，重点突破，形成完善的超3代总体技术方案，构建具有超3代移动通信主要技术特征的试验系统，具备向ITU提交初步的新一代无线通信体制标准建议的技术基础。
国家“863”项目“超3代蜂窝移动通信无线网络实验系统研究与开发”子课题——“TDD系统OFDM上行链路设计与实现及TDD技术集成”由北京邮电大学无线新技术研究所承担，具体负责该课题的实施和集成。该子课题于2003年11月启动，2004年7月完成了链路方案验收，至2006年6月完成了上下行链路以及整个系统的联调工作，在2006年6月17日进行了正式验收。验收结果表明该系统已达到了国际领先水平，这标志着我国在下一代移动通信系统的研究中取得了突破性进展。
一、Future B3G-TDD系统结构及参数
1.B3G系统的研究目标
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系统。具体而言，研制目标为：①采用全IP高速分组数据传输：热点地区峰值数据速率能达到100 Mbit/s；②具有高的终端移动性：移动台的移动速度最高能达到250 km/h；③具有高的传输质量：数据业务的误码率低于10-6；④频谱利用率大大增加，高于5 bit/s/Hz；⑤高功率：单天线发射功率较3G系统降低10 dB以上；⑥用户数据速率根据业务类型可在8 kbit/s～100 Mbit/s大动态范围内变化[1，2]。
2.系统构架
北京邮电大学领头研制的B3G TDD试验系统（见图1）采用多输入多输出（MIMO）与OFDM技术相结合的传输模式，并采用了OFDMA的多址方式。试验系统包括两个接入点（AP），其网络架构为扁平式无线接入网，应用了全新小区结构——群小区和群切换，使移动用户（MT）总处于小区中心，解决了“更小小区尺寸”问题，从而避免了“小区边缘”效应以及频繁切换等问题，并进一步扩展了覆盖范围。在提高系统容量方面，系统架构充分利用空间分集，如：分布式天线阵、虚拟MIMO、多跳、中继等技术。另外，系统利用软频率复用方案，同时采用“Radio over Fiber”系统结构扩充了设备的使用范围与传输距离。
图1 B3G-TDD系统构架
二、B3G TDD试验系统关键技术
1.先进的接入技术与多址方案
正交频分复用（OFDM）是一种无线环境下的高速传输技术，在频域内将给定信道分成多个正交子信道，并在每个子信道上使用一个子载波进行调制，各子载波并行传输。这样虽然总信道是非平坦的，即具有频率选择性，但是每个子信道是相对平坦的，在每个子信道上进行的是窄带传输，信号带宽小于信道相对带宽。这样便消除或减小了符号间干扰，避免了多径和多普勒频移的影响，提高了系统频谱利用率。
OFDM可与其他多种多用户接入方法结合，使多用户可同时利用OFDM技术进行信息的传递[3，4]。试验系统中采用了OFDMA的多址方式，将不同子载波分配给不同用户，使OFDM通过FDMA方式区分用户。OFDMA系统通过将正交相邻的子载波灵活地分配给不同用户，降低了小区内干扰，提高了系统容量。
2.多天线技术
MIMO技术为系统提供空间复用增益和空间分集增益，在大大提高信道容量的同时提高了信道可靠性并降低了误码率。
在系统实现中，采用了灵活配置的MIMO方案，如表2所示。
表2 B3G-TDD演示系统MIMO配置方案
对移动通信数据速率和质量要求的提高推动着MIMO与OFDM技术的结合。两者结合的显著优点在于[5]：OFDM技术可将款待频率选择性信道等效于多个并行的平坦性衰落信道，从而大大降低了MIMO技术空时处理的复杂度。MIMO-OFDM系统中的关键技术包括同步技术，信道估计等技术和算法研究在系统理论研究与实现中均有突破。
3.先进的编译码方案
4G移动通信系统采用Turbo码与基于低密度校验（LDPC）码相结合的信道编码技术，同时与自动重发请求（ARQ）技术和分集接收技术相结合，从而在低Eb/No条件下保证系统足够的性能。
4.软件无线电技术
4G移动通信系统中，系统速率将有很大提高，对硬件、尤其是软件的处理能力均有显著提升。软件无线电是将标准化、模块化的硬件功能单元经过一个通用硬件平台，利用软件加载方式来实现各种类型的无线电通信系统的一种具有开放式结构的技术，软件无线电将在4G系统中得到充分的应用[4，6]。系统采用更多的软件来定义和实现无线功能，系统的各种功能和信号处理都更多地采用软件来实现。软件系统包括无线信令规则与处理、信号流变换、信源编码、信道纠错编码、调制解调算法、同步算法、信道估计算法等一系列软件。软件无线电的缨使得系统具有更强的灵活性和适应性，从而能够适应不同网络与空中接口。
5.基于IP的核心网
B3G-TDD移动通信系统的核心网是一个基于全IP的网络，同已有的移动网络相比具有根本性的优点，即：可实现不同网络间的无缝互联。核心网独立于各种具体的无线接入方案，可以提供端到端的IP业务，能同已有核心网和公共交换电话网（PSTN）兼容。其具有开放的结构，允许多种空中接口接入核心网；同时能将业务、控制和传输分开。IP与多种无线接入协议相兼容，因此在核心网的设计上具有很大的灵活性。
三、B3G-TDD系统演示业务
演示主要包括极速上行和极速下行两种状态下的业务，均采用单基站和单移动台模式，主要演示业务包括上网、无线直播、视频会议以及VoIP等内容。下面以室外极速上行业务演示为例，介绍B3G-TDD系统业务演示。
1.时隙帧结构
试验系统帧设计为非等长时隙的帧结构。系统无线传输帧长5 ms，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，在每一帧中设置两个同步时隙，分别放置下行同步和上行同步训练序列。
2.演示拓扑及场景
B3G-TDD无线通信网络实验系统的验收在北京邮电大学无线新技术研究所进行。演示系统兼容TD-SCDMA，峰值速率高达100 Mbit/s以上，频谱利用率可达7.1 bit/s/Hz；演示系统支持高清晰视频点播、FTP高速下载、Internet、语音等多种多媒体、IP数据及语音业务。
系统极速上行演示拓扑如图2所示，MT和AP端之间为无线信道。MT端连接交换机和MT计算机，交换机连接视频服务器、语音网关、WAN网关。AP端连接交换机和AP计算机，交换机连接IP电话机、WAN网关、业务演示计算机和多个媒体计算机。演示现场分室内、室外两部分。
图2 极速上行业务演示拓扑示意
3.演示业务内容
（1）多媒体业务
多媒体业务演示包括视频会议业务演示和无线直播业务演示两部分。演示间和演示车之间通过B3G TDD系统提供的通信平台，进行该类业务的演示，如图3所示。
图3 极速上行多媒体业务演示示意
（2）基于IP的数据业务（WWW浏览业务演示）
B3G TDD演示系统为WWW上网浏览业务提供了可靠的通信平台，如图4所示。
图4 极速上行上网业务演示示意
（3）语音业务（VoIP业务）
B3G TDD演示系统为在无线环境中进行VoIP业务提供了可靠的通信平台，如图5所示。
图5 极速上行VoIP业务演示示意
四、结语
B3G TDD移动通信系统的设计将使中国在3G演进以及4G技术的开发中占有重要的地位，并且可以使拥有自主知识产权的新技术转化为技术标准。目前，该项目中产生的专利正在进行评估分析和测试，其中的部分专利技术已经被应用于产品中，这标志着专利技术已经开始产生经济效益。
基于宽带无线移动的B3G/4G信息平台，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，产生良好的经济效益。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，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。因此，对改善和提高人民的文化生活水平具有重要的价值，带来了积极的社会效益。
参考文献
1 Ping Zhang，Xiaofeng Tao，Jianhua Zhang，et a1.A Vision from the Future：Beyond 3G TDD.IEEE Communications Magazine Vo1.43，Issue 1，Jan2005：38-44
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.电信技术,2003(6)：14～17
3 张建华，蔡鹏等.OFDM-4G核心的物理传输技术.移动通信，2005(2)：89～92
4 何琳琳，杨大成.4G移动通信系统的主要特点和关键技术.移动通信，2004(10)：34～36
5 Hairi Halmi.el at.Low Complexity Adaptive MIMO-OFDM System for Transmission Under Correlated Frequency-selective Channels，Proceedings of the IEEE International Conference on Wireless Communication，Networking and Mobile Computing，2005(1)：23～26
6 Jeffrey H Reed. Software Radio：A modern Approach to Radio Engineering. Prentice Hall.2002
作者：李亚卓 王勇 陶小峰 张平 来源：现代电信科技
目前，世界各国在3G商用化的同时，已把研究重点转入超3代（Beyond 3G，后均简称B3G或4G）移动通信的先期研究，在概念和技术上寻求创新和突破，从而使无线通信的容量和速率有十倍甚至百倍的提高。与传统的通信技术相比，超3G通信技术的优势在于通话质量及数据通信速率的提高。为改变我国通信产业发展长期处于被动跟踪的局面，继我国3G研究开发取得巨大进展之后，国家十五“863”计划于2001年底制定并启动了未来移动与无线通信发展的Future计划[1，2]。
在Future计划一期课题的支持下，北京邮电大学等国内六所高校，分别与华为、三星等国内外企业开展合作，经过一年多的艰苦努力，完成了六种无线传输链路方案的设计，并初步研究了无线资源管理方案和上层协议；基本完成了基带电路核心硬件和软件的设计和测试，并完成了支持分布式多天线接入的射频系统的设计；取得了一系列创新性研究成果，申请了30余项国家发明专利，为进一步凝炼面向十五末期的超3代总体技术方案打下了良好的基础。在此基础之上，国家“863”Future计划于2003年11月启动了第二阶段研究开发计划。本课题研究开发的总体目标是：面向超3代移动通信在传输速率、业务支持、系统容量等方面的应用需求，在超3G移动通信系统网络结构、空中接口等各个方面，进一步开展深入系统的研究，重点突破，形成完善的超3代总体技术方案，构建具有超3代移动通信主要技术特征的试验系统，具备向ITU提交初步的新一代无线通信体制标准建议的技术基础。
国家“863”项目“超3代蜂窝移动通信无线网络实验系统研究与开发”子课题——“TDD系统OFDM上行链路设计与实现及TDD技术集成”由北京邮电大学无线新技术研究所承担，具体负责该课题的实施和集成。该子课题于2003年11月启动，2004年7月完成了链路方案验收，至2006年6月完成了上下行链路以及整个系统的联调工作，在2006年6月17日进行了正式验收。验收结果表明该系统已达到了国际领先水平，这标志着我国在下一代移动通信系统的研究中取得了突破性进展。
一、Future B3G-TDD系统结构及参数
1.B3G系统的研究目标
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系统。具体而言，研制目标为：①采用全IP高速分组数据传输：热点地区峰值数据速率能达到100 Mbit/s；②具有高的终端移动性：移动台的移动速度最高能达到250 km/h；③具有高的传输质量：数据业务的误码率低于10-6；④频谱利用率大大增加，高于5 bit/s/Hz；⑤高功率：单天线发射功率较3G系统降低10 dB以上；⑥用户数据速率根据业务类型可在8 kbit/s～100 Mbit/s大动态范围内变化[1，2]。
2.系统构架
北京邮电大学领头研制的B3G TDD试验系统（见图1）采用多输入多输出（MIMO）与OFDM技术相结合的传输模式，并采用了OFDMA的多址方式。试验系统包括两个接入点（AP），其网络架构为扁平式无线接入网，应用了全新小区结构——群小区和群切换，使移动用户（MT）总处于小区中心，解决了“更小小区尺寸”问题，从而避免了“小区边缘”效应以及频繁切换等问题，并进一步扩展了覆盖范围。在提高系统容量方面，系统架构充分利用空间分集，如：分布式天线阵、虚拟MIMO、多跳、中继等技术。另外，系统利用软频率复用方案，同时采用“Radio over Fiber”系统结构扩充了设备的使用范围与传输距离。
图1 B3G-TDD系统构架
二、B3G TDD试验系统关键技术
1.先进的接入技术与多址方案
正交频分复用（OFDM）是一种无线环境下的高速传输技术，在频域内将给定信道分成多个正交子信道，并在每个子信道上使用一个子载波进行调制，各子载波并行传输。这样虽然总信道是非平坦的，即具有频率选择性，但是每个子信道是相对平坦的，在每个子信道上进行的是窄带传输，信号带宽小于信道相对带宽。这样便消除或减小了符号间干扰，避免了多径和多普勒频移的影响，提高了系统频谱利用率。
OFDM可与其他多种多用户接入方法结合，使多用户可同时利用OFDM技术进行信息的传递[3，4]。试验系统中采用了OFDMA的多址方式，将不同子载波分配给不同用户，使OFDM通过FDMA方式区分用户。OFDMA系统通过将正交相邻的子载波灵活地分配给不同用户，降低了小区内干扰，提高了系统容量。
2.多天线技术
MIMO技术为系统提供空间复用增益和空间分集增益，在大大提高信道容量的同时提高了信道可靠性并降低了误码率。
在系统实现中，采用了灵活配置的MIMO方案，如表2所示。
表2 B3G-TDD演示系统MIMO配置方案
对移动通信数据速率和质量要求的提高推动着MIMO与OFDM技术的结合。两者结合的显著优点在于[5]：OFDM技术可将款待频率选择性信道等效于多个并行的平坦性衰落信道，从而大大降低了MIMO技术空时处理的复杂度。MIMO-OFDM系统中的关键技术包括同步技术，信道估计等技术和算法研究在系统理论研究与实现中均有突破。
3.先进的编译码方案
4G移动通信系统采用Turbo码与基于低密度校验（LDPC）码相结合的信道编码技术，同时与自动重发请求（ARQ）技术和分集接收技术相结合，从而在低Eb/No条件下保证系统足够的性能。
4.软件无线电技术
4G移动通信系统中，系统速率将有很大提高，对硬件、尤其是软件的处理能力均有显著提升。软件无线电是将标准化、模块化的硬件功能单元经过一个通用硬件平台，利用软件加载方式来实现各种类型的无线电通信系统的一种具有开放式结构的技术，软件无线电将在4G系统中得到充分的应用[4，6]。系统采用更多的软件来定义和实现无线功能，系统的各种功能和信号处理都更多地采用软件来实现。软件系统包括无线信令规则与处理、信号流变换、信源编码、信道纠错编码、调制解调算法、同步算法、信道估计算法等一系列软件。软件无线电的缨使得系统具有更强的灵活性和适应性，从而能够适应不同网络与空中接口。
5.基于IP的核心网
B3G-TDD移动通信系统的核心网是一个基于全IP的网络，同已有的移动网络相比具有根本性的优点，即：可实现不同网络间的无缝互联。核心网独立于各种具体的无线接入方案，可以提供端到端的IP业务，能同已有核心网和公共交换电话网（PSTN）兼容。其具有开放的结构，允许多种空中接口接入核心网；同时能将业务、控制和传输分开。IP与多种无线接入协议相兼容，因此在核心网的设计上具有很大的灵活性。
三、B3G-TDD系统演示业务
演示主要包括极速上行和极速下行两种状态下的业务，均采用单基站和单移动台模式，主要演示业务包括上网、无线直播、视频会议以及VoIP等内容。下面以室外极速上行业务演示为例，介绍B3G-TDD系统业务演示。
1.时隙帧结构
试验系统帧设计为非等长时隙的帧结构。系统无线传输帧长5 ms，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，在每一帧中设置两个同步时隙，分别放置下行同步和上行同步训练序列。
2.演示拓扑及场景
B3G-TDD无线通信网络实验系统的验收在北京邮电大学无线新技术研究所进行。演示系统兼容TD-SCDMA，峰值速率高达100 Mbit/s以上，频谱利用率可达7.1 bit/s/Hz；演示系统支持高清晰视频点播、FTP高速下载、Internet、语音等多种多媒体、IP数据及语音业务。
系统极速上行演示拓扑如图2所示，MT和AP端之间为无线信道。MT端连接交换机和MT计算机，交换机连接视频服务器、语音网关、WAN网关。AP端连接交换机和AP计算机，交换机连接IP电话机、WAN网关、业务演示计算机和多个媒体计算机。演示现场分室内、室外两部分。
图2 极速上行业务演示拓扑示意
3.演示业务内容
（1）多媒体业务
多媒体业务演示包括视频会议业务演示和无线直播业务演示两部分。演示间和演示车之间通过B3G TDD系统提供的通信平台，进行该类业务的演示，如图3所示。
图3 极速上行多媒体业务演示示意
（2）基于IP的数据业务（WWW浏览业务演示）
B3G TDD演示系统为WWW上网浏览业务提供了可靠的通信平台，如图4所示。
图4 极速上行上网业务演示示意
（3）语音业务（VoIP业务）
B3G TDD演示系统为在无线环境中进行VoIP业务提供了可靠的通信平台，如图5所示。
图5 极速上行VoIP业务演示示意
四、结语
B3G TDD移动通信系统的设计将使中国在3G演进以及4G技术的开发中占有重要的地位，并且可以使拥有自主知识产权的新技术转化为技术标准。目前，该项目中产生的专利正在进行评估分析和测试，其中的部分专利技术已经被应用于产品中，这标志着专利技术已经开始产生经济效益。
基于宽带无线移动的B3G/4G信息平台，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，产生良好的经济效益。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，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。因此，对改善和提高人民的文化生活水平具有重要的价值，带来了积极的社会效益。
参考文献
1 Ping Zhang，Xiaofeng Tao，Jianhua Zhang，et a1.A Vision from the Future：Beyond 3G TDD.IEEE Communications Magazine Vo1.43，Issue 1，Jan2005：38-44
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.电信技术,2003(6)：14～17
3 张建华，蔡鹏等.OFDM-4G核心的物理传输技术.移动通信，2005(2)：89～92
4 何琳琳，杨大成.4G移动通信系统的主要特点和关键技术.移动通信，2004(10)：34～36
5 Hairi Halmi.el at.Low Complexity Adaptive MIMO-OFDM System for Transmission Under Correlated Frequency-selective Channels，Proceedings of the IEEE International Conference on Wireless Communication，Networking and Mobile Computing，2005(1)：23～26
6 Jeffrey H Reed. Software Radio：A modern Approach to Radio Engineering. Prentice Hall.2002
作者：李亚卓 王勇 陶小峰 张平 来源：现代电信科技
