基于TDD的第四代移动通信技术

摘要

4G网络具有极大的吸引力，它将提供更高的数据速率及频谱利用率，本文介绍了基于TDD模式的4G通信的特点及其关键技术。

TDD模式在第三代移动通信中引起了高度重视，随着数据业务的增长、频率资源的紧张，TDD技术研究的深入和TDD系统的不断成熟，在第四代移动通信中TDD模式也将会占有重要的地位，届时拥有自主知识产权的基于TDD模式下的4G通信技术必将成为主流技术。

一、4G移动通信的概念

1.4G技术的特点

第四代移动通信系统是多功能集成的宽带移动通信系统，比第三代移动通信更接近于个人通信。其特点主要有：

（1）更高的通信速率对大范围高速移动用户（250km/h）数据速率为2Mbit/s；对中速移动用户（60km/h）数据速率为20Mbit/s；对于低速移动用户（室内或步行者）数据速率为100Mbit/s。

（2）更宽的网络频谱4G网络在通信带宽上比3G网络的带宽高出许多。据研究，每个4G信道将占有约100MHz的频谱，相当于W-CDMA3G网络的20倍。

（3）灵活性较强4G系统拟采用智能技术使其能自适应地进行资源分配，能够调整系统对通信过程中变化的业务流大小进行相应处理而满足通信要求。采用智能信号处理技术对信道条件不同的各种复杂环境都能进行信号的正常发送与接收，有很强的智能性、适应性和灵活性。

（4）业务的多样性。在未来的全球通信中，个人通信、信息系统、广播和娱乐等各行业将会结合成一个整体。提供给用户比以往更广泛的服务与应用；系统的使用会更加的安全、方便与更加照顾用户的个性4G技术能提供各种标准的通信业务。

（5）高度自组织、自适应的网络。4G系统的网络将是一个完全自治、自适应的网络。它可以自动管理、动态改变自己的结构，以满足系统变化和发展的要求。

2.4G系统的网络结构

4G系统为宽带接入和分布网络，未来的4G网络系统将是一种全IP的网络结构（包括各种接入网和核心网），4G系统将是一个集成广播电视网络（DAB和DVB）、无线蜂窝网络、卫星网络、无线局域网（WLAN）、短距离应用的蓝牙等系统和固定的有线网络为一体的结构，各种类型的接入网通过媒体接入系统都能够无缝地接入基于IP的核心网，形成一个公共的、灵活的、可扩展的平台。

二、4G中的关键技术

1.TDD技术与传输预处理技术

与第一代和第二代通信中广泛采用的FDD模式不同，TDD模式中接收和传送的双向通信是在同一频率信道中即载波的不同时隙，用保护时间来分离接收与传送信道。其基本原理如图1所示。图中，箭头方向代表通信的下行方向（从基站到用户设备）或上行方向（用户设备到基站）。

图1 TDD和FDD基本原理

从基站到用户设备的上下行链路信道都用同样的频率，上下行信道占用不同的时隙，时隙之间预留足够的保护时间，通过时间转换开关的转换实现上下行双向通信。在TDD系统中，由于基站到用户设备的上下行链路信道都有同样的频率，上下行链路的信道参数基本相同，在上下行接收和发送时，根据一方估计的信道参数可以直接被另一方利用，使得TDD系统具有上下行信道的互惠性，在系统组网进行频率规划和通信过程的无线资源分配时非常简单。上下行信道占用不同的时隙，利用时间转换开关的灵活转换实现上下行通信，可以较好地支持上下不对称业务。同时，TDD可以利用FDD模式无法利用的不对称频谱，使频谱利用更灵活，获得更高的频谱利用率。

传输预处理技术需要知道信道的传播特性，由于TDD系统的上下行信道的互惠性，这在TDD系统中是很容易实现的。因此，可以直接利用传输预处理技术，有效地减低移动终端的复杂性。4G中的传输预处理技术主要有预RAKE（Pre-RAKE）技术和联合传输技术（JT）两种。在CDMA系统中，为了减少多径衰落的不利影响，一般会在接收端采用多径分集功能的RAKE接收机。RAKE接收机利用多个相关器（匹配滤波器组）分别检测多径信号中最强的一组支路信号，然后，对每个相关器的输出加权合并，以提供优于单路相关器的信号检测，最后，在此基础上进行解调判决。要提高RAKE机的性能，必须在接收端尽可能地收集多径的能量，但是，这会增加系统硬件的复杂性和功率消耗。由于TDD模式具有上下行信道互惠性，从而可以利用基站估计的上行信道参数进行发送端的RAKE多径合并。在发送端进行RAKE多径合并后，会在移动终端形成可友好接收的信号，移动终端可以用一个简单的匹配器接收（单径接收机）而没有牺牲接收性能，这样就大幅度地降低了移动终端的复杂性和成本，其结果好象在发送端即基站预先做了一次RAKE接收，这种技术被称为预RAKE技术。预RAKE原理如图2所示。

目前，在3G系统中使用联合检测技术（JD），由于受手机处理能力的限制，会严重影响下行链路性能和系统容量，于是，提出了一种新的多用户传输技术联合传输技术。联合传输（JT）的基本思想是将下行手机中复杂的联合检测转移到基站中去，只在上行链路对信道进行估计，下行链路利用估计得到的信道冲激响应值把在移动台判决传输信号的任务交给基站来完成。这种方式使得移动台的数据只需一个简单的线性时变滤波器就可获得。联合传输可以提高系统性能，特别是系统容量，并且大大降低了接收机的计算量，进一步简化了手机处理，同时，JT技术的实现不需对现在通信标准作大的修改，商用前景很好。

图2 Pre-RAKE系统原理

2.OFDM技术

据多径信道在频域中表现出来的频率选择性衰落特性，研制出了正交频分复用技术（OFDM）调制技术，这是一种用于无线环境下的高速传输技术。OFDM技术的主要原理就是把高速的数据流通过串并变换，分配到传输速率较低的若干子信道中进行传输。无线信道的频率响应曲线大多是非平坦的，而在频域内将给定信道分成许多正交的子信道。在每个子信道上使用一个子载波进行调制，并且各子载波独立地并行传输，这样，尽管总的信道是非平坦的。即具有频率选择性，但是每个子信道的频谱特性是相对平坦的。并且在每个子信道上进行的是窄带传输，信号带宽小于信道的相应带宽，因此，就可以消除符号间的干扰（ISI），这样接收端可以不用信道均衡技术就能对接收信号进行解调。OFDM技术的最大优点是能对抗频率选择性衰落或窄带干扰，在OFDM系统中各个子信道的载波相互正交，于是它们的频谱是相互重叠的。这样不但减小了子载波间的相互干扰，同时又提高了频谱利用率。基于以上优点，OFDM技术被认为是第四代移动通信中的核心技术。

3.MIMO技术

MIMO技术是现代通信中的一个重大技术突破。MIMO可以简单定义为，无线网络信号通过多重天线进行同步收发，在发射端和接收端均采用多天线（或阵列天线）和多通道，以提高传输率，增加系统容量。MIMO系统的模型如图3所示。更确切地说就是信号通过多重切割之后，经过多重天线进行同步传送。

图3 MIMO系统框图

由于无线信号在传送的过程当中为了避免发生干扰，会走不同的反射或穿透路径，因此，到达接收端的时间会不一致。为了避免被切割的信号不一致而无法重新组合，接收端会同时具备多重天线接收，然后，利用DSP重新计算方式，根据时间差因素，将分开的各信号重新组合，并且快速正确地还原出原来信号。由于信号经过分割传送，不仅单一流量降低，可拉大传送距离，又扩大了天线接收范围，因此，MIMO技术不仅可以提高既有无线网络频谱的传输速度，成倍地提高系统容量，而且，又不用额外占用频谱范围，更重要的是，还能扩大信号传送距离。MIMO技术是无线移动通信领域智能天线技术的重大突破，成为新一代移动通信系统必须采用的关键技术。

4.自适应编码调制（AMC）技术

AMC技术的本质就是根据信道情况（信道状态信息CSI）确定当前信道的容量，根据容量确定合适的编码调制方式等，以便最大限度地发送信息，实现较高的速率；而且，针对每一个用户的信道质量变化，AMC都能提供可相应变化的调制编码方案，从而可提高速率传输和频谱的利用率。信道状态信息可以根据系统的信道信噪比测量或其他相似的测量报告确定，然后，AMC根据CSI确定相应的编码和调制格式。当信道质量好时，可以采用效率较高的高阶调制方案，并结合较弱的信道进行编码或不编码，以提高传输速率和频谱利用率；当信道质量差时，可以采用性能较好的低阶调制方案，并结合较强的信道编码，以对付信道变差带来的性能恶化。AMC的调整算法如图4所示。在4G通信系统中采用AMC的好处主要有：处于有利位置的用户可以具有更高的数据速率，蜂窝平均吞吐量由此得到提高；在链路自适应过程中，通过调整调制编码方案而不是调整发射功率的方法可以降低干扰水平。

图4 AMC的调整算法

5.软件无线电

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新技术，具有开放式结构。通过下载不同的软件程序，在硬件平台上可以实现不同的功能，用以实现在不同的系统中利用单一的终端进行漫游，它是解决移动终端在不同系统中工作的关键技术。软件无线电的核心思想是在尽可能靠近天线的地方使用宽带A/D和D/A变换器，并尽可能多地用软件来定义无线功能，各种功能和信号处理都尽可能用软件实现。其软件系统包括各类无线信令规则与处理软件、信号流变换软件、调制解调算法软件、信道纠错编码软件、信源编码软件等。软件无线电技术主要涉及数字信号处理硬件（DSPH）、现场可编程器件（FPGA）、数字信号处理（DSP）等。目前，软件无线电技术虽然基本上实现了其基本功能：硬件数字化、软件可编程化、设备可重复配置性，但是，其传统的流水线式结构严重影响了设备可配置功能和设备的可扩展性。

三、结束语

4G移动通信系统目前还只是一个基本概念，处于实验室研究开发阶段。要把4G投入到实际应用，还需要对现有的移动通信基础设施进行更新改造。这将会引发一系列的资金观念等问题，从而在一定程度上减缓4G正式进入市场的速度。然而，可以肯定的是，随着互联网高速发展，4G也会继续高速发展，4G将会是多功能集成的宽带移动通信系统，是满足未来市场需求的新一代移动通信系统。