基于TDD的第四代移動(dòng)通信技術(shù)

　　4G網(wǎng)絡(luò)具有極大的吸引力，它將提供更高的數(shù)據(jù)速率及頻譜利用率，本文介紹了基于TDD模式的4G通信的特點(diǎn)及其關(guān)鍵技術(shù)。

　　TDD模式在第三代移動(dòng)通信中引起了高度重視，隨著數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的增長(zhǎng)、頻率資源的緊張，TDD技術(shù)研究的深入和TDD系統(tǒng)的不斷成熟，在第四代移動(dòng)通信中TDD模式也將會(huì)占有重要的地位，屆時(shí)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的基于TDD模式下的4G通信技術(shù)必將成為主流技術(shù)。

　　一、4G移動(dòng)通信的概念

　　1.4G技術(shù)的特點(diǎn)

　　第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)是多功能集成的寬帶移動(dòng)通信系統(tǒng)，比第三代移動(dòng)通信更接近于個(gè)人通信。其特點(diǎn)主要有：

　?。?）更高的通信速率對(duì)大范圍高速移動(dòng)用戶（250km/h）數(shù)據(jù)速率為2Mbit/s；對(duì)中速移動(dòng)用戶（60km/h）數(shù)據(jù)速率為20Mbit/s；對(duì)于低速移動(dòng)用戶（室內(nèi)或步行者）數(shù)據(jù)速率為100Mbit/s。

　?。?）更寬的網(wǎng)絡(luò)頻譜4G網(wǎng)絡(luò)在通信帶寬上比3G網(wǎng)絡(luò)的帶寬高出許多。據(jù)研究，每個(gè)4G信道將占有約100MHz的頻譜，相當(dāng)于W-CDMA3G網(wǎng)絡(luò)的20倍。

　　（3）靈活性較強(qiáng)4G系統(tǒng)擬采用智能技術(shù)使其能自適應(yīng)地進(jìn)行資源分配，能夠調(diào)整

　?。?）業(yè)務(wù)的多樣性。在未來的全球通信中，個(gè)人通信、信息系統(tǒng)、廣播和娛樂等各行業(yè)將會(huì)結(jié)合成一個(gè)整體。提供給用戶比以往更廣泛的服務(wù)與應(yīng)用；系統(tǒng)的使用會(huì)更加的安全、方便與更加照顧用戶的個(gè)性4G技術(shù)能提供各種標(biāo)準(zhǔn)的通信業(yè)務(wù)。

　?。?）高度自組織、自適應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)。4G系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)將是一個(gè)完全自治、自適應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)。它可以自動(dòng)管理、動(dòng)態(tài)改變自己的結(jié)構(gòu)，以滿足系統(tǒng)變化和發(fā)展的要求。

　　2.4G系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

　　4G系統(tǒng)為寬帶接入和分布網(wǎng)絡(luò)，未來的4G網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)將是一種全I(xiàn)P的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（包括各種接入網(wǎng)和核心網(wǎng)），4G系統(tǒng)將是一個(gè)集成廣播電視網(wǎng)絡(luò)（DAB和 DVB）、無線蜂窩網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)、無線局域網(wǎng)（WLAN）、短距離應(yīng)用的藍(lán)牙等系統(tǒng)和固定的有線網(wǎng)絡(luò)為一體的結(jié)構(gòu)，各種類型的接入網(wǎng)通過媒體接入系統(tǒng)都能夠無縫地接入基于IP的核心網(wǎng)，形成一個(gè)公共的、靈活的、可擴(kuò)展的平臺(tái)。

　　二、4G中的關(guān)鍵技術(shù)

　　1.TDD技術(shù)與傳輸預(yù)處理技術(shù)

　　與第一代和第二代通信中廣泛采用的FDD模式不同，TDD模式中接收和傳送的雙向通信是在同一頻率信道中即載波的不同時(shí)隙，用保護(hù)時(shí)間來分離接收與傳送信道。其基本原理如圖1所示。圖中，箭頭方向代表通信的下行方向（從基站到用戶設(shè)備）或上行方向（用戶設(shè)備到基站）。

圖1 TDD和FDD基本原理

　　從基站到用戶設(shè)備的上下行鏈路信道都用同樣的頻率，上下行信道占用不同的時(shí)隙，時(shí)隙之間預(yù)留足夠的保護(hù)時(shí)間，通過時(shí)間轉(zhuǎn)換開關(guān)的轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)上下行雙向通信。在TDD系統(tǒng)中，由于基站到用戶設(shè)備的上下行鏈路信道都有同樣的頻率，上下行鏈路的信道參數(shù)基本相同，在上下行接收和發(fā)送時(shí)，根據(jù)一方估計(jì)的信道參數(shù)可以直接被另一方利用，使得TDD系統(tǒng)具有上下行信道的互惠性，在系統(tǒng)組網(wǎng)進(jìn)行頻率規(guī)劃和通信過程的無線資源分配時(shí)非常簡(jiǎn)單。上下行信道占用不同的時(shí)隙，利用時(shí)間轉(zhuǎn)換開關(guān)的靈活轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)上下行通信，可以較好地支持上下不對(duì)稱業(yè)務(wù)。同時(shí)，TDD可以利用FDD模式無法利用的不對(duì)稱頻譜，使頻譜利用更靈活，獲得更高的頻譜利用率。

　　傳輸預(yù)處理技術(shù)需要知道信道的傳播特性，由于TDD系統(tǒng)的上下行信道的互惠性，這在TDD系統(tǒng)中是很容易實(shí)現(xiàn)的。因此，可以直接利用傳輸預(yù)處理技術(shù)，有效地減低移動(dòng)終端的復(fù)雜性。4G中的傳輸預(yù)處理技術(shù)主要有預(yù)RAKE（Pre-RAKE）技術(shù)和聯(lián)合傳輸技術(shù)（JT）兩種。在CDMA系統(tǒng)中，為了減少多徑衰落的不利影響，一般會(huì)在接收端采用多徑分集功能的RAKE接收機(jī)。RAKE接收機(jī)利用多個(gè)相關(guān)器（匹配濾波器組）分別檢測(cè)多徑信號(hào)中最強(qiáng)的一組支路信號(hào)，然后，對(duì)每個(gè)相關(guān)器的輸出加權(quán)合并，以提供優(yōu)于單路相關(guān)器的信號(hào)檢測(cè)，最后，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行解調(diào)判決。要提高RAKE機(jī)的性能，必須在接收端盡可能地收集多徑的能量，但是，這會(huì)增加系統(tǒng)硬件的復(fù)雜性和功率消耗。由于TDD模式具有上下行信道互惠性，從而可以利用基站估計(jì)的上行信道參數(shù)進(jìn)行發(fā)送端的 RAKE多徑合并。在發(fā)送端進(jìn)行RAKE多徑合并后，會(huì)在移動(dòng)終端形成可友好接收的信號(hào)，移動(dòng)終端可以用一個(gè)簡(jiǎn)單的匹配器接收（單徑接收機(jī)）而沒有犧牲接收性能，這樣就大幅度地降低了移動(dòng)終端的復(fù)雜性和成本，其結(jié)果好象在發(fā)送端即基站預(yù)先做了一次RAKE接收，這種技術(shù)被稱為預(yù)RAKE技術(shù)。預(yù)RAKE原理如圖2所示。

目前，在3G系統(tǒng)中使用聯(lián)合檢測(cè)技術(shù)（JD），由于受手機(jī)處理能力的限制，會(huì)嚴(yán)重影響下行鏈路性能和系統(tǒng)容量，于是，提出了一種新的多用戶傳輸技術(shù)聯(lián)合傳輸技術(shù)。聯(lián)合傳輸（JT）的基本思想是將下行手機(jī)中復(fù)雜的聯(lián)合檢測(cè)轉(zhuǎn)移到基站中去，只在上行鏈路對(duì)信道進(jìn)行估計(jì)，下行鏈路利用估計(jì)得到的信道沖激響應(yīng)值把在移動(dòng)臺(tái)判決傳輸信號(hào)的任務(wù)交給基站來完成。這種方式使得移動(dòng)臺(tái)的數(shù)據(jù)只需一個(gè)簡(jiǎn)單的線性時(shí)變?yōu)V波器就可獲得。聯(lián)合傳輸可以提高系統(tǒng)性能，特別是系統(tǒng)容量，并且大大降低了接收機(jī)的計(jì)算量，進(jìn)一步簡(jiǎn)化了手機(jī)處理，同時(shí)，JT技術(shù)的實(shí)現(xiàn)不需對(duì)現(xiàn)在通信標(biāo)準(zhǔn)作大的修改，商用前景很好。

圖2 Pre-RAKE系統(tǒng)原理

　　2.OFDM技術(shù)

　　據(jù)多徑信道在頻域中表現(xiàn)出來的頻率選擇性衰落特性，研制出了正交頻分復(fù)用技術(shù)（OFDM）調(diào)制技術(shù)，這是一種用于無線環(huán)境下的高速傳輸技術(shù)。OFDM技術(shù)的主要原理就是把高速的數(shù)據(jù)流通過串并變換，分配到傳輸速率較低的若干子信道中進(jìn)行傳輸。無線信道的頻率響應(yīng)曲線大多是非平坦的，而在頻域內(nèi)將給定信道分成許多正交的子信道。在每個(gè)子信道上使用一個(gè)子載波進(jìn)行調(diào)制，并且各子載波獨(dú)立地并行傳輸，這樣，盡管總的信道是非平坦的。即具有頻率選擇性，但是每個(gè)

　　3.MIMO技術(shù)

　　MIMO技術(shù)是現(xiàn)代通信中的一個(gè)重大技術(shù)突破。MIMO可以簡(jiǎn)單定義為，無線網(wǎng)絡(luò)信號(hào)通過多重天線進(jìn)行同步收發(fā)，在發(fā)射端和接收端均采用多天線（或陣列天線）和多通道，以提高傳輸率，增加系統(tǒng)容量。MIMO系統(tǒng)的模型如圖3所示。更確切地說就是信號(hào)通過多重切割之后，經(jīng)過多重天線進(jìn)行同步傳送。

圖3 MIMO系統(tǒng)框圖

　　由于無線信號(hào)在傳送的過程當(dāng)中為了避免發(fā)生干擾，會(huì)走不同的反射或穿透路徑，因此，到達(dá)接收端的時(shí)間會(huì)不一致。為了避免被切割的信號(hào)不一致而無法重新組合，接收端會(huì)同時(shí)具備多重天線接收，然后，利用DSP重新計(jì)算方式，根據(jù)時(shí)間差因素，將分開的各信號(hào)重新組合，并且快速正確地還原出原來信號(hào)。由于信號(hào)經(jīng)過分割傳送，不僅單一流量降低，可拉大傳送距離，又?jǐn)U大了天線接收范圍，因此，MIMO技術(shù)不僅可以提高既有無線網(wǎng)絡(luò)頻譜的傳輸速度，成倍地提高系統(tǒng)容量，而且，又不用額外占用頻譜范圍，更重要的是，還能擴(kuò)大信號(hào)傳送距離。MIMO技術(shù)是無線移動(dòng)通信領(lǐng)域智能天線技術(shù)的重大突破，成為新一代移動(dòng)通信系統(tǒng)必須采用的關(guān)鍵技術(shù)。

　　4.自適應(yīng)編碼調(diào)制（AMC）技術(shù)

　　AMC技術(shù)的本質(zhì)就是根據(jù)信道情況（信道狀態(tài)信息CSI）確定當(dāng)前信道的容量，根據(jù)容量確定合適的編碼調(diào)制方式等，以便最大限度地發(fā)送信息，實(shí)現(xiàn)較高的速率；而且，針對(duì)每一個(gè)用戶的信道質(zhì)量變化，AMC都能提供可相應(yīng)變化的調(diào)制編碼方案，從而可提高速率傳輸和頻譜的利用率。信道狀態(tài)信息可以根據(jù)系統(tǒng)的信道信噪比測(cè)量或其他相似的測(cè)量報(bào)告確定，然后，AMC根據(jù)CSI確定相應(yīng)的編碼和調(diào)制格式。當(dāng)信道質(zhì)量好時(shí)，可以采用效率較高的高階調(diào)制方案，并結(jié)合較弱的信道進(jìn)行編碼或不編碼，以提高傳輸速率和頻譜利用率；當(dāng)信道質(zhì)量差時(shí)，可以采用性能較好的低階調(diào)制方案，并結(jié)合較強(qiáng)的信道編碼，以對(duì)付信道變差帶來的性能惡化。AMC的調(diào)整算法如圖4所示。在4G通信系統(tǒng)中采用AMC的好處主要有：處于有利位置的用戶可以具有更高的數(shù)據(jù)速率，蜂窩平均吞吐量由此得到提高；在鏈路自適應(yīng)過程中，通過調(diào)整調(diào)制編碼方案而不是調(diào)整發(fā)射功率的方法可以降低干擾水平。

圖4 AMC的調(diào)整算法

　　5.軟件無線電

　　軟件無線電是將標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的硬件功能單元經(jīng)過一個(gè)通用硬件平臺(tái)，利用軟件加載方式來實(shí)現(xiàn)各種類型的無線電通信系統(tǒng)的一種新技術(shù)，具有開放式結(jié)構(gòu)。通過下載不同的軟件程序，在硬件平臺(tái)上可以實(shí)現(xiàn)不同的功能，用以實(shí)現(xiàn)在不同的系統(tǒng)中利用單一的終端進(jìn)行漫游，它是解決移動(dòng)終端在不同系統(tǒng)中工作的關(guān)鍵技術(shù)。軟件無線電的核心思想是在盡可能靠近天線的地方使用寬帶A/D和D/A變換器，并盡可能多地用軟件來定義無線功能，各種功能和信號(hào)處理都盡可能用軟件實(shí)現(xiàn)。其軟件系統(tǒng)包括各類無線信令規(guī)則與處理軟件、信號(hào)流變換軟件、調(diào)制解調(diào)算法軟件、信道糾錯(cuò)編碼軟件、信源編碼軟件等。軟件無線電技術(shù)主要涉及數(shù)字信號(hào)處理硬件（DSPH）、現(xiàn)場(chǎng)可編程器件（FPGA）、數(shù)字信號(hào)處理（DSP）等。目前，軟件無線電技術(shù)雖然基本上實(shí)現(xiàn)了其基本功能：硬件數(shù)字化、軟件可編程化、設(shè)備可重復(fù)配置性，但是，其傳統(tǒng)的流水線式結(jié)構(gòu)嚴(yán)重影響了設(shè)備可配置功能和設(shè)備的可擴(kuò)展性。

三、結(jié)束語

　　4G移動(dòng)通信系統(tǒng)目前還只是一個(gè)基本概念，處于實(shí)驗(yàn)室研究開發(fā)階段。要把4G投入到實(shí)際應(yīng)用，還需要對(duì)現(xiàn)有的移動(dòng)通信基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行更新改造。這將會(huì)引發(fā)一系列的資金觀念等問題，從而在一定程度上減緩4G正式進(jìn)入市場(chǎng)的速度。然而，可以肯定的是，隨著互聯(lián)網(wǎng)高速發(fā)展，4G也會(huì)繼續(xù)高速發(fā)展，4G將會(huì)是多功能集成的寬帶移動(dòng)通信系統(tǒng)，是滿足未來市場(chǎng)需求的新一代移動(dòng)通信系統(tǒng)。