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4G網(wǎng)絡(luò )具有極大的吸引力，它將提供更高的數據速率及頻譜利用率，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(zhù)數據業(yè)務(wù)的增長(cháng)、頻率資源的緊張，TDD技術(shù)研究的深入和TDD系統的不斷成熟，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)擁有自主知識產(chǎn)權的基于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)通信系統是多功能集成的寬帶移動(dòng)通信系統，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： （1）更高的通信速率對大范圍高速移動(dòng)用戶(hù)（250km/h）數據速率為2Mbit/s；對中速移動(dòng)用戶(hù)（60km/h）數據速率為20Mbit/s；對于低速移動(dòng)用戶(hù)（室內或步行者）數據速率為100Mbit/s。 （2）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。據研究，每個(gè)4G信道將占有約100MHz的頻譜，相當于W-CDMA3G網(wǎng)絡(luò )的20倍。 （3）靈活性較強4G系統擬采用智能技術(shù)使其能自適應地進(jìn)行資源分配，能夠調整系統對通信過(guò)程中變化的業(yè)務(wù)流大小進(jìn)行相應處理而滿(mǎn)足通信要求。采用智能信號處理技術(shù)對信道條件不同的各種復雜環(huán)境都能進(jìn)行信號的正常發(fā)送與接收，有很強的智能性、適應性和靈活性。 （4）業(yè)務(wù)的多樣性。在未來(lái)的全球通信中，個(gè)人通信、信息系統、廣播和娛樂(lè )等各行業(yè)將會(huì )結合成一個(gè)整體。提供給用戶(hù)比以往更廣泛的服務(wù)與應用；系統的使用會(huì )更加的安全、方便與更加照顧用戶(hù)的個(gè)性4G技術(shù)能提供各種標準的通信業(yè)務(wù)。 （5）高度自組織、自適應的網(wǎng)絡(luò )。4G系統的網(wǎng)絡(luò )將是一個(gè)完全自治、自適應的網(wǎng)絡(luò )。它可以自動(dòng)管理、動(dòng)態(tài)改變自己的結構，以滿(mǎn)足系統變化和發(fā)展的要求。 2.4G系統的網(wǎng)絡(luò )結構 4G系統為寬帶接入和分布網(wǎng)絡(luò )，未來(lái)的4G網(wǎng)絡(luò )系統將是一種全IP的網(wǎng)絡(luò )結構（包括各種接入網(wǎng)和核心網(wǎng)），4G系統將是一個(gè)集成廣播電視網(wǎng)絡(luò )（DAB和 DVB）、無(wú)線(xiàn)蜂窩網(wǎng)絡(luò )、衛星網(wǎng)絡(luò )、無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)（WLAN）、短距離應用的藍牙等系統和固定的有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )為一體的結構，各種類(lèi)型的接入網(wǎng)通過(guò)媒體接入系統都能夠無(wú)縫地接入基于IP的核心網(wǎng)，形成一個(gè)公共的、靈活的、可擴展的平臺。 二、4G中的關(guān)鍵技術(shù) 1.TDD技術(shù)與傳輸預處理技術(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，用保護時(shí)間來(lái)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(hù)設備）或上行方向（用戶(hù)設備到基站）。 圖1 TDD和FDD基本原理 從基站到用戶(hù)設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)隙之間預留足夠的保護時(shí)間，通過(guò)時(shí)間轉換開(kāi)關(guān)的轉換實(shí)現上下行雙向通信。在TDD系統中，由于基站到用戶(hù)設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基本相同，在上下行接收和發(fā)送時(shí)，根據一方估計的信道參數可以直接被另一方利用，使得TDD系統具有上下行信道的互惠性，在系統組網(wǎng)進(jìn)行頻率規劃和通信過(guò)程的無(wú)線(xiàn)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)間轉換開(kāi)關(guān)的靈活轉換實(shí)現上下行通信，可以較好地支持上下不對稱(chēng)業(yè)務(wù)。同時(shí)，TDD可以利用FDD模式無(wú)法利用的不對稱(chēng)頻譜，使頻譜利用更靈活，獲得更高的頻譜利用率。 傳輸預處理技術(shù)需要知道信道的傳播特性，由于TDD系統的上下行信道的互惠性，這在TDD系統中是很容易實(shí)現的。因此，可以直接利用傳輸預處理技術(shù)，有效地減低移動(dòng)終端的復雜性。4G中的傳輸預處理技術(shù)主要有預RAKE（Pre-RAKE）技術(shù)和聯(lián)合傳輸技術(shù)（JT）兩種。在CDMA系統中，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。RAKE接收機利用多個(gè)相關(guān)器（匹配濾波器組）分別檢測多徑信號中最強的一組支路信號，然后，對每個(gè)相關(guān)器的輸出加權合并，以提供優(yōu)于單路相關(guān)器的信號檢測，最后，在此基礎上進(jìn)行解調判決。要提高RAKE機的性能，必須在接收端盡可能地收集多徑的能量，但是，這會(huì )增加系統硬件的復雜性和功率消耗。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的上行信道參數進(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，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）而沒(méi)有犧牲接收性能，這樣就大幅度地降低了移動(dòng)終端的復雜性和成本，其結果好象在發(fā)送端即基站預先做了一次RAKE接收，這種技術(shù)被稱(chēng)為預RAKE技術(shù)。預RAKE原理如圖2所示。 目前，在3G系統中使用聯(lián)合檢測技術(shù)（JD），由于受手機處理能力的限制，會(huì )嚴重影響下行鏈路性能和系統容量，于是，提出了一種新的多用戶(hù)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中復雜的聯(lián)合檢測轉移到基站中去，只在上行鏈路對信道進(jìn)行估計，下行鏈路利用估計得到的信道沖激響應值把在移動(dòng)臺判決傳輸信號的任務(wù)交給基站來(lái)完成。這種方式使得移動(dòng)臺的數據只需一個(gè)簡(jiǎn)單的線(xiàn)性時(shí)變?yōu)V波器就可獲得。聯(lián)合傳輸可以提高系統性能，特別是系統容量，并且大大降低了接收機的計算量，進(jìn)一步簡(jiǎn)化了手機處理，同時(shí)，JT技術(shù)的實(shí)現不需對現在通信標準作大的修改，商用前景很好。 圖2 Pre-RAKE系統原理 2.OFDM技術(shù) 據多徑信道在頻域中表現出來(lái)的頻率選擇性衰落特性，研制出了正交頻分復用技術(shù)（OFDM）調制技術(shù)，這是一種用于無(wú)線(xiàn)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據流通過(guò)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(wú)線(xiàn)信道的頻率響應曲線(xiàn)大多是非平坦的，而在頻域內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)行調制，并且各子載波獨立地并行傳輸，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)子信道的頻譜特性是相對平坦的。并且在每個(gè)子信道上進(jìn)行的是窄帶傳輸，信號帶寬小于信道的相應帶寬，因此，就可以消除符號間的干擾（ISI），這樣接收端可以不用信道均衡技術(shù)就能對接收信號進(jìn)行解調。OFDM技術(shù)的最大優(yōu)點(diǎn)是能對抗頻率選擇性衰落或窄帶干擾，在OFDM系統中各個(gè)子信道的載波相互正交，于是它們的頻譜是相互重疊的。這樣不但減小了子載波間的相互干擾，同時(shí)又提高了頻譜利用率�；谝陨蟽�(yōu)點(diǎn)，OFDM技術(shù)被認為是第四代移動(dòng)通信中的核心技術(shù)。 3.MIMO技術(shù) MIMO技術(shù)是現代通信中的一個(gè)重大技術(shù)突破。MIMO可以簡(jiǎn)單定義為，無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )信號通過(guò)多重天線(xiàn)進(jìn)行同步收發(fā)，在發(fā)射端和接收端均采用多天線(xiàn)（或陣列天線(xiàn)）和多通道，以提高傳輸率，增加系統容量。MIMO系統的模型如圖3所示。更確切地說(shuō)就是信號通過(guò)多重切割之后，經(jīng)過(guò)多重天線(xiàn)進(jìn)行同步傳送。 圖3 MIMO系統框圖 由于無(wú)線(xiàn)信號在傳送的過(guò)程當中為了避免發(fā)生干擾，會(huì )走不同的反射或穿透路徑，因此，到達接收端的時(shí)間會(huì )不一致。為了避免被切割的信號不一致而無(wú)法重新組合，接收端會(huì )同時(shí)具備多重天線(xiàn)接收，然后，利用DSP重新計算方式，根據時(shí)間差因素，將分開(kāi)的各信號重新組合，并且快速正確地還原出原來(lái)信號。由于信號經(jīng)過(guò)分割傳送，不僅單一流量降低，可拉大傳送距離，又擴大了天線(xiàn)接收范圍，因此，MIMO技術(shù)不僅可以提高既有無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )頻譜的傳輸速度，成倍地提高系統容量，而且，又不用額外占用頻譜范圍，更重要的是，還能擴大信號傳送距離。MIMO技術(shù)是無(wú)線(xiàn)移動(dòng)通信領(lǐng)域智能天線(xiàn)技術(shù)的重大突破，成為新一代移動(dòng)通信系統必須采用的關(guān)鍵技術(shù)。 4.自適應編碼調制（AMC）技術(shù) AMC技術(shù)的本質(zhì)就是根據信道情況（信道狀態(tài)信息CSI）確定當前信道的容量，根據容量確定合適的編碼調制方式等，以便最大限度地發(fā)送信息，實(shí)現較高的速率；而且，針對每一個(gè)用戶(hù)的信道質(zhì)量變化，AMC都能提供可相應變化的調制編碼方案，從而可提高速率傳輸和頻譜的利用率。信道狀態(tài)信息可以根據系統的信道信噪比測量或其他相似的測量報告確定，然后，AMC根據CSI確定相應的編碼和調制格式。當信道質(zhì)量好時(shí)，可以采用效率較高的高階調制方案，并結合較弱的信道進(jìn)行編碼或不編碼，以提高傳輸速率和頻譜利用率；當信道質(zhì)量差時(shí)，可以采用性能較好的低階調制方案，并結合較強的信道編碼，以對付信道變差帶來(lái)的性能惡化。AMC的調整算法如圖4所示。在4G通信系統中采用AMC的好處主要有：處于有利位置的用戶(hù)可以具有更高的數據速率，蜂窩平均吞吐量由此得到提高；在鏈路自適應過(guò)程中，通過(guò)調整調制編碼方案而不是調整發(fā)射功率的方法可以降低干擾水平。 圖4 AMC的調整算法 5.軟件無(wú)線(xiàn)電 軟件無(wú)線(xiàn)電是將標準化、模塊化的硬件功能單元經(jīng)過(guò)一個(gè)通用硬件平臺，利用軟件加載方式來(lái)實(shí)現各種類(lèi)型的無(wú)線(xiàn)電通信系統的一種新技術(shù)，具有開(kāi)放式結構。通過(guò)下載不同的軟件程序，在硬件平臺上可以實(shí)現不同的功能，用以實(shí)現在不同的系統中利用單一的終端進(jìn)行漫游，它是解決移動(dòng)終端在不同系統中工作的關(guān)鍵技術(shù)。軟件無(wú)線(xiàn)電的核心思想是在盡可能靠近天線(xiàn)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(lái)定義無(wú)線(xiàn)功能，各種功能和信號處理都盡可能用軟件實(shí)現。其軟件系統包括各類(lèi)無(wú)線(xiàn)信令規則與處理軟件、信號流變換軟件、調制解調算法軟件、信道糾錯編碼軟件、信源編碼軟件等。軟件無(wú)線(xiàn)電技術(shù)主要涉及數字信號處理硬件（DSPH）、現場(chǎng)可編程器件（FPGA）、數字信號處理（DSP）等。目前，軟件無(wú)線(xiàn)電技術(shù)雖然基本上實(shí)現了其基本功能：硬件數字化、軟件可編程化、設備可重復配置性，但是，其傳統的流水線(xiàn)式結構嚴重影響了設備可配置功能和設備的可擴展性。 三、結束語(yǔ) 4G移動(dòng)通信系統目前還只是一個(gè)基本概念，處于實(shí)驗室研究開(kāi)發(fā)階段。要把4G投入到實(shí)際應用，還需要對現有的移動(dòng)通信基礎設施進(jìn)行更新改造。這將會(huì )引發(fā)一系列的資金觀(guān)念等問(wèn)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(zhù)互聯(lián)網(wǎng)高速發(fā)展，4G也會(huì )繼續高速發(fā)展，4G將會(huì )是多功能集成的寬帶移動(dòng)通信系統，是滿(mǎn)足未來(lái)市場(chǎng)需求的新一代移動(dòng)通信系統。 |
