基于TDD的第四代移动通信技术

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