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1、B3G系統(tǒng)集成試驗(yàn)研究背景和必要性
信息技術(shù)的迅猛發(fā)展以及人們對寬帶業(yè)務(wù)日益增長的需求，為寬帶移動(dòng)通信技術(shù)孕育了新一輪的發(fā)展機(jī)遇。根據(jù)業(yè)界討論達(dá)成的廣泛共識，未來移動(dòng)通信系統(tǒng)的發(fā)展目標(biāo)將是匯集蜂窩、固定無線接入、游牧、無線區(qū)域網(wǎng)絡(luò)等接入系統(tǒng)，結(jié)合全I(xiàn)P網(wǎng)絡(luò)，在高速移動(dòng)和步行環(huán)境下分別為用戶提供峰值速率達(dá)100Mb/s及1Gb/s的無線傳輸能力，實(shí)現(xiàn)“任何人在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)、以任何方式通信”。全球?qū)τ谛乱淮苿?dòng)通信技術(shù)的競爭在本世紀(jì)之交就已拉開了序幕。歐洲“第六框架研究計(jì)劃”、日本NTT DoCoMo、美國Motorola、德國Siemens等國際研究機(jī)構(gòu)和公司紛紛開始研制B3G/4G無線傳輸試驗(yàn)系統(tǒng)，國際信聯(lián)ITU組織將于2007年為新一代移動(dòng)通信系統(tǒng)規(guī)劃頻譜。
面對無線通信市場全球化發(fā)展趨勢，我國于2002年啟動(dòng)了移動(dòng)通信重大項(xiàng)目八六三“FuTURE計(jì)劃”，為2010年前后的無線通信應(yīng)用未雨綢繆，積極開展了第四代無線通信核心技術(shù)前瞻性研究。目前，“FuTURE計(jì)劃”已經(jīng)形成以GMC/OFDM、U-MIMO、雙迭代Turbo接收、IDMA等為技術(shù)框架的FDD和TDD兩套方案，并研制出了B3G分布式蜂窩移動(dòng)通信無線網(wǎng)絡(luò)試驗(yàn)系統(tǒng)。為了促進(jìn)B3G研究總體目標(biāo)的全面實(shí)現(xiàn)，有必要建立一種針對B3G技術(shù)的測試評估機(jī)制，達(dá)到在多種無線環(huán)境及應(yīng)用場景下檢驗(yàn)B3G系統(tǒng)整體性能的目的。為此，我們基于“FuTURE計(jì)劃”關(guān)鍵技術(shù)研究成果，聯(lián)合合作單位研制出B3G分布式無線電集成測試試驗(yàn)平臺(tái)。本文主要闡述B3G系統(tǒng)集成試驗(yàn)平臺(tái)特點(diǎn)以及現(xiàn)場試驗(yàn)情況。
2、B3G集成試驗(yàn)主要特征和面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)
“FuTURE計(jì)劃”B3G試驗(yàn)系統(tǒng)主要具有以下幾方面特征：①基于ROF（Radio-Over-Fiber）分布式天線無線組網(wǎng)技術(shù)；②基于GMC/OFDM的空中接口技術(shù)；③“雙渦輪”Turbo迭代接收技術(shù)；④U-MIMO多天線與環(huán)境自適應(yīng)技術(shù)；⑤在大范圍覆蓋情況下峰值傳輸速率可達(dá)50Mb/s、頻譜效率可達(dá)2.5b/s/Hz/s；在熱點(diǎn)覆蓋地區(qū)峰值速率可達(dá)100Mb/s、頻譜利用率可達(dá)5bps/Hz/s；⑥支持多小區(qū)、多用戶、80～250km/h中高速移動(dòng)；⑦比現(xiàn)有蜂窩系統(tǒng)發(fā)射功率明顯降低。
測試檢驗(yàn)這樣高性能的試驗(yàn)系統(tǒng)面臨很大的技術(shù)挑戰(zhàn)：首先，在比3G系統(tǒng)頻段更高的微波頻段上開展寬帶無線傳輸試驗(yàn)，需抵抗無線電波在城市市區(qū)內(nèi)的嚴(yán)重?fù)p耗，避免產(chǎn)生覆蓋“盲點(diǎn)”；第二，現(xiàn)有蜂窩網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)應(yīng)用頻段較低，因此在新頻段上開展無線組網(wǎng)試驗(yàn)需經(jīng)受無線信道傳播特性的考驗(yàn)，尤其是MIMO多天線系統(tǒng)的移動(dòng)傳輸試驗(yàn)難度更大；第三，B3G技術(shù)無線應(yīng)用環(huán)境的動(dòng)態(tài)范圍更大，需要比傳統(tǒng)儀器儀表測試方法和測試范圍更為有效的綜合性測試評估手段；第四，現(xiàn)有無線通信的業(yè)務(wù)帶寬并不能體現(xiàn)B3G系統(tǒng)高速數(shù)據(jù)傳輸速率的特點(diǎn)，需要嘗試新的業(yè)務(wù)應(yīng)用。此外，現(xiàn)場試驗(yàn)過程中還會(huì)遇到各種具體的實(shí)際問題，需要大量的協(xié)調(diào)工作。
3、B3G現(xiàn)場試驗(yàn)主要測試內(nèi)容
B3G現(xiàn)場試驗(yàn)不單單是測試無線鏈路峰值傳輸速率等空中接口指標(biāo)，還將圍繞由多個(gè)基站多個(gè)移動(dòng)終端構(gòu)成的模擬試驗(yàn)網(wǎng)，考察室內(nèi)、高架路、市區(qū)、郊區(qū)等多種應(yīng)用場景下，系統(tǒng)的環(huán)境自適應(yīng)能力，以及對話音、視頻、流媒體等傳統(tǒng)電信業(yè)務(wù)與IP分組非對稱高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的QoS質(zhì)量，從而達(dá)到檢驗(yàn)系統(tǒng)整體性能的目的。
�。�1）檢驗(yàn)空中接口關(guān)鍵技術(shù)的頻譜效率和移動(dòng)環(huán)境自適應(yīng)
頻譜效率對于無線接口的設(shè)計(jì)十分重要。當(dāng)帶寬和業(yè)務(wù)質(zhì)量給定的情況下，頻譜效率越高，傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)量就越大。鑒于無線資源往往是有限的，支持更高的數(shù)據(jù)傳輸速率和更好的頻譜利用率是B3G系統(tǒng)的基本要求。由于頻譜效率集中反映了系統(tǒng)中調(diào)制技術(shù)、編碼技術(shù)、分集技術(shù)等B3G關(guān)鍵技術(shù)的性能，因此進(jìn)行頻譜效率的測試是必要的。
移動(dòng)應(yīng)用使得通信系統(tǒng)的無線信道環(huán)境變得復(fù)雜多變。B3G系統(tǒng)中環(huán)境自適應(yīng)（Environmental Adaptation）技術(shù)是為了能夠快速更新信道物理信息，對系統(tǒng)的功率控制、調(diào)制編碼模式、天線模式選擇進(jìn)行及時(shí)調(diào)整，以保證系統(tǒng)在信道大幅變化的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)仍能維持低誤碼率，實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)傳輸數(shù)率的優(yōu)化，保證業(yè)務(wù)應(yīng)用。因此對復(fù)雜信道環(huán)境的測試技術(shù)顯得尤為急迫。
（2）檢驗(yàn)基于ROF分布式天線新型無線接入網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)容量
隨著人們對寬帶移動(dòng)多媒體服務(wù)需求的不斷增長和用戶數(shù)量的增加，網(wǎng)絡(luò)的容量成為了整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)的瓶頸之一。為提高系統(tǒng)容量，蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)正向扇區(qū)化、微小區(qū)方向發(fā)展，但小區(qū)覆蓋面積的減小往往導(dǎo)致干擾上升、切換頻繁等問題。B3G無線接入系統(tǒng)融合分布式多天線技術(shù)和MIMO技術(shù)，形成分布式MIMO廣義小區(qū)新型結(jié)構(gòu)，可以在發(fā)射功率不變的條件下明顯改善系統(tǒng)容量。檢驗(yàn)這種新型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)容量成為B3G現(xiàn)場試驗(yàn)的重要方面。
�。�3）檢測各種應(yīng)用場景下無線傳輸業(yè)務(wù)QoS質(zhì)量
B3G系統(tǒng)空中接口性能測試是現(xiàn)場試驗(yàn)一個(gè)重要組成部分，但是僅僅用物理層的性能指標(biāo)很難全面地反映系統(tǒng)整體的性能，例如影響業(yè)務(wù)無線傳輸質(zhì)量的無線資源管理、調(diào)度算法、數(shù)據(jù)流控制等上層協(xié)議機(jī)制。而且，物理層靜態(tài)性能指標(biāo)與用戶感知的傳輸效果還是有相當(dāng)差距的。因此，增加對傳統(tǒng)話音業(yè)務(wù)及IP分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)等的無線傳輸性能測試能夠較為全面地反映出物理層以及其上各層協(xié)議機(jī)制的協(xié)同工作能力。
4、B3G系統(tǒng)集成測試體系
為了實(shí)現(xiàn)上述測試目標(biāo)，我們研制了由一個(gè)ROF分布式天線模擬試驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境、一個(gè)B3G集成測試平臺(tái)和一個(gè)基于IPv6業(yè)務(wù)演示平臺(tái)構(gòu)成的B3G系統(tǒng)集成測試體系，完成對B3G原型試驗(yàn)系統(tǒng)、無線鏈路質(zhì)量、分布式系統(tǒng)組網(wǎng)性能以及業(yè)務(wù)應(yīng)用效果的綜合測試。
�。�1）ROF分布式天線模擬試驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)
未來寬帶移動(dòng)通信系統(tǒng)趨向工作于微波高頻段，并且能為更多業(yè)務(wù)需求提供足夠的容量以及動(dòng)態(tài)的無線資源分配，而傳統(tǒng)蜂窩組網(wǎng)技術(shù)無論從前期規(guī)劃設(shè)計(jì)和后期擴(kuò)容維護(hù)成本來看都將面臨很大的挑戰(zhàn)。這主要是由于高頻段電磁波在城市環(huán)境中電波繞射能力下降，路損增加，導(dǎo)致在發(fā)射功率相同的條件下，信號覆蓋質(zhì)量下降。而增加系統(tǒng)發(fā)射功率不僅受限于微波功率器件性能，同時(shí)還要避免對附近其它移動(dòng)用戶造成干擾，而影響系統(tǒng)容量。此外，功效低耗電大還會(huì)帶來電磁兼容EMC、維護(hù)成本等一系列問題。另一種思路是通過提升微波功率轉(zhuǎn)換效率增加功率輸出，但這種方法對工藝和設(shè)計(jì)的水平要求很高，目前尚在研究階段。由此可知，雖然新一代無線通信技術(shù)能夠大幅提高系統(tǒng)頻譜效率，但是功率效率將成為未來系統(tǒng)提升容量的瓶頸。
為了使B3G系統(tǒng)的性能在頻譜效率和功率效率兩方面獲得平衡，“FuTURE計(jì)劃”提出了基于分布式天線廣義小區(qū)（Gerneralized Cell based Distributed Radio）的無線接入網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。廣義小區(qū)是傳統(tǒng)蜂窩小區(qū)概念的擴(kuò)展。由于采用了分布式天線，廣義小區(qū)并不取決于單個(gè)天線的覆蓋范圍，更方便地，可定義為無線資源并行處理的多個(gè)天線構(gòu)成的一個(gè)小區(qū)。廣義小區(qū)提升系統(tǒng)性能的作用主要表現(xiàn)在四方面：其一，分散在小區(qū)內(nèi)部的天線縮短了移動(dòng)終端的無線接入距離，從而達(dá)到降低發(fā)射功率和干擾的目的；其二，廣義小區(qū)內(nèi)分布式多天線電波輻射較單個(gè)集中天線更為均勻，能夠較好地改善高頻段電波覆蓋效果；其三，廣義小區(qū)利用分布式多天線接入無線資源，各天線的信道衰落空間特性可視為是獨(dú)立變化的，因而系統(tǒng)可通過宏分集增益、動(dòng)態(tài)天線合并處理增益等彌補(bǔ)MIMO天線相關(guān)性的影響，提高頻譜效率和容量；其四，廣義小區(qū)利用宏分集有利于在移動(dòng)過程中實(shí)現(xiàn)平滑切換。
基于廣義小區(qū)的分布式無線接入網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)主要包括：中央單元控制器（CUC）、基站中央單元（CU）、無線光纖（ROF）、遠(yuǎn)端天線單元（RAU）。其中，CUC控制多個(gè)CU之間的協(xié)調(diào)工作；CU完成通信所需的信號處理功能及無線資源管理等任務(wù)；RAU用來接收和發(fā)射無線信號；CU和RAU之間的ROF實(shí)現(xiàn)無線調(diào)制信號的遠(yuǎn)距離高性能傳輸，無線調(diào)制信號可以是數(shù)字基帶、中頻或射頻多種選擇。ROF技術(shù)使天線可靈活延伸到較遠(yuǎn)的地方以減少盲區(qū)�；赗OF分布式天線廣義小區(qū)的接入網(wǎng)技術(shù)也將面臨挑戰(zhàn)，譬如：多天線協(xié)同工作、動(dòng)態(tài)無線資源管理、ROF光纖復(fù)用等等，還需要在現(xiàn)場組網(wǎng)試驗(yàn)過程中不斷完善。
�。�2）B3G集成測試平臺(tái)
B3G集成測試平臺(tái)具有開放式架構(gòu)、功能可重構(gòu)等特征，主要由一系列現(xiàn)代化通信儀器設(shè)備和測試開發(fā)構(gòu)件組成，能夠?qū)崿F(xiàn)空中接口指標(biāo)測試、模擬無線信道MIMO性能測試、電波覆蓋性能移動(dòng)路測、無線環(huán)境多徑信道測試、以及業(yè)務(wù)QOS性能測試等新型測試功能。
B3G集成測試平臺(tái)架構(gòu)包括頂層被測系統(tǒng)、中間儀器設(shè)備和底層綜合控制。具體功能包括：①中心控制。用于實(shí)現(xiàn)參數(shù)配置、測試流程自動(dòng)化、實(shí)時(shí)高速數(shù)據(jù)采集控制、用戶界面顯示等；②測試激勵(lì)生成。包括各類生成激勵(lì)及波形的測試設(shè)備和測試開發(fā)構(gòu)件；③測試性能分析：包括各類分析信號、能量、性能的測試設(shè)備和后處理分析軟件；④無線信道模擬。主要利用多通道無線信道仿真儀模擬真實(shí)環(huán)境中的各類無線信道；⑤與試驗(yàn)系統(tǒng)接口。測試平臺(tái)提供基帶、射頻、數(shù)據(jù)等多種接口，以滿足被測系統(tǒng)的需要。
�。�3）基于IPv6的業(yè)務(wù)演示平臺(tái)
全I(xiàn)P網(wǎng)絡(luò)已成為新一代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展的趨勢。B3G業(yè)務(wù)演示平臺(tái)（見圖1）基于IPv6將B3G試驗(yàn)系統(tǒng)接入到的高速數(shù)據(jù)核心網(wǎng)3TNet（“863計(jì)劃”項(xiàng)目），集成了IPTV數(shù)字電視、Internet、IP電話、視頻會(huì)議、VOD視頻點(diǎn)播、FTP等各種典型的業(yè)務(wù)應(yīng)用，是檢驗(yàn)B3G系統(tǒng)業(yè)務(wù)承載能力的重要手段，對于探索未來“三網(wǎng)融合”的業(yè)務(wù)應(yīng)用模式也有很好的借鑒作用。此外，B3G業(yè)務(wù)演示平臺(tái)可以支持多種無線應(yīng)用場景，包括室內(nèi)、城市熱點(diǎn)、開闊地以及高速移動(dòng)等等。為了驗(yàn)證B3G系統(tǒng)最大的業(yè)務(wù)支撐能力，B3G業(yè)務(wù)演示平臺(tái)采用數(shù)字高清晰度電視組播節(jié)目，可達(dá)到100Mb/s的數(shù)據(jù)帶寬。
5、B3G現(xiàn)場試驗(yàn)情況
根據(jù)“FuTURE計(jì)劃”的B3G系統(tǒng)研發(fā)計(jì)劃，B3G系統(tǒng)現(xiàn)場試驗(yàn)環(huán)境的研制工作于2004年啟動(dòng)，先后完成了“B3G系統(tǒng)組網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)及集成測試方法”總體方案評估、技術(shù)可行性驗(yàn)證、集成測試平臺(tái)研制及外場環(huán)境構(gòu)建、以及與B3G試驗(yàn)系統(tǒng)對接等一系列工作，目前，已開放給“FuTURE計(jì)劃”B3G系統(tǒng)現(xiàn)場試驗(yàn)使用。
B3G現(xiàn)場試驗(yàn)情況如圖2所示。B3G外場位于上海市西北的長寧區(qū)古北地段，模擬試驗(yàn)網(wǎng)是一個(gè)包含多種場景的多小區(qū)環(huán)境：在一個(gè)大學(xué)內(nèi)由四個(gè)接入點(diǎn)構(gòu)成了分布式兩小區(qū)，主要支持步行及車載慢速移動(dòng)，移動(dòng)路線包括大學(xué)操場和城市街道；另外，由兩個(gè)接入點(diǎn)構(gòu)成的分布式單小區(qū)，覆蓋附近的高架路，支持車載高速移動(dòng)。圖2還顯示出了B3G基站中央單元原型機(jī)、遠(yuǎn)端站天線、移動(dòng)終端原型機(jī)，以及B3G測試平臺(tái)、移動(dòng)測試車、業(yè)務(wù)演示環(huán)境等等。B3G現(xiàn)場試驗(yàn)主要特征如表1所示。
表1 B3G現(xiàn)場試驗(yàn)主要特征
B3G現(xiàn)場試驗(yàn)包括在上述各種無線環(huán)境下測試單小區(qū)單用戶、單小區(qū)多用戶以及多小區(qū)多用戶的系統(tǒng)容量、切換性能，以及演示高情電視、視頻會(huì)議、VOD視頻點(diǎn)播、Internet、Web瀏覽、FTP等寬帶移動(dòng)業(yè)務(wù)。部分測試與業(yè)務(wù)演示情況如圖3所示。
6、結(jié)論
在中國3G系統(tǒng)邁向產(chǎn)業(yè)化和國外B3G研究紛起的背景下，中國B3G系統(tǒng)在“FuTURE計(jì)劃”框架下順利進(jìn)入了現(xiàn)場試驗(yàn)階段。同時(shí)，融合了自主創(chuàng)新和集成創(chuàng)新技術(shù)的B3G系統(tǒng)研發(fā)集成試驗(yàn)平臺(tái)，為我國新一代寬帶無線移動(dòng)通信技術(shù)的持續(xù)發(fā)展創(chuàng)造了一個(gè)良好的科研服務(wù)平臺(tái)。該平臺(tái)凝聚了我國無線通信科研人員和各界精英的智慧和辛勤努力，展望未來，我國將為國際4G標(biāo)準(zhǔn)做出積極貢獻(xiàn)，該平臺(tái)將不斷發(fā)展與完善，力爭為促進(jìn)B3G技術(shù)走向成熟、邁向國際標(biāo)準(zhǔn)發(fā)揮更大作用。
----《移動(dòng)通信》
