IMT-Advanced無線空中接口關鍵技術
訊石光通訊網(wǎng)
2008/2/28 9:35:42
摘要 IMT-Advanced標準化工作已經(jīng)迫在眉睫，本文介紹了IMT-Advanced的幾個代表性物理層技術方向，包括多址技術、多天線技術、調制和編碼、小區(qū)間干擾抑制技術、中繼技術、廣播組播技術等，討論了在這些技術方向上幾個可能的技術發(fā)展趨勢。
1、國際B3G研究工作進展
B3G技術的研究從20世紀末3G技術完成標準化之時就開始了。2006年，ITU-R已經(jīng)正式將B3G技術命名為IMT-Advanced技術（3G技術名為IMT-2000）。根據(jù)原定的工作計劃，IMT-Advanced標準化已經(jīng)“近在眼前”。ITU-R將在2008年2月向各國發(fā)出通函，向各國和各標準化組織征集IMT-Advanced技術提案。IMT-Advanced技術需要實現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)率和更大的系統(tǒng)容量，目標峰值速率為：低速移動、熱點覆蓋場景下1 Gbit/s以上，高速移動、廣域覆蓋場景下100 Mbit/s。
國際上針對IMT-Advanced的研究已經(jīng)取得了一系列重要的進展。日本NTT DoCoMo公司已經(jīng)通過4×4和12×12天線MIMO（多進多出）技術在100 MHz帶寬下分別驗證了1 Gbit/s（室外試驗）和5 Gbit/s的峰值傳輸速率，在硬件實現(xiàn)方面處于世界領先位置。歐盟第6框架研究項目WINNER自2004年啟動以來。吸引了歐洲各主要通信設備商，第一階段（Phase Ⅰ）已于2005年底完成，就各種B3G關鍵技術進行了廣泛的調研，形成了系統(tǒng)化的結論。將于2007年底完成的第二階段（Phase Ⅱ）將完成系統(tǒng)設計和性能評估過程，形成完善的技術方案。2008年開始的第三階段（Phase Ⅲ）將進行演示系統(tǒng)的開發(fā)和實驗。同時，歐盟大力支持的世界無線研究論壇（WWRF）已經(jīng)成為國際B3G技術交流的主要平臺之一。另外，日本和韓國也分別成立了mITF（移動IT論壇）和NGMC（下一代移動通信）論壇，推廣自己的B3G研究成果。
目前的各標準化組織正在正式或非正式地開展針對IMT-Advanced的預研。3GPP2在加緊進行AIE（空中接口演進）標準化的同時，設立了先進技術演進（ATE）項目，并開始針對IMT-Advanced提案進行研究。IEEE在2006年12月終于批準了802.16m的立項申請（PAR），此項目將在IEEE 802.16e（WiMAX技術）的基礎上開發(fā)滿足IMT-Advanced需求的技術方案。相對而言，3GPP并沒有明確展開針對IMT-Advanced的工作，但實際上正在標準化的LTE（長期演進）技術已經(jīng)具有部分4G技術的特征，預計3GPP會基于LTE進一步演進，形成歐洲IMT-Advanced技術提案的一個重要來源。
2006年，數(shù)家國際移動通信運營商聯(lián)合成立了NGMN論壇，想要引領新一代寬帶移動通信的走向。目前NGMN白皮書已經(jīng)初步成型，并對各國各標準化組織的研究和標準化工作產(chǎn)生重大影響。
2、IMT-Advanced空中接口核心技術
雖然完整的B3G系統(tǒng)應包括核心網(wǎng)、接入網(wǎng)和無線接入，但ITU-R主要將IMT-Advanced標準定位于一種無線接入技術。從目前的國際研究現(xiàn)狀來看，IMT-Advanced的候選技術有趨同的趨勢，幾個技術陣營都認為IMT-Advanced的基礎是OFDMA（正交頻分多址接入）和MIMO技術，各種研究和標準化工作均圍繞MIMO OFDMA技術進行不同方面的增強和優(yōu)化，以使MIMO OFDMA系統(tǒng)發(fā)揮更好的性能。IMT-Advanced空中接口物理層核心技術主要包括如下幾個方面。
2.1 基本傳輸和多址技術
雖然IMT-Advanced系統(tǒng)很可能以OFDMA技術為核心，但卻有多種多樣的變種。這些變種是為了解決OFDMA技術中的某些潛在問題或進一步增強其性能而產(chǎn)生的。主要的增強和優(yōu)化方向包括以下方面。
?。?）小區(qū)間多址和干擾消除
眾所周知，CDMA技術更適合在低信噪比區(qū)域提高功率效率，而OFDMA技術則更適合在高信噪比區(qū)域提高頻譜效率。以WiMAX、LTE、UMB（超移動寬帶）為代表的E3G技術由于從語音業(yè)務（功率效率更重要）為主轉向側重數(shù)據(jù)業(yè)務（頻譜效率更重要），因此用OFDMA技術替代了CDMA技術。但這并不意味著OFDMA適合解決所有移動通信中的問題。實際上，在一個蜂窩移動通信系統(tǒng)中，頻譜受限和功率/干擾受限的場景都存在。例如在小區(qū)中心，信干比較高，功率充足的情況下，應注重提高頻譜效率，以實現(xiàn)更大的系統(tǒng)容量；但在小區(qū)邊緣，相鄰小區(qū)干擾比較嚴重的情況下，系統(tǒng)功率受限，應注重提高功率效率，以提高小區(qū)邊緣的數(shù)據(jù)率。
因此，除了采用某些補充性的小區(qū)間干擾消除技術外，可以將OFDMA和CDMA技術有機結合、靈活切換，以在不同的場景下，揚長避短，靈活提高系統(tǒng)的頻譜效率和功率效率，取得均衡的系統(tǒng)性能。在3GPP2 UMB中，采用了相對固定的結合方式，即對低速率語音業(yè)務和控制信令采用CDMA技術，對高速率數(shù)據(jù)業(yè)務采用OFDMA技術。另外，更靈活的結合方式是OFDMA和CDMA疊加的方式，即采用OFDM（正交頻分復用）作為底層調制方式，在此基礎上疊加CDMA作為資源分配方式。這種技術在學術界被稱為多載波CDMA（MC-CDMA），日本NTT DoCoMo公司稱其為VSF（可變擴頻系數(shù)）-OFDM技術。
（2）降低峰平比
由于OFDM在頻域傳輸?shù)奶匦?，造成OFDM發(fā)射機的PAPR（峰平比）較高，需要大線性范圍的功放，且耗電較高。從而對移動終端在上行的應用造成了很多限制。為了解決這個問題，除了可以在OFDMA基礎上采用削波、預留子載波等方法外，也可以采用線性預處理的方法。LTE上行目前采用的DFT-S-OFDM就是在OFDM的IFFT（反快速傅立葉變換）操作前增加了一個DFT（離散傅立葉變換），將OFDM的頻域信號恢復到時域，從而降低PAPR。
?。?）進一步提高系統(tǒng)容量
在OFDMA基礎上進一步提高系統(tǒng)容量，也是一個改進的方向。主要的思路是在OFDM這個正交多址的基礎上再疊加非正交的多址技術，使多個用戶可以共享相同的時頻資源。其中一個例子是利用多天線技術實現(xiàn)空分多址（SDMA）。另外，也可以通過星座交疊（或稱分級調制）的方法在一個時頻資源內疊加“近端用戶”和“遠端用戶”來提高系統(tǒng)容量。另一個可能的方向是通過先進的碼和序列設計，制造可控的相關性，以實現(xiàn)大容量的非正交傳輸。
?。?）系統(tǒng)設計適應IMT-Advanced的新需求
即使保持傳統(tǒng)OFDMA作為基本多址技術，OFDMA系統(tǒng)的設計也需要適應IMT-Advanced系統(tǒng)高頻段、高帶寬、注重室內覆蓋等新需求，根據(jù)這些新的要求對系統(tǒng)參數(shù)、導頻、控制信道、物理過程等進行重新優(yōu)化設計。
2.2 多天線技術
MIMO技術作為寬帶移動通信的另一項關鍵技術，也已經(jīng)被E3G系統(tǒng)廣泛采用，但隨著人們對各種MIMO技術的研究逐漸深入，正在不斷完善對這些技術的設計和使用。IMT-Advanced系統(tǒng)可能使用的MIMO技術主要包括如下幾類。
?。?）閉環(huán)預編碼技術
這種技術可以利用接收端反饋的MIMO信道的先驗信息，通過預編碼矩陣調制MIMO發(fā)射信號，靈活地根據(jù)信道條件調整并行流的數(shù)量，并將能量集中在特定的方向上，以獲得最佳的MIMO傳輸效果。在FDD系統(tǒng)中，信道的先驗信息可以通過對MIMO信道的測量獲得，并通過反饋信道傳遞給發(fā)送端。為了降低反饋開銷，通常采用碼本的方式進行反饋。在TDD系統(tǒng)中，由于上下行信道具有對稱性，可以通過上行信道測量獲得下行預編碼所需的MIMO信道信息，即通過非碼本的方式實現(xiàn)閉環(huán)反饋。
?。?）波束賦形技術
波束賦形技術從廣義上來講，也可以算是一種閉環(huán)預編碼處理。但在標準化中，有時也將波束賦形和閉環(huán)預編碼做一定的界定，即將基于小天線間距（約為1/2載頻波長）天線陣列的技術稱為波束賦形，將基于大天線間距（數(shù)倍載頻波長）天線陣列的技術稱為閉環(huán)預編碼。波束賦形由于天線間距小，可以更好地利用天線之間的相關性，集中能量，獲得賦形增益，實現(xiàn)很好的覆蓋。閉環(huán)預編碼由于天線間距較大，可以更好地利用天線之間的獨立性，有利于并行傳輸，獲得復用增益，因此閉環(huán)預編碼技術更適合在微小區(qū)和室內覆蓋場景下獲得更高的數(shù)據(jù)率。但在室外宏小區(qū)覆蓋情況下，由于復雜的信道衰落和干擾環(huán)境，信道通常很難支持較多的并行流傳輸，閉環(huán)預編碼在多流傳輸方面的優(yōu)勢難以發(fā)揮。反之，波束賦形在覆蓋方面的優(yōu)勢在室外宏小區(qū)環(huán)境下顯得更為重要。另外，波束賦形系統(tǒng)也可以利用多個波束實現(xiàn)多流并行傳輸或SDMA，提高系統(tǒng)容量。
（3）開環(huán)發(fā)射分集
閉環(huán)多天線技術的使用是受限制的，即必須獲得信道的先驗信息。但在某些情況下，信道信息是很難先驗獲得的。例如對于高速移動的終端，信道信息的反饋頻率跟不上信道的變化。對于公共信道和廣播信道，通常只能采用全向發(fā)射，也無法采用閉環(huán)預編碼或波束賦形技術進行傳輸，因此必須采用不依賴閉環(huán)反饋的開環(huán)MIMO技術。其中公共信道和廣播信道主要注重傳輸?shù)逆溌焚|量。但對頻譜效率要求不高，可以采用開環(huán)發(fā)射分集技術，充分利用多天線之間的分集增益。
（4）開環(huán)空間復用
這種開環(huán)MIMO技術是在不依賴閉環(huán)反饋的情況下實現(xiàn)多流并行傳輸，可以在高速移動情況下提高數(shù)據(jù)率，或在室內等簡單的信道環(huán)境下避免閉環(huán)預編碼技術帶來的反饋開銷。
2.3 編碼和調制
在信道編碼方面，對LDPC（低密度奇偶校驗碼）的使用始終讓業(yè)界猶豫不決，主要原因是LDPC的性能并沒有表現(xiàn)出比Turbo碼有很大提高。這種情況下很難讓人們下決心替換熟悉的、成熟的、經(jīng)過實踐檢驗的Turbo碼。但IMT-Advanced的新需求給了大家再次考慮采用LDPC的機會。由于IMT-Advanced系統(tǒng)的帶寬將大幅提高，數(shù)據(jù)塊的尺寸越來越大，LDPC在處理大碼塊方面的優(yōu)勢將變得愈發(fā)明顯，因此可以考慮將LDPC和Turbo碼配合使用，在寬帶傳輸方面提高系統(tǒng)性能。在實現(xiàn)方面，結構化的LDPC可以較好地解決編碼的復雜度問題。
在調制方面，可以在傳統(tǒng)調制技術的基礎上，考慮非正交的調制技術，即通過可控的相關，進一步逼近鏈路容量上限。
2.4 小區(qū)間干擾抑制
小區(qū)邊緣的性能下降，在IMT-Advanced系統(tǒng)中仍將是重大的難題。MIMO技術的使用可以提高小區(qū)中心的數(shù)據(jù)率，卻很難提高小區(qū)邊緣的性能。小區(qū)邊緣由于信干比較低，很難支持多流傳輸，因此隨著系統(tǒng)采用的天線數(shù)量增多，小區(qū)中心的性能可能不斷提高，但小區(qū)邊緣的性能卻很難提高，在小區(qū)中心可以使用的高階調制方式也很難在小區(qū)邊緣使用，造成小區(qū)中心和小區(qū)邊緣的性能差異越來越大，因此在未來的IMT-Advanced系統(tǒng)設計中，抑制小區(qū)間干擾技術對系統(tǒng)整體性能的提升將起到更關鍵的作用，也將面臨更大的挑戰(zhàn)。
正如§2.1中介紹的，雖然在現(xiàn)有LTE系統(tǒng)中采用了一系列補充型的干擾抑制技術，但性能仍差強人意。在LTE系統(tǒng)中采用的干擾摒棄消除（IRC）接收機，沒有利用擴頻增益，只依賴小區(qū)間的空間信道差異，難以獲得滿意的性能。另一項干擾抑制技術——小區(qū)間協(xié)調，在復雜的實際蜂窩部署環(huán)境中可能會遇到較大困難。在小區(qū)形狀復雜，多小區(qū)重疊配置的情況下，一個小區(qū)可能有相當多的相鄰小區(qū)，造成小區(qū)間的干擾信息交換量過大，系統(tǒng)的調度和功控受限制過多，使資源管理算法變得過于復雜。
相對而言，采用CDMA和OFDMA的結合，利用CDMA的小區(qū)間多址能力，使用聯(lián)合檢測，不需要小區(qū)間通信和協(xié)調，可以適應各種復雜的環(huán)境。
2.5 中繼和分布式天線技術
一方面，IMT-Advanced系統(tǒng)提出了很高的系統(tǒng)容量要求，另一方面，足以支撐高容量的大帶寬頻譜可能只能在較高頻段找到，而這樣高的頻段的路損和穿透損耗都較大，很難實現(xiàn)好的覆蓋。除了使用基于基站的OFDMA、MIMO、智能天線、發(fā)射分集等技術擴大覆蓋范圍外，還可以采用中繼技術和分布式天線技術改善系統(tǒng)容量和覆蓋。
所謂的中繼技術，以較簡單的兩跳中繼為例，就是將一個基站終端鏈路分割為基站中繼站和中繼站終端兩個鏈路，從而有機會將一個質量較差的鏈路替換為兩個質量較好的鏈路，以獲得更高的鏈路容量及更好的覆蓋。用于提高容量的中繼系統(tǒng)通常稱為“透明中繼”系統(tǒng)。在這種系統(tǒng)中，中繼站對終端是透明的，即基站本來有能力覆蓋該終端，但為了獲得更高系統(tǒng)容量而引入中繼站，但同步、公共廣播信道、上行隨機接入信道仍由基站直接發(fā)送/接收，中繼站只是作為業(yè)務信道的增強通道，因此終端意識不到中繼站的存在。用于擴展覆蓋的中繼系統(tǒng)通常稱為“非透明中繼”系統(tǒng)。在這種系統(tǒng)中，中繼站對終端是可見的，即基站本來就無法覆蓋該終端，為了延伸覆蓋而引入中繼站，因此同步、公共廣播信道、上行隨機接入信道也必須由中繼站轉發(fā)/轉收，因此終端可以也必須意識到中繼站的存在。
中繼系統(tǒng)的設計首先是一個幀結構設計問題，也即系統(tǒng)需要依靠一個精心設計的幀結構在基站中繼站和中繼站終端兩個鏈路之間合理地分配時隙資源，協(xié)調兩個鏈路的傳輸。中繼幀結構的設計針對透明中繼和非透明中繼是不同的。透明中繼不需要考慮同步、廣播等公共信道的傳遞問題，但必須考慮兩個鏈路之間業(yè)務信道的相互干擾；非透明中繼可以假設兩個鏈路之間的干擾可以忽略，但必須支持同步、廣播等公共信道的有效傳遞。另外，由于引入中繼站相當于引入了一個新的網(wǎng)絡節(jié)點，這個新節(jié)點的物理層能力、物理過程的設計都需要重新考慮。
在最簡單的兩跳中繼的基礎上，還可以擴展到多跳中繼，即在基站和終端之間插入多于一個的中繼站，這種情況下幀結構的設計和資源分配會更為復雜。在簡單的點對多點中繼的基礎上，也可以考慮兩個中繼站的直接通信，即網(wǎng)格（Mesh）中繼。除了將一個中繼站看作一個獨立的發(fā)射站外，還可以在多個中繼站或在中繼站與基站之間進行聯(lián)合發(fā)送/接收，即協(xié)調中繼。
2.6 多媒體廣播組播技術
多媒體廣播組播（MBMS）業(yè)務相對單播移動寬帶業(yè)務而言，實現(xiàn)更為簡單，又可以支持有潛在廣泛用戶基礎的手機電視業(yè)務，因此受到越來越廣泛的關注。MBMS系統(tǒng)既可以使用獨立的載波部署，也可以和單播系統(tǒng)復用在一個載波中。但實際上，廣播系統(tǒng)的設計原則和單播系統(tǒng)頗有不同。單播系統(tǒng)在不同小區(qū)發(fā)送不同的數(shù)據(jù)，相鄰小區(qū)的信號是有害的干擾，必須要設法抑制。而廣播系統(tǒng)中，不同小區(qū)發(fā)送相同的數(shù)據(jù)，相鄰小區(qū)的信號和本小區(qū)的信號可以在空中自然地有效疊加，是有益的信號分量，系統(tǒng)可以通過宏分集合并提高接收性能。這種多小區(qū)合并的方式又稱為單頻網(wǎng)（SFN）方式。為了獲得SFN合并效果，OFDM系統(tǒng)需要進行一定程度的重新優(yōu)化。如采用較長的CP（循環(huán)前綴）以避免由于傳輸時延差造成的自干擾，采用更小的子載波間隔（考慮MBMS業(yè)務主要用于低速移動場景）以取得更高的頻譜效率等。
另外，物理層配置、網(wǎng)絡架構、用于MBMS的MIMO技術等，也是MBMS系統(tǒng)的重要研究課題。
3、結語
本文介紹了國際IMT-Advanced技術的研究情況和幾項IMT-Advanced空中接口核心技術的研究方向。由于篇幅的限制，還有一些技術沒有涉及，如頻譜共向技術、異構切換技術、軟件無線電技術等。
新聞來源：電信科學
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