UMB——3GPP2超移動寬帶解決方案

摘要　OFDM和MIMO技術(shù)作為最熱點(diǎn)的超寬帶候選技術(shù)，給幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、資源分配、信道設(shè)計(jì)等技術(shù)帶來了新的挑戰(zhàn)。本文結(jié)合筆者參與3GPP2相關(guān)工作的經(jīng)歷，淺析UMB中一些關(guān)鍵技術(shù)。

1、引言

3GPP2目前已經(jīng)完成了超移動寬帶解決方案UMB，從2006年初3GPP2征集候選技術(shù)開始，該方案的制定和完善歷時(shí)一年半多。UMB的提出和設(shè)計(jì)主要是為了滿足市場的長足發(fā)展，大幅度地提供系統(tǒng)性能，保持相對于其它技術(shù)的競爭力。

OFDM和MIMO技術(shù)作為最熱點(diǎn)的超寬帶候選技術(shù)，給幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、資源分配、信道設(shè)計(jì)等技術(shù)帶來了新的挑戰(zhàn)。本文結(jié)合筆者參與3GPP2相關(guān)工作的經(jīng)歷，淺析UMB中一些關(guān)鍵技術(shù)。

2、前綴設(shè)計(jì)

UMB保持與cdma2000的碼片速率1.2288Mbit/s一致，時(shí)序上定義了兩級幀結(jié)構(gòu)，即超幀和幀。其中，每個(gè)超幀包含1個(gè)前綴Preamle和24個(gè)業(yè)務(wù)幀（FFT≥256 時(shí)）。

前綴包含8個(gè)Symbol符號，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　前綴結(jié)構(gòu)示意圖

前綴中，主廣播信道占用第一個(gè)符號，輔廣播信道/快速尋呼信道奇偶復(fù)用隨后的4個(gè)符號，最后3個(gè)符號為TDM導(dǎo)頻。Preamble主要用于同步、獲得系統(tǒng)基本信息、反向功率控制、快速尋呼等。

（1）捕獲信道

UMB中使用主、輔同步的方式進(jìn)行同步。終端通過Superframe Preamble中TDM1和TDM2/3獲得同步。TDM的帶寬上限為480子載波（即5MHz），并且TDM在頻率上總是位于頻帶的中心頻率，這樣的TDM設(shè)計(jì)，可以集中功率發(fā)送導(dǎo)頻，同時(shí)終端可在每個(gè)超幀同樣的頻率位置捕獲TDM，加快捕獲速度。

TDM1不攜帶基站信息（即不攜帶PilotPN信息），終端通過捕獲TDM 1進(jìn)行基本的時(shí)間和頻率同步。TDM1使用GCL構(gòu)造，攜帶2bit的循環(huán)前綴CP長度信息，終端通過解調(diào)GCL，檢測出Preamble中其他符號及其他物理幀所使用的CP長度。為了保證TDM較大的覆蓋范圍，TDM符號固定使用最長的CP。

TDM2攜帶PilotPN（UMB使用PN標(biāo)識小區(qū)）和PilotPhase信息，終端通過TDM2完成小區(qū)標(biāo)識的檢測。

TDM3攜帶一些系統(tǒng)信息，即系統(tǒng)時(shí)間（異步模式時(shí)）、頻率復(fù)用指示（針對廣播信道和快速尋呼信道）、半雙工指示等。

另外，TDM2/3還攜帶用于反向功率控制的其他扇區(qū)干擾OSICH信息。OSICH共有3個(gè)取值，將其映射為3個(gè)相位值，TDM2/3使用相應(yīng)的相位進(jìn)行調(diào)制。具體的系統(tǒng)捕獲過程為：

●終端在進(jìn)行系統(tǒng)捕獲時(shí)，首先嘗試著使用所有的FFT大小和GCL的組合（共12種）接收TDM1，能正確解出TDM1的FFT Size和GCL值就是該系統(tǒng)使用的FFT（若FFT大小為512，則系統(tǒng)使用的FFT為大于等于512）和CP大小，根據(jù)確定的FFT大小和CP大小接收TDM2/3和廣播信道。

●終端嘗試著使用所有的PN值和已確定的FFT大小接收TDM2，從而獲得小區(qū)的PilotPN信息。終端繼續(xù)使用獲得的PilotPN/PilotPhase信息接收TDM3，獲得更多的系統(tǒng)信息，這些信息足夠繼續(xù)接收處理廣播信道和快速尋呼信道。

（2）廣播信道

廣播信道攜帶終端用于解調(diào)業(yè)務(wù)幀的信息。

●主廣播信道PBCCH攜帶與扇區(qū)無關(guān)的信息，如業(yè)務(wù)幀的FFT大小、保護(hù)子載波數(shù)等。

●輔廣播信道SBCCH攜帶扇區(qū)特定的、不經(jīng)常變化的信息，如基站的天線配置，導(dǎo)頻格式，Hopping結(jié)構(gòu)，控制信道結(jié)構(gòu)等。

●為了廣播信道和尋呼信號的相干解調(diào)，輔廣播信道/尋呼信道中插入導(dǎo)頻。

（3）快速尋呼信道

快速尋呼信道QPCH與SBCCH復(fù)用4個(gè)符號，QPCH在第偶數(shù)個(gè)超幀中發(fā)送，SBCCH在第奇數(shù)個(gè)超幀中發(fā)送。

由于超寬帶UMB中用戶容量大，而快速尋呼信道可用的時(shí)頻資源有限，就出現(xiàn)了尋呼信道中不能傳送完整的用戶指示（MACID），而是只能傳送一部分的MACID，這就會出現(xiàn)有些用戶誤醒去監(jiān)聽尋呼信道的情況。為了盡量降低用戶誤醒的概率，UMB中針對尋呼用戶數(shù)的不同，定義了多種快速尋呼的格式，以傳送盡可能完整的用戶標(biāo)識。

3、控制信道設(shè)計(jì)

介紹前反向控制信道設(shè)計(jì)之前，先簡單描述一下UMB業(yè)務(wù)信道設(shè)計(jì)，因?yàn)榭刂菩诺朗菫闃I(yè)務(wù)信道的正確傳送服務(wù)的，與業(yè)務(wù)信道的設(shè)計(jì)直接相關(guān)。UMB中前向業(yè)務(wù)信道為OFDM方式，反向業(yè)務(wù)信道除了支持OFDM方式外，針對小的數(shù)據(jù)包使用CDM方式。

（1）前向控制信道主要包含的物理信道

●共享控制信道F-SCCH：用于傳輸SISO和MIMO的資源分配、接入許可等信息。

●ACKCH：用于HARQ反饋。

●其他扇區(qū)干擾信道FOSICH：用于快速廣播其他扇區(qū)干擾情況。

●反向激活比特信道RABCH：用于指示反向鏈路負(fù)載情況。

●導(dǎo)頻質(zhì)量指示PQICH：用于反饋每個(gè)終端的反向?qū)ьl信道質(zhì)量，輔助終端選擇服務(wù)扇區(qū)和反向功率控制。

●功率控制信道PCCH：用于反向控制信道的閉環(huán)功率控制。

●分組開始指示信道SPCH：用于指示Persistent資源分配中無數(shù)據(jù)時(shí)終端維持前向資源的分配、新包開始或重新分配Persistent資源。

●IOTCH：通知其他扇區(qū)的終端，本扇區(qū)Subzone上的干擾情況，用于具體的功控調(diào)整。

反向控制信道分為CDMA部分（Segment）和OFDM部分。其中，CDMA部分主要用于非周期性、事件驅(qū)動、大量低速率或需要基站確認(rèn)信令的傳送，這是因?yàn)镃DMA更適用于基于用戶的控制信息的傳送。另外，對于突發(fā)的信令傳送，OFDM需要調(diào)度、分配資源，CDMA可以直接使用對應(yīng)的碼字進(jìn)行傳送，能滿足信令的時(shí)延要求，并且也無需為切換預(yù)留資源，CDMA控制部分占用時(shí)頻資源的單位為128×8符號。OFDMA控制部分主要用于周期性、高速率、確定性信令的傳送，對于周期性的控制信息，使用OFDM能降低開銷。

（2）反向控制信道CDMA部分主要包含的物理信道

●導(dǎo)頻信道：用于反向功率控制和信道測量，位于CDMA Subsegment，提供寬帶參考信號。

●輔助導(dǎo)頻信道：用于反向CDMA數(shù)據(jù)信道的相干解調(diào)。

●接入信道：用于用戶接入控制。

●CDMA專用控制信道（CDCCH）：包含邏輯信道r-cqich，r-reqch，r-pahch，r-psdch。r-cqich攜帶前向信道質(zhì)量指示和前向服務(wù)扇區(qū)標(biāo)識，用于切換判斷；r-reqch用于切換中請求新的RL資源，包含QoS等級、緩存區(qū)信息等。

（3）反向控制信道OFDM部分主要包含的物理信道

●專用導(dǎo)頻信道：用于OFDM專用控制信道及OFDMA數(shù)據(jù)信道的信道估計(jì)。

●ACKCH：用于前向HARQ的確認(rèn)，通過在不同的時(shí)頻資源重復(fù)發(fā)送相同的ACK信息獲得增益，以保證ACKCH信道的可靠性。

●OFDM專用控制信道（ODCCH）：邏輯信道r-cqich，r-reqch，r-mqich，r-sfch和r-bfch復(fù)用該物理信道。r-cqich和r-reqch用于非切換時(shí)的信道質(zhì)量指示和請求分配新的資源。后3個(gè)邏輯信道用于SIMO/MIMO中的反饋，將在多天線技術(shù)中介紹。

其中，物理信道之間通過擾碼區(qū)分、邏輯信道間通過Walsh碼區(qū)分。

4、多天線技術(shù)

UMB中支持的多天線（MIMO）技術(shù)主要包括空間發(fā)送分集、預(yù)編碼、空間復(fù)用（SM）、空分多址（SDMA）等。

（1）空間發(fā)送分集

空間發(fā)送分集主要用于抗衰落，避免深衰落。UMB支持2天線和4天線的空時(shí)發(fā)射分集STTD，并且為了更好地適應(yīng)信道變換，支持發(fā)射矩陣的Circu-lation模式。

（2）預(yù)編碼

預(yù)編碼就是通過給多個(gè)天線不同的權(quán)重來獲得SINR增益，有效天線數(shù)即信道的秩一般小于天線數(shù)，預(yù)編碼矩陣用于有效天線與實(shí)際天線之間映射。

在FDD系統(tǒng)中，預(yù)編碼需要終端反饋信道質(zhì)量、優(yōu)選的預(yù)編碼矩陣或向量、秩�；�站根據(jù)用戶反饋的碼本信息確定碼本，為用戶傳送數(shù)據(jù)。在TDD系統(tǒng)中，基站可根據(jù)信道的互異性，通過上行信道質(zhì)量估計(jì)信道狀況，不需要反饋和碼本設(shè)計(jì)。UMB支持兩種預(yù)編碼技術(shù)，即基于傅立葉的預(yù)編碼和Binary Unitary預(yù)編碼（天線選擇）。

（3）空間復(fù)用

空間復(fù)用（SU-MIMO）是將一個(gè)數(shù)據(jù)流拆分為多層，在空間各層（Rank）傳送，一般分為SCW和MCW。

SCW中，空間各層使用相同的調(diào)制編碼格式。接收端進(jìn)行層（Rank）預(yù)測和CQI測量、量化并反饋，針對多層，反饋一個(gè)CQI信息。發(fā)送端根據(jù)反饋的CQI信息，進(jìn)行速率匹配，得到PF，即調(diào)制、編碼格式。對于SCW，在進(jìn)行信息接收時(shí)，僅需經(jīng)過簡單的MMSE和LLR濾波即可。

MCW中，各層根據(jù)各自的信道狀態(tài)使用不同的調(diào)制編碼格式發(fā)送。接收端需要為每層測量和量化CQI以及層預(yù)測，AN根據(jù)反饋的CQI確定每層使用的PF格式。對于MCW接收端需要進(jìn)行連續(xù)的干擾刪除SIC。為了更好地適應(yīng)信道狀況，MCW中層與層之間可進(jìn)行置換。

UMB中使用層三信令配置支持SCW的還有MCW。

（4）空分多址（SDMA）

SDMA也稱為多用戶MIMO（MU-MIMO），它是利用空間信道的不相關(guān)來區(qū)分用戶，SDMA一般用于信道狀況很好的情況。SDMA中關(guān)鍵的技術(shù)問題是如何選擇多個(gè)信道不相關(guān)的用戶進(jìn)行復(fù)用。終端需要反饋優(yōu)選的預(yù)編碼向量、秩和CQI等信息。

UMB中使用Codebook來表示反饋信息，每個(gè)碼本中包含64個(gè)向量（Entry），這些向量分為多個(gè)組，分別支持發(fā)射分集、預(yù)編碼、空間復(fù)用和SDMA。對于用于SDMA的向量，繼續(xù)細(xì)分為多個(gè)簇，保證每個(gè)Cluster內(nèi)的向量具有相似的空間特性，這樣每個(gè)Cluster對應(yīng)一組矩陣，用于SDMA下多用戶傳輸。只有反饋的向量屬于不同SDMA簇的用戶才能復(fù)用傳輸數(shù)據(jù)，而反饋的向量屬于同一個(gè)SDMA簇的用戶有相似的空間特性，使用OFDM傳輸。而屬于Precoding的向量，不需要分簇。

為了支持空間復(fù)用、預(yù)編碼和SDMA，都需要終端反饋一些控制信令，UMB定義了下列邏輯信道傳送反饋信息：

●波束反饋信道R-bfch：用于反饋優(yōu)選的碼本向量或天線信息以及SU-MIMO與MU-MIMO間的CQI差值，后者配合r-sfch或r-mqich使用，主要用于SU-MIMO和MU-MIMO的選擇。

●子帶反饋信道r-sfch：為了獲得頻率選擇性增益，反饋?zhàn)訋У男蛱柡妥訋�與整帶寬間的CQI差值。

●MIMO CQI信道r-mqich：用于反饋預(yù)編碼SCW/MCW時(shí)整帶寬的CQI，以及無預(yù)編碼SCW/MCW時(shí)的CQI信息和Rank值。

5、資源分配

根據(jù)頻域分集和頻域選擇性的不同，有兩種資源分配方式（見圖2）。

圖2　兩種資源分配方式

（1）分散式資源分配（DRCH）：如圖2（a）所示，用戶分配的Tone（即符號）分散于整個(gè)帶寬，以獲得頻域分集增益，信道和干擾估計(jì)基于寬帶的公共導(dǎo)頻。所有可用子載波（T個(gè)）被分為N組，每組包含T/N個(gè)子載波，N對應(yīng)于圖中DRCH（16，0）的16，0表示符號位置的偏置。

（2）塊資源分配（BRCH或BH）：如圖2（b）所示，是集中式資源分配方式，即為用戶分配頻域上連續(xù)的一段頻率，時(shí)域上分配一個(gè)幀的所有符號，以獲得頻域選擇性增益。用戶在不同幀上占用的塊可以不同（Hopping），不同扇區(qū)的Hopping方式可以不同。信道和干擾估計(jì)基于專用導(dǎo)頻，根據(jù)SIMO/MIMO的方式不同，提供了3種導(dǎo)頻插入方式。

當(dāng)然，上面兩種資源分配方式也可以同時(shí)出現(xiàn)在每個(gè)物理幀中，具體有兩種模式；BH上打孔形成DRCH或DRCH，NH在不同的子帶上使用。

UMB中，前向鏈路支持上述兩種資源分配方式；反向鏈路上，為了避免用戶頻偏對其他用戶的影響，僅支持塊資源分配方式。

6、VoIP業(yè)務(wù)

VoIP業(yè)務(wù)有自身的技術(shù)特點(diǎn)：速率低、業(yè)務(wù)持續(xù)時(shí)間較長、周期傳送（一般以20ms為周期）。3GPP2針對VoIP的業(yè)務(wù)特點(diǎn)，進(jìn)行了專門的分組格式、資源分配策略等設(shè)計(jì)，以降低系統(tǒng)開銷、提高頻譜效率、支持更多的用戶。

（1）VoIP分組格式

VoIP分組比較小，速率較低，為了利用時(shí)頻資源，提高頻譜效率，3GPP2為VoIP分組定義了專門的分組格式，用于支持全速率和半速率的VoIP分組（考慮到分組格式太多，會增加VoIP分組解碼時(shí)間，未定義更低速率對應(yīng)的分組格式。1/4或更低速率的VoIP包使用半速率的VoIP分組格式）。如前向使用PF2和4，反向使用PF3和5。

（2）Group Resource Allocation（GRA）

UM針對VoIP持續(xù)時(shí)間比較長和周期性傳送的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了GRA資源分配和管理策略。GRA是在時(shí)域上為VoIP用戶分配了固定的、等間隔的時(shí)隙，并在頻域上分出一些帶寬用于VoIP分組傳送，也就是說GRA為VoIP用戶分配周期性的時(shí)頻資源。所有的VoIP用戶共享這些時(shí)頻資源，并使用Bitmap管理這些資源，通過Bitmap通知哪些用戶占用資源，使用多大的資源。Bitmap通過業(yè)務(wù)信道傳送。

一般的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)具有突發(fā)特性，所以數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的資源采用調(diào)度、分配的策略。一般來講，為用戶分配的資源只在當(dāng)前及重傳時(shí)隙有效，也就是說一次調(diào)度的數(shù)據(jù)塊傳輸成功后，其占用的資源就默認(rèn)釋放。但是VoIP業(yè)務(wù)持續(xù)的時(shí)間比較長，如果每次傳送都使用信令或占用控制信道為其分配資源的話，會帶來大量的開銷，降低頻譜效率。針對這一特點(diǎn)，UMB中支持Persistent資源分配方式，Persistent資源分配是指某時(shí)頻資源一旦被分配給一用戶（比如分配給信道狀況差的用戶），該資源將持續(xù)被該用戶占有，直到該用戶不再有數(shù)據(jù)需要傳送，從而降低資源分配信息。但對于Persistent資源分配方式，如果用戶重傳提前結(jié)束或短時(shí)間內(nèi)不傳送數(shù)據(jù)，則分配給用戶的資源將被浪費(fèi)。針對此問題，UMB中將這些資源重新分配給數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，充分利用資源，提高頻譜效率。此外，Persistent資源分配下，若暫時(shí)無數(shù)據(jù)傳送，基站將向終端發(fā)送Keep Alive Bit通知用戶，以減少終端的解調(diào)工作。

7、反向功率控制

這里的功率控制分為控制信道、CDMA業(yè)務(wù)信道和OFDM業(yè)務(wù)信道。反向CDMA業(yè)務(wù)信道的功率控制方式與cdma2000 1x EV DO Rel A業(yè)務(wù)信道的功控方式一致（本文不再描述），本文重點(diǎn)描述控制信道和OFDM業(yè)務(wù)信道的功率控制方式。

基站使用反向?qū)ьl信道R-PICH作為閉環(huán)功率的基準(zhǔn)，反向?qū)ьl信道采用CDMA方式周期性發(fā)送�；�站對R-PICH的功控方式與傳統(tǒng)的閉環(huán)功控方式相同，即基站比較導(dǎo)頻信道的SINR與目標(biāo)值，確定基站發(fā)送的功控PC比特信息，終端根據(jù)接收到的PCB抬升或降低R-PICH的發(fā)送功率。

其它反向控制信道以R-PICH的功率作為基準(zhǔn)，進(jìn)行功率調(diào)制，調(diào)制的粒度與反向服務(wù)扇區(qū)的ROT，導(dǎo)頻質(zhì)量指示PQI相關(guān)。

對于反向OFDM業(yè)務(wù)信道，也以R-PICH功率為基準(zhǔn)，其功率控制表示為：Pdch(n)=Pref(n)+△P(n)；其中，Pdch(n)為業(yè)務(wù)信道第n幀的發(fā)射功率（每子載波）；Pref(n)為R-PICH功率；△P(n)為第n幀的功率調(diào)整Delta值。

終端反向業(yè)務(wù)信道功率大小與該終端引起的扇區(qū)間干擾以及扇區(qū)內(nèi)干擾相關(guān)。首先，因?yàn)榉聪蜴溌飞喜煌�終端占用不同的時(shí)頻資源，應(yīng)該避免基站接收到的子載波間功率相差太大，因?yàn)槿糨d波間功率相差太大，將導(dǎo)致載波將正交性下降，降低網(wǎng)絡(luò)容量。也就是說為了降低扇區(qū)內(nèi)干擾，應(yīng)該限制業(yè)務(wù)信道的變化范圍，

其次，基于OFDMA的業(yè)務(wù)信道，主要是本小區(qū)對鄰小區(qū)的干擾，但服務(wù)扇區(qū)并不了解此扇區(qū)業(yè)務(wù)信道引起的扇區(qū)間干擾。因此，在融合方案中，當(dāng)扇區(qū)的IOT（Iinterference over Thermal）高于門限值時(shí)，使用超幀前綴的F-OSICH（扇區(qū)間干擾信道）廣播負(fù)載指示，該負(fù)載指示可取3個(gè)值0，1，2，用于控制干擾終端的功率（F-OSICH覆蓋相鄰扇區(qū)）。負(fù)載指示OSI可表示為：

對于終端，它監(jiān)聽所有鄰扇區(qū)的OSI廣播信息，但僅處理最強(qiáng)鄰扇區(qū)的OSI。若終端處理的OSI為1或2，則終端降低△P(n)值。當(dāng)然，針對1和2，△P(n)值不同；反之，若OSI為0，則終端提升△P(n)值，即終端利用OSI調(diào)整發(fā)送功率。

另外，終端將Delta值和目前可支持的最大子載波數(shù)發(fā)送給基站，基站可用這些信息進(jìn)行反向鏈路分配。也就是說Delta較小的用戶，可能分配到較多的子載波，獲得更高的數(shù)據(jù)速率，即基站可利用這些信息在調(diào)度過程中更好地進(jìn)行公平/容量的折衷。

8、接入技術(shù)

UMB最初的接入設(shè)計(jì)是：終端進(jìn)行接入時(shí)，首先從AccessSequence接入序列池中選出一個(gè)序列作為掩碼在接入信道上接入，具體的接入過程與HRPD類似。若接入成功，基站通過前向共享控制信道發(fā)送接入許可AG，為終端分配MACID標(biāo)識等，同時(shí)為用戶分配前、反向資源。

終端通過Hash算法獲得AccessSequence，有可能兩個(gè)（或多個(gè)）終端選中了同樣的AccessSequence，這樣將導(dǎo)致其中一個(gè)接入失敗。為了盡量避免不同AT使用相同的AccessSequence，應(yīng)該盡量地根據(jù)用戶類似細(xì)分AccessSequence。UMB中首先將AccessSequence分為兩部分：一部分用于初始接入，另一部分用于尋呼接入，從而降低一定的碰撞概率。

對于尋呼接入，接入嘗試在一個(gè)超幀后成功（約22ms），也就是說基站就能很好地了解到AccessSequence的使用情況。通過Page中攜帶AccessSequence的方式為用戶制定接入序列能很好地避免接入序列的沖突。另外，基站在不了解終端信道情況的條件下發(fā)送AG和資源分配消息，會導(dǎo)致功率的浪費(fèi)。如果終端接入時(shí)使用的AccessSequence信息攜帶信道信息，則AN能更有效地發(fā)送AG和資源分配消息。另外，對于不同QoS要求的接入，基站應(yīng)進(jìn)行不同的處理。如何通知基站終端目前的接入QoS要求?實(shí)際上為尋呼接入預(yù)留的AccessSequence遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于用戶數(shù)，可以將AccessSequence進(jìn)行分組，組內(nèi)每個(gè)AccessSequence標(biāo)識一定的信道狀況和QoS，這樣基站通過接收到的AccessSequence，就能獲得對應(yīng)的信道和QoS信息。

以上主要介紹了3GPP2 UMB系統(tǒng)設(shè)計(jì)中最關(guān)鍵也是最具特色的一些設(shè)計(jì)。目前，3GPP2正在為IMT-Advanced系統(tǒng)做準(zhǔn)備工作，中繼Relay，反向MIMO，DPC編碼，網(wǎng)絡(luò)MIMO等技術(shù)也被相繼提出，這些新技術(shù)的可實(shí)現(xiàn)性以及對現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的影響正在進(jìn)一步討論中。