IMT-Advanced無線空中接口關(guān)鍵技術(shù)

摘要　IMT-Advanced標(biāo)準(zhǔn)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(shù)方向，包括多址技術(shù)、多天線技術(shù)、調(diào)制和編碼、小區(qū)間干擾抑制技術(shù)、中繼技術(shù)、廣播組播技術(shù)等，討論了在這些技術(shù)方向上幾個可能的技術(shù)發(fā)展趨勢。

1、國際B3G研究工作進(jìn)展

B3G技術(shù)的研究從20世紀(jì)末3G技術(shù)完成標(biāo)準(zhǔn)化之時就開始了。2006年，ITU-R已經(jīng)正式將B3G技術(shù)命名為IMT-Advanced技術(shù)（3G技術(shù)名為IMT-2000）。根據(jù)原定的工作計劃，IMT-Advanced標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)化組織征集IMT-Advanced技術(shù)提案。IMT-Advanced技術(shù)需要實現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)率和更大的系統(tǒng)容量，目標(biāo)峰值速率為：低速移動、熱點(diǎn)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(jìn)展。日本NTT DoCoMo公司已經(jīng)通過4×4和12×12天線MIMO（多進(jìn)多出）技術(shù)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(lǐng)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(shè)備商，第一階段（Phase Ⅰ）已于2005年底完成，就各種B3G關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了廣泛的調(diào)研，形成了系統(tǒng)化的結(jié)論。將于2007年底完成的第二階段（Phase Ⅱ）將完成系統(tǒng)設(shè)計和性能評估過程，形成完善的技術(shù)方案。2008年開始的第三階段（Phase Ⅲ）將進(jìn)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(shù)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(biāo)準(zhǔn)化組織正在正式或非正式地開展針對IMT-Advanced的預(yù)研。3GPP2在加緊進(jìn)行AIE（空中接口演進(jìn)）標(biāo)準(zhǔn)化的同時，設(shè)立了先進(jìn)技術(shù)演進(jìn)（ATE）項目，并開始針對IMT-Advanced提案進(jìn)行研究。IEEE在2006年12月終于批準(zhǔn)了802.16m的立項申請（PAR），此項目將在IEEE 802.16e（WiMAX技術(shù)）的基礎(chǔ)上開發(fā)滿足IMT-Advanced需求的技術(shù)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(biāo)準(zhǔn)化的LTE（長期演進(jìn)）技術(shù)已經(jīng)具有部分4G技術(shù)的特征，預(yù)計3GPP會基于LTE進(jìn)一步演進(jìn)，形成歐洲IMT-Advanced技術(shù)提案的一個重要來源。

2006年，數(shù)家國際移動通信運(yùn)營商聯(lián)合成立了NGMN論壇，想要引領(lǐng)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(biāo)準(zhǔn)化組織的研究和標(biāo)準(zhǔn)化工作產(chǎn)生重大影響。

2、IMT-Advanced空中接口核心技術(shù)

雖然完整的B3G系統(tǒng)應(yīng)包括核心網(wǎng)、接入網(wǎng)和無線接入，但I(xiàn)TU-R主要將IMT-Advanced標(biāo)準(zhǔn)定位于一種無線接入技術(shù)。從目前的國際研究現(xiàn)狀來看，IMT-Advanced的候選技術(shù)有趨同的趨勢，幾個技術(shù)陣營都認(rèn)為IMT-Advanced的基礎(chǔ)是OFDMA（正交頻分多址接入）和MIMO技術(shù)，各種研究和標(biāo)準(zhǔn)化工作均圍繞MIMO OFDMA技術(shù)進(jìn)行不同方面的增強(qiáng)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(shù)主要包括如下幾個方面。

2.1　基本傳輸和多址技術(shù)

雖然IMT-Advanced系統(tǒng)很可能以O(shè)FDMA技術(shù)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(shù)中的某些潛在問題或進(jìn)一步增強(qiáng)其性能而產(chǎn)生的。主要的增強(qiáng)和優(yōu)化方向包括以下方面。

（1）小區(qū)間多址和干擾消除

眾所周知，CDMA技術(shù)更適合在低信噪比區(qū)域提高功率效率，而OFDMA技術(shù)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(shù)由于從語音業(yè)務(wù)（功率效率更重要）為主轉(zhuǎn)向側(cè)重數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)（頻譜效率更重要），因此用OFDMA技術(shù)替代了CDMA技術(shù)。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(yīng)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(yán)重的情況下，系統(tǒng)功率受限，應(yīng)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(bǔ)充性的小區(qū)間干擾消除技術(shù)外，可以將OFDMA和CDMA技術(shù)有機(jī)結(jié)合、靈活切換，以在不同的場景下，揚(yáng)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(jié)合方式，即對低速率語音業(yè)務(wù)和控制信令采用CDMA技術(shù)，對高速率數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)采用OFDMA技術(shù)。另外，更靈活的結(jié)合方式是OFDMA和CDMA疊加的方式，即采用OFDM（正交頻分復(fù)用）作為底層調(diào)制方式，在此基礎(chǔ)上疊加CDMA作為資源分配方式。這種技術(shù)在學(xué)術(shù)界被稱為多載波CDMA（MC-CDMA），日本NTT DoCoMo公司稱其為VSF（可變擴(kuò)頻系數(shù)）-OFDM技術(shù)。

（2）降低峰平比

由于OFDM在頻域傳輸?shù)奶匦裕�造成OFDM發(fā)射機(jī)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(yīng)用造成了很多限制。為了解決這個問題，除了可以在OFDMA基礎(chǔ)上采用削波、預(yù)留子載波等方法外，也可以采用線性預(yù)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(fù)到時域，從而降低PAPR。

（3）進(jìn)一步提高系統(tǒng)容量

在OFDMA基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高系統(tǒng)容量，也是一個改進(jìn)的方向。主要的思路是在OFDM這個正交多址的基礎(chǔ)上再疊加非正交的多址技術(shù)，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(shù)實現(xiàn)空分多址（SDMA）。另外，也可以通過星座交疊（或稱分級調(diào)制）的方法在一個時頻資源內(nèi)疊加“近端用戶”和“遠(yuǎn)端用戶”來提高系統(tǒng)容量。另一個可能的方向是通過先進(jìn)的碼和序列設(shè)計，制造可控的相關(guān)性，以實現(xiàn)大容量的非正交傳輸。

（4）系統(tǒng)設(shè)計適應(yīng)IMT-Advanced的新需求

即使保持傳統(tǒng)OFDMA作為基本多址技術(shù)，OFDMA系統(tǒng)的設(shè)計也需要適應(yīng)IMT-Advanced系統(tǒng)高頻段、高帶寬、注重室內(nèi)覆蓋等新需求，根據(jù)這些新的要求對系統(tǒng)參數(shù)、導(dǎo)頻、控制信道、物理過程等進(jìn)行重新優(yōu)化設(shè)計。

2.2　多天線技術(shù)

MIMO技術(shù)作為寬帶移動通信的另一項關(guān)鍵技術(shù)，也已經(jīng)被E3G系統(tǒng)廣泛采用，但隨著人們對各種MIMO技術(shù)的研究逐漸深入，正在不斷完善對這些技術(shù)的設(shè)計和使用。IMT-Advanced系統(tǒng)可能使用的MIMO技術(shù)主要包括如下幾類。

（1）閉環(huán)預(yù)編碼技術(shù)

這種技術(shù)可以利用接收端反饋的MIMO信道的先驗信息，通過預(yù)編碼矩陣調(diào)制MIMO發(fā)射信號，靈活地根據(jù)信道條件調(diào)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(jìn)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(yù)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。

（2）波束賦形技術(shù)

波束賦形技術(shù)從廣義上來講，也可以算是一種閉環(huán)預(yù)編碼處理。但在標(biāo)準(zhǔn)化中，有時也將波束賦形和閉環(huán)預(yù)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(shù)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(shù)稱為閉環(huán)預(yù)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(guān)性，集中能量，獲得賦形增益，實現(xiàn)很好的覆蓋。閉環(huán)預(yù)編碼由于天線間距較大，可以更好地利用天線之間的獨(dú)立性，有利于并行傳輸，獲得復(fù)用增益，因此閉環(huán)預(yù)編碼技術(shù)更適合在微小區(qū)和室內(nèi)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(fù)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(yù)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(shù)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(yù)編碼或波束賦形技術(shù)進(jìn)行傳輸，因此必須采用不依賴閉環(huán)反饋的開環(huán)MIMO技術(shù)。其中公共信道和廣播信道主要注重傳輸?shù)逆溌焚|(zhì)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(shù)，充分利用多天線之間的分集增益。

（4）開環(huán)空間復(fù)用

這種開環(huán)MIMO技術(shù)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(nèi)等簡單的信道環(huán)境下避免閉環(huán)預(yù)編碼技術(shù)帶來的反饋開銷。

2.3　編碼和調(diào)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I(xiàn)MT-Advanced的新需求給了大家再次考慮采用LDPC的機(jī)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(jié)構(gòu)化的LDPC可以較好地解決編碼的復(fù)雜度問題。

在調(diào)制方面，可以在傳統(tǒng)調(diào)制技術(shù)的基礎(chǔ)上，考慮非正交的調(diào)制技術(shù)，即通過可控的相關(guān)，進(jìn)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(shù)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(diào)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(shè)計中，抑制小區(qū)間干擾技術(shù)對系統(tǒng)整體性能的提升將起到更關(guān)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(bǔ)充型的干擾抑制技術(shù)，但性能仍差強(qiáng)人意。在LTE系統(tǒng)中采用的干擾摒棄消除（IRC）接收機(jī)，沒有利用擴(kuò)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(shù)——小區(qū)間協(xié)調(diào)，在復(fù)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(fù)雜，多小區(qū)重疊配置的情況下，一個小區(qū)可能有相當(dāng)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(diào)度和功控受限制過多，使資源管理算法變得過于復(fù)雜。

相對而言，采用CDMA和OFDMA的結(jié)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(diào)，可以適應(yīng)各種復(fù)雜的環(huán)境。

2.5　中繼和分布式天線技術(shù)

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(shù)擴(kuò)大覆蓋范圍外，還可以采用中繼技術(shù)和分布式天線技術(shù)改善系統(tǒng)容量和覆蓋。

所謂的中繼技術(shù)，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(jī)會將一個質(zhì)量較差的鏈路替換為兩個質(zhì)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(jī)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(wù)信道的增強(qiáng)通道，因此終端意識不到中繼站的存在。用于擴(kuò)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(jī)接入信道也必須由中繼站轉(zhuǎn)發(fā)/轉(zhuǎn)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(shè)計首先是一個幀結(jié)構(gòu)設(shè)計問題，也即系統(tǒng)需要依靠一個精心設(shè)計的幀結(jié)構(gòu)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(diào)兩個鏈路的傳輸。中繼幀結(jié)構(gòu)的設(shè)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(wù)信道的相互干擾；非透明中繼可以假設(shè)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(dāng)于引入了一個新的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，這個新節(jié)點(diǎn)的物理層能力、物理過程的設(shè)計都需要重新考慮。

在最簡單的兩跳中繼的基礎(chǔ)上，還可以擴(kuò)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(jié)構(gòu)的設(shè)計和資源分配會更為復(fù)雜。在簡單的點(diǎn)對多點(diǎn)中繼的基礎(chǔ)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(dú)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(jìn)行聯(lián)合發(fā)送/接收，即協(xié)調(diào)中繼。

2.6　多媒體廣播組播技術(shù)

多媒體廣播組播（MBMS）業(yè)務(wù)相對單播移動寬帶業(yè)務(wù)而言，實現(xiàn)更為簡單，又可以支持有潛在廣泛用戶基礎(chǔ)的手機(jī)電視業(yè)務(wù)，因此受到越來越廣泛的關(guān)注。MBMS系統(tǒng)既可以使用獨(dú)立的載波部署，也可以和單播系統(tǒng)復(fù)用在一個載波中。但實際上，廣播系統(tǒng)的設(shè)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(shè)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(jìn)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(wù)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(luò)架構(gòu)、用于MBMS的MIMO技術(shù)等，也是MBMS系統(tǒng)的重要研究課題。

3、結(jié)語

本文介紹了國際IMT-Advanced技術(shù)的研究情況和幾項IMT-Advanced空中接口核心技術(shù)的研究方向。由于篇幅的限制，還有一些技術(shù)沒有涉及，如頻譜共向技術(shù)、異構(gòu)切換技術(shù)、軟件無線電技術(shù)等。