MBFDD/MBTDD關(guān)鍵技術(shù)的研究

摘要　IEEE 802.20技術(shù)是近期興起的“準4G”無線通信技術(shù)之一，可以實現(xiàn)很強的系統(tǒng)性能。文章詳細介紹了剛剛被IEEE 802.20確定為主體技術(shù)方案的MBFDD/MBTDD方案中的關(guān)鍵技術(shù)，并將其與另幾種“準4G技術(shù)”——WiMAX、3GPP LTE進行了對比。

1、介紹

　　IEEE 802.20標準定義的技術(shù)又稱為移動寬帶無線接入（MBWA）技術(shù)。這項標準的制定在相當長的時間里陷于停滯。但2004年，IEEE 802.20標準的制定驟然加速。在2006年1月召開的第17次會議上，Qualcomm公司提出的一個基于OFDMA的MBFDD/MBTDD技術(shù)方案被初步選為802.20的基本技術(shù)方案。

　　此提案包括FDD和TDD的解決方案，分別稱為MBFDD和MBTDD，可以支持5MHz到20MHz的帶寬，實現(xiàn)用于許可頻段的廣域覆蓋（包括宏小區(qū)、微小區(qū)、熱點等各種應(yīng)用場景）的移動通信系統(tǒng)。MBFDD/MBTDD的性能指標（如峰值速率260Mb/s/20MHz）已經(jīng)遠遠超出了IEEE 802.20在建立之初制定的目標（2Mb/s/5MHz），形成了與WiMAX和E3G（3GPP LTE和3GPP2 AIE）相互重疊、相互競爭的關(guān)系。被選中的MBFDD/MBTDD技術(shù)局部融合了另一公司提出的“625k-MC”方案，但文章僅介紹MBFDD/TDD的主體方案。

2、基本傳輸和多址技術(shù)

　　在物理層基本傳輸技術(shù)和多址技術(shù)方面，MBFDD/MBTDD將在上下行均采用OFDMA，這和WiMAX及Flash-OFDM相同，而LTE則在上行采用了SC-FDMA技術(shù)。從雙工方式上講，系統(tǒng)可以支持FDD和TDD雙工操作，TDD系統(tǒng)可支持上下行非對稱操作。

　　2.1　基本參數(shù)設(shè)計

　　MBFDD/MBTDD采用了在同類OFDM移動通信系統(tǒng)中最小的子載波間隔9.6kHz，明顯小于WiMAX、Flash-OFDM和3GPP LTE系統(tǒng)。這使MBFDD/MBTDD系統(tǒng)有可能實現(xiàn)比其他OFDM系統(tǒng)更高的頻譜效率（子載波間隔越小、CP開銷越小、頻譜效率約高）。但同時，較小的子載波間隔理論上對多普勒頻移更加敏感，因此可能需要解決對高速移動終端的支持問題。

　　MBFDD/MBTDD系統(tǒng)的循環(huán)前綴（CP）長度比LTE系統(tǒng)略大（但比Flash-OFDM有所減�。�，在同等情況下，此系統(tǒng)有可能支持更大的小區(qū)覆蓋范圍。

　　MBFDD/MBTDD系統(tǒng)采用了較短的物理幀長度（即TTI長度）0.91ms，說明MBFDD/MBTDD系統(tǒng)也很注重降低傳輸延遲，以支持VoIP、在線游戲等實時業(yè)務(wù)。相對而言，WiMAX的TTI長度較大，更適合支持非實時數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。但MBFDD/MBTDD系統(tǒng)的傳輸延遲相對LTE系統(tǒng)仍然略大，兩次重傳之間的間隔為5.5ms。

　　另外，MBTDD系統(tǒng)采用盡可能頻繁的上下行切換，以實現(xiàn)最小的傳輸延遲。這樣做可以盡快反饋重傳信息，以盡快進行重傳，從而縮短重傳延遲。但這種結(jié)構(gòu)的代價是，需要插入大量的上下行切換間隔，這會造成一定的頻譜效率損失。

　　2.2　跳頻OFDMA技術(shù)

　　MBFDD/MBTDD系統(tǒng)支持跳頻和非跳頻（主要包括頻域調(diào)度和頻域分集兩種模式）的OFDMA技術(shù)。從資源分配的角度看，跳頻和非跳頻的主要區(qū)別在于，跳頻系統(tǒng)的子載波是偽隨機選擇的，并在每個跳頻周期結(jié)束時無條件的跳轉(zhuǎn)到另一組子載波。而非跳頻系統(tǒng)使用的子載波是相對固定的，系統(tǒng)只有在頻域調(diào)度機制下，改變子載波分配時，才會跳轉(zhuǎn)到新的子載波組上繼續(xù)發(fā)送。

　　MBFDD/MBTDD采用的跳頻包括兩種跳頻頻率：符號級跳頻和物理幀級跳頻。符號級跳頻的跳頻周期為2個符號長度，每個跳頻周期使用一組離散的子載波（分布在整個帶寬內(nèi)）。這種情況下，系統(tǒng)的導頻符號也以跳頻的方式和數(shù)據(jù)符號復用，從而支持整個帶寬內(nèi)的信道估計。物理幀級跳頻的跳頻周期為1個物理幀長度，每個跳頻周期使用一組（16個）相鄰的子載波。這種情況下，系統(tǒng)采用專用導頻，即導頻符號插入到一個資源塊（1物理幀×16子載波）的指定位置，并隨此資源塊跳轉(zhuǎn)。

　　2.3　半正交OFDMA技術(shù)

　　從理論上講，非正交系統(tǒng)的容量在接收天線數(shù)量較多時有可能超過正交系統(tǒng)。以這個理論為基礎(chǔ)，MBFDD/MBTDD系統(tǒng)采用了基于跳頻OFDMA和SDMA的“半正交OFDMA”技術(shù)，以在支持對QoS要求較低的業(yè)務(wù)時可以獲得更大的系統(tǒng)容量。

　　與正交的跳頻OFDMA不同，一個扇區(qū)在每個時頻資源單元內(nèi)可以容納多個跳頻用戶，但由于每個用戶使用的單元都在“隨機跳轉(zhuǎn)”，對某個用戶來說，每個單元內(nèi)和它“碰撞”的用戶都是不同的。這樣，系統(tǒng)就可以利用各用戶之間的信道差異（相關(guān)性將隨天線數(shù)量增加而減�。�實現(xiàn)空分多址（SDMA），以平均同道干擾。剩余的同道干擾可以通過HARO技術(shù)來克服。

3、信道設(shè)計和資源分配

　　3.1　物理信道設(shè)計

　　在信道設(shè)計方面，MBFDD/MBTDD系統(tǒng)除設(shè)計了通常會有的數(shù)據(jù)、廣播、導頻、信令等信道外，還在下行增加了其他扇區(qū)干擾信道（F-OSICH），以對扇區(qū)間干擾進行估計并提高扇區(qū)邊緣用戶的性能。此信道采用很大的擴頻增益進行擴頻，以支持在很低信干比環(huán)境下解調(diào)。

　　在上行，設(shè)計了用于支持MIMO、SDMA、波束賦形、頻域調(diào)度和多層QoS的反饋信道。尤其是設(shè)計了上行寬帶導頻信道，以實現(xiàn)在整個帶寬內(nèi)的上行信道估計，從而有效的支持下行頻域調(diào)度，并利用TDD信道對稱性實現(xiàn)智能天線操作。在上行控制信道（包括上行接入信道）中采用CDMA調(diào)制。

　　3.2　子帶調(diào)度資源分配方式

　　MBFDD/MBTDD系統(tǒng)的子帶寬度為1.25MHz，明顯大于WiMAX系統(tǒng)（500多kHz）和LTE系統(tǒng)（375kHz）。由于MBFDD/MBTDD的子帶較寬，相同帶寬下子帶的數(shù)量（20MHz內(nèi)有16個子帶）小于WiMAX和LTE。這意味著MBFDD/MBTDD的頻域調(diào)度增益可能小于WiMAX和LTE，但在一個子帶內(nèi)的頻率分集增益較大。另外，子帶數(shù)量較少也有利于降低調(diào)度的CQI反饋開銷（每個子帶需要一個CQI反饋）。

　　如果用戶占用的帶寬小于1.25MHz，則此用戶在子帶內(nèi)采取跳頻的方式，以取得頻域分集，稱為本地跳頻。

　　3.3　分集資源分配方式

　　除了以子帶調(diào)度（相當于LTE中的Localized方式和WiMAX系統(tǒng)的Adjacent方式）外，系統(tǒng)還可以以分集方式分配子載波資源（相當于LTE系統(tǒng)和WiMAX系統(tǒng)的Distributed方式）。對于快速移動的用戶，由于信道變化很快，很難進行及時有效的子帶調(diào)度，應(yīng)轉(zhuǎn)而采用分集分配方式以獲得頻域分集增益。

4、切換

　　在切換方面，OFDM系統(tǒng)采用軟切換有一定困難。雖然802.16標準中包括了軟切換選項，但在WiMAX的技術(shù)選擇中尚沒有考慮這個選項。MBFDD/MBTDD系統(tǒng)也將采用基站間快速硬切換，這和現(xiàn)在LTE的考慮一致。另外，考慮到上行和下行的最佳基站不一定是同一個，MBFDD/MBTDD系統(tǒng)允許上行和下行與不同的基站鏈接。

5、部分頻率復用

　　采用部分頻率復用（FFR）技術(shù)，可以根據(jù)各種終端的信道條件和干擾情況（通常跟終端的位置有關(guān)）采用不同的頻率復用系數(shù)。即將所有子載波分成若干復用組，不同的復用組可以實現(xiàn)不同的復用系數(shù)。如果終端適合工作在復用系數(shù)為1/3的環(huán)境下，則分配給該終端復用系數(shù)是1/3的復用組；如果工作在復用系數(shù)為1的環(huán)境下，則分配給該終端復用系數(shù)是1的復用組。更靈活的FFR方法是對不同的子載波組采用不同的發(fā)射功率控制，以進行小區(qū)間協(xié)調(diào)。

　　FFR技術(shù)又可以通過“靜態(tài)”的和“動態(tài)”的兩種方式實現(xiàn)。靜態(tài)方式下，終端采用的頻率復用系數(shù)是相對固定的，與終端的“位置”對應(yīng)。終端測量下行相鄰小區(qū)（扇區(qū)）的干擾，并將結(jié)果報告給基站�；�站則可以根據(jù)干擾的情況分配給該終端適當?shù)念l率復用系數(shù)。

　　靜態(tài)方法的問題是，每個復用組中的子載波數(shù)是一定的，難以應(yīng)付各種不同的部署場景和業(yè)務(wù)流量分布。此時就需要采用動態(tài)的FFR方法，即終端所處的復用集是不斷刷新的。這種動態(tài)的調(diào)度綜合考慮了用戶QoS的要求、小區(qū)間干擾避免和公平性原則。動態(tài)FFR要求基站能即時的獲得每個復用集的信道質(zhì)量信息（CQI），因此比較復雜。

6、MIMO技術(shù)

　　MBFDD/MBTDD支持的多天線（MIMO）技術(shù)包括當前被考慮的各種MIMO方法：空間復用（SM）、預(yù)編碼MIMO、空間發(fā)送分集（STTD）、空分多址（SDMA）和波束賦形等。

　　由于需要同時支持多種MIMO技術(shù)，如何靈活的選擇MIMO技術(shù)，如對魯棒性要求很高的信令信息應(yīng)該適合采用分集技術(shù)發(fā)送，對數(shù)據(jù)率要求很高的數(shù)據(jù)傳輸則適合采用空間復用，并合理分配資源也是很關(guān)鍵的問題。

　　6.1　空間復用

　　空間復用（SM）是目前考慮最多的MIMO技術(shù)，因為它能直接提高系統(tǒng)的峰值速率。和當前其他的系統(tǒng)類似，MBFDD/MBTDD系統(tǒng)采用了矩陣的方法生成SM信號，SM也可以看成一種波束賦形。波束的數(shù)量可能小于實際系統(tǒng)中天線的數(shù)量，這種情況下采用波束賦形，但可以獲得的發(fā)送分集增益，信道估計的開銷也相應(yīng)減小。

　　MBFDD/MBTDD系統(tǒng)支持3種類型的SM發(fā)送，前兩種是大家熟知的單碼流和多碼流發(fā)送，另外還支持TDD模式下的偽特征值賦形。

　　SCW就是將一個編碼數(shù)據(jù)流采用空時處理的方法分成數(shù)“層”，在多個波束上并行發(fā)送。SCW的反饋機制基于秩預(yù)測算法，終端根據(jù)信道信息預(yù)測SCW發(fā)送應(yīng)該選擇的“秩”，并將帙的值和CQI信息反饋回基站，隨之基站就可以根據(jù)這些反饋確定數(shù)據(jù)率、發(fā)送功率、秩、AMC（自適應(yīng)調(diào)制編碼）的格式等發(fā)射參數(shù)。

　　MCW采用相似的秩預(yù)測算法，并根據(jù)秩確定并反饋應(yīng)該發(fā)送的碼流的數(shù)量，同時反饋每個碼流的CQI信息，以確定該碼流的數(shù)據(jù)率、發(fā)送功率、AMC格式等發(fā)射參數(shù)。

　　6.2　空時分集

　　當波束的數(shù)量小于天線數(shù)量時，MBFDD/MBTDD系統(tǒng)對每個波束支持空時分集（STTD）操作。例如，在4個天線上發(fā)送兩個波束的SM信號時，每個波束可以基于它所用的兩個天線進行空時塊碼（STBC）發(fā)送。這種情況下，符號級跳頻的單位需要擴大為兩個OFDM符號，以包含1個完整的STBC碼字。

　　6.3　預(yù)編碼

　　MBFDD/MBTDD還支持預(yù)編碼（Precoding）MIMO發(fā)送。預(yù)編碼就是預(yù)先將波束指向最有利于用戶接收的“方向”。在TDD系統(tǒng)中，可以依靠信道的對稱性從上行信道估計中獲得預(yù)編碼所需的信道信息，在FDD系統(tǒng)中，則需要依靠從接收機端的反饋。

　　預(yù)編碼操作在可以形成有效的波束賦形的時候特別有效，例如當SM“層”的數(shù)量（即秩）小于天線數(shù)量時。這種情況通常出現(xiàn)在發(fā)射天線大于接收天線的系統(tǒng)中。MBFDD/TDD技術(shù)采用碼表（Codebook）表達反饋信息，分別代表分集、視距波束賦形、預(yù)編碼矩陣調(diào)制、SDMA等各種MIMO發(fā)送矩陣。終端通過“速率和秩預(yù)測”找出最合適的預(yù)編碼矩陣，并將矩陣的代碼、秩的值和CQI反饋給基站，基站則根據(jù)代碼找出相應(yīng)的預(yù)編碼矩陣。

　　6.4　TDD模式下的特征值賦形

　　基于特征值的波束賦形可以大大的提高鏈路的信干噪比（SINR），以改進鏈路的質(zhì)量。這種方法在TDD系統(tǒng)中（上下行信道具有對稱性）更容易實現(xiàn)（基站可以利用上行信道估計獲得下行信道信息）。

　　但是，實際TDD系統(tǒng)中的MIMO信道對稱性并不那么容易實現(xiàn)。很多情況下，由于終端的能力有限（如只有一個功放），終端雖然可以用多天線接收，但卻只能用單天線發(fā)送。這時，上行（SIMO信道）和下行（MIMO信道）就不對稱了，上行SIMO信道估計只能提供下行MIMO信道的不完全信息。

　　MBTDD采用了一種“偽特征值波束賦形”的技術(shù)來解決這個問題，即通過終端的單天線發(fā)送確定下行MIMO發(fā)送的第一個波束（用于傳送第一個“層”），而采用和第一個波束正交的子空間中的波束傳送其他的“層”。預(yù)編碼模式下的反饋信息也可以和偽特征值波束賦形一起使用，以獲得更好的性能。

　　6.5　空分多址

　　MBFDD/MBTDD系統(tǒng)還支持空分多址（SDMA）操作，也就是利用各用戶的信道差異支持多個用戶共享相同的頻率資源。當基站擁有多個天線時，就可以利用多個波束區(qū)分多個共享相同頻率資源的用戶。

　　SDMA的性能依賴于共享頻率的用戶之間的信道正交性，因此恰當?shù)膶⒂脩舴纸M配對十分重要。也就是要將信道相互正交性好的用戶分為一組（共享相同的頻率），以很好的區(qū)分他們；而避免將信道相似的用戶分在一組，以防止嚴重的同道干擾。MBFDD/TDD系統(tǒng)通過終端反饋的碼本進行配對，只有對那些反饋的“碼”來自碼本的不同組的用戶，才應(yīng)用SDMA。

7、異頻切換和系統(tǒng)間切換

　　當一個MBFDD/MBTDD系統(tǒng)部署在多個頻段時，系統(tǒng)需要支持終端在多個頻段之間的切換（激活狀態(tài)和空閑狀態(tài)下）。

　　另外，還要考慮多模終端在MBWA系統(tǒng)和其他系統(tǒng)（如CDMA2000、WCDMA、GSM/GPRS/EDGE和WLAN等）之間的切換。MBFDD/MBTDD對終端在一個系統(tǒng)中如何監(jiān)測其他系統(tǒng)的尋呼。這里要注意：不同系統(tǒng)之間通常是不同步的，如何測量其他系統(tǒng)的導頻，及如何實現(xiàn)向其他系統(tǒng)的切換，給出了相應(yīng)的解決方案。

　　7.1　異頻切換

　　為了實現(xiàn)異頻切換，網(wǎng)絡(luò)需要有識別異頻相鄰小區(qū)的能力；終端需要有測量、報告異頻小區(qū)導頻強度的能力。在空閑狀態(tài)下，終端較容易做到這一點，即可以使用某些時隙進行異頻測量。但是在激活狀態(tài)下，終端就需要周期性的中止本頻段／本系統(tǒng)的信號傳送，跳轉(zhuǎn)到其他頻段／系統(tǒng)去進行異頻測量／尋呼監(jiān)聽。時間調(diào)整技術(shù)對這種操作是很重要的，因為其他系統(tǒng)不一定和802.20系統(tǒng)同步。

　　7.2　系統(tǒng)間切換

　　MBFDD/MBTDD系統(tǒng)可以上面介紹的“跳轉(zhuǎn)”技術(shù)對其他系統(tǒng)（和MBFDD/MBTDD系統(tǒng)同步或不同步）的導頻進行測量，而后根據(jù)測量的結(jié)果建立可供切換的其他系統(tǒng)的列表，以根據(jù)實際情況選擇是否、以及向哪個系統(tǒng)切換。這種方法適用于和802.20系統(tǒng)沒有實現(xiàn)核心網(wǎng)融合的系統(tǒng)，因為這種情況下，除了監(jiān)聽此系統(tǒng)的尋呼信號外別無他法。

　　另外，如果其他系統(tǒng)的核心網(wǎng)和802.20系統(tǒng)的核心網(wǎng)已經(jīng)實現(xiàn)了融合，則可以通過802.20系統(tǒng)的空中接口，用控制信令將其他系統(tǒng)的信息傳送給終端，以供終端進行系統(tǒng)選擇和切換。

8、總結(jié)

　　MBFDD/MBTDD是最近剛剛出現(xiàn)的移動寬帶無線接入技術(shù)方案，它采用了很多先進的空中接口技術(shù)，并聲稱可以達到很高的性能指標，從而對WiMAX技術(shù)和仍處在前期研究階段的3GPP/3GPP2 E3G技術(shù)形成直接的威脅。

　　當然，以MBFDD/MBTDD為代表的IEEE 802.20技術(shù)也帶有和802.16技術(shù)相似的局限性。首先，此標準只包含MAC層和物理層的技術(shù)規(guī)范，不包含網(wǎng)絡(luò)層以上的規(guī)范，而現(xiàn)有IP網(wǎng)絡(luò)還不能提供類似蜂窩系統(tǒng)的移動性管理功能。另外，802.20技術(shù)和WiMAX技術(shù)一樣，獲得適用的頻段也有一定難度（可用于移動通信的頻段基本都被劃分給了IMT-2000技術(shù)）。

　　因此判斷MBFDD/MBTDD技術(shù)是否能獲得成功還為時過早，但這個方案中采用的很多關(guān)鍵技術(shù)對E3G和B3G研究都將提供很好的參考。