MBFDD/MBTDD關鍵技術的研究

摘要　IEEE 802.20技術是近期興起的“準4G”無線通信技術之一，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確定為主體技術方案的MBFDD/MBTDD方案中的關鍵技術，并將其與另幾種“準4G技術”——WiMAX、3GPP LTE進行了對比。

1、介紹

　　IEEE 802.20標準定義的技術又稱為移動寬帶無線接入（MBWA）技術。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技術方案被初步選為802.20的基本技術方案。

　　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、相互競爭的關系。被選中的MBFDD/MBTDD技術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

　　在物理層基本傳輸技術和多址技術方面，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。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。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。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

　　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。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

　　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，MBFDD/MBTDD系統(tǒng)采用了基于跳頻OFDMA和SDMA的“半正交OFDMA”技術，以在支持對QoS要求較低的業(yè)務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技術來克服。

3、信道設計和資源分配

　　3.1　物理信道設計

　　在信道設計方面，MBFDD/MBTDD系統(tǒng)除設計了通常會有的數(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，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）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。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。基站則可以根據(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，難以應付各種不同的部署場景和業(yè)務流量分布。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

　　MBFDD/MBTDD支持的多天線（MIMO）技術包括當前被考慮的各種MIMO方法：空間復用（SM）、預編碼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，如何靈活的選擇MIMO技術，如對魯棒性要求很高的信令信息應該適合采用分集技術發(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，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測算法，終端根據(jù)信道信息預測SCW發(fā)送應該選擇的“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（自適應調(diào)制編碼）的格式等發(fā)射參數(shù)。

　　MCW采用相似的秩預測算法，并根據(jù)秩確定并反饋應該發(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　預編碼

　　MBFDD/MBTDD還支持預編碼（Precoding）MIMO發(fā)送。預編碼就是預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技術采用碼表（Codebook）表達反饋信息，分別代表分集、視距波束賦形、預編碼矩陣調(diào)制、SDMA等各種MIMO發(fā)送矩陣。終端通過“速率和秩預測”找出最合適的預編碼矩陣，并將矩陣的代碼、秩的值和CQI反饋給基站，基站則根據(jù)代碼找出相應的預編碼矩陣。

　　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，給出了相應的解決方案。

　　7.1　異頻切換

　　為了實現(xiàn)異頻切換，網(wǎng)絡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方案，它采用了很多先進的空中接口技術，并聲稱可以達到很高的性能指標，從而對WiMAX技術和仍處在前期研究階段的3GPP/3GPP2 E3G技術形成直接的威脅。

　　當然，以MBFDD/MBTDD為代表的IEEE 802.20技術也帶有和802.16技術相似的局限性。首先，此標準只包含MAC層和物理層的技術規(guī)范，不包含網(wǎng)絡層以上的規(guī)范，而現(xiàn)有IP網(wǎng)絡還不能提供類似蜂窩系統(tǒng)的移動性管理功能。另外，802.20技術和WiMAX技術一樣，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）。

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