IMT-Advanced系統(tǒng)空中接口的關(guān)鍵技術(shù)研究

　　摘 要 IMT-Advanced系統(tǒng)是ITU給B3G移動通信系統(tǒng)的正式名稱，預(yù)計于2010年前后開始商用。本文從該系統(tǒng)空中接口的協(xié)議參考模型入手，按照層次關(guān)系分別介紹了各協(xié)議層中關(guān)鍵技術(shù)的研究成果，并對其候選技術(shù)方案進行了比較。

　　關(guān)鍵詞 B3G IMT-Advanced 空中接口

　　1 引言

　　IMT-Advanced系統(tǒng)是ITU給B3G移動通信系統(tǒng)的正式名稱，其目標(biāo)是成為3G和E3G之后的下一代移動通信系統(tǒng)。預(yù)計于2010年前后開始商用，2015年開始大規(guī)模部署。該系統(tǒng)在低速移動的室內(nèi)和室外環(huán)境中，將提供高達1Gbit/s的小區(qū)吞吐量；在中高速移動的廣域環(huán)境下，將提供最高100Mbit/s的峰值速率。

　　2 空中接口的概念及其性能要求

　　空中接口（Air Interface）是指用戶終端（UT）和無線接入網(wǎng)絡(luò)（RAN）之間的接口，它是任何一種移動通信系統(tǒng)的關(guān)鍵模塊之一，也是其“移動性”的集中體現(xiàn)。IMT-Advanced的空中接口，在設(shè)計思想上是基于ITU-R M.1645建議，其設(shè)計目標(biāo)是：以用戶為中心；技術(shù)上靈活；成本上可行。

　　IMT-Advanced系統(tǒng)中典型應(yīng)用場景有三種：廣域場景，其小區(qū)覆蓋大，業(yè)務(wù)量中等；大城市場景，其小區(qū)覆蓋中等，業(yè)務(wù)量高；本地場景，其小區(qū)覆蓋小，業(yè)務(wù)量高。IMT-Advanced系統(tǒng)根據(jù)不同的應(yīng)用場景，對空中接口提出了不同的性能要求。

　　3 空中接口的關(guān)鍵技術(shù)

　　空中接口中的技術(shù)種類繁多，這里先介紹協(xié)議參考模型，然后按照層次關(guān)系，分別介紹各協(xié)議層中的關(guān)鍵技術(shù)。

　　3.1 協(xié)議參考模型

　　IMT-Advanced系統(tǒng)空中接口的協(xié)議參考模型，自上而下由四部分組成：無線資源管理層（RRM）、無線鏈路控制層（RLC）、媒體接入控制層（MAC）和物理層（PHY）。在確保為高層協(xié)議提供統(tǒng)一的接口封裝的前提下，為了實現(xiàn)“以用戶為中心”的目標(biāo)，即根據(jù)不同的用戶需求來提供相應(yīng)的服務(wù)，空中接口的各個協(xié)議層（除RLC層外）又被進一步劃分為通用部分和特殊部分。這樣，每個協(xié)議層可以根據(jù)不同的用戶需求來調(diào)用不同的協(xié)議子層，優(yōu)化無線資源的利用，同時對高層協(xié)議屏蔽了底層用戶需求的細節(jié)。

　　3.2 物理層

　　物理層位于協(xié)議參考模型的最低層，承載全部上層應(yīng)用，它所含技術(shù)種類繁多（包括調(diào)制技術(shù)、編碼技術(shù)、雙工方式以及射頻實現(xiàn)等），且復(fù)雜度高。物理層技術(shù)的發(fā)展就是移動通信系統(tǒng)發(fā)展的標(biāo)志。

　�。�1）空間處理

　　空間處理能給系統(tǒng)帶來性能上的增益，主要是通過空間分集、空間復(fù)用、空分多址（SDMA）和干擾抑制等技術(shù)來實現(xiàn)的。空間分集通過在獨立信道上傳輸相同的數(shù)據(jù)，來提高傳輸?shù)目煽啃裕�因此它可以有效克服信道衰落的影響。波束賦性（Beamforming）能夠通過SDMA來區(qū)分一個小區(qū)內(nèi)（或多個小區(qū)之間）的多個用戶，使其共享相同的時頻資源。干擾抑制是通過在下行鏈路中進行預(yù)編碼來增強多用戶環(huán)境中的頻譜效率。

　�。�2）前向糾錯（FEC）技術(shù)

　　在眾多前向糾錯技術(shù)中，卷積碼（CC）、并行級聯(lián)卷積碼（PCCC）和低密度奇偶校驗碼（LDPC）這三種編碼技術(shù)是最熱門的IMT-Advanced系統(tǒng)候選技術(shù)。

　　目前的研究結(jié)果表明，CC碼適用于長度短的小塊數(shù)據(jù)（幾百比特），LDPC碼適用于長塊數(shù)據(jù)，而雙二進制（Duo-Binary）PCCC碼的性能雖然對數(shù)據(jù)長度不十分敏感，但對中等長度的數(shù)據(jù)塊的性能更為出色。對于長塊數(shù)據(jù)，LDPC碼的優(yōu)勢是糾錯性能強、功耗低。

　�。�3）調(diào)制技術(shù)

　　隨著調(diào)制技術(shù)不斷發(fā)展，多載波調(diào)制越來越受到人們的關(guān)注。它在頻譜效率和傳輸信息量的性能上，明顯優(yōu)于單載波方式，但這不是選擇調(diào)制方式的唯一標(biāo)準(zhǔn)。調(diào)制方式的選擇還要綜合考慮上下行鏈路的特點以及實現(xiàn)成本等多方面因素。

●OFDM調(diào)制

　　OFDM（正交頻分復(fù)用）是一種非常優(yōu)秀的多載波調(diào)制技術(shù)，已經(jīng)被廣泛用于多種無線系統(tǒng)中，如IEEE 802.11，DVB等，它也將作為IMT-Advanced系統(tǒng)的下行鏈路的物理層調(diào)制技術(shù)。

　　OFDM的主要優(yōu)點是：頻譜利用率高；能夠很好地克服多徑傳播的影響；從基帶處理的角度看，實現(xiàn)復(fù)雜度低。然而，目前OFDM技術(shù)還存在的一些問題：OFDM時域信號的特點是峰均功率比（PAPR）很高，這對于射頻部分的高功率放大器（HPA）來說是一個挑戰(zhàn)。OFDM對時間和頻率上的同步要求非常高，但從總體來看，這不足以限制OFDM的應(yīng)用，我們可以找到合適的（低復(fù)雜度）算法來確保同步精度。

　　OFDM的性能對Doppler頻移比較敏感，如果在一個符號周期內(nèi)信道變化顯著的話，高的載波間干擾（ICI）將導(dǎo)致OFDM性能的急速下降，這對OFDM的參數(shù)設(shè)計問題提出了較高的要求。但從目前的研究成果來看，對于高速移動的場景（移動速率80m/s、載波5GHz）OFDM技術(shù)是可行的。

●單載波調(diào)制

　　在頻率選擇性信道上的BER性能方面，單載波和多載波調(diào)制的性能相差不大。對于廣域場景的上行鏈路，單載波方式比多載波方式更為有效，因為峰均功率比（PAPR）較低，射頻功放的成本低。此外，在使用相同類型的HPA的情況下，采用單載波方式，將具有更高的發(fā)射功率、更大的覆蓋和較低的BER，同時終端的待機時間長、成本低。這是在上行采用單載波方式的主要原因。對振蕩器相位噪聲的自干擾和頻率偏移的敏感度較低，便于硬件實現(xiàn)和成本控制。

●保護間隔

　　保護間隔（GI）的作用是降低多載波調(diào)制中的符號間干擾（ISI）對性能的影響。因此保護間隔的長度應(yīng)該大于信道最大傳輸時延（包括由信道、濾波器和同步過程中的差錯造成的時延），同時它應(yīng)該是抽樣間隔的整數(shù)倍。在實際應(yīng)用中，保護間隔一般為符號長度的 倍。

　　此外，在CP-OFDM（Cyclic Prefix OFDM）中的循環(huán)前綴擴展技術(shù)可以有效降低ISI，同時簡化了基于載波的均衡技術(shù)，并降低了接收機的實現(xiàn)成本；在PRP-OFDM（Pseudo Random Postfix OFDM）中的GI不僅起到避免ISI的作用，還可被用于信道估計（不需要導(dǎo)頻和訓(xùn)練序列上的開銷）。

　　3.3 媒體接入控制層

　　MAC層是上層協(xié)議與物理層之間的橋梁，主要負責(zé)邏輯信道與傳輸信道間的映射以及物理資源的管理。

　　MAC層作為上層協(xié)議的支撐，它提供的服務(wù)包括：基于邏輯信道的報文傳輸，即上層調(diào)用邏輯信道接口，再由MAC層將其映射到相應(yīng)的傳輸信道；資源控制，即執(zhí)行上層發(fā)來的控制信息并根據(jù)需求來指定相應(yīng)的傳輸參數(shù)；控制信息的反饋，即反饋隊列狀態(tài)信息和數(shù)據(jù)流的時延統(tǒng)計和資源占用狀況，便于MAC和上層協(xié)議進行QoS保障；系統(tǒng)信息的廣播，即支持廣播或組播業(yè)務(wù)需求。

　　（1）物理資源的管理

　　物理資源的管理是MAC層中的重要實體，它是上層應(yīng)用（無線資源管理）的執(zhí)行模塊。MAC層中的物理資源的管理由兩部分組成：服務(wù)等級控制（SLC）和資源調(diào)度（RS）。

　　SLC主要負責(zé)不同基站間的資源分配，通過預(yù)留不同基站的資源，在總體上確保數(shù)據(jù)流的服務(wù)等級。在廣域場景，SLC的實體通常位于RAN網(wǎng)關(guān)（RANG）上，而不是在基站上。

　　RS主要負責(zé)物理信道資源的最優(yōu)分配。在其資源調(diào)度器中，有兩類基本的調(diào)度算法：自適應(yīng)調(diào)度（Adaptive resource scheduling）和非頻率自適應(yīng)調(diào)度（Non-frequency-adaptive scheduling）。二者的區(qū)別是：前者是預(yù)測信道狀態(tài)的快速變化，通過改變物理參數(shù)來適應(yīng)頻率選擇性信道；而后者是通過某些技術(shù)手段（如分集、交織和空時編碼等）來設(shè)法減小信道快速變化的影響。在終端高速移動的情況下，很難準(zhǔn)確地捕捉到信道狀態(tài)的快速變化，這時更傾向于非頻率自適應(yīng)調(diào)度算法。

　　（2）多址方式

　　多址方式是空中接口為不同用戶分配相應(yīng)的物理資源的方法和策略。多址方式的選擇是個復(fù)雜的問題，它要綜合考慮調(diào)制方式、鏈路特性以及鏈路自適應(yīng)技術(shù)等多方面因素。IMT-Advanced系統(tǒng)選擇多址方式的關(guān)鍵指標(biāo)包括性能、靈活性、頻譜效率、復(fù)雜度和成本。

　　相比于傳統(tǒng)的多址方式（FDMA、TDMA和CDMA），IMT-Advanced系統(tǒng)更關(guān)注OFDMA（Orthogonal Frequency Division Multiplexing Access）和SDMA（Spatial Division Multiple Access）方式，因為它們具有更好的性能和頻譜效率。OFDMA利用OFDM技術(shù)來為不同的用戶分配不同的信道資源，相比于FDMA，它在靈活性和頻譜效率上優(yōu)勢明顯；而SDMA與其它多址技術(shù)的結(jié)合，將在性能上帶來突破，因而是當(dāng)前的研究熱點。

　　在基于多載波調(diào)制的多址方式中，TDMA/OFDMA通過利用自適應(yīng)傳輸技術(shù)，而具有最好的性能增益和靈活性，進一步驗證了自適應(yīng)傳輸在多址方式選擇中的重要性。首先，TDMA/OFDMA通過鏈路自適應(yīng)技術(shù)來克服頻率選擇性衰落，能得到多用戶增益（5GHz頻點上、移動速度為50～70km/h時SINR數(shù)值良好）。不過，為了適應(yīng)高速移動的場景，也需要非自適應(yīng)模式（基于編碼、交織和擴頻技術(shù)）作為補充。其次，對于上行鏈路，TDMA/OFDMA也是可行的，但前提是終端能夠保持頻率同步。此外，TDMA/OFDMA方式對于TDD和FDD系統(tǒng)都適用。

　　SDMA方式與多天線技術(shù)是緊密相連的，目前主要有兩種方式：固定波束賦型（Fixed beamforming）和自適應(yīng)波束賦型（Adaptive beamforming）。固定波束賦型的特點是簡單和魯棒性強，它適用于角度擴散小的廣域環(huán)境，所支持的用戶數(shù)量近似等于發(fā)射天線數(shù)目的一半；而自適應(yīng)波束賦型適用于角度擴散大的場景，所支持的用戶數(shù)量是固定波束賦型方式的兩倍。此外，這兩種方式都可以與OFDM、FDMA、TDMA和CDMA相結(jié)合，在綜合考慮實現(xiàn)復(fù)雜度和性能的情況下，目前最好的結(jié)合方式是：OFDM-SDMA-TDMA和OFDM-SDMA-TDMA-CDMA。

　　3.4 無線鏈路控制

　　無線鏈路控制（RLC）的作用是保證空中接口的端點之間（終端與基站或其它網(wǎng)絡(luò)側(cè)的節(jié)點之間）的傳輸可靠性。RLC層主要是負責(zé)丟失報文、失序報文和重復(fù)報文的處理，其保障機制主要包括：端到端的重傳；報文記錄；重復(fù)避免；中繼節(jié)點上的安全處理。

　　RLC為上層應(yīng)用提供了可靠的傳輸，這非常重要，因為類似TCP這種高層的傳輸協(xié)議，它會將報文的丟失、失序和重復(fù)當(dāng)做網(wǎng)絡(luò)擁塞的前兆，從而迫使發(fā)送端降低發(fā)送速率。但是，另一方面，RLC也為系統(tǒng)帶來了一定的開銷和傳輸時延，我們要努力減小它對系統(tǒng)性能的影響。

　　RLC層為上層提供了多種服務(wù)，包括確認的數(shù)據(jù)傳輸、非確認的數(shù)據(jù)傳輸和透明傳輸。它們對信令的要求不同、所需的開銷不同，因而所能提供的傳輸可靠性也就不同。它們之間最主要的區(qū)別是收、發(fā)端buffer的使用方式和狀態(tài)報告的機制不同。其中，確認的數(shù)據(jù)傳輸占用最多的資源，提供最高的傳輸可靠性。同時，RLC層也需要來自底層（MAC層）的服務(wù)，如它需要MAC層匯報CRC的效驗結(jié)果，并為它的處理提供依據(jù)。

　　3.5 無線資源管理

　　RRM是空中接口的上層模塊，是眾多算法和協(xié)議的總稱。它負責(zé)整個移動通信系統(tǒng)的空中接口資源的規(guī)劃和調(diào)度，以確保系統(tǒng)的覆蓋、容量和QoS。
　　
　　由于IMT-Advanced系統(tǒng)服務(wù)于不同的場景和用戶需求，所以RRM的功能可以被進一步細分為：通用的RRM功能，它們對于場景類型和用戶需求不敏感，適用于各種情況，包括頻譜分配、服務(wù)等級控制、Buffer管理、流量監(jiān)控、接入控制、擁塞控制和相同模式間的切換；特殊的RRM功能，它們針對不同的場景類型和用戶需求進行了優(yōu)化，包括資源調(diào)度、功率控制、鏈路自適應(yīng)、路由和不同模式間的切換；系統(tǒng)間的RRM功能，它們用于IMT-Advanced系統(tǒng)與現(xiàn)有系統(tǒng)（如UMTS和WLAN等）之間的協(xié)作與共存，包括系統(tǒng)間的切換、接入控制、擁塞控制和RAN選擇。

　　相比于3G系統(tǒng)，IMT-Advanced系統(tǒng)RRM的設(shè)計復(fù)雜要高很多：在功能上，增加了系統(tǒng)間的切換、RAN選擇和路由選擇等實體；在結(jié)構(gòu)上，將采用分布式方案，把RRM的監(jiān)控和決策實體下放到網(wǎng)絡(luò)的各個節(jié)點上（包括終端），以減小信令的信息交換量和傳輸時延。

　　4 結(jié)束語

　　IMT-Advanced系統(tǒng)作為下一代移動通信系統(tǒng)，正日益成為人們關(guān)注的焦點。本文介紹了當(dāng)前該系統(tǒng)在空中接口關(guān)鍵技術(shù)方面的研究成果，并對其候選技術(shù)方案進行了比較�？梢钥闯�，IMT-Advanced系統(tǒng)相比于3G和E3G系統(tǒng)，必將在功能和服務(wù)上邁出質(zhì)的飛躍。但是其設(shè)計、實現(xiàn)的復(fù)雜度也前所未有的，特別是在多種關(guān)鍵技術(shù)的融合方面，還需要人們的進一步研究。

汪俊峰 北京郵電大學(xué)電信工程學(xué)院博士

常永宇 北京郵電大學(xué)電信工程學(xué)院博士