摘要 OFDM和MIMO技術作為最熱點的超寬帶候選技術，給幀結構設計、資源分配、信道設計等技術帶來了新的挑戰(zhàn)。本文結合筆者參與3GPP2相關工作的經歷，淺析UMB中一些關鍵技術。
1、引言
3GPP2目前已經完成了超移動寬帶解決方案UMB，從2006年初3GPP2征集候選技術開始，該方案的制定和完善歷時一年半多。UMB的提出和設計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的競爭力。
OFDM和MIMO技術作為最熱點的超寬帶候選技術，給幀結構設計、資源分配、信道設計等技術帶來了新的挑戰(zhàn)。本文結合筆者參與3GPP2相關工作的經歷，淺析UMB中一些關鍵技術。
2、前綴設計
UMB保持與cdma2000的碼片速率1.2288Mbit/s一致，時序上定義了兩級幀結構，即超幀和幀。其中，每個超幀包含1個前綴Preamle和24個業(yè)務幀（FFT≥256 時）。
前綴包含8個Symbol符號，結構如圖1所示。
圖1 前綴結構示意圖
前綴中，主廣播信道占用第一個符號，輔廣播信道/快速尋呼信道奇偶復用隨后的4個符號，最后3個符號為TDM導頻。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設計，可以集中功率發(fā)送導頻，同時終端可在每個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進行基本的時間和頻率同步。TDM1使用GCL構造，攜帶2bit的循環(huán)前綴CP長度信息，終端通過解調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標識小區(qū)）和PilotPhase信息，終端通過TDM2完成小區(qū)標識的檢測。
TDM3攜帶一些系統(tǒng)信息，即系統(tǒng)時間（異步模式時）、頻率復用指示（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個取值，將其映射為3個相位值，TDM2/3使用相應的相位進行調制。具體的系統(tǒng)捕獲過程為：
●終端在進行系統(tǒng)捕獲時，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業(yè)務幀的信息。
●主廣播信道PBCCH攜帶與扇區(qū)無關的信息，如業(yè)務幀的FFT大小、保護子載波數等。
●輔廣播信道SBCCH攜帶扇區(qū)特定的、不經常變化的信息，如基站的天線配置，導頻格式，Hopping結構，控制信道結構等。
●為了廣播信道和尋呼信號的相干解調，輔廣播信道/尋呼信道中插入導頻。
（3）快速尋呼信道
快速尋呼信道QPCH與SBCCH復用4個符號，QPCH在第偶數個超幀中發(fā)送，SBCCH在第奇數個超幀中發(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頻資源有限，就出現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識。
3、控制信道設計
介紹前反向控制信道設計之前，先簡單描述一下UMB業(yè)務信道設計，因為控制信道是為業(yè)務信道的正確傳送服務的，與業(yè)務信道的設計直接相關。UMB中前向業(yè)務信道為OFDM方式，反向業(yè)務信道除了支持OFDM方式外，針對小的數據包使用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載情況。
●導頻質量指示PQICH：用于反饋每個終端的反向導頻信道質量，輔助終端選擇服務扇區(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資源分配中無數據時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、事件驅動、大量低速率或需要基站確認信令的傳送，這是因為CDMA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需要調度、分配資源，CDMA可以直接使用對應的碼字進行傳送，能滿足信令的時延要求，并且也無需為切換預留資源，CDMA控制部分占用時頻資源的單位為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。
●輔助導頻信道：用于反向CDMA數據信道的相干解調。
●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攜帶前向信道質量指示和前向服務扇區(qū)標識，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
●專用導頻信道：用于OFDM專用控制信道及OFDMA數據信道的信道估計。
●ACKCH：用于前向HARQ的確認，通過在不同的時頻資源重復發(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復用該物理信道。r-cqich和r-reqch用于非切換時的信道質量指示和請求分配新的資源。后3個邏輯信道用于SIMO/MIMO中的反饋，將在多天線技術中介紹。
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
UMB中支持的多天線（MIMO）技術主要包括空間發(fā)送分集、預編碼、空間復用（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天線的空時發(fā)射分集STTD，并且為了更好地適應信道變換，支持發(fā)射矩陣的Circu-lation模式。
（2）預編碼
預編碼就是通過給多個天線不同的權重來獲得SINR增益，有效天線數即信道的秩一般小于天線數，預編碼矩陣用于有效天線與實際天線之間映射。
在FDD系統(tǒng)中，預編碼需要終端反饋信道質量、優(yōu)選的預編碼矩陣或向量、秩�；靖鶕脩舴答伒拇a本信息確定碼本，為用戶傳送數據。在TDD系統(tǒng)中，基站可根據信道的互異性，通過上行信道質量估計信道狀況，不需要反饋和碼本設計。UMB支持兩種預編碼技術，即基于傅立葉的預編碼和Binary Unitary預編碼（天線選擇）。
（3）空間復用
空間復用（SU-MIMO）是將一個數據流拆分為多層，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制編碼格式。接收端進行層（Rank）預測和CQI測量、量化并反饋，針對多層，反饋一個CQI信息。發(fā)送端根據反饋的CQI信息，進行速率匹配，得到PF，即調制、編碼格式。對于SCW，在進行信息接收時，僅需經過簡單的MMSE和LLR濾波即可。
MCW中，各層根據各自的信道狀態(tài)使用不同的調制編碼格式發(fā)送。接收端需要為每層測量和量化CQI以及層預測，AN根據反饋的CQI確定每層使用的PF格式。對于MCW接收端需要進行連續(xù)的干擾刪除SIC。為了更好地適應信道狀況，MCW中層與層之間可進行置換。
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來區(qū)分用戶，SDMA一般用于信道狀況很好的情況。SDMA中關鍵的技術問題是如何選擇多個信道不相關的用戶進行復用。終端需要反饋優(yōu)選的預編碼向量、秩和CQI等信息。
UMB中使用Codebook來表示反饋信息，每個碼本中包含64個向量（Entry），這些向量分為多個組，分別支持發(fā)射分集、預編碼、空間復用和SDMA。對于用于SDMA的向量，繼續(xù)細分為多個簇，保證每個Cluster內的向量具有相似的空間特性，這樣每個Cluster對應一組矩陣，用于SDMA下多用戶傳輸。只有反饋的向量屬于不同SDMA簇的用戶才能復用傳輸數據，而反饋的向量屬于同一個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。
為了支持空間復用、預編碼和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，反饋子帶的序號和子帶與整帶寬間的CQI差值。
●MIMO CQI信道r-mqich：用于反饋預編碼SCW/MCW時整帶寬的CQI，以及無預編碼SCW/MCW時的CQI信息和Rank值。
5、資源分配
根據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）分散于整個帶寬，以獲得頻域分集增益，信道和干擾估計基于寬帶的公共導頻。所有可用子載波（T個）被分為N組，每組包含T/N個子載波，N對應于圖中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，時域上分配一個幀的所有符號，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。信道和干擾估計基于專用導頻，根據SIMO/MIMO的方式不同，提供了3種導頻插入方式。
當然，上面兩種資源分配方式也可以同時出現在每個物理幀中，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
VoIP業(yè)務有自身的技術特點：速率低、業(yè)務持續(xù)時間較長、周期傳送（一般以20ms為周期）。3GPP2針對VoIP的業(yè)務特點，進行了專門的分組格式、資源分配策略等設計，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分組解碼時間，未定義更低速率對應的分組格式。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)時間比較長和周期性傳送的特點，設計了GRA資源分配和管理策略。GRA是在時域上為VoIP用戶分配了固定的、等間隔的時隙，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頻資源。所有的VoIP用戶共享這些時頻資源，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)務信道傳送。
一般的數據業(yè)務具有突發(fā)特性，所以數據業(yè)務的資源采用調度、分配的策略。一般來講，為用戶分配的資源只在當前及重傳時隙有效，也就是說一次調度的數據塊傳輸成功后，其占用的資源就默認釋放。但是VoIP業(yè)務持續(xù)的時間比較長，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，UMB中支持Persistent資源分配方式，Persistent資源分配是指某時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據需要傳送，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束或短時間內不傳送數據，則分配給用戶的資源將被浪費。針對此問題，UMB中將這些資源重新分配給數據業(yè)務，充分利用資源，提高頻譜效率。此外，Persistent資源分配下，若暫時無數據傳送，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)務信道和OFDM業(yè)務信道。反向CDMA業(yè)務信道的功率控制方式與cdma2000 1x EV DO Rel A業(yè)務信道的功控方式一致（本文不再描述），本文重點描述控制信道和OFDM業(yè)務信道的功率控制方式。
基站使用反向導頻信道R-PICH作為閉環(huán)功率的基準，反向導頻信道采用CDMA方式周期性發(fā)送�；緦-PICH的功控方式與傳統(tǒng)的閉環(huán)功控方式相同，即基站比較導頻信道的SINR與目標值，確定基站發(fā)送的功控PC比特信息，終端根據接收到的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，進行功率調制，調制的粒度與反向服務扇區(qū)的ROT，導頻質量指示PQI相關。
對于反向OFDM業(yè)務信道，也以R-PICH功率為基準，其功率控制表示為：Pdch(n)=Pref(n)+△P(n)；其中，Pdch(n)為業(yè)務信道第n幀的發(fā)射功率（每子載波）；Pref(n)為R-PICH功率；△P(n)為第n幀的功率調整Delta值。
終端反向業(yè)務信道功率大小與該終端引起的扇區(qū)間干擾以及扇區(qū)內干擾相關。首先，因為反向鏈路上不同終端占用不同的時頻資源，應該避免基站接收到的子載波間功率相差太大，因為若載波間功率相差太大，將導致載波將正交性下降，降低網絡容量。也就是說為了降低扇區(qū)內干擾，應該限制業(yè)務信道的變化范圍，
其次，基于OFDMA的業(yè)務信道，主要是本小區(qū)對鄰小區(qū)的干擾，但服務扇區(qū)并不了解此扇區(qū)業(yè)務信道引起的扇區(qū)間干擾。因此，在融合方案中，當扇區(qū)的IOT（Iinterference over Thermal）高于門限值時，使用超幀前綴的F-OSICH（扇區(qū)間干擾信道）廣播負載指示，該負載指示可取3個值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發(fā)送給基站，基站可用這些信息進行反向鏈路分配。也就是說Delta較小的用戶，可能分配到較多的子載波，獲得更高的數據速率，即基站可利用這些信息在調度過程中更好地進行公平/容量的折衷。
8、接入技術
UMB最初的接入設計是：終端進行接入時，首先從AccessSequence接入序列池中選出一個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標識等，同時為用戶分配前、反向資源。
終端通過Hash算法獲得AccessSequence，有可能兩個（或多個）終端選中了同樣的AccessSequence，這樣將導致其中一個接入失敗。為了盡量避免不同AT使用相同的AccessSequence，應該盡量地根據用戶類似細分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，會導致功率的浪費。如果終端接入時使用的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，基站應進行不同的處理。如何通知基站終端目前的接入QoS要求?實際上為尋呼接入預留的AccessSequence遠遠多于用戶數，可以將AccessSequence進行分組，組內每個AccessSequence標識一定的信道狀況和QoS，這樣基站通過接收到的AccessSequence，就能獲得對應的信道和QoS信息。
以上主要介紹了3GPP2 UMB系統(tǒng)設計中最關鍵也是最具特色的一些設計。目前，3GPP2正在為IMT-Advanced系統(tǒng)做準備工作，中繼Relay，反向MIMO，DPC編碼，網絡MIMO等技術也被相繼提出，這些新技術的可實現性以及對現有網絡的影響正在進一步討論中。
