分層多模IMT-Advanced系統(tǒng)框架研究

摘要　文章提出了一種用于IMT-Advanced（B3G）技術(shù)的分層多模系統(tǒng)框架。該系統(tǒng)包含寬帶移動通信（BMC）子系統(tǒng)和寬帶勢點接入子系統(tǒng)（BHA）。兩個子系統(tǒng)緊密協(xié)調(diào)、優(yōu)勢互補、相互配合，可以實現(xiàn)B3G高數(shù)據(jù)率、高容量、廣覆蓋和高速移動的全面需求。

1、性能指標和可用頻譜

　　“超3G”（B3G）或“4G”也許對很多人來說還是遙不可及的“概念”，但是B3G技術(shù)的標準化工作，已經(jīng)“近在眼前”。最近，國際電信聯(lián)盟（ITU）；將超3G（B3G）技術(shù)命名為IMT-Advanced技術(shù)，并初步?jīng)Q定在2008年2月開始IMT-Advanced的技術(shù)提案征集工作。這項技術(shù)和3G以及演進型3G（E3G）技術(shù)相比，需要提供更高的數(shù)據(jù)率和更大的系統(tǒng)容量。目標峰值速率為：低速移動、熱點覆蓋場景下1Gb/s以上，高速移動、廣域覆蓋場景下100Mb/s。上述性能指標主要依靠兩個方法實現(xiàn)：提高頻譜效率和擴大系統(tǒng)帶寬。

　　根據(jù)E3G技術(shù)研發(fā)的經(jīng)驗，依靠正交頻分復(fù)用（OFDM）和4×4多天線（MIMO）技術(shù)可將峰值頻譜效率提高到10bps/Hz至14bps/Hz（采用6×6 MIMO可提高至25bps/Hz，但其可實現(xiàn)性有待驗證）。因此IMT-Advanced系統(tǒng)可能需要寬達100MHz的系統(tǒng)帶寬，但在3GHz以下頻段為單個運營商分配100MHz連續(xù)頻譜幾乎是不可能的。在我國，如此寬的頻譜預(yù)計在4.4GHz～5GHz內(nèi)可以找到，但在如此高的頻段很難實現(xiàn)無縫全域覆蓋和高速移動（需要注意的是，運營商強烈要求基于現(xiàn)有站址實現(xiàn)IMT-Advanced系統(tǒng)部署，因此廣泛使用中繼和分布式天線技術(shù)有一定困難），因此需要同時使用部分3GHz以下頻譜。雖然3GHz以下適用于移動通信的頻譜已被ITU定義為IMT-2000頻譜，但如果IMT-Advanced和IMT-2000的頻譜可以通用，3GHz以下頻譜也可以用于IMT-Advanced系統(tǒng)。

　　綜上所述，一個IMT-Advanced系統(tǒng)很可能需要同時使用兩段離散的頻譜：

　　◆3GHz以下頻段，可實現(xiàn)無縫連續(xù)覆蓋和高速移動，但帶寬有限，難以實現(xiàn)高峰值速率和高系統(tǒng)容量。

　　◆3GHz以上頻段，可實現(xiàn)超大帶寬頻譜分配和高峰值速率、高系統(tǒng)容量，但只能實現(xiàn)孤島覆蓋（只在密集城區(qū)可實現(xiàn)連續(xù)覆蓋）、支持低速移動。

　　同時使用上述兩個頻段的IMT-Advanced系統(tǒng)將是一個分層多模無線通信系統(tǒng)。

2、分層多模IMT-Advanced系統(tǒng)框架

　　2.1　基本系統(tǒng)框架

　　如圖1所示，未來的IMT-Advanced系統(tǒng)可由寬帶移動通信（BMC）子系統(tǒng)和寬帶熱點接入（BHA）子系統(tǒng)構(gòu)成。BMC子系統(tǒng)工作在較低頻段（如3GHz以下IMT-2000頻段），提供廣域覆蓋和高移動性，為了實現(xiàn)IMT-Advanced的性能指標（高速移動峰值速率100Mb/s），可以考慮采用比E3G略大的帶寬，如20MHz-40MHz。BHA子系統(tǒng)工作在較高頻段（如3GHz～5GHz可能分配給IMT-Advanced的新頻段），為了實現(xiàn)IMT-Advanced的性能指標（固定移動峰值速率1Gb/s），需要采用很大的帶寬（最大至100MHz）。


圖1　分層多模IMT-Advanced系統(tǒng)框架

　　兩個子系統(tǒng)應(yīng)高度的融合（如采用相似的設(shè)計），以實現(xiàn)用戶在兩個系統(tǒng)之間靈活的接入、調(diào)度和切換，即當(dāng)用戶在固定和低速移動環(huán)境下并處于熱點覆蓋范圍內(nèi)時，可以接入BHA子系統(tǒng)獲得高數(shù)據(jù)率的寬帶接入；當(dāng)用戶處于熱點覆蓋范圍外或高速移動環(huán)境時，則可以切換到BMC子系統(tǒng)。由于BHA子系統(tǒng)已經(jīng)覆蓋了小區(qū)中心區(qū)域，BMC子系統(tǒng)可以將有限的頻率資源用于小區(qū)邊緣區(qū)域，以獲得更高的性能。

　　BHA的覆蓋范圍受到所在頻段的傳播特性的限制，約為數(shù)百米。在密集城區(qū)，目前運營商部署的基站間距已經(jīng)降到數(shù)百米量級，則BHA子系統(tǒng)也可以實現(xiàn)一定程度上連續(xù)覆蓋，但該覆蓋區(qū)域內(nèi)的高速移動用戶應(yīng)仍由BMC承載。在一般城區(qū)、郊區(qū)和鄉(xiāng)村，運營商基站間距可能擴大到數(shù)公里以上，在不增加新的站址的前提下，依靠BHA子系統(tǒng)則無法提供連續(xù)覆蓋，BHA子系統(tǒng)將只用于在特定區(qū)域提供熱點寬帶接入服務(wù)。而BHA覆蓋區(qū)域的間隙則由BMC覆蓋。在一般城區(qū)、郊區(qū)和鄉(xiāng)村，由于建設(shè)新站址遇到的限制較小，運營商可以考慮在必要的區(qū)域加設(shè)BHA基站或中繼站，以擴展BHA子系統(tǒng)的覆蓋范圍。另外，采用智能天線技術(shù)也可以在不增加站址的情況下擴展BHA子系統(tǒng)的覆蓋范圍。

　　2.2　帶有接力系統(tǒng)的系統(tǒng)框架

　　在圖1所示基本系統(tǒng)框架的基礎(chǔ)上，可以采用接力（Relay）技術(shù)或分布式天線系統(tǒng)擴展BHA子系統(tǒng)的覆蓋范圍，如圖2所示。作為BHA子系統(tǒng)的擴展，Relay系統(tǒng)也只用于固定和低速移動用戶，高速移動用戶仍由BMC子系統(tǒng)提供接入。Relay技術(shù)和分布式天線技術(shù)仍有很多技術(shù)問題需要進一步研究。即使技術(shù)問題得到解決，由于運營商在添加大量新的基站和接力站（RS，Relay Station，RS）方面受多諸多的限制，也很難依賴接力和分布式天線系統(tǒng)提供全域覆蓋，應(yīng)考慮將其用于某些特定場景，作為有效的補充。

　　需要說明的是，圖2中的示例假設(shè)Relay子系統(tǒng)采用額外的頻段。但在實際設(shè)計當(dāng)中，Relay子系統(tǒng)和BHA子系統(tǒng)可以使用相同的頻率資源，并通過協(xié)調(diào)無線資源管理（RRM）在兩個子系統(tǒng)之間進行無線資源分配。


圖2　帶有Relay子系統(tǒng)的分層多模IMT-Advanced系統(tǒng)框架

　　2.3　和其他無線系統(tǒng)的異構(gòu)接口

　　從泛義上來講，B3G系統(tǒng)應(yīng)該是滿足包括廣域、城域、局域和個人域各個應(yīng)用場景的泛在異構(gòu)系統(tǒng)，但對于IMT-Advanced系統(tǒng)的研發(fā)來說，需要有所側(cè)重。

　　以IEEE 802.11系列標準為代表的無線局域網(wǎng)（WLAN）技術(shù)已經(jīng)獲得了國際產(chǎn)業(yè)界的廣泛支持，IMT-Advanced系統(tǒng)應(yīng)該將WLAN技術(shù)納入其中，而不是取而代之。另外，WLAN系統(tǒng)可以使用非許可頻段滿足系統(tǒng)需求，不需占用IMT-Advanced寶貴的許可頻段頻率資源。因此將WLAN系統(tǒng)視為IMT-Advanced系統(tǒng)的一部分是較現(xiàn)實的一種考慮。

　　以IEEE 802.15系列標準為代表的無線個人網(wǎng)（WPAN）技術(shù)已經(jīng)接近于完成（雖然UWB技術(shù)的標準化工作已由802.15工作組轉(zhuǎn)到其他標準化組織中），預(yù)計也將獲得產(chǎn)業(yè)界的廣泛支持。另外，WPAN系統(tǒng)的傳輸技術(shù)將和廣域/城域系統(tǒng)的傳輸技術(shù)有很大的差別，很難用相似的空中接口技術(shù)實現(xiàn)。因此較明智的做法是將WPAN技術(shù)也接受為IMT-Advanced系統(tǒng)的一部分。

　　新研發(fā)的包含BMC和BHA子系統(tǒng)的IMT-Advanced新空中接口就可以將IMT-Advanced許可頻段集中用于覆蓋范圍在100米以上的廣域和城域場景，而利用現(xiàn)有的WLAN和WPAN技術(shù)標準實現(xiàn)100米以下的局域和個人域覆蓋，并通過異構(gòu)接口實現(xiàn)廣域/城域系統(tǒng)和局域/個人域系統(tǒng)之間互通和切換。

　　如圖3所示，IMT-Advanced系統(tǒng)的研發(fā)則主要集中在如下四個方向：

　　◆BMC子系統(tǒng)設(shè)計

　　◆BHA子系統(tǒng)設(shè)計

　　◆BMC和BHA子系統(tǒng)之間的聯(lián)合設(shè)計與協(xié)調(diào)RRM

　　◆和其他無線通信系統(tǒng)的異構(gòu)接口及聯(lián)合RRM


圖3　側(cè)重于廣域和城域新空中接口設(shè)計的IMT-Advanced系統(tǒng)

3、分層多模IMT-Advanced系統(tǒng)研究課題

　　在上述系統(tǒng)框架下，需要研究如下課題：

　　（1）超大帶寬高數(shù)據(jù)率無線接入技術(shù)

　　為了滿足新一代無線移動通信系統(tǒng)對超高數(shù)據(jù)率（最高1Gb/s以上）和系統(tǒng)容量的需求，需要使用很大的系統(tǒng)帶寬（最大至100MHz）。應(yīng)重點開展高頻段、大帶寬物理層傳輸技術(shù)的研究，攻克大帶寬系統(tǒng)在實現(xiàn)方面的難題，如高頻段傳播性能改善、大帶寬低功耗低峰平比低復(fù)雜度設(shè)計、大帶寬高效無線資源管理、有效的接力和網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實現(xiàn)等。

　　（2）寬帶廣覆蓋高速移動傳輸技術(shù)

　　應(yīng)重點對帶寬在20MHz以上、可以在相對較低頻段實現(xiàn)無縫連續(xù)覆蓋和高速移動下100Mb/s峰值速率的傳輸技術(shù)開展研究。攻克廣域高速移動寬帶通信在實現(xiàn)方面的難題，如小區(qū)間干擾抑制、小區(qū)間負載均衡、惡劣信道和高速移動下的頻譜效率提高等。

　　（3）分層多�？罩薪涌诘腞RM技術(shù)

　　由于具有不同的頻譜特點和技術(shù)特點，新一代無線移動通信需要同時采用上述兩種技術(shù)。應(yīng)重點研究基于離散頻譜的多�？罩薪涌诘穆�(lián)合無線資源管理技術(shù)。攻克跨頻段多模空口協(xié)調(diào)設(shè)計難題，如跨頻段測量、聯(lián)合調(diào)度、聯(lián)合小區(qū)搜索、聯(lián)合接入、跨頻段負載均衡、垂直切換等。

　�。�4）異構(gòu)系統(tǒng)接入和聯(lián)合RRM技術(shù)

　　除上述聯(lián)合設(shè)計的多模系統(tǒng)外，新一代無線移動通信需要實現(xiàn)與其他異構(gòu)無線系統(tǒng)（如WLAN、WPAN、WBAN）的互操作和靈活接入。因此應(yīng)重點研究滿足各異構(gòu)系統(tǒng)特性的聯(lián)合接入技術(shù)，攻克異構(gòu)系統(tǒng)接口和RRM設(shè)計難題，如低復(fù)雜度低延時的跨系統(tǒng)測量、跨系統(tǒng)調(diào)度、跨系統(tǒng)小區(qū)搜索、跨系統(tǒng)接入、跨系統(tǒng)負載均衡、垂直漫游切換等。

　�。�5）半靜態(tài)和動態(tài)頻譜共享

　　由于新一代無線移動通信對帶寬的巨大需求和頻率資源的稀缺性，頻譜共享技術(shù)有可能成為新一代無線移動通信的核心技術(shù)。應(yīng)重點研究半靜態(tài)和動態(tài)頻譜共享技術(shù)，攻克頻譜共享在實現(xiàn)方面的難題，如用于同構(gòu)技術(shù)多運營商頻譜共享的半靜態(tài)/動態(tài)資源分配方法、用于分層多模無線系統(tǒng)的半靜態(tài)/動態(tài)資源分配方法、用于多個異構(gòu)系統(tǒng)頻譜共享的半靜態(tài)/動態(tài)資源分配方法，頻譜共享系統(tǒng)的干擾測量和干擾協(xié)調(diào)等。

　　（6）基于多�？罩薪涌诘姆謱咏尤刖W(wǎng)結(jié)構(gòu)

　　為了滿足新一代無線移動通信業(yè)務(wù)的多元化，以及同時對高數(shù)據(jù)率、大容量和廣覆蓋、高速移動的需求，系統(tǒng)需要同時采用基于較低頻段（如3GHz以下）的寬帶移動通信技術(shù)和基于較高頻段（如3GHz以上）的超大帶寬無線接入技術(shù)，并組成層疊的多模無線接入網(wǎng)。應(yīng)根據(jù)上述兩種技術(shù)的不同特征，重點開展層疊多模網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的研究，攻克多�？罩薪涌诼�(lián)合組網(wǎng)在實現(xiàn)方面的難題，如基于現(xiàn)有站址的多模無線接入網(wǎng)絡(luò)拓撲、多模無線接入網(wǎng)參考模型、分層多模網(wǎng)元的結(jié)構(gòu)和功能、多模接入網(wǎng)元之間的接口設(shè)計等。

　�。�7）接力和無線網(wǎng)格接入網(wǎng)結(jié)構(gòu)

　　在上述工作的基礎(chǔ)上，應(yīng)重點對接力組網(wǎng)和無線網(wǎng)格組網(wǎng)技術(shù)進行研究，設(shè)計包含接力和網(wǎng)格網(wǎng)技術(shù)的新型接入網(wǎng)絡(luò)拓撲。攻克接力網(wǎng)和網(wǎng)格網(wǎng)在實現(xiàn)方面的難題，如新增站址的最小化、接力網(wǎng)拓撲、接力接入點和基站之間的低復(fù)雜度無線資源分配/管理、接入管理和移動性管理、接力接入點和基站之間以及接力接入點之間的干擾抑制、接力接入點和基站之間以及接力接入點之間的切換、網(wǎng)格網(wǎng)拓撲、網(wǎng)格網(wǎng)網(wǎng)元之間的低復(fù)雜度無線資源管理、接入管理和移動性管理、網(wǎng)格網(wǎng)網(wǎng)元之間的切換、以及接力網(wǎng)和網(wǎng)格網(wǎng)與分層多模接入網(wǎng)的結(jié)合等。

　　（8）與異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)的接口

　　除上述分層多模網(wǎng)絡(luò)和接力/網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)外，新一代無線移動通信需要實現(xiàn)與其他異構(gòu)無線接入網(wǎng)（如WLAN、WPAN、WBAN）的互操作和靈活接入。因此應(yīng)重點研究新一代無線移動通信網(wǎng)絡(luò)和其他異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的接口，攻克基于融合IP核心網(wǎng)的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互通、漫游和切換的難題，如異構(gòu)融合網(wǎng)絡(luò)拓撲、融合異構(gòu)網(wǎng)元的功能和結(jié)構(gòu)、異構(gòu)網(wǎng)元之間的接口、異構(gòu)網(wǎng)元之間的無線資源管理和接入管理、異構(gòu)網(wǎng)元之間的漫游、跨系統(tǒng)調(diào)度、跨系統(tǒng)小區(qū)搜索、跨系統(tǒng)接入、跨系統(tǒng)負載均衡、垂直漫游切換等。

4、分層多模系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)度

　　上述分層多模系統(tǒng)的一項核心環(huán)節(jié)，是采用“聯(lián)合調(diào)度”（JS，Joint Scheduling）方法來協(xié)調(diào)兩個子系統(tǒng)。為了實現(xiàn)兩個子系統(tǒng)之間的統(tǒng)一協(xié)調(diào)，需要采用統(tǒng)一的無線資源管理（RRM）系統(tǒng)和信令系統(tǒng)。聯(lián)合調(diào)度判決可以在網(wǎng)絡(luò)側(cè)做出，也可以在終端側(cè)做出。由網(wǎng)絡(luò)控制的聯(lián)合調(diào)度過程（如圖4所示）如下：


圖4　由網(wǎng)絡(luò)控制的聯(lián)合調(diào)度過程

　�。�1）終端周期性的測量BMC子系統(tǒng)和BHA子系統(tǒng)在該終端位置上的公共信道或?qū)ьl的強度進行測量，從而對兩個子系統(tǒng)在該位置的覆蓋效果做出估計，并將估計的結(jié)果——信道質(zhì)量指示符（CQI，Channel Quality Indicator）通過上行信令反饋給系統(tǒng)。

　�。�2）分層多模系統(tǒng)對終端上報的CQI進行檢驗，如果BHA子系統(tǒng)的CQI滿足接入的條件，則JS判定該終端應(yīng)接入子BHA系統(tǒng)；如果BHA子系統(tǒng)的CQI不滿足接入的條件，而BMC子系統(tǒng)的CQI滿足接入條件，則JS判定該終端應(yīng)接入BMC子系統(tǒng)（注意：由于BMC子系統(tǒng)可以提供連續(xù)覆蓋，因此總可以找到符合接入條件的BMC小區(qū)）。

　�。�3）隨后系統(tǒng)通過下行信令系統(tǒng)將接入指令（終端應(yīng)該接入哪個子系統(tǒng)）通知終端。

　　（4）終端根據(jù)系統(tǒng)的指令向某個子系統(tǒng)（BMC子系統(tǒng)或BHA子系統(tǒng)）發(fā)起隨機接入嘗試。

　　由終端控制的聯(lián)合調(diào)度過程（如圖5所示）如下：


圖5　由終端控制的聯(lián)合調(diào)度過程

　�。�1）終端周期性的測量BMC子系統(tǒng)和BHA子系統(tǒng)在該終端位置上的公共信道或?qū)ьl的強度進行測量，從而對兩個子系統(tǒng)在該位置的覆蓋效果做出估計。

　　（2）終端根據(jù)估計的結(jié)果直接判斷應(yīng)接入的子系統(tǒng)。如果BHA子系統(tǒng)的CQI滿足接入的條件，則終端判定應(yīng)接入子BHA系統(tǒng)；如果BHA子系統(tǒng)的CQI不滿足接入的條件，而BMC子系統(tǒng)的CQI滿足接入條件，則該終端判定應(yīng)接入BMC子系統(tǒng)（注意：由于BMC子系統(tǒng)可以提供連續(xù)覆蓋，因此總可以找到符合接入條件的BMC小區(qū)）。

　�。�3）終端根據(jù)自己的判定向某個子系統(tǒng)（BMC子系統(tǒng)或BHA子系統(tǒng)）發(fā)起隨機接入嘗試。

　　在實現(xiàn)上述聯(lián)合調(diào)度過程時，還需要采用如下方法：

　�。�1）聯(lián)合同步檢測

　　為了隨時對BMC子系統(tǒng)和BHA子系統(tǒng)進行測量，需要保持對兩個子系統(tǒng)的時鐘同步和頻率同步。兩個子系統(tǒng)可以采用相同的時鐘，因此終端可以保持對其中一個系統(tǒng)（如BMC系統(tǒng)）的時鐘同步，也就同時保持了和另一系統(tǒng)的時鐘同步。但兩個子系統(tǒng)工作于不同的頻率，因此系統(tǒng)需要分別和兩個子系統(tǒng)保持頻率同步。

　�。�2）終端移動速度估計

　　由于處于BHA子系統(tǒng)覆蓋范圍內(nèi)的高速移動終端也將接入BMC子系統(tǒng)，而非BHA子系統(tǒng)，因此需要判斷終端的移動速度�？刹捎脤�CQI持續(xù)監(jiān)測的方法判斷終端的移動速度，即當(dāng)一個終端開機后，系統(tǒng)首先將其接入BMC子系統(tǒng)，隨后對BHA子系統(tǒng)的CQI進行持續(xù)監(jiān)測。如果在T時長內(nèi)終端上報的BHA CQI持續(xù)滿足接入條件，則系統(tǒng)判斷，該終端處于BHA子系統(tǒng)覆蓋范圍內(nèi)并處于低速移動狀態(tài)，可將該終端接入BHA子系統(tǒng)。如果BHA CQI持續(xù)滿足接入條件的時長小于T，則系統(tǒng)判斷，該終端處于高速移動當(dāng)中，應(yīng)繼續(xù)保持該終端接入BMC系統(tǒng)。T的長度取決于BHA熱點的大小和BHA子系統(tǒng)對終端移動速度的支持。

　�。�3）分層多模系統(tǒng)的聯(lián)合小區(qū)搜索/重選

　　上述多模分層系統(tǒng)的調(diào)度過程需要和小區(qū)選擇/重選過程相結(jié)合。終端通常在任一時刻都會搜索到多個BHA熱點和多個BMC小區(qū)。在系統(tǒng)判定接入BHA子系統(tǒng)還是BMC子系統(tǒng)之前，終端首先要分別對BHA子系統(tǒng)和BMC子系統(tǒng)進行小區(qū)搜索。終端將通過BMC小區(qū)搜索選出“最佳”的BMC小區(qū)并接入該小區(qū)。同時，終端也根據(jù)BHA小區(qū)搜索選出“最佳”的BHA小區(qū)，并對此小區(qū)的信號強度進行測量和持續(xù)監(jiān)測，以供系統(tǒng)或終端對是否接入BHA子系統(tǒng)作出判定。

5、小結(jié)

　　基于不連續(xù)頻段的分層多模系統(tǒng)框架是由IMT-Advanced系統(tǒng)可用頻譜特性（尤其是我國可用頻譜）和運營商的實際部屬要求（尤其是不能大量增加新站址）決定的�；�于此系統(tǒng)框架，仍有大量的問題有待于研究。但此系統(tǒng)框架已在國內(nèi)的相關(guān)技術(shù)討論中取得了各企業(yè)的一定共識，將此框架確定為我國IMT-Advanced系統(tǒng)設(shè)計基礎(chǔ)，有助于集中各企業(yè)、各科研單位的研發(fā)力量，加快IMT-Advanced技術(shù)的研究進程。