IMT-Advanced系统空中接口的关键技术研究

　　摘 要 IMT-Advanced系统是ITU给B3G移动通信系统的正式名称，预计于2010年前后开始商用。本文从该系统空中接口的协议参考模型入手，按照层次关系分别介绍了各协议层中关键技术的研究成果，并对其候选技术方案进行了比较。

　　关键词 B3G IMT-Advanced 空中接口

　　1 引言

　　IMT-Advanced系统是ITU给B3G移动通信系统的正式名称，其目标是成为3G和E3G之后的下一代移动通信系统。预计于2010年前后开始商用，2015年开始大规模部署。该系统在低速移动的室内和室外环境中，将提供高达1Gbit/s的小区吞吐量；在中高速移动的广域环境下，将提供最高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）是指用户终端（UT）和无线接入网络（RAN）之间的接口，它是任何一种移动通信系统的关键模块之一，也是其“移动性”的集中体现。IMT-Advanced的空中接口，在设计思想上是基于ITU-R M.1645建议，其设计目标是：以用户为中心；技术上灵活；成本上可行。

　　IMT-Advanced系统中典型应用场景有三种：广域场景，其小区覆盖大，业务量中等；大城市场景，其小区覆盖中等，业务量高；本地场景，其小区覆盖小，业务量高。IMT-Advanced系统根据不同的应用场景，对空中接口提出了不同的性能要求。

　　3 空中接口的关键技术

　　空中接口中的技术种类繁多，这里先介绍协议参考模型，然后按照层次关系，分别介绍各协议层中的关键技术。

　　3.1 协议参考模型

　　IMT-Advanced系统空中接口的协议参考模型，自上而下由四部分组成：无线资源管理层（RRM）、无线链路控制层（RLC）、媒体接入控制层（MAC）和物理层（PHY）。在确保为高层协议提供统一的接口封装的前提下，为了实现“以用户为中心”的目标，即根据不同的用户需求来提供相应的服务，空中接口的各个协议层（除RLC层外）又被进一步划分为通用部分和特殊部分。这样，每个协议层可以根据不同的用户需求来调用不同的协议子层，优化无线资源的利用，同时对高层协议屏蔽了底层用户需求的细节。

　　3.2 物理层

　　物理层位于协议参考模型的最低层，承载全部上层应用，它所含技术种类繁多（包括调制技术、编码技术、双工方式以及射频实现等），且复杂度高。物理层技术的发展就是移动通信系统发展的标志。

　　（1）空间处理
　　空间处理能给系统带来性能上的增益，主要是通过空间分集、空间复用、空分多址（SDMA）和干扰抑制等技术来实现的。空间分集通过在独立信道上传输相同的数据，来提高传输的可靠性，因此它可以有效克服信道衰落的影响。波束赋性（Beamforming）能够通过SDMA来区分一个小区内（或多个小区之间）的多个用户，使其共享相同的时频资源。干扰抑制是通过在下行链路中进行预编码来增强多用户环境中的频谱效率。

　　（2）前向纠错（FEC）技术

　　在众多前向纠错技术中，卷积码（CC）、并行级联卷积码（PCCC）和低密度奇偶校验码（LDPC）这三种编码技术是最热门的IMT-Advanced系统候选技术。

　　目前的研究结果表明，CC码适用于长度短的小块数据（几百比特），LDPC码适用于长块数据，而双二进制（Duo-Binary）PCCC码的性能虽然对数据长度不十分敏感，但对中等长度的数据块的性能更为出色。对于长块数据，LDPC码的优势是纠错性能强、功耗低。

　　（3）调制技术

　　随着调制技术不断发展，多载波调制越来越受到人们的关注。它在频谱效率和传输信息量的性能上，明显优于单载波方式，但这不是选择调制方式的唯一标准。调制方式的选择还要综合考虑上下行链路的特点以及实现成本等多方面因素。

●OFDM调制

　　OFDM（正交频分复用）是一种非常优秀的多载波调制技术，已经被广泛用于多种无线系统中，如IEEE 802.11，DVB等，它也将作为IMT-Advanced系统的下行链路的物理层调制技术。

　　OFDM的主要优点是：频谱利用率高；能够很好地克服多径传播的影响；从基带处理的角度看，实现复杂度低。然而，目前OFDM技术还存在的一些问题：OFDM时域信号的特点是峰均功率比（PAPR）很高，这对于射频部分的高功率放大器（HPA）来说是一个挑战。OFDM对时间和频率上的同步要求非常高，但从总体来看，这不足以限制OFDM的应用，我们可以找到合适的（低复杂度）算法来确保同步精度。

　　OFDM的性能对Doppler频移比较敏感，如果在一个符号周期内信道变化显著的话，高的载波间干扰（ICI）将导致OFDM性能的急速下降，这对OFDM的参数设计问题提出了较高的要求。但从目前的研究成果来看，对于高速移动的场景（移动速率80m/s、载波5GHz）OFDM技术是可行的。

●单载波调制

　　在频率选择性信道上的BER性能方面，单载波和多载波调制的性能相差不大。对于广域场景的上行链路，单载波方式比多载波方式更为有效，因为峰均功率比（PAPR）较低，射频功放的成本低。此外，在使用相同类型的HPA的情况下，采用单载波方式，将具有更高的发射功率、更大的覆盖和较低的BER，同时终端的待机时间长、成本低。这是在上行采用单载波方式的主要原因。对振荡器相位噪声的自干扰和频率偏移的敏感度较低，便于硬件实现和成本控制。

●保护间隔

　　保护间隔（GI）的作用是降低多载波调制中的符号间干扰（ISI）对性能的影响。因此保护间隔的长度应该大于信道最大传输时延（包括由信道、滤波器和同步过程中的差错造成的时延），同时它应该是抽样间隔的整数倍。在实际应用中，保护间隔一般为符号长度的 倍。

　　此外，在CP-OFDM（Cyclic Prefix OFDM）中的循环前缀扩展技术可以有效降低ISI，同时简化了基于载波的均衡技术，并降低了接收机的实现成本；在PRP-OFDM（Pseudo Random Postfix OFDM）中的GI不仅起到避免ISI的作用，还可被用于信道估计（不需要导频和训练序列上的开销）。

　　3.3 媒体接入控制层

　　MAC层是上层协议与物理层之间的桥梁，主要负责逻辑信道与传输信道间的映射以及物理资源的管理。

　　MAC层作为上层协议的支撑，它提供的服务包括：基于逻辑信道的报文传输，即上层调用逻辑信道接口，再由MAC层将其映射到相应的传输信道；资源控制，即执行上层发来的控制信息并根据需求来指定相应的传输参数；控制信息的反馈，即反馈队列状态信息和数据流的时延统计和资源占用状况，便于MAC和上层协议进行QoS保障；系统信息的广播，即支持广播或组播业务需求。

　　（1）物理资源的管理
　　物理资源的管理是MAC层中的重要实体，它是上层应用（无线资源管理）的执行模块。MAC层中的物理资源的管理由两部分组成：服务等级控制（SLC）和资源调度（RS）。

　　SLC主要负责不同基站间的资源分配，通过预留不同基站的资源，在总体上确保数据流的服务等级。在广域场景，SLC的实体通常位于RAN网关（RANG）上，而不是在基站上。

　　RS主要负责物理信道资源的最优分配。在其资源调度器中，有两类基本的调度算法：自适应调度（Adaptive resource scheduling）和非频率自适应调度（Non-frequency-adaptive scheduling）。二者的区别是：前者是预测信道状态的快速变化，通过改变物理参数来适应频率选择性信道；而后者是通过某些技术手段（如分集、交织和空时编码等）来设法减小信道快速变化的影响。在终端高速移动的情况下，很难准确地捕捉到信道状态的快速变化，这时更倾向于非频率自适应调度算法。

　　（2）多址方式

　　多址方式是空中接口为不同用户分配相应的物理资源的方法和策略。多址方式的选择是个复杂的问题，它要综合考虑调制方式、链路特性以及链路自适应技术等多方面因素。IMT-Advanced系统选择多址方式的关键指标包括性能、灵活性、频谱效率、复杂度和成本。

　　相比于传统的多址方式（FDMA、TDMA和CDMA），IMT-Advanced系统更关注OFDMA（Orthogonal Frequency Division Multiplexing Access）和SDMA（Spatial Division Multiple Access）方式，因为它们具有更好的性能和频谱效率。OFDMA利用OFDM技术来为不同的用户分配不同的信道资源，相比于FDMA，它在灵活性和频谱效率上优势明显；而SDMA与其它多址技术的结合，将在性能上带来突破，因而是当前的研究热点。

　　在基于多载波调制的多址方式中，TDMA/OFDMA通过利用自适应传输技术，而具有最好的性能增益和灵活性，进一步验证了自适应传输在多址方式选择中的重要性。首先，TDMA/OFDMA通过链路自适应技术来克服频率选择性衰落，能得到多用户增益（5GHz频点上、移动速度为50～70km/h时SINR数值良好）。不过，为了适应高速移动的场景，也需要非自适应模式（基于编码、交织和扩频技术）作为补充。其次，对于上行链路，TDMA/OFDMA也是可行的，但前提是终端能够保持频率同步。此外，TDMA/OFDMA方式对于TDD和FDD系统都适用。

　　SDMA方式与多天线技术是紧密相连的，目前主要有两种方式：固定波束赋型（Fixed beamforming）和自适应波束赋型（Adaptive beamforming）。固定波束赋型的特点是简单和鲁棒性强，它适用于角度扩散小的广域环境，所支持的用户数量近似等于发射天线数目的一半；而自适应波束赋型适用于角度扩散大的场景，所支持的用户数量是固定波束赋型方式的两倍。此外，这两种方式都可以与OFDM、FDMA、TDMA和CDMA相结合，在综合考虑实现复杂度和性能的情况下，目前最好的结合方式是：OFDM-SDMA-TDMA和OFDM-SDMA-TDMA-CDMA。

　　3.4 无线链路控制

　　无线链路控制（RLC）的作用是保证空中接口的端点之间（终端与基站或其它网络侧的节点之间）的传输可靠性。RLC层主要是负责丢失报文、失序报文和重复报文的处理，其保障机制主要包括：端到端的重传；报文记录；重复避免；中继节点上的安全处理。

　　RLC为上层应用提供了可靠的传输，这非常重要，因为类似TCP这种高层的传输协议，它会将报文的丢失、失序和重复当做网络拥塞的前兆，从而迫使发送端降低发送速率。但是，另一方面，RLC也为系统带来了一定的开销和传输时延，我们要努力减小它对系统性能的影响。

　　RLC层为上层提供了多种服务，包括确认的数据传输、非确认的数据传输和透明传输。它们对信令的要求不同、所需的开销不同，因而所能提供的传输可靠性也就不同。它们之间最主要的区别是收、发端buffer的使用方式和状态报告的机制不同。其中，确认的数据传输占用最多的资源，提供最高的传输可靠性。同时，RLC层也需要来自底层（MAC层）的服务，如它需要MAC层汇报CRC的效验结果，并为它的处理提供依据。

　　3.5 无线资源管理

　　RRM是空中接口的上层模块，是众多算法和协议的总称。它负责整个移动通信系统的空中接口资源的规划和调度，以确保系统的覆盖、容量和QoS。
　　
　　由于IMT-Advanced系统服务于不同的场景和用户需求，所以RRM的功能可以被进一步细分为：通用的RRM功能，它们对于场景类型和用户需求不敏感，适用于各种情况，包括频谱分配、服务等级控制、Buffer管理、流量监控、接入控制、拥塞控制和相同模式间的切换；特殊的RRM功能，它们针对不同的场景类型和用户需求进行了优化，包括资源调度、功率控制、链路自适应、路由和不同模式间的切换；系统间的RRM功能，它们用于IMT-Advanced系统与现有系统（如UMTS和WLAN等）之间的协作与共存，包括系统间的切换、接入控制、拥塞控制和RAN选择。

　　相比于3G系统，IMT-Advanced系统RRM的设计复杂要高很多：在功能上，增加了系统间的切换、RAN选择和路由选择等实体；在结构上，将采用分布式方案，把RRM的监控和决策实体下放到网络的各个节点上（包括终端），以减小信令的信息交换量和传输时延。

　　4 结束语

　　IMT-Advanced系统作为下一代移动通信系统，正日益成为人们关注的焦点。本文介绍了当前该系统在空中接口关键技术方面的研究成果，并对其候选技术方案进行了比较。可以看出，IMT-Advanced系统相比于3G和E3G系统，必将在功能和服务上迈出质的飞跃。但是其设计、实现的复杂度也前所未有的，特别是在多种关键技术的融合方面，还需要人们的进一步研究。

汪俊峰 北京邮电大学电信工程学院博士

常永宇 北京邮电大学电信工程学院博士
作者：汪俊峰 常永宇    来源：中国电信网