IMT-Advanced无线空中接口关键技术

摘要　IMT-Advanced标准化工作已经迫在眉睫，本文介绍了IMT-Advanced的几个代表性物理层技术方向，包括多址技术、多天线技术、调制和编码、小区间干扰抑制技术、中继技术、广播组播技术等，讨论了在这些技术方向上几个可能的技术发展趋势。

1、国际B3G研究工作进展

B3G技术的研究从20世纪末3G技术完成标准化之时就开始了。2006年，ITU-R已经正式将B3G技术命名为IMT-Advanced技术（3G技术名为IMT-2000）。根据原定的工作计划，IMT-Advanced标准化已经"近在眼前"。ITU-R将在2008年2月向各国发出通函，向各国和各标准化组织征集IMT-Advanced技术提案。IMT-Advanced技术需要实现更高的数据率和更大的系统容量，目标峰值速率为：低速移动、热点覆盖场景下1 Gbit/s以上，高速移动、广域覆盖场景下100 Mbit/s。

国际上针对IMT-Advanced的研究已经取得了一系列重要的进展。日本NTT DoCoMo公司已经通过4×4和12×12天线MIMO（多进多出）技术在100 MHz带宽下分别验证了1 Gbit/s（室外试验）和5 Gbit/s的峰值传输速率，在硬件实现方面处于世界领先位置。欧盟第6框架研究项目WINNER自2004年启动以来。吸引了欧洲各主要通信设备商，第一阶段（Phase Ⅰ）已于2005年底完成，就各种B3G关键技术进行了广泛的调研，形成了系统化的结论。将于2007年底完成的第二阶段（Phase Ⅱ）将完成系统设计和性能评估过程，形成完善的技术方案。2008年开始的第三阶段（Phase Ⅲ）将进行演示系统的开发和实验。同时，欧盟大力支持的世界无线研究论坛（WWRF）已经成为国际B3G技术交流的主要平台之一。另外，日本和韩国也分别成立了mITF（移动IT论坛）和NGMC（下一代移动通信）论坛，推广自己的B3G研究成果。

目前的各标准化组织正在正式或非正式地开展针对IMT-Advanced的预研。3GPP2在加紧进行AIE（空中接口演进）标准化的同时，设立了先进技术演进（ATE）项目，并开始针对IMT-Advanced提案进行研究。IEEE在2006年12月终于批准了802.16m的立项申请（PAR），此项目将在IEEE 802.16e（WiMAX技术）的基础上开发满足IMT-Advanced需求的技术方案。相对而言，3GPP并没有明确展开针对IMT-Advanced的工作，但实际上正在标准化的LTE（长期演进）技术已经具有部分4G技术的特征，预计3GPP会基于LTE进一步演进，形成欧洲IMT-Advanced技术提案的一个重要来源。

2006年，数家国际移动通信运营商联合成立了NGMN论坛，想要引领新一代宽带移动通信的走向。目前NGMN白皮书已经初步成型，并对各国各标准化组织的研究和标准化工作产生重大影响。

2、IMT-Advanced空中接口核心技术

虽然完整的B3G系统应包括核心网、接入网和无线接入，但ITU-R主要将IMT-Advanced标准定位于一种无线接入技术。从目前的国际研究现状来看，IMT-Advanced的候选技术有趋同的趋势，几个技术阵营都认为IMT-Advanced的基础是OFDMA（正交频分多址接入）和MIMO技术，各种研究和标准化工作均围绕MIMO OFDMA技术进行不同方面的增强和优化，以使MIMO OFDMA系统发挥更好的性能。IMT-Advanced空中接口物理层核心技术主要包括如下几个方面。

2.1　基本传输和多址技术

虽然IMT-Advanced系统很可能以OFDMA技术为核心，但却有多种多样的变种。这些变种是为了解决OFDMA技术中的某些潜在问题或进一步增强其性能而产生的。主要的增强和优化方向包括以下方面。

（1）小区间多址和干扰消除

众所周知，CDMA技术更适合在低信噪比区域提高功率效率，而OFDMA技术则更适合在高信噪比区域提高频谱效率。以WiMAX、LTE、UMB（超移动宽带）为代表的E3G技术由于从语音业务（功率效率更重要）为主转向侧重数据业务（频谱效率更重要），因此用OFDMA技术替代了CDMA技术。但这并不意味着OFDMA适合解决所有移动通信中的问题。实际上，在一个蜂窝移动通信系统中，频谱受限和功率/干扰受限的场景都存在。例如在小区中心，信干比较高，功率充足的情况下，应注重提高频谱效率，以实现更大的系统容量；但在小区边缘，相邻小区干扰比较严重的情况下，系统功率受限，应注重提高功率效率，以提高小区边缘的数据率。

因此，除了采用某些补充性的小区间干扰消除技术外，可以将OFDMA和CDMA技术有机结合、灵活切换，以在不同的场景下，扬长避短，灵活提高系统的频谱效率和功率效率，取得均衡的系统性能。在3GPP2 UMB中，采用了相对固定的结合方式，即对低速率语音业务和控制信令采用CDMA技术，对高速率数据业务采用OFDMA技术。另外，更灵活的结合方式是OFDMA和CDMA叠加的方式，即采用OFDM（正交频分复用）作为底层调制方式，在此基础上叠加CDMA作为资源分配方式。这种技术在学术界被称为多载波CDMA（MC-CDMA），日本NTT DoCoMo公司称其为VSF（可变扩频系数）-OFDM技术。

（2）降低峰平比

由于OFDM在频域传输的特性，造成OFDM发射机的PAPR（峰平比）较高，需要大线性范围的功放，且耗电较高。从而对移动终端在上行的应用造成了很多限制。为了解决这个问题，除了可以在OFDMA基础上采用削波、预留子载波等方法外，也可以采用线性预处理的方法。LTE上行目前采用的DFT-S-OFDM就是在OFDM的IFFT（反快速傅立叶变换）操作前增加了一个DFT（离散傅立叶变换），将OFDM的频域信号恢复到时域，从而降低PAPR。

（3）进一步提高系统容量

在OFDMA基础上进一步提高系统容量，也是一个改进的方向。主要的思路是在OFDM这个正交多址的基础上再叠加非正交的多址技术，使多个用户可以共享相同的时频资源。其中一个例子是利用多天线技术实现空分多址（SDMA）。另外，也可以通过星座交叠（或称分级调制）的方法在一个时频资源内叠加"近端用户"和"远端用户"来提高系统容量。另一个可能的方向是通过先进的码和序列设计，制造可控的相关性，以实现大容量的非正交传输。

（4）系统设计适应IMT-Advanced的新需求

即使保持传统OFDMA作为基本多址技术，OFDMA系统的设计也需要适应IMT-Advanced系统高频段、高带宽、注重室内覆盖等新需求，根据这些新的要求对系统参数、导频、控制信道、物理过程等进行重新优化设计。

2.2　多天线技术

MIMO技术作为宽带移动通信的另一项关键技术，也已经被E3G系统广泛采用，但随着人们对各种MIMO技术的研究逐渐深入，正在不断完善对这些技术的设计和使用。IMT-Advanced系统可能使用的MIMO技术主要包括如下几类。

（1）闭环预编码技术

这种技术可以利用接收端反馈的MIMO信道的先验信息，通过预编码矩阵调制MIMO发射信号，灵活地根据信道条件调整并行流的数量，并将能量集中在特定的方向上，以获得最佳的MIMO传输效果。在FDD系统中，信道的先验信息可以通过对MIMO信道的测量获得，并通过反馈信道传递给发送端。为了降低反馈开销，通常采用码本的方式进行反馈。在TDD系统中，由于上下行信道具有对称性，可以通过上行信道测量获得下行预编码所需的MIMO信道信息，即通过非码本的方式实现闭环反馈。

（2）波束赋形技术

波束赋形技术从广义上来讲，也可以算是一种闭环预编码处理。但在标准化中，有时也将波束赋形和闭环预编码做一定的界定，即将基于小天线间距（约为1/2载频波长）天线阵列的技术称为波束赋形，将基于大天线间距（数倍载频波长）天线阵列的技术称为闭环预编码。波束赋形由于天线间距小，可以更好地利用天线之间的相关性，集中能量，获得赋形增益，实现很好的覆盖。闭环预编码由于天线间距较大，可以更好地利用天线之间的独立性，有利于并行传输，获得复用增益，因此闭环预编码技术更适合在微小区和室内覆盖场景下获得更高的数据率。但在室外宏小区覆盖情况下，由于复杂的信道衰落和干扰环境，信道通常很难支持较多的并行流传输，闭环预编码在多流传输方面的优势难以发挥。反之，波束赋形在覆盖方面的优势在室外宏小区环境下显得更为重要。另外，波束赋形系统也可以利用多个波束实现多流并行传输或SDMA，提高系统容量。

（3）开环发射分集

闭环多天线技术的使用是受限制的，即必须获得信道的先验信息。但在某些情况下，信道信息是很难先验获得的。例如对于高速移动的终端，信道信息的反馈频率跟不上信道的变化。对于公共信道和广播信道，通常只能采用全向发射，也无法采用闭环预编码或波束赋形技术进行传输，因此必须采用不依赖闭环反馈的开环MIMO技术。其中公共信道和广播信道主要注重传输的链路质量。但对频谱效率要求不高，可以采用开环发射分集技术，充分利用多天线之间的分集增益。

（4）开环空间复用

这种开环MIMO技术是在不依赖闭环反馈的情况下实现多流并行传输，可以在高速移动情况下提高数据率，或在室内等简单的信道环境下避免闭环预编码技术带来的反馈开销。

2.3　编码和调制

在信道编码方面，对LDPC（低密度奇偶校验码）的使用始终让业界犹豫不决，主要原因是LDPC的性能并没有表现出比Turbo码有很大提高。这种情况下很难让人们下决心替换熟悉的、成熟的、经过实践检验的Turbo码。但IMT-Advanced的新需求给了大家再次考虑采用LDPC的机会。由于IMT-Advanced系统的带宽将大幅提高，数据块的尺寸越来越大，LDPC在处理大码块方面的优势将变得愈发明显，因此可以考虑将LDPC和Turbo码配合使用，在宽带传输方面提高系统性能。在实现方面，结构化的LDPC可以较好地解决编码的复杂度问题。

在调制方面，可以在传统调制技术的基础上，考虑非正交的调制技术，即通过可控的相关，进一步逼近链路容量上限。

2.4　小区间干扰抑制

小区边缘的性能下降，在IMT-Advanced系统中仍将是重大的难题。MIMO技术的使用可以提高小区中心的数据率，却很难提高小区边缘的性能。小区边缘由于信干比较低，很难支持多流传输，因此随着系统采用的天线数量增多，小区中心的性能可能不断提高，但小区边缘的性能却很难提高，在小区中心可以使用的高阶调制方式也很难在小区边缘使用，造成小区中心和小区边缘的性能差异越来越大，因此在未来的IMT-Advanced系统设计中，抑制小区间干扰技术对系统整体性能的提升将起到更关键的作用，也将面临更大的挑战。

正如§2.1中介绍的，虽然在现有LTE系统中采用了一系列补充型的干扰抑制技术，但性能仍差强人意。在LTE系统中采用的干扰摒弃消除（IRC）接收机，没有利用扩频增益，只依赖小区间的空间信道差异，难以获得满意的性能。另一项干扰抑制技术——小区间协调，在复杂的实际蜂窝部署环境中可能会遇到较大困难。在小区形状复杂，多小区重叠配置的情况下，一个小区可能有相当多的相邻小区，造成小区间的干扰信息交换量过大，系统的调度和功控受限制过多，使资源管理算法变得过于复杂。

相对而言，采用CDMA和OFDMA的结合，利用CDMA的小区间多址能力，使用联合检测，不需要小区间通信和协调，可以适应各种复杂的环境。

2.5　中继和分布式天线技术

一方面，IMT-Advanced系统提出了很高的系统容量要求，另一方面，足以支撑高容量的大带宽频谱可能只能在较高频段找到，而这样高的频段的路损和穿透损耗都较大，很难实现好的覆盖。除了使用基于基站的OFDMA、MIMO、智能天线、发射分集等技术扩大覆盖范围外，还可以采用中继技术和分布式天线技术改善系统容量和覆盖。

所谓的中继技术，以较简单的两跳中继为例，就是将一个基站终端链路分割为基站中继站和中继站终端两个链路，从而有机会将一个质量较差的链路替换为两个质量较好的链路，以获得更高的链路容量及更好的覆盖。用于提高容量的中继系统通常称为"透明中继"系统。在这种系统中，中继站对终端是透明的，即基站本来有能力覆盖该终端，但为了获得更高系统容量而引入中继站，但同步、公共广播信道、上行随机接入信道仍由基站直接发送/接收，中继站只是作为业务信道的增强通道，因此终端意识不到中继站的存在。用于扩展覆盖的中继系统通常称为"非透明中继"系统。在这种系统中，中继站对终端是可见的，即基站本来就无法覆盖该终端，为了延伸覆盖而引入中继站，因此同步、公共广播信道、上行随机接入信道也必须由中继站转发/转收，因此终端可以也必须意识到中继站的存在。

中继系统的设计首先是一个帧结构设计问题，也即系统需要依靠一个精心设计的帧结构在基站中继站和中继站终端两个链路之间合理地分配时隙资源，协调两个链路的传输。中继帧结构的设计针对透明中继和非透明中继是不同的。透明中继不需要考虑同步、广播等公共信道的传递问题，但必须考虑两个链路之间业务信道的相互干扰；非透明中继可以假设两个链路之间的干扰可以忽略，但必须支持同步、广播等公共信道的有效传递。另外，由于引入中继站相当于引入了一个新的网络节点，这个新节点的物理层能力、物理过程的设计都需要重新考虑。

在最简单的两跳中继的基础上，还可以扩展到多跳中继，即在基站和终端之间插入多于一个的中继站，这种情况下帧结构的设计和资源分配会更为复杂。在简单的点对多点中继的基础上，也可以考虑两个中继站的直接通信，即网格（Mesh）中继。除了将一个中继站看作一个独立的发射站外，还可以在多个中继站或在中继站与基站之间进行联合发送/接收，即协调中继。

2.6　多媒体广播组播技术

多媒体广播组播（MBMS）业务相对单播移动宽带业务而言，实现更为简单，又可以支持有潜在广泛用户基础的手机电视业务，因此受到越来越广泛的关注。MBMS系统既可以使用独立的载波部署，也可以和单播系统复用在一个载波中。但实际上，广播系统的设计原则和单播系统颇有不同。单播系统在不同小区发送不同的数据，相邻小区的信号是有害的干扰，必须要设法抑制。而广播系统中，不同小区发送相同的数据，相邻小区的信号和本小区的信号可以在空中自然地有效叠加，是有益的信号分量，系统可以通过宏分集合并提高接收性能。这种多小区合并的方式又称为单频网（SFN）方式。为了获得SFN合并效果，OFDM系统需要进行一定程度的重新优化。如采用较长的CP（循环前缀）以避免由于传输时延差造成的自干扰，采用更小的子载波间隔（考虑MBMS业务主要用于低速移动场景）以取得更高的频谱效率等。

另外，物理层配置、网络架构、用于MBMS的MIMO技术等，也是MBMS系统的重要研究课题。

3、结语

本文介绍了国际IMT-Advanced技术的研究情况和几项IMT-Advanced空中接口核心技术的研究方向。由于篇幅的限制，还有一些技术没有涉及，如频谱共向技术、异构切换技术、软件无线电技术等。