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[经验] IMT-Advanced无线空中接口的核心与关键

2019-5-10 07:00:09  130 天线 MIMO 移动通信 LTE
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作者:沈嘉   

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。

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