作者：沈嘉

    IEEE802.20技術(shù)是近期興起的“準(zhǔn)4G”無線通信技術(shù)之一，可以實(shí)現(xiàn)很強(qiáng)的系統(tǒng)性能。

    文章具體介紹了剛剛被IEEE802.20確定為主體技術(shù)方案的MBFDD/MBTDD方案中的要害技術(shù)，并將其與另幾種“準(zhǔn)4G技術(shù)”——WiMAX、3GPPLTE進(jìn)行了對(duì)比。

    1、介紹

    IEEE802.20標(biāo)準(zhǔn)定義的技術(shù)又稱為移動(dòng)寬帶無線接入（MBWA）技術(shù)。這項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)的制定在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間里陷于停滯。但2004年，IEEE802.20標(biāo)準(zhǔn)的制定驟然加速。在2006年1月召開的第17次會(huì)議上，Qualcomm公司提出的一個(gè)基于OFDMA的MBFDD/MBTDD技術(shù)方案被初步選為802.20的基本技術(shù)方案。

    此提案包括FDD和TDD的解決方案，分別稱為MBFDD和MBTDD，可以支持5MHz到20MHz的帶寬，實(shí)現(xiàn)用于許可頻段的廣域覆蓋（包括宏小區(qū)、微小區(qū)、熱點(diǎn)等各種應(yīng)用場(chǎng)景）的移動(dòng)通信系統(tǒng)。MBFDD/MBTDD的性能指標(biāo)（如峰值速率260Mb/s/20MHz）已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了IEEE802.20在建立之初制定的目標(biāo)（2Mb/s/5MHz），形成了與WiMAX和E3G（3GPPLTE和3GPP2AIE）相互重疊、相互競(jìng)爭(zhēng)的關(guān)系。被選中的MBFDD/MBTDD技術(shù)局部融合了另一公司提出的“625k-MC”方案，但文章僅介紹MBFDD/TDD的主體方案。

    2、基本傳輸和多址技術(shù)

    在物理層基本傳輸技術(shù)和多址技術(shù)方面，MBFDD/MBTDD將在上下行均采用OFDMA，這和WiMAX及Flash-OFDM相同，而LTE則在上行采用了SC-FDMA技術(shù)。從雙工方式上講，系統(tǒng)可以支持FDD和TDD雙工操作，TDD系統(tǒng)可支持上下行非對(duì)稱操作。

    2.1基本參數(shù)設(shè)計(jì)

    MBFDD/MBTDD采用了在同類OFDM移動(dòng)通信系統(tǒng)中最小的子載波間隔9.6kHz，明顯小于WiMAX、Flash-OFDM和3GPPLTE系統(tǒng)。這使MBFDD/MBTDD系統(tǒng)有可能實(shí)現(xiàn)比其他OFDM系統(tǒng)更高的頻譜效率（子載波間隔越小、CP開銷越小、頻譜效率約高）。但同時(shí)，較小的子載波間隔理論上對(duì)多普勒頻移更加敏感，因此可能需要解決對(duì)高速移動(dòng)終端的支持問題。

    MBFDD/MBTDD系統(tǒng)的循環(huán)前綴（CP）長(zhǎng)度比LTE系統(tǒng)略大（但比Flash-OFDM有所減小），在同等情況下，此系統(tǒng)有可能支持更大的小區(qū)覆蓋范圍。

    MBFDD/MBTDD系統(tǒng)采用了較短的物理幀長(zhǎng)度（即TTI長(zhǎng)度）0.91ms，說明MBFDD/MBTDD系統(tǒng)也很注重降低傳輸延遲，以支持Voip、在線游戲等實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)。相對(duì)而言，WiMAX的TTI長(zhǎng)度較大，更適合支持非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。但MBFDD/MBTDD系統(tǒng)的傳輸延遲相對(duì)LTE系統(tǒng)仍然略大，兩次重傳之間的間隔為5.5ms。

    另外，MBTDD系統(tǒng)采用盡可能頻繁的上下行切換，以實(shí)現(xiàn)最小的傳輸延遲。這樣做可以盡快反饋重傳信息，以盡快進(jìn)行重傳，從而縮短重傳延遲。但這種結(jié)構(gòu)的代價(jià)是，需要插入大量的上下行切換間隔，這會(huì)造成一定的頻譜效率損失。

    2.2跳頻OFDMA技術(shù)

    MBFDD/MBTDD系統(tǒng)支持跳頻和非跳頻（主要包括頻域調(diào)度和頻域分集兩種模式）的OFDMA技術(shù)。從資源分配的角度看，跳頻和非跳頻的主要區(qū)別在于，跳頻系統(tǒng)的子載波是偽隨機(jī)選擇的，并在每個(gè)跳頻周期結(jié)束時(shí)無條件的跳轉(zhuǎn)到另一組子載波。而非跳頻系統(tǒng)使用的子載波是相對(duì)固定的，系統(tǒng)只有在頻域調(diào)度機(jī)制下，改變子載波分配時(shí)，才會(huì)跳轉(zhuǎn)到新的子載波組上繼續(xù)發(fā)送。

    MBFDD/MBTDD采用的跳頻包括兩種跳頻頻率：符號(hào)級(jí)跳頻和物理幀級(jí)跳頻。符號(hào)級(jí)跳頻的跳頻周期為2個(gè)符號(hào)長(zhǎng)度，每個(gè)跳頻周期使用一組離散的子載波（分布在整個(gè)帶寬內(nèi)）。這種情況下，系統(tǒng)的導(dǎo)頻符號(hào)也以跳頻的方式和數(shù)據(jù)符號(hào)復(fù)用，從而支持整個(gè)帶寬內(nèi)的信道估計(jì)。物理幀級(jí)跳頻的跳頻周期為1個(gè)物理幀長(zhǎng)度，每個(gè)跳頻周期使用一組（16個(gè)）相鄰的子載波。這種情況下，系統(tǒng)采用專用導(dǎo)頻，即導(dǎo)頻符號(hào)插入到一個(gè)資源塊（1物理幀×16子載波）的指定位置，并隨此資源塊跳轉(zhuǎn)。

    2.3半正交OFDMA技術(shù)

    從理論上講，非正交系統(tǒng)的容量在接收天線數(shù)量較多時(shí)有可能超過正交系統(tǒng)。以這個(gè)理論為基礎(chǔ)，MBFDD/MBTDD系統(tǒng)采用了基于跳頻OFDMA和SDMA的“半正交OFDMA”技術(shù)，以在支持對(duì)QoS要求較低的業(yè)務(wù)時(shí)可以獲得更大的系統(tǒng)容量。

    與正交的跳頻OFDMA不同，一個(gè)扇區(qū)在每個(gè)時(shí)頻資源單元內(nèi)可以容納多個(gè)跳頻用戶，但由于每個(gè)用戶使用的單元都在“隨機(jī)跳轉(zhuǎn)”，對(duì)某個(gè)用戶來說，每個(gè)單元內(nèi)和它“碰撞”的用戶都是不同的。這樣，系統(tǒng)就可以利用各用戶之間的信道差異（相關(guān)性將隨天線數(shù)量增加而減小）實(shí)現(xiàn)空分多址（SDMA），以平均同道干擾。剩余的同道干擾可以通過HARO技術(shù)來克服。

    3、信道設(shè)計(jì)和資源分配

    3.1物理信道設(shè)計(jì)

    在信道設(shè)計(jì)方面，MBFDD/MBTDD系統(tǒng)除設(shè)計(jì)了通常會(huì)有的數(shù)據(jù)、廣播、導(dǎo)頻、信令等信道外，還在下行增加了其他扇區(qū)干擾信道（F-OSICH），以對(duì)扇區(qū)間干擾進(jìn)行估計(jì)并提高扇區(qū)邊緣用戶的性能。此信道采用很大的擴(kuò)頻增益進(jìn)行擴(kuò)頻，以支持在很低信干比環(huán)境下解調(diào)。

    在上行，設(shè)計(jì)了用于支持MIMO、SDMA、波束賦形、頻域調(diào)度和多層QoS的反饋信道。尤其是設(shè)計(jì)了上行寬帶導(dǎo)頻信道，以實(shí)現(xiàn)在整個(gè)帶寬內(nèi)的上行信道估計(jì)，從而有效的支持下行頻域調(diào)度，并利用TDD信道對(duì)稱性實(shí)現(xiàn)智能天線操作。在上行控制信道（包括上行接入信道）中采用CDMA調(diào)制。

    3.2子帶調(diào)度資源分配方式

    MBFDD/MBTDD系統(tǒng)的子帶寬度為1.25MHz，明顯大于WiMAX系統(tǒng)（500多kHz）和LTE系統(tǒng)（375kHz）。由于MBFDD/MBTDD的子帶較寬，相同帶寬下子帶的數(shù)量（20MHz內(nèi)有16個(gè)子帶）小于WiMAX和LTE。這意味著MBFDD/MBTDD的頻域調(diào)度增益可能小于WiMAX和LTE，但在一個(gè)子帶內(nèi)的頻率分集增益較大。另外，子帶數(shù)量較少也有利于降低調(diào)度的CQI反饋開銷（每個(gè)子帶需要一個(gè)CQI反饋）。

    假如用戶占用的帶寬小于1.25MHz，則此用戶在子帶內(nèi)采取跳頻的方式，以取得頻域分集，稱為本地跳頻。

    3.3分集資源分配方式

    除了以子帶調(diào)度（相當(dāng)于LTE中的Localized方式和WiMAX系統(tǒng)的Adjacent方式）外，系統(tǒng)還可以以分集方式分配子載波資源（相當(dāng)于LTE系統(tǒng)和WiMAX系統(tǒng)的Distributed方式）。對(duì)于快速移動(dòng)的用戶，由于信道變化很快，很難進(jìn)行及時(shí)有效的子帶調(diào)度，應(yīng)轉(zhuǎn)而采用分集分配方式以獲得頻域分集增益。

    4、切換

    在切換方面，OFDM系統(tǒng)采用軟切換有一定困難。雖然802.16標(biāo)準(zhǔn)中包括了軟切換選項(xiàng)，但在WiMAX的技術(shù)選擇中尚沒有考慮這個(gè)選項(xiàng)。MBFDD/MBTDD系統(tǒng)也將采用基站間快速硬切換，這和現(xiàn)在LTE的考慮一致。另外，考慮到上行和下行的最佳基站不一定是同一個(gè)，MBFDD/MBTDD系統(tǒng)答應(yīng)上行和下行與不同的基站鏈接。

    5、部分頻率復(fù)用

    采用部分頻率復(fù)用（FFR）技術(shù)，可以根據(jù)各種終端的信道條件和干擾情況（通常跟終端的位置有關(guān)）采用不同的頻率復(fù)用系數(shù)。即將所有子載波分成若干復(fù)用組，不同的復(fù)用組可以實(shí)現(xiàn)不同的復(fù)用系數(shù)。假如終端適合工作在復(fù)用系數(shù)為1/3的環(huán)境下，則分配給該終端復(fù)用系數(shù)是1/3的復(fù)用組；假如工作在復(fù)用系數(shù)為1的環(huán)境下，則分配給該終端復(fù)用系數(shù)是1的復(fù)用組。更靈活的FFR方法是對(duì)不同的子載波組采用不同的發(fā)射功率控制，以進(jìn)行小區(qū)間協(xié)調(diào)。

    FFR技術(shù)又可以通過“靜態(tài)”的和“動(dòng)態(tài)”的兩種方式實(shí)現(xiàn)。靜態(tài)方式下，終端采用的頻率復(fù)用系數(shù)是相對(duì)固定的，與終端的“位置”對(duì)應(yīng)。終端測(cè)量下行相鄰小區(qū)（扇區(qū)）的干擾，并將結(jié)果報(bào)告給基站。基站則可以根據(jù)干擾的情況分配給該終端適當(dāng)?shù)念l率復(fù)用系數(shù)。

    靜態(tài)方法的問題是，每個(gè)復(fù)用組中的子載波數(shù)是一定的，難以應(yīng)付各種不同的部署場(chǎng)景和業(yè)務(wù)流量分布。此時(shí)就需要采用動(dòng)態(tài)的FFR方法，即終端所處的復(fù)用集是不斷刷新的。這種動(dòng)態(tài)的調(diào)度綜合考慮了用戶QoS的要求、小區(qū)間干擾避免和公平性原則。動(dòng)態(tài)FFR要求基站能即時(shí)的獲得每個(gè)復(fù)用集的信道質(zhì)量信息（CQI），因此比較復(fù)雜。

    6、MIMO技術(shù)

    MBFDD/MBTDD支持的多天線（MIMO）技術(shù)包括當(dāng)前被考慮的各種MIMO方法：空間復(fù)用（SM）、預(yù)編碼MIMO、空間發(fā)送分集（STTD）、空分多址（SDMA）和波束賦形等。

    由于需要同時(shí)支持多種MIMO技術(shù)，如何靈活的選擇MIMO技術(shù)，如對(duì)魯棒性要求很高的信令信息應(yīng)該適合采用分集技術(shù)發(fā)送，對(duì)數(shù)據(jù)率要求很高的數(shù)據(jù)傳輸則適合采用空間復(fù)用，并合理分配資源也是很要害的問題。

    6.1空間復(fù)用

    空間復(fù)用（SM）是目前考慮最多的MIMO技術(shù)，因?yàn)樗苤苯犹岣呦到y(tǒng)的峰值速率。和當(dāng)前其他的系統(tǒng)類似，MBFDD/MBTDD系統(tǒng)采用了矩陣的方法生成SM信號(hào)，SM也可以看成一種波束賦形。波束的數(shù)量可能小于實(shí)際系統(tǒng)中天線的數(shù)量，這種情況下采用波束賦形，但可以獲得的發(fā)送分集增益，信道估計(jì)的開銷也相應(yīng)減小。

    MBFDD/MBTDD系統(tǒng)支持3種類型的SM發(fā)送，前兩種是大家熟知的單碼流和多碼流發(fā)送，另外還支持TDD模式下的偽特征值賦形。

    SCW就是將一個(gè)編碼數(shù)據(jù)流采用空時(shí)處理的方法分成數(shù)“層”，在多個(gè)波束上并行發(fā)送。SCW的反饋機(jī)制基于秩猜測(cè)算法，終端根據(jù)信道信息猜測(cè)SCW發(fā)送應(yīng)該選擇的“秩”，并將帙的值和CQI信息反饋回基站，隨之基站就可以根據(jù)這些反饋確定數(shù)據(jù)率、發(fā)送功率、秩、AMC（自適應(yīng)調(diào)制編碼）的格式等發(fā)射參數(shù)。

    MCW采用相似的秩猜測(cè)算法，并根據(jù)秩確定并反饋應(yīng)該發(fā)送的碼流的數(shù)量，同時(shí)反饋每個(gè)碼流的CQI信息，以確定該碼流的數(shù)據(jù)率、發(fā)送功率、AMC格式等發(fā)射參數(shù)。

    6.2空時(shí)分集

    當(dāng)波束的數(shù)量小于天線數(shù)量時(shí)，MBFDD/MBTDD系統(tǒng)對(duì)每個(gè)波束支持空時(shí)分集（STTD）操作。例如，在4個(gè)天線上發(fā)送兩個(gè)波束的SM信號(hào)時(shí)，每個(gè)波束可以基于它所用的兩個(gè)天線進(jìn)行空時(shí)塊碼（STBC）發(fā)送。這種情況下，符號(hào)級(jí)跳頻的單位需要擴(kuò)大為兩個(gè)OFDM符號(hào)，以包含1個(gè)完整的STBC碼字。

    6.3預(yù)編碼

    MBFDD/MBTDD還支持預(yù)編碼（PRecoding）MIMO發(fā)送。預(yù)編碼就是預(yù)先將波束指向最有利于用戶接收的“方向”。在TDD系統(tǒng)中，可以依靠信道的對(duì)稱性從上行信道估計(jì)中獲得預(yù)編碼所需的信道信息，在FDD系統(tǒng)中，則需要依靠從接收機(jī)端的反饋。

    預(yù)編碼操作在可以形成有效的波束賦形的時(shí)候非凡有效，例如當(dāng)SM“層”的數(shù)量（即秩）小于天線數(shù)量時(shí)。這種情況通常出現(xiàn)在發(fā)射天線大于接收天線的系統(tǒng)中。MBFDD/TDD技術(shù)采用碼表（Codebook）表達(dá)反饋信息，分別代表分集、視距波束賦形、預(yù)編碼矩陣調(diào)制、SDMA等各種MIMO發(fā)送矩陣。終端通過“速率和秩猜測(cè)”找出最合適的預(yù)編碼矩陣，并將矩陣的代碼、秩的值和CQI反饋給基站，基站則根據(jù)代碼找出相應(yīng)的預(yù)編碼矩陣。

    6.4TDD模式下的特征值賦形

    基于特征值的波束賦形可以大大的提高鏈路的信干噪比（SINR），以改進(jìn)鏈路的質(zhì)量。這種方法在TDD系統(tǒng)中（上下行信道具有對(duì)稱性）更輕易實(shí)現(xiàn)（基站可以利用上行信道估計(jì)獲得下行信道信息）。

    但是，實(shí)際TDD系統(tǒng)中的MIMO信道對(duì)稱性并不那么輕易實(shí)現(xiàn)。很多情況下，由于終端的能力有限（如只有一個(gè)功放），終端雖然可以用多天線接收，但卻只能用單天線發(fā)送。這時(shí)，上行（SIMO信道）和下行（MIMO信道）就不對(duì)稱了，上行SIMO信道估計(jì)只能提供下行MIMO信道的不完全信息。

    MBTDD采用了一種“偽特征值波束賦形”的技術(shù)來解決這個(gè)問題，即通過終端的單天線發(fā)送確定下行MIMO發(fā)送的第一個(gè)波束（用于傳送第一個(gè)“層”），而采用和第一個(gè)波束正交的子空間中的波束傳送其他的“層”。預(yù)編碼模式下的反饋信息也可以和偽特征值波束賦形一起使用，以獲得更好的性能。

    6.5空分多址

    MBFDD/MBTDD系統(tǒng)還支持空分多址（SDMA）操作，也就是利用各用戶的信道差異支持多個(gè)用戶共享相同的頻率資源。當(dāng)基站擁有多個(gè)天線時(shí)，就可以利用多個(gè)波束區(qū)分多個(gè)共享相同頻率資源的用戶。

    SDMA的性能依靠于共享頻率的用戶之間的信道正交性，因此恰當(dāng)?shù)膶⒂脩舴纸M配對(duì)十分重要。也就是要將信道相互正交性好的用戶分為一組（共享相同的頻率），以很好的區(qū)分他們；而避免將信道相似的用戶分在一組，以防止嚴(yán)重的同道干擾。MBFDD/TDD系統(tǒng)通過終端反饋的碼本進(jìn)行配對(duì)，只有對(duì)那些反饋的“碼”來自碼本的不同組的用戶，才應(yīng)用SDMA。

    7、異頻切換和系統(tǒng)間切換

    當(dāng)一個(gè)MBFDD/MBTDD系統(tǒng)部署在多個(gè)頻段時(shí)，系統(tǒng)需要支持終端在多個(gè)頻段之間的切換（激活狀態(tài)和空閑狀態(tài)下）。

    另外，還要考慮多模終端在MBWA系統(tǒng)和其他系統(tǒng)（如CDMA2000、WCDMA、GSM/GPRS/EDGE和WLAN等）之間的切換。MBFDD/MBTDD對(duì)終端在一個(gè)系統(tǒng)中如何監(jiān)測(cè)其他系統(tǒng)的尋呼。這里要注重：不同系統(tǒng)之間通常是不同步的，如何測(cè)量其他系統(tǒng)的導(dǎo)頻，及如何實(shí)現(xiàn)向其他系統(tǒng)的切換，給出了相應(yīng)的解決方案。

    7.1異頻切換

    為了實(shí)現(xiàn)異頻切換，網(wǎng)絡(luò)需要有識(shí)別異頻相鄰小區(qū)的能力；終端需要有測(cè)量、報(bào)告異頻小區(qū)導(dǎo)頻強(qiáng)度的能力。在空閑狀態(tài)下，終端較輕易做到這一點(diǎn)，即可以使用某些時(shí)隙進(jìn)行異頻測(cè)量。但是在激活狀態(tài)下，終端就需要周期性的中止本頻段／本系統(tǒng)的信號(hào)傳送，跳轉(zhuǎn)到其他頻段／系統(tǒng)去進(jìn)行異頻測(cè)量／尋呼監(jiān)聽。時(shí)間調(diào)整技術(shù)對(duì)這種操作是很重要的，因?yàn)槠渌到y(tǒng)不一定和802.20系統(tǒng)同步。

    7.2系統(tǒng)間切換

    MBFDD/MBTDD系統(tǒng)可以上面介紹的“跳轉(zhuǎn)”技術(shù)對(duì)其他系統(tǒng)（和MBFDD/MBTDD系統(tǒng)同步或不同步）的導(dǎo)頻進(jìn)行測(cè)量，而后根據(jù)測(cè)量的結(jié)果建立可供切換的其他系統(tǒng)的列表，以根據(jù)實(shí)際情況選擇是否、以及向哪個(gè)系統(tǒng)切換。這種方法適用于和802.20系統(tǒng)沒有實(shí)現(xiàn)核心網(wǎng)融合的系統(tǒng)，因?yàn)檫@種情況下，除了監(jiān)聽此系統(tǒng)的尋呼信號(hào)外別無他法。

    另外，假如其他系統(tǒng)的核心網(wǎng)和802.20系統(tǒng)的核心網(wǎng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了融合，則可以通過802.20系統(tǒng)的空中接口，用控制信令將其他系統(tǒng)的信息傳送給終端，以供終端進(jìn)行系統(tǒng)選擇和切換。

    8、總結(jié)

    MBFDD/MBTDD是最近剛剛出現(xiàn)的移動(dòng)寬帶無線接入技術(shù)方案，它采用了很多先進(jìn)的空中接口技術(shù)，并聲稱可以達(dá)到很高的性能指標(biāo)，從而對(duì)WiMAX技術(shù)和仍處在前期研究階段的3GPP/3GPP2E3G技術(shù)形成直接的威脅。

    當(dāng)然，以MBFDD/MBTDD為代表的IEEE802.20技術(shù)也帶有和802.16技術(shù)相似的局限性。首先，此標(biāo)準(zhǔn)只包含MAC層和物理層的技術(shù)規(guī)范，不包含網(wǎng)絡(luò)層以上的規(guī)范，而現(xiàn)有IP網(wǎng)絡(luò)還不能提供類似蜂窩系統(tǒng)的移動(dòng)性治理功能。另外，802.20技術(shù)和WiMAX技術(shù)一樣，獲得適用的頻段也有一定難度（可用于移動(dòng)通信的頻段基本都被劃分給了IMT-2000技術(shù)）。

    因此判定MBFDD/MBTDD技術(shù)是否能獲得成功還為時(shí)過早，但這個(gè)方案中采用的很多要害技術(shù)對(duì)E3G和B3G研究都將提供很好的參考。