1、性能指标和可用频谱
“超3G”(B3G)或“4G”也许对很多人来说还是遥不可及的“概念”,但是B3G技术的标准化工作,已经“近在眼前”。最近,国际电信联盟(ITU);将超3G(B3G)技术命名为IMT-Advanced技术,并初步决定在2008年2月开始IMT-Advanced的技术提案征集工作。这项技术和3G以及演进型3G(E3G)技术相比,需要提供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1Gb/s以上,高速移动、广域覆盖场景下100Mb/s。上述性能指标主要依靠两个方法实现:提高频谱效率和扩大系统带宽。
根据E3G技术研发的经验,依靠正交频分复用(OFDM)和4×4多天线(MIMO)技术可将峰值频谱效率提高到10bps/Hz至14bps/Hz(采用6×6 MIMO可提高至25bps/Hz,但其可实现性有待验证)。因此IMT-Advanced系统可能需要宽达100MHz的系统带宽,但在3GHz以下频段为单个运营商分配100MHz连续频谱几乎是不可能的。在我国,如此宽的频谱预计在4.4GHz~5GHz内可以找到,但在如此高的频段很难实现无缝全域覆盖和高速移动(需要注意的是,运营商强烈要求基于现有站址实现IMT-Advanced系统部署,因此广泛使用中继和分布式天线技术有一定困难),因此需要同时使用部分3GHz以下频谱。虽然3GHz以下适用于移动通信的频谱已被ITU定义为IMT-2000频谱,但如果IMT-Advanced和IMT-2000的频谱可以通用,3GHz以下频谱也可以用于IMT-Advanced系统。
综上所述,一个IMT-Advanced系统很可能需要同时使用两段离散的频谱:
◆3GHz以下频段,可实现无缝连续覆盖和高速移动,但带宽有限,难以实现高峰值速率和高系统容量。
◆3GHz以上频段,可实现超大带宽频谱分配和高峰值速率、高系统容量,但只能实现孤岛覆盖(只在密集城区可实现连续覆盖)、支持低速移动。
同时使用上述两个频段的IMT-Advanced系统将是一个分层多模无线通信系统。
2、分层多模IMT-Advanced系统框架
2.1 基本系统框架
如图1所示,未来的IMT-Advanced系统可由宽带移动通信(BMC)子系统和宽带热点接入(BHA)子系统构成。BMC子系统工作在较低频段(如3GHz以下IMT-2000频段),提供广域覆盖和高移动性,为了实现IMT-Advanced的性能指标(高速移动峰值速率100Mb/s),可以考虑采用比E3G略大的带宽,如20MHz-40MHz。BHA子系统工作在较高频段(如3GHz~5GHz可能分配给IMT-Advanced的新频段),为了实现IMT-Advanced的性能指标(固定移动峰值速率1Gb/s),需要采用很大的带宽(最大至100MHz)。
两个子系统应高度的融合(如采用相似的设计),以实现用户在两个系统之间灵活的接入、调度和切换,即当用户在固定和低速移动环境下并处于热点覆盖范围内时,可以接入BHA子系统获得高数据率的宽带接入;当用户处于热点覆盖范围外或高速移动环境时,则可以切换到BMC子系统。由于BHA子系统已经覆盖了小区中心区域,BMC子系统可以将有限的频率资源用于小区边缘区域,以获得更高的性能。
BHA的覆盖范围受到所在频段的传播特性的限制,约为数百米。在密集城区,目前运营商部署的基站间距已经降到数百米量级,则BHA子系统也可以实现一定程度上连续覆盖,但该覆盖区域内的高速移动用户应仍由BMC承载。在一般城区、郊区和乡村,运营商基站间距可能扩大到数公里以上,在不增加新的站址的前提下,依靠BHA子系统则无法提供连续覆盖,BHA子系统将只用于在特定区域提供热点宽带接入服务。而BHA覆盖区域的间隙则由BMC覆盖。在一般城区、郊区和乡村,由于建设新站址遇到的限制较小,运营商可以考虑在必要的区域加设BHA基站或中继站,以扩展BHA子系统的覆盖范围。另外,采用智能天线技术也可以在不增加站址的情况下扩展BHA子系统的覆盖范围。
2.2 带有接力系统的系统框架
在图1所示基本系统框架的基础上,可以采用接力(Relay)技术或分布式天线系统扩展BHA子系统的覆盖范围,如图2所示。作为BHA子系统的扩展,Relay系统也只用于固定和低速移动用户,高速移动用户仍由BMC子系统提供接入。Relay技术和分布式天线技术仍有很多技术问题需要进一步研究。即使技术问题得到解决,由于运营商在添加大量新的基站和接力站(RS,Relay Station,RS)方面受多诸多的限制,也很难依赖接力和分布式天线系统提供全域覆盖,应考虑将其用于某些特定场景,作为有效的补充。
需要说明的是,图2中的示例假设Relay子系统采用额外的频段。但在实际设计当中,Relay子系统和BHA子系统可以使用相同的频率资源,并通过协调无线资源管理(RRM)在两个子系统之间进行无线资源分配。
2.3 和其他无线系统的异构接口
从泛义上来讲,B3G系统应该是满足包括广域、城域、局域和个人域各个应用场景的泛在异构系统,但对于IMT-Advanced系统的研发来说,需要有所侧重。
以IEEE 802.11系列标准为代表的无线局域网(WLAN)技术已经获得了国际产业界的广泛支持,IMT-Advanced系统应该将WLAN技术纳入其中,而不是取而代之。另外,WLAN系统可以使用非许可频段满足系统需求,不需占用IMT-Advanced宝贵的许可频段频率资源。因此将WLAN系统视为IMT-Advanced系统的一部分是较现实的一种考虑。
以IEEE 802.15系列标准为代表的无线个人网(WPAN)技术已经接近于完成(虽然UWB技术的标准化工作已由802.15工作组转到其他标准化组织中),预计也将获得产业界的广泛支持。另外,WPAN系统的传输技术将和广域/城域系统的传输技术有很大的差别,很难用相似的空中接口技术实现。因此较明智的做法是将WPAN技术也接受为IMT-Advanced系统的一部分。
新研发的包含BMC和BHA子系统的IMT-Advanced新空中接口就可以将IMT-Advanced许可频段集中用于覆盖范围在100米以上的广域和城域场景,而利用现有的WLAN和WPAN技术标准实现100米以下的局域和个人域覆盖,并通过异构接口实现广域/城域系统和局域/个人域系统之间互通和切换。
如图3所示,IMT-Advanced系统的研发则主要集中在如下四个方向:
◆BMC子系统设计
◆BHA子系统设计
◆BMC和BHA子系统之间的联合设计与协调RRM
◆和其他无线通信系统的异构接口及联合RRM
3、分层多模IMT-Advanced系统研究课题
在上述系统框架下,需要研究如下课题:
(1)超大带宽高数据率无线接入技术
为了满足新一代无线移动通信系统对超高数据率(最高1Gb/s以上)和系统容量的需求,需要使用很大的系统带宽(最大至100MHz)。应重点开展高频段、大带宽物理层传输技术的研究,攻克大带宽系统在实现方面的难题,如高频段传播性能改善、大带宽低功耗低峰平比低复杂度设计、大带宽高效无线资源管理、有效的接力和网格网络技术实现等。
(2)宽带广覆盖高速移动传输技术
应重点对带宽在20MHz以上、可以在相对较低频段实现无缝连续覆盖和高速移动下100Mb/s峰值速率的传输技术开展研究。攻克广域高速移动宽带通信在实现方面的难题,如小区间干扰抑制、小区间负载均衡、恶劣信道和高速移动下的频谱效率提高等。
(3)分层多模空中接口的RRM技术
由于具有不同的频谱特点和技术特点,新一代无线移动通信需要同时采用上述两种技术。应重点研究基于离散频谱的多模空中接口的联合无线资源管理技术。攻克跨频段多模空口协调设计难题,如跨频段测量、联合调度、联合小区搜索、联合接入、跨频段负载均衡、垂直切换等。
(4)异构系统接入和联合RRM技术
除上述联合设计的多模系统外,新一代无线移动通信需要实现与其他异构无线系统(如WLAN、WPAN、WBAN)的互操作和灵活接入。因此应重点研究满足各异构系统特性的联合接入技术,攻克异构系统接口和RRM设计难题,如低复杂度低延时的跨系统测量、跨系统调度、跨系统小区搜索、跨系统接入、跨系统负载均衡、垂直漫游切换等。
(5)半静态和动态频谱共享
由于新一代无线移动通信对带宽的巨大需求和频率资源的稀缺性,频谱共享技术有可能成为新一代无线移动通信的核心技术。应重点研究半静态和动态频谱共享技术,攻克频谱共享在实现方面的难题,如用于同构技术多运营商频谱共享的半静态/动态资源分配方法、用于分层多模无线系统的半静态/动态资源分配方法、用于多个异构系统频谱共享的半静态/动态资源分配方法,频谱共享系统的干扰测量和干扰协调等。
(6)基于多模空中接口的分层接入网结构
为了满足新一代无线移动通信业务的多元化,以及同时对高数据率、大容量和广覆盖、高速移动的需求,系统需要同时采用基于较低频段(如3GHz以下)的宽带移动通信技术和基于较高频段(如3GHz以上)的超大带宽无线接入技术,并组成层叠的多模无线接入网。应根据上述两种技术的不同特征,重点开展层叠多模网络结构的研究,攻克多模空中接口联合组网在实现方面的难题,如基于现有站址的多模无线接入网络拓扑、多模无线接入网参考模型、分层多模网元的结构和功能、多模接入网元之间的接口设计等。
(7)接力和无线网格接入网结构
在上述工作的基础上,应重点对接力组网和无线网格组网技术进行研究,设计包含接力和网格网技术的新型接入网络拓扑。攻克接力网和网格网在实现方面的难题,如新增站址的最小化、接力网拓扑、接力接入点和基站之间的低复杂度无线资源分配/管理、接入管理和移动性管理、接力接入点和基站之间以及接力接入点之间的干扰抑制、接力接入点和基站之间以及接力接入点之间的切换、网格网拓扑、网格网网元之间的低复杂度无线资源管理、接入管理和移动性管理、网格网网元之间的切换、以及接力网和网格网与分层多模接入网的结合等。
(8)与异构无线网络的接口
除上述分层多模网络和接力/网格网络外,新一代无线移动通信需要实现与其他异构无线接入网(如WLAN、WPAN、WBAN)的互操作和灵活接入。因此应重点研究新一代无线移动通信网络和其他异构网络的接口,攻克基于融合IP核心网的异构网络互通、漫游和切换的难题,如异构融合网络拓扑、融合异构网元的功能和结构、异构网元之间的接口、异构网元之间的无线资源管理和接入管理、异构网元之间的漫游、跨系统调度、跨系统小区搜索、跨系统接入、跨系统负载均衡、垂直漫游切换等。
4、分层多模系统联合调度
上述分层多模系统的一项核心环节,是采用“联合调度”(JS,Joint Scheduling)方法来协调两个子系统。为了实现两个子系统之间的统一协调,需要采用统一的无线资源管理(RRM)系统和信令系统。联合调度判决可以在网络侧做出,也可以在终端侧做出。由网络控制的联合调度过程(如图4所示)如下:
(1)终端周期性的测量BMC子系统和BHA子系统在该终端位置上的公共信道或导频的强度进行测量,从而对两个子系统在该位置的覆盖效果做出估计,并将估计的结果——信道质量指示符(CQI,Channel Quality Indicator)通过上行信令反馈给系统。
(2)分层多模系统对终端上报的CQI进行检验,如果BHA子系统的CQI满足接入的条件,则JS判定该终端应接入子BHA系统;如果BHA子系统的CQI不满足接入的条件,而BMC子系统的CQI满足接入条件,则JS判定该终端应接入BMC子系统(注意:由于BMC子系统可以提供连续覆盖,因此总可以找到符合接入条件的BMC小区)。
(3)随后系统通过下行信令系统将接入指令(终端应该接入哪个子系统)通知终端。
(4)终端根据系统的指令向某个子系统(BMC子系统或BHA子系统)发起随机接入尝试。
由终端控制的联合调度过程(如图5所示)如下:
(1)终端周期性的测量BMC子系统和BHA子系统在该终端位置上的公共信道或导频的强度进行测量,从而对两个子系统在该位置的覆盖效果做出估计。
(2)终端根据估计的结果直接判断应接入的子系统。如果BHA子系统的CQI满足接入的条件,则终端判定应接入子BHA系统;如果BHA子系统的CQI不满足接入的条件,而BMC子系统的CQI满足接入条件,则该终端判定应接入BMC子系统(注意:由于BMC子系统可以提供连续覆盖,因此总可以找到符合接入条件的BMC小区)。
(3)终端根据自己的判定向某个子系统(BMC子系统或BHA子系统)发起随机接入尝试。
在实现上述联合调度过程时,还需要采用如下方法:
(1)联合同步检测
为了随时对BMC子系统和BHA子系统进行测量,需要保持对两个子系统的时钟同步和频率同步。两个子系统可以采用相同的时钟,因此终端可以保持对其中一个系统(如BMC系统)的时钟同步,也就同时保持了和另一系统的时钟同步。但两个子系统工作于不同的频率,因此系统需要分别和两个子系统保持频率同步。
(2)终端移动速度估计
由于处于BHA子系统覆盖范围内的高速移动终端也将接入BMC子系统,而非BHA子系统,因此需要判断终端的移动速度。可采用对CQI持续监测的方法判断终端的移动速度,即当一个终端开机后,系统首先将其接入BMC子系统,随后对BHA子系统的CQI进行持续监测。如果在T时长内终端上报的BHA CQI持续满足接入条件,则系统判断,该终端处于BHA子系统覆盖范围内并处于低速移动状态,可将该终端接入BHA子系统。如果BHA CQI持续满足接入条件的时长小于T,则系统判断,该终端处于高速移动当中,应继续保持该终端接入BMC系统。T的长度取决于BHA热点的大小和BHA子系统对终端移动速度的支持。
(3)分层多模系统的联合小区搜索/重选
上述多模分层系统的调度过程需要和小区选择/重选过程相结合。终端通常在任一时刻都会搜索到多个BHA热点和多个BMC小区。在系统判定接入BHA子系统还是BMC子系统之前,终端首先要分别对BHA子系统和BMC子系统进行小区搜索。终端将通过BMC小区搜索选出“最佳”的BMC小区并接入该小区。同时,终端也根据BHA小区搜索选出“最佳”的BHA小区,并对此小区的信号强度进行测量和持续监测,以供系统或终端对是否接入BHA子系统作出判定。
5、小结
基于不连续频段的分层多模系统框架是由IMT-Advanced系统可用频谱特性(尤其是我国可用频谱)和运营商的实际部属要求(尤其是不能大量增加新站址)决定的。基于此系统框架,仍有大量的问题有待于研究。但此系统框架已在国内的相关技术讨论中取得了各企业的一定共识,将此框架确定为我国IMT-Advanced系统设计基础,有助于集中各企业、各科研单位的研发力量,加快IMT-Advanced技术的研究进程。