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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。
