UMB——3GPP2超移动宽带解决方案

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摘要　OFDM和MIMO技术作为最热点的超宽带候选技术，给帧结构设计、资源分配、信道设计等技术带来了新的挑战。本文结合笔者参与3GPP2相关工作的经历，浅析UMB中一些关键技术。
1、引言
　　3GPP2目前已经完成了超移动宽带解决方案UMB，从2006年初3GPP2征集候选技术开始，该方案的制定和完善历时一年半多。UMB的提出和设计主要是为了满足市场的长足发展，大幅度地提供系统性能，保持相对于其它技术的竞争力。
　　OFDM和MIMO技术作为最热点的超宽带候选技术，给帧结构设计、资源分配、信道设计等技术带来了新的挑战。本文结合笔者参与3GPP2相关工作的经历，浅析UMB中一些关键技术。
2、前缀设计
　　UMB保持与cdma2000的码片速率1.2288Mbit/s一致，时序上定义了两级帧结构，即超帧和帧。其中，每个超帧包含1个前缀Preamle和24个业务帧（FFT≥256 时）。
　　前缀包含8个Symbol符号，结构如图1所示。

图1　前缀结构示意图

　　前缀中，主广播信道占用第一个符号，辅广播信道/快速寻呼信道奇偶复用随后的4个符号，最后3个符号为TDM导频。Preamble主要用于同步、获得系统基本信息、反向功率控制、快速寻呼等。
　　（1）捕获信道
　　UMB中使用主、辅同步的方式进行同步。终端通过Superframe Preamble中TDM1和TDM2/3获得同步。TDM的带宽上限为480子载波（即5MHz），并且TDM在频率上总是位于频带的中心频率，这样的TDM设计，可以集中功率发送导频，同时终端可在每个超帧同样的频率位置捕获TDM，加快捕获速度。
　　TDM1不携带基站信息（即不携带PilotPN信息），终端通过捕获TDM 1进行基本的时间和频率同步。TDM1使用GCL构造，携带2bit的循环前缀CP长度信息，终端通过解调GCL，检测出Preamble中其他符号及其他物理帧所使用的CP长度。为了保证TDM较大的覆盖范围，TDM符号固定使用最长的CP。
　　TDM2携带PilotPN（UMB使用PN标识小区）和PilotPhase信息，终端通过TDM2完成小区标识的检测。
　　TDM3携带一些系统信息，即系统时间（异步模式时）、频率复用指示（针对广播信道和快速寻呼信道）、半双工指示等。
　　另外，TDM2/3还携带用于反向功率控制的其他扇区干扰OSICH信息。OSICH共有3个取值，将其映射为3个相位值，TDM2/3使用相应的相位进行调制。具体的系统捕获过程为：
　　●终端在进行系统捕获时，首先尝试着使用所有的FFT大小和GCL的组合（共12种）接收TDM1，能正确解出TDM1的FFT Size和GCL值就是该系统使用的FFT（若FFT大小为512，则系统使用的FFT为大于等于512）和CP大小，根据确定的FFT大小和CP大小接收TDM2/3和广播信道。
　　●终端尝试着使用所有的PN值和已确定的FFT大小接收TDM2，从而获得小区的PilotPN信息。终端继续使用获得的PilotPN/PilotPhase信息接收TDM3，获得更多的系统信息，这些信息足够继续接收处理广播信道和快速寻呼信道。
　　（2）广播信道
　　广播信道携带终端用于解调业务帧的信息。
　　●主广播信道PBCCH携带与扇区无关的信息，如业务帧的FFT大小、保护子载波数等。
　　●辅广播信道SBCCH携带扇区特定的、不经常变化的信息，如基站的天线配置，导频格式，Hopping结构，控制信道结构等。
　　●为了广播信道和寻呼信号的相干解调，辅广播信道/寻呼信道中插入导频。
　　（3）快速寻呼信道
　　快速寻呼信道QPCH与SBCCH复用4个符号，QPCH在第偶数个超帧中发送，SBCCH在第奇数个超帧中发送。
　　由于超宽带UMB中用户容量大，而快速寻呼信道可用的时频资源有限，就出现了寻呼信道中不能传送完整的用户指示（MACID），而是只能传送一部分的MACID，这就会出现有些用户误醒去监听寻呼信道的情况。为了尽量降低用户误醒的概率，UMB中针对寻呼用户数的不同，定义了多种快速寻呼的格式，以传送尽可能完整的用户标识。
3、控制信道设计
　　介绍前反向控制信道设计之前，先简单描述一下UMB业务信道设计，因为控制信道是为业务信道的正确传送服务的，与业务信道的设计直接相关。UMB中前向业务信道为OFDM方式，反向业务信道除了支持OFDM方式外，针对小的数据包使用CDM方式。
　　（1）前向控制信道主要包含的物理信道
　　●共享控制信道F-SCCH：用于传输SISO和MIMO的资源分配、接入许可等信息。
　　●ACKCH：用于HARQ反馈。
　　●其他扇区干扰信道FOSICH：用于快速广播其他扇区干扰情况。
　　●反向激活比特信道RABCH：用于指示反向链路负载情况。
　　●导频质量指示PQICH：用于反馈每个终端的反向导频信道质量，辅助终端选择服务扇区和反向功率控制。
　　●功率控制信道PCCH：用于反向控制信道的闭环功率控制。
　　●分组开始指示信道SPCH：用于指示Persistent资源分配中无数据时终端维持前向资源的分配、新包开始或重新分配Persistent资源。
　　●IOTCH：通知其他扇区的终端，本扇区Subzone上的干扰情况，用于具体的功控调整。
　　反向控制信道分为CDMA部分（Segment）和OFDM部分。其中，CDMA部分主要用于非周期性、事件驱动、大量低速率或需要基站确认信令的传送，这是因为CDMA更适用于基于用户的控制信息的传送。另外，对于突发的信令传送，OFDM需要调度、分配资源，CDMA可以直接使用对应的码字进行传送，能满足信令的时延要求，并且也无需为切换预留资源，CDMA控制部分占用时频资源的单位为128×8符号。OFDMA控制部分主要用于周期性、高速率、确定性信令的传送，对于周期性的控制信息，使用OFDM能降低开销。
　　（2）反向控制信道CDMA部分主要包含的物理信道
　　●导频信道：用于反向功率控制和信道测量，位于CDMA Subsegment，提供宽带参考信号。
　　●辅助导频信道：用于反向CDMA数据信道的相干解调。
　　●接入信道：用于用户接入控制。
　　●CDMA专用控制信道（CDCCH）：包含逻辑信道r-cqich，r-reqch，r-pahch，r-psdch。r-cqich携带前向信道质量指示和前向服务扇区标识，用于切换判断；r-reqch用于切换中请求新的RL资源，包含QoS等级、缓存区信息等。
　　（3）反向控制信道OFDM部分主要包含的物理信道
　　●专用导频信道：用于OFDM专用控制信道及OFDMA数据信道的信道估计。
　　●ACKCH：用于前向HARQ的确认，通过在不同的时频资源重复发送相同的ACK信息获得增益，以保证ACKCH信道的可靠性。
　　●OFDM专用控制信道（ODCCH）：逻辑信道r-cqich，r-reqch，r-mqich，r-sfch和r-bfch复用该物理信道。r-cqich和r-reqch用于非切换时的信道质量指示和请求分配新的资源。后3个逻辑信道用于SIMO/MIMO中的反馈，将在多天线技术中介绍。
　　其中，物理信道之间通过扰码区分、逻辑信道间通过Walsh码区分。
4、多天线技术
　　UMB中支持的多天线（MIMO）技术主要包括空间发送分集、预编码、空间复用（SM）、空分多址（SDMA）等。
　　（1）空间发送分集
　　空间发送分集主要用于抗衰落，避免深衰落。UMB支持2天线和4天线的空时发射分集STTD，并且为了更好地适应信道变换，支持发射矩阵的Circu-lation模式。
　　（2）预编码
　　预编码就是通过给多个天线不同的权重来获得SINR增益，有效天线数即信道的秩一般小于天线数，预编码矩阵用于有效天线与实际天线之间映射。
　　在FDD系统中，预编码需要终端反馈信道质量、优选的预编码矩阵或向量、秩。基站根据用户反馈的码本信息确定码本，为用户传送数据。在TDD系统中，基站可根据信道的互异性，通过上行信道质量估计信道状况，不需要反馈和码本设计。UMB支持两种预编码技术，即基于傅立叶的预编码和Binary Unitary预编码（天线选择）。
　　（3）空间复用
　　空间复用（SU-MIMO）是将一个数据流拆分为多层，在空间各层（Rank）传送，一般分为SCW和MCW。
　　SCW中，空间各层使用相同的调制编码格式。接收端进行层（Rank）预测和CQI测量、量化并反馈，针对多层，反馈一个CQI信息。发送端根据反馈的CQI信息，进行速率匹配，得到PF，即调制、编码格式。对于SCW，在进行信息接收时，仅需经过简单的MMSE和LLR滤波即可。
　　MCW中，各层根据各自的信道状态使用不同的调制编码格式发送。接收端需要为每层测量和量化CQI以及层预测，AN根据反馈的CQI确定每层使用的PF格式。对于MCW接收端需要进行连续的干扰删除SIC。为了更好地适应信道状况，MCW中层与层之间可进行置换。
　　UMB中使用层三信令配置支持SCW的还有MCW。
　　（4）空分多址（SDMA）
　　SDMA也称为多用户MIMO（MU-MIMO），它是利用空间信道的不相关来区分用户，SDMA一般用于信道状况很好的情况。SDMA中关键的技术问题是如何选择多个信道不相关的用户进行复用。终端需要反馈优选的预编码向量、秩和CQI等信息。
　　UMB中使用Codebook来表示反馈信息，每个码本中包含64个向量（Entry），这些向量分为多个组，分别支持发射分集、预编码、空间复用和SDMA。对于用于SDMA的向量，继续细分为多个簇，保证每个Cluster内的向量具有相似的空间特性，这样每个Cluster对应一组矩阵，用于SDMA下多用户传输。只有反馈的向量属于不同SDMA簇的用户才能复用传输数据，而反馈的向量属于同一个SDMA簇的用户有相似的空间特性，使用OFDM传输。而属于Precoding的向量，不需要分簇。
　　为了支持空间复用、预编码和SDMA，都需要终端反馈一些控制信令，UMB定义了下列逻辑信道传送反馈信息：
　　●波束反馈信道R-bfch：用于反馈优选的码本向量或天线信息以及SU-MIMO与MU-MIMO间的CQI差值，后者配合r-sfch或r-mqich使用，主要用于SU-MIMO和MU-MIMO的选择。
　　●子带反馈信道r-sfch：为了获得频率选择性增益，反馈子带的序号和子带与整带宽间的CQI差值。
　　●MIMO CQI信道r-mqich：用于反馈预编码SCW/MCW时整带宽的CQI，以及无预编码SCW/MCW时的CQI信息和Rank值。
5、资源分配
　　根据频域分集和频域选择性的不同，有两种资源分配方式（见图2）。

图2　两种资源分配方式

　　（1）分散式资源分配（DRCH）：如图2（a）所示，用户分配的Tone（即符号）分散于整个带宽，以获得频域分集增益，信道和干扰估计基于宽带的公共导频。所有可用子载波（T个）被分为N组，每组包含T/N个子载波，N对应于图中DRCH（16，0）的16，0表示符号位置的偏置。
　　（2）块资源分配（BRCH或BH）：如图2（b）所示，是集中式资源分配方式，即为用户分配频域上连续的一段频率，时域上分配一个帧的所有符号，以获得频域选择性增益。用户在不同帧上占用的块可以不同（Hopping），不同扇区的Hopping方式可以不同。信道和干扰估计基于专用导频，根据SIMO/MIMO的方式不同，提供了3种导频插入方式。
　　当然，上面两种资源分配方式也可以同时出现在每个物理帧中，具体有两种模式；BH上打孔形成DRCH或DRCH，NH在不同的子带上使用。
　　UMB中，前向链路支持上述两种资源分配方式；反向链路上，为了避免用户频偏对其他用户的影响，仅支持块资源分配方式。
6、VoIP业务
　　VoIP业务有自身的技术特点：速率低、业务持续时间较长、周期传送（一般以20ms为周期）。3GPP2针对VoIP的业务特点，进行了专门的分组格式、资源分配策略等设计，以降低系统开销、提高频谱效率、支持更多的用户。
　　（1）VoIP分组格式
　　VoIP分组比较小，速率较低，为了利用时频资源，提高频谱效率，3GPP2为VoIP分组定义了专门的分组格式，用于支持全速率和半速率的VoIP分组（考虑到分组格式太多，会增加VoIP分组解码时间，未定义更低速率对应的分组格式。1/4或更低速率的VoIP包使用半速率的VoIP分组格式）。如前向使用PF2和4，反向使用PF3和5。
　　（2）Group Resource Allocation（GRA）
　　UM针对VoIP持续时间比较长和周期性传送的特点，设计了GRA资源分配和管理策略。GRA是在时域上为VoIP用户分配了固定的、等间隔的时隙，并在频域上分出一些带宽用于VoIP分组传送，也就是说GRA为VoIP用户分配周期性的时频资源。所有的VoIP用户共享这些时频资源，并使用Bitmap管理这些资源，通过Bitmap通知哪些用户占用资源，使用多大的资源。Bitmap通过业务信道传送。
　　一般的数据业务具有突发特性，所以数据业务的资源采用调度、分配的策略。一般来讲，为用户分配的资源只在当前及重传时隙有效，也就是说一次调度的数据块传输成功后，其占用的资源就默认释放。但是VoIP业务持续的时间比较长，如果每次传送都使用信令或占用控制信道为其分配资源的话，会带来大量的开销，降低频谱效率。针对这一特点，UMB中支持Persistent资源分配方式，Persistent资源分配是指某时频资源一旦被分配给一用户（比如分配给信道状况差的用户），该资源将持续被该用户占有，直到该用户不再有数据需要传送，从而降低资源分配信息。但对于Persistent资源分配方式，如果用户重传提前结束或短时间内不传送数据，则分配给用户的资源将被浪费。针对此问题，UMB中将这些资源重新分配给数据业务，充分利用资源，提高频谱效率。此外，Persistent资源分配下，若暂时无数据传送，基站将向终端发送Keep Alive Bit通知用户，以减少终端的解调工作。
7、反向功率控制
　　这里的功率控制分为控制信道、CDMA业务信道和OFDM业务信道。反向CDMA业务信道的功率控制方式与cdma2000 1x EV DO Rel A业务信道的功控方式一致（本文不再描述），本文重点描述控制信道和OFDM业务信道的功率控制方式。
　　基站使用反向导频信道R-PICH作为闭环功率的基准，反向导频信道采用CDMA方式周期性发送。基站对R-PICH的功控方式与传统的闭环功控方式相同，即基站比较导频信道的SINR与目标值，确定基站发送的功控PC比特信息，终端根据接收到的PCB抬升或降低R-PICH的发送功率。
　　其它反向控制信道以R-PICH的功率作为基准，进行功率调制，调制的粒度与反向服务扇区的ROT，导频质量指示PQI相关。
　　对于反向OFDM业务信道，也以R-PICH功率为基准，其功率控制表示为：Pdch(n)=Pref(n)+△P(n)；其中，Pdch(n)为业务信道第n帧的发射功率（每子载波）；Pref(n)为R-PICH功率；△P(n)为第n帧的功率调整Delta值。
　　终端反向业务信道功率大小与该终端引起的扇区间干扰以及扇区内干扰相关。首先，因为反向链路上不同终端占用不同的时频资源，应该避免基站接收到的子载波间功率相差太大，因为若载波间功率相差太大，将导致载波将正交性下降，降低网络容量。也就是说为了降低扇区内干扰，应该限制业务信道的变化范围，
　　其次，基于OFDMA的业务信道，主要是本小区对邻小区的干扰，但服务扇区并不了解此扇区业务信道引起的扇区间干扰。因此，在融合方案中，当扇区的IOT（Iinterference over Thermal）高于门限值时，使用超帧前缀的F-OSICH（扇区间干扰信道）广播负载指示，该负载指示可取3个值0，1，2，用于控制干扰终端的功率（F-OSICH覆盖相邻扇区）。负载指示OSI可表示为：
　　
　　对于终端，它监听所有邻扇区的OSI广播信息，但仅处理最强邻扇区的OSI。若终端处理的OSI为1或2，则终端降低△P(n)值。当然，针对1和2，△P(n)值不同；反之，若OSI为0，则终端提升△P(n)值，即终端利用OSI调整发送功率。
　　另外，终端将Delta值和目前可支持的最大子载波数发送给基站，基站可用这些信息进行反向链路分配。也就是说Delta较小的用户，可能分配到较多的子载波，获得更高的数据速率，即基站可利用这些信息在调度过程中更好地进行公平/容量的折衷。
8、接入技术
　　UMB最初的接入设计是：终端进行接入时，首先从AccessSequence接入序列池中选出一个序列作为掩码在接入信道上接入，具体的接入过程与HRPD类似。若接入成功，基站通过前向共享控制信道发送接入许可AG，为终端分配MACID标识等，同时为用户分配前、反向资源。
　　终端通过Hash算法获得AccessSequence，有可能两个（或多个）终端选中了同样的AccessSequence，这样将导致其中一个接入失败。为了尽量避免不同AT使用相同的AccessSequence，应该尽量地根据用户类似细分AccessSequence。UMB中首先将AccessSequence分为两部分：一部分用于初始接入，另一部分用于寻呼接入，从而降低一定的碰撞概率。
　　对于寻呼接入，接入尝试在一个超帧后成功（约22ms），也就是说基站就能很好地了解到AccessSequence的使用情况。通过Page中携带AccessSequence的方式为用户制定接入序列能很好地避免接入序列的冲突。另外，基站在不了解终端信道情况的条件下发送AG和资源分配消息，会导致功率的浪费。如果终端接入时使用的AccessSequence信息携带信道信息，则AN能更有效地发送AG和资源分配消息。另外，对于不同QoS要求的接入，基站应进行不同的处理。如何通知基站终端目前的接入QoS要求?实际上为寻呼接入预留的AccessSequence远远多于用户数，可以将AccessSequence进行分组，组内每个AccessSequence标识一定的信道状况和QoS，这样基站通过接收到的AccessSequence，就能获得对应的信道和QoS信息。
　　以上主要介绍了3GPP2 UMB系统设计中最关键也是最具特色的一些设计。目前，3GPP2正在为IMT-Advanced系统做准备工作，中继Relay，反向MIMO，DPC编码，网络MIMO等技术也被相继提出，这些新技术的可实现性以及对现有网络的影响正在进一步讨论中。