最新UMB-系统物理层关键技术.docx

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1、Four short words sum up what has lifted most successful individuals above the crowd: a little bit more.-author-dateUMB-系统物理层关键技术UMB-系统物理层关键技术UMB 系统物理层关键技术陆慧北京邮电大学电信工程学院，北京（100876）E-mail：luhuivv摘 要：UMB（超移动宽带）是 CDMA2000 系列标准的演进升级版本，该技术能够带来更大的带宽、频段和波段选择范围，以及网络的可升级性和灵活性。UMB 以正交频分复用接入（OFDMA）技术为基础，引入了复杂的控

2、制与信令机制、有效的无线资源管理（RRM）、自适应反向链路（RL）干扰控制，以及包括多输入多输出（MIMO）、空分多址（SDMA）和波束赋形等先进的多天线技术，使系统可以在达到更高传输效率的同时经济有效地支持各类具有服务质量（QoS）要求的应用。本文简述 UMB 的技术背景，并介绍其物理层关键技术。关键词：超移动宽带；超帧；正交频分复用接入；多输入多输出；功率控制中图分类号：TN929.5 移动通信1. 引 言从 2006 年初 3GPP2 征集候选技术开始，UMB 方案的制定和完善历时一年半多。作为CDMA2000 的演进技术，UMB 可升级至 20MHz 的带宽，可在现有或新分配的频段中部

3、署1- 3。UMB 系统中基站之间可以不保持同步，但是通常来说，同一个基站内的各个扇区是同步的。一个基站可以同时服务多个移动台，并且一个移动台也可同时由多个基站提供服务，当几个基站同时为一个移动台服务时，移动台与各个基站间都有独立的协议栈。基站可以同时处于单播、广播和多播的模式下。通过加密和信息完整性的保护，空中链路具有很高的安全性4。UMB 系统架构如图 1 所示在物理层中，系统可用频谱带宽范围为 1.25-20MHz，前向峰值速率可达到 260Mbps，反向峰值速度可达到 80Mbps。系统中同一个范围内可使用多载波技术和单频率复用技术。前向链路使用了 OFDMA 技术，反向链路使用 OF

4、DMA 技术的同时，也使用了 CDMA 技术，并且前反向链路都支持准正交的 OFDMA 技术。为了提高性能，系统使用了多种调制方式和编码方案，并在前反向链路中同时使用 HARQ（混合自动重传）技术5。在 MAC 层及上层，系统使用了灵活、功能强大的收发信令机制，其功能包括系统捕获、QoS 保障的随机接入过程、通过可用的邻基站信息帮助切换等。2. UMB 物理层关键技术物理层设计可用频谱范围为 1.25-20MHz。在此系统中，自适应的调制、编码技术与同步HARQ和turbo编码一起使用。系统可支持的调制方式有QPSK、16QAM、8PSK和64QAM。 - 2 -当块长度小于或等于 128 时

5、，使用 1/3 速率的卷积码，当块长度大于 128 时，使用 1/5 速率的 turbo 码。通过打孔或重传使系统达到要求的码率。在前反向链路中，都支持了将近 7ms的短的 HARQ 重传时间。系统中资源的分配及速率统一由接入点（AP）决定。系统使用的超帧结构如图 2 所示图 2 前反向链路的超帧结构Fig.2 Superframe structure for FL and RL 前向链路中，一个超帧前导后跟随 25 个物理帧，每个物理帧及超帧前导都包含 8 个OFDM 符号。反向链路中，第一个物理帧相对较长（包含 16 个 OFDM 符号），目的是对准前反向链路。超帧前导载波捕获导频和开销（

6、overhead）信道用于最初的捕获。2.1 前向链路2.1.1 超帧前导前向链路的超帧前导为帧的前 8 个符号，其结构如图 3 所示图 3 超帧前导结构Fig.3 Structure of Superframe preamble 第 0 个符号承载主广播控制信道信息，第 1-4 个符号承载辅广播控制信道/快速寻呼信道信息，两者交替使用，最后三个符号用于 TDM 导频，用于初同步，其中 TDM1 用于前向捕获信道，TDM2 和 TDM3 为邻扇区干扰指示比特。在半同步模式下，TDM 导频每帧改变一次，不同扇区使用同一序列的不同偏置，并且要求帧级的同步，但不要求符号/码片级的同步。在异步模式下，

7、TDM 导频帧间一致，并不要求扇区间的同步。TDM1 用于初始定时捕获和粗频率偏移恢复，也用于携带系统中由移动台决定的信息。此符号每 4 个子载波出现一次，当 FFT 长度小于或等于 512 时，符号占用整个可用的频带，当 FFT 长度为 1024 或 2048 时，此符号只使用于中央的 480 个子载波。TDM2 和 TDM3 代表其他扇区的干扰指示，为 OFDMA 数据信道反向控制服务。超帧前导承载前向前导导频信道、主广播控制信道和辅广播控制信道信息。前向前导导频信道用于邻扇区干扰指示信道的解调，占用前导的前两个符号。主广播控制信道可用于频率复用模式，可联合编码于 16个超帧中，承载广泛使

8、用的固定参数。辅广播信道为移动台在物理层解调前向数据承载足够的信息，此信息在奇数帧中出现，与之交替的超帧（偶数帧）承载快速寻呼信道信息。快速寻呼信道信息的解调依赖于是否使用频率复用。这些信道的使用让物理层更具灵活性。 - 3 -2.1.2 数据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，如图 4 所示图 4 两种资源分配方式Fig.4 Structure of two modes 图 4（a）所示为分散式资源分配（DRCH），用户分配的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。图 4（b）所示为块资源分配（BRCH），是集中式资源分配方式，即为用户

9、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。信道和干扰估计基于专用导频。以上两种资源分配方式也可以同时出现在同一个物理帧中，具体有两种复用模式：BRCH 上用 DRCH 打孔（模式 1）；DRCH、BRCH 在不同的子区域上使用（模式 2）。模式 1 中，开销信道指示使用了多少的 DRCH，让移动台知道打孔的模式，且在整个带上都使用了公共导频。模式 2 中，开销信道指示了 DRCH 的区域和 BRCH 的子带，DRCH 区域使用公共导频，而 BRCH 区域使用专用导频。 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，

10、仅支持块资源分配方式。2.1.3 控制信道 前向控制部分只能用于全 BRCH 或全 DRCH 模式。分组开始指示信道（SPCH）用于指示固定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固定资源。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。其他扇区干扰信道（FOSICH）用于快速广播其他扇区干扰情况。热噪声干扰信道（IOTCH）通知其他扇区的终端，本扇区子区域上的干扰情况，用于具体的功控调整。功率控制信道（PCCH）用于反向控制信道的闭环功率控制。确认信道（ACKCH）用

11、于 HARQ 反馈。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。 - 4 -2.1.4 多天线技术UMB 中 OFDMA/MIMO 的设计同时考虑了以下因素：HARQ、速率预测、信道估计、反馈开销、空间相关性的影响、MIMO 的复杂度和灵活性等。可同时支持 SISO（单入单出）和 MIMO 用户。UMB 支持的 MIMO 技术包括：闭环预编码 MIMO（SU-MIMO，即单用户MIMO）、开环发送分集（STTD）、SDMA（MU-MIMO，即多用户 MIMO）。移动台可以支持不同的 MIMO 技术。图 5 给出支持 2 N 或 4 N 预编码 MI

12、MO 与 SCW（single code word）和 MCW（multiple code word）相结合的传输模式。SCW MIMO 根据信道调整速率和队列，单个包的格式与 M 个调制符号同时传输。HARQ协议与单天线系统相同，接收机可使用线性最小均方误差（MMSE）或更复杂的检测机。与使用 MMSE 接收机的 SCW 相比，MCW 更加复杂，且需要存储空间，MCW 具有更高的吞吐量，并对空间相关性不那么敏感。每层都有 CQI（信道质量指示）反馈，且可进行速率预测。M 个包格式同时传输，串行干扰删除接收机用来分离 M 层数据。使用最大重传的 HARQ时，在解码层不传输新的数据包。总功率平均

13、分配到状态条件好的各层中。 为了支持各种不同的 MIMO 技术，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，后者配合子带反馈信道（r-sfch）或 MIMO 质量指示信道（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 质量指示信道(r-mqich)用于反

14、馈预编码 SCW/MCW 时整带宽的 CQI，以及无预编码 SCW/MCW 时的CQI 信息和队列值。2.2 反向链路2.2.1 数据传输反向链路支持混合的 OFDMA 和 CDMA 空中接口。CDMA 用于支持控制信道，是必需的部分。OFDMA 和 CDMA 的传输时频复用，两者业务都进行功率控制，CDMA 功率控制是为了在所服务扇区维持目标 SINR（信干比），OFDMA 功率（PSD，即功率谱密度）控制是为了把扇区间干扰约束在理想状态。反向 CDMA 数据信道（R-CDCH）用于传输低速率、突发、时延敏感的业务，比如 VoIP、在线游戏等，支持有限的传输格式和频域干扰删除，此信道由快速功

15、控、HARQ 和慢速分布式调度支持。而反向 OFDMA 数据信道（R-ODCH）全面调度，支持准正交多天线的使用 - 5 -（QORL）和 LS-OFDMA（层叠代 OFDMA）。CDMA 和 OFDMA 数据可灵活地复用传输。反向 CDMA 数据信道（R-CDCH）和反向 OFDMA 数据信道（R-ODCH）使用速率为 1/5的 turbo 码或 1/3 的卷积码，反向 OFDMA 专用控制信道使用速率为 1/3 的卷积码，其余信道不进行编码。2.2.2 控制信道UMB 有 两 种 类 型 的 控 制 信 道 ， 一 个 是 CDMA 部 分 ， 即 反 向 CDMA 控 制 信 道（R-C

16、DCCH），另一个是 OFDMA 部分，即反向 OFDMA 控制信道（R-ODCCH）。反向 OFDMA 控制信道为所有用户共享的公共部分，通常用来承载周期性的控制信息。其包含的信道信息为：请求资源分配（r-reqch）、支持前向预编码和 SDMA 的反馈（r-bfch）、支持前向子频带调度的反馈（r-sfch）、前向链路质量指示（r-cqich）、MIMO 质量指示（r-mqich）、功率谱密度指示（r-psdch）、功率放大器余量（headroom）指示（r-pahch）。反向确认（R-ACK）信道调制到 OFDMA 符号上，并且对反向数据进行打孔。 CDMA 控制部分在每 N 个交织里出

17、现一个，在此跳中定义在子频带的单元里。这样可以简化宽带信道，为系统映射到可达到的 SINR 所需发射功率提供良好的参考，在调度中此点是必需的。CDMA 控制部分考虑到不同控制信道的统计复用，通过改变不同信道的固定性，实现灵活的负载控制，并提供低开销的接入信道。宽带导频支持子频带调度，并通过L1/L2 切换信令进行快小区切换。2.2.3 功率控制反向功率控制包含功率控制信道、CDMA 业务功率控制信道和 OFDMA 业务功率控制信道。其中，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。基站使用反向导频信道（R-PICH）作为闭环

18、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比特信息，终端根据接收到的功控比特抬升或降低 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，调制的力度与反向服务扇区的热噪声增量（ROT）、导频质量指示（PQI）相关。在 反 向 OFDMA 业 务 信 道 中 ， 基 站 也 以 R-PICH 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

19、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，即 （ ） P n P P , min max 。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（热噪声干扰

20、）高于门限值时，使用超帧前缀的扇区间干扰信道（F-OSICH）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

21、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。2.2.4 L1/L2 切换技术移动台一直监控其激活集里扇区的前反向信道的质量，其中，前向捕获导频（F-ACQCH）和前向宽带导频（F-CPICH）用于监控前向链路质量，前向导频质量报告（F-PQICH）用于监控反向链路质量。前反向链路的服务扇区是不同的，通过使用基站发出的前向导频质量报告（F-PQICH），移动台选择最强的前向链路扇区与适当的反向链路质量完成反向控制；通过基站发出的 IoT 报告、基于服务质量（QoS）的功率余量和所需功率，移动台选择最强的反向链路扇区与适合的载干比（C/I），达到

22、 QoS 的需求。在切换指示期间，移动台发送反向信道质量指示（R-CQICH）与所需前向链路服务扇区（F-DFISS）标志集到目标，指示优先进行选择的前向链路。移动台发送请求资源分配（R-REQCH）信息到目标指示优先进行选择的反向链路。当移动台从新扇区接收到任务时切换正式完成。2.2.5 准正交编码技术SDMA 是 UMB 使用的一个准正交编码技术，它利用空间信道的不相关来区分用户。非正交 SDMA 编码技术的优点在于：非正交反向链路的容量与接收天线数成正比关系，而正交反向链路的容量与接收天线数的对数成正比关系。 LS-OFDMA（层叠代 OFDMA）是 UMB 的另一个非正交传输技术，此技

23、术与 OFDMA同时使用，并不依赖于多天线去抑制干扰。LS-OFDMA 让用户重叠在时/频上，实现 OFDMA资源的过载，用户的信令通过干扰删除/联合解码区分开来。此技术最关键的思想是通过可达到的频谱效率分层用户。不使用多天线接收机，空间的过载也是可能做到的。在同一层内正交化用户达到相同的频谱效率，与传统使用调度的 OFDMA 系统具有一样的层内公平性。3. 总结本文主要介绍了 3GPP2 UMB 系统物理层中的关键技术。作为 CDMA2000 的演进技术，UMB 全方位地提供了先进的移动宽带服务，可以在经济地提供低速、低时延的语音业务的同时有效地提供超高速、非时延敏感的宽带数据通信业务。为支

24、持无缝接入，UMB 还支持与现有 CDMA2000 1x 和 1xEV-DO 系统进行跨系统间的无缝切换。随着技术标准的不断完善，UMB 应用于市场将指日可待。 - 7 -参考文献1 杜滢，“UMB3GPP2 超移动宽带解决方案”， ，2008.2.19。2 李瀛寰，“UMB：超移动宽带并行六大应用”，2007.7.16。3 张勇，“UMB、LTE、WiMAX 谁将成为赢家？”，2007.10.15。4 3GPP2, C.S0084-000-0 v2.0 “Overview for Ultra Mobile Broadband (UMB) Air Interface Specification

25、”, Aug. 2007. 5 3GPP2, C.S0084-001-0 v2.0 “Physical Layer for Ultra Mobile Broadband (UMB) Air Interface Specification”, Aug. 2007. The Key Technologies in Physical Layer of UMB Lu Hui School of Telecommunications Engineering, Beijing University of Posts and Telecommunications, Beijing (100876) Abst

26、ract As the evolution of CDMA2000 mobile phone standard, UMB (Ultra Mobile Broadband) can provide wider bandwidth, large range of frequency and wave band, and is scalable and flexibility. UMB bases on OFDMA, and adopts complex control and signaling, effective radio resource management, adaptive reve

27、rse link interference control and advanced multi-antenna technologies such as MIMO, SDMA, and beamforming, etc. So that it can reach higher transportation efficiency while supporting the applications with QoS requirements effectively. This paper describes the UMB system briefly, and then introduces the key technologies in physical layer. Keywords: UMB; superframe; OFDMA; MIMO; power control-