作者：沈嘉
IEEE802.20技术是近期兴起的“准4G”无线通信技术之一，可以实现很强的系统性能。
文章具体介绍了刚刚被IEEE802.20确定为主体技术方案的MBFDD/MBTDD方案中的要害技术，并将其与另几种“准4G技术”——WiMAX、3GPPLTE进行了对比。
1、介绍
IEEE802.20标准定义的技术又称为移动宽带无线接入（MBWA）技术。这项标准的制定在相当长的时间里陷于停滞。但2004年，IEEE802.20标准的制定骤然加速。在2006年1月召开的第17次会议上，Qualcomm公司提出的一个基于OFDMA的MBFDD/MBTDD技术方案被初步选为802.20的基本技术方案。
此提案包括FDD和TDD的解决方案，分别称为MBFDD和MBTDD，可以支持5MHz到20MHz的带宽，实现用于许可频段的广域覆盖（包括宏小区、微小区、热点等各种应用场景）的移动通信系统。MBFDD/MBTDD的性能指标（如峰值速率260Mb/s/20MHz）已经远远超出了IEEE802.20在建立之初制定的目标（2Mb/s/5MHz），形成了与WiMAX和E3G（3GPPLTE和3GPP2AIE）相互重叠、相互竞争的关系。被选中的MBFDD/MBTDD技术局部融合了另一公司提出的“625k-MC”方案，但文章仅介绍MBFDD/TDD的主体方案。
2、基本传输和多址技术
在物理层基本传输技术和多址技术方面，MBFDD/MBTDD将在上下行均采用OFDMA，这和WiMAX及Flash-OFDM相同，而LTE则在上行采用了SC-FDMA技术。从双工方式上讲，系统可以支持FDD和TDD双工操作，TDD系统可支持上下行非对称操作。
2.1基本参数设计
MBFDD/MBTDD采用了在同类OFDM移动通信系统中最小的子载波间隔9.6kHz，明显小于WiMAX、Flash-OFDM和3GPPLTE系统。这使MBFDD/MBTDD系统有可能实现比其他OFDM系统更高的频谱效率（子载波间隔越小、CP开销越小、频谱效率约高）。但同时，较小的子载波间隔理论上对多普勒频移更加敏感，因此可能需要解决对高速移动终端的支持问题。
MBFDD/MBTDD系统的循环前缀（CP）长度比LTE系统略大（但比Flash-OFDM有所减小），在同等情况下，此系统有可能支持更大的小区覆盖范围。
MBFDD/MBTDD系统采用了较短的物理帧长度（即TTI长度）0.91ms，说明MBFDD/MBTDD系统也很注重降低传输延迟，以支持VoIP、在线游戏等实时业务。相对而言，WiMAX的TTI长度较大，更适合支持非实时数据业务。但MBFDD/MBTDD系统的传输延迟相对LTE系统仍然略大，两次重传之间的间隔为5.5ms。
另外，MBTDD系统采用尽可能频繁的上下行切换，以实现最小的传输延迟。这样做可以尽快反馈重传信息，以尽快进行重传，从而缩短重传延迟。但这种结构的代价是，需要插入大量的上下行切换间隔，这会造成一定的频谱效率损失。
2.2跳频OFDMA技术
MBFDD/MBTDD系统支持跳频和非跳频（主要包括频域调度和频域分集两种模式）的OFDMA技术。从资源分配的角度看，跳频和非跳频的主要区别在于，跳频系统的子载波是伪随机选择的，并在每个跳频周期结束时无条件的跳转到另一组子载波。而非跳频系统使用的子载波是相对固定的，系统只有在频域调度机制下，改变子载波分配时，才会跳转到新的子载波组上继续发送。
MBFDD/MBTDD采用的跳频包括两种跳频频率：符号级跳频和物理帧级跳频。符号级跳频的跳频周期为2个符号长度，每个跳频周期使用一组离散的子载波（分布在整个带宽内）。这种情况下，系统的导频符号也以跳频的方式和数据符号复用，从而支持整个带宽内的信道估计。物理帧级跳频的跳频周期为1个物理帧长度，每个跳频周期使用一组（16个）相邻的子载波。这种情况下，系统采用专用导频，即导频符号插入到一个资源块（1物理帧×16子载波）的指定位置，并随此资源块跳转。
2.3半正交OFDMA技术
从理论上讲，非正交系统的容量在接收天线数量较多时有可能超过正交系统。以这个理论为基础，MBFDD/MBTDD系统采用了基于跳频OFDMA和SDMA的“半正交OFDMA”技术，以在支持对QoS要求较低的业务时可以获得更大的系统容量。
与正交的跳频OFDMA不同，一个扇区在每个时频资源单元内可以容纳多个跳频用户，但由于每个用户使用的单元都在“随机跳转”，对某个用户来说，每个单元内和它“碰撞”的用户都是不同的。这样，系统就可以利用各用户之间的信道差异（相关性将随天线数量增加而减小）实现空分多址（SDMA），以平均同道干扰。剩余的同道干扰可以通过HARO技术来克服。
3、信道设计和资源分配
3.1物理信道设计
在信道设计方面，MBFDD/MBTDD系统除设计了通常会有的数据、广播、导频、信令等信道外，还在下行增加了其他扇区干扰信道（F-OSICH），以对扇区间干扰进行估计并提高扇区边缘用户的性能。此信道采用很大的扩频增益进行扩频，以支持在很低信干比环境下解调。
在上行，设计了用于支持MIMO、SDMA、波束赋形、频域调度和多层QoS的反馈信道。尤其是设计了上行宽带导频信道，以实现在整个带宽内的上行信道估计，从而有效的支持下行频域调度，并利用TDD信道对称性实现智能天线操作。在上行控制信道（包括上行接入信道）中采用CDMA调制。
3.2子带调度资源分配方式
MBFDD/MBTDD系统的子带宽度为1.25MHz，明显大于WiMAX系统（500多kHz）和LTE系统（375kHz）。由于MBFDD/MBTDD的子带较宽，相同带宽下子带的数量（20MHz内有16个子带）小于WiMAX和LTE。这意味着MBFDD/MBTDD的频域调度增益可能小于WiMAX和LTE，但在一个子带内的频率分集增益较大。另外，子带数量较少也有利于降低调度的CQI反馈开销（每个子带需要一个CQI反馈）。
假如用户占用的带宽小于1.25MHz，则此用户在子带内采取跳频的方式，以取得频域分集，称为本地跳频。
3.3分集资源分配方式
除了以子带调度（相当于LTE中的Localized方式和WiMAX系统的Adjacent方式）外，系统还可以以分集方式分配子载波资源（相当于LTE系统和WiMAX系统的Distributed方式）。对于快速移动的用户，由于信道变化很快，很难进行及时有效的子带调度，应转而采用分集分配方式以获得频域分集增益。
4、切换
在切换方面，OFDM系统采用软切换有一定困难。虽然802.16标准中包括了软切换选项，但在WiMAX的技术选择中尚没有考虑这个选项。MBFDD/MBTDD系统也将采用基站间快速硬切换，这和现在LTE的考虑一致。另外，考虑到上行和下行的最佳基站不一定是同一个，MBFDD/MBTDD系统答应上行和下行与不同的基站链接。
5、部分频率复用
采用部分频率复用（FFR）技术，可以根据各种终端的信道条件和干扰情况（通常跟终端的位置有关）采用不同的频率复用系数。即将所有子载波分成若干复用组，不同的复用组可以实现不同的复用系数。假如终端适合工作在复用系数为1/3的环境下，则分配给该终端复用系数是1/3的复用组；假如工作在复用系数为1的环境下，则分配给该终端复用系数是1的复用组。更灵活的FFR方法是对不同的子载波组采用不同的发射功率控制，以进行小区间协调。
FFR技术又可以通过“静态”的和“动态”的两种方式实现。静态方式下，终端采用的频率复用系数是相对固定的，与终端的“位置”对应。终端测量下行相邻小区（扇区）的干扰，并将结果报告给基站。基站则可以根据干扰的情况分配给该终端适当的频率复用系数。
静态方法的问题是，每个复用组中的子载波数是一定的，难以应付各种不同的部署场景和业务流量分布。此时就需要采用动态的FFR方法，即终端所处的复用集是不断刷新的。这种动态的调度综合考虑了用户QoS的要求、小区间干扰避免和公平性原则。动态FFR要求基站能即时的获得每个复用集的信道质量信息（CQI），因此比较复杂。
6、MIMO技术
MBFDD/MBTDD支持的多天线（MIMO）技术包括当前被考虑的各种MIMO方法：空间复用（SM）、预编码MIMO、空间发送分集（STTD）、空分多址（SDMA）和波束赋形等。
由于需要同时支持多种MIMO技术，如何灵活的选择MIMO技术，如对鲁棒性要求很高的信令信息应该适合采用分集技术发送，对数据率要求很高的数据传输则适合采用空间复用，并合理分配资源也是很要害的问题。
6.1空间复用
空间复用（SM）是目前考虑最多的MIMO技术，因为它能直接提高系统的峰值速率。和当前其他的系统类似，MBFDD/MBTDD系统采用了矩阵的方法生成SM信号，SM也可以看成一种波束赋形。波束的数量可能小于实际系统中天线的数量，这种情况下采用波束赋形，但可以获得的发送分集增益，信道估计的开销也相应减小。
MBFDD/MBTDD系统支持3种类型的SM发送，前两种是大家熟知的单码流和多码流发送，另外还支持TDD模式下的伪特征值赋形。
SCW就是将一个编码数据流采用空时处理的方法分成数“层”，在多个波束上并行发送。SCW的反馈机制基于秩猜测算法，终端根据信道信息猜测SCW发送应该选择的“秩”，并将帙的值和CQI信息反馈回基站，随之基站就可以根据这些反馈确定数据率、发送功率、秩、AMC（自适应调制编码）的格式等发射参数。
MCW采用相似的秩猜测算法，并根据秩确定并反馈应该发送的码流的数量，同时反馈每个码流的CQI信息，以确定该码流的数据率、发送功率、AMC格式等发射参数。
6.2空时分集
当波束的数量小于天线数量时，MBFDD/MBTDD系统对每个波束支持空时分集（STTD）操作。例如，在4个天线上发送两个波束的SM信号时，每个波束可以基于它所用的两个天线进行空时块码（STBC）发送。这种情况下，符号级跳频的单位需要扩大为两个OFDM符号，以包含1个完整的STBC码字。
6.3预编码
MBFDD/MBTDD还支持预编码（Precoding）MIMO发送。预编码就是预先将波束指向最有利于用户接收的“方向”。在TDD系统中，可以依靠信道的对称性从上行信道估计中获得预编码所需的信道信息，在FDD系统中，则需要依靠从接收机端的反馈。
预编码操作在可以形成有效的波束赋形的时候非凡有效，例如当SM“层”的数量（即秩）小于天线数量时。这种情况通常出现在发射天线大于接收天线的系统中。MBFDD/TDD技术采用码表（Codebook）表达反馈信息，分别代表分集、视距波束赋形、预编码矩阵调制、SDMA等各种MIMO发送矩阵。终端通过“速率和秩猜测”找出最合适的预编码矩阵，并将矩阵的代码、秩的值和CQI反馈给基站，基站则根据代码找出相应的预编码矩阵。
6.4TDD模式下的特征值赋形
基于特征值的波束赋形可以大大的提高链路的信干噪比（SINR），以改进链路的质量。这种方法在TDD系统中（上下行信道具有对称性）更轻易实现（基站可以利用上行信道估计获得下行信道信息）。
但是，实际TDD系统中的MIMO信道对称性并不那么轻易实现。很多情况下，由于终端的能力有限（如只有一个功放），终端虽然可以用多天线接收，但却只能用单天线发送。这时，上行（SIMO信道）和下行（MIMO信道）就不对称了，上行SIMO信道估计只能提供下行MIMO信道的不完全信息。
MBTDD采用了一种“伪特征值波束赋形”的技术来解决这个问题，即通过终端的单天线发送确定下行MIMO发送的第一个波束（用于传送第一个“层”），而采用和第一个波束正交的子空间中的波束传送其他的“层”。预编码模式下的反馈信息也可以和伪特征值波束赋形一起使用，以获得更好的性能。
6.5空分多址
MBFDD/MBTDD系统还支持空分多址（SDMA）操作，也就是利用各用户的信道差异支持多个用户共享相同的频率资源。当基站拥有多个天线时，就可以利用多个波束区分多个共享相同频率资源的用户。
SDMA的性能依靠于共享频率的用户之间的信道正交性，因此恰当的将用户分组配对十分重要。也就是要将信道相互正交性好的用户分为一组（共享相同的频率），以很好的区分他们；而避免将信道相似的用户分在一组，以防止严重的同道干扰。MBFDD/TDD系统通过终端反馈的码本进行配对，只有对那些反馈的“码”来自码本的不同组的用户，才应用SDMA。
7、异频切换和系统间切换
当一个MBFDD/MBTDD系统部署在多个频段时，系统需要支持终端在多个频段之间的切换（激活状态和空闲状态下）。
另外，还要考虑多模终端在MBWA系统和其他系统（如CDMA2000、WCDMA、GSM/GPRS/EDGE和WLAN等）之间的切换。MBFDD/MBTDD对终端在一个系统中如何监测其他系统的寻呼。这里要注重：不同系统之间通常是不同步的，如何测量其他系统的导频，及如何实现向其他系统的切换，给出了相应的解决方案。
7.1异频切换
为了实现异频切换，网络需要有识别异频相邻小区的能力；终端需要有测量、报告异频小区导频强度的能力。在空闲状态下，终端较轻易做到这一点，即可以使用某些时隙进行异频测量。但是在激活状态下，终端就需要周期性的中止本频段／本系统的信号传送，跳转到其他频段／系统去进行异频测量／寻呼监听。时间调整技术对这种操作是很重要的，因为其他系统不一定和802.20系统同步。
7.2系统间切换
MBFDD/MBTDD系统可以上面介绍的“跳转”技术对其他系统（和MBFDD/MBTDD系统同步或不同步）的导频进行测量，而后根据测量的结果建立可供切换的其他系统的列表，以根据实际情况选择是否、以及向哪个系统切换。这种方法适用于和802.20系统没有实现核心网融合的系统，因为这种情况下，除了监听此系统的寻呼信号外别无他法。
另外，假如其他系统的核心网和802.20系统的核心网已经实现了融合，则可以通过802.20系统的空中接口，用控制信令将其他系统的信息传送给终端，以供终端进行系统选择和切换。
8、总结
MBFDD/MBTDD是最近刚刚出现的移动宽带无线接入技术方案，它采用了很多先进的空中接口技术，并声称可以达到很高的性能指标，从而对WiMAX技术和仍处在前期研究阶段的3GPP/3GPP2E3G技术形成直接的威胁。
当然，以MBFDD/MBTDD为代表的IEEE802.20技术也带有和802.16技术相似的局限性。首先，此标准只包含MAC层和物理层的技术规范，不包含网络层以上的规范，而现有IP网络还不能提供类似蜂窝系统的移动性治理功能。另外，802.20技术和WiMAX技术一样，获得适用的频段也有一定难度（可用于移动通信的频段基本都被划分给了IMT-2000技术）。
因此判定MBFDD/MBTDD技术是否能获得成功还为时过早，但这个方案中采用的很多要害技术对E3G和B3G研究都将提供很好的参考。
