《宽带无线接入技术》课程论文 第1页 共4页 UMB 系统物理层关键技术 荣华智 10950124

通信工程一班 E-mail：1019584755@qq.com

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

UMB system physical layer key technologies

Ronghua Zhi 10950124 Communications engineering group one E-mail: 1019584755@qq.com

Abstract: UMB (Ultra Mobile Broadband) is the evolution of CDMA2000 family of standards upgraded version, the technology can bring greater bandwidth, frequency bands and band selection, and network scalability and flexibility. UMB orthogonal frequency division multiple access (OFDMA) technology, the introduction of complex control and signaling mechanism, efficient radio resource management (RRM), adaptive reverse link (RL) interference control, and including multiple-input multiple-output (MIMO), space division multiple access (SDMA) and beamforming other advanced multi-antenna technology, the system can achieve higher transmission efficiency while cost-effectively support a variety of Quality of Service (QoS) requirements application. This paper describes the technical background of UMB, and describes the physical layer of key technologies. Keywords: Ultra Mobile Broadband; superframe; Orthogonal Frequency Division Multiple Access; multi-input multi-output; power control CLC: TN929.5 Mobile Communications

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： 《宽带无线接入技术》课程论文 第2页 共4页 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 OFDMA 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。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（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，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。 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,分别为分散式资源分配（DRCH）和块资源分配（BRCH）。分散式资源分配（DRCH）是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。块资源分配（BRCH），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。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《宽带无线接入技术》课程论文 第3页 共4页 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。 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）用于向控制信道的闭环功率控制。确认信道（ACKCH）用于 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。 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。 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-CDCCH），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。 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（热噪声干扰）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：