IMT-Advanced系统在空中接口关键技术研究成果

2019-4-28 09:57:16

1117 接口 Mac

3.3  媒体接入控制层

MAC层是上层协议与物理层之间的桥梁，主要负责逻辑信道与传输信道间的映射以及物理资源的管理。

MAC层作为上层协议的支撑，它提供的服务包括：基于逻辑信道的报文传输，即上层调用逻辑信道接口，再由MAC层将其映射到相应的传输信道；资源控制，即执行上层发来的控制信息并根据需求来指定相应的传输参数；控制信息的反馈，即反馈队列状态信息和数据流的时延统计和资源占用状况，便于MAC和上层协议进行QoS保障；系统信息的广播，即支持广播或组播业务需求。

（1）物理资源的管理

物理资源的管理是MAC层中的重要实体，它是上层应用（无线资源管理）的执行模块。MAC层中的物理资源的管理由两部分组成：服务等级控制（SLC）和资源调度（RS）。
SLC主要负责不同基站间的资源分配，通过预留不同基站的资源，在总体上确保数据流的服务等级。在广域场景，SLC的实体通常位于RAN网关（RANG）上，而不是在基站上。
RS主要负责物理信道资源的最优分配。在其资源调度器中，有两类基本的调度算法：自适应调度（Adaptive resource scheduling）和非频率自适应调度（Non-frequency-adaptive scheduling）。二者的区别是：前者是预测信道状态的快速变化，通过改变物理参数来适应频率选择性信道；而后者是通过某些技术手段（如分集、交织和空时编码等）来设法减小信道快速变化的影响。在终端高速移动的情况下，很难准确地捕捉到信道状态的快速变化，这时更倾向于非频率自适应调度算法。

（2）多址方式

多址方式是空中接口为不同用户分配相应的物理资源的方法和策略。多址方式的选择是个复杂的问题，它要综合考虑调制方式、链路特性以及链路自适应技术等多方面因素。IMT-Advanced系统选择多址方式的关键指标包括性能、灵活性、频谱效率、复杂度和成本。
相比于传统的多址方式（FDMA、TDMA和CDMA），IMT-Advanced系统更关注OFDMA（Orthogonal Frequency Division Multiplexing Access）和SDMA（Spatial Division Multiple Access）方式，因为它们具有更好的性能和频谱效率。OFDMA利用OFDM技术来为不同的用户分配不同的信道资源，相比于FDMA，它在灵活性和频谱效率上优势明显；而SDMA与其它多址技术的结合，将在性能上带来突破，因而是当前的研究热点。

在基于多载波调制的多址方式中，TDMA/OFDMA通过利用自适应传输技术，而具有最好的性能增益和灵活性，进一步验证了自适应传输在多址方式选择中的重要性。首先，TDMA/OFDMA通过链路自适应技术来克服频率选择性衰落，能得到多用户增益（5GHz频点上、移动速度为50～70km/h时SINR数值良好）。不过，为了适应高速移动的场景，也需要非自适应模式（基于编码、交织和扩频技术）作为补充。其次，对于上行链路，TDMA/OFDMA也是可行的，但前提是终端能够保持频率同步。此外，TDMA/OFDMA方式对于TDD和FDD系统都适用。

SDMA方式与多天线技术是紧密相连的，目前主要有两种方式：固定波束赋型（Fixed beamforming）和自适应波束赋型（Adaptive beamforming）。固定波束赋型的特点是简单和鲁棒性强，它适用于角度扩散小的广域环境，所支持的用户数量近似等于发射天线数目的一半；而自适应波束赋型适用于角度扩散大的场景，所支持的用户数量是固定波束赋型方式的两倍。此外，这两种方式都可以与OFDM、FDMA、TDMA和CDMA相结合，在综合考虑实现复杂度和性能的情况下，目前最好的结合方式是：OFDM-SDMA-TDMA和OFDM-SDMA-TDMA-CDMA。

3.4  无线链路控制

无线链路控制（RLC）的作用是保证空中接口的端点之间（终端与基站或其它网络侧的节点之间）的传输可靠性。RLC层主要是负责丢失报文、失序报文和重复报文的处理，其保障机制主要包括：端到端的重传；报文记录；重复避免；中继节点上的安全处理。

RLC为上层应用提供了可靠的传输，这非常重要，因为类似TCP这种高层的传输协议，它会将报文的丢失、失序和重复当做网络拥塞的前兆，从而迫使发送端降低发送速率。但是，另一方面，RLC也为系统带来了一定的开销和传输时延，我们要努力减小它对系统性能的影响。

RLC层为上层提供了多种服务，包括确认的数据传输、非确认的数据传输和透明传输。它们对信令的要求不同、所需的开销不同，因而所能提供的传输可靠性也就不同。它们之间最主要的区别是收、发端buffer的使用方式和状态报告的机制不同。其中，确认的数据传输占用最多的资源，提供最高的传输可靠性。同时，RLC层也需要来自底层（MAC层）的服务，如它需要MAC层汇报CRC的效验结果，并为它的处理提供依据。

3.5  无线资源管理

RRM是空中接口的上层模块，是众多算法和协议的总称。它负责整个移动通信系统的空中接口资源的规划和调度，以确保系统的覆盖、容量和QoS。

由于IMT-Advanced系统服务于不同的场景和用户需求，所以RRM的功能可以被进一步细分为：通用的RRM功能，它们对于场景类型和用户需求不敏感，适用于各种情况，包括频谱分配、服务等级控制、Buffer管理、流量监控、接入控制、拥塞控制和相同模式间的切换；特殊的RRM功能，它们针对不同的场景类型和用户需求进行了优化，包括资源调度、功率控制、链路自适应、路由和不同模式间的切换；系统间的RRM功能，它们用于IMT-Advanced系统与现有系统（如UMTS和WLAN等）之间的协作与共存，包括系统间的切换、接入控制、拥塞控制和RAN选择。

相比于3G系统，IMT-Advanced系统RRM的设计复杂要高很多：在功能上，增加了系统间的切换、RAN选择和路由选择等实体；在结构上，将采用分布式方案，把RRM的监控和决策实体下放到网络的各个节点上（包括终端），以减小信令的信息交换量和传输时延。

4  结束语

IMT-Advanced系统作为下一代移动通信系统，正日益成为人们关注的焦点。本文介绍了当前该系统在空中接口关键技术方面的研究成果，并对其候选技术方案进行了比较。可以看出，IMT-Advanced系统相比于3G和E3G系统，必将在功能和服务上迈出质的飞跃。但是其设计、实现的复杂度也前所未有的，特别是在多种关键技术的融合方面，还需要人们的进一步研究。