4G层叠系统框架解析

    作者：信息产业部电信研究院通信标准研究所  沈嘉

    4G技术的标准化已经“近在眼前”。

    这项技术具备更快的数据率和更大的系统容量。目标峰值速率为：低速移动、热点覆盖场景下1Gbps以上，高速移动、广域覆盖场景下100Mbps。上述性能指标主要依靠两个方法实现：提高频谱效率和扩大系统带宽。

    为了实现1Gbps的峰值速率，4G系统需要宽达100MHz的系统带宽，但在3GHz以下频段分配100MHz连续频谱几乎是不可能的，而在高频段又很难实现无缝全域覆盖和高速移动(运营商要求基于现有站址部署4G系统，因此广泛使用中继和分布式天线技术有一定困难)，因此需要同时使用部分3GHz以下频谱。

    也就是说，4G系统将是一个层叠系统，需要同时使用上述两段离散的频谱，这形成了4G系统的一个重要特征。

    层叠4G系统框架

    未来的4G系统可由宽带移动通信(BMC)子系统和宽带热点接入(BHA)子系统构成。BMC子系统工作在较低频段(如3GHz以下IMT-2000频段)，提供广域覆盖和高移动性，为了实现4G的性能指标，可以考虑采用比E3G略大的带宽，如20～40MHz。BHA子系统工作在较高频段(如3GHz-5GHz可能分配给4G的新频段)，为了实现4G的性能指标(固定移动峰值速率1Gbps)，需要采用很大的带宽(最大至100MHz)。

    两个子系统应高度的融合(如采用相似的设计)，以实现用户在两个系统之间灵活的接入、调度和切换。也即当用户在固定和低速移动环境下并处于热点覆盖范围内时，可以接入BHA子系统获得高数据率的宽带接入。当用户处于热点覆盖范围外或高速移动环境时，则可以切换到BMC子系统。由于BHA子系统已经覆盖了小区中心区域，BMC子系统可以将有限的频率资源用于小区边缘区域，以获得更高的性能。

    BHA的覆盖范围受到所在频段的传播特性的限制，约为数百米。在密集城区，目前运营商部署的基站间距已经降到数百米量级，则BHA子系统也可以实现一定程度上连续覆盖，但该覆盖区域内的高速移动用户应仍由BMC承载。在一般城区、郊区和乡村，运营商基站间距可能扩大到数公里以上，在不增加新的站址的前提下，依靠BHA子系统则无法提供连续覆盖，BHA子系统将只用于在特定区域提供热点宽带接入服务。而BHA覆盖区域的间隙则由BMC覆盖。在一般城区、郊区和乡村，由于建设新站址碰到的限制较小，运营商可以考虑在必要的区域加设BHA基站或中继站，以扩展BHA子系统的覆盖范围。

    带接力系统的层叠系统框架

    在基本系统框架的基础上，可以采用接力(Relay)技术或分布式天线系统扩展BHA子系统的覆盖范围。作为BHA子系统的扩展，Relay系统也只用于固定和低速移动用户，高速移动用户仍由BMC子系统提供接入。Relay技术和分布式天线技术仍有很多技术问题需要进一步研究。即使技术问题得到解决，由于运营商在添加大量新的基站和接力站(RelayStation，RS)方面受到诸多的限制，也很难依靠接力和分布式天线系统提供全域覆盖，应考虑将其用于某些特定场景，作为有效的补充。

    新研发的包含BMC和BHA子系统的4G新空中接口可以将4G许可频段集中用于覆盖范围在100米以上的广域和城域场景，而利用现有的WLAN和WPAN技术标准实现100米以下的局域和个人域覆盖，并通过异构接口实现广域/城域系统和局域/个人域系统之间互通和切换。

    基于不连续频段的层叠系统框架是由4G系统的可用频谱特性和运营商的实际部属要求(不能大量增加新站址)决定的。基于此系统框架，仍有大量的问题有待于研究，但预计这会成为4G系统的一个基本特征。