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3G LTE簡介

作者: 時間:2011-11-09 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏
的研究,包含了一些普遍認(rèn)為很重要的部分,如等待時間的減少、更高的用戶數(shù)據(jù)速率、系統(tǒng)容量和覆蓋的改善以及運營成本的降低。

  為了達(dá)到這些目標(biāo),無線接口和無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的演進(jìn)同樣重要??紤]到需要提供比更高的數(shù)據(jù)速率,和未來可能分配的頻譜,需要支持高于5MHz的傳輸帶寬。

  E-UTRA和E-UTRAN要求

  UTRA和UTRAN演進(jìn)的目標(biāo),是建立一個能獲得高傳輸速率、低等待時間、基于包優(yōu)化的可演進(jìn)的無線接入架構(gòu)。PP 正在制定的無線接口和無線接入網(wǎng)架構(gòu)演進(jìn)技術(shù)主要包括如下內(nèi)容:

 ?。?)明顯增加峰值數(shù)據(jù)速率。如在20MHz帶寬上達(dá)到100Mbit/s的下行傳輸速率(5bit/s/Hz)、50Mbit/s的上行傳輸速率(2.5bit/s/Hz)。

 ?。?)在保持目前基站位置不變的情況下增加小區(qū)邊界比特速率。如MBMS(多媒體廣播和組播業(yè)務(wù))在小區(qū)邊界可提供1bit/s/Hz的數(shù)據(jù)速率。

 ?。?)明顯提高頻譜效率。如2~4倍的R6頻譜效率。

 ?。?)無線接入網(wǎng)(UE到E-Node B用戶面)延遲時間低于10ms。

 ?。?)明顯降低控制面等待時間,低于100ms。

  (6)帶寬等級為:a)5、10、20MHz和可能取的15MHz;b)1.25、1.6和2.5MHz,以適應(yīng)窄帶頻譜的分配。

 ?。?)支持與已有的系統(tǒng)和非3GPP規(guī)范系統(tǒng)的協(xié)同運作。

 ?。?)支持進(jìn)一步增強的MBMS。

  上述演進(jìn)目標(biāo)涉及到系統(tǒng)的能力和系統(tǒng)的性能,是LTE研究中最重要的部分,也是E-UTRA和E-UTRAN保持最強競爭力的根本。

  在LTE中,還規(guī)范了一些其他要求,如與配置相關(guān)的要求、E-UTRAN架構(gòu)和移植要求、無線資源管理要求、復(fù)雜性要求、成本相關(guān)要求和業(yè)務(wù)相關(guān)要求。

  與其他無線接入方式相比,高頻譜效率、廣域覆蓋和支持用戶高速移動是E-UTRAN系統(tǒng)的主要特點。在E-UTRAN中,當(dāng)移動速率為15~120km/h時,能獲得最高的數(shù)據(jù)傳輸性能。E-UTRAN支持在蜂窩之間120~350km/h甚至高達(dá)500km/h的移動速率。在整個速率范圍內(nèi),R6中CS域的語音和其他實時業(yè)務(wù)在E-UTRAN中通過PS域來支持,并要求至少獲得與UTRAN相同的性能。

  LTE物理層方案和技術(shù)

  在LTE層1方案征集過程中,有6個選項在3GPP RAN1工作組中被評估。它們是:

 ?。?)FDD,上行采用單載波FDMA(SC-FDMA),下行采用OFDMA。
 ?。?)FDD,上行下行都采用OFDMA。
  (3)FDD,上行下行都采用多載波WCDMA(MC-WCDMA)。
  (4)TDD,上行下行都采用多載波時分同步CDMA(MC-TD-SCDMA)。
 ?。?)TDD,上行下行都采用OFDMA。
  (6)TDD,上行采用單載波FDMA(SC-FDMA),下行采用OFDMA。

  在上述方案中,按照雙工方式可分為頻分雙工(FDD)和時分雙工(TDD)兩類;按照無線鏈路多址方式主要可分為碼分多址(CDMA)和正交頻分多址(OFDMA)兩類。

  針對5MHz頻譜做系統(tǒng)級的初步評估,采用CDMA的系統(tǒng)與采用OFDM的系統(tǒng),在提升頻譜效率方面表現(xiàn)相似。如果采用CDMA演進(jìn)途徑,則有利于系統(tǒng)從前期UTRA版本平滑升級,可以廣泛地重用物理層。如果采用OFDMA,一個完全脫離以往設(shè)計約束的全新層1結(jié)構(gòu),則有利于系統(tǒng)在設(shè)計參量上做出靈活和自由的選擇,更容易實現(xiàn)E-UTRA定義的一些目標(biāo),如等待時間、最小帶寬間隔以及在不同雙工模式下的公平性等;同時,對于用戶接收機來說,針對OFDMA空中接口的處理相對簡單,在更大帶寬和高階多輸入多輸出(MIMO)配置情況下可以降低終端的復(fù)雜性。

  綜合上述因素,當(dāng)然也經(jīng)過激烈的討論和艱苦的融合,在2005年12月召開的TSG RAN第30次全會上,最終決定LTE可行性研究將集中在下行OFDMA和上行SC-FDMA上。這也意味著OFDM技術(shù)在3GPP LTE中獲得了勝利。這一結(jié)果一方面出于純技術(shù)的考慮,即在下行鏈路采用頻譜效率很高的OFDMA作為調(diào)制方式,在上行鏈路采用SC-FDMA,可以降低發(fā)射終端的峰均功率比,減小終端的體積和成本;另一方面也是為了擺脫自3G以來高通公司獨掌CDMA核心專利的制約。

  基本物理層傳輸方案

  LTE下行傳輸方案采用傳統(tǒng)的帶循環(huán)前綴(CP)的OFDM,每一個子載波占用15kHz,循環(huán)前綴的持續(xù)時間為4.7/16.7μs,分別對應(yīng)短CP和長CP。為了滿足數(shù)據(jù)傳輸延遲的要求(在輕負(fù)載情況下,用戶面延遲小于5ms),LTE系統(tǒng)必須采用很短的交織長度(TTI)和自動重傳請求(ARQ)周期,因此,在3G中的10ms無線幀被分成20個同等大小的子幀,長度為0.5ms。

  下行數(shù)據(jù)的調(diào)制主要采用QPSK、16QAM和64QAM這3種方式。針對廣播業(yè)務(wù),一種獨特的分層調(diào)制(hierarchical modulation)方式也考慮被采用。分層調(diào)制的思想是,在應(yīng)用層將一個邏輯業(yè)務(wù)分成兩個數(shù)據(jù)流,一個是高優(yōu)先級的基本層,另一個是低優(yōu)先級的增強層。在物理層,這兩個數(shù)據(jù)流分別映射到信號星座圖的不同層。由于基本層數(shù)據(jù)映射后的符號距離比增強層的符號距離大,因此,基本層的數(shù)據(jù)流可以被包括遠(yuǎn)離基站和靠近基站的用戶接收,而增強層的數(shù)據(jù)流只能被靠近基站的用戶接收。也就是說,同一個邏輯業(yè)務(wù)可以在網(wǎng)絡(luò)中根據(jù)信道條件的優(yōu)劣提供不同等級的服務(wù)。

  在目前的研究階段,主要還是沿用R6的Turbo編碼作為LTE信道編碼,例如在系統(tǒng)性能評估中。但是,很多公司也在研究其他編碼方式,并期望被引入LTE中,如低密度奇偶校驗(LDPC)碼。在大數(shù)據(jù)量情況下,LDPC碼可獲得比Turbo碼高的編碼增益,在解碼復(fù)雜度上也略有減小。

  MIMO技術(shù)在R7中已經(jīng)被引入,是WCDMA增強的一個重要特性。而在LTE中,MIMO被認(rèn)為是達(dá)到用戶平均吞吐量和頻譜效率要求的最佳技術(shù)。下行MIMO天線的基本配置是,在基站設(shè)兩個發(fā)射天線,在UE設(shè)兩個接收天線,即2×2的天線配置。更高的下行配置,如4×4的MIMO也可以考慮。開環(huán)發(fā)射分集和開環(huán)MIMO在無反饋的傳輸中可以被應(yīng)用,如下行控制信道和增強的廣播多播業(yè)務(wù)。

  雖然宏分集技術(shù)在3G時代扮演了相當(dāng)重要的角色,但在HSDPA/HSUPA中已基本被摒棄。即便是在最初討論過的快速小區(qū)選擇(FCS)的宏分集,在實際規(guī)范中也沒有定義。LTE沿用了HSDPA/HSUPA思想,即只通過鏈路自適應(yīng)和快速重傳來獲得增益,而放棄了宏分集這種需要網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)支持的技術(shù)。在2006年3月的RAN總會上,確認(rèn)了E-UTRAN中不再包含RNC節(jié)點,因而,除廣播業(yè)務(wù)外,需要“中心節(jié)點”(如RNC)進(jìn)行控制的宏分集技術(shù)在LTE中不再考慮。但是對于多小區(qū)的廣播業(yè)務(wù),需要通過無線鏈路的軟合并獲得高信噪比。在OFDM系統(tǒng)中,軟合并可以通過信號到達(dá)UE天線的時刻都處于CP窗之內(nèi)的RF合并來實現(xiàn),這種合并不需要UE有任何操作。

  上行傳輸方案采用帶循環(huán)前綴的SC-FDMA,使用DFT獲得頻域信號,然后插入零符號進(jìn)行擴(kuò)頻,擴(kuò)頻信號再通過IFFT。這個過程簡寫為DFT-SOFDM。這樣做的目的是,上行用戶間能在頻域相互正交,以及在接收機一側(cè)得到有效的頻域均衡。

  子載波映射決定了哪一部分頻譜資源被用來傳輸上行數(shù)據(jù),而其他部分則被插入若干個零值。頻譜資源的分配有兩種方式:一是局部式傳輸,即DFT的輸出映射到連續(xù)的子載波上;另一個是分布式傳輸,即DFT的輸出映射到離散的子載波上。相對于前者,分布式傳輸可以獲得額外的頻率分集。上行調(diào)制主要采用π/2位移BPSK、QPSK、8PSK和16QAM。同下行一樣,上行信道編碼還是沿用R6的Turbo編碼。其他方式的前向糾錯編碼正在研究之中。

  上行單用戶MIMO天線的基本配置,也是在UE有兩個發(fā)射天線,在基站有兩個接收天線。在上行傳輸中,一種特殊的被稱為虛擬(Virtual)MIMO的技術(shù)在LTE中被采納。通常是2×2的虛擬MIMO,兩個UE各自有一個發(fā)射天線,并共享相同的時—頻域資源。這些UE采用相互正交的參考信號圖譜,以簡化基站的處理。從UE的角度看,2×2虛擬MIMO與單天線傳輸?shù)牟煌?,僅僅在于參考信號圖譜的使用必須與其他UE配對。但從基站的角度看,確實是一個2×2的MIMO系統(tǒng),接收機可以對這兩個UE發(fā)送的信號進(jìn)行聯(lián)合檢測。

  基本物理層技術(shù)

  在基本的物理層技術(shù)中,E-Node B調(diào)度、鏈路自適應(yīng)和混合ARQ(HARQ)繼承了HSDPA的策略,以適應(yīng)基于數(shù)據(jù)包的快速數(shù)據(jù)傳輸。

  對于下行的非MBMS業(yè)務(wù),E-Node B調(diào)度器在特定時刻給特定UE動態(tài)地分配特定的時—頻域資源。下行控制信令通知分配給UE何種資源及其對應(yīng)的傳輸格式。調(diào)度器可以即時地從多個可選方案中選擇最好的復(fù)用策略,例如子載波資源的分配和復(fù)用。這種選擇資源塊和確定如何復(fù)用UE的靈活性,可以極大地影響可獲得的調(diào)度性能。調(diào)度和鏈路自適應(yīng)以及HARQ的關(guān)系非常密切,因為這3者的操作是在一起進(jìn)行的。決定如何分配和復(fù)用方式的依據(jù)包括以下一些:QoS參數(shù)、在E-Node B中準(zhǔn)備調(diào)度的數(shù)據(jù)量、UE報告的信道質(zhì)量指示(CQI)、UE能力、系統(tǒng)參數(shù)如帶寬和干擾水平,等等。

  鏈路自適應(yīng)即自適應(yīng)調(diào)制編碼,可以在共享信道上應(yīng)用不同的調(diào)制編碼方式適應(yīng)不同的信道變化,獲得最大的傳輸效率。將編碼和調(diào)制方式變化組合成一個列表,E-Node B根據(jù)UE的反饋和其他一些參考數(shù)據(jù),在列表中選擇一個調(diào)制速率和編碼方式,應(yīng)用于層2的協(xié)議數(shù)據(jù)單元,并映射到調(diào)度分配的資源塊上。上行鏈路自適應(yīng)用于保證每個UE的最小傳輸性能,如數(shù)據(jù)速率、誤包率和響應(yīng)時間,而獲得最大化的系統(tǒng)吞吐量。上行鏈路自適應(yīng)可以結(jié)合自適應(yīng)傳輸帶寬、功率控制和自適應(yīng)調(diào)制編碼的應(yīng)用,分別對頻率資源、干擾水平和頻譜效率這3個性能指標(biāo)做出最佳調(diào)整。

  為了獲得正確無誤的數(shù)據(jù)傳輸,LTE仍采用前向糾錯編碼(FEC)和自動重復(fù)請求(ARQ)結(jié)合的差錯控制,即混合ARQ(HARQ)。HARQ應(yīng)用增量冗余(IR)的重傳策略,而chase合并(CC)實際上是IR的一種特例。為了易于實現(xiàn)和避免浪費等待反饋消息的時間,LTE仍然選擇N進(jìn)程并行的停等協(xié)議(SAW),在接收端通過重排序功能對多個進(jìn)程接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理。HARQ在重傳時刻上可以分為同步HARQ和異步HARQ。同步HARQ意味著重傳數(shù)據(jù)必須在UE確知的時間即刻發(fā)送,這樣就不需要附帶HARQ處理序列號,比如子幀號。而異步HARQ則可以在任何時刻重傳數(shù)據(jù)塊。從是否改變傳輸特征來分,HARQ又可以分為自適應(yīng)和非自適應(yīng)兩種。目前來看,LTE傾向于采用自適應(yīng)的、異步HARQ方案。

  與CDMA不同,OFDMA無法通過擴(kuò)頻方式消除小區(qū)間的干擾。為了提高頻譜效率,也不能簡單地采用如GSM中復(fù)用因子為3或7的頻率復(fù)用方式。因此,在LTE中,非常關(guān)注小區(qū)間干擾消減技術(shù)。小區(qū)間干擾消減途徑有3種,即干擾隨機化、干擾消除和干擾協(xié)調(diào)/避免。另外,在基站采用波束成形天線的解決方案也可以看成是下行小區(qū)間干擾消減的通用方法。干擾隨機化可以采用如小區(qū)專屬的加擾和小區(qū)專屬的交織,后者即為大家所知的交織多址(IDMA);此外,還可采用跳頻方式。干擾消除則討論了采取如依靠UE多天線接收的空間抑制和基于檢測/相減的消除方法。而干擾協(xié)調(diào)/避免則普遍采取一種在小區(qū)間以相互協(xié)調(diào)來限制下行資源的分配方法,如通過對相鄰小區(qū)的時—頻域資源和發(fā)射功率分配的限制,獲得在信噪比、小區(qū)邊界數(shù)據(jù)速率和覆蓋方面的性能提升。

  E-UTRAN架構(gòu)

  E-UTRAN與UTRAN架構(gòu)完全不同,去掉了RNC這個網(wǎng)絡(luò)設(shè)備,只保留了Node B網(wǎng)元,目的是簡化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和降低時延。RNC功能被分散到了演進(jìn)的Node B(E-Node B)和接入網(wǎng)關(guān)(aGW)中。目前并沒有說明aGW是位于E-UTRAN還是SAE(系統(tǒng)架構(gòu)演進(jìn))中。但從LTE設(shè)計初衷來看,應(yīng)該只采用由E-Node B構(gòu)成的單層結(jié)構(gòu),而aGW因為包含了原SGSN功能,還是歸屬為SAE的邊界節(jié)點,只不過與E-UTRA相關(guān)的部分用戶面和控制面的功能在LTE中定義。

  E-UTRAN結(jié)構(gòu)中包含了若干個E-Node B(eNB),提供了終止于UE的E-UTRA用戶面(PHY/MAC)和控制面(RRC)協(xié)議。E-Node B之間采用網(wǎng)格(mesh)方式互連,E-Node B與aGW之間的接口稱為S1接口。

  E-UTRAN的協(xié)議棧結(jié)構(gòu)還是與URTAN一樣分為用戶面和控制面,但簡化了很多。比如去掉了RLC層,該實體功能被并入MAC層,PDCP功能在網(wǎng)絡(luò)側(cè)被移到了aGW中。控制面RRC功能移入E-Node B中,并在網(wǎng)絡(luò)側(cè)終止于E-Node B。

  與UTRAN相比,E-UTRAN在信道結(jié)構(gòu)上做了很大的簡化,雖然還沒有最終確定,但從目前討論的結(jié)果來看,傳輸信道將從原來的9個減為現(xiàn)在的5個,邏輯信道從原來的10個減為現(xiàn)在的7個。上/下行共享信道(DL/UL-SCH)用于承載用戶的控制信令和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù),取代了R6中的DCH、FACH、HS-DSCH和E-DCH信道。MCH只給多小區(qū)廣播/多播業(yè)務(wù)提供數(shù)據(jù)承載,而單小區(qū)的廣播/多播業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)則在SCH信道上承載。在現(xiàn)階段,LTE尚未決定是否單獨定義映射多播業(yè)務(wù)的邏輯信道,如繼承R6中單獨的MCCH和MTCH。

  無線資源控制(RRC)狀態(tài)在LTE中也簡化了許多,將UTMS中的RRC狀態(tài)和PMM狀態(tài)合并為一個狀態(tài)集,并且只包含RRC_IDLE、RRC_ACTIVE和RRC_DETACHED這3種狀態(tài)。在aGW網(wǎng)元中,UE的上下文必須區(qū)分這3種狀態(tài)。而在E-Node B中只保留RRC_ACTIVE狀態(tài)的UE上下文,即合并了原先的CELL_DCH、CELL_FACH、CELL_PCH和URA_PCH多種狀態(tài)。

  結(jié)束語

  除了對無線接入網(wǎng)演進(jìn)的研究,3GPP還正在進(jìn)行系統(tǒng)架構(gòu)方面的演進(jìn)工作,并將其定義為SAE。目前,一些發(fā)起并參與LTE/SAE標(biāo)準(zhǔn)制定和技術(shù)研究工作的3GPP成員,比如ALCATEL等設(shè)備廠商,正在積極研究和開發(fā)符合3G LTE/SAE技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)和設(shè)備,目標(biāo)是在保證技術(shù)和系統(tǒng)性能領(lǐng)先的同時,最大程度地利用并兼容現(xiàn)有的系統(tǒng)平臺,保持系統(tǒng)的平滑演進(jìn),以提供最優(yōu)的無線通信解決方案。



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