LTE系统及关键技术

LTE系统及关键技术随着移动通信技术的发展，全球微波互联接入技术（World interoperability Microwave Access，WiMAX）也得到了迅速的发展。在 2004 年，第三代合作伙伴计划（3Rd Generation Partnership Project ， 3GPP ）组织提出了通用移动通信系统（Universal Mobile Telecommunication System，UMTS）的长期演进技术（Long Term Evolution，LTE）。3GPP组织提出 LTE 技术的目的是为了与WiMAX技术进行竞争，同时改善通信系统的性能。LTE 系统的基本结构与性能要求LTE 系统的基本结构3GPP 组织启动LTE技术的直接原因好像是为了与 WiMAX 技术竞争，但是其主要原因是移动通信技术与宽带无线接入技术（Broadband Wireless Access，BWA）之间的相互融合。宽带无线接入技术是对传统的宽带有线接入技术进行的改进，它的发展过程是：从固定的无线局域网（IEEE 802.11x）发展到固定的无线城域网（IEEE 802.16d）,然后再向无线广域网（IEEE 802.11e）发展。宽带无线接入技术具有较高的无线接入数据速率，并且它的发展方向是从固定技术发展到游牧技术，最终发展到可以实现广域网络的移动性。这个发展过程主要体现了宽带无线接入技术移动化的趋势。然而无线移动通信技术则与之不同，因为移动通信技术的主要优势在于移动性和漫游性，并且随着移动通信技术的继续发展，它的主要发展方向是高速化和宽带化。所以3GPP组织和 3GPP2组织分别提出了向高速分组接入技术（High Speed Packet Access，HSPA）和高速分组数据技术（High Rate Packet Data，HRPD）演进，即在能够保持蜂窝移动通信能力的同时，进一步提高移动通信网络的接入能力，提高数据的传输速率。这也主要体现了移动通信向宽带化发展的趋势。在 2004 年11月，因为面临着移动通信技术的宽带化和无线接入技术的移动化的挑战， 3GPP组织启动了关于 LTE 技术的研究工作。在 LTE 技术的研究过程中，一些移动通信运营商和通信设备制造商提出需要保护对于 3G 技术的投资，并且不应该放弃 3G技术的相关优化工作，所以在 2006 年，3GPP 组织又对 HSPA 技术的演进做了进一步的规范。在 2006 年9月，3GPP组织已经顺利地完成了 LTE 技术的研究阶段（Study Item，SI），并且在 2008 年底已经基本完成了 LTE 技术的工作阶段（Work Item，WI）标准的制定，对于具体的商业应用估计要到 2010 年左右。目前，已经有很多国内外通信设备制造商都在加紧进行对 LTE 系统和 SAE 系统中的相关设备的研究开发工作。图2.1显示了WCDMA与LTE之间的演进关系。与高速下行分组接入技术不同，LTE 技术不具有后向兼容性。LTE 技术虽然只制定了关于 3G 无线接入网部分的长期演进计划，但是对于整个无线通信网络的体系架构来说，核心网和接入网的地位是同等重要的。实际上，3GPP 组织在2005年启动的系统演进项目包括两个主要部分：一个是LTE，在3GPP规范中使用的名称是E-UTRAN（Evolved UTRAN）；另一个是整体系统结构演进（System Architecture Evolution，SAE），3GPP 规范里正式使用的名称是演进的分组核心网（Evolved Packet Core network，EPC），主要目的是研究核心网络的功能和组织结构。完整的 UMTS 演进体系由 E-UTRAN 和 EPC 共同组成，总称为演进的分组系统（Evolved Packet System，EPS）。演进的分组系统的主要目标是为了推动 3GPP系统向着更高的数据传输速率、更低的网络传输时延、更加优化的数据传输业务、更大的通信系统容量和更大的通信系统覆盖范围、更高的频谱利用率以及更低的通信网络运营成本的方向演进。LTE 系统的结构可以分为两个主要部分，包括演进后的核心网部分和演进后的接入网部分。在LTE接入网部分中，网元设备只由演进型基站（evolved Node B，eNB）构成，形成了更加扁平化的系统网络结构。演进型基站提供在用户终端设备（User Equipment，UE）终止的用户面和控制面的通信协议。其中，用户面的通信协议主要包括分组数据汇聚协议（Packet Data Convergence Protocal，PDCP）、媒体接入控制协议（MediumAccess Protocal，MAC）、无线链路控制协议（Radio Link Control，RLC）、物理层协议（Physical Layer，PHY）等；控制面的通信协议主要包括无线资源控制协议（Radio Resource Control，RLC）。演进型基站之间通过 X2 接口互相连接，演进型基站与演进的分组核心网之间通过S1接口互相连接。具体地说，演进型基站通过 S1-MME接口与移动管理实体（Mobility Management Entity，MME）相连，同时通过S1-U接口与服务网关（Serving Gateway，S-GW）相连。S1接口能够支持MME/S-GW和eNB之间多对多的连接。LTE 系统的基本架构如图 2.2 所示：演进型基站的主要功能如下：（1）提供无线资源的管理，包括无线承载、无线通信的接入控制、通信链路的移动性管理、对于用户终端的上下行通信链路的资源调度等功能；（2）提供对于用户数据流的 IP 数据包头压缩和加密的功能；（3）当用户终端提供的信息不能够确定所要连接的移动管理实体的路由时，eNB 为其提供一个归属的移动管理实体；（4）提供用户面的数据到服务网关的路由；（5）调度和传输由移动管理实体发起的寻呼消息；（6）调度和传输由移动管理实体发起的广播消息；（7）测量用户终端的移动性和调度无线资源，并且能够配置相应的测量报告；（8）对于移动管理实体发起的地震和海啸预警系统（Earthquake and Tsunami Warning System，ETWS）消息进行调度和传输。移动管理实体的主要功能如下：（1）处理非接入层（Non-Access Stratum，NAS）信令；（2）向演进型基站发送寻呼消息；（3）对接入层进行安全控制；（4）对于涉及到核心网络节点之间的信令控制的移动性管理；（5）UE 处于空闲模式和激活模式下的跟踪区（Tracking Area，TA）列表管理；（6）对于 PDN 网关（PDN Gateway，P-GW）和 S-GW 进行选择；（7）提供漫游和鉴权功能；（8）提供包括专用承载建立的承载管理功能。LTE 系统的性能要求LTE 系统的主要性能要求如下：（1）提供更高的系统容量：（a）目标峰值传输速率：在 20MHz 带宽下，要求系统能够提供的下行数据传输速率大于 100Mbps，上行数据传输速率大于 50Mbps；要求 LTE 系统的系统容量为下行 34倍于高速下行分组接入（HSDPA），上行 23 倍于高速上行分组接入（HSUPA）；（b）在实验的条件下，LTE 系统的最高频谱效率可以达到 1020bps/Hz。（2）具有更加灵活的频谱分配：（a）带宽和频谱资源的分配灵活，可以根据不同通信业务的需求，支持 1.25MHz、1.6 MHz、2.5 MHz、5 MHz、10 MHz、15 MHz、20 MHz 七种不同的带宽；（b）能够支持对称和非对称的频谱资源分配。（3）能够支持无缝移动：（a）提高处于小区边缘的用户吞吐量；（b）需要支持与现有 3GPP 系统和非 3GPP 系统的互操作；（c）进一步优化 15km/h 以下的低速率移动通信业务，同时能够支持 120350km/h的高速移动通信业务。（4）系统的覆盖要求：（a）5km 以内的的小区覆盖范围都要满足上述提出的系统频谱效率、系统容量的要求和移动性目标；（b）当小区覆盖半径达到 30km 的时候，允许系统的性能有轻微下降；（c）如果条件允许时，小区的通信半径最大可以达到 100km。（5）要求更低的成本：（a）降低网络结构和设备终端的复杂度，并且使得系统内的功率消耗在可接受的范围之内；（b）系统内使用统一的 IP 协议。（6）通信网络的功能和演进目标：（a）要求通信系统以分组域业务为主要目标；（b）需要降低无线通信网络的传输时延：用户平面的传输时延需要小于 10ms，控制平面的传输时延需要小于 100 ms；（c）充分考虑到移动通信多媒体广播与多播业务、VoIP 等实时性业务的 QoS 达到电路域水平；（d）能够进一步支持增强型 IMS 与核心网络；（e）强调系统的后向兼容性，同时考虑了系统对于性能和容量增强等方面之间的折中问题。LTE 系统的帧结构LTE 系统可以支持两种基本的工作模式，频分双工（FDD）和时分双工（TDD）；可以支持两种不同的无线帧结构，即 Type1 帧结构和 Type2 帧结构，这两种类型帧的帧长均为 10ms。在这里提到的帧结构是指无线帧的结构。通过定义帧结构，可以约束数据的发送时间来保证收发的正常进行。Type1 帧结构可以适用于 FDD、TDD 两种工作模式，Type2 帧结构只能适用于 TDD 工作模式。FDD 方式是指上下行通信链路的信号传输使用不同的频段，且上下行通信链路的带宽要一致，即要求对称的频谱。在上下行通信链路的频带之间还要有称为双工方式间隔的保护频带；TDD 方式是指发送和接收信号在相同的频段内，上下行通信链路的信号在不同的时间段内发送并区分，支持上下行通信的非对称频段传输。显然在频谱资源利用的方面，TDD 方式比 FDD 方式更加灵活。注意，这里提到的帧结构是指从基站的角度看到的帧结构。如果从用户终端的角度看，由于受到传播时延的影响，不同的用户终端接收到的数据，即下行传输数据的到达时间，以及上行通信链路发送数据的时间是不相同的。一个无线帧需要包括三个部分：上行传输部分、下行传输部分和保护间隔部分。Type1 帧结构如图 2.3 所示。一个 10ms 的无线帧（Radio Frame）被平均分成了 10个子帧（Sub-frame）。并且每个子帧可以分为两个连续的时隙（Slot），每个时隙的长度为 0.5ms。每个子帧不仅可以作为上行链路子帧，而且也可以作为下行链路子帧。另外，在每一个无线帧的第一时隙和第六时隙处包含同步周期。在TDD系统中，由于上下行通信工作在同一频率，所以需要 TDD 帧结构能够同时给出上下行通信链路占用资源的时间和位置信息。Type2 帧结构如图 2.4 所示。Type2 帧分为 2 个 5ms 的半子帧（Half-frame），并且他们是完全相同的。其中，每个半子帧分为 5 个子帧，每个子帧（对应于 FDD 模式下的一个子帧）的时间长度为 1ms。同步和保护周期插在 0 号子帧和 2 号子帧之间，同步和保护周期包括下行同步时隙（Downlink Pilot Time Slot，DwPTS）、保护周期（Guard Period，GP）和上行同步时隙（Uplink Pilot Time Slot，UpPTS）。0 号子帧、5 号子帧和下行同步时隙总是供下行传输使用，2 号子帧、7 号子帧和上行同步时隙总是供上行传输使用。OFDM 基本原理正交频分复用技术（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）是由多载波调制（Multiple Carrier Modulation，MCM）技术发展而来的，并不是一种新的技术。早在 20 世纪五六十年代，美国军方就已经建立了世界上第一个多载波调制系统，并且在 1970 年衍生出了采用大规模子载波和频率重叠的 OFDM 系统。但是，在以后的很长一段时间内，关于 OFDM 技术的理论推广的速度放慢了。主要原因是由于 OFDM 技术需要各个子载波之间是相互正交的，虽然采用快速傅里叶变换能够很方便地实现调制，但是这对于 20 世纪七十年代的技术而言，OFDM 技术的实现受到了傅里叶变换设备的复杂度、发射机振荡器和接收机振荡器的稳定性以及关于射频放大器的线性要求等因素的限制。但是随着大规模集成电路的快速发展，到了 20 世纪八十年代，傅里叶变换的复杂度大大降低，所以 OFDM 技术得到了迅速的发展。到了 20 世纪九十年代，OFDM技术已经在欧洲和澳大利亚等地区广泛地应用于广播信道的宽带数字通信中，例如高清晰数字电视和数字音频广播。随着数字信号处理技术（Digital Signal Processing，DSP）、格码技术（Trellis coding）、软判决技术和信道自适应处理技术的迅速发展，OFDM 技术也变得越来越成熟。正交频分复用技术的基本原理是将信道划分成许多个相互正交的子信道，然后在每个子信道上进行相应的窄带调制和传输，这样就可以在减少子信道之间的干扰的同时，又可以提高通信系统的系统容量和资源利用率。因为每个子信道的带宽小于无线信道的相关带宽，因此对于每个子信道来说，他们是平坦衰落的信道，这样就可以大大减小符号之间的相互干扰。在各个子信道上的正交调制可以通过逆快速傅里叶变换（Inverse Fast Fourier Transform， IFFT）和快速傅里叶变换（Fast Fourier Transform，FFT）的方法来实现。并且通过大规模集成电路来实现逆快速傅里叶变换和快速傅里叶变换都是非常容易的。这样可以大大降低系统的复杂度，提高系统的性能。正交频分复用传输的基本特征如下：（1）在正交频分复用传输的过程中使用了大量的窄带子载波。在传统的通信传输系统中，通常系统中使用了少量的子载波，并且其中每个子载波的带宽相对比较大。例如，在 WCDMA 多载波方案中，系统的带宽达到了 20MHz，其中，系统的带宽包含了 4 个带宽分别为 5MHz 的子载波。但是对于正交频分复用传输技术来说，通常会包括大量的子载波。对于正交频分复用技术来说，在时域采用了矩形脉冲成形技术。（3）在正交频分复用技术中，每个子载波的频率间隔为，其中，是每个子载波的调制符号的时间长度。正交频分复用的基本调制过程如图 2.5 所示。从图中可以看出它包括个复调制器，其中每个调制器对应一个 OFDM 子载波。在时间内，正交频分复用符号x (t)的表达式为：其中，是第k 个子载波，它的频率是，并且是复调制符号。对于第m个 OFDM 符号间隔的第k 个子载波来说，其有效的时间间隔为。因此，OFDM 传输是以块为基础的，这就是说在每个正交频分复用符号中，个调制符号能够同时进行并行传输。并且 OFDM 调制符号可以通过多种调制形式来获得，例如 QPSK、16QAM 或者 64QAM 等。在正交频分复用技术中，正交是指两个调制正交频分复用子载波和在时间间隔内满足相互正交的条件：正交频分复用技术中子载波的数量可以从几百个变化到几千个，同时，子载波之间的间隔可以从几千赫兹变化到几百千赫兹。子载波之间的间隔的大小取决于当前的无线传播环境，包括最大时延扩展和最大的多普勒频移。如果子载波之间的间隔确定了，那么就可以通过假设的总带宽来确定子载波的总数量。与单载波调制技术相比，OFDM 技术也存在一些不足的地方，例如具有较高的峰均比（Peak Average Rate， PAR）、容易受到频率偏移的影响、系统的复杂度比较高等。不过随着科学技术的发展，这些问题也已经得到了部分的解决。物理层多址技术在无线通信系统中，多址技术是指基站与多个用户终端之间在无线电广播信道中建立通信链路时采用的信号复用方式。无论是前向通信链路还是反向通信链路都可以通过多址技术来区分不同的用户终端。多址技术不仅可以决定信号的生成、发送和接收形态，而且对于后续系统的物理层和其他高层关键技术的选择和系统整体的设计起到了最为关键的作用，是整个无线通信系统中最重要和基础性的技术。多址技术的基本原理就是利用不同的用户终端发送信号特征上的差异（例如发送功率、时间或者波形等）来区分不同的用户终端。无线通信系统通过多址技术可以实现多个移动用户终端同时共享有限的系统频谱资源。目前，无线通信系统所采用的多址接入技术主要包括：频分多址（Frequency Division Multiple Access，FDMA）、时分多址（Time Division Multiple Access，TDMA）、码分多址（Code Division Multiple Access，CDMA）、正交频分多址（Orhogonal Frequency Division Multiple Access，OFDMA）。其中，OFDMA 技术是 OFDM 技术与多址技术相互结合的产物。移动通信系统应用 OFDMA 技术可以允许多个用户终端同时共享有限的系统频谱资源，从而获得较高的通信系统容量。在LTE系统中，上行通信链路采用 SC-FDMA 技术，下行通信链路采用 OFDMA技术。在 LTE 系统的下行通信链路中，系统采用了 OFDMA 技术，此时，资源的最小分配单位被定义为连续的 12 个子载波，即资源块（Resource Block， RB）。而且，我们知道 LTE 系统的下行物理资源块可以看作是时频资源栅格，其中每个资源单元在一个OFDM 符号间隔内都对应一个 OFDM 子载波。在频域上将资源划分为一系列的资源块，每个用户终端可以使用其中一个或多个资源块用于承载数据业务的通信。每个用户终端可以使用连续的或者离散的物理资源块（Physical Resource Block，PRB）来传输数据，不同的用户通过所使用资源的频域正交性可以保证不同用户之间不会产生干扰。而且，LTE 系统在时间上是以时间长度为 1ms 的子帧为单位进行调度，即不同的子帧可以分别为不同的用户终端进行分配。因此，OFDMA 方案是将总的系统资源在时域和频域上进行划分，而且不同的用户终端可以通过时域或者频域的相互正交性来实现多址复用。LTE系统的下行物理资源结构如图 2.6 所示。在 LTE 系统的下行物理资源中，每个无线资源块在频域上占据的带宽为180KHz。与基站相比，用户终端设备对于成本的问题会更加敏感，并且用户终端设备的耗电问题也是影响通信的重要因素。因此，LTE 系统的下行通信链路采用 OFDMA 技术，上行通信链路需要采用 SC-FDMA 技术。SC-FDMA 技术与 OFDMA 技术相比的优势是其具有较低的峰均比，可以提高用户终端设备的功率利用率，延长电池的使用时间。OFDMA 技术的峰均比问题是近几年科学研究的一个热点问题，目前，已经提出了很多种可以降低峰均比的方法。但是这些已经提出的解决方法基本上都会导致额外的处理复杂度或者导致系统的频谱效率的下降，而且，也不利于控制用户终端设备的成本。这里提出的 SC-FDMA 技术不仅具有较低的峰均比，同时也保持了与下行 OFDMA技术的一致性，例如大部分的参数都可以进行共用，这可以为实现带来了简化。SC-FDMA 技术主要采用了单载波调制和频域均衡技术，可以取得的性能和复杂度与正交频分多址系统基本相同。SC-FDMA 技术是频域均衡单载波调制技术的扩展，它可以实现多个用户终端接入的功能。用户终端之间的正交性通过每个用户在频域上占用不同的子载波来获得，这种方法和 OFDMA 技术很类似。SC-FDMA 技术可以采用两种不同的子载波映射方式，即分布式子载波映射和集中式子载波映射。在分布式子载波映射中，用户数据占用了一组分布的子载波，因此可以获得频率分集增益。在集中式子载波映射中，用户数据占用了一组连续的子载波，但是我们可以通过信道相关调度技术来获得系统的频率选择性增益。系统设计者可以通过利用这两种不同的子载波映射方法来提供灵活的选择来满足特定的需要。MIMO技术多天线技术是指在移动通信系统中可以通过在发射端或者接收端使用多个天线，也可以分别在发射端和接收端同时使用多个天线的技术。根据发射端和接收端所使用的天线的个数，可以分为单输入单输出（Single-Input Single-Output，SISO）系统和多输入多输出（Multiple-Input Multiple-Output，MIMO）系统。多输入多输出技术其实并不是一种新的技术，早在 1901 年马可尼就提出了可以通过使用多个天线的方式来抵抗传输衰落的影响，这就是后来的 MIMO 技术最简单的原形。在 20 世纪七十年代，有人提出了可以将 MIMO 技术应用于移动通信系统，来改善移动通信系统的通信性能。但是真正推动了移动通信系统中的 MIMO 技术发展的是在20 世纪九十年代的贝尔实验室的众多研究学者。MIMO 信号可以通过分集机制（Diversity）或者空间复用机制（Spatial Multiplexing）来改善移动通信系统的工作性能。分集机制的原理是通过利用发射天线和接收天线之间的多条通信路径来获得通信系统的健壮性（Robustness），从而达到改善通信系统的误码率（Bit Error Rate，BER）的目的。分集机制也可以通过利用多个发射天线来获得，但是在这种情况下，我们必须要考虑来自多个发射天线之间的相互干扰问题，这就是提出空时编码技术（Space-Time Coding，STC）的目的。在这里，分集阶数（Diversity Order）是指误码率对信噪比（Signal Noise Ratio，SNR）的斜率。对于一个具有个发射天线和个接收天线的 MIMO 通信系统而言，通过空时编码技术可以达到的分集阶数为。另一种技术是空间共用机制，在充分发散的 MIMO 系统环境中，接收天线具有识别出同时从多个发射天线发射出来的信号的能力。换句话说，MIMO 系统可以等价为一个并行独立传输的数据流，并且系统的容量是单天线系统容量的倍。但是我们知道，容量和功率成对数关系。所以对于 MIMO 系统，多个并行传输的空间信道可以带来其系统容量的增益，因此可以称之为空间复用。在目前实际的无线通信应用中，IEEE802.11标准中由于采用了MIMO技术，所以其可以取得的数据传输速率是 IEEE802.11g 标准可以取得的数据传输速率的两倍。对于MIMO技术而言，实现空间分集是比较简单的，可以通过简单的空时分组编码技术（例如 Alamouti码）来实现。该系统具有两个发送天线，发送的符号每两个分成一组，分别表示为和。对于第一个天线来说，其发送的序列分别表示为和；对于第二个天线来说，其发送的序列分别是和。这两个天线所发送的信号序列是相互正交的，其系统结构框图如图 2.7 所示。