TD-LTE无线网络规划设计(高级)

1 TD LTE 无线网络规划设计 2 目 录 第一章 概述 10 1 1 LTE 发展概况 10 1 2 系统架构 10 1 2 1 LTE 系统网络架构 10 1 2 2 E UTRAN 与 EPC 的功能划分 13 1 3 业务承载 15 1 3 1 移动通信市场需求现状和趋势 15 1 3 1 1 用户对业务的需求 16 1 3 1 1 1 趋势 1 移动互联网 16 1 3 1 1 2 趋势 2 生活化 工作化 17 1 3 1 1 3 趋势 3 视频化 17 1 3 1 1 4 趋势 4 物联网 18 1 3 1 2 用户对网络带宽的需求 18 1 3 2 LTE FDD TD LTE 与 2G 3G 网络业务承载能力对比 19 1 3 3 移动宽带业务和应用的发展趋势 20 第二章 TD LTE 关键技术 22 2 1 多址传输方式 22 2 1 1 OFDM 技术综述 23 3 2 1 2 LTE 协议中的下行多址技术 OFDMA 24 2 1 3 LTE 协议中的上行多址技术 SC FDMA 26 2 2 MIMO 与智能天线技术 27 2 2 1 发射分集 28 2 2 2 预编码技术 29 2 2 3 波束赋形 29 2 2 4 双流波束赋形 31 2 2 5 多用户 MIMO 32 2 3 调度技术 35 2 3 1 上行调度 36 2 3 2 下行调度 38 2 4 干扰抑制技术 39 2 4 1 频率复用 41 2 4 1 1 静态频率复用 42 2 4 1 2 准静态频率复用 42 2 4 2 干扰协调 43 第三章 无线网络规划技术要点 47 3 1 TD LTE 频率资源及组网方式 47 3 1 1 TD LTE 频率资源 47 4 3 1 1 1 国际 LTE 频率规划情况 47 3 1 1 2 国内现有通信系统频段资源分配情况 49 3 1 2 同 异频组网方案分析 49 3 1 2 1 频率复用万式 50 3 1 2 2 组网性能衡量标准 51 3 1 2 3 干扰规避措施 52 3 1 2 4 控制信道性能 54 3 1 2 5 业务信道性能 54 3 1 2 6 同 异频组网建议 55 3 2 TD LTE 覆盖性能分析 55 3 2 1 TD LTE 覆盖特性 55 3 2 2 TD LTE 链路预算 56 3 3 TD LTE 系统容量分析 59 3 3 1 TD LTE 容量评估指标 59 3 3 2 影响 TD LTE 容量性能的主要因素 60 3 4 多系统共存干扰分析 62 3 4 1 TD LTE 与系统工作频段 62 3 4 2 干扰的分类 63 3 4 2 1 杂散干扰 65 5 3 4 2 2 互调干扰 65 3 4 2 3 阻塞干扰 68 3 4 3 干扰隔离分析与结论 69 3 4 3 1 杂散干扰隔离分析 69 3 4 3 2 阻塞干扰隔离分析 71 3 4 4 互调干扰隔离分析 72 3 4 5 TD LTE 宏基站与其他系统共址时干扰隔离距离要求 74 第四章 宏峰窝网络规划 75 4 1 规划流程 75 4 2 网络建设需求分析 76 4 2 1 业务需求预测 76 4 2 1 1 用户规模预测 77 4 2 1 1 1 预测方法概述 77 4 2 1 1 2 应用建议 81 4 2 1 2 业务量预测 82 4 2 1 2 1 趋势外推法 82 4 2 1 2 2 单机业务量乘用户数预测法 84 4 2 1 2 3 计费时长 总数据流量 预测法 86 4 2 1 2 4 最终预测结果的取定 87 6 4 2 2 覆盖场景划分 88 4 2 3 TD LTE 建设策略 92 4 2 3 1 TD LTE 业务定位 92 4 2 3 2 TD LTE 覆盖策略 93 4 3 预规划 93 4 3 1 TD LTE 预规划流程 93 4 3 2 覆盖估算 95 4 3 2 1 基本特征 95 4 3 2 2 覆盖估算方法 96 4 3 3 容量估算 97 4 3 3 1 基本特征 97 4 3 3 2 容量估算方法 98 4 3 3 2 1 估算流程 98 4 3 3 2 2 系统容量资源 99 4 3 3 2 3 业务模型 99 4 4 站址规划 101 4 5 规划仿真 103 4 5 1 数据准各 104 4 5 2 仿真流程 106 7 4 5 3 仿真输入条件 107 4 6 无线资源及参数规划 109 4 6 1 PCI 规划 109 4 6 1 1 PCI 规划简介 109 4 6 1 2 PCI 规划基本原则 110 4 6 2 TA 规划 111 4 6 2 1 TA 规划简介 111 4 6 2 2 TA 规划原则 111 第五章 室内网络规划 114 5 1 室内覆盖系统概述 114 5 1 1 建设的必要性 114 5 1 2 系统特性 115 5 1 3 室内覆盖系统 116 5 2 TD LTE 室内网络规划设计 117 5 2 1 规划设计思路 117 5 2 2 规划设计原则 117 5 3 TD LTE 室内覆盖性能分析 119 5 3 1 TD LTE 室内覆盖规划方法 119 5 3 1 1 方法一 由目标边缘速率估算覆盖半径 120 8 5 3 1 2 方法二 已知覆盖半径估算边缘速率 120 5 3 2 TD LTE 室内覆盖场强分析 122 5 3 2 1 TD LTE 室内覆盖系统自身网络需求 122 5 3 2 2 室内外小区的协同关系 123 5 3 2 3 基于已有网络的改造需求 124 5 3 2 4 电磁辐射标准限制 125 5 4 TD LTE 室内覆盖信源规划 126 5 4 1 TD LTE 室内覆盖信源选取 126 5 4 2 分区规划 127 5 4 3 RRU 设置 127 5 5 TD LTE 室内分布系统规划 128 5 5 1 TD LTE 窒内建设模式 128 5 5 2 MIMO 双流分布系统建设 128 5 5 3 天线设置 130 5 6 TD LTE 室内覆盖系统建设要求 130 5 6 1 机房配套要求 130 5 6 2 室内分布系统要求 130 5 6 2 1 天线口功率要求 130 5 6 2 2 无源器件建设及改造 131 9 第六章 TD LTE 扩大规模测试与攻关 133 6 1 TD LTE 攻关项目最新进展 133 6 2 TD LTE 攻关项目主要成果综述 133 6 3 详细测试成果 135 6 3 1 面向规划 135 6 3 1 1 RS SINR 与业务速率关系 135 6 3 1 2 RSRP 和速率的关系 136 6 3 1 3 RSRP 和 SINR 关系 136 6 3 1 4 TD LTE 规划指标 136 6 3 1 5 不同场景下业务信道与控制信道覆盖匹配度 138 6 3 1 6 不同站间距 不同建筑类型 不同覆盖场景的室内深度覆盖性能 138 6 3 1 7 TD S 与 TD L 的覆盖能力差异 139 6 3 2 面向建设 139 6 3 2 1 室外多天线 139 6 3 2 2 网络结构 141 6 3 2 3 室内分布 141 6 3 3 面向组网 145 6 3 4 面向优化 147 10 第一章 概述 1 1 LTE 发展概况 LTE Long Term Evolution 是 3GPP 于 2004 年 11 月启动的 UMTS 技术长期 演进项目 分为 FDD 频分双工 方式的 LTE 和 TDD 时分双工 方式的 LTE 其 中 TDD 方式的 LTE 又由于演进路线的不同分为 LTE TDD1 和 LTETDD2 我国 从 2005 年开始推动 LTE 的 TDD 方案 LTE TDD2 方式 的研究并被 3GPP 所接受 之后由我国大力推动并通过多方努力 目前两种 TDD 方式已经融为一种 统称 为 TD LTE TD LTE 同时也被确定为 TD SCDMA 标准的后续演进技术 1 2 系统架构 1 2 1 LTE 系统网络架构 在 3GPP 的长期演进 Long Term Evolution LTE 项目中 对 LTE 系统提出 了严格的时延需求 其中 控制面时延由 LTE 空闲态转移到激活态时延要求为 100ms 休眠态转移到激活态的时延要求为 50ms 对于用户面时延 UE 或 RAN 边缘节点 IP 层分组数据至 RAN 边缘节点或 UEIP 层分组数据的单向传输 时间要求为 5ms 为了满足如上要求 除空中接口无线帧长度 TTI Transmitting Time 11 Interval 等变化以缩短空中接口的时延之外 3GPP 对网络结构也进行了优化和 演进 尽量减少通信路径上的节点跳数 从而减少网络中的传输时延 同 3GPP 既有系统相似的是 LTE 无线接入网与核心网仍然遵循各自发展 的原则 空中接口终止在无线接入网 因此 无线接入网与核心网的逻辑关系 仍然存在 无线接入网与核心网的接口也依然明晰 从整体上说 与 3GPP 既有系统类似 LTE 系统架构仍然分为两部分 如 图 1 1 所示 包括演进后的核心网 EPC 即图中的 MME S GW 和演进后的接入 网 E UTRAN 演进后的系统仅存在分组交换域 从整体上说 与 3GPP 既有系统类似 LTE 系统架构仍然分为两部分 如 图 1 1 所示 包括演进后的核心网 EPC 即图中的 MME S GW 和演进后的接 入网 E UTRAN 演进后的系统仅存在分组交换域 LTE 接入网仅由 eNode B evolved Nonde B 组成 提供到 UE 的 E UTRA 控 制面与用户面的协议终止点 eNode B 之间通过 X2 接口进行连接 并且在需要 通信的两个 eNode B 之间总是存在 X2 接口 如为了支持 LTE 激活状态下不同 12 eNode B 之间的切换 源 eNode B 与目标 eNode B 之间会存在 X2 接口 LTE 接 入网与核心网之间通过 S1 接口进行连接 S1 接口支持多对多连接方式 与 3G 系统的网络架构相比 接入网仅包括 eNode B 一种逻辑节点 网络架 构中的节点数量减少 网络架构更加趋于扁平化 这种扁平化的网络架构带来 的好处是降低了呼叫建立时延以及用户数据的传输时延 并且由于减少了逻辑 节点 也会带来 OPEX 与 CAPEX 的降低 如图 1 2 所示 由于 eNode B 与 MME S GW 之间具有灵活的连接 S1 flex UE 在移动过程中仍然可以驻留在相同的 MME S GW 上 这将有助于减少接口 信令交互数量以及 MME S GW 的处理负荷 当 MME S GW 与 eNode B 之间的 连接路径相当长或进行新的资源分配时 与 UE 连接的 MME S GW 也可能会改 变 eNode B 是 E UTRAN 侧的 S1 接入点 MME 或 S GW 是 EPC 侧的 Sl 接入 点 E UTRAN 与 EPC 之间可以具有多个 Sl 接入点 每一个 S1 接入点都应满足 S1 接口定义的需求 并满足 S1 接口所有的功能 13 定义 E UTRAN 架构及 E UTRAN 接口的工作主要遵循了以下基本原则 1 信令与数据传输在逻辑上是独立的 2 E UTRAN 与 EPC 在功能上是分开的 E UTRAN 与 EPC 的寻址方案与 传输功能的寻址方案不能绑定 3 RRC 连接的移动性管理完全由 E UTRAN 进行控制 使得核心网对于无 线资源的处理不可见 4 E UTRAN 接口上的功能应定义得尽量简化 选项应尽可能的少 5 多个逻辑节点可以在同一个物理网元上实现 6 Sl X2 接口是开放的逻辑接口 应满足不同厂家设备之间的互联互通 1 2 2 E UTRAN 与 EPC 的功能划分 如上节所述 LTE 系统架构包括 E UTRAN 与 EPC 其中 E UTRAN 即 无线部分 主要由 eNode B 组成 取消了 3G 中的 RNC EPC 则分为 MME 和 14 S GW 因此 LTE 的主要逻辑节点可以分为 eNode B MME 和 S GW 以下将 分别对每种逻辑节点进行阐述 eNode B 为无线接入节点 其功能主要包括 1 无线资源管理功能 无线承载控制 无线接入控制 连接移动性控制 UE 的上 下行动态资源分配 调度 2 IP 头压缩及用户数据流加密 3 UE 附着时的 MME 选择 4 路由用户面数据至服务网关 5 寻呼消息的组织和发送 由 MME 产生 6 广播信息的组织和发送 由 MME 或 O M 产生 7 以移动性或调度为目的的测量及测量报告配置 MME 处理控制平面功能 主要包括 1 非接入层 Non Access Stratum NAS 信令的处理 2 分发寻呼消息至 eNode B 3 接入层安全控制 4 移动性管理涉及核心网节点之间的信令控制 5 空闲状态移动性控制 6 SAE 承载控制 7 NAS 信令的加密与完整性保护 15 8 跟踪区列表管理 9 PDN GW 与 S GW 选择 10 向 2G 3G 切换时的 SGSN 选择 11 漫游 12 鉴权 S GW 处理用户平面功能 主要包括 1 终止因为寻呼产生的用户面数据 2 支持 UE 移动性的用户面切换 3 合法监听 4 分组数据的路由与转发 5 传输层分组数据的标记 6 运营商间计费的数据统计 7 用户计费 图 1 3 描述了逻辑节点 eNode B MME S GW 功能实体以及协议层之 间的关系以及功能划分 16 1 3 业务承载 1 3 1 移动通信市场需求现状和趋势 当前 语音业务仍然是移动通信业务收入的主要来源 但是非语音业务的 地位正日益提高 业务发展重点也在不断改变 最初几年 短信业务占据非语 音业务收入的主体地位 2005 年以后 3G 技术和设备逐渐成熟 网络覆盖和终 端性能都有了很大的提高 尤其是 2006 年 HSDPA 开始在全球规模商用 全面 提升了用户体验 大大推动了移动数据业务的发展 2007 年是 3G 业务市场的 转折点 伴随着 3G 增强型技术的普及和发展 3G 特色业务成为推动移动运营 商增加收入的主要驱动力 17 从移动数据收入在总收入中的占比历史数据可以看出 主流运营商的移动 数据业务收入比重都呈现上升趋势 这一趋势在 2006 年之后更加明显 而这些 运营商的 HSDPA 网络大多从 2006 年开始商用 移动数据业务的兴起带来了很多新应用和新市场 这些新的应用体现了用 户对业务和带宽的需求也在发生着变化 呈现出新的趋势 1 3 1 1 用户对业务的需求 1 3 1 1 1 趋势 1 移动互联网 在全球 LTE 融合的大趋势下 移动网与互联网的融合日趋明显 大量源自 互联网的业务被移植到移动互联网上 即时消息 博客 电子邮件等都已经在 移动互联网上获得了良好的应用 人们开始体会到移动互联网的方便和魅力 越来越期望通过无线网络获得与固定互联网同样的速率和体验 同时 互联网在人们的生活和工作中深入渗透 随时随地通过无线宽带接 入互联网的需求呈现出井喷的趋势 根据预测 未来 5 年 无线宽带上网将会 占据全部移动网络总流量的 56 成为占用网络带宽和容量最大的业务 1 3 1 1 2 趋势 2 生活化 工作化 目前移动增值业务中 娱乐类业务占主导 人们主要还是在闲暇的时候使 18 用移动业务来解闷 而随着业务和网络技术的发展 改善人们生活和工作的业 务将会越来越普及 这些业务在各类用户需求中都是最受欢迎的 全面覆盖用 户的各类需求 移动业务能够满足用户日常生活和工作的需要 为用户的生活带来了极大 的便利 只需携带一部多功能手机终端 用户即可畅行无阻 移动支付 移动 导航 远程医疗 移动办公 移动视频会议等 体现在人们生活和工作的方方 面面 1 3 1 1 3 趋势 3 视频化 作为一种最直观的内容表现形式 视频业务一直受到用户的推崇 但是 在网络发展初期 带宽的局限使得视频业务的发展举步维艰 3G 网络成为视频 业务飞速发展的催化剂 以视频作为表现形式的业务将越来越多 根据预测 未来手持终端中 视频类业务将会占据网络总流量的 28 成 为第二大流量业务 NTT DoCoMo 等国际先进的 3G 运营商的数据业务中 增长 最快的都是移动视频类业务 由于视频类业务对带宽的需求较高 也直接导致 了这些运营商对移动宽带技术的需求非常急迫 1 3 1 1 4 趋势 4 物联网 物联网的兴起和发展无疑将会开创出一个蓝海 用户从人 人通信到人 物 19 物 物通信的扩充 将会使移动运营商的市场饱和 瓶颈 出现重大转折 未来人 物 物 物之间的通信和信息联络将会对网络提出更大 更高的需求 也将推动 新一代宽带无线接入技术的发展和普及 也将成为未来业务发展一片广阔的蓝 海 我们所了解的互联网正在发生剧烈的改变 一开始 它只是一个局限在象 牙塔里的少数人的交流工具 之后 它变成了一个广泛商业化 以消费者为核 心的网络 现在 它要雄心勃勃地普及 与人互动并变得智能化 不光人与人 之间 在物与物之间 随时随地的实时交流都变得可能 1 3 1 2 用户对网络带宽的需求 在 3G 商用之前 用户基于 2G 网络 包括 GPRS EDGE CDMA lx 等增 强型技术 使用语音和中低速的数据业务 业务类型主要基于文字和图片类内 容 带宽都在 100kbit s 以内 这时 人们还没有移动宽带的体验 对业务的需 求也没有那么丰富和高要求 随着 3G 的发展和普及 人们开始体验到移动多媒体业务和移动互联网业务 而这些业务对网络带宽的需求则达到了 100 500kbit s 不等 3G 最大的作用就 是激发了人们对移动数据业务的需求 使人们从打电话 发短信 逐步发展到 用手机娱乐 并开始体验由此带来的生活和工作中的便利 如前所述 随着人们对移动数据业务需求的爆发 无线宽带上网 移动视 20 频 家庭和企业客户类业务将成为未来发展的主流业务 这些业务对无线网络 的带宽需求增长到 1Mbit s 以上 企业级别的高清视频会议等大带宽业务 更是 需要 8Mbit s 以上的带宽才能够满足 移动宽带的需求一下子变得日益紧迫 1 3 2 LTE FDD TD LTE 与 2G 3G 网络业务承载能力对比 用户对带宽的需求在不断地增长 推动无线网络不断演进和发展 有人会 问 即使按照发展趋势的要求 未来几年也仅需要 1Mbit s 的带宽就可以满足绝 大部分业务需求 3G 不是可以达到 2Mbit s 甚至十几 Mbit s 的速率吗 为什么 还要发展下一代宽带无线接入技术呢 这个问题属于无线通信技术共有的问题 3G LTE 乃至 4G 宣传和公布的 速率都是系统的峰值速率 而用户使用业务需要的是网络能够提供给每个用户 的平均速率 3G 的 HSPA 峰值速率可以达到 14 4Mbit s 而实际网络的单载波 平均吞吐量是 2 5Mbit s 而这 2 5Mbit s 也不是一个用户独享的 而是由本小区 的用户所共享 按照典型的网络配置和用户规模计算 平均每用户能够使用的 带宽是 200 300kbit s LTE 和 WiMAX 同样有峰值速率和实际平均速率问题 当然 不同的技术 设计 不同的算法 不同的频率配置 不同的网络环境等因素会影响平均吞吐 量 技术越先进 应该越接近峰值吞吐量 随着移动视频类业务的普及和发展 随着人们对无线宽带上网需求的日益 21 提升 用户数和用户的使用量必将快速增长 届时 就急需一个大带宽 高容 量的新型网络来提供支撑 通过研究多媒体业务对带宽的需求 我们发现 未来承载在 iPhone 等大屏 幕移动互联网终端上的高清视频业务 需要平均 800bit s 的网络速率才能够有较 好的用户体验 即使是移动数据卡和上网本的无线宽带互联网接入服务 用户 也期待能够达到至少 1 2Mbit s 的速率 而 3G 对于这些大容量带宽需求的业务 无法提供规模商用后的良好支撑 用户会感觉业务体验没有想象中的好 网络 容量和速率的压力巨大 因此 当 3G 开始快速发展的时候 很多传统的移动运 营商 特别是主流的移动运营商都在全力推动 LTE 的产业化 3G 对移动数据业务的发展起到了很好的推动作用 但是受限于网络承载能 力的局限性 大规模推动和普及移动多媒体业务和移动互联网业务 仅仅依靠 3G 是很难实现的 而 LTE 对于多媒体业务和移动互联网业务的良好承载 将掀 开无线宽带时代的真实篇章 1 3 3 移动宽带业务和应用的发展趋势 作为新一代宽带无线接入技术的主流技术 LTE 在网络能力和成本上都较 3G 有着明显的优势 通过前面的对比分析也可以看出 LTE 能够满足未来四 大趋势业务的需求 全面承载移动互联网 视频类 家庭和企业类以及物联网 类业务应用 22 与 3G 发展的阶段类似 受限于手持终端的丰富程度不足和功能性不强的问 题 以及网络覆盖不到位 LTE 需要逐步完善 从业务的发展来看 移动宽带 业务将会沿着不同的阶段逐步发展 1 LTE 在发展初期 由于网络覆盖还不到位 终端类型也以较容易实现 的 USB 数据卡 CPE 类终端为主 业务的发展将会以纯无线数据业务为主 满 足个人 家庭 企业客户的上网需求 无线宽带上网业务最能直接体现带宽和 速率提升 但同时也是对网络带宽占用最大的业务 从 NTT DoCoMo 等 3G 主 流运营商的业务发展可以看出 无线宽带上网是在初期发展最快的业务 2 LTE 在发展期阶段 网络覆盖开始扩大 终端也从单一的数据类终端 发展到推出移动智能手持终端 此时 将会为用户提供全方位的移动宽带服务 为家庭用户提供丰富的家庭类服务 包括高清视频 视频电话 家庭监控 远 程教育 娱乐等业务 为企业客户提供移动办公和行业类应用服务 包括移动 监控 移动视频会议等 此阶段为业务极大丰富的阶段 用户开始快速增长 3 LTE 大规模发展阶段 这个阶段应该算是 LTE 发展的成熟阶段 网络覆 盖基本到位 终端涵盖上网卡 CPE 智能手机 行业终端等各种类型 此时 将会全方位提供包括语音业务在内的各类型通信业务 成为业务承载的主导网 络 业务应用开始渗透到社会的各个角落 大大提高人们生活的便利性和效率 为社会信息化和经济的发展提供坚实的基础 23 第二章 TD LTE 关键技术 多址传输方式 多址传输技术是无线通信的基础 LTE 中采用 OFDM 调制作为其多址技 术 OFDM 技术的原理是将高速数据流通过串 并变换 分配到传输速率相对较 低的若干个相互正交的子信道中进行传输 由于每个子信道中的符号周期会相 对增加 因此可以减轻由无线信道的多径时延扩展所产生的时间弥散性对系统 造成的影响 同时 通过在 OFDM 符号之间插入保护间隔 令保护间隔大于无 线信道的最大时延扩展 可以最大限度地消除由于多径带来的符号间干扰 ISI 此外 在 LTE 中采用循环前缀作为保护间隔 可以避免由于多径带来的信道间 干扰 多址接入技术是用于基站与多个用户间在无线电信道中建立通信链路的一 种信号调制方式 多址接入方式决定了信号的生成 发送和接收形态 是整个 蜂窝系统中最为基础且最为核心的技术 多址接入技术的基本原理是利用为不 同用户发送信号特征上的差异来区分用户 它要求每个信号的特征彼此独立或 相关性尽可能小 使用户具有更好的可分性 依据信号在频时域的波形以及空 域的特征 多址技术可以分为频分多址 FDMA 时分多址 TDMA 码分多址 CDMA 和空分多址 SDMA 蜂窝移动通信系统中一般采用这 4 种方式之一或 混合方式 24 根据 3GPP LTE 协议规定 其下行方向采用基于循环前缀 Cyclic Prefix CP 的 OFDMA 上行方向采用基于循环前缀的单载波频分多址 SC FDMA Single Carrier Frequency Division Multiplexing Access 为了支持成对和不成对的频谱 LTE 支持频分双工 FDD 和时分双工 TDD 两种模式 根据 LTE 系统的上 下行传输方式的特点 无论是下行 OFDMA 还是上行 SC FDMA 都保证了使用不同频谱资源用户间的正交性 LTE 系统频域资源的 分配以正交子载波组资源块 RB Resource Block 为基本单位 由于可采用不同 的映射方式 子载波可以来自整个频带 也可以取自部分连续的子载波 2 1 1 OFDM 技术综述 OFDM 技术是将频率选择性宽带信道划分成若干重叠但是相互正交的非频 率选择性窄带信道 这就避免了需要利用保护带宽来分隔载波 因此使得 OFDM 系统具有较高的频谱利用率 也正因为 OFDM 子系统信道在接收机端能 完全分离 降低了接收机的实现复杂度 使得 OFDM 系统对于高速率的移动数 据传输有较大的适用性 例如 LTE 下行链路 但是 如果不使用信道编码 将传输信道划分为多个窄带子信道的优点并 不能对时变信道表现出健壮性 LTE 下行链路是将 OFDM 信道编码和 HARQ 技术结合起来克服发生在子信道上的深度衰落和干扰 LTE 在进行数据传输时 将上 下行时频域物理资源组成 RB 作为物理资 25 源单位进行调度与分配 一个 RB 在频域上包含 12 个连续的子载波 在时域上 包含 7 个连续的 OFDM 符号 在扩展 CP 情况下为 6 个 即频域宽度为 180kHz 时间长度为 0 5ms 2 1 2 LTE 协议中的下行多址技术 OFDMA OFDMA 是 OFDM 技术的演进 将 OFDM 扩展到多用户通信系统 如图 2 1 所示 在同一时间分配子载波给不同用户 这样做可使多个用户同时接收数据 使 OFDM 获得多用户分集增益 图 2 1 OFDM 发送机及接收机 OFDMA 技术主要有以下几点优势 1 频谱效率高 OFDMA 可以实现小区内各用户的正交 从而有效避免用户间干扰 实现很 高的系统容量 但是 虽然多载波系统在小区内部可以更直接地实现正交传输 26 但有可能带来更严重的小区间干扰 因此 其小区间多址问题将更严重 2 接收信号处理简单 降低了接收机的实现复杂度 对于 OFDM 多址的符号调制方式 数据并行地在多个子载波上进行传输 对于每个子载波 多径时延对传输数据造成的影响并不严重 采用简单的滤波 器就可以补偿信道传输带来的损失 所以 OFDM 系统可以极大地减少接收端的 复杂程度 3 带宽扩展性强 OFDM 系统由于信号带宽取决于使用的子载波数量和傅里叶变换的实现方 式 因此具有很好的带宽扩展性 而增大带宽后所带来的系统复杂度增加相对 不明显 因此 针对 LTE 向宽带化发展的趋势 OFDM 系统对于大带宽的有效 支持成为其相对于单载波技术 如 CDMA 的最大优势 4 抗多径衰落能力强 由于 OFDM 将宽带传输转化为很多子载波上的窄带传输 每个子载波上的 信道可以被看成平坦衰落信道 加上 CP 的插入 可以采用简单的单抽头频域均 衡纠正信道扭曲 从而大大降低结合均衡器带来的复杂度 5 频域调度与自适应 OFDMA 系统可以在不同的频带采用不同的调制编码方式 以更好地适应信 道的频率选择性 由于无线信道的 SINR 是随频率变化的 这种频率选择性随着 系统带宽的增加越加严重 对此 OFDM 系统可以将整个系统带宽分成若干个 27 小的频带 分别进行自适应调制和编码操作 从而在保证误码率的同时提高系 统吞吐量 另外 OFDM 的资源分配方式使其在频域资源划分的颗粒度更为精 细 并使得相关带宽内的传输数据与信道状态可以更好地匹配 可以让用户选 择信道条件更好的频域资源块进行数据发送 从而更有效地利用自适应技术提 升系统性能 同时 通过在频域上的多用户调度可以获得明显的多用户调度增 益 6 实现 MIMO 较简单 由于每个 OFDM 子载波内的信道可以看作平坦衰落信道 而平坦衰落信道 下可以实现更为简单的 MIMO 接收 因此 MIMO 系统带来的额外复杂度可以 控制在较低的水平 随天线数量呈线性增加 7 易于 MBMS 业务传输 多小区的 MBMS 业务可以为用户提供更有效的多媒体业务体验 是未来无 线通信系统中重要的业务 对于多小区 MBMS 业务 它采取不同地理位置的多 个基站同时发送相同的数据业务 在终端对信号进行合并接收方式 由于地理 位置不同 信号到达终端的时间不一致 接收信号的时延更为明显 通常情况 下可达几十微秒 因此 采用 OFDM 调制方式 可以克服多径时延带来的干扰 使得接收端实现更为简单 有效提高了 MBMS 业务的接收性能 28 2 1 3 LTE 协议中的上行多址技术 SC FDMA 与基站相比 终端设备对成本更加敏感 耗电问题也是需要考虑的重点 因此 LTE 的上行技术目前主要采用 SC FDMA 对 LTE 上行物理设计来说 单载波技术可以降低对终端功放的要求 提高功放效率 具体来说 是采用基 于频域生成的单载波方法 离散傅里叶变换扩展 OFDM DFT s OFDM 作为 其实现方法 通过在发射机的 IFFT 处理前对系统进行预扩展处理 其中最典型 的就是用离散傅里叶变换进行扩展 即 DFT s OFDM 技术 理论上 单载波的 FDMA 信号可以在频域或者时域产生 而这从功能上看 是等价的 但从带宽效率来看 时域滤波器的爬升滚降时间会有一定的损失 因此频域实现的方式效率更高 SC FDMA 的子载波映射分为两种方式 1 集中式 FDMA 每个终端用户分配一段连续的子载波 每个终端用户的带宽为系统带宽的 1 Q 假设有 Q 个用户 2 分布式 FDMA 每个终端用户分配一段不连续的子载波 每个终端用户的带宽扩展为整个 系统的带宽 LTE 最后确定仅采用集中映射的方式来实现 从实现的复杂度来看更简单 对于频率分集增益的获得 可以通过子帧内的跳频来实现 29 2 2 MIMO 与智能天线技术 MIMO 技术大致可以分为两类 发射 接收分集和空间复用 传统的多天线 被用来增加分集度从而克服信道衰落 具有相同信息的信号通过不同的路径被 发送出去 在接收机端可以获得数据符号多个独立衰落的复制品 从而获得更 高的接收可靠性 举例来说 在慢瑞利衰落信道中 使用 1 根发射天线和 n 根 接收天线 发送信号通过 n 条不同的路径到达接收机 如果各个天线之间的衰 落是独立的 可以获得最大的分集增益为 n 对于发射分集技术来说 同样是利 用多条路径的增益来提高系统的可靠性 智能天线技术也是通过不同的发射天 线来发送相同的数据 形成指向某些用户的赋形波束 从而有效地提高天线增 益 降低用户间的干扰 广义上来说 智能天线技术也可以算作一种天线分集 技术 2 2 1 发射分集 分集技术主要用于对抗衰落 提高链路的可靠性 分集技术需要接收端接 收到多个重复的发射信号 这些发射信号携带同样的信息 其衰落在统计上有 较低的相关性 分集的基本思想是 如果能够传输多个独立衰落的信号 从统 计意义上来说 合成信号的衰落比每一路信号衰落要降低很多 这是因为 在 独立衰落的假设下 当一些信号发生深衰落时 可能另一些信号的衰落较轻 各路信号同时发生深衰落的概率是很低的 从而发生信号深衰落的概率也大大 30 降低 也就是说 要获得分集增益 多个独立衰落信号的产生和多个独立信号 的合成是关键 一个合适的产生和合成方法将大大减轻合成信号的衰落 现代通信系统中 基站一般会装置多根天线 天线间距较大时 天线间的 衰落相关性是较低的 因此恰当地设计发送方式可以获得空间发射分集增益 为多天线传输设计的编码叫做空时 频 编码 空时编码还可以用于多天线接收来 对抗多径衰落 从而提高信道容量 发射分集主要是利用空间信道的弱相关性 结合时间 频率上的选择性 为 信号的传递提供更多的副本 提高信号传输的可靠性 从而改善接收信号的信 噪比 LTE 主要支持的传输分集包括空时 空频编码 循环延时分集以及天线切 换分集 2 2 2 预编码技术 预编码技术通过反馈的方式获取信道状态信息 从而可以通过一定的预处 理方式对各个数据流的功率 速率乃至发射方向进行优化 并有可能通过预处 理在发射机预先消除数据流之间的部分或全部干扰 以获得更好的性能 在预 编码系统中 发射机可以根据信道条件对发送信号的空间特性进行优化 使发 送信号的空间分布特性与信道条件相匹配 因此可以有效地降低对接收机算法 的依赖程度 预编码可以采用线性或非线性的方法 但由于复杂度等方面的原 因 在目前的无线通信系统中只考虑线性预编码 31 发射机可以通过上 下行信道之间的互易特性或通过 UE 反馈方式获取信道 状态信息 Channel State Information CSI 预编码系统根据所获得的 CSI 得 知信道所能支持的并行传输流数量 将有限的发射功率分配给能够有效传输的 数据流 从而避免发射功率的浪费 从理论角度来说 可以根据每个子信道的 传输能力 按照类似注水定理的原则对每个数据流的功率分配进行优化 提高 MIMO 链路的信道容量 同时可用自适应调制编码的方式使每个子信道的传输 速率最大化 根据所选的优化目标与具体的接收机检测算法的区别 预编码的理论设计 准则可以采用最小奇异值准则 均方误差准则 最大容量准则和最大似然准则 等 2 2 3 波束赋形 波束赋形 Beamforming BF 与线性预编码在操作上有很多相似之处 但是 其工作原理与预编码不同 预编码要求基站侧使用大间距的多根天线阵列 需 要匹配瞬时的衰落变化 而波束赋形是一种应用于小间距的天线阵列的多天线 传输技术 其主要原理是利用空间信道的强相关及波的干涉原理产生强方向性 的辐射方向图 使辐射方向图的主瓣自适应地指向用户来波方向 从而改善信 噪比 提高系统容量或覆盖范围 波束赋形通过调整天线阵列中的每个阵元产 生具有指向性的波束 从而获得明显的阵列增益 波束赋形的权值仅仅需要匹 32 配信道的慢变化 比如来波方向和平均路损 因此 在进行波束赋形时 可以 不利用终端来反馈所需信息 来波方向和路损信息可以在基站侧通过测量上行 接收信号获得 并且不需要上行使用多根天线进行数据发送 33 波束赋形技术可分为自适应波束赋形 固定波束赋形和切换波束赋形 固 定波束即天线的方向图是固定的 把基站中的 3 个 120 扇区分割即为固定波束 切换波束是对固定波束的扩展 将每个 120 的扇区再分为多个更小的分区 每 个分区有一固定波束 当用户在一扇区内移动时 切换波束机制可自动将波束 切换到包含最强信号的分区 但切换波束机制的致命弱点是不能区分理想信号 和干扰信号 自适应波束赋形器可依据用户信号在空间传播的不同路径 最佳 地形成方向图 在不同到达方向上给予不同的天线增益 实时地形成窄波束对 准用户信号 而在其他方向尽量压低旁瓣 采用指向性接收 从而提高系统的 容量 由于移动台的移动性以及散射环境 基站接收到的信号的到达方向是时 变的 使用自适应波束赋形器可以将频率相近但空间可分离的信号分离开 并 跟踪这些信号 调整天线阵的加权值 使天线阵的波束指向理想信号的方向 2 2 4 双流波束赋形 根据调度用户的情况不同 双流波束赋形技术可以分为单用户双流波束赋 形技术和多用户双流波束赋形技术 1 单用户 单用户双流波束赋形技术如图 2 2 所示 由基站测量上行信道 得到上行信 道状态信息后 基站根据上行信道信息计算两个赋形矢量 利用该赋形矢量对 要发射的两个数据流进行下行赋形 34 采用单用户双流波束赋形技术 使得单个用户在某一时刻可以进行两个数 据流传输 同时获得赋形增益和空间复用增益 可以获得比单流波束赋形技术 更大的传输速率 进而提高系统容量 图 2 2 单用户双流波束赋形 2 多用户 多用户双流波束赋形技术如图 2 3 所示 基站根据上行信道信息或者 UE 反 馈的结果进行多用户匹配 多用户匹配完成后 按照一定的准则生成波束赋形 矢量 利用得到的波束赋形矢量为每一个 UE 每一个流进行赋形 多用户双流波束赋形技术利用了智能天线的波束定向原理 实现多用户的 空分多址 图 2 3 多用户双流波束赋形 35 2 2 5 多用户 MIMO 1 下行多用户 MIMO 在多用户 MIMO 系统中 基站会采用相同的时频资源与多个用户同时通信 多用户 MIMO 技术利用多天线提供的空间自由度分离用户 各个用户可以占用 相同的时频资源 信号依赖发射端的信号处理算法抑制多用户之间的干扰 通 过时频资源复用方式有效地提高小区平均吞吐量 在小区负载较重时 通过简 单的多用户调度算法就可以获得显著的多用户分集增益 是获得系统容量的有 效手段 由于小间距天线能够形成有明确指向性的波束 因此多用户 MIMO 适 用于小间距 高相关天线系统 小间距天线形成的较宽的波束也保证了在信道 变化比较快时 分离各个用户的有效性 理论上 多用户 MIMO 的信道容量与广播信道的容量是一致的 一种可以 达到多用户 MIMO 的信道容量的算法为 DPC Dirty Paper Coding 算法 其核心 思想是当发射端已知干扰时 对干扰进行补偿 此时的信道容量和系统中没有 干扰时一样 对于多用户 MIMO 来说 其他用户发射信号造成的干扰在基站侧 是已知的 理论上也可以通过设计线性预编码抑制该干扰 无论是应用线性预 编码还是非线性预编码的 DPC 算法 发射端进行干扰抑制或者干扰补偿的一个 前提条件是必须获取基站到终端的信道状态信息 多用户 MIMO 系统中 接收端不仅接收到多天线基站发送给自己的经过信 道响应的信号 还有基站发送给其他终端的经过信道响应的信号 以及加性噪 36 声 后两项对于相应终端来说 都是干扰 对于多用户 MIMO 系统来说 一项 根本任务就是提高本用户信号接收可靠性的同时尽量减少其他用户的干扰 这 可以通过线性或者非线性算法来实现 2 上行虚拟 MIMO 虚拟 MIMO 技术通常用在上行传输中 主要原因是终端的天线数少于基站 的天线数 为了更加充分地利用上行信道的信道容量 R8 版本引入了虚拟 MIMO 传输方式 传统 MIMO 传输对于发送端来说是可控的 即可以选择发送的天线数和流 数 但是在虚拟 MIMO 中 终端只是单流天线传输 并没有意识到其他发送终 端的存在 但从接收端的角度看 是一个多发多收模式 由多个发送终端和基 站组成一个虚拟多发多收的 MIMO 系统 虚拟 MIMO 的本质是利用了来自不同 终端的多天线提高了空间的自由度 充分利用了潜在的信道 上行虚拟 MIMO 技术中 每个终端只有单个发送通道 多个终端可以组成 虚拟的上行 MU MIMO 传输 由于上行虚拟 MIMO 是多用户 MIMO 传输方式 每个终端的导频信号需要采用不同的正交导频序列以利于估计上行信道信息 对于单个终端而言 并不需要知道其他终端是否采用虚拟 MIMO 方式 只要根 据下行控制信令的指示 在所分配的时频资源中发送导频和数据信号 在基站 侧 由于知道所有终端的资源分配和导频信号序列 因此可以检测出多个终端 发送的信号信息 37 图 2 4 上行虚拟 MIMO 示意图 上行虚拟 MIMO 技术并不会增加终端发送的复杂度 但在基站端 需要完 成用户的选择配对和多用户的检测 在应用虚拟 MIMO 技术时 首先需要考虑 的因素是尽可能使得配对用户之间的干扰小一些 表现在信道上是互相正交的 同时两个用户的信噪比应该相当 便于获得更好的空间复用增益 2 3 调度技术 快速分组调度技术是在分组数据传输的基础上提供带宽分配和复用 它是 实现 LTE 系统频率分集和多用户分集增益的重要保证之一 LTE 的快速分组调 度技术包含调度算法和相关的信令支撑 为了更好地适应无线环境中带宽有限 用户移动性 信道的易错和误码的突发性等特点 提高无线系统性能 提出了 很多适合无线信道的高效分组调度算法 其中比较有代表性并在实际系统中采 用的有以下 3 种 1 Max CIR Max Carrier to Interference 最大载干比调度算法 是一种典型的利用 多用户分集效果 来实现最大化系统容量的调度算法 在小区所属用户中挑选信道质量最好的用户进行调度 可以最大化小区平均吞 38 吐量和频谱效率 但是不能保证公平性和业务的 QoS 要求 2 RR Round Robin 轮循算法 基于公平性的考虑 通过轮循的方式给每个用户以传输机会 保证小区内 的用户按照某种确定的顺序循环占用等时间的无线资源进行通信 但是 由于 小区中各用户链路情况参差不齐 公平调度会降低小区平均吞吐量和频谱效率 3 PF Proportional Fair 比例公平算法 PF 算法同时兼顾了用户公平性和小区吞吐率两个性能指标 尽量让具有高 传输速率的用户分配资源时具有高优先级 同时也通过平均速率调整来保证用 户的公平性 比较适合 Interactive 业务 使其响应时延控制在较小范围内 其小 区平均吞吐量和频谱效率也介于 Max CIR 和 RR 算法之间 LTE 系统配置高带宽时 在较大时延扩展的环境中 信道具有频选特性 在多用户调度中 通过调度算法为合适的用户分配合适的频带资源 可以提升 小区平均吞吐量和频谱效率 在实际网络中 一个好的资源调度算法是系统容量 小区边缘速率 用户 使用感受等多方面的折中 使用者可以根据网络发展的不同时期 业务发展情 况做及时 有效地调整 39 2 3 1 上行调度 上行调度位于 LTE 系统的 MAC 层 但是涉及 RRC 层的参数下发和配置过 程 以及物理层的信令和过程 上行调度特性主要解决在合适的时刻选择合适 的 UE 分配合适的资源的问题 需要在满足用户 QoS 的前提下 尽量利用信道 信息最大化系统吞吐量 同时要考虑用户差异化和公平性 保证小区覆盖 在上行链路上 E UTRAN 可以在每个 TTI 上通过用 UE 的 C RNTI 加扰的 PDCCH 为 UE 动态分配资源 PRB 和 MCS 当 UE 能够进行下行链路接收时 UE 的活动由 DRX 控制 为了得到可能分配给该 UE 的上行链路传输资源 UE 需要一直监视 PDCCH 此外 E UTRAN 可以为 UE 分配半静态上行链路资 源 该资源用于 HARQ 首次传输及可能进行的重传 1 RRC 定义半静态调度周期 2 PDCCH 指示上行链路调度是否为半静态资源 即 PDCCH 所指示的上行 链路资源是否可隐式用于所有半静态调度 TTI 其半静态调度间隔为 RRC 所定 义的半静态调度周期 在 UE 有半静态上行调度资源的子帧 如果 UE 没有发现其 C RNTI 加扰的 PDCCH UE 就使用为该 TTI 所配置的半静态资源进行上行链路传输 网络侧 在预定义的 PRB 上用预定义的 MCS 进行解码 否则 在 UE 有半静态上行调度 资源的子帧 如果 UE 检测到其 C RNTI 加扰的 PDCCH 那么 PDCCH 中所分 配的资源将会覆盖静态调度资源 UE 在新分配的资源上进行上行链路传输 40 不再在原来的半静态调度资源上进行上行链路传输 重传可以在半静态分配的 资源上进行 或者是在通过 PDCCH 显式分配的资源上进行 由于上行链路不支 持盲检 当 UE 没有足够的数据填充分配的资源时 采用 padding 模式 图 2 5 上行调度示意图 1 UE 通过 调度请求 申请上行传输 2 调度区不需要详细的资源调度区内容来分配初始资源 3 更详细的缓冲区状态报告后紧跟着进行数据传输 4 为每个 UE 分配上行链路 5 UE 在 RB 之间进行优先排序 6 在 3GPP 中 仍然保留开放性接口 2 3 2 下行调度 在下行链路上 E UTRAN 可以在每个 TTI 上通过用 UE 的 C RNTI 加扰的 PDCCH 为 UE 动态分配资源 当 UE 能够进行下行链路接收时 UE 的活动由 41 DRX 控制 为了得到可能分配给该 UE 的资源 UE 需要一直监视 PDCCH 另 外 E UTRAN 能够为 UE 的 HARQ 首次传输半静态分配下行资源 1 RRC 定义半静态调度下行授权的周期 2 PDCCH 指示了该下行授权是否是一个半静态授权 也即表明该授权是 否能隐式重用于后续的 TTI TTI 的周期由 RRC 确定 重传也可通过 PDCCH 显式指示 UE 在有半静态资源配置的子帧 如果 UE 没有检测到用自己的 C RNTI 加扰的 PDCCH UE 就会认为下行链路传输是 在半静态分配的资源上进行的 否则 如果 UE 在半静态分配的子帧上检测到用 其 C RNTI 加扰的 PDCCH PDCCH 中所分配的资源将会覆盖半静态分配的资 源 UE 不对半静态资源进行解码 图 2 6 下行调度示意图 1 基于下行参考符号 UE 提供信道质量报告 CQI 2 基于 QoS CQI 等进行 RB 资源调度分配 3 数据传输和资源分配同时进行 4 在 3GPP 中 仍然保留开放性接口 42 2 4 干扰抑制技术 子载波之间的正交特性是 OFDM 技术一个非常重要的特性 因为这会消除 小区内部的干扰 然而 移动网络实际的部署都是多小区环境 在这种情况下 小区之间的干扰 ICI 始终存在 而且对网络性能产生了严重的负面影响 更 加准确地讲 当相同的频率资源被相邻的小区复用时 基于 OFDM 技术的 LTE 系统就会产生干扰 举例说明 两个用户分别位于不同的小区内 但是他们同 时占用相同的频率资源块 这样那些被占用的频率资源块的信噪比会降到非常 低的程度 结果造成非常差的网络性能 为了解决这个问题 3GPP 在 LTE 技 术研究过程中分析了各种小区之间的干扰消除技术 目前有 3 种干扰消除技术 曾被广泛地讨论过 1 小区间干扰随机化算法 随机化算法的目的是对干扰信号进行随机化处理 2 小区间干扰消除算法 小区间干扰消除算法是通过限制 UE 超过门限的干扰电平的方法实现的 3 小区间干扰协调 ICIC 算法 小区间干扰协调算法通过协调约束各个小区的下行资源 包括时频资源及 功率等 的管理来消除干扰 频域上的干扰来自不同的小区之间 由于小区间的子载波资源在频域上是 重复使用的 而小区内部是频分正交的 因此消除小区间干扰是 LTE 的主要问 43 题 小区间干扰消除的方法主要有干扰随机化 干扰协调 干扰消除接收算法 功控等 各种方法的特点如下 干扰随机化 比如加扰 交织 跳频 干扰随机化虽不能降低干扰能量 但能使干扰类似噪声 接收端可通过处理增益进行干扰抑制 干扰消除 通过 DE 的多个天线对空间的有色干扰进行抑制 或者利用交织 多址 IDMA 进行对消 通常 LTE 中采用 IRC 干扰消除合并 与 SIC 串行干 扰消除 多天线接收 有效消除信号干扰 干扰协调 对小区边缘可用的时频资源做一定的限制 通过资源管理机制 时频分配或空间隔离 把邻小区信号分离 避免干扰产生 波束成形 通过空间隔离的干扰抑制方法 该方法可提高期望的信号强度 零陷对准干扰方向 由于小区间干扰随机化算法并没有真正地减少干扰 小区间干扰消除算法 只能消除主要的特定干扰源 所以重点分析小区间干扰协调算法 2 4 1 频率复用 由于 CDMA 采用信道编码和扩频技术 每个话务信道可以获得较大的内部 处理增益 从而可以有效地对邻小区干扰进行抑制 CDMA 系统处理增益使得 即使是小区边缘的用户也可以采用 N 1 的频率复用方式 即同频组网 而 LTE 空中接口没有使用扩频技术 信道编码技术所产生的处理增益相对较小 降低 44 了小区边缘的干扰消除能力 为了提高 LTE 系统容量 必须采取有效的频率复 用技术 所以 LTE 系统干扰协调的手段之一就是频率复用技术 好的频率复用 方式可以使 LTE 系统达到最佳性能 由于 TD LTE 系统的干扰是随着覆盖距离的增加而增加的 处于小区边缘 的用户干扰最为严重 因此 为了在提