3G LTE簡介

　　為了達到這些目標，無線接口和無線網絡架構的演進同樣重要?？紤]到需要提供比3G更高的數(shù)據(jù)速率，和未來可能分配的頻譜，LTE需要支持高于5MHz的傳輸帶寬。

　　E-UTRA和E-UTRAN要求

　　UTRA和UTRAN演進的目標，是建立一個能獲得高傳輸速率、低等待時間、基于包優(yōu)化的可演進的無線接入架構。3GPP LTE正在制定的無線接口和無線接入網架構演進技術主要包括如下內容：

　?。?）明顯增加峰值數(shù)據(jù)速率。如在20MHz帶寬上達到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）。

　　（2）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）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（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。

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

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

　?。?）支持進一步增強的MBMS。

　　上述演進目標涉及到系統(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，如與配置相關的要求、E-UTRAN架構和移植要求、無線資源管理要求、復雜性要求、成本相關要求和業(yè)務相關要求。

　　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500km/h的移動速率。在整個速率范圍內，R6中CS域的語音和其他實時業(yè)務在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

　　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）。
　?。?）TDD，上行下行都采用多載波時分同步CDMA（MC-TD-SCDMA）。
　　（5）TDD，上行下行都采用OFDMA。
　?。?）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計約束的全新層1結構，則有利于系統(tǒng)在設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，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雜性。

　　綜合上述因素，當然也經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技術在3GPP LTE中獲得了勝利。這一結果一方面出于純技術的考慮，即在下行鏈路采用頻譜效率很高的OFDMA作為調制方式，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，分別對應短CP和長CP。為了滿足數(shù)據(jù)傳輸延遲的要求（在輕負載情況下，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)的調制主要采用QPSK、16QAM和64QAM這3種方式。針對廣播業(yè)務，一種獨特的分層調制（hierarchical modulation）方式也考慮被采用。分層調制的思想是，在應用層將一個邏輯業(yè)務分成兩個數(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)務可以在網絡中根據(jù)信道條件的優(yōu)劣提供不同等級的服務。

　　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，在解碼復雜度上也略有減小。

　　MIMO技術在R7中已經被引入，是WCDMA增強的一個重要特性。而在LTE中，MIMO被認為是達到用戶平均吞吐量和頻譜效率要求的最佳技術。下行MIMO天線的基本配置是，在基站設兩個發(fā)射天線，在UE設兩個接收天線，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用，如下行控制信道和增強的廣播多播業(yè)務。

　　雖然宏分集技術在3G時代扮演了相當重要的角色，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和快速重傳來獲得增益，而放棄了宏分集這種需要網絡架構支持的技術。在2006年3月的RAN總會上，確認了E-UTRAN中不再包含RNC節(jié)點，因而，除廣播業(yè)務外，需要“中心節(jié)點”（如RNC）進行控制的宏分集技術在LTE中不再考慮。但是對于多小區(qū)的廣播業(yè)務，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UE天線的時刻都處于CP窗之內的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，然后插入零符號進行擴頻，擴頻信號再通過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帲瑑H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)送的信號進行聯(lián)合檢測。

　　基本物理層技術

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

　　對于下行的非MBMS業(yè)務，E-Node B調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何種資源及其對應的傳輸格式。調度器可以即時地從多個可選方案中選擇最好的復用策略，例如子載波資源的分配和復用。這種選擇資源塊和確定如何復用UE的靈活性，可以極大地影響可獲得的調度性能。調度和鏈路自適應以及HARQ的關系非常密切，因為這3者的操作是在一起進行的。決定如何分配和復用方式的依據(jù)包括以下一些：QoS參數(shù)、在E-Node B中準備調度的數(shù)據(jù)量、UE報告的信道質量指示（CQI）、UE能力、系統(tǒng)參數(shù)如帶寬和干擾水平，等等。

　　鏈路自適應即自適應調制編碼，可以在共享信道上應用不同的調制編碼方式適應不同的信道變化，獲得最大的傳輸效率。將編碼和調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制速率和編碼方式，應用于層2的協(xié)議數(shù)據(jù)單元，并映射到調度分配的資源塊上。上行鏈路自適應用于保證每個UE的最小傳輸性能，如數(shù)據(jù)速率、誤包率和響應時間，而獲得最大化的系統(tǒng)吞吐量。上行鏈路自適應可以結合自適應傳輸帶寬、功率控制和自適應調制編碼的應用，分別對頻率資源、干擾水平和頻譜效率這3個性能指標做出最佳調整。

　　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）和自動重復請求（ARQ）結合的差錯控制，即混合ARQ（HARQ）。HARQ應用增量冗余（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程接收的數(shù)據(jù)進行整理。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又可以分為自適應和非自適應兩種。目前來看，LTE傾向于采用自適應的、異步HARQ方案。

　　與CDMA不同，OFDMA無法通過擴頻方式消除小區(qū)間的干擾。為了提高頻譜效率，也不能簡單地采用如GSM中復用因子為3或7的頻率復用方式。因此，在LTE中，非常關注小區(qū)間干擾消減技術。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/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/避免則普遍采取一種在小區(qū)間以相互協(xié)調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

　　E-UTRAN與UTRAN架構完全不同，去掉了RNC這個網絡設備，只保留了Node B網元，目的是簡化網絡架構和降低時延。RNC功能被分散到了演進的Node B（E-Node B）和接入網關（aGW）中。目前并沒有說明aGW是位于E-UTRAN還是SAE（系統(tǒng)架構演進）中。但從LTE設計初衷來看，應該只采用由E-Node B構成的單層結構，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相關的部分用戶面和控制面的功能在LTE中定義。

　　E-UTRAN結構中包含了若干個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)議棧結構還是與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功能在網絡側被移到了aGW中?？刂泼鍾RC功能移入E-Node B中，并在網絡側終止于E-Node B。

　　與UTRAN相比，E-UTRAN在信道結構上做了很大的簡化，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)務提供數(shù)據(jù)承載，而單小區(qū)的廣播/多播業(yè)務數(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)。

　　結束語

　　除了對無線接入網演進的研究，3GPP還正在進行系統(tǒng)架構方面的演進工作，并將其定義為SAE。目前，一些發(fā)起并參與LTE/SAE標準制定和技術研究工作的3GPP成員，比如ALCATEL等設備廠商，正在積極研究和開發(fā)符合3G LTE/SAE技術標準的系統(tǒng)和設備，目標是在保證技術和系統(tǒng)性能領先的同時，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，以提供最優(yōu)的無線通信解決方案。