LTE技术目标

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       近些年来,移动用户对高速率的数据业务的需求.促使了移动通信系统的发展。同时,新型无线宽带接入系统,例如WiMAX的出现,给3G系统的设备商和运营商造成了很大的压力。于是,3GPP首先做出积极的反应,于2004年底启动了长期演进(LTE:LongTermEvolution)项目,以确保UMTS(Universal Mobile Telecommunication System)技术的“长期竞争力”。这项技术名为“演进”,实则是一场技术“革命”。该标准以正交频分复用(OFDM:Orthogonal Frequency Division Multiplexing)为基础,引入了若干新技术,使得3G演进系统能够提供数倍于3G系统的峰值速率。经历了四年的技术研发后,终于在2008年年底完成了LTE规范的制定。3GPP2于2005年初启动了空中接口演进(AIE:AirInter face Evolution)项目,但其工作进展不利。
       与此同时,关于4G移动通信标准的制定也已展开。2007年底,国际电信联盟(ITU)给第四代蜂窝移动(4G)通信系统分配了无线频段,并给第四代蜂窝移动通信系统取名为IMT-Advanced。2009年10月20日,ITU共收到6个技术提案作为未来4G的候选技术。在6个技术提案中最受关注的两个提案是3GPP组织提交的LTE-Advanced提案和IEEE组织提交的802.16m。由于有大量移动运营商和设备厂商的支持,又有广泛布设的GSM/WCDMA/HSPA系统作为基础,目前LTE-Advanced被普遍看作是最有前途的IMT-Ad-vanced技术提案。
下面简单介绍一下LTE和LTE-Advanced的技术目标和关键技术。
长期演进

1.第三代移动通信系统的长期演进(LTE)

       3GLTE重点考虑的方面包括降低传输时延、提高用户数据速率、增大系统容量和覆盖范围以及降低运营成本等。其需求指标主要包括:灵活支持1.25~20MHz可变带宽;峰值数据率达到上行50Mbit/s,T行100Mbit/s,频谱效率达到3GPPR6的2〜4倍;提高小区边缘用户的数据传输速率;用户面延迟(单向)小于5ms,控制面延迟小于100ms;支持与现有3GPP和非3GPP系统的互操作;支持增强型的多媒体广播和组播业务(MBMS);降低建网成本,实现从R6的低成本演进;实现合理的终端复杂度、成本和耗电;支持增强的IMS和核心网;追求后向兼容,但应该仔细考虑性能改进和后向兼容之间的平衡;取消CS(电路交换)域,CS域业务在PS(包交换)域实现,如采用VoIP;优化低速移动用户性能,同时支持高速移动;以尽可能相似的技术支持成对和非成对频段;尽可能支持简单的临频共存。 
在这里简单介绍一下LTE物理层方面的关键技术和网络架构方面的改进。
(1)关键技术
多址技术
       LTE选择OFDMA作为下行多址技术。OFDMA是指以OFDM技术为基础.以二维时频格为资源单元,通过给用户分配不同的载波组作为多址接入的方式。在上行多址技术的选择上长期存在两种观点。大部分厂商考虑上行应用多载波OFDMA时带来的较高的峰均比(PAPR,PeakAveragePowerRate)会影响手持终端的功放成本和电池寿命,主张采用具有较低PAPR的SC(单载波)-FDMA技术。另一些公司(主要是积极参与WiMAX标准化的公司)建议在上行也釆用多载波的OFDMA技术,并用一些增强技术解决PAPR的问题。经过激烈的讨论和艰苦的融合,LTE最终选择了SC-FDMA作为上行多址技术。
多天线技术
多天线技术
(a) 下行MIMO
       下行MIMO的基本配置是2X2,支持4天线基站。
       采用的传输技术主要包括空分复用(SDM,Spatial Division Multiplexing)%预编码(Pre-coding)、波束赋形(Beamforming)及开环发射分集(主要用于控制信令的传输),其中发射分集方案包括空时/空频块码(STBC/SFBC:Space-Time/Space-FrequencyBlockCode)、循环位移分集(CDD:Cyclic Delay Diversity),天线切换分集及其相互组合等。
       SDM可以分为多码字SDM和单码字SDM(单码字可以看作多码字的特例)。在多码字SDM中,多个码流可以独立进行信道编码和CRC校验,也可以独立进行链路自适应(PARC:Per-AntennaRateControl),对于SDM,LTE既支持开环方式的空间复用,也支持闭环方式的空间复用,即预编码技术,其通过对发射矢量乘以适当的预编码矩阵从而进一步提高用户吞吐量。预编码矩阵可以基于非码本方式,也可以基于码本方式。
       根据TR25.814的定义,如果复用的数据流都发给一个UE,则称为单用户(SU)-MI-MO,如果是发给多个UE,则称为多用户(MU)-MIMOo
(b) 上行MIMO
      上行MIMO的基本配置是1X2天线。即便是双天线UE也只有一套射频发射系统,但可以采用天线选择技术。
      上行MIMO还釆用一种特殊的MU-MIMO技术,即虚拟的MIMO技术。此项技术可以动态地将两个单天线发送的UE配对,进行虚拟的MIMO发送,这样2个具有较好正交性信道的UE可以共享相同的时/频资源,从而提高上行系统的容量。但需要UE发送相互正交的参考符号,以支持MIMO信道估计。
链路自适应
      链路自适应的核心技术是自适应调制和编码(AMC,AdaptiveModulationandCoding)oLTE对下行AMC技术的争论主要集中在是否对一个用户的不同频率资源块釆用不同的AMC(RB-specificAMC)。理论上说,由于频率选择性衰落的影响,这样做可以比在所有频率资源上采用相同的AMC配置(RB-common AMC)取得更佳的性能。但大部分公司在仿真中发现这种方法带来的增益并不明显,反而会带来额外的信令开销,因此最终决定采用RB-commonAMC。也就是说,对每用户的单个数据流,在一个TTI内,每个来自层2的协议数据单元(PDU:ProtocolDataUnit)只采用一种调制编码组合(MCS),但对于SDM的不同流之间可以采用不同的MCS。上行链路自适应比下行包含更多的内容,除了AMC外,还包括传输带宽的自适应调整和发射功率的自适应调整。
宏分集
        下行宏分集,即多个基站对用户发送相同的信息但传输形式可以不同,用户接收合并来自不同路径的信号从而获得分集增益。由于存在难以解决的“同步问题”,对单播(Unicast)业务不采用宏分集。在提供多小区广播(Broadcast)业务时,可以通过采用较大的循环前缀(CP:CyclicPrefix)来解决小区之间的同步问题,从而使宏分集方案得以采用。而上行宏分集是指UE发送的上行信号被多个eNodeB接收到进行选择性合并或软合并,其基础是软切换,这种CDMA系统的典型技术,但需要一个中心节点(如RNC)来进行控制和合并,与扁平化的网络结构目标相背,因而没有被釆用。
上行MIMO
MBMS
      LTE的多媒体广播和组播业务(MBMS)系统可以釆用两种方法实现:多小区发送和单小区发送。对于单小区发送,MBMS业务信道映射到下行共享信道(DL-SCH:DLShared DataChannel);对于多小区发送,多个同步的小区在同一个频率上共同发送MBMS信号,因此也成为单频网(SFN:Single Frequency Network),这时帧结构需要釆用长CP,UE只需按照接收单播信号的方法接收即可。
功率控制
       由于在小区内不存在CDMA系统中的“用户间干扰”,3GLTE系统可以在每个子频带内分别进行“慢功控”。但在上行,如果对小区边缘用户进行完全的功控,可能导致增加小区间干扰的问题。因此目前正在考虑对边缘用户只“部分”的补偿路损和阴影衰落,从而避免产生较强的小区干扰,以获得的更大的系统容量。当考虑对其他小区干扰时,小区边缘UE的“目标信号干扰噪声比(SINR:SignaltoInterferenceNoiseRatio)"需要定得比小区中心UE的“目标SINR”小,当然同时要考虑UE之间的公平性问题。
同步
        除了考虑基本的UE和eNodeB之间的同步外,基于OFDM的LTE系统还需要考虑另外两种同步操作:一是上行同步(又称时间控制),即为了保证上行多用户之间的正交性,要求各用户的信号同时到达eNodeB,误差在CP以内,因此需要根据用户距eNodeB远近调整它们的发射时间;另一个是eNodeB之间的同步,这可以使MBMS业务获得更好的性能。但3GPP系统传统上不像3GPP2系统那样依靠外部时钟(如GPS)取得同步,因此除了考虑釆用外部时钟提供系统同步外,还需要eNodeB借助小区内各UE的报告和相邻eNo-deB作同步校准,使全系统逐步和参考基站取得同步。
小区间干扰抑制
       LTE要实现频率复用因子为1,不可避免地在小区边缘就会产生较强的干扰。主要讨论了干扰随机化、干扰消除和干扰协调等手段来进行干扰抑制。干扰随机化是将小区间的干扰随机化为白噪声,因此又称为干扰白化。主要考虑采用小区加扰来实现干扰随机化,该方法可以取得最基本的小区间干扰抑制效果。
       干扰消除技术可以将干扰小区的信号解调、解码,然后复制、减去来自该小区的干扰。以基于IDMA(Interleaved Division MultipleAccess)的干扰消除技术为例,可以通过伪随机交织器产生不同的交织图案,并分配给不同的小区。接收机釆用不同的交织图案解交织, 
       就可以将目标信号和干扰信号分别解出,然后进行干扰消除。但由于这一技术对LTE系统的其他方面提出了更高的要求,最终并没有被LTE所釆用。
       干扰协调是对下行资源管理设置一定的限制,以协调多个小区的操作。主要釆用软频率复用的方法,即在小区中心的用户可釆用全部的频率资源。而在小区边缘的用户可按一定的规则采用部分的频率资源,从而避免强干扰。虽然最初仿真显示干扰协调可以显著提高小区边缘性能,但随着研究的深入,在实际系统场景下的仿真表明性能增益并不大。因而最终只在上行釆用基于高干扰指示和过载指示信息的干扰协调方式。

(2)网络架构

        为了达到低系统时延要求的目的,LTE对3GPPR6的网络架构进行了较大的改进,仅由E-UTRAN基站(eNodeB)和接入网关(aGW,accessGateWay)组成。相对于R6中给出的网络结构最突出的两点变化是:①没有了RNC。空中接口的用户平面和控制平面的功能由eNodeB进行管理和控制。少了一层节点,用户面的数据传送和无线资源的控制变得更加快速;②aGW承担了接入网用户数据的分组数据汇聚子层的功能,也承担了部分核心网功能,从整体网络结构的角度看,接入网和核心网的界限开始变得模糊。
       图10.32给出了LTE的网络架构,其中eNodeB(eNB)之间底层采用IP传输,构成Mesh型网络。这样的网络结构设计,主要用于支持UE在整个网络内的移动性,保证用户的无缝切换。而每个eNodeB均是通过Mesh或部分Mesh型的连接形式与接入网关(aGW)连接。一个eNodeB可以和多个aGW互联,反之亦然。
LTE网络架构
图10.32   LTE网络架构

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