（通信與信息系統(tǒng)專業(yè)論文）lteadvanced中comp技術(shù)研究.pdf

摘要 摘要 l t e 是對3 g p pu m t s 的長期演進(jìn)，其物理層基于正交頻分復(fù)用( o f d m ) 和多輸入多輸出( m i m o ) 技術(shù)。l t e a d v a n c e d 是l t e 的進(jìn)一步演進(jìn)版本，在 l t e a d v a n c e d 中提出了改善小區(qū)邊緣用戶的性能的要求及相應(yīng)的技術(shù)，如中繼技 術(shù)( r e l a y ) 和多點協(xié)作技術(shù)( c o m p ) 。 本文簡要介紹了l t e 的系統(tǒng)構(gòu)架及基本技術(shù)，主要研究了多點協(xié)作( c o m p ) 相關(guān)技術(shù)，分析了c o m p 協(xié)作節(jié)點選擇的影響因素，并在此基礎(chǔ)上提出了一種基 于信號質(zhì)量、時延及負(fù)載信息的協(xié)作節(jié)點選擇算法；同時本文對l t e 系統(tǒng)中u u 接口及x 2 接口的信令進(jìn)行了研究，設(shè)計了支持c o m p 協(xié)作節(jié)點選擇的信令交互 流程；最后在m a t l a b 環(huán)境下進(jìn)行了系統(tǒng)級的仿真并給出了仿真結(jié)果，結(jié)果顯 示c o m p 可以有效提高邊緣用戶的性能。 關(guān)鍵詞：長期演進(jìn)l t e _ d v a n c e d 多點協(xié)作節(jié)點選擇 a b s t r a c t a b s t r a c t l t ei s 也el o n gt e n ne v 0 1 “o no ft h eu m t s n l ep h y s i cl a y e ro fl t ei sb a s e d o no f d ma 1 1 dm i m ot e c h i l o l o g ) ，l t e a d v a i l c e di st 1 1 em r t h e re v 0 1 u t i o no fl ，t e l t e a d v a n c e dm a k e sal o to ft e c h n i c a lr e q u i r e m e n t s o n eo ft h o s er e q u i r e m e n t si s i m p r o v i n gt h et l l r o u g h p u to fc e l le d g eu s e r s r e l a ya n dc o m pi si r l t r o d u c e dt os u p p o r t t m s i i lt 1 1 i sp a p e r ，t l l es y s t e ma r c l l i t e c t l l r ea n dt h eb a s i ct e c h n 0 1 0 9 yo fl t ea r e i n t r o d u c e df i r s t l y ；t h e nc o m pi sm a i l l l ys t l j d i e d ，t h ep 甜鋤e t e r so ft h ec o m po p e r a t i n g p o i n ts e l e c t i o na r ea l s os t u d i e d b a s e do nt h e s es t u d i e s ，a 1 1a l g o r i t h mo fc o m po p e r a t i n g p o i n ts e l e c t i o ni sp m p o s e d 1 1 1 i sa l g o r i t h mi sb a s e do nt h eq l l a l i t yo fs i 弘a l ，d e l a ya n d l o a di n f o 肌a t i o no ft h ec a n d i d a t ep o i n t t h e nt h es i g n a l i n gs u p p o r t i n gt h ec o m p o p e r a t i n gp o i n ts e l e c t i o ni sd e s i g n e d f i n a l l y ，t h ea l g o r i t h mi ss i m u l a r t e di n t a t l a b ， a 1 1 dt h es i m u l a t i o nr e s u l ti sp r o v i d e d 1 1 1 er e s u l ts h o w st h a tc o m pc 鋤i m p r o v et h e 恤o u g h p u to fc e l le d g eu s e r se 丘e c t i v e l y - k e y w o r d s ：3 g p pl t e l r e - a d v a n c e dc o m pn o d es e l e c t i o n 創(chuàng)新性聲明 本人聲明所呈交的論文是我個人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研 究成果。盡我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝中所羅列的內(nèi)容以外，論文 中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果；也不包含為獲得西安電子科技 大學(xué)或其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本 研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中做了明確的說明并表示了謝意。 申請學(xué)位論文與資料若有不實之處，本人承擔(dān)一切相關(guān)責(zé)任。 本人簽名：聾鴦盔 日期趔! ：! ! 經(jīng) 關(guān)于論文使用授權(quán)的說明 本人完全了解西安電子科技大學(xué)有關(guān)保留和使用學(xué)位論文的規(guī)定，即：研 究生在校攻讀學(xué)位期間論文工作的知識產(chǎn)權(quán)單位屬西安電子科技大學(xué)。本人保 證畢業(yè)離校后，發(fā)表論文或使用論文工作成果時署名單位仍然為西安電子科技 大學(xué)。學(xué)校有權(quán)保留送交論文的復(fù)印件，允許查閱和借閱論文；學(xué)?？梢怨?論文的全部或部分內(nèi)容，可以允許采用影印、縮印或其它復(fù)制手段保存論文。 ( 保密的論文在解密后遵守此規(guī)定) 本學(xué)位論文屬于保密，在一年解密后適用本授權(quán)書。 本人簽名： 導(dǎo)師簽名： 日期趁鯉! ! ：! 生 日期2 2 ! ：f ：! 生 第一章緒論 第一章緒論 1 1 研究背景及意義 隨著移動通信技術(shù)的發(fā)展，3 g ( 第三代移動通信) 已經(jīng)逐漸走進(jìn)人們的生活， 用戶越來越習(xí)慣隨處享用寬帶接入服務(wù)，移動寬帶技術(shù)將成為首選途徑。預(yù)計到 2 0 1 2 年，全球?qū)拵в脩艨倲?shù)將達(dá)到1 8 億，其中約三分之二為移動寬帶用戶，這 勢必對移動通信網(wǎng)絡(luò)提出更加苛刻的要求：更高的峰值速率和更低的時延，更高 的頻譜利用率和靈活性，以及更高的系統(tǒng)容量。因此，3 g p p 和3 g p p 2 在2 0 0 4 年底啟動了3 g 技術(shù)長期演進(jìn)( l t e ，l o n gt e me v o l u t i o n ) 的研究工作【h 】。 到2 0 0 8 年3 月，在l t e 標(biāo)準(zhǔn)化終于接近完成之際，一個在l 1 衛(wèi)基礎(chǔ)上繼續(xù) 演迸的項目l t e a d v a l l c e d 又在3 g p p 拉開了序幕。如果說l t e 可以被看作是 “準(zhǔn)4 g ”技術(shù)，l t e a d v a l l c e d 就是名正言順的“4 g 技術(shù)，因為該項工作的啟 動就是為了滿足i t u r 的i m t - a d v a n c e d 技術(shù)征集的需要。 2 0 0 8 年底，c o m p ( c o o r d i n a t e dm u l t i p l ep o i n tt m s m i s s i o na i l dr e c e p t i o n ) 一 一多點協(xié)作技術(shù)被引入l t e - a d v a n c e d 進(jìn)行討論并開始征集技術(shù)提案1 5 】。c o m p 技 術(shù)被認(rèn)為是提高和改善小區(qū)邊緣用戶性能的有效手段，因此，對c o m p 的研究有 著重要的意義。 1 23 g p pl 1 陋及l(fā) t e a d v a n c e d 概述 1 2 1l t e 的演進(jìn)目標(biāo) l t e 作為3 g 的演迸技術(shù)，在物理層技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、及無線接入技術(shù)上都 做出了較大改進(jìn)，是一個高數(shù)據(jù)速率、低時延和基于全分組的移動通信系統(tǒng)，l t e 的具體目標(biāo)【l 】主要有： l 、頻譜帶寬配置 實現(xiàn)靈活的頻譜帶寬配置，支持1 2 5 m h z 、1 6 m h z 、2 5 m h z 、5 m h z 、1 0 m h z 、 1 5 m h z 和2 0 m h z 的帶寬設(shè)置，從技術(shù)上保證3 g p pl t e 系統(tǒng)可以使用第三代移 動通信系統(tǒng)的頻譜。 2 、小區(qū)邊緣傳輸速率 提高小區(qū)邊緣傳輸速率，改善用戶在小區(qū)邊緣的體驗，增強(qiáng)3 g p pl t e 系統(tǒng) 的覆蓋性能，主要通過頻分多址和小區(qū)間干擾抑制技術(shù)實現(xiàn)。 l t e - a d v a n c e d 中c o m p 技術(shù)研究 3 、數(shù)據(jù)率和頻譜利用率 在數(shù)據(jù)率和頻譜利用率方面，實現(xiàn)下行峰值速率1 0 0 m b s ，上行峰值速率 5 0 m b s ：頻譜利用率為h s p a 的2 4 倍，用戶平均吞吐量為h s p a 的2 4 倍。為 保證3 g p pl t e 系統(tǒng)在頻譜利用率方面的技術(shù)優(yōu)勢，主要通過多天線技術(shù)、自適 應(yīng)調(diào)制與編碼和基于信道質(zhì)量的頻率選擇性調(diào)度實現(xiàn)。 4 、時延 提供低時延，使用戶平面內(nèi)部單向傳輸時延低于5 m s ，控制平面從睡眠狀態(tài) 到激活狀態(tài)的遷移時間低于5 0 m s ，從駐留狀態(tài)到激活狀態(tài)的遷移時間小于 1 0 0 m s ，以增強(qiáng)對實時業(yè)務(wù)的支持。 5 、多媒體廣播和多播業(yè)務(wù) 進(jìn)一步增強(qiáng)對多媒體廣播和多播業(yè)務(wù)的支持，滿足廣播業(yè)務(wù)、多播業(yè)務(wù)和單 播業(yè)務(wù)融合的需求，主要通過物理層幀結(jié)構(gòu)、層2 的信道結(jié)構(gòu)和高層無線資源管 理實現(xiàn)。 6 、全分組的包交換 取消電路交換，采用基于全分組的包交換，從而提高系統(tǒng)頻譜利用率。但是， 對i p 語音業(yè)務(wù)的支持與低時延目標(biāo)的實現(xiàn)導(dǎo)致了調(diào)度和層l 、層2 間信令設(shè)計上 的困難。 7 、共享 實現(xiàn)與第三代移動通信系統(tǒng)和其他通信系統(tǒng)的共存。 1 2 2l 1 e 物理層的傳輸技術(shù) 空中接口物理層傳輸技術(shù)是無線通信系統(tǒng)的基礎(chǔ)與標(biāo)志，l t e 系統(tǒng)的物理層 傳輸技術(shù)【6 罐】主要有以下幾種： l 、物理層上下行傳輸方案 l 1 e 中傳輸采用o f d m 技術(shù)；多址技術(shù)方面下行采用0 f d m a ，上行采用 基于o f d m 的單載波頻分多址( s c f d m a ) 。o f d m a 中一個傳輸符號包括m 個正交的子載波，實際傳輸中，這m 個正交的子載波是以并行方式進(jìn)行傳輸?shù)模?真正體現(xiàn)了多載波的概念。而對于s c f d m a 系統(tǒng)，其也使用m 個不同的正交子 載波，但這些子載波在傳輸中是以串行方式進(jìn)行的，正是基于這種方式，傳輸過 程中才降低了信號波形幅度上大的波動，避免帶外輻射，降低p a p r ( 峰平功率 比) 。 2 、編碼調(diào)制技術(shù) l t e 上行調(diào)制方式主要采用b p s k ，q p s k 和1 6 q 蝴；下行主要采用q p s k ， 1 6 q a m 和6 4 q a m 。上行采用b p s k 技術(shù)可以進(jìn)一步降低d f t s o f d m 的峰均 第一章緒論 比。此外，可以通過頻域濾波( s p e c t n 蛐s h a p i n g ) 、選擇性映射( s l m ) 、部分傳輸序 列( p t s ) 等技術(shù)進(jìn)一步降低系統(tǒng)峰均比。 在信道編碼方面，l t e 采用t u r b o 碼，t u r b o 編碼采用了一種并行級聯(lián)的結(jié) 構(gòu)，將卷積碼和隨機(jī)交織器巧妙地結(jié)合在一起，實現(xiàn)了隨機(jī)編碼的思想。譯碼采 用軟輸入軟輸出( s i s o ) 迭代譯碼算法，每個分量譯碼器都有三種不同類型的軟 輸入：信息比特、校驗信息、先驗信息。各分量譯碼器之間插入交織器，構(gòu)成迭 代譯碼結(jié)構(gòu)，使得譯碼器的輸出比特逼近最大似然。 3 、m i m o 技術(shù) 為了滿足l t e 在高數(shù)據(jù)率和大系統(tǒng)容量方面的要求，l t e 支持下行m i m o 技術(shù)?；镜膍 i m o 模型是下行2 2 ，最大支持4 天線進(jìn)行下行方向四層傳輸。 下行的m i m o 技術(shù)包括空間復(fù)用( 開環(huán)空間復(fù)用及下行預(yù)編碼技術(shù)) 、波束賦形 以及傳輸分集( 空時編碼、循環(huán)延時分集、天線切換分集) 。在低信噪比情況下， 應(yīng)用傳輸分集技術(shù)和波束賦形技術(shù)可以有效的提高接受信號的信噪比，從而提高 傳輸速率或者覆蓋范圍；在高信噪比條件下，可以利用空間復(fù)用技術(shù)來提高傳輸 速率。 l t e 系統(tǒng)中，上行m i m o 的基本天線配置為1 2 ，即一根發(fā)送天線和兩根 接收天線，鑒于u e 實現(xiàn)的復(fù)雜度，當(dāng)前階段上行只支持傳輸天線選擇和多用戶 m i m o 。 l 1 e 系統(tǒng)基于上述的關(guān)鍵技術(shù)，結(jié)合無線資源管理以及網(wǎng)絡(luò)的自配置和自優(yōu) 化技術(shù)以保證用戶的q o s 。 1 2 3 【t e a d v a n c e d 簡介 l 1 e a d v a i l c e d 作為l t e 的進(jìn)一步演進(jìn)版本，其的定位是在l t e 基礎(chǔ)上的平 滑演，所以它必須支持原l t e 的全部功能，并支持與l t e 的前后向兼容性。這樣， 就要求l t e a d v 鋤c e d 與l t e 在現(xiàn)有的部署場景下使用同一個技術(shù)平臺，只是在 某些l t e 沒有充分考慮的新場景中采用一些更加優(yōu)化的技術(shù)【9 】。 l t e 在傳統(tǒng)的宏蜂窩連續(xù)覆蓋下可以獲得令人滿意的性能，同時可以對高速 移動和多小區(qū)切換提供很強(qiáng)的支持。但是，隨著業(yè)界對移動互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展趨勢的理 解逐步加深，同時人們發(fā)現(xiàn)，對寬帶多媒體業(yè)務(wù)的需求主要來自室內(nèi)、低速及熱 點游牧場景。因此，l t e a d v a l l c e d 提出要增強(qiáng)室內(nèi)和熱點游牧場景的用戶體驗。 傳統(tǒng)的蜂窩技術(shù)“重室內(nèi)、輕室外 ，“重蜂窩組網(wǎng)、輕孤立熱點”，“重移動切換、 輕固定游牧”的觀念可能需要調(diào)整。 在系統(tǒng)帶寬方面，2 0 0 7 年的世界無線大會為l ，t e a d v a n c e d 劃分的潛在部署 頻段為：4 5 0 4 7 0 m h z 、6 9 8 8 6 2 m h z 、7 0 0 8 6 2 m h z 、2 3 2 4 g h z 、3 4 4 2 g h z 、 4 l t e a d v a n c e d 中c o m p 技術(shù)研究 4 4 4 9 9 g h z 等。l t e a d v a l l c e d 需要支持最小2 0 m h z ，最大1 0 0 m h z 的帶寬，由 于如此寬的連續(xù)頻譜幾乎無法找到，u e - a d v a n c e d 提出了多頻譜整合技術(shù)將多個 離散的頻譜聯(lián)合在一起使用。 在峰值速率方面，目前l(fā) 1 b a d v a n c e d 考慮的峰值速率為下行1 g b p s 、上行 5 0 0 m b p s ，該目標(biāo)在下行4 4 天線、上行2 2 天線配置下實現(xiàn)。 由于l t e 的大規(guī)模技術(shù)革新已經(jīng)將近2 0 年的學(xué)術(shù)界先進(jìn)的信號處理技術(shù) ( o f d m 、m i m o 、自適應(yīng)技術(shù)等) 消耗殆盡，l t e a d v a n c e d 的技術(shù)發(fā)展將更多 的集中在鼬洲技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)層的優(yōu)化方面。l t e a d v a n c e d 主要引入了一些新的技 術(shù)和概念：多頻段協(xié)同與頻譜整合、中繼( r e l a y ) 技術(shù)、分布式天線、基站間協(xié) 同以及家庭基站( h e n b ) ；同時對原有的多址技術(shù)、m i m o 技術(shù)、調(diào)制解調(diào)技術(shù) 以及小區(qū)間干擾抑制技術(shù)進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化；另外l t e a d v a n c e d 還加強(qiáng)了在自組 織網(wǎng)絡(luò)( s o n ) ，m b m s 方面的工作。 1 3c o m 技術(shù)及其研究現(xiàn)狀 c o m p 技術(shù)作為一項可以有效改善小區(qū)邊緣用戶服務(wù)性能的技術(shù)【1 0 】，自其被 提出以來，一直受到廣泛的關(guān)注和重點研究，3 g p p 凡蝌1 的每一次會議都會有相 當(dāng)數(shù)量的技術(shù)提案【m 16 1 。這些提案中，對c o m p 技術(shù)的研究主要集中在以下幾個 方面： l 、c o m p 的頻率分配 在頻率分配方面，主要有以下幾種策略：靜態(tài)的頻率分配，動態(tài)的頻率分配 以及半動態(tài)的頻率分配。靜態(tài)的頻率分配是在網(wǎng)絡(luò)部署時就對每個小區(qū)的頻率資 源進(jìn)行劃分，專門預(yù)留一部分頻率資源用于c o m p ：動態(tài)的頻率分配策略，這里 動態(tài)是通過兩個方面來體現(xiàn)的，首先每個小區(qū)為c o m p 預(yù)留的頻率資源處在什么 樣的頻段是不固定的，其次可供c o m p 使用的頻率資源的多少也是按照一定的準(zhǔn) 則動態(tài)調(diào)整的；半動態(tài)的分配方案，介于靜態(tài)與動態(tài)之間，首先在網(wǎng)絡(luò)部署時劃 出一塊頻率資源供c o m p 使用，但是這塊頻率資源會根據(jù)網(wǎng)絡(luò)及系統(tǒng)的變化進(jìn)行 自適應(yīng)的調(diào)整。 3 、c o m p 中的資源映射及參考信號的設(shè)計 這里的研究目前主要集中在參考信號的設(shè)計方面。參考信號用于u e 測量來 自e n b 的無線信號，是u e 進(jìn)行信道估計的依據(jù)。好的參考信號映射方案會給 u e 的信道估計和反饋帶來極大的方便，從而e n b 可以根據(jù)u e 的反饋選擇最優(yōu) 化的調(diào)制及編碼方式。 4 、c o m p 的分類 第一章緒論 對于c o m p 的分類，目前己基本形成了一些結(jié)論。c o m p 按照參與協(xié)作的節(jié) 點是否共享u e 數(shù)據(jù)可以分為兩類：協(xié)作調(diào)度和聯(lián)合處理；協(xié)作調(diào)度時用戶數(shù)據(jù) 只存在于u e 的隸屬節(jié)點，聯(lián)合處理時各協(xié)作節(jié)點共享u e 數(shù)據(jù)。其中協(xié)作調(diào)度 分為：干擾避免和聯(lián)合波束賦形；而聯(lián)合處理又分為聯(lián)合傳輸與動態(tài)小區(qū)選擇。 5 、c o m p 中u e 的反饋及信息交互 c o m p 中u e 的信息反饋是目前研究的一個熱點，主要包括信息的反饋方式 以及反饋的內(nèi)容。反饋信息主要是下行的信道信息，u e 的反饋方式主要有兩種： 顯式反饋和隱式反饋；顯式的反饋是直接反饋信道的狀態(tài)信息，隱式反饋是u e 端經(jīng)過適當(dāng)?shù)奶幚恚答伣oe n b 一個信道狀態(tài)指示c q i ( c h 鋤e lq u a l 時i n d i c a t o r 、 o 1 5 ) 。 目前，各公司對c o m p 技術(shù)的相關(guān)研究主要集中在以上幾個方面，本文主要 針對c o m p 協(xié)作節(jié)點的選擇算法、以及算法實現(xiàn)所必需的信令支持進(jìn)行深入研究。 1 4 本文研究的內(nèi)容及章節(jié)安排 第一章是緒論，介紹了本課題的研究背景和意義，概要地闡述了l t e 及 l ，t e a d v a n c e d 系統(tǒng)，并分析了c o m p 技術(shù)及其在l t e a d v a n c e d 系統(tǒng)中的定位。 第二章簡要介紹了l t e 的系統(tǒng)構(gòu)架、網(wǎng)元功能劃分，l 1 e 中的兩個主要接口 s 1 接口和勉接口；同時簡要介紹了l t e 下行幀結(jié)構(gòu)和下行物理鏈路。 第三章首先對c o m p 的一些基本知識進(jìn)行簡要介紹，主要分析了c o m p 協(xié)作 節(jié)點選擇的影響因素，提出一種基于信號質(zhì)量、時延及負(fù)載信息的c o m p 協(xié)作節(jié) 點選擇算法。并研究了u u 接口和x 2 接口有關(guān)信令，給出了支持c o m p 協(xié)作節(jié) 點選擇的信令交互方法。 第四章，在m a = r i ，a b 環(huán)境下進(jìn)行了系統(tǒng)仿真并給出了仿真結(jié)果，仿真結(jié)果 顯示c o m p 技術(shù)可以有效提高小區(qū)邊緣用戶的性能，本文所提的節(jié)點選擇算法可 以一定程度上實現(xiàn)小區(qū)之間的負(fù)載均衡。 第五章結(jié)束語，對全文進(jìn)行了總結(jié)，并提出了仍待解決的問題。 第二章l t e 系統(tǒng)構(gòu)架概述 7 第二章l t e 系統(tǒng)構(gòu)架概述 l t e 采用了扁平化的系統(tǒng)構(gòu)架，網(wǎng)絡(luò)功能的劃分相對于3 g 也有了較大變化， 本章將對這部分內(nèi)容進(jìn)行簡要介紹。 2 1u 1 e 系統(tǒng)架構(gòu)及網(wǎng)絡(luò)功能劃分 2 1 1l t e 系統(tǒng)構(gòu)架 u e 作為3 g 系統(tǒng)的演進(jìn)，其系統(tǒng)的總體架構(gòu)也進(jìn)行了相應(yīng)的調(diào)整。如下圖 2 1 所示，網(wǎng)絡(luò)的總體架構(gòu)由演迸型的核心網(wǎng)e p c ( 即圖中的m m e s g w ) 和演 進(jìn)型的接入網(wǎng)e u t r a n 構(gòu)成。e u t 黜氣n 僅由演進(jìn)型的節(jié)點b ( e v o l v e dn o d eb ， 姍) 組成，提供u e 到e u r r a 控制面和用戶面的協(xié)議終止點。e n b 之間通過 x 2 接口進(jìn)行連接，并且在需要通信的兩個不同e n b 之間總是存在x 2 接口。每 個e n b 又和演進(jìn)型的分組核心網(wǎng)( e v o l v e dp a c k e tc o r e n e 觚o r k ，e p c ) 通過s 1 接口相連。s 1 接口的用戶平面終止于服務(wù)網(wǎng)關(guān)( s e r y i n gg a t e w a y ，s g w ) 上， s 1 接口的控制平面終止于移動性管理實體( m 0 b i l i t ym a i l a g e n l e n te n t i t y ，啪) 上；控制平面和用戶平面的另一端終止于e n b 【6 】。 e n b 1 熬7 l e u ，r a n e n b j 圖2 1l t e 總體系統(tǒng)構(gòu)架 國節(jié)國繁 8 l t e - a d v a j l c e d 中c o m p 技術(shù)研究 2 1 2l 1 色接入網(wǎng)與核心網(wǎng)的功能劃分 l t e 的系統(tǒng)架構(gòu)較3 g 有所變化，所以其接入網(wǎng)與核心網(wǎng)之間的功能劃分也 有了相應(yīng)的變化。 l t e 接入網(wǎng)主要由e n b 構(gòu)成，e n b 是將3 g 系統(tǒng)中的b s 與r n c 功能整合在 一起后的一個網(wǎng)元，如下圖2 2 所示，其主要的功能有：無線資源管理，包括無 線承載控制、連接移動性控制、無線許可控制、上行和下行資源動態(tài)分配( 調(diào)度) ； 口頭壓縮和用戶數(shù)據(jù)流加密；當(dāng)從提供給u e 的信息無法獲知向m m e 的路由信 息時，選擇u e 附著的m m e ；用戶數(shù)據(jù)向s g w 的路由；從m m e 發(fā)出的尋呼消 息的調(diào)度和發(fā)送；從啪或o a m 發(fā)起的廣播信息的調(diào)度和發(fā)送；用于移動性 和調(diào)動的測量與測量結(jié)果上報配置。 e u t r a n ! e p c l m e m e t l 圖2 2e u t r a n 和e p c 的功能劃分 l t e 的核心網(wǎng)主要由移動性管理實體m m e 和服務(wù)網(wǎng)關(guān)s g w 兩部分組成， m m e 的主要功能集中在控制平面，而s g w 主要功能集中在用戶平面。m m e 主 要功能有：尋呼消息的分發(fā)，將尋呼消息按照一定的原則分發(fā)到相關(guān)的e n b ；安 全控制；空閑狀態(tài)的移動性管理；s a e 承載控制；非接入層信令的加密及完整性 第二章l t e 系統(tǒng)構(gòu)架概述 9 保護(hù)。s g w 的主要功能有：終止由于尋呼原因產(chǎn)生的用戶平面數(shù)據(jù)包；支持由 于u e 移動產(chǎn)生的用戶平面切換。 2 2e u t r a n 的接口 如圖2 1 所示，e u t 小的網(wǎng)絡(luò)接口主要有s 1 接口和x 2 接口，它們的通用協(xié) 議棧模型如下圖2 3 所示【17 1 。該協(xié)議棧模型繼承了3 g p pu m t s 系統(tǒng)中u t 凡鈄 網(wǎng)絡(luò)接口的定義原則，即控制平面與用戶平面相分離，無線網(wǎng)絡(luò)層與傳輸網(wǎng)絡(luò)層 相分離。 無 控制平面用戶平面 線 網(wǎng) 絡(luò) 應(yīng)用協(xié)議 層 jlj l l 傳 傳輸網(wǎng)絡(luò)層 傳輸網(wǎng)絡(luò)層 輸 控制平面 用戶平面 網(wǎng) 絡(luò) 層 信令承載 信令承載 vt 物理層 j 圖2 3e u 1 r i 認(rèn)n 接口的協(xié)議模型 本節(jié)將基于上述模型，對s 1 接口和x 2 接口各自的協(xié)議棧及主要功能進(jìn)行簡 要介紹。 2 2 1s 1 接口 s 1 接口是e n b 與m m e s g w 之間的接口，是3 g 系統(tǒng)中的i u 接口的演進(jìn)版 本。s 1 接口去除了i u 接口中的c s 域而只保留其p s 域，故l t e 核心網(wǎng)只支持分 組交換1 引。 1 、s 1 接口用戶平面 s l 接口用戶平面( s 1 u p ) 提供e n b 到s g w 之間的用戶數(shù)據(jù)傳輸功能。其 協(xié)議棧如下圖2 4 所示。s 1 u p 傳輸網(wǎng)絡(luò)層基于i p 傳輸，u d p i p 之上采用g p r s 用戶平面隧道協(xié)議g t p u ( g p r st u 岫e l i n gp r o t o c o lf o ru s e rp l a n e ) 傳輸s g w 與e n b 之間的用戶平面p d u 。 1 0 l ，t e a d v a n c e d 中c o m p 技術(shù)研究 2 、s 1 接口控制平面 s 1 接口控制平面的協(xié)議棧模型如下圖2 4 所示，控制平面類似于用戶平面也 是基于i p 傳輸，在i p 之上采用流控制傳輸協(xié)議s c t p ( s n 鋤i n gc o n t r o lt r a n s p o r t p r o t o c 0 1 ) ，為無線網(wǎng)絡(luò)層信令提供可靠的傳輸。s 1 a p 為s 1 接口無線網(wǎng)絡(luò)層信令 協(xié)議。 l 用戶平面p d u 3 g t p u u d p i p 數(shù)據(jù)鏈路層 物理層 s 1 a p i s c t p i p 數(shù)據(jù)鏈路層 物理層 s l 接口用戶平面s 1 接口控制平面 圖2 4s 1 接口協(xié)議棧模型 s 1 接口作為e n b 到e p c 的接口，其主要功能有：s a e 承載服務(wù)管理；s 1 接 口u e 上下文管理；l t ea c t i v e 狀態(tài)下u e 的移動性管理( 切換) ；s l 接口的 尋呼；n a s 信令傳輸；s 1 接口管理( 錯誤指示、s 1 接口建立等) ；網(wǎng)絡(luò)共享；漫 游及區(qū)域限制支持；n a s 節(jié)點選擇功能；初始的上下文建立過程；需要注意的是， s 1 接口的無線網(wǎng)絡(luò)層不提供流量控制和擁塞控制功能。 2 2 2x 2 接口 如圖2 1 所示，x 2 接口是e u t 凡蝌中e n b 與e n b 之間的接口，其協(xié)議棧 模型與s 1 接口類似，如下圖2 5 所耐例。 1 、x 2 接口的用戶平面 x 2 接口的用戶平面提供e n b 之間的用戶數(shù)據(jù)傳輸功能。x 2 u p 的傳輸網(wǎng)絡(luò) 層與s 1 接口類似，也是基于i p 傳輸，u d p i p 之上采用g t p u 來傳輸e n b 之間 的用戶面p d u 。這里的e n b 之間的分組傳輸主要是在用戶切換時保證分組由源 e n b 向目標(biāo)e n b 的傳送，以滿足用戶移動性的要求。 2 、x 2 接口控制平面 x 2 接口控制面協(xié)議棧如圖2 5 所示，可以看出，勉接口協(xié)議棧與s 1 接口的 協(xié)議棧保持很高的一致性，這主要是為了簡化網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計。x 2 接口的控制平面?zhèn)?第二章l t e 系統(tǒng)構(gòu)架概述 輸網(wǎng)絡(luò)層也是基于i p 和s c t p ；應(yīng)用層信令協(xié)議采用x 2 a p 。 更高協(xié)議層 ? g t p u u d p i p v 4a n ( 1 o r i p v 6 d a t al i n kl a y e r d a t al i n kl a y e r x 2 a p i s c t p i p d a t a l i l l l ( 1 a y e r d a t al i l l l ( 1 a y e r x 2 接口用戶平面x 2 接口控制平面 圖2 5x 2 接口協(xié)議棧模型 x 2 應(yīng)用層協(xié)議的主要功能有：支持l t ea c t i v e 狀態(tài)下u e 在l t e 接入系 統(tǒng)內(nèi)的移動性管理功能，主要體現(xiàn)在切換過程中由源e n b 到目標(biāo)e n b 的上下文 傳輸以及源e n b 與目標(biāo)e n b 之間用戶平面隧道的控制；多小區(qū)之間的無線資源 管理功能；x 2 接口自身的管理功能，如錯誤指示等。 2 3l 1 陋的幀結(jié)構(gòu) 目前，3 g p p 為l t e 定義了兩種類型的幀結(jié)構(gòu)：一型幀結(jié)構(gòu)，也稱為通用幀 結(jié)構(gòu)，用于f d d 和t d d 模式；二型幀結(jié)構(gòu)，或稱為可選幀結(jié)構(gòu)，只用于t d d 模式【2 們。 2 3 1 一型幀結(jié)構(gòu) 一型幀結(jié)構(gòu)如下圖2 6 所示。一個1 0 m s 的無線幀( r a d i of r a m e ) 包括1 0 個 子幀( s u b 行鋤e ) ，一個子幀由兩個相鄰的時隙( s l o t ) 構(gòu)成，每個時隙的長都為 o 5 m s 。每個子幀都可以作為上行或者下行子幀用于傳輸。另外，在每個無線幀的 第一和第六個時隙處包含同步信息。 圖中，疋= 1 ( 1 5 0 0 0 2 0 4 8 ) j 為物理層規(guī)范中定義的時間單位，各種域的大小 都表示為z 的倍數(shù)。對于f d d 方式，每1 0 m s 中都有1 0 個子幀可用于上行傳輸， 并且有1 0 個子幀可用于下行傳輸，上下行傳輸在頻域上進(jìn)行區(qū)分。 1 2 l 丁e a d v a n c e d 中c o m p 技術(shù)研究 1 無線幀 乃= 3 0 7 2 0 0 i = 1 0 朋s 1 時隙。= 1 5 3 6 0 c = 0 5 腳 ： 匝 工】 工衛(wèi)臣匾 囹 1 子幀 _ 。+ 叫 圖2 6 一型幀結(jié)構(gòu) 2 3 2 二型幀結(jié)構(gòu) 二型幀結(jié)構(gòu)僅適用于t d d 模式。一個1 0 m s 的無線幀分為兩個5 m s 的半幀， 每一個半幀由8 個常規(guī)時隙和d w p t s 、g p 和u p p t s 三個特殊時隙構(gòu)成。1 個常 規(guī)時隙為o 5 m s ，d w p t s 、g p 和u p p t s 的時間長度是可配置的，并且要求三者 的總長度等于1 m s 。如下圖2 7 所示。子幀1 包含d w p t s 、g p 和u p p t s ，子幀 6 在特定的配置情況下包含d w p t s 、g p 及u p p t s ，其余子幀都由兩個相鄰的時 隙構(gòu)成。 囊半幀1 5 3 o 呸 7 ； ii b 引贏、：i ：- l 子巾耒撐。子峨撐2予巾貞 3子幀撐4子恢拌5子巾貞撐7予帳拌8子驚f 9 i3 0 7 2 0 疋 廠1廠f、 d w p t sg pu p p t s d w p t sg pu p p t s 圖2 。7 二型幀結(jié)構(gòu) 2 4l t e 下行物理鏈路 2 4 1 時隙結(jié)構(gòu)和資源柵格 一個時隙中傳輸?shù)男盘柨梢杂脗€資源柵格來描述，其大小為塞等子 載波和= 。各o f d m 符號，如圖2 。8 所示2 1 1 。囂的大小取決于小區(qū)中下行傳 輸帶寬的配置，并滿足6 署1 1 0 。一個時隙中的o f d m 符號個數(shù)取決于系統(tǒng) 循環(huán)前綴c p 和子載波間隔，如下表2 1 所示。 第二章l t e 系統(tǒng)構(gòu)架概述 表2 1 下行資源塊參數(shù)選擇 ，脫 配置 n 詈 o m 6 一型幀結(jié)構(gòu)二型幀結(jié)構(gòu) 常規(guī)c p矽= 1 5 拋79 1 2 y = 1 5 拋 68 擴(kuò)展c p j ：= 1 s k h z 2 434 如下圖2 8 ，在資源柵格中，每一個基本的元素稱為資源粒子( r e ，r e s o u r c e s e i e m e n t ) 。一個時隙中的l 迮用( k ，1 ) 來標(biāo)記，k 和1 分別表示頻域和時域上的取 值，每一個r e 對應(yīng)一個復(fù)數(shù)值吼j 。 一個下行時隙 乃礬 口 品三b 個o f d m 符號 爆 鋱 牛 筆 - 個r e ，互o 圖2 8 下行資源柵格 資源塊用于描述物理信道到資源粒子的映射，系統(tǒng)定義了兩種資源塊：物理 資源塊和虛擬資源塊。一個物理資源塊( p r b ，p h y s i c a lr e s o u r c e sb 1 0 c k ) 定義為 1 4 l t e - a d v a n c e d 中c o m p 技術(shù)研究 時域上連續(xù)= 。個o f d m 符號，頻域上連續(xù)磐個子載波。一個p r b 包含 等? 個資源粒子，相當(dāng)于時域長度為一個時隙，頻域上頻帶寬度為1 8 0 m z 。 虛擬資源塊的大小和物理資源塊相同，系統(tǒng)定義了分布式傳輸和集中式傳輸 兩種類型的虛擬資源塊。集中式傳輸?shù)奶摂M資源塊直接對應(yīng)到物理資源塊；分布 式傳輸?shù)奶摂M資源塊按照一定的算法映射到物理資源塊上。 2 4 2 下行鏈路的信道 下行鏈路的物理信道對應(yīng)一組基本的資源粒子l 毪，r e 傳送來自上層的信息。 下行鏈路定義了以下的下行物理信道：物理廣播信道( p b c h ) 、物理多播信道 ( p m c h ) 、物理控制格式指示信道( p c f i c h ) 、物理下行控制信道( p d c c h ) 、 物理h a r q 指示信道( p h i c h ) 和物理下行共享信道( p d s c h ) 。其中p d s c h 用于下行的數(shù)據(jù)傳輸，其余下行物理信道用于下行的廣播及控制信息的傳輸。針 對各下行物理信道的功能，系統(tǒng)采用了不同的調(diào)制方式，如下表2 2 所示。 表2 2 物理信道的調(diào)制方式 物理信道調(diào)制方式 p d s c h 、p m c h q p s 列16 q a m 6 4 q a m p c f i c h 、p d c c h q p s k p h i c hb p s k 物理層提供到m a c 或者更高層的信息傳輸服務(wù)，物理層的傳輸服務(wù)就是向 上層提供一種傳輸?shù)姆椒ê蛡鬏數(shù)墓ぞ摺鬏斝诺朗俏锢韺雍蚼 a c 子層之間的 服務(wù)接入點( s e r v i c ea c c e s sp o i n t ，s a p ) 。下行的傳輸信道包括：廣播信道 ( b r o a d c a s tc h 鋤e l ，b c h ) 、下行共享信道( d o m l i n l ( s h a r e dc h 鋤e 1 ，d l s c h ) 、 尋呼信道( p a g i n gc h a j l n e l ，p c h ) 和多播信道( m u l t i c a s tc h 鋤e l ，m c h ) 。 下行控制信令位于r b 開始的刀( 櫛3 ) 個o f d m 符號，其主要內(nèi)容有：資 源配置、傳輸格式以及與d l s c h 和p c h 有關(guān)的h a r q 信息；上行調(diào)度授權(quán)信 息；響應(yīng)上行傳輸?shù)腶 c l 呵a k 信息。 系統(tǒng)規(guī)定了下行傳輸信道與物理信道以及下行控制信息與物理信道之間的映 射關(guān)系，如下表2 3 、2 4 所示。 表2 3 下行控制信息與物理信道映射 控制信息物理信道 控制格式指示( c o n t r 0 1f o m a ti n d i c a t o r ，c f i ) p c f i c h h a r q 指示( h a r qi n d i c a t o r ，h i ) p h i c h 下行控制信息( d o w n l i n kc o n t r o li n f o n n a t i o n ，d c i ) p d c c h 第二章l t e 系統(tǒng)構(gòu)架概述 表2 4 下行傳輸信道與物理信道映射 傳輸信道物理信道 下行共享信道( d l s c h ) p d s c h 廣播信道( b c h ) p b c h 尋呼信道( p c h )p d s c h 多播信道( m c h )p m c h 2 6 本章小結(jié) 本章首先介紹了l 1 e 系統(tǒng)的總體架構(gòu)及網(wǎng)元功能的劃分，l t e 采用扁平化的 系統(tǒng)構(gòu)架，分為核心網(wǎng)e p c 和接入網(wǎng)e u t 凡；然后簡單介紹了l t e 系統(tǒng)中兩 個主要接口：e p c 與e n b 之間的s l 接口和e n b 與e n b 之間的x 2 接口，并給出 了兩個接口的協(xié)議棧模型及主要功能；接著對l t e 的下行物理鏈路的幀結(jié)構(gòu)、下 行資源柵格進(jìn)行簡要介紹；最后介紹了l t e 系統(tǒng)定義的下行物理信道和下行傳輸 信道，并給出了兩者之間的映射關(guān)系，為后續(xù)的研究提供了必需的理論依據(jù)。 第三章c o m p 概述及協(xié)作節(jié)點選擇算法研究 1 7 第三章c o m p 概述及協(xié)作節(jié)點選擇算法研究 3 1c o 技術(shù)概述 l t e 系統(tǒng)中曾提出了提高小區(qū)邊緣用戶性能的需求，主要是通過小區(qū)間干擾 抑制技術(shù)來實現(xiàn)，但是經(jīng)過大量討論，3 g p p 決定在l t e 系統(tǒng)中不采用小區(qū)間的 干擾抑制和避免技術(shù)。在后續(xù)的l t e a d v a n c e d 中又明確了提高小區(qū)邊緣用戶性 能的需求，并提出了相應(yīng)的技術(shù)，如r e l a y 和c o m p 等。 l t e a d v a n c e d 系統(tǒng)中，多點協(xié)作技術(shù)c o m p 被認(rèn)為可以擴(kuò)大高數(shù)據(jù)率的覆蓋 范圍，提高小區(qū)邊緣乃至整個系統(tǒng)的吞吐量【l0 。c o m p 技術(shù)通過各節(jié)點之間共享 d a t a c s i ( c h a n n e ls t a t u si n f o 冊a t i o n ，信道狀態(tài)信息) 信息，實現(xiàn)由多個節(jié)點協(xié) 同為用戶提供服務(wù)【1 3 】。c o m p 分為下行的多點傳輸和上行的多點接收。目前對 c o m p 的研究主要集中于下行多點傳輸。 3 1 1 下行c o 技術(shù) 下行的多點傳輸技術(shù)是通過位置不同的多個傳輸點之間的動態(tài)協(xié)作處理為目 標(biāo)u e 提供服務(wù)的。下行c o m p 主要包括協(xié)作調(diào)度波束賦形和聯(lián)合處理傳輸。 協(xié)作調(diào)度波束賦形：參與c o m p 操作的各節(jié)點共享c s i 信息，用戶d a t a 只 存在于該用戶的服務(wù)e n b 。通過在各傳輸點之間進(jìn)行協(xié)作調(diào)度或者波束賦形以降 低各傳輸點覆蓋重疊區(qū)域的用戶間干擾。從本質(zhì)上說，這種方式屬于干擾避免或 干擾協(xié)調(diào)，以減小干擾的方式提高用戶的接收信號質(zhì)量，進(jìn)而提高其數(shù)據(jù)速率等 各項性能，如下圖3 1 所示。 a 協(xié)作調(diào)度 b 協(xié)作波束賦形 圖3 1 協(xié)作調(diào)度波束賦形 1 8 l t e a d v a n c e d 中c o m p 技術(shù)研究 上圖3 1 中，兩個用戶u e l 和u e 2 位于e n b l 與e n b 2 覆蓋的重疊區(qū)域，其 中u e l 隸屬于e n b l ，u e 2 隸屬于e n b 2 。為用戶提供服務(wù)時，當(dāng)e n b l 為u e l 分配的頻率資源與e n b 2 為u e 2 分配的頻率資源相同或相近時，u e l 和u e 2 之 間就會出現(xiàn)相互干擾。這時就需要在e n b l 與e n b 2 之間進(jìn)行協(xié)調(diào)，即協(xié)作調(diào)度 波束賦形，從而減少上述兩個用戶之間的干擾，保證其服務(wù)質(zhì)量。 如圖3 1 a 所示，通過e n b 2 的調(diào)度，將原先分給u e 2 的頻率資源分配給不 會引起干擾的u e 3 ，而給u e 2 重新分配另外的頻率資源，從而大大減小了u e l 與u e 2 之間的相互干擾。而協(xié)作波束賦形是各e n b 為用戶提供服務(wù)時，使用單 一的方向性波束，以減小多用戶之間的干擾。如上圖3 1 b 所示。當(dāng)然，將波束賦 形與協(xié)作調(diào)度結(jié)合使用會達(dá)到更好的效果。 聯(lián)合處理傳輸：c s i 信息和用戶數(shù)據(jù)在各傳輸點( 參與c o m p 操作的節(jié)點) 之間共享，在進(jìn)行c o m p 操作時，各傳輸點按一定的準(zhǔn)則向用戶發(fā)送數(shù)據(jù)。具體 分為以下兩種方式： 聯(lián)合傳輸：各個傳輸點同時向用戶發(fā)送數(shù)據(jù)，采用相干或非相干的傳輸 方式，各傳輸點對u e 可以是透明或非透明的。 動態(tài)小區(qū)選擇：同一時間只有一個傳輸點在向用戶發(fā)送數(shù)據(jù)，但是某時 間段內(nèi)由哪一個傳輸點為用戶服務(wù)是動態(tài)調(diào)整的，傳輸點對于用戶可以 是透明或者非透明的。這里透明是指用戶完全了解所有傳輸點的信息。 如下圖3 2 所示，e n b l 、e n b 2 、e n b 3 為隸屬于e n b l 的用戶u e l 提供c o m p 服務(wù)，e n b 2 和e n b 3 為隸屬于e n b 2 的用戶u e 2 提供c o m p 服務(wù)。在傳輸點確 定之后，用戶的隸屬e n b 可以選擇采用聯(lián)合傳輸或者動態(tài)小區(qū)選擇來為用戶進(jìn)行 c o m p 操作。聯(lián)合傳輸可以實現(xiàn)用戶數(shù)據(jù)速率的最大化，而其頻譜效率要比動態(tài) 小區(qū)選擇略低，所以e n b 應(yīng)該根據(jù)需要適當(dāng)?shù)倪x擇協(xié)作方式。 圖3 2c o m p 聯(lián)合處理示意圖 第三章c o m p 概述及協(xié)作節(jié)點選擇算法研究 1 9 下行的多點協(xié)作是在c o m p 協(xié)作節(jié)點之間進(jìn)行協(xié)調(diào)調(diào)度和處理，以提高位于 小區(qū)邊緣的用戶性能。這里既要支持不同小區(qū)( c e l l ) 之間的協(xié)作也要支持不同 e n b 之間的協(xié)作。要實現(xiàn)不同e n b 之間的協(xié)作，e n b 之間的信息交互就是必需的， 這樣就會對原有的無線接口規(guī)范產(chǎn)生一定影響： u e 的反饋測量機(jī)制：各傳輸點到u e 的動態(tài)信道信息的報告，該報告有 助于參與c o m p 操作的傳輸點集合的確定和調(diào)整，同時也用于傳輸過程 中預(yù)編碼和調(diào)制方式的選擇。 預(yù)處理策略：c o m p 操作需要在各傳輸點進(jìn)行聯(lián)合傳輸之前完成預(yù)處理 操作，并且通過下行控制信道將傳輸策略及傳輸方式等通知u e 。 參考信號設(shè)計：為了支持c o m p 操作，可能需要新增一些參考信號的設(shè) 計和映射規(guī)范。 3 1 2c o 口集合 在l t er 8 版本中，將某u e 的隸屬e n b 稱為該u e 的s e i n ge n b 。引入c o m p 之后，用戶的s e i n ge n b 定義為在整個c o m p 過程中與該用戶保持p d c c h ( p h y s i c a ld o w l l l o a dc o n t r o lc h 猢e l ，物理下行控制信道) 連接的e n b ，并且該 節(jié)點是唯一的。進(jìn)行c o m p 操作時，d 利c s i 需要在各節(jié)點之間共享，這將大大 增加系統(tǒng)控制信息的開銷和操作的復(fù)雜性。為了降低這種復(fù)雜性和減少控制信息 的開銷，應(yīng)該限制參與c o m p 操作節(jié)點數(shù)量，這里引入了集合或者簇的概念，即 為某u e 提供c o m p 操作的節(jié)點構(gòu)成一個特定的集合( 簇) ，c o m p 操作所必須的 c s i d a t a 信息的共享和調(diào)度都是基于這個集合進(jìn)行的。按照c o m p 操作的不同階 段，有以下幾種形式的集合( 簇) ： 候選集( c o m pc a n d i d a t e ss e t ) ：可能參與c o m p 操作的節(jié)點集合，該集合中 的節(jié)點有可能參與到c