3gpp長(zhǎng)期演進(jìn)lte技術(shù)原理與系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、第 5 章LTE 無(wú)線(xiàn)傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)一個(gè)無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)的成形，固然取決于選擇合適的空中接口傳輸技術(shù)，但系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)也同樣重要。第 4 章介紹的 LTE 傳輸技術(shù)為 LTE 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的性能提供了潛在的能力，但這距離要形成一個(gè)完整的 LTE 傳輸系統(tǒng)還相去甚遠(yuǎn)。要將眾多的集成在一起，形成一個(gè)有機(jī)的架構(gòu)，使各種技術(shù)協(xié)同工作，相得益彰，充分發(fā)揮它們的性能優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)一個(gè)高效、均衡、經(jīng)濟(jì)、可以實(shí)現(xiàn)高性能而又簡(jiǎn)潔實(shí)用的系統(tǒng)，仍需要依賴(lài)縝密細(xì)致的系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作。LTE 采用的OFDM、MIMO 等先進(jìn)的傳輸技術(shù)為系統(tǒng)提供了大量的時(shí)域、頻域、空域，但如何用好這些、管好這些，則需要幀結(jié)構(gòu)、參數(shù)設(shè)計(jì)和分配技術(shù)的支持。要

2、想適應(yīng)多徑無(wú)線(xiàn)信道的變化，保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸，則需要依靠精巧實(shí)用的參考信號(hào)設(shè)計(jì)。而要實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)和終端之間的默契配合、步調(diào)一致，則離不開(kāi)高效、完善的控制信令設(shè)計(jì)。本章將針對(duì)這些重要的系統(tǒng)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)進(jìn)行介紹，幫助讀者建立起對(duì) LTE 空中接口系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的基本認(rèn)識(shí)。的選擇和系統(tǒng)設(shè)計(jì)分別在第 4、5 章介紹，但并不意味著需要說(shuō)明的是，雖然技術(shù)的選擇過(guò)程和系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程是截然、先后進(jìn)行的。相反，它們是兩個(gè)密不可分的過(guò)程。很多從理論分析上雖然具有很好的先進(jìn)性，但在實(shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)中卻難以看到預(yù)期的性能增益。例如，那些帶來(lái)大量信令開(kāi)銷(xiāo)和軟硬件復(fù)雜度的技術(shù)，即使理論上性能優(yōu)異，在實(shí)際標(biāo)準(zhǔn)化中也經(jīng)常被棄用。因此，標(biāo)

3、準(zhǔn)化中的篩選和系統(tǒng)設(shè)計(jì)不是孤立進(jìn)行的，也不可能先完成技術(shù)篩選，再進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，而往往是技術(shù)選擇和系統(tǒng)設(shè)計(jì)交互進(jìn)行、相互影響的。也就是說(shuō)，評(píng)估、選擇每一項(xiàng)技術(shù)，都必須放在一個(gè)完整的系統(tǒng)中去，而不能孤立地去評(píng)判。只有那些適合這個(gè)系統(tǒng)、服務(wù)于這個(gè)系統(tǒng)、可以很好地提升整體系統(tǒng)性能的技術(shù)，才是對(duì)這個(gè)系統(tǒng)有價(jià)值的技術(shù)，最終才會(huì)被選用。E-UTRA 系統(tǒng)的特點(diǎn)是除了系統(tǒng)信息、物理層信令、尋呼、MBMS 等以外，所有單播數(shù)據(jù)均通過(guò)共享信道傳送，共享信道也是功能最全的信道。因此這里可以以共享信道為例，說(shuō)明 E-UTRA 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，其他廣播、控制、尋呼、多播等信道可以看作是共享信道的簡(jiǎn)化， 只實(shí)現(xiàn)共享信道的一部

4、分功能。E-UTRA 下行共享信道（DL-SCH）的物理模型如圖 5-1 所示5-92。這個(gè)模型集中體現(xiàn)了E-UTRA 的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、物理層的功能和數(shù)據(jù)處理流程。eNode B 端的信號(hào)處理流程包括 CRC 處理（如 4.8.5 節(jié)所述）、信道編碼和速率匹配（如 4.8 節(jié)所述）、交織、調(diào)制（如 4.7 節(jié)所述）、資源（Resource Mapping，如 5.4.1 節(jié)所述）和天線(xiàn)（Antenna Mapping，如 4.5 節(jié)所述）等；UE 端的信號(hào)處理流程包括天線(xiàn)逆Antenna Demapping）Resource Demapping）、逆解調(diào)、解交織、和 CRC 校驗(yàn)等。DL-SCH

5、具有最完全的功能，支持多層 SU-MIMO 傳輸、MAC 層調(diào)度和HARQ（如 6.2 節(jié)所述）等各種功能。系統(tǒng)可以根據(jù)反饋的信道狀態(tài)信息（CSI）等，通過(guò) MAC 層調(diào)度，動(dòng)態(tài)配置 eNode B 發(fā)射信號(hào)的調(diào)制編碼方式、和天線(xiàn)方式。基于 UE 反饋的 ACK/NACK 信息，eNode B 可以進(jìn)行HARQ 重傳。同時(shí)，HARQ 操作也通過(guò)冗 207 余版本（RV）控制信道編碼冗余比特的產(chǎn)生。在這個(gè)模型中，上層協(xié)議可以對(duì)編碼與速率匹配、和天線(xiàn)進(jìn)行靈活的配置，從而獲得 DL-SCH 的最大容量。調(diào)制、圖 5-1 下行共享信道（DL-SCH）物理模型上行共享信道（UL-SCH）的物理模型如圖

6、5-2 所示。UL-SCH 包含的功能和 DL-SCH 相比略有不同。首先，R8 LTE 暫不支持上行 SU-MIMO，只支持開(kāi)環(huán)的天線(xiàn)選擇，因此 UE 不需要支持天線(xiàn)功能。但是LTE 上行支持 MU-MIMO 操作，因此兩個(gè) UE 可以配對(duì)進(jìn)行MU-MIMO 傳輸，這種情況下，eNode B 需要支持天線(xiàn)逆，以正確接收兩個(gè) UE 的 MU-MIMO 信號(hào)。其次，由于LTE 上行采用同步 HARQ，重傳的信息是固定的，因此 UE 也不需要在上行傳送HARQ 信息。第 5 章 LTE 無(wú)線(xiàn)傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖 5-2 上行共享信道（UL-SCH）物理模型根據(jù) DL-SCH 和 UL-SCH 的物理模型

7、，就可以理解第 4、5、6 章介紹的部分系統(tǒng)設(shè)計(jì)是如何相互配合、形成一個(gè)有機(jī)的整體的。和用于承載 MBMS 業(yè)務(wù)的多播信道（MCH）可以看做 DL-SCH 信道的一種簡(jiǎn)化（其物理模型如圖5-3 所示），雖然仍然可以支持多層 MIMO 操作，但由于原則上沒(méi)有上行反饋，因此只能進(jìn)行開(kāi)環(huán)的 MIMO 操作。另外，由于 MBMS 系統(tǒng)是一個(gè)沒(méi)有上行反饋的系統(tǒng)，因此不必要也無(wú)法對(duì)調(diào)制、和天線(xiàn)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，只需進(jìn)行半靜態(tài)（semi-static）的配置。同樣，由于缺乏上行反饋，MCH 也不可能支持HARQ 操作，因此編碼和速率匹配也不需要通過(guò)上層協(xié)議配置。圖 5-3 多播信道（MCH）物理模型可以以尋呼信

8、道（PCH）為例說(shuō)明某些控制信道的物理功能。如圖 5-4 所示，PCH 仍然圖 5-4 尋呼信道（PCH）物理模型可以通過(guò) MAC 層調(diào)度來(lái)選擇調(diào)制方式、分配、進(jìn)行天線(xiàn)。但這樣的信道通常要求有較高的可靠性，對(duì)頻率效率的要求不高，因此不采用多層 MIMO 傳輸。另外，這一類(lèi)信道通常也不采用 HARQ 操作，不支持 RV 的控制。廣播信道（BCH）對(duì)可靠性的要求最高（其物理模型如圖 5-5 所示），因此其支持的物理層功能反而最少。BCH 總是采取最可靠的調(diào)制（僅使用 QPSK）、編碼和多天線(xiàn)分集物理層配置是完全靜態(tài)的，因此不需要支持任何自適應(yīng)功能。，第 5 章 LTE 無(wú)線(xiàn)傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖 5-5

9、廣播信道（BCH）物理模型從上面幾種信道的物理模型可以看到，只有將各種在一起，才能形成一個(gè)完整的系統(tǒng)，提供各種所需的功能。根據(jù)不同的需要有機(jī)地結(jié)合5.1幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)幀結(jié)構(gòu)（Frame Structure，F(xiàn)S）定義了系統(tǒng)最基本的傳輸時(shí)序，是整個(gè)空中接口系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，幾乎所有的傳輸技術(shù)參數(shù)設(shè)計(jì)、分配和物理過(guò)程設(shè)計(jì)，都基于這個(gè)基本時(shí)序結(jié)構(gòu)。在幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，可以采用兩種思路。一種思路是設(shè)計(jì)一個(gè)帶有特殊時(shí)隙的幀結(jié)構(gòu)， 即在正常長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)時(shí)隙之外專(zhuān)門(mén)為公共控制信道分配特殊長(zhǎng)度的時(shí)隙。另一種思路是設(shè)計(jì)一個(gè)包含完全等長(zhǎng)時(shí)隙的幀結(jié)構(gòu)。帶有特殊時(shí)隙的幀結(jié)構(gòu)（例如 WiMAX 幀結(jié)構(gòu)和TD-SCDMA 幀結(jié)構(gòu)）已

10、經(jīng)將控制信道的部分設(shè)計(jì)思想融合其中，因此可以在標(biāo)準(zhǔn)化伊始很快地形成公共控制信道的基本架構(gòu)，有利于快速推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。而不包含特殊時(shí)隙的幀結(jié)構(gòu)則沒(méi)有對(duì)公共控制信道的設(shè)計(jì)附加任何限制和導(dǎo)向，公共信道和控制信道的設(shè)計(jì)完全取決于后期標(biāo)準(zhǔn)化過(guò)程中的研究、討論和融合。在 LTE 技術(shù)規(guī)范中，F(xiàn)DD 幀結(jié)構(gòu)稱(chēng)為“第 1 種幀結(jié)構(gòu)”（Frame Structure Type 1，F(xiàn)S1）， TDD 幀結(jié)構(gòu)稱(chēng)為“第 2 種幀結(jié)構(gòu)”（Frame Structure Type 2，F(xiàn)S2）。FS1 采用沒(méi)有特殊時(shí)隙的幀結(jié)構(gòu)，在 3GPP 這樣一個(gè)包含大量公司的不同觀點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)化組織中，這種幀結(jié)構(gòu)可以在標(biāo)準(zhǔn)化初期避免卷入

11、控制信道的具體設(shè)計(jì)問(wèn)題，快速確立最基本的工作假設(shè)，更好地推進(jìn)關(guān)鍵技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化。FS2 由于是在 TD-SCDMA 幀結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上改進(jìn)而成的，因此與 TD-SCDMA幀結(jié)構(gòu)一樣包含 DwPTS、GP 和 UpPTS 三個(gè)特殊時(shí)隙。5.1.1FDD 下行幀結(jié)構(gòu)（FS1）FDD LTE 上下行均采用簡(jiǎn)單的等長(zhǎng)時(shí)隙幀結(jié)構(gòu)。如圖 5-6 所示，LTE 系統(tǒng)沿用了 UMTS系統(tǒng)一直采用的 10ms 無(wú)線(xiàn)幀長(zhǎng)度。在時(shí)隙劃分方面，由于 LTE 在數(shù)據(jù)傳輸延遲方面提出了很高的要求（單向延遲小于 5ms），因此要求 LTE 系統(tǒng)必須采用很小的時(shí)間間隔（TTI），最小TTI 通常等于子幀的長(zhǎng)度，所以L(fǎng)TE 的子幀也

12、必須具有較小長(zhǎng)度。但是，過(guò)小的子幀（TTI） 長(zhǎng)度雖然可以支持非常靈活的調(diào)度和很小的傳輸延遲，卻會(huì)帶來(lái)過(guò)大的調(diào)度信令開(kāi)銷(xiāo)，反而會(huì)造成系統(tǒng)頻譜效率下降。早期 LTE 研究中曾考慮采用 0.5ms 子幀（TTI）長(zhǎng)度，子幀內(nèi)不再分時(shí)隙，但隨著研究的深入，經(jīng)過(guò)慎重考慮，又將子幀（TTI）長(zhǎng)度調(diào)整為 1ms，1 個(gè)子幀包含兩個(gè) 0.5ms 的時(shí)隙。這樣，1 個(gè)無(wú)線(xiàn)幀包含 10 個(gè)子幀、20 個(gè)時(shí)隙。FS1 上行和下行采用完全相同的幀結(jié)構(gòu)。圖 5-6 FDD LTE 的下行幀結(jié)構(gòu)（FS1）一個(gè)下行時(shí)隙又分為若干個(gè) OFDM 符號(hào)，根據(jù) CP 的長(zhǎng)度不同，包含的 OFDM 符號(hào)的數(shù)量也不同。當(dāng)使用常規(guī) C

13、P 時(shí)，一個(gè)下行時(shí)隙包含 7 個(gè) OFDM 符號(hào)；當(dāng)使用擴(kuò)展 CP 時(shí)， 一個(gè)下行時(shí)隙包含 6 個(gè) OFDM 符號(hào)。OFDM 符號(hào)長(zhǎng)度、CP 長(zhǎng)度、常規(guī) CP 和擴(kuò)展 CP 的定義將在 5.2 節(jié)中介紹。在這樣一個(gè)等時(shí)隙長(zhǎng)度的幀結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，公共控制信道的時(shí)域位置則依靠比時(shí)隙更小一級(jí)的符號(hào)來(lái)定義，例如，PDCCH（物理下行控制信道）位于每個(gè)子幀的前 13個(gè)符號(hào)。對(duì)這些公共控制信道的時(shí)頻結(jié)構(gòu)，會(huì)在后續(xù)的章節(jié)中介紹。5.1.2FDD 上行幀結(jié)構(gòu)（FS1）FDD LTE 的上行幀結(jié)構(gòu)在時(shí)隙以上層面完全和下行相同（如圖 5-7 所示）。時(shí)隙內(nèi)結(jié)構(gòu)也基本和下行相同，唯一的不同在于一個(gè)時(shí)隙包含 7 個(gè)（對(duì)

14、于常規(guī) CP）或 6 個(gè)（對(duì)于擴(kuò)展 CP）DFT-S-OFDM 塊（Block）（通常也可以稱(chēng)為 DFT-S-OFDM 符號(hào)），而非 OFDM符號(hào)。圖 5-7 FDD LTE 的上行幀結(jié)構(gòu)（FS1）需要說(shuō)明的是，在 LTE 研究的早期曾考慮過(guò)與此不同的上行時(shí)隙結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)在采用常規(guī) CP 時(shí)，1 個(gè)時(shí)隙包含 6 個(gè)長(zhǎng)塊（Long Block）和 2 個(gè)短塊（Short Block），短塊的長(zhǎng)度為長(zhǎng)塊的 1/2，專(zhuān)門(mén)用來(lái) 參考符號(hào)5-1。隨著研究的深入，發(fā)現(xiàn)這個(gè)參考符號(hào)結(jié)構(gòu)有一定的缺陷，因此改成了圖 5-7 中的結(jié)構(gòu)5-3。相關(guān)研究過(guò)程見(jiàn) 5.3.2 節(jié)。第 5 章 LTE 無(wú)線(xiàn)傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)5.

15、1.3TDD 幀結(jié)構(gòu)（FS2）LTE TDD 幀結(jié)構(gòu)是基于 TD-SCDMA 幀結(jié)構(gòu)修改而成的，保留了原幀結(jié)構(gòu)中的三個(gè)特殊時(shí)隙：下行導(dǎo)頻時(shí)隙（DwPTS）、保護(hù)間隔（GP）、上行導(dǎo)頻時(shí)隙（UpPTS），同時(shí)采用了統(tǒng)一的 1ms 子幀長(zhǎng)度。常規(guī)子幀結(jié)構(gòu)和 FS1 一樣，包含兩個(gè) 0.5ms 的時(shí)隙5-3。DwPTS、GP 和UpPTS 也占用一個(gè) 1ms 子幀，這個(gè)子幀的結(jié)構(gòu)不同于常規(guī)子幀，DwPTS 為一個(gè)下行時(shí)隙， UpPTS 為一個(gè)上行時(shí)隙，GP 不傳送任何信號(hào)，為上下行之間提供保護(hù)，避免上下行之間出現(xiàn)“交叉干擾”。根據(jù)這個(gè)特殊子幀的出現(xiàn)頻率，可以將 FS2 分為 5ms 周期幀結(jié)構(gòu)和 1

16、0ms 周期幀結(jié)構(gòu)兩種類(lèi)型。5ms 周期 FS2 如圖 5-8 所示，將一個(gè) 10ms 無(wú)線(xiàn)幀分為兩個(gè) 5ms 的“半幀”（Half Frame）。這兩個(gè)半幀具有完全相同的結(jié)構(gòu)和相同的上下行子幀比例，特殊子幀位于每個(gè)半幀的第二個(gè)子幀（即子幀 1 和子幀 6）。以常規(guī) CP 為例，特殊子幀和常規(guī)子幀一樣，包含 14 個(gè)符號(hào)。這 14 個(gè)符號(hào)分配給 DwPTS、GP 和 UpPTS，在圖 5-8 所示的示例中，DwPTS、GP 和 UpPTS 分別占用十個(gè)、三個(gè)和一個(gè)符號(hào)。實(shí)際上，在采用常規(guī) CP時(shí) 共 支 持 九 種 DwPTS/GP/UpPTS 長(zhǎng) 度 配 置 ， 在 采 用 擴(kuò) 展 CP 時(shí)

17、 共 支 持 七 種DwPTS/GP/UpPTS 長(zhǎng)度配置，如表 5-1 所示，特殊時(shí)隙的長(zhǎng)度由信令配置。相對(duì)而言，UpPTS 的長(zhǎng)度比較固定，只支持一個(gè)符號(hào)、兩個(gè)符號(hào)兩種長(zhǎng)度，以避免過(guò)多的選項(xiàng)，簡(jiǎn)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。而 GP 和 DwPTS 具有很大的靈活性，這主要是為了實(shí)現(xiàn)可變的 GP 長(zhǎng)度和 GP 位置，以支持各種統(tǒng)鄰頻共存的可行性。的小區(qū)半徑，并提供與各種上下行比例的 TD-SCDMA 系圖 5-8TDD LTE（FS2）5ms 周期幀結(jié)構(gòu)（以正常CP 為例）表 5-1FS2 DwPTS、GP 和UpPTS 的長(zhǎng)度配置常規(guī) CP 下特殊時(shí)隙的長(zhǎng)度（符號(hào)）擴(kuò)展CP 下特殊時(shí)隙的長(zhǎng)度（符號(hào)）Up

18、PTSGPDwPTSUpPTSGPDwPTS110310129如果一個(gè) TDD LTE 系統(tǒng)和一個(gè) TD-SCDMA 系統(tǒng)在不同的時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行上下行轉(zhuǎn)換，就會(huì)在部分時(shí)段里發(fā)生“一個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行下行傳輸?shù)耐瑫r(shí)另一個(gè)系統(tǒng)在進(jìn)行上行傳輸”的現(xiàn)象。在側(cè)，下行傳輸系統(tǒng)的在進(jìn)行的同時(shí)，上行傳輸系統(tǒng)的正在接收，上行傳輸系統(tǒng)的就會(huì)受到嚴(yán)重的干擾。如果該 TDD LTE 系統(tǒng)和 TD-SCDMA 系統(tǒng)部署在相鄰的頻譜，頻譜之間的保護(hù)頻帶根本不足以避免這種上下行之間的“交叉干擾”；如果兩個(gè)系統(tǒng)共用站址，這種干擾將尤為嚴(yán)重。在終端側(cè)，上行傳輸系統(tǒng)的終端發(fā)射也會(huì)干擾附近的下行傳輸系統(tǒng)中正在接收的終端，這種干擾可能較側(cè)略輕，

19、但其危害性也不能忽視。為了避免 TDD LTE 系統(tǒng)和 TD-SCDMA 系統(tǒng)在鄰頻部署時(shí)上下行之間的“交叉干擾”，必須保證兩個(gè)系統(tǒng)的上下行切換點(diǎn)（GP）相互對(duì)齊。但由于 FS2 采用了和 TD-SCDMA 幀結(jié)構(gòu)不同的時(shí)隙長(zhǎng)度（TD-SCDMA 時(shí)隙長(zhǎng)度為 0.675ms），兩個(gè)幀結(jié)構(gòu)無(wú)法在時(shí)隙邊界上自然對(duì)齊。因此，為了使兩個(gè)系統(tǒng)在常見(jiàn)的上下行比例下都能實(shí)現(xiàn) GP 對(duì)齊，需要 GP 能靈活地配置在特殊子幀內(nèi)的不同位置。10ms 周期 FS2 如圖 5-9 所示，和 5ms 周期 FS2 不同，這種幀結(jié)構(gòu)在一個(gè) 10ms 無(wú)線(xiàn)幀中只包含一個(gè)特殊子幀，位于子幀 1，其幀均為常規(guī)子幀。5ms 周期

20、 FS2 支持的上下行子幀比例如圖 5-10 所示。在 1 個(gè)半幀包含的 5 個(gè)子幀中，除1 個(gè)特殊子幀（特殊子幀總是包含 1 個(gè)下行的 DwPTS、1 個(gè)上行的 UpPTS 和 1 個(gè) GP）外， 其余 4 個(gè)常規(guī)子幀中下行子幀和上行子幀的比例可為 31、22 或 13。這種情況下，1 個(gè)無(wú)線(xiàn)幀的 2 個(gè)半幀的上下行比例保持一致。圖 5-9 TDD LTE（FS2）10ms 周期幀結(jié)構(gòu)（以正常CP 為例）12111110111227329322823921922102111第 5 章 LTE 無(wú)線(xiàn)傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖 5-10 TDD LTE（FS2）5ms 周期幀結(jié)構(gòu)支持的上下行子幀比例10ms

21、 周期FS2 支持的上下行子幀比例如圖 5-11 所示。在 1 個(gè)無(wú)線(xiàn)幀包含的 10 個(gè)子幀中， 除 1 個(gè)特殊子幀外，其余 9 個(gè)常規(guī)子幀中下行子幀和上行子幀的比例可為 81、72、63 或 35。其中在 35 情況下，1 個(gè) 10ms 無(wú)線(xiàn)幀包含 2 個(gè)特殊子幀。最后一種配置雖然分為2 個(gè)半幀，但 2 個(gè)半幀的上下行比例不同，因此周期仍為 10ms。圖 5-11 TDD LTE（FS2）10ms 周期幀結(jié)構(gòu)支持的上下行子幀比例特殊時(shí)隙的使用對(duì)公共控制信道的結(jié)構(gòu)也有一定影響。例如，F(xiàn)S1 的主同步信道（PSCH） 和輔同步信道（SSCH）分別位于時(shí)隙 0 的倒數(shù)第 1 個(gè)和倒數(shù)第 2 個(gè)符號(hào)

22、（將在 6.4.1 節(jié)中介紹）。而在 FS2 中，PSCH 放置在 DwPTS 的第 3 個(gè)符號(hào)，SSCH 則放置在時(shí)隙 1 的最后一個(gè)符號(hào)（如圖 5-12 所示）。上述 PSCH 和 SSCH 的位置差異，正好可以用來(lái)識(shí)別系統(tǒng)是 FDD 系統(tǒng)還是 TDD 系統(tǒng)。另外，UpPTS 可以用來(lái)專(zhuān)門(mén)放置物理隨機(jī)接入信道（PRACH），這是 TDD LTE 系統(tǒng)特有的一種“短 RACH”結(jié)構(gòu)（只有一個(gè)或兩個(gè)符號(hào)長(zhǎng)），相對(duì)而言，F(xiàn)DD LTE 系統(tǒng)的 PRACH 不短于 1ms。短 RACH 是一種對(duì)半徑較小的小區(qū)的優(yōu)化，可以在不占用正常時(shí)的情況下，利用很少的承載 PRACH 信道，隨著寬帶蜂窩系統(tǒng)小區(qū)

23、半徑的逐漸縮隙小，這種短 RACH 將有越來(lái)越廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景。當(dāng)然，需要說(shuō)明的是，F(xiàn)S2 也完全可以在常規(guī)子幀中采用 1ms 以上的 PRACH 信道，與 FS1 具有相同的支持大半徑小區(qū)的能力。圖 5-12 FS1 和FS2 的結(jié)構(gòu)不同造成的 PSCH 和SSCH 的位置差異最后需要說(shuō)明的是，第 4、5、6 章的內(nèi)容主要是為了說(shuō)明 LTE 的技術(shù)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理， 因此如無(wú)特殊說(shuō)明，均是以 FS1 為例說(shuō)明的。LTE 系統(tǒng)的絕大多數(shù)設(shè)計(jì)原理對(duì) FS1 和 FS2 是完全相同的，因此讀者基于 FS1 學(xué)習(xí)這些原理并不妨礙對(duì) FS2 的理解。第 3 章對(duì)規(guī)范的詳細(xì)介紹如實(shí)反映了 FS1 和 FS2

24、 的所有差異，讀者基于對(duì)第 4、5、6 章的理解，就完全可以讀懂第 3 章的相關(guān)內(nèi)容，從而了解 FS2 的各種技術(shù)細(xì)節(jié)。5.2系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)計(jì)與采用何種基本傳輸和多址技術(shù)有關(guān)，例如 OFDM 系統(tǒng)和 CDMA 系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計(jì)原理就全然不同。由于 LTE 選擇了 OFDMA（下行）和 SC-FDMA（上行）作為多址技術(shù)，因此必須針對(duì) OFDMA 和 SC-FDMA 重新設(shè)計(jì)系統(tǒng)參數(shù)。5.2.1LTE 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)需求在設(shè)計(jì) LTE 系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，需要考慮如下要求5-5。1后向兼容性正如第 2 章所述，LTE 在后向兼容性方面并沒(méi)有設(shè)定硬性的要求。在 4.3 節(jié)和 4.4 節(jié)中可以看到，L

25、TE 最終改變了基本傳輸和多址技術(shù)，采用了 OFDMA/SC-FDMA 代替 CDMA 技術(shù)，OFDMA/SC-FDMA 的具體參數(shù)設(shè)計(jì)沒(méi)有可能和 CDMA 系統(tǒng)保持一致，從而不可能在嚴(yán) 216 第 5 章 LTE 無(wú)線(xiàn)傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)格意義上保持 E-UTRA 和 UTRA 系統(tǒng)的后向兼容性。因此，E-UTRA 和 UTRA 系統(tǒng)所能追求的兼容性，只能體現(xiàn)在無(wú)線(xiàn)幀（Radio Frame）的長(zhǎng)度和碼片速率等少數(shù)參數(shù)上。例如，保持無(wú)線(xiàn)幀長(zhǎng)度為 10ms，這樣可以更好地實(shí)現(xiàn) E-UTRA/UTRA 雙模設(shè)備。2. 帶寬擴(kuò)展性正如第 2 章所述，LTE 的需求中明確要求系統(tǒng)支持靈活的系統(tǒng)帶寬，從 1.

26、420MHz。因此，LTE 系統(tǒng)參數(shù)要針對(duì)從 1.420MHz 的各種帶寬設(shè)計(jì)，這主要體現(xiàn)在不同系統(tǒng)帶寬將使用不同數(shù)量的子載波。3. 無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)（RAN）延遲正如第 2 章所述，LTE 對(duì) RAN 用戶(hù)面的傳輸延遲提出了很高要求，即最小單向傳輸延遲要控制在 5ms 以?xún)?nèi)。這對(duì)系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)計(jì)，尤其是最小 TTI 長(zhǎng)度的選擇有有采用足夠小的最小 TTI 長(zhǎng)度，才能盡量降低傳輸延遲。4. 高數(shù)據(jù)率正如第 2 章所述，LTE 要求顯著提高系統(tǒng)的峰值速率，尤其是要對(duì)低速移動(dòng)場(chǎng)景進(jìn)行優(yōu)化。因此，在相關(guān)參數(shù)設(shè)計(jì)，如子載波間隔、循環(huán)前綴（CP）的選擇上，要在滿(mǎn)足基本移動(dòng)性和多徑無(wú)線(xiàn)信道要求的條件下，盡量提高頻

27、譜效率。5. 多普勒頻移和相位噪聲如 4.4 節(jié)所述，單純從頻譜效率角度考慮，越小的子載波間隔可以獲得越高的頻譜效率， 但是過(guò)小的子載波間隔會(huì)對(duì)多普勒頻移和相位噪聲過(guò)于敏感。多普勒頻移和相位噪聲與系統(tǒng)的載波頻率和支持的移動(dòng)速度有關(guān)，其中多普勒頻移的影響明顯大于相位噪聲的影響。雖然LTE 是為低速移動(dòng)優(yōu)化的，但也必須支持高速移動(dòng)。例如，假設(shè) LTE 系統(tǒng)需要在 2.6GHz 頻段中支持 350km/h 的移動(dòng)速度，則相應(yīng)的最大多普勒頻移為 840Hz，LTE 系統(tǒng)的子載波間隔的影響。只必須足夠大，使系統(tǒng)在 840Hz 的多普勒頻移下6支持廣域覆蓋對(duì)廣域覆蓋的支持，也是第 2 章中提到的對(duì) LTE

28、 系統(tǒng)的重要要求。LTE 系統(tǒng)不僅要支持類(lèi)似熱點(diǎn)、室內(nèi)、局域覆蓋等單小區(qū)小覆蓋場(chǎng)景，也要支持多小區(qū)大覆蓋場(chǎng)景。因此系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)計(jì)，如 CP 長(zhǎng)度等，也要滿(mǎn)足廣域覆蓋的要求。7E-MBMS 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)率正如 4.2 節(jié)所述，LTE 的單播（Unicast）系統(tǒng)確定不采用多小區(qū)宏分集合并，但 E-MBMS 系統(tǒng)將采用多小區(qū)信號(hào)的單頻網(wǎng)（SFN）合并。另外，E-MBMS 主要用于低速移動(dòng)場(chǎng)景。這些差別會(huì)導(dǎo)致單播系統(tǒng)和 E-MBMS 系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計(jì)原則有差異。例如，相對(duì)單播 LTE 系統(tǒng)， E-MBMS可以采用較小的子載波間隔以獲得更高的頻譜效率，但需要采用更長(zhǎng)的CP 支持SFN 合并。8控制選項(xiàng)數(shù)量

29、LTE 系統(tǒng)對(duì)各種場(chǎng)景和各種系統(tǒng)帶寬的支持，勢(shì)必要通過(guò)一組參數(shù)集，而不是單一的參數(shù)集來(lái)實(shí)現(xiàn)，例如不同場(chǎng)景下可能需要使用不同的子載波長(zhǎng)度和 CP 長(zhǎng)度。但是，支持過(guò)多的參數(shù)選項(xiàng)會(huì)增大系統(tǒng)信令的開(kāi)銷(xiāo)，同時(shí)大大提高系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度和測(cè)試的難度。因此，應(yīng)該在滿(mǎn)足各種應(yīng)用場(chǎng)景的需求的基礎(chǔ)上，盡可能減少選項(xiàng)的數(shù)量。出現(xiàn)明顯的性能。 217 5.2.2TTI 長(zhǎng)度為了有效支持各種不同的業(yè)務(wù)類(lèi)型，LTE 系統(tǒng)應(yīng)支持多種 TTI 長(zhǎng)度。也就是說(shuō)，較大的TTI 可以更有效地支持低數(shù)據(jù)率業(yè)務(wù)、優(yōu)化 QoS、降低調(diào)度開(kāi)銷(xiāo)、提高系統(tǒng)效率。而針對(duì)對(duì)延遲比較敏感的實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)，則應(yīng)該是用盡可能小的 TTI，以降低傳輸延遲。可以

30、考慮采用半靜態(tài)（Semi-static）方式或動(dòng)態(tài)（Dynamic）方式改變 TTI 的長(zhǎng)度。在采用半靜態(tài) TTI 時(shí)，可以通過(guò)信令來(lái)調(diào)整 TTI。在采用動(dòng)態(tài) TTI 時(shí)，系統(tǒng)可以直接通過(guò)物理層動(dòng)態(tài)地將若干個(gè)連續(xù)的時(shí)隙連起來(lái)組成一個(gè) TTI。采用動(dòng)態(tài) TTI 可能會(huì)降低議開(kāi)銷(xiāo)和層 1 開(kāi)銷(xiāo)（如 CRC），減少 ACK/NACK（肯定回執(zhí)/（如 MAC 層和 RLC 層）協(xié)回執(zhí)），減少 IP 包的分塊，降低延遲。TTI 可以由 eNode B 顯性地（Explicitly）或隱性地（Implicitly）通知 UE。顯性方式即通過(guò)層 1 信令通知；隱性方式即通過(guò)傳輸塊的大小和調(diào)制編碼方式間接通知

31、。因此，需要定義的首先是最小的TTI。為了使用戶(hù)面單向傳輸延遲小于 5ms，最小 TTI 長(zhǎng)度應(yīng)明顯小于 2ms。另外，由于時(shí)隙是調(diào)度的基本單元，TTI 必定由若干個(gè)連續(xù)的時(shí)隙構(gòu)成。因此，具體 TTI 長(zhǎng)度受到幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響。如 5.1 節(jié)中所述，LTE 幀結(jié)構(gòu)的時(shí)隙長(zhǎng)度為 0.5ms（FS2 中的特殊時(shí)隙DwPTS 和UpPTS 除外），因此最小 TTI 的長(zhǎng)度應(yīng)為 0.5ms 的整數(shù)倍。剩下的問(wèn)題是，最小 TTI 的長(zhǎng)度應(yīng)是 0.5ms 的幾倍。在 LTE 的早期研究中，初步確定LTE 的最小 TTI 長(zhǎng)度為 0.5ms，也就是時(shí)隙長(zhǎng)度的一倍。但是隨著研究的深入，也發(fā)現(xiàn)如此短的 TTI

32、也可能在其他方面產(chǎn)生一些問(wèn)題，例如在某些場(chǎng)景下上行覆蓋不足（上行傳輸帶寬受限，需要依靠時(shí)域的能量積累來(lái)改善鏈路預(yù)算）、控制信令開(kāi)銷(xiāo)較大等。因此，最終確定5-6 將 LTE 的 TTI 改為 1.0ms。需要說(shuō)明的是，最終的 LTE 規(guī)范中實(shí)際上只定義了唯一的 TTI 長(zhǎng)度 1.0ms。而采用 TTI（TTI binding）的方式等效地實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)的 TTI，例如可以將 4 個(gè) TTI，4 個(gè) TTI1 個(gè)傳輸塊（TB）的不同 RV 或相同 RV，以提高 VoIP 等業(yè)務(wù)的覆蓋性能。是否啟動(dòng) TTIbinding，需通過(guò)信令慢速調(diào)整。5.2.3子載波間隔正如 4.4 節(jié)所述，OFDM 系統(tǒng)的子載波

33、間隔選擇取決于頻譜效率和抗頻偏能力的折中。在一定的 CP 長(zhǎng)度（取決于小區(qū)大小和多徑信道特性）下，子載波間隔越小，OFDM 符號(hào)周期越長(zhǎng)，系統(tǒng)頻譜效率越高。但同時(shí)，過(guò)小的子載波間隔對(duì)多普勒頻移和相位噪聲過(guò)于敏感， 會(huì)影響系統(tǒng)性能。因此，如果不考慮 FFT 變換的復(fù)雜度，子載波間隔的選擇原則，應(yīng)該是在保持足夠的抗頻偏能力的條件下采用盡可能小的子載波間隔。研究表明5-7，在使用帶有鎖相環(huán)（PLL）的壓控振蕩器（VCO）的系統(tǒng)中，相位噪聲對(duì)載波間干擾的影響并不大。只要子載波間隔在 10kHz 以上，相位噪聲的影響就可以降到相對(duì)較小的水平。相對(duì)而言，多普勒頻移的影響明顯大于相位噪聲，因此子載波間隔的確

34、定應(yīng)主要考慮多普勒頻移的影響。多普勒效應(yīng)引起的頻率偏移會(huì)破壞子載波之間的正交性5-7。例如在 2GHz 頻段，350km/h的移動(dòng)速度會(huì)帶來(lái) 648.1Hz 的多普勒頻偏。這種頻率偏移尤其會(huì)對(duì)高階調(diào)制（如 64QAM）造 218 第 5 章 LTE 無(wú)線(xiàn)傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)成顯著的影響。因此，子載波間隔應(yīng)該設(shè)置為一個(gè)適當(dāng)?shù)闹?，使系統(tǒng)在高速移動(dòng)和低速移動(dòng)場(chǎng)景下都有較好的性能。也就是說(shuō)，在低速移動(dòng)場(chǎng)景下（此時(shí)多普勒效應(yīng)不顯著），相對(duì)較小的子載波間隔沒(méi)有嚴(yán)重的性能降低；在高速移動(dòng)場(chǎng)景下（此時(shí)多普勒頻移是主要問(wèn)題），相對(duì)較大的子載波間隔也沒(méi)有嚴(yán)重的性能降低。研究表明，為了將多普勒頻移的影響降低到足夠低的水平，

35、應(yīng)該將子載波間隔設(shè)置在11kHz 以上。在假設(shè)理想信道估計(jì)的參數(shù)配置下，350km/h 移動(dòng)速度下的系統(tǒng)吞吐量只比30km/h 下的系統(tǒng)吞吐量下降 0.5Mbit/s。如果是假設(shè)真實(shí)信道估計(jì)5-5，較小子載波間隔（10kHz以下）對(duì)系統(tǒng)吞吐量的影響就較為嚴(yán)重。但是，只要將子載波間隔保持在 11kHz 以上，多普勒頻移對(duì)系統(tǒng)吞吐量的影響就與在理想信道估計(jì)條件下一樣，是輕微的。另外，混合自動(dòng)重傳請(qǐng)求（HARQ）技術(shù)可以從某種程度上減輕多普勒頻移的影響。在采用增量冗余（Incremental Redundancy，IR）合并的 HARQ 系統(tǒng)中，在低速移動(dòng)情況下， 如果將子載波間隔設(shè)置為 13kHz

36、 和 15kHz，則系統(tǒng)相對(duì) 6.65kHz 子載波間隔的系統(tǒng)分別有 3%和 5%的系統(tǒng)吞吐量損失；如果將子載波間隔設(shè)置為 11.25kHz 和 15.75kHz，則系統(tǒng)相對(duì)6.65kHz 子載波間隔的系統(tǒng)，CP 開(kāi)銷(xiāo)從 4%分別增大到 6%和 8%，性能的下降和開(kāi)銷(xiāo)的提高處于可以接受的水平。在高速移動(dòng)（350km/h）情況下，只要子載波間隔大于 11kHz，多普勒頻移就重的性能下降。造成嚴(yán)因此，將子載波間隔設(shè)置在1115kHz 對(duì)LTE 系統(tǒng)是比較合適的。由于15kHz 可以使E-UTRA 系統(tǒng)和UTRA 系統(tǒng)具有相同的碼片速率，從而從某種程度上降低開(kāi)發(fā)成本，因此LTE 最終決定在單播（Un

37、icast）系統(tǒng)中采用15kHz 的子載波間隔，相應(yīng)的符號(hào)長(zhǎng)度為66.67µs（不包括 CP）。載波 MBMS（Dedicated Carrier MBMS，DC-MBMS）業(yè)務(wù)的典型應(yīng)用場(chǎng)景為低速移動(dòng)，因此可以考慮使用更小的子載波間隔，以降低 CP 開(kāi)銷(xiāo)，提高系統(tǒng)頻譜效率。經(jīng)過(guò)研究， 決定在 DC-MBMS 系統(tǒng)中采用 7.5kHz 子載波，相應(yīng)的符號(hào)長(zhǎng)度為 133.33µs （不包括 CP）。這種情況下，一個(gè) 1ms 子幀包含六個(gè) OFDM 符號(hào)。5.2.4CP 長(zhǎng)度CP 的長(zhǎng)度，首先是應(yīng)該能將多徑延遲造成的影響控制在可接受的水平。如圖 5-13所示，多徑延遲在 OFD

38、M 系統(tǒng)中的影響首先是造成符號(hào)間干擾（Inter-Symbol Interference）和載波間干擾（Inter-Carrier Interference）。CP 中包含的是 OFDM 符號(hào)尾部的循環(huán)重復(fù)，因此，當(dāng)多徑延遲小于 CP 長(zhǎng)度時(shí)，OFDM于 CP 長(zhǎng)度時(shí)，部分符號(hào)能量將無(wú)法被可以捕捉 OFDM 符號(hào)的全部能量。當(dāng)多徑延遲大捕捉到，但這還不是最嚴(yán)重的問(wèn)題。更嚴(yán)重的問(wèn)題是，前一個(gè)符號(hào)的延遲超出 CP 的多徑分量會(huì)被當(dāng)做后一個(gè)符號(hào)接收，從而造成對(duì)后一個(gè)符號(hào)的干擾（如圖中的三角部分所示），這就形成了符號(hào)間干擾。而由于錯(cuò)誤地捕捉了相鄰符號(hào)的一部分分量，F(xiàn)FT 變換就無(wú)法完全恢復(fù)子載波之間的

39、正交性，從而造成載波間干擾。當(dāng)然，絕大多數(shù)能量較強(qiáng)的多徑分量通常都具有較小的多徑延遲，具有很大延遲的多徑分量的能量也較弱。一個(gè)適當(dāng)?shù)?CP 一方面應(yīng)足夠長(zhǎng)，以避免嚴(yán)重的符號(hào)間干擾和載波間干擾；另一方面又不能過(guò)長(zhǎng)，造成過(guò)大的 CP 開(kāi)銷(xiāo)，帶來(lái)額外的頻譜效率損失。 219 圖 5-13 CP 長(zhǎng)度對(duì)符號(hào)間干擾與載波間干擾的影響因此通過(guò)對(duì)多徑時(shí)延擴(kuò)展的，可以對(duì)不同 CP 值的系統(tǒng)的頻譜效率進(jìn)行評(píng)估。評(píng)估發(fā)現(xiàn)，對(duì)于典型小區(qū)半徑的單播系統(tǒng)，當(dāng) CP 值為 35µs 時(shí)，就能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)頻譜效率的最大化；而當(dāng) CP<3µs 或CP>5µs 時(shí)，系統(tǒng)頻譜效率都有所降低

40、。除了考慮多徑時(shí)延擴(kuò)展的的影響，還要考慮時(shí)域加窗（Time Windowing）處理的影響。時(shí)域加窗可以保證系統(tǒng)符合帶外雜散限制，并可以有效地抑制信號(hào)的 PAPR，但時(shí)域加窗需要額外增加 1µs 的 CP 長(zhǎng)度。如果再考慮到多徑時(shí)延檢測(cè)的可能誤差，將 CP 長(zhǎng)度設(shè)定為 5µs 上下是比較合適的。將這一分析結(jié)論和 OFDM/SC-FDMA 符號(hào)長(zhǎng)度、時(shí)隙長(zhǎng)度加在一起綜合考慮，最終確定常規(guī) CP（Normal CP）基本長(zhǎng)度為 4.687 5µs，1 個(gè)子幀的 7 個(gè)符號(hào)中，前 6 個(gè)符號(hào)的 CP 均為 4.687 5µs ，最后一個(gè)符號(hào)的 CP 為 5.2

41、08µs 。上述分析是基于半徑大小典型的小區(qū)和單播傳輸，但 LTE 系統(tǒng)還要支持較大的小區(qū)半徑（最大達(dá) 100km）和多小區(qū)合并 E-MBMS 業(yè)務(wù)。對(duì)于這些應(yīng)用場(chǎng)景，需要比常規(guī) CP 大得多的 CP 長(zhǎng)度。經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，將 CP 長(zhǎng)度設(shè)定在 1014µs 之間比較合適。如果再考慮將來(lái)如果采用中繼（Relay）技術(shù)或直放站可能帶來(lái)的額外延遲，應(yīng)考慮CP 長(zhǎng)度至少為1015µs 。將這一分析結(jié)論和 OFDM/SC-FDMA 符號(hào)長(zhǎng)度、時(shí)隙長(zhǎng)度加在一起綜合考慮，最終確定在常規(guī) CP 之外再增加 1 個(gè)擴(kuò)展 CP（Extend CP）選項(xiàng)，長(zhǎng)度為 16.67µ

42、s 。另外，對(duì)于 DC-MBMS 系統(tǒng)，由于符號(hào)長(zhǎng)度為單播/MBMS 混合載波系統(tǒng)的兩倍（為 133.33µs ），因此擴(kuò)展 CP 的長(zhǎng)度進(jìn)一步延長(zhǎng)為 33.33µs，可以提供更大范圍的多小區(qū) SFN 合并（而且即使沿用 16.67µs CP， 省出的 100µs 也無(wú)法構(gòu)成一個(gè)額外的的符號(hào)和CP），姑且可以將這種 CP 稱(chēng)為“超長(zhǎng)擴(kuò)展 CP”。綜上所述，LTE 系統(tǒng)支持的3 種符號(hào)結(jié)構(gòu)如圖5-14 所示，常規(guī)小區(qū)的單播系統(tǒng)采用4.687 5µs的 CP 和 66.67µs 的符號(hào)；大小區(qū)的單播系統(tǒng)或單播/MBMS 混合載波的 E-M

43、BMS 系統(tǒng)采用16.67µs 的 CP 和 66.67µs 的符號(hào)；DC-/MBMS 系統(tǒng)采用 33.33µs 的 CP 和 133.33µs 的符號(hào)。 220 第 5 章 LTE 無(wú)線(xiàn)傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖 5-14 LTE 采用的 3 種符號(hào)結(jié)構(gòu)5.3參考信號(hào)設(shè)計(jì)參考信號(hào)（Reference Signal，RS），就是常說(shuō)的“導(dǎo)頻”信號(hào)，是由發(fā)射端提供給接收端用于信道估計(jì)或信道探測(cè)的一種已知信號(hào)。由于 LTE 改變了基本傳輸和多址方式，原來(lái)用于 CDMA 系統(tǒng)的參考信號(hào)設(shè)計(jì)無(wú)法繼續(xù)使用，需要針對(duì) OFDMA/SC-FDMA 系統(tǒng)重新設(shè)計(jì)。5.3.1下行參考

44、信號(hào)設(shè)計(jì)在 LTE 早期研究中，明確了下行參考信號(hào)至少可以用于如下目的。（1） 下行信道質(zhì)量測(cè)量（又稱(chēng)為信道探測(cè)）。（2） 下行信道估計(jì)，用于 UE 端的相干（Coherent）檢測(cè)和解調(diào)。（3） 小區(qū)搜索。下行參考信號(hào)由已知的參考符號(hào)構(gòu)成，如圖 5-15 所示。如果定義 OFDM 的基本單位（即 1 個(gè)子載波´1 個(gè) OFDM 符號(hào)）為粒子（Resource Element，RE），則下行參考符號(hào)是以 RE 為的，即一個(gè)參考符號(hào)占用一個(gè) RE。圖 5-15 下行單天線(xiàn)參考信號(hào)結(jié)構(gòu)（常規(guī) CP 情況）這些參考符號(hào)可分為兩列：第 1 參考符號(hào)和第 2 參考符號(hào)。第 1 參考符號(hào)位于每個(gè)

45、 0.5ms時(shí)隙的第 1 個(gè) OFDM 符號(hào)，第 2 參考符號(hào)位于每個(gè)時(shí)隙的倒數(shù)第 3 個(gè) OFDM 符號(hào)。第 1 參考符號(hào)位于第 1 個(gè) OFDM 符號(hào)有助于下行控制信號(hào)被盡早解調(diào)。當(dāng)然，上面所述是針對(duì)常規(guī)CP（Normal CP）情況的示例，對(duì)于擴(kuò)展 CP（Extended CP）情況，一個(gè)時(shí)隙內(nèi)的符號(hào)數(shù)量為 221 6，此時(shí)第 2 列 RS 實(shí)際上位于第 4 而非第 5 個(gè) OFDM 符號(hào)。在頻域上，每 6 個(gè)子載波一個(gè)參考符號(hào)，這個(gè)數(shù)值是在信道估計(jì)性能和 RS 開(kāi)銷(xiāo)之間求取平衡的結(jié)果，RS 過(guò)疏則信道估計(jì)性能無(wú)法接受；RS 過(guò)密則會(huì)造成 RS 開(kāi)銷(xiāo)過(guò)大。每 6 個(gè)子載波一個(gè) RS 既能

46、在典型頻率選擇性信道中獲得良好的信道估計(jì)性能，又能將 RS 控制在較低水平。RS 的時(shí)域密度也是根據(jù)相同的原理確定的，每個(gè)時(shí)隙是很大。兩行 RS 既可以在典型的運(yùn)動(dòng)速度下獲得滿(mǎn)意的信道估計(jì)性能，RS 的開(kāi)銷(xiāo)又不另外，第 1 參考符號(hào)和第 2 參考符號(hào)在頻域上是交錯(cuò)（Staggered）放置的。而且，下行參考信號(hào)的設(shè)計(jì)還必須有一定的正交性，以有效地支持多天線(xiàn)并行傳輸（最多需支持 4 個(gè)并行流）。正交參考信號(hào)設(shè)計(jì)的另一個(gè)用途是支持一個(gè) eNode B 內(nèi)多個(gè)扇區(qū)之間的區(qū)分。例如實(shí)現(xiàn)一個(gè)小區(qū)內(nèi)不同天線(xiàn)之間的參考信號(hào)正交性的法是采用 FDM（頻分復(fù)用）。也就是說(shuō)，在圖 5-15 中，不同天線(xiàn)的參考信號(hào)

47、在頻域上有一定的位移。另一種可以考慮的方法是采用 CDM（碼分復(fù)用）。不同小區(qū)之間的正交性即可采用 CDM 方式實(shí)現(xiàn)。下行參考信號(hào)一般是公共（Common）參考信號(hào)，以廣播的方式供小區(qū)內(nèi)所有的 UE 使用。UEUE-Specific）的參考信號(hào)也有其用途，例如可以用于支持動(dòng)態(tài)波束賦形（DynamicBeamforming）。另外，對(duì)于多小區(qū)合并的 E-MBMS 系統(tǒng)，考慮了以下兩種參考信號(hào)設(shè)計(jì)。（1）多小區(qū)公共（mon）的參考信號(hào)：即參與多小區(qū) E-MBMS的多個(gè)小區(qū)采用相同的參考信號(hào)，這種參考信號(hào)用于單頻網(wǎng)合并的 MBMS（即 MBSFN）系統(tǒng)，只在傳輸 MBSFN 信號(hào)的子幀中。（2）具有

48、組加擾（Group Scrambling）的小區(qū)不是用于 MBSFN 系統(tǒng)的，而是用于基于多小區(qū)小區(qū)的合并）的。（Cell-specific）參考信號(hào)：這種 RS 并檢測(cè)合并的 MBMS 系統(tǒng)（主要用于少量由于 E-MBMS 方面的工作仍集中于 MBSFN 模式（見(jiàn) 4.9 節(jié)所述），因此 LTE 只設(shè)計(jì)了上述第（1）種 E-MBMS RS，而第（2）種 RS 沒(méi)有被采用。1下行參考信號(hào)時(shí)頻結(jié)構(gòu)在 LTE 的早期研究中，初步確定了如圖 5-15 所示的 RS 基本時(shí)頻結(jié)構(gòu)。隨著研究的深入，也有略微調(diào)整 RS 結(jié)構(gòu)的提議，即第 1 列 RS 放置在前一時(shí)隙的最后一個(gè) OFDM 符號(hào)，第 2 列

49、RS 放置在第三個(gè) OFDM 符號(hào)。在圖 5-15 所示的方法中，由于后一時(shí)隙的第1 列 RS 也用于本時(shí)隙的信道估計(jì)（支持 RS 之間的時(shí)域內(nèi)插），因此這種新方法并提高信道估計(jì)性能。這種方法的潛在好處是可以略微減小信道估計(jì)時(shí)延（約 1.4%2.4%），但缺點(diǎn)是大大縮短了 UE 的微睡眠時(shí)間（約 33%50%）5-85-9，而且是本時(shí)隙的解調(diào)必須依賴(lài)前一幀的 RS。因此，LTE 最終沒(méi)有采用這種新的結(jié)構(gòu)，仍然維持圖 5-15 所示的基本 RS 結(jié)構(gòu)。另一種改進(jìn)方案是在空載的小區(qū)間斷地下行 RS。由于沒(méi)有數(shù)據(jù)需要解調(diào)，RS 的密度也不需要維持原有的密度，這樣可以降低對(duì)相鄰小區(qū)的干擾。處于RRC_

50、IDLE（無(wú)線(xiàn)控制空閑）狀態(tài)的 UE 始終按照最稀疏的 RS 結(jié)構(gòu)接收 RS，因此受到影響。但這種方法可以獲得性能增益的場(chǎng)景（本小區(qū)空載而相鄰小區(qū)卻相當(dāng)滿(mǎn)載）比較少見(jiàn)，而且需要額外的信令開(kāi)銷(xiāo)予以支持。更重要的是，即使系統(tǒng)處于空載狀態(tài)，仍可能有 UE 需要下行 RS 進(jìn)行 222 第 5 章 LTE 無(wú)線(xiàn)傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)小區(qū)搜索（見(jiàn) 6.4 節(jié)）；即使本小區(qū)沒(méi)有 UE 進(jìn)行小區(qū)搜索，相鄰小區(qū)的 UE 仍需要進(jìn)行相鄰小區(qū)測(cè)量，用于可能的切換和小區(qū)重選5-10。因此，這種在空載小區(qū)進(jìn)行非連續(xù) RS議沒(méi)有被 LTE 采納。關(guān)于第 2 列RS 的位置也曾有過(guò)討論，有提案建議將每個(gè)子幀中第 1 個(gè)時(shí)隙的第 2

51、 列RS 前移到該時(shí)隙的第 4 列 OFDM 符號(hào)，以減小用于子幀中前幾個(gè) OFDM 符號(hào)解調(diào)的 RS 的時(shí)域間隔。由于物理下行控制信道（PDCCH）總是位于一個(gè)子幀的最開(kāi)始幾個(gè)符號(hào)，這種設(shè)計(jì)可以進(jìn)一步改善 PDCCH 在高速移動(dòng)情況下的信道估計(jì)性能，從而理論上能夠提高 PDCCH 的檢測(cè)性能5-11。但是，這種設(shè)計(jì)會(huì)造成一個(gè)子幀內(nèi)的兩個(gè)時(shí)隙 RS 結(jié)構(gòu)不同，最后 LTE 也沒(méi)有采納這項(xiàng)修改建議。2MIMO 參考信號(hào)復(fù)用一個(gè)小區(qū)內(nèi)不同 MIMO 天線(xiàn)之間采用 FDM 的方式復(fù)用，一個(gè)天線(xiàn)傳送 RS 的 RE 不僅不用于本天線(xiàn)的數(shù)據(jù)傳輸，也不再用于其他天線(xiàn)的數(shù)據(jù)傳輸，以保證 RS 的正交傳輸5-

52、8。MIMO RS 的設(shè)計(jì)首先應(yīng)該基于單天線(xiàn)基本 RS 結(jié)構(gòu)，也就是說(shuō)，MIMO RS 的設(shè)計(jì)不能影響單天線(xiàn) RS 的位置。因此，在圖 5-15 所示的基本 RS 結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，形成了圖 5-16 所示的 2 發(fā)射天線(xiàn) MIMO RS 結(jié)構(gòu)。從圖中可以看到，針對(duì)每個(gè)天線(xiàn)，RS 結(jié)構(gòu)實(shí)際上和圖 5-15 完全一樣，只是兩個(gè)天線(xiàn)端口（簡(jiǎn)稱(chēng)天線(xiàn)）的 RS 錯(cuò)開(kāi)放置，第 2 天線(xiàn)的 RS 位置相對(duì)第 1 天線(xiàn)平移了 3 個(gè)子載波。（注 1：在 3GPP 規(guī)范中，天線(xiàn)序號(hào)稱(chēng)為天線(xiàn) 0、1、2、3，和習(xí)慣的天線(xiàn) 1、2、3、4 的叫法不同。讀者可能會(huì)看到，LTE 研究過(guò)程中的大量文獻(xiàn)使用天線(xiàn) 1、2、3、4

53、 的叫法，但這里以最終的 3GPP 規(guī)范為準(zhǔn)。兩種命名法其實(shí)是完全等效的，只是起點(diǎn)不同。注 2：圖 5-16 至圖 5-20 均是針對(duì)常規(guī) CP 的示例，對(duì)于擴(kuò)展 CP，由于每個(gè)時(shí)隙只有 6 個(gè) OFDM 符號(hào)，位于倒數(shù)第 3 個(gè) OFDM 符號(hào)的最后一列 RS 實(shí)際上是位于第 4 個(gè) OFDM 符號(hào)，而非第 5 個(gè)。）的提圖 5-16 2 天線(xiàn)MIMO RS 結(jié)構(gòu)（常規(guī) CP 情況）在 2 天線(xiàn)MIMO RS 的基礎(chǔ)上，可以進(jìn)一步擴(kuò)展為 4 天線(xiàn)MIMO RS 結(jié)構(gòu)。在 LTE 研究中，首先明確了 4 天線(xiàn)MIMO 的 RS 開(kāi)銷(xiāo)不能高于 15%。初步確定的 4 天線(xiàn) MIMO RS 結(jié)構(gòu)如

54、圖 5-17 所示。第 2 和第 3 天線(xiàn)的 RS 放置在第 1 列 RS 中，位于天線(xiàn) 0 和天線(xiàn) 1 的導(dǎo)頻符號(hào)之間5-13，eNode B 可以根據(jù)具體情況選擇是否第 2 和第 3 天線(xiàn)的參考符號(hào)。第 2 列RS 中沒(méi)有第 2 和第 3 天線(xiàn)的 RS，這是因?yàn)楦唠A天線(xiàn) MIMO 只可能用于相對(duì)低速移動(dòng)的 223 場(chǎng)景，在這種場(chǎng)景下，每個(gè)時(shí)隙一列 RS 符號(hào)就能夠滿(mǎn)足要求了。 224 第 5 章LTE 無(wú)線(xiàn)傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖 5-17 LTE 初期設(shè)計(jì)的 4 天線(xiàn) MIMO RS 結(jié)構(gòu)（常規(guī) CP 情況）多天線(xiàn) RS 結(jié)構(gòu)其實(shí)可以考慮各種各樣的設(shè)計(jì)。圖 5-17 中 RS 結(jié)構(gòu)的出發(fā)點(diǎn)是以一套

55、RS 結(jié)構(gòu)滿(mǎn)足在各種場(chǎng)景下采用單天線(xiàn)、2 天線(xiàn)和 4 天線(xiàn) MIMO 的需要，4 天線(xiàn)時(shí) RS 總開(kāi)銷(xiāo)達(dá)到 14.3%。但是，為了同時(shí)滿(mǎn)足各種場(chǎng)景，它對(duì)某些特定場(chǎng)景并不一定是最優(yōu)化的。例 提議認(rèn)為應(yīng)針對(duì)微小區(qū)（Micro Cell）這種重要場(chǎng)景設(shè)計(jì)一種更優(yōu)化的 4 天線(xiàn) MIMO RS 結(jié)構(gòu)5-14。這種結(jié)構(gòu)考慮到微小區(qū)通常不需要支持非常高速移動(dòng)的用戶(hù)，所以在天線(xiàn) 0 和天線(xiàn) 1 的時(shí)域密度上做了一定犧牲，以換取 RS 開(kāi)銷(xiāo)的降低。這種 RS 結(jié)構(gòu)如圖 5-18 所示，與圖 5-17 中的結(jié)構(gòu)不同的是天線(xiàn) 0 和天線(xiàn) 1 只保留第 1 列 RS，而將第 2 列導(dǎo)頻中原本使用的 RE 讓給了天線(xiàn)

56、 2 和天線(xiàn) 3。這樣，所有 4 個(gè)天線(xiàn)的 RS 密度保持一致，RS 總開(kāi)銷(xiāo)降低到 9.5%。文獻(xiàn)5-14建議在微小區(qū)使用圖 5-18 所示的 RS 結(jié)構(gòu)，而在宏小區(qū)中使用圖5-17 所示的 RS 結(jié)構(gòu)。在研究中，普遍認(rèn)可圖 5-18 所示的 RS 結(jié)構(gòu)確實(shí)是對(duì)微小區(qū)的一種更優(yōu)化的結(jié)構(gòu)，但增加這種 RS 結(jié)構(gòu)意味著增加一種額外的 RS 結(jié)構(gòu)選項(xiàng)，這需要額外的信令支持，而且可能給小區(qū)搜索和 SCH/BCH（同步信道/廣播信道）的設(shè)計(jì)帶來(lái)額外的麻煩（UE 需要識(shí)別每個(gè)小區(qū)使用的是哪種結(jié)構(gòu)）。另一種修改建議主張?jiān)趫D 5-17 所示結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行局部修改，在不增加 RS 開(kāi)銷(xiāo)的條件下，將原本集中在第 1 列 RS 的第 2 和第 3 天線(xiàn)的 RS 分散在第 1 和第 2 列，這樣可以獲得更高的時(shí)域密度，從而使 4 天線(xiàn)情況下更好地支持高速移動(dòng)，但由于略微降低了 RS 的頻域密度，低速下的性能可能有所損失5-155-16。LTE 最終沒(méi)有接受這兩種球修改。 225 圖 5-18 曾被考慮的對(duì)微小區(qū)優(yōu)化的 4 天線(xiàn)MIMO RS 結(jié)構(gòu)（常規(guī) CP 情況）4 天線(xiàn) MIMO RS 結(jié)構(gòu)的修改是由 RS 跳頻和RS Shifting 技術(shù)引起的。如本節(jié)第 5 點(diǎn)所述， LTE