《LTE基礎(chǔ)原理與關(guān)鍵技術(shù)》課件第1章

第1章LTE概述1.1LTE簡(jiǎn)介1.2LTE基本需求1.3LTETDD/FDD協(xié)議綜述1.4LTE與HSPA、WiMAX對(duì)比1.5小結(jié)

1.1.1LTE啟動(dòng)背景

眾所周知，移動(dòng)通信的發(fā)展方向是與互聯(lián)網(wǎng)密切結(jié)合的，即移動(dòng)通信未來(lái)的競(jìng)爭(zhēng)焦點(diǎn)是數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。從長(zhǎng)遠(yuǎn)規(guī)劃的角度來(lái)看，現(xiàn)有的3G、3.5G技術(shù)不能成為最終的解決方案，面對(duì)寬帶無(wú)線接入技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)，特別是IEEE802.16/20技術(shù)的發(fā)展，3G必須加快后續(xù)技術(shù)的研究。1.1LTE簡(jiǎn)介目前國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織正在推動(dòng)無(wú)線傳輸技術(shù)從2Mb/s向100Mb/s(E3G)、1000Mb/s(B3G)的目標(biāo)發(fā)展。競(jìng)爭(zhēng)的加劇進(jìn)一步推動(dòng)了技術(shù)的發(fā)展，從而使移動(dòng)通信寬帶化的步伐不斷加快，為迎接移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)時(shí)代的到來(lái)奠定了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。圖1.1.1給出了移動(dòng)通信技術(shù)演進(jìn)的基本路線和示意圖。從圖中可清晰地看到兩個(gè)特點(diǎn):

·移動(dòng)通信正在從2G向3G、B3G、4G演進(jìn)，載頻帶寬由窄帶向?qū)拵Оl(fā)展。

·移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)將會(huì)從以語(yǔ)音為主導(dǎo)的網(wǎng)絡(luò)向以高速數(shù)據(jù)為主導(dǎo)的網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)型。

圖1.1.1移動(dòng)通信技術(shù)演進(jìn)示意圖在第三代移動(dòng)通信的發(fā)展過(guò)程中，隨著R99、R4、R5、R6和R7各個(gè)系統(tǒng)版本技術(shù)規(guī)范的發(fā)布，3GPP作為WCDMA和TDSCDMA兩個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化工作的主要組織，為基于CDMA技術(shù)的第三代移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展發(fā)揮了重要的作用，近年來(lái)這些系統(tǒng)逐漸進(jìn)入了商用的進(jìn)程。另一方面，無(wú)線通信技術(shù)在不斷發(fā)展，以O(shè)FDM技術(shù)為代表的各項(xiàng)新技術(shù)在近幾年成為熱點(diǎn)，并且逐漸走向產(chǎn)業(yè)化。特別是這些新技術(shù)在無(wú)線寬帶接入系統(tǒng)中的出現(xiàn)，將無(wú)線通信的接入速率提升到了100Mb/s的范疇，同時(shí)開(kāi)始加強(qiáng)對(duì)于終端移動(dòng)性的支持，這給正處在3G發(fā)展期的傳統(tǒng)蜂窩移動(dòng)通信帶來(lái)了強(qiáng)大的競(jìng)爭(zhēng)壓力。在這樣的背景下，作為傳統(tǒng)移動(dòng)通信領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者，無(wú)論是為了促進(jìn)新技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化，還是應(yīng)對(duì)行業(yè)內(nèi)激烈的技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)，保持移動(dòng)通信領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)地位，都要求3GPP作出進(jìn)一步的努力。同時(shí)，移動(dòng)多媒體業(yè)務(wù)對(duì)帶寬要求越來(lái)越高，“寬帶化”成為移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

圖1.1.2給出了移動(dòng)寬帶業(yè)務(wù)需求示意圖。

圖1.1.2移動(dòng)寬帶業(yè)務(wù)需求示意圖為了應(yīng)對(duì)寬帶接入技術(shù)的挑戰(zhàn)，同時(shí)為了滿足新型業(yè)務(wù)需求，3GPP標(biāo)準(zhǔn)組織在2004年底啟動(dòng)了其長(zhǎng)期演進(jìn)(LTE)技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化工作。2004年11月，根據(jù)眾多移動(dòng)通信運(yùn)營(yíng)商、制造商和研究機(jī)構(gòu)的要求，3GPP通過(guò)了關(guān)于“EvolvedUTRAandUTRAN”(又稱為L(zhǎng)ongTermEvolution(LTE)，即“3G長(zhǎng)期演進(jìn)”)的立項(xiàng)工作，希望達(dá)到以下幾個(gè)主要目標(biāo):

·保持3GPP在移動(dòng)通信領(lǐng)域的技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)勢(shì)。

·填補(bǔ)第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)和第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)之間存在的巨大技術(shù)差距。

·希望使用已分配給第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)的頻譜，保持無(wú)線頻譜資源的優(yōu)勢(shì)。

·解決第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)存在的專利過(guò)分集中的問(wèn)題。1.1.2LTE技術(shù)特點(diǎn)

為了在未來(lái)移動(dòng)通信技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)激烈的環(huán)境中處于有利位置，LTE項(xiàng)目開(kāi)始以后，作為技術(shù)研究工作的基礎(chǔ)，在3GPP中對(duì)演進(jìn)型系統(tǒng)的市場(chǎng)需求進(jìn)行了詳細(xì)的討論，從系統(tǒng)性能要求、網(wǎng)絡(luò)的部署場(chǎng)景、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、業(yè)務(wù)支持能力以及與現(xiàn)有各個(gè)系統(tǒng)的演進(jìn)和互通關(guān)系等方面進(jìn)行了詳細(xì)的描述。相比目前各個(gè)第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)，LTE演進(jìn)具有如下主要技術(shù)特點(diǎn):

(1)提高了通信速率和頻譜效率。系統(tǒng)的最大帶寬為20MHz，在這樣的帶寬下，下行峰值速率為100Mb/s、上行峰值速率為50Mb/s。

(2)分組交換與QoS保證。系統(tǒng)在整體架構(gòu)上將基于分組交換，同時(shí)通過(guò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和嚴(yán)格的QoS機(jī)制，保證實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)(VoIP、視頻流等)的服務(wù)質(zhì)量。

(3)支持各種系統(tǒng)帶寬。除了20MHz的最大帶寬以外，還能夠支持1.4MHz、3MHz、5MHz、10MHz和15MHz等系統(tǒng)帶寬，以及“成對(duì)”與“非成對(duì)”頻段的部署，以保證將來(lái)在系統(tǒng)部署上的靈活性。

(4)明確提出系統(tǒng)在支持高移動(dòng)速率的基礎(chǔ)上，需要考慮為低移動(dòng)速率用戶提供優(yōu)化條件，同時(shí)改善小區(qū)邊緣用戶的吞吐量等具體的系統(tǒng)需求。

這些市場(chǎng)需求比較全面地描述了LTE系統(tǒng)在各個(gè)方向上的設(shè)計(jì)目標(biāo)，為具體的系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作奠定了良好的基礎(chǔ)。在LTE系統(tǒng)的技術(shù)研究方面，2005年3月，3GPP制定了相應(yīng)的工作計(jì)劃，各工作小組開(kāi)始了各個(gè)方面的具體研究工作，其中包括:

·RAN1工作組:對(duì)于LTE系統(tǒng)物理層的研究。

·RAN2、RAN3和SA2工作組:對(duì)于網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和接入網(wǎng)協(xié)議功能的研究。

·RAN4工作組:對(duì)于無(wú)線射頻以及接入網(wǎng)性能評(píng)估的研究。物理層作為空中接口的基礎(chǔ)在移動(dòng)通信系統(tǒng)中扮演著重要的角色，而無(wú)線接入的多址方式作為物理層的基礎(chǔ)，在移動(dòng)通信系統(tǒng)的演進(jìn)中起著重要的作用。

3GPPRAN1工作組對(duì)各個(gè)公司提交的候選提案進(jìn)行了概括和收斂，確定了六種備選的多址方式，包括:

方式1:FDD，上行SCFDMA(SingleCarrierFDMA)，下行OFDMA。

方式2:FDD，上行OFDMA，下行OFDMA。

方式3:FDD，MCWCDMA。

方式4:TDD，MCTDSCDMA。

方式5:TDD，上行OFDMA，下行OFDMA。

方式6:TDD，上行SCFDMA，下行OFDMA。

這六種備選方案中，方式3和方式4是對(duì)于現(xiàn)有基于CDMA技術(shù)的第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)進(jìn)行多載波演進(jìn)的方案，方式1、2、5、6是以O(shè)FDM技術(shù)為基礎(chǔ)的多址方式。隨后，工作組開(kāi)始了對(duì)于上述六種方案的篩選過(guò)程，由于多址方式對(duì)于移動(dòng)通信系統(tǒng)至關(guān)重要，因此相關(guān)的篩選過(guò)程受到了廣泛的重視。在2005年12月結(jié)束的3GPPRAN全會(huì)上，首先從六種候選的多址技術(shù)方案中選擇了方式1和方式6為L(zhǎng)TE關(guān)于多址方式的工作假設(shè)，同時(shí)開(kāi)展后續(xù)的研究工作。方式3和方式4作為對(duì)現(xiàn)有3G系統(tǒng)更加直接的演進(jìn)方式，在目前3GPP已有的版本演進(jìn)路線上進(jìn)行，由此確定了LTE系統(tǒng)將采用以O(shè)FDM技術(shù)為基礎(chǔ)的多址方式。

關(guān)于網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的研究也在積極地進(jìn)行，在整體方向上與第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)相比較，LTE的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)將向“扁平化”方向發(fā)展，其中涉及若干具體問(wèn)題，例如扁平網(wǎng)絡(luò)的簡(jiǎn)單與靈活、多層次網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)性支持與安全性等內(nèi)容也得到深入討論，以尋求良好的解決方案。

總體說(shuō)來(lái)，隨著項(xiàng)目的進(jìn)展以及若干系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)問(wèn)題的解決，LTE系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展方向已經(jīng)明確進(jìn)入到具體技術(shù)細(xì)節(jié)的設(shè)計(jì)與完善階段。1.1.3LTE標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)展

2008年12月正式發(fā)布了LTER8版本，它定義了LTE的基本功能。在R9階段，是3GPP很小的版本，在這個(gè)版本里主要增加了兩層Beamforming、定位等功能，同時(shí)繼續(xù)完善LTE家庭基站，特別是增強(qiáng)了管理和安全方面以及LTE微微基站和自組織管理的功能。未來(lái)的4G是作為3GPPR10/R11版本，和ITU的4G標(biāo)準(zhǔn)基本進(jìn)程一致，估計(jì)在2011年左右完成。R10版本可以運(yùn)行在100MHz帶寬上，并且進(jìn)一步提升LTE的上行傳輸性能，同時(shí)增強(qiáng)MBNS以及SON功能。國(guó)內(nèi)的CCSA標(biāo)準(zhǔn)組織在2008年開(kāi)展了整體技術(shù)研究工作，包括核心網(wǎng)絡(luò)和無(wú)線接口的網(wǎng)絡(luò)總體技術(shù)要求，以及在核心網(wǎng)絡(luò)方面的設(shè)備研制工作，在2009年制定LTETDD設(shè)備規(guī)范和核心網(wǎng)絡(luò)的系列行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

3GPPLTE項(xiàng)目以制定3G演進(jìn)型系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范作為目標(biāo)，在時(shí)間上按照3GPP的工作流程分為兩個(gè)階段:從2004年12月到2006年6月為“StudyItem”，即技術(shù)可行性研究階段；從2006年6月到2007年6月為“WorkItem”，即具體技術(shù)規(guī)范的撰寫(xiě)階段。按照計(jì)劃，2007年6月3GPP開(kāi)始發(fā)布3G演進(jìn)型系統(tǒng)第一個(gè)版本的技術(shù)規(guī)范。具體LTE標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)展如圖1.1.3所示，并且在2009年3月開(kāi)始凍結(jié)R8協(xié)議。

圖1.1.3LTE標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)展示意圖為了更好地推動(dòng)LTE標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展，3GPP將36序列規(guī)范編號(hào)分配給LTE專用，其主要編號(hào)和主要內(nèi)容見(jiàn)表1.1.1。

表1.1.1LTE協(xié)議規(guī)范序列

續(xù)表續(xù)表1.1.4LTE產(chǎn)業(yè)進(jìn)展

目前整個(gè)寬帶無(wú)線市場(chǎng)的發(fā)展方向更加清晰，一方面，3GPP2放棄了UMB技術(shù)，明確了向LTE長(zhǎng)期發(fā)展路線，使得3GPP2的技術(shù)路線更加清晰；另一方面，來(lái)自于市場(chǎng)的原動(dòng)力以及迫于市場(chǎng)對(duì)于移動(dòng)寬帶業(yè)務(wù)快速發(fā)展的需求(例如北美和日本市場(chǎng))，很多運(yùn)營(yíng)商開(kāi)始在2009年推出LTE網(wǎng)絡(luò)部署。2009年巴塞羅那會(huì)議上，包括Verizon已經(jīng)宣布在2010年初期部署LTE，在2015年達(dá)到全北美的覆蓋，在瑞典也已經(jīng)開(kāi)始部署。NTTDoCoMo也計(jì)劃在2010年左右推出LTE網(wǎng)絡(luò)。圖1.1.4顯示了主要運(yùn)營(yíng)商LTEFDD網(wǎng)絡(luò)部署時(shí)間。

圖1.1.4主要運(yùn)營(yíng)商LTEFDD網(wǎng)絡(luò)部署時(shí)間

3G演進(jìn)項(xiàng)目在移動(dòng)通信領(lǐng)域開(kāi)始了新一輪的技術(shù)發(fā)展，國(guó)內(nèi)包括政府、企業(yè)、高校和研究機(jī)構(gòu)等單位都高度重視。2005年7月由信息產(chǎn)業(yè)部、科學(xué)技術(shù)部和國(guó)家發(fā)展與改革委員會(huì)聯(lián)合發(fā)起成立了“寬帶無(wú)線移動(dòng)通信技術(shù)專家組(即BWM專家組)”，負(fù)責(zé)國(guó)內(nèi)關(guān)于新型寬帶無(wú)線移動(dòng)通信技術(shù)(其中包括3G演進(jìn)型技術(shù)和寬帶無(wú)線接入技術(shù))的策略和標(biāo)準(zhǔn)推進(jìn)的研究工作。該專家組由國(guó)內(nèi)相關(guān)方面領(lǐng)導(dǎo)和專家組成，成員包括國(guó)內(nèi)無(wú)線通信領(lǐng)域的各個(gè)主要運(yùn)營(yíng)商、制造商和研究機(jī)構(gòu)，同時(shí)國(guó)內(nèi)的各相關(guān)高校作為我國(guó)863高科技計(jì)劃的重要成員，也在其中積極地參與了各項(xiàng)工作并已經(jīng)取得了一些成果。圖1.1.5顯示了LTETDD研究與開(kāi)發(fā)路標(biāo)。

圖1.1.5LTETDD研究與開(kāi)發(fā)路標(biāo)整個(gè)LTETDD測(cè)試驗(yàn)證分成三個(gè)階段:

第一階段:概念驗(yàn)證。該階段包括室內(nèi)和室外工作，主要對(duì)LTETDD的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行驗(yàn)證。

第二階段:技術(shù)試驗(yàn)。該階段又分成兩個(gè)子階段，子階段1為單系統(tǒng)室內(nèi)測(cè)試，從2009年8月開(kāi)始，主要針對(duì)系統(tǒng)和終端測(cè)試。之后進(jìn)入子階段2，主要集中在外場(chǎng)測(cè)試，對(duì)LTETDD外場(chǎng)系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)的性能以及IOT做全面認(rèn)證。

第三階段:規(guī)模試驗(yàn)。這個(gè)階段在2010年下半年開(kāi)始，其目標(biāo)是希望提供的測(cè)試產(chǎn)品應(yīng)該是面向可商用版本的系統(tǒng)設(shè)備。目前CMCC已經(jīng)組織國(guó)內(nèi)外的一些廠家完成了室內(nèi)PoC測(cè)試階段，進(jìn)入外場(chǎng)驗(yàn)證階段。在室內(nèi)測(cè)試階段，主要對(duì)LTETDD主要的性能參數(shù)進(jìn)行了驗(yàn)證，包括峰值速率、小區(qū)吞吐量、AMC等關(guān)鍵技術(shù)，還將各項(xiàng)系統(tǒng)指標(biāo)(如支持的移動(dòng)速度、傳輸時(shí)延、功控等)和原有3GPP設(shè)計(jì)進(jìn)行了對(duì)比。

總體來(lái)看，移動(dòng)寬帶數(shù)據(jù)的爆炸式和井噴式發(fā)展，促進(jìn)了LTE快速部署，使得LTE成為行業(yè)共識(shí)的寬帶移動(dòng)通信的發(fā)展方向，產(chǎn)業(yè)研發(fā)和各方面的資源也在向LTE方向聚集。在我國(guó)，LTE-TDD工作組的工作已經(jīng)全面啟動(dòng)，工信部和CMCC在積極推進(jìn)LTE整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的部署以及測(cè)試認(rèn)證和終端一致性認(rèn)證等工作，目的是通過(guò)工作組的工作，加速LTE-TDD產(chǎn)業(yè)鏈的全面形成和健康發(fā)展。1.1.5LTE頻譜劃分

LTE作為寬帶無(wú)線的應(yīng)用，頻譜是至關(guān)重要的，表1.1.2為E-UTRA所支持的頻段范圍。表1.1.2EUTRA頻段范圍

3.4GHz、3.6GHz等高端頻段在2007年也新分配給了LTE，目前各個(gè)運(yùn)營(yíng)商在積極促進(jìn)低頻段的頻率在LTE寬帶無(wú)線方面的應(yīng)用，主要集中在400MHz、700MHz，2.3GHz和2.5GHz頻段。大家普遍達(dá)成共識(shí):在低頻段意味著低成本、良好的覆蓋和性能。其中400MHz作為低頻段的代表，在2009年巴塞羅那會(huì)議上得到大家的共識(shí)性呼吁，希望在400MHz頻段為寬帶無(wú)線移動(dòng)提供100MHz帶寬的資源。另外，由于逐漸從模擬電視向數(shù)字電視過(guò)渡，700MHz的廣播頻段在發(fā)達(dá)國(guó)家也明確了轉(zhuǎn)網(wǎng)時(shí)間，因此2008年北美完成了700MHz的拍賣(mài)，歐洲也在積極規(guī)劃這個(gè)頻段。從2007年底開(kāi)始，2.5GHz到2.6GHz頻段逐漸被拍賣(mài)，日本、挪威、瑞典已經(jīng)完成了拍賣(mài)，我國(guó)香港也于2008年完成了該頻段的拍賣(mài)，2009年歐洲很多國(guó)家繼續(xù)拍賣(mài)這個(gè)頻段。我國(guó)內(nèi)地比較早地規(guī)劃了2.3GHz到2.4GHz頻段作為T(mén)DD頻段，這個(gè)頻段可能作為T(mén)DDLTE的主體頻段使用，目前也在規(guī)劃2.6GHzTDD頻段。

根據(jù)LTE協(xié)議，EUTRA系統(tǒng)可以在表1.1.2的各頻段中運(yùn)營(yíng)。表1.1.3給出了LTE系統(tǒng)可以支持的信道帶寬及對(duì)應(yīng)的RB(ResourceBlock)數(shù)目。

表1.1.3不同帶寬下RB數(shù)目圖1.1.6顯示了總信道帶寬與系統(tǒng)傳輸帶寬(RB)之間的關(guān)系，為了防止本系統(tǒng)帶寬內(nèi)的信號(hào)泄露到相鄰信道而造成干擾，實(shí)際中的傳輸帶寬相比系統(tǒng)帶寬略小，兩側(cè)均留有一定的保護(hù)間隔，即保護(hù)帶，這個(gè)保護(hù)帶可以用來(lái)形成濾波器的滾降。另外，對(duì)于下行OFDM系統(tǒng)，中央的直流(DC)子載波留空不用。

圖1.1.6總信道帶寬與系統(tǒng)傳輸帶寬之間的關(guān)系1.1.6LTE系統(tǒng)架構(gòu)

LTE以O(shè)FDM技術(shù)為基礎(chǔ)，構(gòu)成新一代無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，該系統(tǒng)無(wú)線側(cè)以MIMO和64QAM等技術(shù)為基礎(chǔ)，可實(shí)現(xiàn)100Mb/s以上速率。同時(shí)LTE系統(tǒng)只存在PS域，在系統(tǒng)架構(gòu)上，LTE在3GPP原有系統(tǒng)架構(gòu)上進(jìn)行演進(jìn)，但對(duì)3G系統(tǒng)的NodeB、RNC、CN進(jìn)行功能整合，系統(tǒng)設(shè)備簡(jiǎn)化為eNodeB和EPC兩種網(wǎng)元，其中3G系統(tǒng)中的NodeB和RNC合并為eNodeB。整個(gè)LTE系統(tǒng)由核心網(wǎng)(EPC)、基站(eNodeB或eNB)和用戶設(shè)備(UE)三部分組成。其中eNodeB負(fù)責(zé)接入網(wǎng)部分，也稱EUTRAN；EPC負(fù)責(zé)核心網(wǎng)部分，EPC信令處理部分稱MME，數(shù)據(jù)處理部分稱為SAEGateway。eNodeB與EPC通過(guò)S1接口連接，eNodeB間通過(guò)X2接口連接，UE與eNodeB通過(guò)Uu接口連接。和3G相比，X2接口類似于IuR接口，S1接口類似于Iu接口，但有較大簡(jiǎn)化。另外，由于NodeB和RNC融合為網(wǎng)元eNodeB，LTE比3G少了Iub接口。

LTE系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1.1.7所示。

LTE中協(xié)議棧描述如圖1.1.8所示。

圖1.1.7LTE系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

圖1.1.8LTE協(xié)議棧示意圖

LTE空中接口是EUTRAN與UE之間的接口，分為用戶面和控制面。圖1.1.9和圖1.1.10分別是用戶面和控制面示意圖。

用戶面部分包括PDCP子層、RLC子層、MAC子層和物理層。在網(wǎng)絡(luò)側(cè)，PDCP子層位于aGW(接入網(wǎng)關(guān))，RLC子層、MAC子層和物理層位于eNB。PDCP子層完成IP頭壓縮、完整性保護(hù)和加密，RLC子層、MAC子層完成調(diào)度、ARQ和HARQ功能，物理層完成信道編/解碼、調(diào)制解調(diào)、MIMO處理、測(cè)量和指示、HARQ合并、功率控制、頻率和時(shí)間同步、切換、鏈路適配、物理資源映射、射頻信號(hào)傳輸?shù)取?/p>

圖1.1.9用戶面協(xié)議棧圖1.1.10控制面協(xié)議棧控制面部分包括NAS、PDCP子層、RRC子層、RLC子層、MAC子層和物理層。LTEEUTRAN和核心網(wǎng)功能劃分如圖1.1.11所示。

圖1.1.11無(wú)線側(cè)與核心網(wǎng)功能劃分

3GPP把LTE作為3G系統(tǒng)的演進(jìn)是從2004年11月加拿大多倫多的3GPP接入網(wǎng)演進(jìn)學(xué)術(shù)討論會(huì)(RANEvolutionWorkshop)開(kāi)始的。當(dāng)時(shí)考慮到WiMAX等寬帶無(wú)線通信技術(shù)的迅速發(fā)展，3GPP需要提出自己的標(biāo)準(zhǔn)，參與寬帶無(wú)線通信技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)。討論會(huì)上確定了一些高層需求，主要包括以下內(nèi)容：①降低每比特成本；②增強(qiáng)對(duì)未來(lái)業(yè)務(wù)的支持能力；③可以靈活地在已有和新的頻段上部署；④結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，接口開(kāi)放；⑤考慮終端適當(dāng)?shù)厥‰姟?.2LTE基本需求

3GPP于2004年12月正式成立了LTE研究項(xiàng)目(StudyItem)，其目標(biāo)為:發(fā)展3GPP無(wú)線接入技術(shù)，向著“高數(shù)據(jù)速率、低延遲和優(yōu)化分組數(shù)據(jù)應(yīng)用”方向演進(jìn)。負(fù)責(zé)LTE研究項(xiàng)目的工作組為RAN1(RadioAccessNetworksWG1)、RAN2、RAN3、RAN4。根據(jù)計(jì)劃，研究項(xiàng)目在2006年6月完成新的空中接口技術(shù)和接入網(wǎng)結(jié)構(gòu)的甄選，之后轉(zhuǎn)入到3GPP工作項(xiàng)目(WorkItem)，開(kāi)始標(biāo)準(zhǔn)制定，2007年6月完成標(biāo)準(zhǔn)，2009年實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)商用。

3GPP在開(kāi)展LTE研究工作的同時(shí)，啟動(dòng)了SAE(SystemArchitectureEvolution)研究項(xiàng)目，該項(xiàng)目由SA2(Services&SystemAspectsWG2)工作組牽頭，RAN3配合。LTE與SAE之間有著緊密的聯(lián)系，共同構(gòu)建了3GPP的系統(tǒng)整體演進(jìn)。

LTE項(xiàng)目首先從定義需求開(kāi)始，僅用6個(gè)月就完成了系統(tǒng)需求的制定，各項(xiàng)需求指標(biāo)直指WiMAX。在2005年6月TSGRAN#28的魁北克全會(huì)上，通過(guò)了LTE的需求報(bào)告，需求指標(biāo)寫(xiě)入需求報(bào)告TR25.913。各項(xiàng)需求概括描述如下:

·峰值速率:上、下行各20MHz帶寬條件下，下行峰值速率為100Mb/s，上行峰值速率為50Mb/s。

·控制面延遲:空閑狀態(tài)到激活狀態(tài)的轉(zhuǎn)換時(shí)間小于100ms。

·控制面容量:5MHz帶寬下，每小區(qū)應(yīng)至少支持200個(gè)激活用戶。

·用戶面延遲:系統(tǒng)在單用戶、單業(yè)務(wù)流以及小IP包條件下，用戶面延遲小于5ms。

·用戶吞吐量:下行用戶平均吞吐量3～4倍于Release6HSDPA；上行用戶平均吞吐量2～3倍于Release6HSDPA。

·頻譜效率:在有負(fù)荷的網(wǎng)絡(luò)中，下行頻譜效率(bit/sec/Hz/site)3～4倍于Release6HSDPA；下行頻譜效率2～3倍于Release6HSDPA。

·移動(dòng)性:演進(jìn)系統(tǒng)需優(yōu)化在低速(0~15km/h)情況下；較高的性能下仍支持高移動(dòng)速度(15~120km/s)；系統(tǒng)在120～350km/h的移動(dòng)速度下可用。

·系統(tǒng)覆蓋:小區(qū)半徑5km情況下，系統(tǒng)吞吐量、頻譜效率和移動(dòng)性等指標(biāo)符合需求定義要求；小區(qū)半徑30km情況下，上述指標(biāo)略有降低；系統(tǒng)能夠支持100km半徑的小區(qū)。演進(jìn)系統(tǒng)支持在1.4MHz、3MHz、5MHz、10MHz、15MHz和20MHz帶寬部署，支持成對(duì)和非成對(duì)頻譜。

·系統(tǒng)共存以及與其他3GPP接入技術(shù)的互聯(lián)互通:支持UTRAN和GERAN的演進(jìn)系統(tǒng)多模終端，應(yīng)該能夠支持與UTRAN和GERAN之間的測(cè)量和切換。

·系統(tǒng)結(jié)構(gòu):基于分組的、單一的、支持端到端QoS的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

·無(wú)線資源管理需求:增強(qiáng)支持端到端QoS(QualityofService，服務(wù)質(zhì)量)；支持在不同接入網(wǎng)技術(shù)之間負(fù)荷分擔(dān)和策略管理。

·系統(tǒng)復(fù)雜度方面:最小化可選項(xiàng)，無(wú)冗余的必選項(xiàng)。

表1.2.1為L(zhǎng)TE需求匯總。

表1.2.1LTE需求匯總續(xù)表

LTE系統(tǒng)同時(shí)定義了頻分雙工(FDD)和時(shí)分雙工(TDD)兩種方式。2007年11月，3GPPRAN1會(huì)議通過(guò)了27家公司聯(lián)署的LTETDD融合幀結(jié)構(gòu)的建議，統(tǒng)一了LTETDD的兩種幀結(jié)構(gòu)。融合后的LTETDD幀結(jié)構(gòu)是以TDSCDMA的幀結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的，這就為T(mén)DSCDMA成功演進(jìn)到LTE乃至4G標(biāo)準(zhǔn)奠定了基礎(chǔ)。TDD幀結(jié)構(gòu)的融合使更多的廠商參與到TDD的標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程中，LTETDD技術(shù)受到了廣泛的重視，其產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程也有了顯著的發(fā)展。1.3LTETDD/FDD協(xié)議綜述圖1.3.1、圖1.3.2分別給出了當(dāng)前LTEFDD和LTETDD協(xié)議定義的無(wú)線幀格式。它們都統(tǒng)一定義10ms的無(wú)線幀，每個(gè)無(wú)線幀都包含10個(gè)子幀，每個(gè)子幀1ms。每個(gè)子幀又定義成兩個(gè)時(shí)隙，每個(gè)時(shí)隙0.5ms。每個(gè)無(wú)線幀包括兩個(gè)長(zhǎng)度為T(mén)f＝153600×Ts＝5ms的半幀。

圖1.3.1LTEFDD幀結(jié)構(gòu)圖1.3.2LTETDD幀結(jié)構(gòu)對(duì)于LTETDD而言，每個(gè)半幀由8個(gè)長(zhǎng)度為T(mén)slot＝15360Ts＝0.5ms的時(shí)隙和3個(gè)特殊區(qū)域DwPTS、GP和UpPTS組成。DwPTS、GP和UpPTS的總長(zhǎng)度等于30720Ts＝1ms，DwPTS和UpPTS的長(zhǎng)度可配置。子幀1和6由DwPTS、GP和UpPTS組成，所有其他子幀由2個(gè)時(shí)隙組成，即子幀i包括時(shí)隙2i和2i＋1。

子幀0和子幀5總是用作下行。LTE支持5ms和10ms上/下行切換點(diǎn)。對(duì)于5ms上/下行切換周期，子幀2和子幀7總是用作上行。對(duì)于10ms上/下行切換周期，每個(gè)半幀都有DwPTS；只在第一個(gè)半幀內(nèi)有GP和UpPTS，第二個(gè)半幀的DwPTS長(zhǎng)度為30720Ts＝1ms。UpPTS和子幀2用作上行，子幀7和子幀9用作下行。

LTEFDD/TDD固定每子載波帶寬為Δf＝15kHz(PRACH/MBMS除外，因?yàn)樗鼈冏虞d波帶寬分別為1.25kHz和7.5kHz)，為了支持最大20MHz的信號(hào)帶寬(協(xié)議定義為1200個(gè)子載波，即有效帶寬為1200×15kHz＝18MHz)，同時(shí)也為了最近FFT點(diǎn)數(shù)的需要，離1200最近的2N，就是2048點(diǎn)，即代表2048個(gè)子載波，因此確定20MHz最低采樣頻率也為30.72MHz，對(duì)應(yīng)時(shí)域采樣間隔為1/30.72MHz，即32.55ns。1.3.1下行傳輸方案

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(gè)子載波占用15kHz，循環(huán)前綴的持續(xù)時(shí)間為4.7μs和16.7μs，分別對(duì)應(yīng)短CP和長(zhǎng)CP。為了滿足數(shù)據(jù)傳輸延遲的要求(在輕負(fù)載情況下，用戶面延遲小于5ms)，LTE系統(tǒng)采用很短的交織長(zhǎng)度(TTI)和自動(dòng)重傳請(qǐng)求(ARQ)周期，因此，10ms無(wú)線幀被分成20個(gè)同等大小的時(shí)隙，長(zhǎng)度為0.5ms。下行數(shù)據(jù)的調(diào)制主要采用QPSK、16QAM和64QAM這三種方式。針對(duì)廣播業(yè)務(wù)，一種獨(dú)特的分層調(diào)制(hierarchicalmodulation)方式也被考慮采用。分層調(diào)制的思想是，在應(yīng)用層將一個(gè)邏輯業(yè)務(wù)分成兩個(gè)數(shù)據(jù)流，一個(gè)是高優(yōu)先級(jí)的基本層，另一個(gè)是低優(yōu)先級(jí)的增強(qiáng)層。在物理層，這兩個(gè)數(shù)據(jù)流分別映射到信號(hào)星座圖的不同層。由于基本層數(shù)據(jù)映射后的符號(hào)距離比增強(qiáng)層的符號(hào)距離大，因此，基本層的數(shù)據(jù)流可以被包括遠(yuǎn)離基站和靠近基站的用戶接收，而增強(qiáng)層的數(shù)據(jù)流只能被靠近基站的用戶接收。也就是說(shuō)，同一個(gè)邏輯業(yè)務(wù)可以在網(wǎng)絡(luò)中根據(jù)信道條件的優(yōu)劣提供不同等級(jí)的服務(wù)。在目前的LTE標(biāo)準(zhǔn)中，業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的信道編碼是以R6的Turbo編碼為基礎(chǔ)，以新的內(nèi)交織器代替原交織器?？刂菩诺啦捎玫木幋a器是tail-biting卷積碼。此外，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(yàn)(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(fù)雜度上也略有減小。

MIMO技術(shù)在R7中已經(jīng)被引入，是UTRAN增強(qiáng)的一個(gè)重要特性。而在LTE中，MIMO被認(rèn)為是達(dá)到用戶平均吞吐量和頻譜效率要求的最佳技術(shù)。下行MIMO天線的基本配置是，在基站設(shè)兩個(gè)發(fā)射天線，在UE設(shè)兩個(gè)接收天線，即2×2的天線配置。更高的下行配置，如4×4的MIMO也可以支持。開(kāi)環(huán)發(fā)射分集和開(kāi)環(huán)MIMO在無(wú)反饋的傳輸中可以被應(yīng)用，如下行控制信道和增強(qiáng)的廣播多播業(yè)務(wù)。

雖然宏分集技術(shù)在3G時(shí)代扮演了相當(dāng)重要的角色，但在HSDPA/HSUPA中已基本被摒棄。LTE沿用了HSDPA/HSUPA思想，即只通過(guò)鏈路自適應(yīng)和快速重傳來(lái)獲得增益，而放棄了宏分集這種需要網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)支持的技術(shù)。在2006年3月的RAN總會(huì)上，確認(rèn)了E-UTRAN中不再包含RNC節(jié)點(diǎn)，因而，除廣播業(yè)務(wù)外，需要中心節(jié)點(diǎn)(如RNC)進(jìn)行控制的宏分集技術(shù)在LTE中不再考慮。小區(qū)搜索的設(shè)計(jì)主要集中在同步信道的設(shè)計(jì)和小區(qū)序列的設(shè)計(jì)上。考慮到小區(qū)搜索的復(fù)雜性，LTE傾向采用主同步信道進(jìn)行小區(qū)同步，輔同步信道進(jìn)行小區(qū)標(biāo)識(shí)(ID)的檢測(cè)。在主同步信道采用公共的導(dǎo)頻序列，而在輔同步信道上各小區(qū)采用不同的導(dǎo)頻序列。其中在小區(qū)導(dǎo)頻序列的設(shè)計(jì)中，序列必須兼顧性能和復(fù)雜度要求。目前可供參考的碼類型有PN、ZC(Zadoff-Chu)、Frank等。

目前下行單用戶多天線傾向于無(wú)層間打亂，主要采取基于酉矩陣的預(yù)編碼技術(shù)，終端的反饋為酉矩陣的指數(shù)，其他一些技術(shù)還需要進(jìn)一步研究。下行多用戶多天線傾向于終端的反饋基于酉矩陣，但基站的預(yù)編碼矩陣不一定為酉矩陣。1.3.2上行傳輸方案

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(hào)，然后插入零符號(hào)進(jìn)行擴(kuò)頻，擴(kuò)頻信號(hào)再通過(guò)IFFT。這個(gè)過(guò)程簡(jiǎn)寫(xiě)為DFT-S-OFDM。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(jī)一側(cè)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(lái)傳輸上行數(shù)據(jù)，剩余部分則被插入若干個(gè)零值。頻譜資源的分配有兩種方式:一是局部式(localized)傳輸，即DFT的輸出映射到連續(xù)的子載波上；另一個(gè)是分布式(distributed)傳輸，即DFT的輸出映射到離散的子載波上。目前上行方案確定采用局部式資源映射。

上行調(diào)制主要采用QPSK、16QAM、64QAM。上行信道編碼與下行相同。上行單用戶MIMO天線的基本配置為:UE有兩個(gè)發(fā)射天線，eNB有兩個(gè)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(shù)在LTE中被采納。通常是2×2的虛擬MIMO，兩個(gè)UE各自有一個(gè)發(fā)射天線，并共享相同的時(shí)-頻域資源。這些UE采用相互正交的參考信號(hào)圖譜，以簡(jiǎn)化eNB的處理。從UE的角度看，2×2虛擬MIMO與單天線傳輸?shù)牟煌?，僅僅在于參考信號(hào)圖譜的使用必須與其他UE配對(duì)?；窘邮諜C(jī)可以對(duì)這兩個(gè)UE發(fā)送的信號(hào)進(jìn)行虛擬MIMO檢測(cè)。隨機(jī)接入主要分為非同步的隨機(jī)接入和同步的隨機(jī)接入。在非同步的隨機(jī)接入中，為了提高基站對(duì)用戶接入的控制效率，傾向于在用戶的簽名序列中隱含用戶的消息比特(例如用戶的接入目的、用戶的信道質(zhì)量指示等)。用戶的簽名序列采用ZC序列。在小區(qū)覆蓋大小的考慮上，對(duì)于大區(qū)的覆蓋討論集中在采用更長(zhǎng)的碼還是簡(jiǎn)單的短碼重復(fù)，最后從復(fù)雜度和對(duì)頻偏的抵抗性考慮，LTE傾向采用后者的方案。對(duì)于同步的隨機(jī)接入，目前的討論還不是很多。從功能上而言，許多公司都提議取消同步隨機(jī)接入的信道，因?yàn)橛脩舻馁Y源請(qǐng)求可以通過(guò)很多的傳輸方式遞交給基站，所以沒(méi)有必要單獨(dú)設(shè)計(jì)一個(gè)同步的隨機(jī)接入信道供同步的用戶發(fā)送資源請(qǐng)求。

對(duì)于隨機(jī)接入而言，協(xié)議定義了Format0~Format4，其中Format4定義為T(mén)DD獨(dú)有形式，可以在UpPTS上發(fā)射。1.3.3層2技術(shù)

為了制定一個(gè)盡量統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，層2標(biāo)準(zhǔn)的制定將不考慮FDD和TDD的差異，也就是說(shuō)希望FDD和TDD在層2進(jìn)行融合和統(tǒng)一。1.3.3.1層2簡(jiǎn)化協(xié)議結(jié)構(gòu)

由于基于全分組的協(xié)議，3GPPLTE的協(xié)議結(jié)構(gòu)得到極大簡(jiǎn)化，RLC和MAC都位于節(jié)點(diǎn)eNB，因此調(diào)度器可以根據(jù)信道質(zhì)量對(duì)RLC服務(wù)數(shù)據(jù)單元(SDU)進(jìn)行切割，從而減少填充和充分利用信道的傳輸能力，同時(shí)可以對(duì)RLC層的自動(dòng)重發(fā)請(qǐng)求(ARQ)和MAC層的混合自動(dòng)重發(fā)請(qǐng)求(HARQ)進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化。

圖1.3.3給出了下行層2的協(xié)議結(jié)構(gòu)，由于電路域交換的去除，協(xié)議結(jié)構(gòu)變得非常簡(jiǎn)單。

圖1.3.3下行層2的協(xié)議結(jié)構(gòu)與3G的協(xié)議相比，HARQ和ARQ實(shí)體都位于eNB，RLCSDU的長(zhǎng)度是可變長(zhǎng)的，同時(shí)支持RLC協(xié)議數(shù)據(jù)單元(PDU)的重分割，從而使業(yè)務(wù)載荷能夠很好地適應(yīng)信道質(zhì)量；另一方面，由于苛刻的時(shí)延需求，要求填充小，因此3GPPLTE的層2協(xié)議支持屬于同一終端的多個(gè)無(wú)線承載在MAC層的復(fù)接。

圖1.3.4給出了目前3GPPLTE傾向的RLC和MAC結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)較好地支持了由于苛刻時(shí)延要求導(dǎo)致的開(kāi)銷(xiāo)增加較大問(wèn)題。

圖1.3.4RLC和MAC結(jié)構(gòu)1.3.3.2ARQ和HARQ設(shè)計(jì)原則

ARQ和HARQ實(shí)現(xiàn)最重要的數(shù)據(jù)可靠傳輸保證，同時(shí)由于ARQ和HARQ都位于eNB，有利于系統(tǒng)的聯(lián)合設(shè)計(jì)。

ARQ的設(shè)計(jì)原則:保證協(xié)議層間的相互獨(dú)立性，RLC序號(hào)與包數(shù)據(jù)匯聚協(xié)議(PDCP)的序號(hào)各自獨(dú)立；減少RLC頭開(kāi)銷(xiāo)(RLC序號(hào)基于RLCPDU，ARQ的重傳基于RLCPDU)；ARQ的重傳支持重分割(適配信道質(zhì)量)，重分割的次數(shù)大于1。與R6的ARQ協(xié)議相比，HARQ協(xié)議得到巨大簡(jiǎn)化。ARQ和HARQ互協(xié)作的主要目的是快速觸發(fā)ARQ的重傳，減少空中接口傳輸時(shí)延和避免傳輸控制協(xié)議(TCP)因確認(rèn)/非確認(rèn)(ACK/NACK)誤判激活。HARQ主要措施有:若HARQ發(fā)端發(fā)現(xiàn)包傳輸失敗，HARQ發(fā)端可以觸發(fā)ARQ進(jìn)行重傳；而HARQ收端進(jìn)行合并。1.3.3.3VoIP業(yè)務(wù)的調(diào)度和信令設(shè)計(jì)

由于VoIP業(yè)務(wù)在相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)是殺手級(jí)應(yīng)用，因此3GPPLTE對(duì)VoIP業(yè)務(wù)采取了許多措施進(jìn)行優(yōu)化。

VoIP業(yè)務(wù)的特點(diǎn):業(yè)務(wù)到達(dá)時(shí)間間隔為20ms左右，業(yè)務(wù)載荷為40B左右，靜音間隔為160ms。

VoIP業(yè)務(wù)調(diào)度的設(shè)計(jì)原則:由于VoIP包比較小和傳輸時(shí)間間隔短，因此與VoIP相關(guān)的信令開(kāi)銷(xiāo)必須也比較小(或開(kāi)銷(xiāo)為零)；對(duì)于靜態(tài)或半靜態(tài)調(diào)度，調(diào)度器必須支持資源的再分配；調(diào)度器必須能處理VoIP的重發(fā)和業(yè)務(wù)載荷突變。1.3.3.4單播業(yè)務(wù)和多播業(yè)務(wù)的融合

應(yīng)業(yè)務(wù)需求和運(yùn)營(yíng)商的強(qiáng)烈要求，3GPPLTE特別加強(qiáng)了對(duì)廣播和多播業(yè)務(wù)的支持。當(dāng)多播業(yè)務(wù)只在一個(gè)小區(qū)有需求時(shí)，可以使用下行共享信道(DLSCH)進(jìn)行傳輸，多播業(yè)務(wù)也可以使用多播信道(MCH)進(jìn)行傳輸，從而獲得多小區(qū)傳輸合并分集。應(yīng)運(yùn)營(yíng)商的要求，3GPPLTE給出了如圖1.3.5所示的在MBMS專有小區(qū)的傳輸模式。

圖1.3.5中，圖(a)、(d)為傳輸模式一，即單小區(qū)模式；圖(b)、(c)為傳輸模式二，即多小區(qū)模式。

圖1.3.5MBMS專有小區(qū)的傳輸模式1.3.4FDD和TDD的差異

從協(xié)議層面，F(xiàn)DD和TDD做了最大可能的融合，但兩者在一些細(xì)節(jié)方面還略有差異，主要有如下幾方面:

1)雙工方式

FDD為頻分雙工；TDD為時(shí)分雙工。

2)上行和下行頻段

FDD必須在分離的兩個(gè)對(duì)稱頻率信道上進(jìn)行接收和發(fā)送，用保護(hù)頻段來(lái)分離接收和發(fā)送信道。FDD必須采用成對(duì)的頻率，依靠頻率來(lái)區(qū)分上、下行鏈路，其單方向的資源在時(shí)間上是連續(xù)的。TDD用時(shí)間來(lái)分離接收和發(fā)送信道。在TDD方式的移動(dòng)通信系統(tǒng)中，接收和發(fā)送使用同一頻率載波的不同時(shí)隙作為信道的承載，其單方向的資源在時(shí)間上是不連續(xù)的，時(shí)間資源在兩個(gè)方向上進(jìn)行了分配。

3)頻譜配置

FDD在支持對(duì)稱業(yè)務(wù)時(shí)，能充分利用上、下行的頻譜，但在支持非對(duì)稱業(yè)務(wù)時(shí)，頻譜利用率將大大降低。TDD具有如下優(yōu)勢(shì):能夠靈活配置頻率，使用FDD系統(tǒng)不易使用的零散頻段；可以通過(guò)調(diào)整上、下行時(shí)隙轉(zhuǎn)換點(diǎn)，提高下行時(shí)隙比例，很好地支持非對(duì)稱業(yè)務(wù)。根據(jù)LTETDD幀結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，LTETDD系統(tǒng)可以根據(jù)業(yè)務(wù)類型靈活配置LTETDD幀的上、下行配比。如瀏覽網(wǎng)頁(yè)、視頻點(diǎn)播等業(yè)務(wù)，下行數(shù)據(jù)量明顯大于上行數(shù)據(jù)量，系統(tǒng)可以根據(jù)業(yè)務(wù)量的分析，配置下行幀多于上行幀情況，如6DL∶3UL、7DL∶2UL、8DL∶1UL、3DL∶1UL等。而在提供傳統(tǒng)的語(yǔ)音業(yè)務(wù)時(shí)，系統(tǒng)可以配置下行幀等于上行幀，如2DL∶2UL。

4)智能天線的使用

智能天線技術(shù)能降低多址干擾，增加系統(tǒng)的吞吐量。在LTETDD系統(tǒng)中，上、下行鏈路使用相同頻率，且間隔時(shí)間較短，鏈路無(wú)線傳播環(huán)境差異不大，在使用賦形算法時(shí)，上、下行鏈路可以使用相同的權(quán)值。與之不同的是，由于FDD系統(tǒng)上、下行鏈路信號(hào)傳播的無(wú)線環(huán)境受頻率選擇性衰落影響不同，根據(jù)上行鏈路計(jì)算得到的權(quán)值不能直接應(yīng)用于下行鏈路。因此LTETDD系統(tǒng)能有效地降低移動(dòng)終端的處理復(fù)雜性。另外，在LTETDD系統(tǒng)中，由于上、下行信道一致，基站的接收和發(fā)送可以共用部分射頻單元，從而在一定程度上降低了基站的制造成本。

5)與TDSCDMA共存

LTETDD系統(tǒng)還有一個(gè)LTEFDD無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，就是LTETDD系統(tǒng)能夠與TDSCDMA系統(tǒng)共存。對(duì)現(xiàn)有通信系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，目前的數(shù)據(jù)傳輸速率已經(jīng)無(wú)法滿足用戶日益增長(zhǎng)的需求，運(yùn)營(yíng)商必須提前規(guī)劃現(xiàn)有通信系統(tǒng)向B3G/4G系統(tǒng)的平滑演進(jìn)。由于LTETDD幀結(jié)構(gòu)是基于我國(guó)TD-SCDMA的幀結(jié)構(gòu)，因此能夠方便地實(shí)現(xiàn)LTE-TDD系統(tǒng)與TDSCDMA系統(tǒng)的共存和融合。綜合起來(lái)，TDD雙工方式具有頻譜配置靈活、頻譜利用率高、上行和下行信道互惠性等特點(diǎn)，能夠滿足下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)對(duì)帶寬的要求以及頻率分配零散化的趨勢(shì)，在B3G和4G移動(dòng)通信系統(tǒng)中具有較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。LTETDD在頻譜利用、非對(duì)稱業(yè)務(wù)支持、智能天線技術(shù)支持、與TDSCDMA系統(tǒng)共存等方面有很大的優(yōu)勢(shì)，在未來(lái)的通信系統(tǒng)中具有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。隨著LTETDD技術(shù)研究的深入和國(guó)際市場(chǎng)的推廣，它將成為未來(lái)無(wú)線通信系統(tǒng)中的主流技術(shù)。

隨著移動(dòng)通信與因特網(wǎng)的快速發(fā)展，通信市場(chǎng)呈現(xiàn)出話音業(yè)務(wù)移動(dòng)化、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)寬帶化的發(fā)展趨勢(shì)。到2009年6月，中國(guó)移動(dòng)通信用戶數(shù)已經(jīng)接近6億，互聯(lián)網(wǎng)寬帶用戶數(shù)已經(jīng)超過(guò)1億。在新增的因特網(wǎng)用戶中，63%為寬帶用戶。同時(shí)，WiFi、GPRS、EDGE和cdma1x等技術(shù)的發(fā)展使得無(wú)線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)應(yīng)用日益廣泛。

HSDPA與WiMAX作為能夠提供高速移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的兩種技術(shù)，正在引起越來(lái)越多的重視。1.4LTE與HSPA、WiMAX對(duì)比從市場(chǎng)定位上，WiMAX與HSPA都是提供高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，同時(shí)也都支持移動(dòng)性，因此兩者存在一定的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。但兩者又有其各自的技術(shù)特點(diǎn)，所以還在一定程度上可以互為補(bǔ)充。而LTE雖然目前還處于預(yù)商用階段，但作為3G的發(fā)展方向，需要運(yùn)營(yíng)商給予足夠的重視。本節(jié)簡(jiǎn)單從調(diào)制、重傳、組網(wǎng)方式以及技術(shù)成熟度等幾個(gè)方面對(duì)三者進(jìn)行分析和比較，為下一步網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)和技術(shù)方案選擇提供參考。1.4.1調(diào)制技術(shù)

為了適應(yīng)不斷變化的無(wú)線信道，HSDPA、WiMAX和LTE都采用了多種調(diào)制方式，同時(shí)都可以根據(jù)無(wú)線信道質(zhì)量的變化，動(dòng)態(tài)改變調(diào)制方式，以使得傳輸?shù)男阅茏顑?yōu)。WiMAX采用了BPSK、QPSK、16QAM和64QAM四種調(diào)制方式，而HSPA采用了QPSK和16QAM兩種調(diào)制方式。802.16系列標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了在不同的信道帶寬下，系統(tǒng)中為了達(dá)到10－6的誤碼率要求各種調(diào)制和編碼方式所需要的最低信號(hào)強(qiáng)度。對(duì)于HSDPA系統(tǒng)，3GPP規(guī)范定義了12類能力不同的終端，針對(duì)每種終端統(tǒng)一規(guī)定了30種CQI級(jí)別。不同CQI級(jí)別反映了不同的信道質(zhì)量條件，同時(shí)也對(duì)應(yīng)著一種傳輸格式，并且分別規(guī)定了所使用的傳輸塊大小、編碼速率、調(diào)制方式、碼道數(shù)等。LTE支持最高到64QAM的調(diào)制方式，同時(shí)也采用CQI方式，利用終端報(bào)告無(wú)線網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量，網(wǎng)絡(luò)根據(jù)其報(bào)告值決定采用相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，進(jìn)而決定最終的數(shù)據(jù)傳輸速率。在物理層技術(shù)中，HSDPA采用單載波CDMA方式接入。而WiMAX采用多載波的方式，數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)交織和星座映射后根據(jù)頻偏序號(hào)按遞增順序調(diào)制到分配數(shù)據(jù)的子載波上。從數(shù)據(jù)星座映射器中送出的第一個(gè)符號(hào)應(yīng)該被調(diào)制到具有最低頻偏序號(hào)的子載波上。同時(shí)WiMAX還允許使用OFDMA進(jìn)行接入，這些都在一定程度上提高了WiMAX系統(tǒng)的頻率利用率。LTE標(biāo)準(zhǔn)下行為OFDMA，上行為SCFDMA。LTE已確定采用多天線技術(shù)，其中MIMO天線個(gè)數(shù)的基本配置是下行2×2、上行1×2，同時(shí)也完全支持4×4的高階天線配置。1.4.2ARQ機(jī)制

由于無(wú)線移動(dòng)信道具有時(shí)變和多徑導(dǎo)致的衰落特點(diǎn)，常有較高的誤碼率，因此為了減小高層重傳，提高正確接收的概率，降低時(shí)延，WiMAX、HSPA和LTE都采用前向糾錯(cuò)(FEC)和自動(dòng)重傳請(qǐng)求(ARQ)兩種差錯(cuò)控制方法，以確保服務(wù)質(zhì)量(QoS)，HSDPA和LTE更進(jìn)一步采用了HARQ機(jī)制。

ARQ機(jī)制中，在發(fā)送方，ARQ塊有四種狀態(tài):未發(fā)送、未完成、等待重傳和丟棄。這四種狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換如圖1.4.1所示。

圖1.4.1ARQ狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)ARQ協(xié)議是:

(1)停等(SAW)協(xié)議。該協(xié)議是最簡(jiǎn)單，也是對(duì)信頭要求最少的協(xié)議。它的特點(diǎn)是發(fā)端一直對(duì)當(dāng)前數(shù)據(jù)分組進(jìn)行處理，直到它被成功接收。協(xié)議的正確性由1比特(用來(lái)表示當(dāng)前和下一個(gè)數(shù)據(jù)分組)信息就可以表述，所以，它的控制頭很小，確認(rèn)頭也很小。而且由于一次只能傳送一個(gè)數(shù)據(jù)分組，所以對(duì)用戶端存儲(chǔ)容量的要求就很小。

(2)回退N步(GBN)協(xié)議。GBN方式在發(fā)端可連續(xù)發(fā)送多個(gè)數(shù)據(jù)分組。發(fā)端發(fā)送第一個(gè)分組后不必等待回執(zhí)，經(jīng)過(guò)一個(gè)往返延遲后，該分組的回執(zhí)才到達(dá)發(fā)端。往返延遲定義為送出一個(gè)分組到收到其回執(zhí)之間的時(shí)間間隔。在此時(shí)間間隔內(nèi)，另外N－1個(gè)分組已被傳送。當(dāng)接收端反饋回來(lái)的是NAK時(shí)，發(fā)端退到此NAK對(duì)應(yīng)的分組，重發(fā)該分組及其后的N－1個(gè)分組。GBN方式因?yàn)椴捎眠B續(xù)的發(fā)送和重傳，提高了停等協(xié)議的效率，并且接收端只需儲(chǔ)存當(dāng)前分組即可。但當(dāng)往返延遲較大、數(shù)據(jù)傳輸速率較高時(shí)，由于要重傳許多無(wú)錯(cuò)分組，GBN方式就不太有效了。

(3)選擇性重傳(SR)協(xié)議。相比之下SR協(xié)議效率最高，但要求存儲(chǔ)容量很大而且實(shí)現(xiàn)起來(lái)復(fù)雜。它的特點(diǎn)是只重傳錯(cuò)誤數(shù)據(jù)分組，要求用序列號(hào)識(shí)別數(shù)據(jù)分組。而且，在等待響應(yīng)的時(shí)候，為了充分利用信道容量，發(fā)端要發(fā)送大量數(shù)據(jù)分組。另外，收端在組合那些分隔重傳的信息前必須知道序列號(hào)，因此，序列號(hào)要和數(shù)據(jù)分別編碼，而且序列號(hào)需要更可靠的編碼以克服任何時(shí)候出現(xiàn)在數(shù)據(jù)里的錯(cuò)誤，這樣就增加了對(duì)信令要求的帶寬。

HARQ技術(shù)綜合了FEC和ARQ兩種差錯(cuò)控制方式的優(yōu)點(diǎn)而克服了各自的缺點(diǎn)，將二者進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕M合，使SAW-ARQ、GBN-ARQ或者SRARQ系統(tǒng)嵌入一個(gè)FEC子系統(tǒng)便構(gòu)成了HARQ系統(tǒng)。目前HARQ技術(shù)分為type-Ⅰ和type-Ⅱ。而HSPA系統(tǒng)主要采用基于RCPT碼的Chase合并方法和遞增冗余方法實(shí)現(xiàn)type-ⅡHARQ技術(shù)。1.4.3資源調(diào)度機(jī)制

為了能夠高效地利用無(wú)線資源，HSDPA、WiMAX和LTE都采用了有效資源調(diào)度機(jī)制。

WiMAX的MAC層支持點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的寬帶無(wú)線接入應(yīng)用，主要是在上行和下行鏈路上進(jìn)行高速傳輸。為了讓多個(gè)用戶共享一個(gè)物理信道，MAC層必須具備有效的接入和帶寬分配算法，以支持各種業(yè)務(wù)的QoS保證。每個(gè)連接與單個(gè)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)關(guān)聯(lián)，每個(gè)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)與一系列的QoS參數(shù)關(guān)聯(lián)，這些QoS參數(shù)量化了數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的行為。這些參數(shù)通過(guò)DSA和DCS消息對(duì)話管理。WiMAX標(biāo)準(zhǔn)支持四種不同的業(yè)務(wù)類型，它們分別為主動(dòng)授予服務(wù)(UGS)、實(shí)時(shí)輪詢業(yè)務(wù)(rtPS)、非實(shí)時(shí)輪詢業(yè)務(wù)(nrlPS)、盡力傳輸業(yè)務(wù)(BE)。

WiMAX可以根據(jù)不同的QoS動(dòng)態(tài)分配帶寬，具有較大的靈活性。WiMAX的MAC層是基于連接的，為了映射各個(gè)用戶的服務(wù)，提供不同級(jí)別的QoS，所有的數(shù)據(jù)通信都是建立在連接的基礎(chǔ)之上的。因此，業(yè)務(wù)流實(shí)際上提供了上、下行QoS管理的機(jī)制，并且和帶寬分配的進(jìn)程緊密聯(lián)系。一個(gè)用戶以基于每個(gè)連接的方式請(qǐng)求上行帶寬。BS在某個(gè)時(shí)間調(diào)度間隔內(nèi)，對(duì)一個(gè)SS的所有請(qǐng)求授予一個(gè)帶寬，或者按每個(gè)連接來(lái)授予帶寬。因此從以上的分析可以看出，WiMAX可以在無(wú)線接入網(wǎng)部分為不同業(yè)務(wù)提供不同質(zhì)量的服務(wù)。

HSDPA可以采用多種資源調(diào)度算法，每種算法在服務(wù)效率和服務(wù)公平性上有不同的特點(diǎn)。這些算法包括輪詢式調(diào)度算法、公平吞吐量調(diào)度算法、平均C/I調(diào)度算法、最大C/I調(diào)度算法、部分公平性調(diào)度算法以及快速公平吞吐量調(diào)度算法。其中，前三種算法不考慮信道質(zhì)量的變化，而后三種算法考慮信道環(huán)境的變化，同時(shí)根據(jù)這些變化調(diào)整分配策略。輪詢式調(diào)度算法對(duì)所有激活用戶公平服務(wù)，處于小區(qū)不同位置的用戶都將等概率地獲得無(wú)線資源；公平吞吐量調(diào)度算法優(yōu)先選擇當(dāng)前吞吐量最低的用戶；平均C/I調(diào)度算法選擇在一個(gè)調(diào)度周期內(nèi)平均C/I值最大的用戶進(jìn)行服務(wù)；最大C/I調(diào)度算法選擇在一個(gè)TTI間隔內(nèi)無(wú)線環(huán)境最好的用戶進(jìn)行服務(wù)，這種方法對(duì)無(wú)線信道變化響應(yīng)快，能夠獲得最大的小區(qū)吞吐量性能，但公平性較差；部分公平性調(diào)度算法，綜合考慮用戶當(dāng)前所處無(wú)線環(huán)境質(zhì)量以及歷史吞吐量情況，選擇相對(duì)質(zhì)量較好的用戶進(jìn)行服務(wù)；快速公平吞吐量調(diào)度算法結(jié)合考慮信道的快速變化特性的同時(shí)，盡量為小區(qū)內(nèi)的所有用戶提供公平的吞吐量分布。

LTE采用多種資源調(diào)度方式來(lái)保障網(wǎng)絡(luò)的高效運(yùn)行，主要包括以下幾方面:

·無(wú)線承載控制(RBC)；

·無(wú)線接納控制(RAC)；

·連接移動(dòng)性控制(CMC)；

·分組調(diào)度(PSC)；

·小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)(ICIC)；

·負(fù)荷均衡(LB)。1.4.4網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

WiMAX的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1.4.2所示，其中包括接入網(wǎng)絡(luò)(ASN)和連接服務(wù)網(wǎng)絡(luò)(CSN)。

ASN的功能是管理空中接口，主要包括:

·發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)并選擇合適的CSN，并在基站和移動(dòng)用戶臺(tái)(MSS)之間建立層2連接。

·協(xié)助完成鑒權(quán)、業(yè)務(wù)授權(quán)和計(jì)費(fèi)。

·協(xié)助高層與MSS建立層3連接。

·分配IP地址。

圖1.4.2WiMAX網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖

·無(wú)線資源管理。

·根據(jù)分級(jí)結(jié)構(gòu)進(jìn)行ASN內(nèi)移動(dòng)性管理。

·ASN內(nèi)尋呼和位置管理

·ASN和CSN之間隧道建立和管理。

·存儲(chǔ)臨時(shí)用戶信息。

一個(gè)ASN