中国移动第4代移动通信技术--LTE简介.pdf
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1、1/11 LTE(Long Term Evolution,长期演进)项目是 3G 的演进,始于 2004 年 3GPP 的多伦多会议。LTE 并非人们普遍误解的 4G 技术,而是 3G 与 4G 技术之间的一个过渡,是 3.9G 的全球标准,它改进并增强了 3G 的空中接入技术,采用 OFDM 和 MIMO作为其无线网络演进的唯一标准。在 20MHz 频谱带宽下能够提供下行 326Mbit/s与上行 86Mbit/s 的峰值速率。改善了小区边缘用户的性能,提高小区容量和降 LTE 概念 LTE 是英文 Long Term Evolution 的缩写。LTE 也被通俗的称为 3.9G,具有100
2、Mbps 的数据下载能力,被视作从 3G 向 4G 演进的主流技术。LTE 的研究,包含了一些普遍认为很重要的部分,如等待时间的减少、更高的用户数据速率、系统容量和覆盖的改善以及运营成本的降低。3GPP 长期演进(LTE)项目是近两年来 3GPP 启动的最大的新技术研发项目,这种以 OFDM/FDMA 为核心的技术可以被看作“准 4G”技术。3GPP LTE 项目的主要性能目标包括:在 20MHz 频谱带宽能 够提供下行 100Mbps、上行 50Mbps 的峰值速率;改善小区边缘用户的性能;提高小区容量;降低系统延迟,用户平面内部单向传输时延低于 5ms,控 制平面从睡眠状态到激活状态迁移时
3、间低于 50ms,从驻留状态到激活状态的迁移时间小于 100ms;支持 100Km 半径的小区覆盖;能够为 350Km/h 高速移动用户提供100kbps 的接入服务;支持成对或非成对频谱,并可灵活配置 1.25 MHz 到 20MHz 多种带宽。LTE 的主要技术特征 3GPP 从“系统性能要求”、“网络的部署场景”、“网络架构”、“业 务支持能力”等方面对 LTE 进行了详细的描述。与 3G 相比,LTE 具有如下技术特征23:(1)通信速率有了提高,下行峰值速率为100Mbps、上行为 50Mbps。(2)提高了频谱效率,下行链路 5(bit/s)/Hz,(3-4 倍于 R6 版本的 H
4、SDPA);上行链路 2.5(bit/s)/Hz,是 R6 版本 HSU-PA 的 2-3 倍。(3)以分组域业务为主要目标,系统在整体架构上将基于分组交换。(4)QoS 保证,通过系统设计和严格的QoS 机制,保证实时业务(如 VoIP)的服务质量。(5)系统部署灵活,能够支持 1.25MHz-20MHz间的多种系统带宽,并支持“paired”和“unpaired”的频谱分配。保证了将来在系统部署上的灵活性。(6)降低无线网络时延:子帧长度0.5ms 和 0.675ms,解决了向下兼容的问题并降低了网络时延,时延可达U-plan5ms,C-plan100kbps 的接入服务;支持成对或非成对
5、频谱,并可灵活配 置 1.25 MHz 到 20MHz 多种带宽。LTE 概念的提出意味着目标的确立,为了有一个清晰的技术发展路线,3GPP制定了明确的时间 表。整个标准发展过程分为两个阶段,研究项目阶段和工作项目阶段。研究项目阶段预计在 2006 年年中结束,该阶段将主要完成对目标需求的定义,以及明确 LTE 的概念等;然后征集候选技术提案,并对技术提案进行评估,确定其是否符合目标需求。工作项目预计在 2006 年年中以前建立,并开始标准的建立。该阶 段会对未来 LTE 的标准细节的方方面面展开讨论和起草,这个过程同以前 3G 标准在 3GPP 中的制定过程是一样的,这一过程将一直持续到20
6、07 年年中。整 个过程相比 3G 标准的制定节奏明显加快,这也是考虑到市场的需求,随着宽带技术的不断创新,3GPP 也将在最短的时间内推出最新的技术。这给运营业带来了 新的机遇,更新更快的业务可以在不远的将来得以实现,甚至完全可以和有线网络相媲美。演进路线 LTE 长期演进是 GSM 阵营的现时最先进网络。3/11 LET 演进图 演进路线:GSM-GPRS-EDGE-WCDMA-HSD/UPA-HSD/UPA+-LTE 长期演进 传输速度分别是:GSM:9K GPRS:42K EDGE:172K WCDMA:364k HSD/UPA:14.4M HSD/UPA+:42M LTE:300M
7、技术提案 从 LTE 制定的目标需求可以看出,100Mbit/s 的传输能力已远不是 3G 所能比的,那么其使用的技术也必将有较大的提高。在方案的征集过程中有 6 个选项,按照双工方式可分为频分双工(FDD)和时分双工(TDD)两种;按照无线链路的调制方式或多址方式主要可分为码分多址(CDMA)和正交频分多址(OFDMA)两种。技术提案的简单介绍如下:1.FDD SC-FDMA UL、FDD OFDMA DL 该提案使用了目前频谱效率很高的正交频分复用(OFD LTE 技术提案 M)技术作为下行链路的主要调制方式,实现高速数据速率传送。上行链路则采用单载波频分多址(FDMA),主要的好处就是降
8、低了发射终端的峰均功率比,减小了终端的体积和成本。其主要特点包括频谱带宽灵活分配、子载波序列固定、采用循环前缀对抗多径衰落和可变的传输时间间隔(TTI)等。2.FDD UL 采用 OFDMA,FDD DL 采用 OFDMA 4/11 该提案与上一方案非常类似。所不同的主要是上行链路,这里采用的也是OFDM 技术,这就要求终端能够实现比较高的峰均功率比,但数据传输效率更高。3.FDD MC-WCDMA UL/DL 该提案实际上就是多载波的 WCDMA 方案,上下行采用与 HSDPA/HSUPA 相似的技术,例如自适应调制方式、NodeB 调度、层 2 快速重传和快速小区切换等,然后利用多载波复用
9、的方式提高数据速率。4.TDD UL/DL 采用 MC-TD-SCDMA 该提案主要由大唐公司提出,是 TD-SCDMA 标准的演进。其主要特点是尽可能继承 TD-SCDMA 的系统特点,例如相同的子信道带宽、信道结构,Space、Time、Code 多域复用等,在此基础上通过多载波的方式扩展数据速率,满足 LTE 的需求。5.TDD UL/DL 采用 OFDMA 和 TDD UL 采用 SC-FDMA,TDD DL 采用 OFDMA 这两种提案同前两种是非常类似的,不同的是双工方式。以上这些提案代表了不同的背景和不同集团的利益,在最新结束的马耳他会议上,已有了最终的结果。FDD 和 TDD
10、将尽量采用相同的多址技术,并且绝大多数公司支持的第一种方案将作为以后开展 LTE 研究的前提条件。同时中国的TD-SCDMA 经过多方的不断努力,TD-SCDMA 的帧结构在第一种方案中作为一个选项得以保留,并且可以在多载波的演进方面继续开展研究。发展规划 整个标准发展过程分为研究项目(study item)和工作项目(work item)两个阶段。研究项目阶段在 2006 年年中结束,该阶段将主要完 LTF 初步发展规划 成 目标需求的定义,明确LTE 的概念等,然后征集候选技术提案,并对技术提案进行评估,确定其是否符合目标需求。对有可能融合的提案进行讨论,甚至还可能对 某些技术的优越性进行
11、辩论,最终选择出适合未来 LTE 的技术方案。实际上这是厂商实力的较量,也不乏政府在其后的影响。针对系统功能的划分、接口的定义也会在这个阶段涉及。工作项目在 2006 年年中以前建立,并开始着手标准的建立。该阶段将对未来 LTE 标准细节的各个方面展开讨论和起草,并一直持续到 2007 年年中。整个过程比 3G 标准的制定过程节奏明显加快,这也是考虑到市场的需求。随着宽带技术的不断创新,3GPP 也将在最短的时间内推出最新的技术。这给运营业带来了新的机遇,更新更快的业务可以在不远的将来得以实现,甚至完全可以和有线网络相媲美。3GPP 对 LTE 项目的工作大体分为两个时间段:2005 年 3
12、月到 2006 年 6 月为SI(StudyItem)阶段,完成可行性研究报告;2006 年 6 月到 2007 年 6 月为5/11 WI(WorkItem)阶段,完成核心技术的规 X 工作。在 2007 年中期完成 LTE 相关标准制定(3GPPR7),在 2008 年或 2009 年推出商用产品。就目前的进展来看,发展比计划滞后了大概 3 个月,但经过 3GPP 组织的努力,LTE 的系统框架大部分已经完成。LTE 详细发展规划 LTE 采用由 NodeB 构成的单层结构,这种结构有 LTE 详细发展规划 利 于简化网络和减小延迟,实现了低时延,低复杂度和低成本的要求。与传统的 3GPP
13、 接入网相比,LTE 减少了 RNC 节点。名义上 LTE 是对 3G 的演进,但事实上它对 3GPP 的整个体系架构作了革命性的变革,逐步趋近于典型的 IP 宽带网结构。3GPP 初步确定 LTE 的架构如图 1 所示,也叫演进型 UTRAN 结构(E-UTRAN)3。接入网主要由演进型 NodeB(eNB)和接入网关(aGW)两部分构成。aGW 是一个边界节点,若将其视为核心网的一部分,则接入网主要由 eNB 一层构成。eNB 不仅具有原来 NodeB 的功能外,还能完成原来 RNC 的大部分功能,包括物理层、MAC 层、RRC、调度、接入控制、承载控制、接入移动性管理和Inter-cel
14、lRRM 等。Node B 和 Node B 之间将采用网格(Mesh)方式直接互连,这也是对原有 UTRAN 结构的重大修改。传输方案 LTE 下行传输方案采用传统的带循环前缀(CP)的 OFDM,每一个子载波占用15kHz,循环前缀的持续时间为4.7/16.7s,分别对应短 CP 和长 CP。为了满足数据传输延迟的要求(在轻负载情况下,用户面延迟小于5ms),LTE 系统必须采用很短的交织长度(TTI)和自动重传请求(ARQ)周期,因此,在 3G 中的10ms 无线帧被分成 20 个同等大小的子帧,长度为0.5ms。下行数据的调制主要采用QPSK、16QAM和64QAM这3种方式。针对广播
15、业务,一种独特的分层调制(hierarchical modulation)方式也考虑被采用。分层调制的思想是,在应用层将一个逻辑业务分成两个数据流,一个是高优先级的基本层,另一个是低优先级的增强层。在物理层,这两个数据流分别映射到信号星座图的不同层。由于基本层数据映射后的符号距离比增强层的符号距离大,因此,基本层的数据流可以被包括远离基站和靠近基站的 用户接收,而增强层的数据流只能被靠近基站的用户接收。也就是说,同一个逻辑业务可以在网络中根据信道条件的优劣提供不同等级的服务。在目前的研究阶段,主要还是沿用 R6 的 Turbo 编码作为 LTE 信道编码,例如在系统性能评估中。但是,很多公司也
16、在研究其他编码方式,并期望被引入 LTE6/11 中,如低密度奇偶校验(LDPC)码。在大数据量情况下,LDPC 码可获得比 Turbo码高的编码增益,在解码复杂度上也略有减小。MIMO 技术在 R7 中已经被引入,是 WCDMA 增强的一个重要特性。而在 LTE 中,MIMO 被 认为是达到用户平均吞吐量和频谱效率要求的最佳技术。下行 MIMO 天线的基本配置是,在基站设两个发射天线,在 UE 设两个接收天线,即 22 的天线配置。更高的下行配置,如 44 的 MIMO 也可以考虑。开环发射分集和开环MIMO 在无反馈的传输中可以被应用,如下行控制信道和增强的广播多播业务。虽然宏分集技术在
17、3G 时代扮演了相当重要的角色,但在 HSDPA/HSUPA 中已基本被摒弃。即便是在最初讨论过的快速小区选择(FCS)的宏分集,在实际规X 中也没有定义。LTE 沿用了 HSDPA/HSUPA 思想,即只通过链路自适应和快速重传来获得增益,而放弃了宏分集这种需要网络架构支持的技术。在 2006 年 3 月的 RAN 总会上,确认了 E-UTRAN 中不再包含 RNC 节点,因而,除广播业务外,需要“中心节点”(如 RNC)进行控制的宏分集技术在 LTE 中不再考虑。但是对于多小区的广播业务,需要通过无线链路的软合并获得高信噪比。在 OFDM 系统中,软合并可以通过信号到达 UE 天线的时刻都
18、处于 CP 窗之内的 RF 合并来实现,这种合并不需要 UE 有任何操作。上行传输方案采用带循环前缀的 SC-FDMA,使用 DFT 获得频域信号,然后插入零符号进行扩频,扩频信号再通过 IFFT。这个过程简写为 DFT-SOFDM。这样做的目的是,上行用户间能在频域相互正交,以及在接收机一侧得到有效的频域均衡。子载波映射决定了哪一部分频谱资源被用来传输上行数据,而其他部分则被插入若干个零值。频谱资 源的分配有两种方式:一是局部式传输,即 DFT 的输出映射到连续的子载波上;另一个是分布式传输,即 DFT 的输出映射到离散的子载波上。相对于前者,分布 式传输可以获得额外的频率分集。上行调制主要
19、采用/2 位移 BPSK、QPSK、8PSK 和 16QAM。同下行一样,上行信道编码还是沿用R6 的 Turbo 编码。其他方式的前向纠错编码正在研究之中。上行单用户 MIMO 天线的基本配置,也是在 UE 有两个发射天线,在基站有两个接收天线。在上行 传输中,一种特殊的被称为虚拟(Virtual)MIMO 的技术在 LTE 中被采纳。通常是 22 的虚拟 MIMO,两个 UE 各自有一个发射天线,并共享相同的时频域资源。这些 UE 采用相互正交的参考信号图谱,以简化基站的处理。从 UE 的角度看,22 虚拟 MIMO 与单天线传输的不同之处,仅仅在于参考信号图谱的使用必须与其他 UE 配对
20、。但从基站的角度看,确实是一个 22的 MIMO 系统,接收机可以对这两个 UE 发送的信号进行联合检测。物理层技术 在基本的物理层技术中,E-Node B 调度、链路自适应和混合 ARQ(HARQ)继承了 HSDPA 的策略,以适应基于数据包的快速数据传输。对于下行的非 MBMS 业 务,E-Node B 调度器在特定时刻给特定 UE 动态地分配特定的时频域资源。下行控制信令通知分配给UE 何种资源及其对应的传输格式。调度器可以即时地从多个可选方案中 选择最好的复用策略,例如子载波资源的分配和复用。这种选择资源块和确定如何复用UE 的灵活性,可以极大地影响可获得的调度性能。调度和链路自适应以
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- 中国移动 移动 通信 技术 LTE 简介
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