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3GPPLTE标准化进展——物理层作者：来源：点击：日期：2007-11-1911:56:05请选择段落导航一、介绍正当人们惊讶于WiMAX技术的迅猛崛起时，3GPP也开始了UMTS技术的长期演进（LongTermEvolution，LTE）技术的研究。这项受人瞩目的技术被称为“演进型3G”（Evolved3G，E3G）。但只要对这项技术稍作了解，就会发现，这种以OFDM为核心的技术，与其说是3G技术的“演进”（evolution），不如说是“革命”（revolution），它和3GPP2AIE（空中接口演进）、WiMAX以及最新出现的IEEE802.20MBFDD/MBTDD等技术，由于已经具有某些“4G”特征，甚至可以被看作“准4G”技术。自2004年11月启动LTE项目以来，3GPP以频繁的会议全力推进LTE的研究工作，仅半年就完成了需求的制定。2006年6年，3GPPRAN（无线接入网）TSG已经开始了LTE工作阶段（WI），但由于研究阶段（SI）上有个别遗留问题还没有解决，SI将延长到9月结束。按目前的计划，将于2007年9月完成LTE标准的制定（测试规范2008年3月完成），预计2010年左右可以商用。虽然工作进度略滞后于原计划，但经过艰苦的讨论和融合，终于确定了大部分基本技术框架，一个初步的LTE系统已经逐渐展示在我们眼前。二、LTE的需求指标LTE项目首先从定义需求开始。主要需求指标包括：●支持1.25MHz-20MHz带宽；●峰值数据率：上行50Mbps，下行100Mbps。频谱效率达到3GPPR6的2-4倍；●提高小区边缘的比特率；●用户面延迟（单向）小于5ms，控制面延迟小于1OOms；●支持与现有3GPP和非3GPP系统的互操作；●支持增强型的广播多播业务；●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（IP多媒体子系统）和核心网；●追求后向兼容，但应该仔细考虑性能改进和向后兼容之间的平衡；●取消CS（电路交换）域，CS域业务在PS（包交换）域实现，如采用VoIP；●对低速移动优化系统，同时支持高速移动；●以尽可能相似的技术同时支持成对（paired）和非成对（unpaired）频段；●尽可能支持简单的临频共存。3GPP毫不讳言LTE项目的启动是为了应对“其他无线通信标准”的竞争。针对WiMAX“低移动性宽带IP接入”的定位，LTE提出了相对应的需求，如相似的带宽、数据率和频谱效率指标、对低移动性进行优化、只支持PS域，强调广播多播业务等。同时，出于对VoIP和在线游戏的重视，LTE对用户面延迟的要求近乎苛刻。关于向后兼容的要求似乎模棱两可，从目前的情况看，由于选择了大量的新技术，至少在物理层已难以保持从UMTS的平滑过渡。最近，运营商又提出加强广播业务的要求，建议增加在单独的下行载波部署移动电视（MobileTV）系统的需求。三、LTE物理层标准化进展LTE的研究工作主要集中在物理层、空中接口协议和网络架构几个方面，其中网络架构方面的工作和3GPP系统架构演进（SAE）项目密切相关。本文将对LTE物理层方面的系统设计和研究进展做一简单的介绍。3.1双工方式和帧结构目前的LTE物理层技术研究主要针对频分双工（FDD）和时分双工（TDD）两种双工方式。依据TR25.913中对FDD/TDD共性的需求，TR25.814中的内容基本都假设对FDD和TDD均适用。少数对TDD进行的区别考虑的地方，都进行了特别注明。在TDD模式下，每个子帧要么作为上行子帧，要么作为下行子帧。上行或下行子帧可以空出若干个OFDM符号作为空闲（Idle）符号，以留出必要的保护间隔。子帧的结构可能不断变化，因此可能需要通过信令通知系统当前的子帧结构。另外，由于TR25.913对系统的临频同址共存提出了需求，使TDDEUTRA系统面临和TDDUTRA系统之间的干扰问题。为了解决这个问题，目前TR25.814考虑了两种TDDEUTRA帧结构：固定（Fixed）帧结构和通用（Generic）帧结构。3.1.1固定帧结构这种方法就是分别针对低码片速率（LCR）-TDDUTRA和高码片速率（HCR）-TDDUTRA系统采用与UTRA系统相似的帧结构。也就是说，为了和LCR-TDDUTRA系统兼容，需要采用和LCR-TDDUTRA几乎相同的帧结构，即一个10ms无线帧分为2个5ms的无线子帧，每个无线子帧分为7个时隙（TSO~TS6），每个时隙（对应于FDD模式下的一个子帧）长度为0.675ms。同步和保护周期插在TSO和TS1之间，包括DwPTS、GP和UpPTS。每个时隙包含一个小的空闲周期，可用作上下行切换的保护周期。可以看到，这个帧结构基本和原有的LCR-TDD帧结构相同，只是在每个时隙中加入了空闲周期。这个改动主要是为了能够在一个无线子帧内实现多次的上下行切换，以满足LTE对传输时延的严格要求。这个帧结构已经经过RAN全会通过，写入了RAN的LTE研究报告TR25.912。RAN1工作组的研究报告TR25.814中也包含了针对HCR-TDD的固定帧结构，由于篇幅所限，此处略去对这种帧结构的介绍。可以看到，固定帧结构的最大特点是采用了和FDDLTE不同的子帧（时隙）长度，由此导致了LTE的FDD和TDD模式在系统参数设计上有所不同。3.1.2通用帧结构这种方法是在尽量保持和FDDLTE设计参数一致的基础上满足和TDDUTRA系统的临频同址共存。这种设计的最大特点是采用了和FDDLTE相同的子帧长度0.5ms。但由于0.5ms与LCR-TDDUTRA（O.675ms）和HCR-TDDUTRA（0.667）的子帧长度都不相同，要避免和TDDUTRA系统之间的干扰，相对比较困难。通常整数个O.5ms子帧的长度和与整数个0.675ms（或0.667ms）子帧的长度和都不相等，因此为了使TDDEUTRA系统和TDDUTRA系统的上下行切换点相互对齐，就需要留出额外的空闲（Idle）间隙，这样会损失一些频谱效率。同时，由于TDDUTRA系统的上下行切换点的位置可能变化，相对应的TDDEUTRA帧结构也需要随之变化。也就是说，对不同的上下行比例，通用帧结构中的每个子帧的起止位置都可能不同，这也增加了系统的复杂度。因此，通用帧结构比较适合那些同时部署了FDDLTE系统、但没有部署TDDUTRA系统的运营商，因为这种设计可以获得更高的与FDDLTE系统的共同性，从而获得较低的系统复杂度。但对于那些已经部署了TDDUTRA系统的运营商，固定帧结构是更好的选择，因为这种结构可以更容易的避免TDDUTRA和TDDEUTRA系统间的干扰。3.2基本传输和多址技术的选择基本传输技术和多址技术是无线通信技术的基础。3GPP成员在讨论多址技术方案时，主要分成两个阵营：多数公司认为OFDM/FDMA技术与CDMA技术相比，可以取得更高的频谱效率；而少数公司认为OFDM系统和CDMA系统性能相当，出于后向兼容的考虑，应该沿用CDMA技术。持前一种看法的公司全部支持在下行采用OFDM技术，但在上行多址技术的选择上又分为两种观点。大部分厂商因为对OFDM的上行峰平比PAPR（将影响手持终端的功放成本和电池寿命）有顾虑，主张采用具有较低PAPR的单载波技术。另一些公司（主要是积极参与WiMAX标准化的公司）建议在上行也采用OFDM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，3GPP最终选择了大多数公司支持的方案，即下行OFDM，上行SC（单载波）-FDMA。上行SC-FDMA信号可以用“频域”和“时域”两种方法生成，频域生成方法又称为DFT扩展OFDM（DFT-S-OFDM）；时域生成方法又称为交织FDMA（IFDMA）。采用哪种生成方法尚未确定，但大部分公司支持采用DFT-S-OFDM技术（如图1所示）。这种技术是在OFDM的IFFT调制之前对信号进行DFT扩展，这样系统发射的是时域信号，从而可以避免OFDM系统发送频域信号带来的PAPR问题。图1DFT-S-OFDM发射机结构3.2“宏分集”的取舍是否采用宏分集技术，是LTE讨论中的又一个焦点。这个问题看似是物理层技术的取舍，实则影响到网络架构的选择，对LTE/SAE系统的发展方向有深选的影响。3GPP内部在下行宏分集问题上的看法比较一致。由于存在难以解决的“同步问题”，各公司很早就明确，对单播（uniCAst）业务不采用下行宏分集。只是在提供多小区广播（broadcast）业务时，由于放松了对频谱效率的要求，可以通过采用较大的循环前缀（CP），解决小区之间的同步问题，从而使下行宏分集成为可能。与下行相比，3GPP对上行宏分集的取舍却迟迟不决。宏分集的基础是软切换，这种CDMA系统的典型技术，在FDMA系统中却可能“弊大于利”。更重要的是，软切换需要一个“中心节点”（如UTRAN中的RNC）来进行控制，这和大多数公司推崇的网络“扁平化”、“分散化”网络结构背道而驰。经过仿真结果的比较、激烈的争论、甚至“示意性”的表决，3GPP最终决定LTE（至少在目前）不考虑宏分集技术。3.3基本参数设计LTE在数据传输延迟方面的要求很高（单向延迟小于5ms），这一指标要求LTE系统必须采用很小的最小交织长度（TTI）。大多数公司主要出于对FDD系统的设计，建议采用0.5ms的子帧长度（1帧包含20个子帧）。但是正如3.1节中提到的，这种子帧长度和UMTS中现有的两种TDD技术的时隙长度不匹配。例如TD-SCDMA的时隙长度为0.675ms，如果LTETDD系统的子帧长度为0.5ms，则新、老的系统的时隙无法对齐，使得TD-SCDMA系统和LTETDD系统难以“临频共址”共存。因此3GPP在这个问题上形成决议（体现在TR25.912中）：基本的子帧长度为0.5ms，但在考虑和LCR-TDD（即TD-SCDMA）系统兼容时可以采用0.675ms子帧长度。OFDM和SC-FDMA（以DFT-S-OFDM为例）的子载波宽度选定为15kHz，这是一个相对适中的值，兼顾了系统效率和移动性，明显比WiMAX系统大。下行OFDM的CP长度有长短两种选择，分别为4.69ms（采用O.675ms子帧时为7.29ms）和16.67ms。短CP为基本选项，长CP可用于大范围小区或多小区广播。短CP情况下一个子帧包含7个（采用0.675ms子帧时为9个）OFDM符号；长CP情况下一个子帧包含6个（采用0.675ms子帧时为8个）OFDM符号。上行由于采用单载波技术，子帧结构和下行不同。DFT-S-OFDM的一个子帧包含6个（采用0.675ms子帧时为8个）“长块”和2个“短块”（SB，如图2所示），长块主要用于传送数据，短块主要用于传送导频信号。图2DFT-S-OFDM子帧结构虽然为了支持实时业务，LTE的最小TTI长度仅为0.5ms，但系统可以动态的调整TTI，以在支持其他业务时避免由于不必要的IP包分割造成的额外的延迟和信令开销。上、下行系统分别将频率资源分为若干资源单元（RU）和物理资源块（PRB），RU和PRB分别是上、下行资源的最小分配单位，大小同为25个子载波，即375kHz。下行用户的数据以虚拟资源块（VRB）的形式发送，VRB可以采用集中（localized）或分散（distributed）方式映射到PRB上。Localized方式即占用若干相邻的PRB，这种方式下，系统可以通过频域调度获得多用户增益。Distributed方式即占用若干分散的PRB，这种方式下，系统可以获得频率分集增益。上行RU可以分为LocalizedRU（LRU）和DistributedRU（DRU），LRU包含一组相邻的子载波，DRU包含一组分散的子载波。为了保持单载波信号格式，如果一个UE占用多个LRU，这些LRU必须相邻；如果占用多个DRU，所有子载波必须等间隔。3.4参考信号（导频）设计3.4.1下行参考符号设计LTE目前确定了下行参考符号（即