（信息与通信工程专业论文）lte系统跨层资源分配算法研究.pdf

摘要 l t e 是在3 g 基础上演进而来的新一代无线通信技术。它以新架构、o f d m 、m i m o 等 技术为主要标志。而跨层资源分配是突破传统协议栈分层优化的限制，从系统上对资源联 合优化的新思想。这对于已将3 g 内i 必c 和n o d e b 合为一体的l t e 架构来说非常适用。 论文首先介绍了l t e 技术发展的历程，该技术的系统结构、主要标准以及实现目标等 背景知识，并且对与该系统上下行相关的o f d m 和s c f d m a 调制解调技术予以阐述。 然后，论文研究了l t e 对跨层设计的要求，主要包括：多业务特性对跨层设计的要求、 l t e 跨层设计的原则与方法、该思想的有效性和局限性、以及针对l t e 跨层设计还有哪些 亟需解决的问题等等。 接下来论文重点讨论了o f d m 系统跨层资源分配方案，通过对延迟时间长的数据流予 以补偿，在用户公平性与资源利用率之间进行折衷，表明了跨层资源分配在用户公平性和 延时特性方面能够起到明显改善作用，并为之后同样基于o f d m 的l t e 系统跨层设计做了 铺垫。最后在l t e 系统中引入了“等效带宽”的概念，把用户分成q o sg u a r a n t e e d 和b e s te f f o r t 两类。首先依据“等效带宽”给对应的q o sg u a r a n t e e d 用户预留资源，然后对剩余的资源按 高增益优先调度。这种算法在保i 正q o s 基础上很好地提升了系统整体性能，大大降低了系 统总发射功率。仿真结果也验证了理论的正确性。 关键词：l t e 跨层资源分配等效带宽m a c 调度子载波分配 a b s t r a c t l t ei san e wg e n e r a t i o no fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ys t a g e da t3 g ，w h i c hi s w i t han e wa r c h i t e c t u r e ，o f d m ，m i m ot e c h n o l o g y c r o s s l a y e rr e s o u r c ea l l o c a t i o ni san e w i d e at h a tb r e a k st h r o u g ht h et r a d i t i o n a ll a y e r e dp r o t o c o ls t a c kc o n s t r a i n t sb ya l l o c a t i n gt h e r e s o u r c e so fs y s t e mw i t hj o i n to p t i m i z a t i o n i ti sv e r ya p p l i c a b l ef o rl t eb e c a u s et h er n c a n dn o d e ba r ei n t e g r a t e di ni t sa r c h i t e c t u r e t h ed e v e l o p m e n tp r o c e s s ，t h es y s t e ma r c h i t e c t u r e ，t h em a i ns t a n d a r d sa n da c h i e v eg o a l so f l t et e c h n o l o g ya r ef i r s t l yi n t r o d u c e di nt h et h e s i sa sb a c k g r o u n dk n o w l e d g e t h e n ，o f d m a n ds c f d m am o d u l a t i o na n dd e m o d u l a t i o nt e c h n i q u e sr e l a t e dw i t ht h ed o w n l i n ka n du p l i n k o fl t es y s t e ma r ed e s c r i b e d t h er e q u i r e m e n t so fl t ec r o s s - l a y e rd e s i g ni sd i s c u s s e di nt h i s t h e s i s ，i n c l u d i n g ： c r o s s - l a y e rd e s i g nr e q u i r e m e n t so fm u l t i s e r v i c es u p p o r t i n g ，l t ec r o s s - l a y e rd e s i g np n n c i p l e s a n dm e t h o d s ，t h ee f f e c t i v e n e s sa n dl i m i t a t i o n so f c r o s s l a y e rd e s i g n ，a sw e l la st h ep r o b l e m si n l t e c r o s s - l a y e rd e s i g nn e e dt ob er e s o l v e d c r o s s l a y e rr e s o u r c ea l l o c a t i o ni no f d ms y s t e mi sf o c u s e di nt h i st h e s i s t h ep r o p o s e d s c h e m et r a d e so f fb e t w e e nr e s o u r c eu t i l i z a t i o na n df a i m e s s t h r o u g hc o m p e n s a t i n gt h ed a t a s t r e a mw i t hl o n gd e l a yt i m e i ts h o w st h es i g n i f i c a n ti m p r o v e m e n to ft h ep e r f o r m a n c ei nt e r m s o ff a i m e s sa n d d e l a y c a nb ea c h i e v e d b y l t ec r o s s l a y e r d e s i g n f i n a l l y ，t h e ”e q u i v a l e n tb a n d w i d t h ”c o n c e p ti sp r o p o s e di nt h et h e s i s u s e r sa r ec a t a l o g e di n t o “b e s te f f o r t a n d “q o sg u a r a n t e e d t h er e s o u r c ea l l o c a t i o ns c h e m er e s e r v e s ”e q u i v a l e n tb a n d w i d t h ”f o rq o s g u a r a n t e e d u s e r s a n dt h e n ，i td i s t r i b u t e st h e r e m a i n i n g r e s o u r c e s b yh i g h g a i n p r i o r i t ys c h e d u l i n g t h i sa l g o r i t h mg u a r a n t e e sq o sa n de n h a n c e so v e r a l ls y s t e mp e r f o r m a n c eb y g r e a t l yd e c r e a s et h eo v e r a l ls y s t e mt r a n s m i s s i o np o w e r t h ec o n c l u s i o ni sv e r i f i e db ys i m u l a t i o n r e s u l t s k e y w o r d ：l t e ；c r o s s l a y e rr e s o u r c ea l l o c a t i o n ；e f f e c t i v eb a n d w i d t h ；s c h e d u l i n gp o l i c y ； s u b e a r r i e r sa l l o c a t i o n i i 缩略语 3 g p pt h e3 r dg e n e r a t i o np a r t n e r s h i pp r o j e c t 第三代合作伙伴计划 b e rb i te r r o rr a t i o ( 二进制) 误码率 c a c c a l la d m i s s i o nc o n t r o l 呼叫准入控制 d ld o w nl i n k 下行链路 e n be n l l a l i c en o d e b 增强型n o d e b i d f ti n v e r s e d i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m 逆离散傅立叶变换 i f f t i n v e r s ef a s tf o u r i e rt r a n s f o r m 逆快速傅立叶变换 l m d s l o c a lm u l t i p o i n td i s t r i b u t i o ns e r v i c e 多频道( 微波) 分布式系统 l t e l o n gt e r me v o l u t i o n ( 3 g ) 长期演进 m a c m e d i aa c e s sc o n t r o l 媒体接入控制 m i m om u t ii nm u t io u t 多输入多输出 o f d m o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g 正交频分复用 p a r pp e a ka v e r a g ep o w e rr a t i o 峰值均值功率比 q a mq u a d r a t u r ea m p l i t u d em o d u l a t i o n 正交幅度调制 q o s q u a l i t yo fs e r v i c e 服务质量 r n cr a d i on e t w o r kc o n t r o l 无线网络控制器 s c - f d m as i n g l ec a r r i e rf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s i n g 单载波特性频分复用 s n r s i g n a ln o i s er a t i o 信号噪声比 u t r a nu n i v e r s a lt e r r e s t r i a lr a d i oa c c e s sn e t w o r k 全球陆地无线接入网络 w i m a x w o r l d w i d ei n t e r o p e r a b i l i t yf o rm i c r o w a v ea c c e s s 全球协同微波接入系统 5 5 南京邮电大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京邮电大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：疆曼丝日期：墨：! 上：兰1 2 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送 交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论 文。本文电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文 外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。 论文的公布( 包括刊登) 授权南京邮电大学研究生部办理。 研究生签名：亟璺塾 导师签名： 薹娶日期：边皇p ：生：12 1 1 快速发展的移动通信 第一章绪论 所谓移动通信是指通信双方( 甚至多方) 或至少一方在进行信息交换时是运动的。也 就是说，移动体与固定点或移动体与移动体之间的通信都属于移动通信范畴。移动通信包 括对讲机、无绳电话、无线寻呼、集群、无线移动数据、移动卫星数据和蜂窝系统等。目 前人们通常说的移动通信就是指蜂窝通信。 现代通信技术的发展始于2 0 世纪7 0 年代。1 9 4 8 年，c e s h a n n o n 提出了信道容量理论奠 定了现代数字通信和信息论的基础。2 0 世纪6 0 年代，贝尔实验室开发出蜂窝技术，无线移 动通信的商用化逐渐成为可能。7 0 年代，通信理论和半导体器件技术的进一步发展使得移 动通信技术逐渐成熟。 第一代蜂窝移动系统出现于2 0 世纪8 0 年代早期，采用频分多址和模拟技术，包括模拟 蜂窝和无绳电话系统。典型的有美国的a m p s 、英国的t a c s 、前西德的c 4 5 0 等。模拟系 统的缺点主要有频带利用率低、抗干扰能力差、系统保密性差等，但是由于模拟技术十分 成熟，因而在通信技术发展初期也得到了较为广泛的应用。模拟蜂窝技术由于不适合未来 多媒体通信业务的需求，已在日益激烈的市场竞争中被逐渐淘汰。 9 0 年代，随着大规模集成电路和语音编码技术的发展，采用数字技术的第二代移动通 信系统出现。第二代移动通信是为支持语音业务和低速率业务的数据业务设计的，但是随 着人们对信息交流的快速、高效、丰富要求不断提高，已有的第二代网络已经难以满足需 求，这样就催生了第三代移动通信系统。 第三代蜂窝系统的标准主要有三个：欧洲和日本提出的w c d m a ，美国( 主要是l u c e n t ) 提出的e d m a 2 0 0 0 、中国提出的t d s c d m a 。其中w c d m a 后向兼容g s m 。e x l m a 2 0 0 0 后向 兼容i s 9 5c d m a ( c d m a o n e ) 。目前最有影响力的是w c d m a 方案。尽管第三代移动通 信系统的研究和标准化工作十分引人关注，但业界也存在不同观点。这种观点认为，这种 3 g 方案实际上只是2 g 基础上的改进，算不上真正意义上的宽带接入系统。3 g 系统的核心 网结构也没有完全脱离2 g 的核心网结构。所以认为3 g 仅仅是从窄带向宽带通信系统过渡的 网络。目前越来越多的人已经把目光转向后三代( b e y o n d3 g ) 的移动通信系统中。b 3 g 已 有w i m a x 、u w b 、l t e 等几种争论技术，总体上看采用正交频分复用( o r t h o g o n a lf r e q u e n c y d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，o f d m ) 且后向兼容w c d m a 的l t e 逐渐成为主流。 趣塞i 韭! 【l 厶堂亟上班宜生堂僮j 金塞苤= 童绩i 金 总的来说，b 3 g 移动通信在性能上主要有以下要求：( 1 ) 用户速率在准静态( 低速移 动或固定) 情况下达：至0 2 0 m b p s 一1 0 0 m b p s ，在高速移动情况下达2 m b p s ；( 2 ) 系统容量要 达到3 g 通信系统的5 1 0 倍，传输质量相当于甚至优于3 g 系统；( 3 ) 条件相同情况下小区 覆盖范围等于或大于3 g 系统；( 4 ) 具有不同速率间自动切换能力，以保证通信质量；( 5 ) 网络的每比特成本要比3 g 系统低。b 3 g 在移动通信在功能上主要有以下要求：( 1 ) 支持 下一代因特网和所有的信息设备、家用电器；( 2 ) 实现与固定网络的无缝融合；( 3 ) 能 通过中间件支持和开通多种多样的i p 业务；( 4 ) 能提供由用户自定义的个性化服务；( 5 ) 按服务级别收取费用。 1 2 宽带无线接入系统 宽带无线接入是指从交换节点到用户终端部分或者全部采用无线手段的宽带接入技 术。它具有如下特点：1 、安装部署过程简单易行，建网费用低；2 、系统架构伸缩自由， 扩容按需而定；3 、拥有极高的覆盖能力；4 、频谱效率高，能够实现高速数据传输以及高 吞吐量；5 、运行成本、后续支持成本以及管理成本低廉。 在众多的宽带无线接入系统中，本地多点分布业务( l m d s ，l o c a lm u l t i p o i n t d i s t r i b u t i o ns e r v i c e ) ，亦即本地多频道( 微波) 分布式系统( l o c a lm u l t i c h a n n e ld i s t r i b u t i o n s e r v i c e ) ，无疑是一支后起之秀。l m d s 工作于1 0 6 6h z 频段，是宽带无线点对点接入技 术。该技术利用毫米波传输，可以提供双向语音、数据及视频图像业务，还可以提供各类 承载业务( 如f r a m e r e l a y 、a t m 等) ，而不必使用光纤和端口设备，是一种全业务系统， 具有很高的可靠性，被称之为“无线光纤 接入技术。l m d s 系统采用多扇区、多小区的 空间分割技术、使系统容量实现数量级的增长。l m d s 系统最大的优点是频带利用率高、 典型系统可以支持高达4 5 m b i t s 下行和1 0 m b i t s 的上行传输速度，可获得较高的宽带和类似 光纤的q o s ( 服务质量) 。l m d s 系统的缺点就是无线链路之间的距离有限，需要建立足 够的小区覆盖。 目前，以l m d s 系统为代表的固定宽带无线接入系统对各个通信点之间“视距”( l o s ： l i n e o f - s i g h t ) 传输要求非常苛刻。为了避免阻挡，基站不得不设置在很高的地方，用户站 也要放在特定的位置，这在有些情况下实现起来比较困难。特别是处于发展中的城市，新 建筑物的出现有可能给系统的无线传输带来困难，进而给整个网络的安装、运行和维护都 带来了困难。为了使宽带无线接入系统迅速得到推广和使用，必须要降低安装的代价，用 2 豳塞i ! ! l ! ! i 厶堂亟土翌 宜生堂丝j 金塞箍二童缝途 户站可以由用户自己安装在室内或者室外，这就会使得无线信道环境出现衰落、多径时延 扩展和干扰，所以下一代的宽带无线接入系统为“非视距 ( n l o s ) 传输。8 0 2 1 6 a 将频 带扩展到2 1 lh z ，支持非视距通信和慢速移动。为了克服由于“非视距”( n l o s ) 传输 造成信道的多径时延扩展，必须要采用一些新技术，o f d m 作为新型的信号调制复用方法 就是其中一种。由于其具有很强的抗多径能力以及很高的频带利用率，使得它在宽带无线 接入技术领域的应用已经成为了一种发展趋势，目前在w l a n 、h i p e r l a n 、w i m a x 、 m b w a 、l t e 中都已经明确采用o f d m 技术 4 3 】。 8 0 2 1 6 i 作组还提出了移动无线宽带接入的研究，旨在构筑一个高效、柔性、集成、 基于i p 的通信环境，支持对i n t e m e t 或者企业内互联网透明的接入。并且它不同于固定无线 宽带接入，也不同于c d m a 2 0 0 0 、u m t s 、w l a n 、g p r s 等目前已获得广泛研究的无线宽 带接入技术，其面临的技术要求是：工作在4 5 0 m h z 3 g h z 之间需l i c e n s e 的频段，支持车辆 速度的移动性( 最高速度为2 5 0 公里d , 时) ，采用快速调频的o f d m 技术。 1 3 l t e 技术及跨层资源分配 无线接入互联网和多媒体数据业务的巨大需求推动无线通信技术的快速发展，不同的 无线通信技术，如蜂窝通信3 g 4 g ，宽带无线接入i e e e 8 0 2 1 6 2 0 以及短距通信w l a n 、 b l u e t o o t h 、u w b 等为用户提供各种不同的服务。其中w i m a x 具有传输距离远、传输速率 高、容量大、信道宽度灵活、安全性高等特点，并已推出最新的支持固定、移动接入的空 中接口标准i e e e8 0 2 1 6 e1 4 4 1 。与此同时，3 g p p 组织也在积极开展3 g 的长期演进 项目( l t e ) 的研究，该技术也采用了以o f d m 为核心的关键技术。针对w i m a x “低移动 性宽带i p 接入 的定位，l t e 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p s 域，强调广播多播业等。 另外，l t e 的无线接入网( e u t 黜) 也被极大的简化。首先基站会加入无线管理和 路由功能，这样网络的层次将会减少，数据传输时延和呼叫建立时延将会被降低，以满足 实时数据业务要求。另外，基站将会成为一个接入点，而核心网将不仅支持移动接入，还 会支持固定接入。未来的核心网将不再分成移动网和固定网，而是只有一个全i p 网络，其 结构不再是垂直的，而是平面的。 与其他无线接入方式相比，高频谱效率、广域覆盖和支持用户高速移动是e u t r a n 系统的主要特点。在e u t r a n 中，当移动速率为1 5 1 2 0 k m h 时， 能获得最高的数据传 输性能。e u t r a n 支持在蜂窝之间1 2 0 3 5 0 k m h 甚至高达5 0 0 k m h 的移动速率。在整个速 3 直壅! ! ! i ! 电厶堂亟= ! ：翌 宜生堂僮途塞筮= 童绪论 率范围内，u t r a n 中c s 域的语音和其他实时业务在e u t r a n 中通过p s 域来支持，并要 求至少获得与u t r a n 相同的性能。 在l t e 关键技术中，主要在空口采用了o f d m 技术，正交频分复用( o f d m ) 把高速的 数据流通过串并变换，分配到传输速率相对较低的若干子信道中传输，是一种特殊的多载 波方案。 信 1234567 891 0 道塑兰 ( a ) il ： ( b ) 图l常规频分复川和o m m 的信道分配 o f d m 系统由于各子载波之间存在正交性，允许子信道的频谱相互交叠，因此与常规 的频分复用系统相比，o f d m 系统可以最大限度的利用频谱资源，其可节省带宽如图1 所示。 无线数据业务通常具有上下行链路的非对称性，即下行链路数据量远远超过上行链路 数据量。o f d m 系统可以很容易的通过使用不同数量的子信道来实现上行链路和下行链路 的不同传输速率。由于无线信道的频率选择性和时变性，可以通过动态比特分配以及动态 子信道分配的方法，充分利用信噪比较高的子信道，从而避开信噪比较低的子信道，以提 高系统的整体性能。而且对于多用户系统来说，对一个用户不适用的子信道，对其他用户 可能性能比较好。因此，在所有用户中采用动态资源分配，能够更有效的利用系统资源， 提高业务的q o s 。 由于无线网络是基于标准协议栈t c p i p 分层结构设计的，因此在这个模型中，协议栈 的各层独立工作。该模型的严格分层结构体系，使得它无法很好地适用于无线通信系统。 以往的动态资源分配都是针对传统分层体系的某一层优化的，即一般都是假使其它层为理 想状念而对某一层独立考虑优化设计。例如：物理层动态资源分配，大多就是根据不同时 间得到的信息调整物理层资源分配策略或分配比例。但事实上，这样的方案实用性很差， 而且独立某一层的优化很有可能带来其它层资源的浪费，从整体上来说并未使系统性能得 到提升。因此，有效地将各层信息相互交互，联合设计，实现跨层资源分配就成为了l t e 领域的又一热点研究趋势。 4 直塞嵝! 乜厶堂亟i 2 宜生堂丝途塞筮= 童绮论 针对b 3 g 网络的特征和业务要求，一个比较有效的架构是跨层自适应资源管理 4 5 】 【4 6 】这种思想的提出，主要基于以下几方面：( 1 ) 无线信道具有时变性，信道错误具有突 发性；( 2 ) 不同业务具有不同的q o s 要求，资源分配算法应该既满足业务的q o s 要求，又充 分利用无线信道特征；( 3 ) 未来的无线通信网络是异构的，用户应具有自主选择最优接入方 式的能力。 1 4论文的主要研究内容和文章结构 本文的主要工作在于对l t e 跨层体系设计方法和资源分配方案进行研究，仿真和分析： 详细探讨l t e 的背景、结构特点、及其关键技术 一讨论跨层设计理论及其利弊 介绍两种o f d m 系统p h y m a c 跨层设计的方案 提出一种基于等效资源带宽的l t e 跨层资源分配方案 论文的第一章是绪论，介绍了无线通信发展的状况，宽带无线系统，以及本文的组织 结构等。第二章重点阐述了l t e 的基本知识，包括网络架构，典型特点，主要标准，实现 目标等，以及l t e 采用的关键技术o f d m 、s c o f d m a 相关知识。论文第三章则将着眼点 放在l t e 跨层设计的背景、协议栈演进、跨层设计基本要求，原则和方法上，并对该领域 亟需深入研究的问题和关键技术进行归纳。第四章则介绍了两种o f d m 系统p h y m a c 跨 层设计的方案，并对仿真结果进行分析。第五章则提出了一种基于等效带宽的l t e 系统跨 层设计思想和资源分配算法。经过仿真对比和分析，可以发现该方案对信噪比要求很低， 能大大降低系统总发射功率，而且在q o sg u a r a n t e e d 用户的基础上对b e s te f f o r t 用户的需求 改善显著提高。 5 第二章l t e 技术概述 l t e ( l o n gt e r me v o l u t i o n ) 是指为长期( 1 0 年或更长) 保证3 g p p 的竞争力所采用的演进 方案。它主要以w c d m a 为基础，通过变更网络体系结构，采用新的空1 2 1 技术，降低了系 统复杂度。同时它还改进并增强- j 3 g 的空中接入技术，采用o f d m 和m i m o 作为其无线网 络演进的唯一标准。l t e 系统在2 0m h z 频谱带宽下能够提供下行1 0 0m b i t s 与上行5 0m b i t s 的峰值速率，对小区边缘用户，小区容量和系统延迟等方面的特性给予大大改善。 2 1 l t e 出现的背景 随着个人通信技术在2 0 多年中不断发展成熟，人们在生活中对无线通信的依赖越来越 强。目前，全球的移动语音用户已超过了2 0 亿户。同时，众多的使用者也对个人通信技术 的发展提出了新的要求：通信设备的微型化、低功耗、高带宽、快速接入和多媒体化。而 最关键的是广大用户能负担得起的廉价终端设备和网络服务。虽然3 g 网络的无线性能已经 有了较大的提高，但由于i p r 的制约，在应对市场挑战和满足用户需求等方面还是有很多 局限性。同时，昂贵的授权费用也制约了3 g 技术的发展，因而受到了技术简单、价格低廉 的w i f i 和w i m a x 的强烈挑战。所以，用户的需求和市场的挑战迫切需要传输速率更快、 时延更短、频带更宽以及运营成本更少的网络诞生。【l 】 在新一代移动网络中，c d m a 2 0 0 0 是朝向u w b 演进的，而w c d m a 经过h s d p a 、 h s u p a 、h s p a + 等技术的改进已经非常成熟。但与w i m a x 相比在下行速率上还有很大差 距。因为w i m a x 物理层采用o f d m 技术使频谱利用率大大提高，但w i m a x 系统的移动性 不好是其致命缺陷。因此就出现了以w c d m a 为基础的经过物理层改进采用o f d m 、m i m o 等关键技术的l t e 技术。 在2 0 0 4 年1 2 月的3 g p pr a n 全会上，一个关于u t r a n 的长期演进的研究项目被批准立 项。也就是说，3 g p p 要正式开展r a n 长期演迸的研究和标准制订工作。新的u t r a n 一般 叫做增强型u t r a n ，简写e u t r a n 。根据立项报告中的事件表，在2 0 0 6 年6 月完成可行性 研究，2 0 0 7 年6 月主要的规范将完成。中国移动，美国的c i n g u l a r w i r e l e s s ，同本的 n t t d o c o m o ，v o d a f o n e ，o r a n g e ，t m o b i l e 和t i m 等7 家运营商是l t e 的主要倡导者。 6 2 2 l t e 演进及系统结构 l t e 是以w c d m a 为基础的，其具体演进过程如下： 3 9 l 芦呷呷呷呷 瞒 匦： i u 几3 8 4 k d h ； u ? ；：j ；盆：；：基 l t e d ：l o o m u ：5 0 m i i m 0 0 f d m 图2w c d m a 至l t e 的演进 从上图2 可以看n - w c d m a 的r 9 9 r 3 至r 4 时，上下行速率为3 8 4 k 。采用h s d p a 后使 下行速率跃升至1 4 4 m ，而h s u p a 又使上行速率达n 5 7 6 m 。到了r 7 时吸引了h s p a + ， m i m o ，6 4 q a m 等技术，下行速率则能达到4 2 m 。r 5 至r 7 这段就属于3 5 g 。在r 7 的基础 上底层采用最新的o f d m 技术，使上行速率达到5 0 m ，而下行速率可达1 0 0 m 。 我们知道在w c d m a 中u t r a n 结构如图所示： 图3u t r a n 的结构 u t r a n 包含一个或几个无线网络子系统( r n s ) 。而一个r n s 又由无线网络控制器 ( r n c ) 和一个或多个基站( n o d eb ) 组成。r n c 与c n 之间的接口是i u 接口，n o d eb 和 r n c 通过i u b 接口连接。在u t r a n 内部，无线网络控制器( r n c ) 之间通过i u r 互联，i l i r 可以通过r n c 之问的直接物理连接或通过传输网连接。r n c 用来分配和控制与之相连或相 7 直塞! ! ! | ! ! i 叁堂亟上班宜生堂焦i 金塞筮三童l 工呈拉苤攫姿 关的n o d eb 的无线资源。n o d eb 则完成i u b 接口和u u 接口之间的数据流的转换，同时也参 与一部分无线资源管理。这种结构使r n c 的负载非常大，因为与空中接口相关的许多功能 都集中在r n c o o ，导致资源分配和业务不能适配信道，系统协议结构过于复杂，不利于系 统优化。 与之相对应的 l t e 的e u t r a n 的结构是： m m e _ - m o b i l i t ym a n a g e m e n te n t i s - g w _ 。s e r v i n gg a t e w a y e n b r n c + n o d eb e - u t r a n 图4e - u t r a n 的结构 我们可以看到在新的l t e 系统里面，w c d m a 系统的r n c 和n o d e b 已经融为一体，叫做 e 。n o d e b ，又叫e n b 。其中e n b 与s g w 之间的接口为s l 接口，e n b 与e n b 之间的接口为x 2 接口，且与空中接口相关的功能都被集中在e n b 。由于无线链路控带i j ( r l c ) 和多媒体访问控 n ( m a c ) 都处于同一个网络节点，所以可以对其进行联合优化和设计。从而为之后我们的 跨层资源分配方案提供了很好的架构基础和平台，使可操作性可实现性大大提升。 m m e 是移动管理实体，主要功能是认证，漫游，承载建立等。而s g w 是网关，是e n b 之间切换或3 g p p 系统之间切换的附着点，也负责路由转发功能。e n b 则实现了以前r n c 和 n o d e b 两者的功能。这些网元具体功能见表1 ： 这样l t e 的无线接入网将极大的被简化。首先基站会加入无线管理和路由功能，这样 网络的层次将会减少，数据传输时延和呼叫建立时延将会被降低以满足实时数据业务要 求。而无线资源的管理也全部放至t j e n b 中实现。基站将会成为一个接入点，而核心网将不 仅支持移动接入，而且支持固定接入。未来的核心网将不再分成移动网和固网，而是只有 一个全i p 网络，其结构不再是垂直而是平面的。 8 盔宝岖! 也厶堂亟：匕班蕉生堂丝逾塞箍三童l 工量越苤褪述 表1l t e 各个网元功能 缓移午一鼍簪一掣呻强露黝鬻秽翟辉”“唧髑嚆孵妒一 唧4 删臻 爹 e 。n o d e b ” j、7m m e ， s e r v i n gs a eg w 霪 象罐，搿础，锄j + 一彩砌钲品赫黝名m 矗玉搋嚣女缸蠢套如“ _ 一。 ：。商鸸鼍 无线资源管理 用户面数据的 i p 头压缩和加密 n a s 信令处理 e n o d e b 之间的 选择u e 附着的 n a s 信令的安 切换的本地锚点 m m e全保护 3 g p p 内不同接 作为用户面数 3 g p p 内不同节 入技术之间切换的用 据在u e 和s g w 间的路点之间的移动性管理 户面锚点，中继2 3 ( 3 系 由 空闲移动终端 统和p d ns a eg w 之 调度和传输寻的跟踪和可达 间的数据传输 呼和广播消息 漫游控制 合法监听 测量的配置以 安全认证 及测量报告上报的控 制 2 3 l t e 主要标准和实现目标 3 ( 3 p pl t e 的标准化进程安排如下：2 0 0 4 年1 2 月份至u 2 0 0 6 年6 月为研究阶段，2 0 0 6 年6 月至u 2 0 0 7 年6 月为工作阶段，完成3 g p pl t e 的标准化工作。但由于一些问题没有解决，研 究阶段推迟至1 j 2 0 0 6 年9 月才结束。从3 g p pl t e 的标准化进程来看，其初衷是作为第3 代移 动通信系统的演进，但由于其他技术的竞争，业务的需求和运营商的压力，其标准化进程 实质为场技术革命过程。与第3 代移动通信系统相比，3 g p pl t e 物理层( 层1 ) 在传输技术 2 1 、空中接口协议结构层( 层2 ) 和网络结构【3 】等方面都发生了革命性的变化。 网络结构的变化在前一节已经进行叙述，接下来将对l t e 物理层技术进行探讨。l t e 物理层在下行链路中采用o f d m 。o f d m 是一种在多个相互正交的子载波上并行传输数据 的方法，在频域把信道分成许多正交子信道，各子信道的子载波频谱相互重叠，提高了频 谱利用率。同时，整个宽带频率选择性信道被分成相对平坦的子信道，每个信道具有很长 的符号周期和很窄的带宽，从而使得符号间干扰大大减小了。而在上行链路，有一种方案 是采用动态带宽的单载波f d m a 技术( s c f d m a ) 。上行链路最大的问题是要使终端的有 9 。 密基唑! 也厶堂殛：! ：型 红生堂僮诠塞筮三童l 工曼拭垄题姿 效能量能够覆盖尽可能大的范围。s c f d m a 技术在这个技术指标上有其独到的优势。对于 每一个时隙，基站调度程序为每二个发送数据的终端用户分配一个唯一的时频间隔，以保 证小区内部各个终端用户发送信号的正交性。 在其它方面，l t e 系统上下行支持m i m o 技术进行空间维度的复用，空间复用可以以 单用户( s u m i m o ) 模式或者多用户( m u m i m o 或者s d m a ) 模式进行。对单用户和多用户 m i m o 都支持通过p r e c o d i n g 的方法来降低或者控制空间复用数据流之间的干扰，从而改善 m i m o 技术的性能。 图5l t e 下行层2 协议结构 在空口协议层方面：图5 给出了下行的层2 协议结构。由于没有了电路域交换，协议 结构变得非常简单。与3 g 的协议相比，h a r q 和a r q 实体都位于e n b ，r l cs d u 的长度是 可变长的，同时支持r l c 协议数据单元( p d u ) 的重分割，从而使业务载荷能够很好地适应 信道质量；另一方面，由于苛刻的时延需求，要求填充小，因此3 g p pl t e 的层2 协议支持 属于同一终端的多个无线承载在m a c 层的复接。 那么，经历如此大的改进，l t e 的实现目标是什么昵? 具体可以概述为以下几条： 酽降低用户面时延和控制面时延； 酽更高的上下行速率d l1 0 0 m b p s u l5 0 m b p s ； 酽对p s 域的优化支持； 酽更高的系统容量( 激活用户 = 2 0 0 c e l l ，5 m 频谱) ； 酽更好的覆盖( 5 k m 一3 0 k m l o o k m ) ； 1 0 中更低的部署成本。 有了如上所述的l t e 标准和实现目标，我们可以看l t e 是一个能提供高速率、低延迟、 持眷种多媒体业务的系统。原有的传统的分层系统设计技术和资源分配方式已经不能满足这! 需求，与之伴随的更加扁平化的架构皿q 给跨层设计提供了很好的平台。 2 4o f d m 和s c f d m a 2 4 1o f d m 调制解调技术 由于o f d m ( o r t h o g o n a lf r e q u e n c y d i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ) 具各许多能很好满足 e u t r a n 下行需求的优点，使它成为一个具有压倒性优势的技术将在e u t r a nf 行中 得到采用。 o f d m 属于频分复用技术，把系统带宽分成多个更小的子载波，然后在多个子载波上 并行传输数据。o f d m 通常在基带采用i f f t 来完成多个子载波的正交复用。为使o f d m 符 号在经过具有时延扩展特性的信道后仍然能够保持各个子载波上的e 交性，通常需要在各 个o f d m 符号之间插入保护间隔。保护间隔通常采用循环前缀( c p ) 来实现。下图形象地在 时频二维表示出o f d m 信号的结构【4 1 】。 削6o f d m 信号的时额表示 o f d m 在下行中应用有如下优点： 灵活的频谱分配方式，使它能够有效地在12 5 m h z 一2 0 m h z 的带宽范围内伸缩。 c d m a e p 增加带宽的时候需要做成多载波，但c d m a 的多裁潞需耍保护颁带，降低了频 1 l 直瘟! i 监吐厶堂亟：班红生堂僮途塞簋三童l i 巨拭苤避述 谱使用效率。o f d m 是j 下交复用，它的子载波问没有保护频带。 由于循环前缀的存在，使得o f d m 在有效合并多径能量的同时，不会引入径间干扰 和符号间干扰，从而保证了小区内的用户之间互相正交，避免了小区内用户的互相干扰。 这种特性也意味着移动台也可能有效地的合并多个基站的同一信号( 特别是广播、多播 业务) ，可以通过这种宏分集来改善小区边缘的覆盖。 多个子载波的存在，使得频率上的调度成为可能，从而取得多用户分集增益。这是 因为宽带通信通常具有频率选择性衰落的特点，每个用户在某一时刻会在某些子载波上 具有良好的信道环境。通过多个用户对各个子载波衰落特性的统计复用，o f d m 能够获 得更高的频谱效率。 由于每个子载波的带宽仅在i o k h z 的数量级上，每个子载波所经历的是频率平坦衰 落。这使得接收机的均衡非常容易实现，也使得m i m o 的实现变得简单。 io f d m 调制 o f d m 通信链路的发射机框图可以由下图来表示。 ) ：裳嚣恻 i f f t 图7一个典型的o f d m 通信链路发射机框图 如前所述，经过星座映射之后的发射符号通过i f f t 变换完成子载波调制。由于o f d m 信号是多个子载波的叠加，它的p a p r 比较大，这个缺点使得它在e u t r a n 上行没有得到 普遍的支持，但多数公司认为下行( e n b ) 可以容忍o f d m 的p a p r 。高p a p r 对功放的线 性度和效率有着更为苛刻的要求，因此e u t r a n 发射通道设计中必须考虑到一些降低 p a p r 的措施。此外相对w c d m ah s d p a 系统，由于没有扩频增益以及引入了更高阶调制， o f d m 解调需要更大的载干比，这对发射通道的各项失真度指标也提出了更高的要求。 l io f d m 解调 1 2 图8一个典型的o f d m 通信链路接收机框图 在o f d m 系统中，时间同步的要求不如c d m a 系统高，但解调性能对频率同步的精度 比较敏感。在获得时频同步之后，o f d m 接收机通常把接收信号通过f f t 转换