（通信与信息系统专业论文）ltea无线资源管理仿真平台的搭建.pdf

l i 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本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，除了文中特另j j 3 n 以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 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。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：赵酉是 日期：塑! ! ：圭：! 笪 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论文注释：本 学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名： 起酉袅 导师签名：l 羔竺遗 、 ? i 摘要 全球4 g 提案征集工作已于2 0 0 9 年1 0 月结束，i t u 共收到了6 项提案涵盖了l t e - a d v a n c e d 和8 0 2 1 6 m 两大类技术方案，其中 l t e a d v a n c e d 已成最具竞争力的4 g 候选技术。在3 g p p 后续的工作 阶段中，需要进行仿真以对提出的技术方案进行验证。b u p t i c n 实验 室根据3 g p p 对4 g 无线通信系统性能提出的要求，设计并搭建了 l t e a d v a n c e d 无线通信系统仿真平台。仿真平台主要包括地理拓扑、 w r a p a r o u n d ，大d , 尺度衰落，干扰计算，自适应调制编码，h a r q ， 分组调度等功能模块，为l t e - a d v a n c e d 通信标准的制定工作奠定了 基础，对于l t e a d v a n c e d 的相关研究有重要的意义。 本文的主要研究工作是以3 g p p 规范为基础，设计研究一个准静 态l o n gt e r me v o l u t i o n ( l t e ) 链路系统级仿真平台。完成了仿真系 统整体框架的确定，几个重要模块的搭建，整个系统的调试，以及仿 真结果的数据收集和比较分析。并对该仿真平台的下一步研究与应用 提出建议和展望。 本文首先介绍了长期演进计划( l t e ) 的发展状况、网络构架和主 要关键技术。然后描述了本仿真平台中各部分的循环流程和一些重要 模块的具体实现过程。随后，介绍了仿真器的设计思路，相关数据结 构和主要仿真参数的配置。最后对仿真结果进行了比较深入的分析。 关键词：l t e a d v a n c e d ；系统级仿真；3 g p p ；h a r q ； 分组调度 - t h ec o n s t r u c t i o no fi j e ar 刚m s i 【i 丁i ，a t l 0 np l a t f o r m a b s t r a c t t h eg l o b a lc a l lf o rp r o p o s a l so f4 gh a sc o n c l u d e di no c t o b e r2 0 0 9 i t u r e c e i v e ds i xp r o p o s a l sc o v e r i n gt w oc a t e g o r i e so ft e c h n o l o g ys o l u t i o n s ， i j e a d v a n c e da n d8 0 2 16 m i j e - a d v a n c e dh a sb e c o m et h e m o s tc o m p e t i t i v ec a n d i d a t ef o r4 gt e c h n o l o g y i no r d e rt ov e r i f yt h e p r o p o s e dt e c h n o l o g y , s i m u l a t i o n sa r ei n d i s p e n s a b l e a c c o r d i n gt ot h e r e q u i r e m e n t s o f3 g p pt o4 gw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s y s t e m s p e r f o r m a n c e b u p t i c nd e s i g n e da n db u i l tai t e a d v a n c e dw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o ns y s t e ms i m u l a t i o np l a t f o r m s i m u l a t i o np l a t f o r mi n c l u d e s g e o g r a p h i ct o p o l o g y , w r a p a r o u n d ，b i g | s m a l l s c a l ef a d i n g ，i n t e r f e r e n c e c a l c u l a t i o n ，a d a p t i v em o d u l a t i o na n dc o d i n g ，r t h r q ，p a c k e ts c h e d u l i n g a n do t h e rf u n c t i o n a lm o d u l e s t h es i m u l a t i o np l a t f o r mh a si m p o r t a n t i m p l i c a t i o n s f o rt h ei j e a d v a n c e d s t u d y t h em a i nr e s e a r c hw o r ki st od e s i g na n di n v e s t i g a t eas e m i s t a t i cl t e s y s t e ml e v e ls i m u l a t o r t h ep r i m a r ya c c o m p l i s h m e n t sa r ed e t e r m i n a t i o n o ft h ew h o l es y s t e mf r a m e w o r k ，b u i l d i n gs e v e r a li m p o r t a n tm o d u l e s ， d e b u g g i n ge n t i r es i m u l a t o r , a n dd a t ac o l l e c t i o na n dc o m p a r i s o n i te n d s w i t ht h es u g g e s t i o na n de x p e c t i n go nt h ef u t u r er e s e a r c ha n da p p l i c a t i o n o ft h i ss i m u l a t o r t h i sw o r k f i r s t l y i n t r o d u c e st h e d e v e l o p m e n t s i t u a t i o na n dk e y t e c h n o l o g i e so ft h el o n gt e r me v o l u t i o n ( l t e ) s e c o n d l y ，t h ew o r k d e s c r i b e sc i r c u l a rf l o w s ，a n daf e wi m p o r t a n tm o d u l e si nt h i ss i m u l a t o r t h i r d l y ，t h ew o r ki n t r o d u c e st h ed e s i g nt h i n k i n g ，r e l a t e dd a t as t r u c t u r e s a n dp a r a m e t e rc o n f i g u r a t i o no ft h i ss i m u l a t o r f i n a l l y ，t h ew o r kg i v e s s o m ed e e pa n a l y s i so nt h es i m u l a t o r sr e s u l t s 1 1 1 k e y w o r d s ：l t e - a d v a n c e d ； s y s t e m - l e v e ls i m u l a t i o n ； 3 g p p ；h r a q ；p a c k e ts c h e d u l i n g 目录 第一章概述1 1 1l t e a 课题研究背景l 1 2 论文安排3 第二章l t e ( 长期演进计划) 介绍4 2 1l t e 能带来什么4 2 2 l t e 的网络结构和空中接口协议6 2 3l t e 的技术优势8 2 4 物理层的关键技术9 2 5l t e 的无线资源管理1 4 2 6 l t e a 介绍15 2 7l t e 技术的市场前景与挑战1 7 第三章总体模块与流程18 3 1总体流程1 9 3 2系统建模2 2 3 2 1 调度模块2 2 3 2 2 小区模型( w r a p a r o u n d ) 2 6 3 2 3信道模块2 7 3 2 4 h a r q 模块2 9 3 2 5a m c 模块3 3 3 2 6干扰模块。3 3 3 2 7业务模块山3 5 3 2 8系统初始化模块。3 7 3 2 9链路级接口模块3 7 3 2 10平台输出3 7 第四章仿真结果分析3 9 4 1仿真参数设定3 9 4 1 1宏蜂窝系统级仿真基本参数3 9 4 1 2仿真预设参数4 0 4 1 3仿真技术设定4 0 4 1 4系统级与链路级接口4 l 4 1 5服务区分布图4 3 4 2 调度算法性能研究4 3 第五章总结4 9 5 1完成的工作4 9 5 2 进一步的研究工作5 0 参考文献5 l 致谢5 3 作者攻读学位期间发表的学术论文目录5 4 v 一， j 北京邮电大学硕上学位论文第一章概述 第一章概述 1 1l t e a 课题研究背景 随着g s m 等移动网络在过去的二十年中的广泛普及，全球语音通信业务获 得了巨大成功。目前，全球的移动语音用户已经超过了1 8 亿。同时，我们的通 信习惯也从以往的点到点( p l a c et op l a c e ) 演进到了人与人通信。 个人通信的迅猛发展也极大地促使了个人通信设备的微型化和多样化，结合 多媒体消息、在线游戏、视频点播、音乐下载和移动电视等数据业务的能力，大 大满足了个人通信和娱乐需求。 另外，尽量利用网络提供计算和存储能力，通过低成本的宽带无线传送至终 端，将有利于个人通信娱乐设备的微型化和普及。g s m 网络演进到g p r s e d g e 和w c d m h s d p a 网络以提供更多样化的通信和娱乐业务，降低无线数据网络 的运营成本，已成为g s m 移动运营商的必经之路。但这也仅仅是往宽带无线技 术演进的一个开始。w c d m a h s d p a 与g p r s e d g e 相比，虽然无线性能大大 提高，但是，在应对市场挑战和满足用户需求等领域，还是有很多的局限。 由于c d m a 通信系统形成的特定历史背景，3 g 所涉及的核心专利被少数公 司持有，在i p r 上形成了一家独大的局面。专利授权费用己成为厂家承重负担。 可以说，3 g 厂商和运营商在专利问题上处处受到制约，业界迫切需要改变这种 不利局面。 面对高速发展的移动通信市场的巨大诱惑和大量低成本，高带宽的无线技术 快速普及，众多非传统移动运营商也纷纷加入了移动通信市场，并引进了新的商 业运营模式。这些新兴力量给传统移动运营商带来了前所未有的挑战，加快现有 网络演进，满足用户需求，提供新型业务成为在激烈的竞争中处于不败之地的唯 一选择。 与此同时，用户期望运营商提供任何时间任何地点不低于1 m b p s 的无线接 入速度，小于2 0 m s 的低系统传输延迟，在高移动速率环境下的全网无缝覆盖。 而最重要的一点是能被广大用户负担得起的廉价终端设各和网络服务。 北京邮电大学硕十学位论文第一章概述 这些要求己远远超出了现有网络的能力，寻找突破性的空中接口技术和网络 结构看来是势在必行。与w i f i 和w i m a x 等无线接入方案相比，w c d m a h s d p a 空中接口和网络结构过于复杂，虽然，这些技术能够大幅度提高上下行速率，且 在支持移动性和q o s 方面有较大优势，但是是以牺牲小区吞吐率为代价的，而 且在每比特成本、无线频谱利用率和传输时延等能力方面明显落后，难以大规模 应用。根据3 g p p 标准组织原先的时间表，4 g 最早要在2 0 1 5 年才能j 下式商用， 在这期间传统电信设备商和运营商将面临前所未有的挑战。用户的需求、市场的 挑战和i p r 的制定共同推动了3 g p p 组织在4 g 出现之前加速制定新的空中接口 和无线接入网络标准。2 0 0 4 年1 1 月，3 g p p 加拿大多伦多“u t r a n 演进”会议 收集了无线接入网r 6 版本之后的演进意见，在随后的全体会议上“u t r a 和 u t r a n 演进”研究项目得到了二十六个组织的支持，并最终获得通过。这也表 明了3 g p p 组织运营商和设备商成员共同研究3 g 技术演进版本的强烈愿望。基 本思想是采用过去为b 3 g 或4 g 发展的技术来发展l t e ，使用3 g 频段占有宽带 无线接入市场。 3 g p p 长期演进( l t e ) 项目是关于u t r a 和u t r a n 改进的项目，是对包括 核心网在内的全网的技术演进。其话音业务部分将由v o l p 来实现。l t e 主要有 两个部分组成，无线接口和无线网络结构部分。和以前相比，只有分组域，而没 有了电路域。l t e 是近两年来3 g p p 启动的最大的新技术研发项目。 在3 g p p 中，和系统演进相关的研究项目有两个：关于整体系统结构演进的 s a e ( s y s t e ma r c h i t e c t u r ee v o l u t i o n ) 项目，主要侧重核心网的功能和结构演进。另 一个是无线接口技术和网络结构的l t e 项目。其中l t e 项目的工作主要由 t s g r a n 工作组发起，其下的四个子工作组分别负责关于l t e 的具体研究工作。 根据分工，r a n i 、r a n z 和r a n 3 三个工作组分别负责l t e 项目的无线接 口物理层、协议和无线接入网的网络架构及接口三方面的可行性研究工作，三个 工作组的研究报告将输入给t s g r a n 作为l t e 研究的阶段成果。 目前l t e a 工作组正在紧锣密鼓地从需求开始全面开展工作，由于在3 g p p 内部意见并没有完全统一，能否达到预定目标还存在一些问题。在这种发展背景 下，如何尽快完成对l t e 的可行性研究，是我们搭建这个l t e a 无线资源管理 仿真平台的主要任务。 2 北京邮t 毡大学硕l 学位论文第一章概述 1 2 论文安排 本论文阐述了对一个l t e a 无线资源管理仿真平台的研究，主要是这个仿 真平台的地理建模、干扰计算和减小、调制编码方案选择、调度、功率控制和自 动请求重传这几个主要模块的设计和实现。具体内容是以3 g p p 规范为基础，通 过引入将用户分组进行调度、功率控制和自动请求重传的方法，使信道情况相近 的用户在同一组中争夺资源，减小了用户问的干扰。相对于己有的方法，该方法 既不需要规划网络资源也不需要基站之间的协作，减小了系统复杂度。采用准静 态方法既不需要规划网络资源也不需要基站之间的协作，减小了系统复杂度。最 后对仿真的结果进行分析和对比，完成了对l t e a 系统容量和调度方案的研究 和评估，为后续的研究提供参考。 本文主要分为以下几个部分：第二章介绍了l t e 计划的目标、结构以及所采 用的关键技术。第三章详细说明了仿真平台中，几个重要模块的搭建细节，重点 介绍了系统地理建模，干扰计算和控制，调制编码方案的选择，资源调度，功率 控制和混合自动请求重传这几个模块的实现过程。第四章对本系统的仿真结果进 行了分析和比较。最后第五章是总结部分，总结了完成的工作，以及对今后研究 方向的意义。 3 北京邮电人学硕上学位论文第二章l t e ( 长期演进计划) 介绍 第二章l t e ( 长期演进计划) 介绍 从g s m 到g p r s e d g e ，再到w c d m a h s d p a ，移动通信的技术演进一路 精彩，未来的技术新贵l t e 正在登上全球的技术舞台。 未来十年，移动通信网络将沿着宽带化、分组化、扁平化的方向演进，在满 足多样化通信要求的同时，大大提高系统容量和降低网络成本。蜂窝通信、移动 广播电视、无线宽带通信加速相互渗透，网络趋于融合。 2 _ 1 l t e 能带来什么 l t e 的研究项目( s t u d yi t e m ) 是于2 0 0 4 年底在3 g p p 中提出的，当时的目标 和关键特性还不是很清楚，争论也比较多，但在2 0 0 5 年6 月的魁北克会议上最 终确立了系统目标，到此l t e 的概念正式确立。 3 g l t e 着重考虑的方面主要包括降低时延、提高用户的数据率、增大系统 容量和覆盖范围以及降低运营成本等。l t e 的目标主要包括以下的内容： 支持1 2 5 m h z 2 0 m h z 带宽： 极大提高峰值数据速率( 在2 0 m h z 带宽下支持下行1 0 0 m b p s 、上行5 0 m b p s 的峰值速率) ； 在保持现有基站位置的同时提高小区边缘比特速率； 有效提高频谱效率( 3 g p p 版本6 的2 - 4 倍) ； 将接入网时延降低到1 0 m s 以下；将控制平面时延降低到l o o m s 以内； 优化1 5 k m h 以下低速用户的性能，能为1 5 1 2 0 k m h 的移动用户提供高性 能的服务，可以支持1 2 0 - 3 5 0 k m h 的用户； 吞吐量、频谱效率和移动性指标在5 k m 半径的小区内将得到充分保证，当 小区半径增大到3 0 k m 时，只对以上指标带来轻微的弱化； 支持多种载波带宽，以满足配置系统时窄带频谱分配时的灵活性； 支持与现有的3 g 系统和非3 g p p 规范系统的协同工作：增强的 4 北京邮电人学硕一 ：学位论文第二章l t e ( 长期演进计划) 介绍 m b m s ( m u l t i m e d i ab r o a d c a s tm u l t i c a s ts e r v i c e ) ；降低c a p e x ( 资本支出) ，c a p i t a l e x p e n d i t u r e 和o p e x ( j 匡_ 营支出，o p e r a t i o ne x p e n d i m r e ) l 勺成本； 降低空中接口和网络架构的成本； 实现合理的终端复杂度、成本和耗电： 支持增强的i p 多媒体子系统( i pm u l t i m e d i as u b s y s t e m ，i m s ) 和核心网：尽 可能保证后向兼容，有效地支持多种业务类型，尤其是分组域( p s d o m a i n ) 、_ l k 务 ( 如v o l p 等) ； 优化系统为低移动速度终端提供服务，同时也应支持高移动速度终端： 支持增强型的广播多播业务； 系统应该能工作在对称和非对称频段；尽可能简化处于相邻频带运营商共 存的问题。 为了实现3 g l t e 的设计目标，着重在空中接口传输技术和接入网结构上对 现有3 g 系统进行改进。 在空中接口方面，一是在下行链路采用能够有效对抗多径衰落、提高频谱效 率的o f d m 技术；采用自适应链路技术使编码调制参数能够适应无线信道的变 化，以提供更高的频谱效率和更可靠的传输性能；通过在发射端和接收端配置多 个天线，从而提高系统的容量、改善系统性能；二是在上行链路采用峰均l 匕( p a p r ) 较低的分布式或集中式单载波频分复用提供多址接入；在帧结构和频谱规划上， 尽可能与现有3 g 标准相兼容，以方便终端在不同制式系统中的切换，减小未来 升级带来的投入。 在接入网体系结构方面，设计的主要目标是减小时延和复杂度，使得协议能 够有效支持新的物理层传输技术，从而提供更高的用户容量、系统吞吐量和端到 端的服务质量保证。在3 g l t e 中，最终将要实现所有业务通过分组域传输，如 何保证各种分组业务、特别是实时性要求较高的分组业务的服务质量，将成为一 个关键的问题。 未来移动通信系统的空中接口标准的发展目标是支持更高无线信道传输速 率和具有向下兼容第3 代移动通信各标准的能力。其主流为频分双i ( f d d ) 、时 分双t ( t d d ) 、码分多址( c d m a ) 方案并存的综合复用方式，并结合正交频分复 用( o f d m ) 或多载波等相关技术以提高无线频谱利用率。b 3 g 和4 g 的最高传输 5 北京邮电大学硕十学位论文第二二章l t e ( 长期演进计划) 介绍 速率将分别达到2 0 m b i t s 和1 0 0 m b i t s 甚至更高。此外无线本地环路( w l l ) 、无 线局域网( w l a n ) 、数字音讯广播( d a b ) 、数字视频广播( d v b t ) 等标准也在不 断地发展和演进。 l t e 还将发展新的网络结构。在原来的3 g 无线接入网之外，建立一个新的 全m 化的r a n 和与固网融合的纯i p 的核心网，以满足宽带无线接入的需求， 移动通信系统将不再自成系统，真正实现了固定网和移动网的融合。 2 2 l t e 的网络结构和空中接口协议 随着i n t e m e t 的迅速发展以及i p 与移动通信标准的结合，i p 协议和基于i p 的业务已逐步成为未来移动通信网的网络上层协议和业务应用趋势。未来移动通 信系统将是一个全p 的网络系统。r r u r 、i e t f 、i p v 6 论坛、移动无线互联网 论坛( m w i f ) 、3 g 合作工程组( 3 g p p ) 和3 g 合作2 号工程组( 3 g p p 2 ) 等诸多相关国 际组织或论坛都在研究和探讨未来移动通信系统的i p 协议解决方案。其中较为 典型的是3 g p p 启动的长期演进( i t e ) 项目和3 g p p z 的无线接口演进( a i e ) 项目。 未来移动通信系统全i p 的核心网络采用i n t e r n e ti p 技术，可支持m o b i l ei p 和 m o b i l ei p v 6 等相关标准；边缘则是不同标准的通信系统( 例如g s m 、g p r s 、 u m t s 、e d m a 2 0 0 0 、w l a n 、i n t e r n e t 、p s t n 、d a b d v b t 及b l u et o o t h 等) 。 全m 网络的目标将是从网络到终端均使用基于i p 的协议通信。目前全i p 网络 的标准化工作主要集中在核心网络( c o r en e t w o r k ) ，正逐步向无线接入网和终端 延伸。 自从l t e 标准化工作开展以来，对于l t e 网络结构的未来演进，各方莫衷 一是，直到r a n z # 4 9 次会议上，初步达成共识。传统的3 g p p 接入网u t r a n 由n o d e b 和r n c 两层节点构成，但在考虑l t e 技术时，大多数公司建议将r n c 省去，采用由n o d e b 构成的单层结构，因为这种结构有利于简化网络和减小延 迟。但少数设备商和运营商建议保留原有的网络架构，只做局部修改。如果采用 第一种( 即“扁平 的) 网络架构，则将对3 g p p 系统的整个体系架构产生深远的 影响，实际上将逐步趋近于典型的i p 宽带网结构。 在作出不采用宏分集的决定后，这个问题的焦点集中在上层a r q ( o u t e r 6 北京邮电人学硕- | j 学位论文第二章l t e ( 长期演进计划) 介绍 a r q ) 、无线资源控制( 1 汛c ) 和小区间无线资源管理( i n t e r - c e l lv 涮v t ) 功能块的位置 上。如果上述功能可以在n o d e b 完成，则可以采用只由n o d e b 构成的“扁平 e u t r a n 结构；如果上述功能无法在n o d e b 内完成，则必须保留所谓的“中心 节点 ( 类似于r n c ) 来实现这些功能，也即需要采用两层结构的e u t r a n 。 最后，由于绝大多数公司支持前一种方案，l t e 采用了由n o d e b 构成的单 层结构。这种结构有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3 g p p 接入网相比，l t e 减少了r n c 节点。名义上l t e 是 对3 g 的演进，但事实上它对3 g p p 的整个体系架构作了革命性的变革，逐步趋 近于典型的i p 宽带网结构。 3 g p p 初步确定l t e 的架构如图2 1 所示，也叫演进型u t r a n 结构 ( e u t r a n ) 。接入网主要由演进型n o d e b ( e n b ) 和接入网关( a g w ) 两部分构成。 a g w 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e n b 一层 构成。e n b 不仅具有原来n o d c b 的功能外，还能完成原来r n c 的大部分功能， 包括物理层( 包括h a r q ) 、m a c 层( 包括a r q ) 、r r c 、调度、无线接入许可、 无线承载控制、接入移动性管理和小区间无线资源管理( i n t e r - c e l lr r m ) 等。n o d e b 之间将采用网格( m e s h ) 方式直接互连，这也是对原有u t r a n 结构的重大修改。 o ；瓿 图2 - il t e 网络结构与协议结构 7 撼峻l 摩匿兰鳖 北京邮电人学硕上学位论文 第二章l t e ( 长期演进计划) 介绍 根据上述网络节点与功能实体的划分，可以看到，与w c d m a 网络相比， l t e 网络结构趋于扁平化，大大增强了c n o d e b 的功能和复杂性，简化了核心网 的处理。引入一个r r ms e r v e r 进行集中式管理( 图2 1 中结构1 ) ，还是采用完全 分散的管理结构( 图2 1 中结构2 ) 来解决小区间干扰协调、负载控制等功能，目 前还未确定。 在传输信道的设计方面，l t e 的信道数量将比w c d m a 系统有所减少。最 大的变化是将取消专用信道，不再保留广播媒体控制层和u t r a n 的公共业务信 道，减少了m a c 层的实体类型，在上行和下行都采用共享信道( s c h ) 。下行还 将保留广播信道( m c h ) 和寻呼信道( p c h ) 。是否保留专门的多播信道( m c h ) 和随 机接入信道( r a c h ) ，还有待于进一步研究。原有的其他传输信道很可能将被取 消 2 3l t e 的技术优势 面对非传统运营商纷纷加入移动通信市场及“其他无线通信标准”的竞争， 3 g p p 启动了l t e 项目。针对w i m a x “低移动性宽带i p 接入”的定位以及适用 于在办公室和家庭中使用的短距离无线技术w i f i ，提出了相对应的需求，如相 似的带宽、数据率，强调m b m s 等。l t e 与w i m a x 、w i f i 在各方面的性能比 较如表2 1 所示。 表2 - 1l t e ，w i m a x ，w i f i 主要性能对照表 挂术籀缘 l j 葚 鹳m a x 髂簟遵事l 期射钳1 , t 1l o o 上辑 支梅纛矗移动蔗搴l 枞3 细 譬宪熏持 8 瞻时1 为。两 覆篮整婀l i 鳓枣毵牛绳l 费用钓费璐，一络建设峻奉离 w i i - 。v ，- “- _ - _ ”一 强 i 2 5 1 l 1 2 0 童用f 室内狂侈动适睾较聂舱1 1 i ! 芥 i ，4 窜f 嘲渊 小汪事径，。的。曩太钳l j o o 荑建) 幂瓮专纠费m 终建设戚拳氟 尤篱书弼缱嫂牢鲑 l t e 、w i m a x 与w i f i 都有各自的特点，或数据速率高，或费用成本低，或 安全性高。l t e 、w i m a x 与w i f i 都有各自的特点，或数据速率高，或费成本低， 一 北京邮电火学硕七学位论文第二章l t e ( 长期演进计划) 介绍 或安全性高。它们的适用范围也各不相同，w i m a x 解决的是无线城域网的问题， 而w i f i 解决的是无线局域网的接入问题。从表2 1 中可看出，尽管l t e 费用较 高，但在灵活性、数据速率、稳定性方面它更具技术优势。 ( 1 ) 灵活性l t e 能够支持1 2 5 ，1 6 ，2 5 ，5 ，1 0 ，1 5 ，2 0 m h z 等多种系统带 宽，w i m a x 支持1 5 2 0 m h z 的几种带宽，w i f i 解决的是无线局域网问题，仅 适用于有因特网的地区，因而在系统布署的灵活性上l t e 更具优势。 ( 2 ) 数据速率l t e 增强了3 g 的空中接入技术，信号的覆盖范围大幅延伸，在 2 0 m h z 的带宽下，能达到下行1 0 0 m b p s 、上行5 0 m b p s 的峰值速率；w i f i 与 w i m a x 所能达到的最高速率仅为11m b i t s 和7 5 m b i t s ，且w i f i 采用的无线电 信号易受环境影响，可能一个用户与带宽为1 1 m b i t s 网络联网，但是其兑现的网 速可能只有1 m b p s 。 ( 3 ) 稳定性l t e 能在3 5 0 k m h 的高速移动的情况下达到良好的接收效果， w i m a x 所能支持的最高移动速率只能达到1 2 0 k m h ，w i f i 则仅限于局域网的低 速率移动。与w i m a x 和w i f i 相比，在高速移动的环境下，l t e 的信号更稳定。 2 4 物理层的关键技术 帧结构和系统参数设计 l t e 在数据传输延迟方面的要求很高( 单向延迟小于5 m s ) ，这一指标要求 l t e 系统必须采用很小的最小交织长度( t t i ) 。大多数公司主要出于对f d d 系统 的设计，建议采用o 5 m s 的子帧长度( 1 帧包含2 0 个子帧) 。但是一些研发t d d 技术的3 g p p 成员注意到这种子帧长度和u m t s 中现有的两种t d d 技术的时隙 长度不匹配。例如t d s c d m a 的时隙长度为0 6 7 5 m s ，如果l t et d d 系统的子 帧长度为0 5 m s ，则新、老的系统的时隙无法对齐，使得t d s c d m a 系统和l t e t d d 系统难以“临频共址”共存。在中国公司的坚持下，3 g p p 在这个问题上形 成决议：基本的子帧长度为0 s m s ，但在考虑和t d s c d m a 系统兼容时，可以采 用0 6 7 5 m s 子帧长度。 至今为止，o f d m s c f d m a 的基本设计参数初步确定。o f d m 和 s c f d m a ( 以d f t - s o f d m 为例) 的子载波宽度选定为1 5 k h z ，这是一个相对适 中的值，兼顾了系统效率和移动性，明显比w i m a x 系统大。下行o f d m 的循 9 北京邮电人学硕士学位论文第二章l t e ( 长期演进计划) 介绍 环前缀( c p ) 长度有长短两种选择，分别为4 6 9 m s ( 采用0 6 7 5 m s 子帧时为7 2 9 m s ) 和1 6 6 7 m s 。短c p 为基本选项，长c p 可用于大范围小区或多小区广播。短c p 情况下一个子帧包含7 个( 采用0 6 7 5 m s 子帧时为9 个) o f d m 符号；长c p 情况下 一个子帧包含6 个( 采用0 6 7 5 m s 子帧时为8 个) o f d m 符号。上行由于采用单载 波技术，子帧结构和下行不同。d f t - s o f d m 的一个子帧包含6 个( 采用0 6 7 5 m s 子帧时为8 个) “长块和2 个“短块”，长块主要用于传送数据，短块主要用于 传送导频信号。 虽然为了支持实时业务，l t e 的最小i t i 长度仅为0 s m s ，但系统可以动态 的调整t t i ，以便在支持其他业务时，避免由于不必要的m 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( r u ) 和物理资源块( p r b ) ， r u 和p r b 分别是上、下行资源的最小分配单位，大小同为2 5 个子载波，即 3 7 5 k h z 。下行用户的数据以虚拟资源块( v r b ) 的形式发送，v r b 可以采用集中 ( l o c a l i z e d ) 或分散( d i s t r i b u t e d ) 方式映射到p r b 上。l o c a l i z e d 方式即占用若干相 邻的p r b ，这种方式下，系统可以通过频域调度获得多用户增益。d i s t r i b u t e d 方 式即占用若干分散的p r b ，这种方式下，系统可以获得频率分集增益。上行r u 可以分为l o c a l i z e dr u ( l r u ) 和d i s t r i b u t e dr u ( d r u ) ，l r u 包含一组相邻的子载 波，d r u 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u e 占 用多个l r u ，这些l r u 必须相邻；如果占用多个d r u ，所有子载波必须等问隔。 传输和多址技术 接口物理层技术是无线通信系统的基础与标志，3 g p p 组织就l t e 系统物理 层下行传输方案很快达成一致，采用先进成熟的o f d m a 技术；但上行传输方案 却争论不断，很大部分设备商考虑到o f d m 较高的峰均比会增加终端的成本和 功率消耗，限制终端的使用时间，坚持采用峰均比较低的单载波方案s c f d m a ， 但一些积极参与w i m a x 标准组织的公司却认为可以采用滤波、循环削峰等方法 有效降低o f d m 峰均比。双方各执己见，一度僵持不下，3 g p p 经过多次会议的 激烈讨论和艰苦融合，终于在2 0 0 5 年1 2 月确定上行方案还是选择了单载波 s c f d m a 。这样l t e 系统的基本传输技术最终确定为下行o f d m a 和上行 s c f d m a 。 1 0 - 北京邮电大学硕1 ：学位论文 第二章l t e ( 长期演进计划) 介绍 大多数公司支持采用“频域 方法来生成上行s c f d m a 信号。这种技术是 在o f d m 的i f f t 调制之前对信号进行d f t 扩展。这样，系统发射的是时域信 号，从而可以避免o f d m 系统发送频域信号带来的p a p r 问题。 切换 在切换方面，除了l t e 系统内的切换，也正在考虑不同频率之间和不同系 统( 如其他3 g p p 系统、w l a n 系统等) 的切换。 调制与编码 高峰值传输率是l t e 下行链路需要解决的主要问题。为了实现系统下行 1 0 0 m b p s 峰值速率的目标，在3 g 原有的q p s k 、1 6 q a m 基础上，l t e 系统增 加了6 4 q a m 高阶调制。l t e 上行方向关注的首要问题时控制峰均比，降低终端 成本及消耗，目前主要考虑采用位移b i t s k ，如位移b p s k 、q p s k 、s p s k 和 1 6 q a m 等，及频域滤波两种方案进一步降低上行s c f d m a 的峰均比。上下行 的最小资源块大小为2 5 个子载波，即3 7 5 k h z 。系统可以采用集中式( 1 0 c a l i z e d ) 或分散式( d i s t r i b u t e d ) 方式将数据映射到资源块上。在信道编码方面，l t e 主要考 虑t u r b o 码，但也正在考虑其他编码方式，如l d p c 码。在m i m o 方面，l t e 的基本m i m o 模型是下行2 x 2 、上行l x 2 个天线，但同时也正在考虑更多的天线 配置( 最多4 x 4 ) 。正在被考虑的m i m o 技术包括空间复用( s m ) 、空分多址( s d m a ) 、 预编码( p r e - c o d i n g ) 、秩自适应( r a n k a d a p t a t i o n ) 、以及开环发射分集等。上行将 采用一种特殊的s d m a 技术，即己被w i m a x 采用的虚拟( v i r t u a l ) m i m o 技术。 另外，l t e 也正在考虑采用小区干扰抑制技术提高小区边缘的数据率和系统容量 等。 链路自适应 链路自适应的核心技术是自适应调制和编码( a m c ) 。l t e 对a m c 技术的争 论主要集中在是否对一个用户的不同频率资源采用不同的a m c ( r b s p e c i f i c a m c ) 。理论上说，由于频率选择性衰落的影响，这样做可以比在所有频率资源 上采用相同的a m c 配置( r b c o m m o n a m c ) 取得更佳的性能。但大部分公司在仿 真中发现这种方法带来的增益并不明显，反而会带来额外的信令开销，因此最终 决定采用r b c o m m o na m c 。 宏分集技术 北京邮电大学硕十学位论文第二章l t e ( 长期演进计划) 介绍 是否采用宏分集技术，是l t e 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l t e s a e 系统的发展方向有深 远的影响。3 g p p 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( u i l i c a s t ) 业务不采用下行宏分集。 只是在提供多小区广播( b r o a d c a s t ) 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( c p ) 来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，3 g p p 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c d m a 系统的典型技术，在f d m a 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u t r a n 中的r n c ) 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，3 g p p 最终决定l t e ( 至