（通信与信息系统专业论文）lte系统上行小区功率控制关键技术研究.pdf

摘要 摘要 ir l ii i i rir i lli i iii i y 2114 9 4 5 随着移动通信技术的日趋成熟和不断发展，移动通信用户正突飞猛进的增 长。它已经成为人们日常生活中不可缺少的工具，因此人们对移动通信的服务质 量要求也在不断的提高，移动通信技术的发展和进步正是为了满足人们的这种需 求。然而频谱资源有限，如何在有限的空间里使得系统容量和系统服务质量得到 最大的改善，成为移动通信系统永恒的挑战。 如今3 g ( t h e3 r dg e n e r a t i o n ) 技术已经广泛被人们接受，为了进一步减少运 营商成本、降低用户费用和提高服务质量，3 g p p ( t h e3 r dg e n e r a t i o np a r t n e r s h i p p r o j e c t ) 组织开始着手l t e ( l o n gt e r me v o l u t i o n ) 项目的研究。3 g p pl t e 系统 舍弃了传统3 g 里使用的c d m a ( c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 技术，而采用 正交频分复用( 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 ) 的多址接入 技术。o f d m 小区内用户子载波之间相互正交，因此不存在小区内干扰，这在 很大程度上改善了小区内用户性能。但是由此得到的小区间干扰就成为一个值得 改善的研究点。 目前l t e 控制小区问干扰主要是通过软频率复用和动态功率调节来实现， 软频率复用技术不能最大限度的利用珍贵的频谱资源。本文在保证频谱复用系数 为1 的前提下，借鉴国内外相关研究技术，其中以诺西的小区间分组干扰协调方 案为基准方案，在此基础上对小区内用户进行新的分组，并且对于不同组内的用 户采取不同的功率控制方案，以达到降低小区间干扰，提高小区整体用户的吞吐 量的目的。随后依据3 g p p 技术报告和3 g p p 会议提案建立l t e 上行系统仿真平 台进行仿真，并且与诺西的基准方案进行对比，验证本文的有效性。 关键字：长期演进；正交频分复用；用户分组 a b s t r a c t a b s t r ac t m o b i l ec o m m u n i c a t i o nu s e r sa r eg r o w i n gr a p i d l yw i t ht h ei n c r e a s i n gm a t u r i t y a n dc o n t i n u o u sd e v e l o p m e n to ft h em o b i l ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y t h em o b i l e c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yh a sb e c o m eai n d i s p e n s a b l et o o li np e o p l e sd a i l yl i f e ， p e o p l e sd e m a n d so fs e r v i c eq u a l i t ya r ec o n s t a n t l yi m p r o v e d ，a n dt h ed e v e l o p m e n to f t h em o b i l ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yi s f i g h t i n g f o rt h ed e m a n d s h o w e v e r , s p e c t r u mi sal i m i t e dr e s o u r c e ，i ti sae t e r n a lc h a l l e n g ef o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s y s t e mt h a th o w t oi m p r o v et h es y s t e mc a p a c i t ya n ds y s t e ms e r v i c eq u a l i t y n o w3 gt e c h n o l o g yh a sb e e nw i d e l ya c c e p t e db yp e o p l e t h e3 g p p ( t h e3 r d g e n e r a t i o n ) o r g a n i z a t i o ns t a r t e dl t e ( l o n gt e r me v o l u t i o n ) p r o j e c t i no r d e rt o f u r t h e rr e d u c et h ec o s to fo p e r a t o r 、u s e rf e e sa n di m p r o v et h es e r v i c eq u a l i t y t h e 3 g p pl t es y s t e mu s e so 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 ) t e c h n o l o g y i n s t e a do ft h et r a d i t i o n a lc d m a ( c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) t e c h n o l o g yw h i c hi su s e di n3 gs y s t e m i no f d mt e c h n o l o g y ，s u b c a r r i e r s a r e o r t h o g o n a lt oe a c ho t h e r , s ot h e r ei sn oi n t e r f e r e n c ew i t h i nt h ed i s t r i c t ，a sar e s u l t ，u s e r p e r f o r m a n c ei sl a r g e l yi m p r o v e di n t h ed i s t r i c t b u tt h ei n t e r f e r e n c eb e t w e e nt h e d i s t r i c tb e c o m e san e w p r o b l e m a tp r e s e n t ，t h ed y n a m i cp o w e rc o n t r o l i n ga n ds o f tf r e q u e n c yr e u s i n ga r eu s e dt o c o n t r o lt h ei n t e r f e r e n c eb e t w e e nt h ed i s t r i c t i nl t es y s t e m s o f tf i e q u e n c yr e u s i n g c o u l d n tu s et h ew h o l ep a r t so fs p e c t r u mr e s o u r c e i nt h i sa r t i c l e ，s t u d y i n gt h er e l e v a n t r e s e a r c ht e c h n i q u e sa n de n s u r i n gt h es p e c t r u mr e u s ec o e f f i c i e n ti s1 ，w eg r o u pe a c h u s e ri nt h ed i s t r i c ta n de a c hg r o u pu s e sd i f f e r e n tp o w e rc o n t r o lm e t h o d ，s ot h e i n t e r f e r e n c ec o u l db er e d u c e da n dt h et h r o u g h p u to ft h ed i s t r i c tc o u l db ei m p r o v e d t h e nw es e tu pas i m u l a t i o np l a t f o r mf o rv e r i f i c a t i o nb a s e do nt h e3g p pt e c h n i c a l r e p o r t s k e y w o r d s ：3 g p pl t e ；o f d m ；u s e rg r o u p 第一章移动通信背景概述 第一章移动通信背景概述 传统的固定通信使得信息的传播速度有了质的飞跃，可以使人类远距离、快 速的传送信息。但是通信中的电信号是通过固定不动的全封闭线路，所以固定通 信也成为有线通信。在实际线路架设过程中，由于自然环境的影响，通信线路不 可能无限制的覆盖到人们所要求的任何地方，并且由于通信终端设备( 电话机) 是固定在某一个地方不可移动的，所以在一定程度上限制了信息传播的范围。于 是有线通信在某些方面已经不能满足现代生活快捷性、灵活性的要求。移动通信 就是在这种需求下应运而生。 1 1移动通信的主要特点 移动通信属于无线通信，通信的设备是实时移动的，也就是说打电话或接电 话的一方是在移动中的，所以传输线路不再固定，而是以电磁波的形式传播信息。 因为电磁波在空中受到的干扰因素太多，所以移动通信的通话质量会逊色于有线 通信。但是移动通信带来的最大便利就是传输线路完全开放，所以移动通信带给 人们生产和生活上的方便足以弥补其通话质量上的先天缺陷。随着移动通信技术 的突飞猛进的发展，这种缺陷带给人们的影响也越来越微乎其微，移动电话越来 越成为日常生活中不可缺少的通讯工具。 移动通信具有如下自身的特点。 1 1 1 通信用户位置的灵活性 ( 1 )远近效应 由于移动通信中的用户的位置是随机变化的，所以其离基站的距离也是不断 改变的。当用户设备离基站距离近时接收信号强，距离远时接收信号就弱；另外 移动通信系统是强干扰系统，当用户处在小区边缘时，就会受到邻小区电磁波的 干扰，此时干扰信号就会压制有用信号，影响了当前用户正常通话。上述两种情 况称为远近效应。远近效应可以通过功率控制得到有效解决。 ( 2 )移动性管理技术 l t e 系统上行小区功率控制关键技术研究 同样是因为通信用户随时移动的特性，为了使同一个用户在不同的小区间穿 梭时其通话质量不受到太大影响，移动通信要求采用相应的移动性管理技术，如 位置登记，越区切换等。 ( 3 )多普勒效应 电磁波在空中传播时会产生多普勒效应( 参考文献) ，由于移动通信经常在 快速行进中进行，当移动速度达到7 0 l ( 1 】 1 l l 时候，接收信号的电平起伏变化进而 产生多普勒效应。降低多普勒效应的方法是使用锁相技术。 ( 4 )对移动通信终端设备要求高 随着科学技术的发展，如今便携的手机不再仅仅作为人们的通信工具。各大 手机厂商已经将娱乐、办公等功能融入手机中，并且其外观也在不断的创新，使 得这个单一的通讯工具不断的完善自己。人们对于手机的要求也不断的提高，目 前的通信终端正在向多元化方向发展。 1 1 2 信号的传输受各种环境影响 ( 1 )多径效应 信号的传输是以电磁波为介质在空中传输，因此受到外界环境的影响非常 大。同一个接收地点所接收到的信号是由发射端的直射波和从周围的建筑山丘等 障碍物反射、绕射过来的各路信号叠加而成，各条路径的电磁波长度会随时间而 变化，故到达接收点的各分量之间的相位关系也是随时间而变化的。这些分量的 随机干涉，形成总的接收场的衰落。如图1 1 所示，各路径信号到达接收点的强 度和相位都不一样，相互叠加之后信号起伏变化从而产生多径干扰。抗多径干扰 主要有如下几个方面措施：提高接收机的距离测量精度，如窄相关码跟踪环、相 位测距、平滑伪距等；接收端采用抗多径天线。 接收 强 囊釜 图1 1 多径效应 2 号参孱 侍射发 第一章移动通信背景概述 ( 2 ) 阴影效应 类似于阳光受到建筑物的阻挡产生的阴影一样，在无线通信系统中，移动台 在运动的情况下，电磁波的传播受到大型建筑物和其他物体的阻挡，信号只有少 部分传送到接收地点，使接收信号的电平起伏变化，即产生阴影效应。 1 2 移动通信系统组成 一个移动通信系统主要由基站、移动台、移动业务交换中心和与固网相连的 接口设备组成。 1 2 1 基站 基站( b s ，b a s es t a t i o n ) 是实现移动台之间连接的枢纽，它通过无线接口直 接与移动台相连，为移动台提供一个双向的无线链路( 信道) ，负责无线信号的 收发与无线资源管理，实现移动用户间或移动用户与固网用户间的通信连接。每 个基站都有一个服务区，即无线电波的覆盖范围，服务区的大小是由基站的天线 高度和发射功率决定的。基站本身只是起转发作用，任何移动用户( 移动台) 要 通信，需将信息发给基站，再由基站转发给另一移动台。 1 2 2 移动台 移动台( m s ，m o b i l es t a t i o n ) 是移动通信网中移动用户使用的设备，也是 用户能够直接接触的整个系统中的唯一设备。移动台提供两个接口，一个是接入 基站的无线接口，另一个是与使用者之间的接口。 1 2 3 移动业务交换中心 移动j 叱务交换中心( m s c ，m o b i l es e r v i c es w i t c h i n gc e n t r e ) 是整个系统的 核心，提供交换功能及面向系统其他功能实体和固定网的接口功能，它对移动用 户与移动用户之间通信、移动用户与固定网络用户之间通信起着交换、连接与集 中控制管理的作用。 1 3多址方式 移动通信用户在通话时采用不同的信道相互分开，以防止相互产生干扰，这 种技术方式成为多址方式。目前主要有三种多址方式：时分多址( t d m a ，t i m e 3 l y e 系统卜| 行小区功率控制关键技术研究 d i v i s i o nm u l t i p l ea d d r e s s ) ，频分多址( f d m a ，f r e q u e n c ed i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s ) ，码分多址( c d m a ) 。顾名思义，频分多址就是以频率来区分信道。它 的特点是使用简单，信号连续传输，满足模拟话音通信。但是因为多频道信号互 调干扰严重，所以频率利用率低，容量小，传统的模拟通信系统就是采用这种多 址方式的。时分多址是指在一个无线频道上，按时间分割为若干个时隙，每个信 道占用一个时隙，在规定的时隙内收发信号。目前时分多址只传数字信息，信息 需经压缩和缓冲存储的过程，在实际使用时常f d m a t d m a 复分使用。码分多 址采用扩频通信技术，每个用户具有特定的地址码，利用地址码相互之间的正交 性( 或准正交性) 完成信道分离的任务。其优点是系统容量大，抗干扰、抗多径 能力高。 1 4 移动通信的发展 移动通信的发展史就是不断的解决有限的频率资源与通信容量和业务范围 扩大之问的矛盾的过程。移动通信大致可以分为以下几个发展阶段。 1 4 1 初期阶段 2 0 世纪2 0 年代，在这个战火交锋的时期，移动通信大多被用于战场上，电 视上通讯兵背着发报机的画面屡见不鲜。随着战烟的熄灭，移动通信逐步从专用 军事通信向民用、商用方向发展。 1 4 2 第一代( 1 g ) 移动通信系统 贝尔实验室在1 9 7 8 年成功研制出采用频分多址技术的模拟蜂窝移动通信系 统，自此以后至8 0 年代中期，逐渐形成了以n m t ( n o r d i cm o b i l et e l e p h o n y ， 北欧) 、a m p s ( a d v a n c e dm o b i l ep h o n es y s t e m ，北美) 和t a c s ( t o t a la c c e s s c o m m u n i c a t i o n ss y s t e m ，英国) 等为标准的几种模拟蜂窝移动电话系统，统称为 第一代( 1 g ) 移动通信系统。1 g 系统的工作频率在4 0 0 9 0 0 m h z 频段不等。模 拟蜂窝移动系统的主要缺点是频率利用率低，保密性差，通信容量小，并且! 业务 单一，只能进行语音j 务。 我国在1 9 8 6 年投资建设模拟蜂窝式共用移动通信网，引进了美国 m o t o r o l a 公司的9 0 0 m h zt a c s 标准的模拟蜂窝移动通信系统( a 网) 和瑞 4 第一章移动通信背景概述 典e r i c s s o n 公司9 0 0 m h zt a c s 标准的模拟蜂窝移动通信系统( b 网) ，1 9 8 7 年1 1 月，广东正式开通了移动电话业务，标志着我过走上移动电话的道路。1 9 9 6 年实现了a 网、b 网的互连自动漫游。2 0 0 1 年，我国模拟网关闭。 1 4 3 第二代( 2 g ) 移动通信系统 2 0 世纪9 0 年代，取代l g 的第二代移动通信系统数字蜂窝移动通信系 统迅速崛起并且发展成熟，出现了采用时分多址( t d m a ) 技术的欧洲g s m ( g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c m i o n s ) 系统和采用码分多址( c d m a ) 技 术的i s 9 5 数字蜂窝移动通信系统。g s m 系统使用的频段为9 0 0 m h z 和 1 8 0 0 m h z ，分别称为g s m 9 0 0 和d c s l 8 0 0 。i s 一9 5 系统使用的频段为8 0 0 m h z 。 相对于第一代模拟移动通信系统，数字蜂窝移动通信系统在各方面均有了很 大突破，在信息更加安全的同时，还提供数字语音业务和最高速率为9 6 k b i f f s 的电路交换业务。2 0 世纪末g s m 系统又升级为通用分组无线业务( g p r s ， g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) ，g p r s 可以提供最高速率为1 7 1 2 k b i f f s 的分组交 换数据业务。 2 0 世纪末，我国大力发展数字蜂窝移动通信业务。1 9 9 4 年广东首先开通g s m 数字移动电话网( g 网) 。g 网的工作频率是9 0 0 m h z ，随着业务的发展和用户 的增加，后来又建设了d c s l 8 0 0 通信网( d 网) ，d 网的工作频率是1 8 0 0 m h z 。 2 0 0 0 年中国联通启动了c d m a 移动通信网( c 网) 。这标志着数字移动通信在 我国迅速成长。 1 4 4 第三代( 3 g ) 移动通信系统 时至今日，移动通信业务的不断发展，第二代( 2 g ) 移动通信系统难以满足 现状，并且无法实现全球覆盖和国际漫游。以码分多址( c d m a ) 为技术核心的 第三代( 3 g ) 移动通信系统应运而生。它可同时提供高质量的语音j 比务，最高 传输速率也提升到2 m b i t s ，同时支持数据、图像和多媒体j 叱务，可以全球无缝 漫游。 2 0 0 9 年1 月7 日，工信部向国内三大移动运营商发放3 g 牌照，我国正式进 入3 g 时代。其中，批准中国联通增加基于w c d m a ( w i d e b a n dc o d ed i v i s i o n m u l t i p l ea c c e s s ) 技术制式的3 g 牌照，中国电信增加基于c d m a 2 0 0 0 技术制式 的3 g 牌照，中国移动增加基于t d s c d m a ( t i m ed i v i s i o ns y n c h r o n o u sc o d e 气 l t e 系统 = 行小区功率控制关键技术研究 d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 技术制式的3 g 牌照。t d s c d m a 为我国拥有自主产 权的3 g 技术标准。 1 4 5 第四代( 4 g ) 移动通信系统 未雨绸缪，在3 g 技术之后，人们又开始研发4 g 技术。其中长期演进技术 ( l t e ) 是最强大的4 g 移动通讯主导技术，正异军突起，相比于3 g ，l t e 有 着得天独厚的优势：通信速度更快；网络频谱更宽；通信更加灵活；智能性更高； 兼容性能更平滑；实现更高质量的多媒体通信；频率使用率更高。目前l t e 还 处在萌芽期，各项技术指标和标准都还在不断的完善，相信在不久的将来，l t e 技术会更加成熟。 1 5 本论文结构 本文首先概述了当前移动通信的发展历史和背景；接着在第二章中介绍了 3 g p pl t e 的相关系统需求、系统架构、关键技术和技术特点；在第三章、第四 章中针对本文研究的内容，首先介绍了国内外关于l t e 小区间功率控制的研究 结果和技术分析，然后针对这些方法存在的不足，本文提出了新的基于用户分组 的小区问功率控制方案，并且详细介绍了本方案的原理和实现步骤；随后为了验 证方案的可行性，在第五章巾根据3 g p p 组织相关技术参数和配置搭建仿真平台， 并对仿真平台进行了详细的介绍；第六章则给出了仿真结果，并且对比基准方案 做出了详细的分析，最后给出了本文的结论。 6 第二章3 g p p l t e 简介 第二章3 g p pl t e 简介 3 g p p 是全球领先的3 g 技术规范机构，它起初由欧洲电信标准研究所( e t s i ， e u r o p e a nt e l e c o m m u n i c a t i o n ss t a n d a r d si n s t i t u t e ) 、无线工业及商贸联合会( a r i b ， a s s o c i a t i o no fr a d i oi n d u s t r i e sa n db u s i n e s s e s ) 、电信技术协会( 仉， t e l e c o m m u n i c a t i o n st e c h n o l o g ya s s o c i a t i o n ) 、电信行业解决方案联盟( a t i s ， a l l i a n c ef o rt e l e c o m m u n i c a t i o n si n d u s t r ys o l u t i o n s ) 和电信技术委员会( t t c ， t e l e c o m m u n i c a t i o n st e c h n o l o g yc o m m i t t e e ) 于1 9 9 8 年合作成立的，旨在研究和 推广3 g 技术规范和标准。我们大家耳熟能详的g p r s 和e d g e ( e n h a n c e d d a t a r a t e sf o r g s me v o l u t i o n ) 技术都是由3 g p p 组织研发的广受设备商、运营商 及移动用户好评的技术方案。随着3 g 的不断成熟和商用，为了满足新的市场需 求和应对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 ) 标准的市场 竞争，3 g p p 又启动了长期演进项目，即我们所说的l t e t 2 1 0 目前宽带移动通信技术最大的市场竞争对手就是宽带无线接入技术，3 g p p 启动l t e 项目的原因之一就是应对w i m a x 标准的市场竞争。宽带无线接入的 发展经历了从固定局域网接入( 比如i e e e8 0 2 1 l x ) 向游牧城域接入( 如i e e e 8 0 2 1 6 d ) ，再向广域移动接入( 如i e e e8 0 2 1 6 e ) 的发展历程，有“宽带接入移动 化”的趋势，对传统移动通信产业形成了竞争和挑战。同时，移动通信技术也向 能够提供更高的数据率发展，也呈现出“移动通信宽带化”的趋势，使其j 世务拓展 到宽带数据、世务领域，由于宽带无线接入和宽带移动通信从不同方向向同一市场 渗透，这两种技术的界线也变得越来越模糊，呈现融合的趋势。正式基于通信产 j 业对“移动通信宽带化”的认识和应对“宽带接入移动化”挑战的需要，3 g p p 开始 了l t e 项目的进程。 l t e 项目具有4 g 标准，是关于u t r a ( u 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 s ) 和u t r a n ( u 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 ) 的演进项目。它革新了 3 g 的空中接口物理层技术和网络架构技术，最终目标是实现更低的系统延迟、 更大的覆盖范围、更大的系统容量、更高的用户数据率和更低的成本。同时，为 了达到商用的水准，移动运营商也对l t e 提出了要求，要求l t e 必须成为有绝 对竞争力的b 3 g ( b e y o n d3 r dg e n e r a t i o n ) 宽带无线j 比务解决方案。l t e 系统的 7 l t e 系统 ：行小区功率控制关键技术研究 设计主要率以下总体目标：降低传送每比特信息所用的成本；扩展业务的提供能 力，提供成本更低、用户体验更佳的多元化业务；灵活使用现有和新的频段；开 放接口，简化架构；实现合理的终端功耗。 2 1l t e 系统需求 作为3 g 的长期演进，l t e 在系统容量、系统性能、系统部署和系统成本等 方面均需要有大的突破。 2 1 1 峰值速率和频谱效率 相比于3 g 的传输速率，l t e 的峰值速率和频谱利用率会有显著提高，l t e 系统应该能够在2 0 m h z 带宽内实现1 0 0 m b i t s 的瞬间下行峰值速率( 此时频谱 效率为5 ( b i t s ) h z ) 和5 0 m h z s 的瞬问上行峰值速率( 此时频谱效率为2 5 ( b i t s ) h z ) 。系统的峰值速率和系统占用的带宽成正比1 3 1 。 2 1 2 用户吞吐量 吞吐量是指单位时间内成功地传送数据的数量，它反映了当前小区承载用户 的能力。l t e 在重新利用当前站址的前提下，除了提高平均小区吞吐量，并且还 需要提高小区边缘用户吞吐量，因为小区边缘的系统性能决定了是否可以带给用 户稳定、可靠的业务感受。采用高阶天线m i m o ( m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t ) 技术和正交传输技术只能提高平均吞吐量和频谱效率，却无法改进小区边缘性 能。因此在l t e 系统中实现小区边缘用户吞吐量的有效提升将变得更有意义。 2 1 3 基站覆盖范围 3 g 系统可以平滑的过度到l t e ，当前的基站站点和载频可以重用，因此l t e 可以在当前设备的基础上灵活的支持各种覆盖场景，实现上述各种性能指标。目 前，l t e 标准应支持最大1 0 0 k m 的覆盖半径。 2 1 4 系统延迟 在控制面延迟方面，系统从驻留状态转换到激活状态的时间延迟应控制在 l o o m s 以内；从过水面状态转换到激活状态的时问延迟要控制在l o o m s 以内。在 用户面延迟方面，l t e 标准应该将用户面单向延迟控制在5 m s 以内t 4 - 5 1 0 8 第二章3 g p p l t e 简介 2 2 l t e 系统架构 与3 g p p 系统类似，l t e 的系统架构分为两部分：核心网和接入网 ( e u t r a n ) ，如图2 1 所示。e u t r a n 仅由e n o d eb 构成，e n o d eb 之间由 x 2 接口连接。其中每个e n o d eb ( 基站) 又和演进型分组核心网通过s 1 接口互 连。e n o d eb 提供到l t e 的e u t r a 控制面与用户面的协议终止点。因此l t e 的系统架构与3 g 相比，节点数更少，架构趋于扁平化。有效的降低了运营成本、 呼叫建立时延和用户数据传输时延t 6 1 。 e n o d eb 提供如下功能。 ( 1 ) 从m m e ( m o b i l i t ym a n a g e m e n te n t i t y ) 发起的寻呼消息的调度和发送。 ( 2 ) 无线资源管理。 ( 3 ) 用户数据加密和i p ( i n t e m e tp r o t o c 0 1 ) 头压缩。 ( 4 ) 从m m e 发起的广播信息的调度和发送。 ( 5 ) 用于移动性和调度的测量与测量上报配置。 图2 1l t e 系统架构 2 3 l t e 关键技术 2 3 1 多址方式和基本传输技术 在新一代宽带无线通信系统中，o f d m 技术将会逐步取代单载波扩频技术 ( 如c d m a ) 成为主流的多址技术。作为主流的蜂窝移动通信标准的制定者， 3 g p p 在第三代移动通信系统中采用的是c d m a 作为基本传输技术，在其向4 g l t e 系统卜行小区功率控制关键技术研究 演进时，3 g p p 最终决定采用效率更高的o f d m 作为其基本发送技术7 1 。 ( 1 )o f d m 技术基本原理 早在第一代移动通信系统的时代，频分复用频分多址( f d m f d m a ) 技术 就被用作主要的传输手段。这种技术把频带分为若干个子带，并行的传输数据。 但是各频带之间会产生干扰，因此在相邻的子载波之间需要设留频带间隔( 如图 2 2 所示) ，从而大大降低了频谱利用率。因此在后续的移动通信系统中果断否定 了这种多址技术，取而代之采用t d m t d m a ( 时分复用时分多址) 技术和 c d m c d m a ( 码分复用码分多址) 技术。但是最近几年，数字信号处理( d s p ， d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 技术有了长足的发展，从而使快速傅里叶变换( f f t ， f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m ) 有了重大的革新，在此基础上提出了一种新的频分复用 正交频分复用( o f d m ) 技术，这种复用方式允许各个子载波重叠排列，并 且各个子载波是相互正交，所以就克服了各个子载波之问的干扰，解决了这个难 题之后，频分多址技术将会大大提高频谱利用率。 ) 一 ) 一 一竺 f d m 多载波调制技术 乞互盈歪! ? 兰一一警 0 f d m 多载波调制技术 图2 2 传统f d m 和o f d m 比较 o f d m 的主要思想是将给定的信道在频域内分成若干个正交的并行的子信 道，每个子信道分别用一个子载波调制。这样整个信道就被分成若干个并行传输 的子信道，并且每个子信道都是窄带传输，信号带宽就会小于信道的相干带宽， 从而避免波形之间的干扰。 o f d m 的基本原理如图2 3 所示。比特流依次经过信道编码，串并转换之后 被映射到m 个子载波上。然后通过反快速傅里叶变换( i f f t ，i n v e r s ef a s tf o u r i e r t r a n s f o r m ) 将这m 个并行子载波上的频域信号转换成有n ( n 为i f f t 长度，n 之m ) 个采样点的时域信号，并且在每个o f d m 符号之前插入一个循环前缀( c p ，c y c l i c p r e f i x ) 以保证子载波之间的正交性，c p 的长度必须长于主要多径分量的时延扩 1 0 第二章3 g p p l t e 简介 展。然后经过并串转换将这些时域信号叠加，形成o f d m 发送信号。接收端在 接到o f d m 信号之后，按照上述逆过程一次处理，最后得到原始信号比特流噶。9 。 同步序列 卜古茎 信道估计序列 发射机工作原理 接收机工作原理 数 呈 正交数 字信号 图2 3o f d m 信号处理原理图 ( 2 )o f d m 的优势 相比于前两代移动通信系统采用的t d m a 和c d m a 技术，o f d m 技术有如 下优势1 1 0 - 1 3 1 ： 1 ) o f d m 技术因为有着其他技术所不具备的正交性，其可以在带宽很窄的 条件下发送大量数据，这种特殊的信号抗干扰能力和穿透能力使其得到欧洲各国 的终端设备制造商和通信运营商的青睐。 2 ) o f d m 技术具有对抗频率选择性衰落和窄带干扰。在单载波系统中，当 一个信号受到干扰或者产生衰落时，会影响到整个系统的链路质量，甚至导致链 路连接失败；而o f d m 技术采用的是多载波系统，当其中一小部分载波受到外 界的干扰时，可以采用纠错码等方式进行纠错，将整个系统的链路受扰程度大大 降低。 3 ) o f d m 技术可以有效地对抗信号波形间的干扰，适用于多径环境和衰落 l i l t e 系统上行小区功牢控制关键技术研究 信道中的高速数据传输。当信道中因为多径传输而出现频率选择性衰落时，只有 落在频带凹陷处的子载波以及其携带的信息受影响，其他的子载波未受损害，因 此系统总的误码率性能要好得多。 4 ) o f d m 技术特别适合在用户密集、高层建筑物和地理位置上突出的地方 以及将信号散播的地区使用。数字语音广播及高速的数据传播都希望降低多径效 应对信号的影响。 5 ) o f d m 技术通过各个子载波的联合编码，具有很强的抗衰落能力。o f d m 技术本身已经利用了信道的频率分集，如果衰落不是特别严重，就没有必要再加 时域均衡器。通过将各个信道联合编码，则可以使系统性能得到提高。 6 ) o f d m 技术能够持续不断地监控传输介质上通信特性的突然变化。由于 通信路径传送数据的能力会随时问发生变化，所以o f d m 能动态地与之相适应， 并且接通和切断相应的载波以保证持续地进行成功的通信。该技术可以自动地检 测到传输介质下哪一个特定的载波存在高的信号衰减或干扰脉冲，然后采取合适 的调制措施来使指定频率下的载波进行成功通信。 7 ) 在如今频谱资源非常稀缺的无线通信环境中，o f d m 技术可使信道利用 率很高，当子载波个数很大时，系统的频谱利用率接近2 b a u d h z 。 ( 3 )o f d m 的一些不足和有待改进的地方 o f d m 基于上述众多优点已经成为第四代移动通信最有竞争力的技术，但 是这种技术仍然存在一些局限和缺陷。 1 ) 独立调制的子载波连在一起使用会使o f d m 符号产生非常高的峰值平 均功率比( p a p r ) 。高的p a p r 带来了很多不利因素，降低了放大器的效率，增 加了发射机的成本，不利于在上行链路实现。 2 ) 受同步误差影响较大。虽然o f d m 系统使用c p 在一定程度上放宽了对 时间同步精度的要求，但是o f d m 的子载波较小，对频偏比较敏感。 3 ) 多小区干扰严重。o f d m 系统小区内不同用户占用不同的子频带，并且 这些子频带是相互正交的，所以不存在小区内干扰。但是存在严重的小区间同频 干扰。所以必须采取措施解决这些困难。目前的解决方案包括调频o f d m a 、加 扰、小区间频域协调等。 1 2 第二章3 g p p l t e 简介 2 3 2 帧结构及数据传输方式 3 g p p 决定在下行方向采用正交频分复用( o f d m ) 技术，上行方向采用单 载波频分多址( s c f d m a ，s i n g l ec a r r i e rf r e q u e n c y d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 技 术。并且支持两种双工模式，分别为频分双工( f d d ，f r e q u e n c yd i v i s i o nd u p l e x ) 模式和时分双工( t d d ，t i m ed i v i s i o nd u p l e x ) 模式1 1 4 1 。 在3 g p p l t e 的物理层规范中，时间单位定义为z = 1 ( 1 5 0 0 0 x 2 0 4 8 ) s 。一个 无线帧的长度为l = 3 0 7 2 0 0 x t ，= 1 0 m s 。为了分别适用于两种不同的双工模式， l t e 采用了两种无线帧结构方案：帧结构1 用于f d d 模式，帧结构2 用t d d 模 式。 ( 1 )帧结构类型1 在f d d 中，l t e 把一个长度为1 0 m s 的无线侦分为2 0 个时隙( s l o t ) ，每一 个时隙长度为0 5 m s 。每两个相邻的时隙组成一个子帧( s u b f r a m e ) ，其中第i 个 子帧由第2 i 个和第2 i + 1 个时隙构成，如图2 - 4 所示。 o n er a d i of r a m e 。t t = 3 0 7 2 0 0 疋= 10m s 。一一一一一一一 ；o n es l o t , 疋l o = 1 5 3 6 0 瓦。0 5m s _ 一一一o o l i es u b f r a m e 一一一 图2 4f d d l t e 的帧结构 ( 2 )帧结构类型2 在t d d 中，每一个无线侦由两个长度均为5 m s 的半帧( h a l f f r a m e ) 构成。 其中每个半帧由8 个常规时隙( 每个常规时隙长度均为0 5 m s ，总长度为4 m s ) 和三个特殊时隙( d w p t s 、g p 和u p p t s ，总长度为l m s ) 构成。常规时隙中， 每两个相邻时隙构成一个子帧，第i 个子帧由第2 i 个和第2 i + 1 个常规时隙构成， 如图2 5 所示。 l t e 系统卜行小区功率控制关键技术研究 一唑? 竺矍二”? 竺! 唑， ? “型竺! 一1 5 3 6 0 0 。p 广。一一 一 一一一一一一 。，掣s l o t , t 一3 0 7 2 0 t ， 一 _ 一- ：萎罚弋墨蜓眄丐r 圣眄习- 一瓣，i l dwpt$gp su妒。dwpts o p r 图2 - 5t d d l t e 的帧结构 3 g p p 在l t e 的上下行传输中将资源块( r b ，r e s o u r c eb l o c k ) 作为物理资 源单位。资源块由时域、频域物理资源组成。一个r b 在频域上占用1 2 个宽度 为1 5 k h z 的子载波，总长度为1 8 0 k h z ；在时域上占用6 个( e x t e n d e dc p 情况下) 或者7 个( n o r m a lc p 情况下) o f d m 符号，如图2 - 6 所示。 0 5 m s = 7 个符号 一 jl 【2 个 子 战 皮 1 r n o r m a l c p 0 5 m s = 6 个符号 一 jl 1 2 个 子 载 波 1 r 图2 - 6r b 的结构图 2 4l t e 与宽带无线接入技术的对比 近两年出现的以l t e 为代表的e 3 g 技术和基于8 0 2 1 6 e 的移动型w i m a x 技 术在性能指标和核心技术方面都具有很大的相似性，表明这两种技术开始出现互 1 4 第二章3 g p p l t e 简介 相融合的趋势。 表2 1 给出了这两种技术的部分性能指标对比。它们的频谱利用率和峰值速 率都非常接近，并且在天线配置上都支持4 发4 收。 在双工方式上，这两种技术都支持f d d 、t d d 和f d d 半双工3 种模式；在 移动性方面，l t e 系统支持2 5 0 k m h 的高速移动，并且要求当用户设备的移动速 度在1 2 0 k m h 以下时通信质量只发生轻微的下降，w i m a x 技术也由之前限制 1 2 0 k m h 的移动速度发展到考虑对1 2 0 k m h 以上速度的支持；在场景部署方面， w i m a x 不再只局限于热点覆盖，并且还支持多小区组网和无缝切换，而l t e 也 加强了对孤岛式热点覆盖的支持，另外这两种技术都强调了提高小区边缘用户系 能1 5 1 。 表2 一l宽带无线接入和宽带通信技术的需求对比 技术指标w i m a x i t e 支持带宽 1 2 5 2 0 m h z1 4 2 0 m h z 峰值速率 7 0 m b i f f s 上行5 0m b i f f s ( 2 x l 天线) ： 下行1 0 0m b i f f s ( 2 x 1 天线) 峰值频谱效率 3 5 ( b i f f s ) h z 下行5 ( b i t s ) h z ； 上行2 5 ( b i f f s ) h z 系统频谱效率2 5 ( b i f f s ) h z d , 区下行为r 6h s d p a 的2 _ 4 倍： 上行为r 6h s u p a 的2 3 倍 多播旷播支持和单播业务( v o l p ) 兼容，采用专 用载波部署移动电视业务 切换系统内无缝切换，支持和3 g p p 、系统内无缝切换，支持和u t r a 3 g p p