（信号与信息处理专业论文）基于3g+lte上行链路准静态仿真系统的研究.pdf

基于3 gl i e 上行链路准静态仿真系统的研究 摘要 3 g p p 长期演进( l t e ) 计划是关于u t r a 和u t r a n 的改进，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。 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 ) 上行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( u 陋) 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。 本仿真系统引入了一种结合干扰控制的，将用户分组进行调度、 功率控制和自动请求重传的方法，有利于减小用户间的干扰。相对于 之前已有的方法，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。采用准静态仿真机制，相对静态仿真能研 究系统的一些瞬态性能，仿真时间也比动态仿真减少了许多，降低了 计算机的资源开销。 仿真结果表明，分组功率控制的小区吞吐率和频谱利用率高于非 分组功率控制；正比公平算法比轮询算法提高了系统的吞吐率；用户 调制编码方案的分布和乩娘q 的分布也十分合理。可见，这个准静 态的仿真平台能充分体现l t eu l 的特性，完成了对上行l t e 系统容 量和调度方案的研究和评估。对l t e 的可行性研究做出了贡献，为 后续的研究提供了参考。 关键词：l t e 准静态轮询正比公平分组功率控制混合自动 请求重传 r e s e a r c ho n a nu p l i n ks e m i s t a t i c s i m u l a t o rb a s e d0 n3 gi j e a b s t r a c t 3 g p pl o n gt e r me v o l u t i o n ( l 1 日p r o j e c ti sa ne v o l v e dp r o j e c tw i t h r e g a r dt ou t r aa n di 瓜a n ，w h i c hi s at e c h n i c a le v o l u t i o nf o rt h e w h o l e n e t w o r k ，i n c l u d i n g c o r en e t w o r k t h ev o i c es e r v i c e sa r e i m p l e m e n t e db yv o i p l t em a i n l yc o n s i s t so ft w op a r t s ：w i r e l e s sa c c e s s a n dw i r e l e s sn e t w o r ks t r u c t u r e i n s t e a do fc i r c u i td o m a i n t h e r ei sp a c k e t d o m a i no n l y mi st h eb i g g e s tp r o j e c to nn e wt e c h n i q u ed e v e l o p m e n t l a u n c h e db y3 g p pi nt h er e c e n tt w o y e a r s t h em a i nr e s e a r c hw o r ki st o d e s i g na n di n v e s t i g a t e a s e m i s t a t i cu 匝 u p l i n ks y s t e m l e v e ls i m u l a t o r t h e p r i m a r y a 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 no 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 a c o l l e c t i o na n dc o m p a r i s o n i te n d sw i t ht h es u g g e s t i o na n de x p e c t i n go n t h ef u r t h e rr e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no ft h i ss i m u l a t o r t h i sw o r kf i r s t l yi n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n ts 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 5t 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 i o nr e s u l t s t h i ss i m u l a t i o ns y s t e mi n t r o d u c e sam e t h o dt og r o u pu e sb e f o r e s c h e d u l i n g ，p o w e rc o n t r o la n dh a r q ，w h i c hi sg o o df o rd e c r e a s i n g i n t e r f e r e n c ea m o n gu e s c o m p a r e dw i t ht h ee x i s t e n tm e t h o d s t h i s g r o u p i n gm e t h o dn e e dn e i t h e rn e t w o r kr e s o u r c el a y o u tn o rc o o p e r a t i o n b e t w e e nb s ，r e d u c i n g s y s t e mc o m p l e x i t y s e m i s t a t i cs i m u l a t i o nc a n r e s e a r c hs o m ei n s t a n tp e r f o r m a n c e so fs y s t e m ，c o m p a r e dw i t hs t a t i c s i m u l a t i o n ；a n di tn e e d sl e s sr u n n i n gt i m e t h a nd y n a m i cs i m u l a t i o n t h er e s u l t si n d i c a t et h a te e l lt h r o u g h p u to ff r a c t i o n a lp o w e rc o n t r o l i sh i g h e rt h a nt h a to fn o n f r a c t i o n a lp o w e rc o n t r 0 1 p r o p o r t i o n a lf a i r n e s s s c h e m eg a i n sh i g h e rs y s t e mt h r o u g h p u tt h a nr o u n dr o b i ns c h e m e t h e d i s t r i b u t i o n so fm c sa n dh a r qa r ev e r yr e a s o n a b l e i ti so b s e r v e dt h a t t h i ss e m i s t a t i cs i m u l a t o rc a nf u l l ye m b o d yt h ec h a r a c t e r i s t i c so fl t eu p s y s t e m ，a n da c c o m p l i s h e st h er e s e a r c ha n de v a l u a t i o no ns y s t e mc a p a c i t y a n ds c h e d u l i n gs c h e m e so fl t eu l i tm a k e sac o n t r i b u t i o na n daf u r t h e r r e f e r e n c et ot h ef e a s i b i l i t ys t u d yo fl t e k e yw o r d s ：m s e m i s t a t i c r o u n dr o b i n f r a c t i o n a lp o w e rc o n t r o l ( p c ) h y b r i d r e q u e s t ( h a r q ) p r o p o r t i o n a l f a i r n e s s a u t o m a t i cr e t r a n s m i s s i o n 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，除了文中特别加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 何贡献均己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， 本人签名：乒豸l 一 本人承担一切相关责任。 日期： 旌墅2 ：主：兰苎 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： 鹭盏 日期： 冱丛：盖兰 导师签名： 一蝴l ! 擒一 日期： 迎：查：丝： 第一章概述 1 1 课题研究背景 第一章概述 伴随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 得了巨大的成功。目前，全球的移动语音用户已超过了1 8 亿n 。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 ) 演进到人与人。 个人通信的迅猛发展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的需求。 另外，尽量利用网络来提供计算和存储能力，通过低成本的宽带无线传送 到终端，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 a 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 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i p r 的制肘、应对市场挑战和满足用户需求等领域， 还是有很多局限。 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肘，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备和网络服务。 这些要求已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 第一章概述 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 的制肘共同推动了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l 胍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 l 、r a n 2 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 gr a n 作为l t e 研究的阶段成果。 目前l t e 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 上行准静态仿 真平台的主要任务。 1 。2 。论文安排 本论文阐述了对一个l t e 上行链路准静态系统级仿真平台的研究，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，减小了用户间的干扰。相对于之前已有的方法，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 2 第一章概述 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 静态仿真机制，相对静态仿真能研究系统的一些瞬态性能，也能比动态仿真减少 仿真时间。最后对仿真的结果进行分析和对比，完成了对上行l t e 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。第三章详细描述了以3 g p p 规范为基础，一个准静态l o n gt e r m e v o l u t i o n ( l t e ) p _ 行链路系统级仿真平台的实现过程，包括了仿真平台的特征和 各部分循环流程的介绍。第四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着几个模块的实现过程。第五章介绍了仿真 平台的设计思想，数据结构和主要仿真参数配置。第六章对本系统的仿真结果 进行了分析和比较。最后第七章是总结部分，总结了完成的工作，以及对今后 研究方向的意义。 3 第二章长期演进计划的介绍 第二章长期演进计划的介绍 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 u 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 gl 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【2 】1 3 l ： 支持1 2 5 m h z 2 0 m i 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 - 一4 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1 0 0 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 l 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 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 ( 运_ 营支出，o p e r a t i o ne x p e n d i t u r e ) 的成本； 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； 5 第二章长期演进计划的介绍 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 ) q k 务( 如v o i 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 t ( 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i c f 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 速率将分别达到2 0m b i t s 和1 0 0m b i t s 甚至更高。此外无线本地环路( w l l ) 、无 线局域网ma 、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 全口化的r a n 和与固网融合的纯口的核心网，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 的迅速发展以及口与移动通信标准的结合，i p 协议和基于i p 6 第二章长期演进计划的介绍 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i p 的网络系统。i t u r 、 i e t f 、i p v 6 论坛、移动无线互联网 论i ( m w l r 3 、3 g 合作工程组( 3 g p p ) 和3 g 合作2 号工程组o 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( l t e ) 项目和3 g p p 2 的无线接口演进( a l 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 el 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 、c d m a2 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 e t o o t h 等) 。 全i p 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 2 # 4 9 次会议上，才初步达成共识。传统的3 g p p 接入网u t r a n 由n o d eb 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 eb 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m 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 a r q ) 、无线资源控制( r r c ) 和小区间无线资源管理( i n t e r - c e l lr r m ) 功能块 的位置上。如果上述功能可以在n o d eb 完成，则可以采用只由n o d eb 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 eb 内完成，则必须保留所 谓的“中心节点 ( 类似于i 蝌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 eb 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 eb ( 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 eb 的功能外，还能完成原来r n c 的大 部分功能，包括物理层( 包括乩姝q ) 、m a c 层( 包括a r q ) 、r r c 、调度、 7 第二章长期演进计划的介绍 无线接入许可、无线承载控制、接入移动性管理和小区i 、只j 无线资源管理 ( i n t e r c e l i r r m ) 等。n o d eb 之f n j 将采用m 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。 r r m 教势 。瑟l 缢选2 ，扣睁鲥蝴数 懿鬻f 嘭缓) n l 毡r n a g w s a 舡承裁挖铥嬲 滋琵塑薯蓊 敝溉岔馋| 霭 弼 户 潮 熊捻i 结捡2 图2 一ll t e 网络结构与协议结构 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n o d eb 的功能和复杂性，简化了核心网 的处理。引入。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 ) 来解决小区问下扰协凋、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 ) 。是否保留号门的多播信道 ( 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 3 l t e 采用的关键技术 2 3 1 物理层的关键技术 帧结构和系统参数设计 髅 m一一一一一一一一一一一一嗽一一一 第二章长期演进计划的介绍 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 1 1 ) 。大多数公司主要出于对f d d 系 统的设计，建议采用0 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 5 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 f - 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 的最小订i 长度仅为0 5 m s ，但系统可以动态 的调整1 1 1 ，以便在支持其他业务时，避免由于不必要的口包分割造成的额外 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 载波必须等间隔。 传输和多址技术 空中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 9 第二章长期演进计划的介绍 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 。 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 问趔钔。 切换 在切换方面，除了l t e 系统内的切换，也j 下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 i t s 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 、8 p s k 和 1 6 洲等，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( s t r d ，主要用于控制信令的传输) 等。上 行将采用一种特殊的s d m a 技术，即已被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 i 0 第二章长期演进计划的介绍 上采用相同的a m c 配置( r b c o m m o na 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 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，对删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 n 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 ) 来解决小区之问的同步问题，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 ( 至少在 目前) 不考虑宏分集技术。 m l m o m i l d 0 技术足l t e 最核心的技术，它是提高传输率的主要手段，也受到了各方代表 的广泛关注。l t e 系统将设计可以适应宏小区、微小区、热点等各种环境的m i m 0 技术。 l t e 已经确定m i m o 天线个数的基本配置是下行2 2 、上行1 2 ，但也在考虑 4 x 4 的高阶天线配置。另外，l t e 也在考虑采用小区干扰抑制技术来改善小区 边缘数据速率和系统容量。下行方向m i m o 方案相对较多，根据2 0 0 6 年3 月雅 典会议报告，l t em i m o 下行方案可分为两大类：发射分集和空间复用两大类。 目前考虑采用的发射分集方案包括块状编码传送分集( s t b c ，s f b c ) ，时间( 频 率) 转换发射分集( t s t d ，f s t d ) ，包括循环延迟分集( c d d ) 在内的延迟分 集( 座位广播信道的基本方案) ，基于预编码向量选择的预编码技术。其中预编 码技术已经被确定为多用户m i m o 场景的传送方案。 上行单用户m i m 0 天线的基本配置，也是在l i e 有两个发射天线，在基站有 两个接收天线。通常是2x 2 的虚拟m i m 0 ，两个u e 各自有一个发射天线，并共 享相同的时一频域资源。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。 上行控制信道复用 l t e 上行由于采用单载波技术，控制信道的复用不如o f d m 灵活。上行控 第二章长期演进计划的介绍 制信道用于传送两种信令：与数据相关的信令( a m c 格式、h a r q 信息等) 和 与数据无关的信令( r a c h 、c q i 、a c k n a c k 、调度请求) 。经过反复的讨论， 3 g p p 决定只采用t d m 方式复用控制信道，因为这种方式可以保持s c f d m a 的低p a p r 特性。与数据相关的信令将和u e 的数据复用在一个时频资源块中。 小区间干扰抑制 l t e 提高小区边缘数据率的目标将通过小区间干扰抑制技术实现。目前j 下在 考虑的方案包括干扰随机化、干扰协调、干扰消除和慢功控等。干扰随机化可能 采用小区加扰或交织多址( i d m a ) 实现。但此方法的性能差强人意；干扰协调 即在小区边缘采用小于1 的频率复用，从而避免强干扰。这种方法的缺点是可用 于小区边缘的频率资源有限，限制了小区边缘的峰值速率和系统容量；干扰消除 即在接收机采用多用户检测消除相邻小区的干扰，这种方法的缺点是要求干扰源 小区和被干扰小区采用相同的频率资源分配。 h a r q l t e 基本采用增量冗余( i n c r e m e n t a lr e d u n d a n c y ) h a r q 。另外，各公司还 就是否采用异步h a r q 或自适应h a r q 展开了讨论。基本的h a r q ，每次重传 的时刻和所采用的发射参数( 调制编码方式及资源分配等) 都是预先定义好的。 而异步地娘q 则可以根据需要随时发起重传，自适应 l 娘q ( 即每次重传的发 射参数) 可以动态调整，因此异步h a r q 和自适应地讯q 与基本的h a r q 相比 可以取得一定增益，但需要额外的信令开销。 功率控制 由于不存在c d m a 系统中的“用户间干扰 ，l t e 系统可以在每个子频带内 分别进行“慢功控 。但如果对小区边缘用户进行完全的功控，可能导致小区间 干扰问题。因此，目