《LTE基础原理与关键技术》课件第1章

第1章LTE概述1.1LTE简介1.2LTE基本需求1.3LTETDD/FDD协议综述1.4LTE与HSPA、WiMAX对比1.5小结

1.1.1LTE启动背景

众所周知，移动通信的发展方向是与互联网密切结合的，即移动通信未来的竞争焦点是数据业务。从长远规划的角度来看，现有的3G、3.5G技术不能成为最终的解决方案，面对宽带无线接入技术的竞争，特别是IEEE802.16/20技术的发展，3G必须加快后续技术的研究。1.1LTE简介目前国际标准化组织正在推动无线传输技术从2Mb/s向100Mb/s(E3G)、1000Mb/s(B3G)的目标发展。竞争的加剧进一步推动了技术的发展，从而使移动通信宽带化的步伐不断加快，为迎接移动数据业务时代的到来奠定了坚实的技术基础。图1.1.1给出了移动通信技术演进的基本路线和示意图。从图中可清晰地看到两个特点:

·移动通信正在从2G向3G、B3G、4G演进，载频带宽由窄带向宽带发展。

·移动通信网络将会从以语音为主导的网络向以高速数据为主导的网络转型。

图1.1.1移动通信技术演进示意图在第三代移动通信的发展过程中，随着R99、R4、R5、R6和R7各个系统版本技术规范的发布，3GPP作为WCDMA和TDSCDMA两个系统进行国际标准化工作的主要组织，为基于CDMA技术的第三代移动通信技术的发展发挥了重要的作用，近年来这些系统逐渐进入了商用的进程。另一方面，无线通信技术在不断发展，以OFDM技术为代表的各项新技术在近几年成为热点，并且逐渐走向产业化。特别是这些新技术在无线宽带接入系统中的出现，将无线通信的接入速率提升到了100Mb/s的范畴，同时开始加强对于终端移动性的支持，这给正处在3G发展期的传统蜂窝移动通信带来了强大的竞争压力。在这样的背景下，作为传统移动通信领域的领导者，无论是为了促进新技术的产业化，还是应对行业内激烈的技术竞争，保持移动通信领域的领导地位，都要求3GPP作出进一步的努力。同时，移动多媒体业务对带宽要求越来越高，“宽带化”成为移动通信技术的发展趋势。

图1.1.2给出了移动宽带业务需求示意图。

图1.1.2移动宽带业务需求示意图为了应对宽带接入技术的挑战，同时为了满足新型业务需求，3GPP标准组织在2004年底启动了其长期演进(LTE)技术的标准化工作。2004年11月，根据众多移动通信运营商、制造商和研究机构的要求，3GPP通过了关于“EvolvedUTRAandUTRAN”(又称为LongTermEvolution(LTE)，即“3G长期演进”)的立项工作，希望达到以下几个主要目标:

·保持3GPP在移动通信领域的技术及标准优势。

·填补第三代移动通信系统和第四代移动通信系统之间存在的巨大技术差距。

·希望使用已分配给第三代移动通信系统的频谱，保持无线频谱资源的优势。

·解决第三代移动通信系统存在的专利过分集中的问题。1.1.2LTE技术特点

为了在未来移动通信技术竞争激烈的环境中处于有利位置，LTE项目开始以后，作为技术研究工作的基础，在3GPP中对演进型系统的市场需求进行了详细的讨论，从系统性能要求、网络的部署场景、网络架构、业务支持能力以及与现有各个系统的演进和互通关系等方面进行了详细的描述。相比目前各个第三代移动通信系统，LTE演进具有如下主要技术特点:

(1)提高了通信速率和频谱效率。系统的最大带宽为20MHz，在这样的带宽下，下行峰值速率为100Mb/s、上行峰值速率为50Mb/s。

(2)分组交换与QoS保证。系统在整体架构上将基于分组交换，同时通过系统设计和严格的QoS机制，保证实时业务(VoIP、视频流等)的服务质量。

(3)支持各种系统带宽。除了20MHz的最大带宽以外，还能够支持1.4MHz、3MHz、5MHz、10MHz和15MHz等系统带宽，以及“成对”与“非成对”频段的部署，以保证将来在系统部署上的灵活性。

(4)明确提出系统在支持高移动速率的基础上，需要考虑为低移动速率用户提供优化条件，同时改善小区边缘用户的吞吐量等具体的系统需求。

这些市场需求比较全面地描述了LTE系统在各个方向上的设计目标，为具体的系统设计工作奠定了良好的基础。在LTE系统的技术研究方面，2005年3月，3GPP制定了相应的工作计划，各工作小组开始了各个方面的具体研究工作，其中包括:

·RAN1工作组:对于LTE系统物理层的研究。

·RAN2、RAN3和SA2工作组:对于网络架构和接入网协议功能的研究。

·RAN4工作组:对于无线射频以及接入网性能评估的研究。物理层作为空中接口的基础在移动通信系统中扮演着重要的角色，而无线接入的多址方式作为物理层的基础，在移动通信系统的演进中起着重要的作用。

3GPPRAN1工作组对各个公司提交的候选提案进行了概括和收敛，确定了六种备选的多址方式，包括:

方式1:FDD，上行SCFDMA(SingleCarrierFDMA)，下行OFDMA。

方式2:FDD，上行OFDMA，下行OFDMA。

方式3:FDD，MCWCDMA。

方式4:TDD，MCTDSCDMA。

方式5:TDD，上行OFDMA，下行OFDMA。

方式6:TDD，上行SCFDMA，下行OFDMA。

这六种备选方案中，方式3和方式4是对于现有基于CDMA技术的第三代移动通信系统进行多载波演进的方案，方式1、2、5、6是以OFDM技术为基础的多址方式。随后，工作组开始了对于上述六种方案的筛选过程，由于多址方式对于移动通信系统至关重要，因此相关的筛选过程受到了广泛的重视。在2005年12月结束的3GPPRAN全会上，首先从六种候选的多址技术方案中选择了方式1和方式6为LTE关于多址方式的工作假设，同时开展后续的研究工作。方式3和方式4作为对现有3G系统更加直接的演进方式，在目前3GPP已有的版本演进路线上进行，由此确定了LTE系统将采用以OFDM技术为基础的多址方式。

关于网络架构的研究也在积极地进行，在整体方向上与第三代移动通信系统相比较，LTE的网络架构将向“扁平化”方向发展，其中涉及若干具体问题，例如扁平网络的简单与灵活、多层次网络的移动性支持与安全性等内容也得到深入讨论，以寻求良好的解决方案。

总体说来，随着项目的进展以及若干系统设计基础问题的解决，LTE系统的技术发展方向已经明确进入到具体技术细节的设计与完善阶段。1.1.3LTE标准进展

2008年12月正式发布了LTER8版本，它定义了LTE的基本功能。在R9阶段，是3GPP很小的版本，在这个版本里主要增加了两层Beamforming、定位等功能，同时继续完善LTE家庭基站，特别是增强了管理和安全方面以及LTE微微基站和自组织管理的功能。未来的4G是作为3GPPR10/R11版本，和ITU的4G标准基本进程一致，估计在2011年左右完成。R10版本可以运行在100MHz带宽上，并且进一步提升LTE的上行传输性能，同时增强MBNS以及SON功能。国内的CCSA标准组织在2008年开展了整体技术研究工作，包括核心网络和无线接口的网络总体技术要求，以及在核心网络方面的设备研制工作，在2009年制定LTETDD设备规范和核心网络的系列行业标准。

3GPPLTE项目以制定3G演进型系统技术规范作为目标，在时间上按照3GPP的工作流程分为两个阶段:从2004年12月到2006年6月为“StudyItem”，即技术可行性研究阶段；从2006年6月到2007年6月为“WorkItem”，即具体技术规范的撰写阶段。按照计划，2007年6月3GPP开始发布3G演进型系统第一个版本的技术规范。具体LTE标准进展如图1.1.3所示，并且在2009年3月开始冻结R8协议。

图1.1.3LTE标准进展示意图为了更好地推动LTE标准的发展，3GPP将36序列规范编号分配给LTE专用，其主要编号和主要内容见表1.1.1。

表1.1.1LTE协议规范序列

续表续表1.1.4LTE产业进展

目前整个宽带无线市场的发展方向更加清晰，一方面，3GPP2放弃了UMB技术，明确了向LTE长期发展路线，使得3GPP2的技术路线更加清晰；另一方面，来自于市场的原动力以及迫于市场对于移动宽带业务快速发展的需求(例如北美和日本市场)，很多运营商开始在2009年推出LTE网络部署。2009年巴塞罗那会议上，包括Verizon已经宣布在2010年初期部署LTE，在2015年达到全北美的覆盖，在瑞典也已经开始部署。NTTDoCoMo也计划在2010年左右推出LTE网络。图1.1.4显示了主要运营商LTEFDD网络部署时间。

图1.1.4主要运营商LTEFDD网络部署时间

3G演进项目在移动通信领域开始了新一轮的技术发展，国内包括政府、企业、高校和研究机构等单位都高度重视。2005年7月由信息产业部、科学技术部和国家发展与改革委员会联合发起成立了“宽带无线移动通信技术专家组(即BWM专家组)”，负责国内关于新型宽带无线移动通信技术(其中包括3G演进型技术和宽带无线接入技术)的策略和标准推进的研究工作。该专家组由国内相关方面领导和专家组成，成员包括国内无线通信领域的各个主要运营商、制造商和研究机构，同时国内的各相关高校作为我国863高科技计划的重要成员，也在其中积极地参与了各项工作并已经取得了一些成果。图1.1.5显示了LTETDD研究与开发路标。

图1.1.5LTETDD研究与开发路标整个LTETDD测试验证分成三个阶段:

第一阶段:概念验证。该阶段包括室内和室外工作，主要对LTETDD的关键技术进行验证。

第二阶段:技术试验。该阶段又分成两个子阶段，子阶段1为单系统室内测试，从2009年8月开始，主要针对系统和终端测试。之后进入子阶段2，主要集中在外场测试，对LTETDD外场系统和网络的性能以及IOT做全面认证。

第三阶段:规模试验。这个阶段在2010年下半年开始，其目标是希望提供的测试产品应该是面向可商用版本的系统设备。目前CMCC已经组织国内外的一些厂家完成了室内PoC测试阶段，进入外场验证阶段。在室内测试阶段，主要对LTETDD主要的性能参数进行了验证，包括峰值速率、小区吞吐量、AMC等关键技术，还将各项系统指标(如支持的移动速度、传输时延、功控等)和原有3GPP设计进行了对比。

总体来看，移动宽带数据的爆炸式和井喷式发展，促进了LTE快速部署，使得LTE成为行业共识的宽带移动通信的发展方向，产业研发和各方面的资源也在向LTE方向聚集。在我国，LTE-TDD工作组的工作已经全面启动，工信部和CMCC在积极推进LTE整个产业链的部署以及测试认证和终端一致性认证等工作，目的是通过工作组的工作，加速LTE-TDD产业链的全面形成和健康发展。1.1.5LTE频谱划分

LTE作为宽带无线的应用，频谱是至关重要的，表1.1.2为E-UTRA所支持的频段范围。表1.1.2EUTRA频段范围

3.4GHz、3.6GHz等高端频段在2007年也新分配给了LTE，目前各个运营商在积极促进低频段的频率在LTE宽带无线方面的应用，主要集中在400MHz、700MHz，2.3GHz和2.5GHz频段。大家普遍达成共识:在低频段意味着低成本、良好的覆盖和性能。其中400MHz作为低频段的代表，在2009年巴塞罗那会议上得到大家的共识性呼吁，希望在400MHz频段为宽带无线移动提供100MHz带宽的资源。另外，由于逐渐从模拟电视向数字电视过渡，700MHz的广播频段在发达国家也明确了转网时间，因此2008年北美完成了700MHz的拍卖，欧洲也在积极规划这个频段。从2007年底开始，2.5GHz到2.6GHz频段逐渐被拍卖，日本、挪威、瑞典已经完成了拍卖，我国香港也于2008年完成了该频段的拍卖，2009年欧洲很多国家继续拍卖这个频段。我国内地比较早地规划了2.3GHz到2.4GHz频段作为TDD频段，这个频段可能作为TDDLTE的主体频段使用，目前也在规划2.6GHzTDD频段。

根据LTE协议，EUTRA系统可以在表1.1.2的各频段中运营。表1.1.3给出了LTE系统可以支持的信道带宽及对应的RB(ResourceBlock)数目。

表1.1.3不同带宽下RB数目图1.1.6显示了总信道带宽与系统传输带宽(RB)之间的关系，为了防止本系统带宽内的信号泄露到相邻信道而造成干扰，实际中的传输带宽相比系统带宽略小，两侧均留有一定的保护间隔，即保护带，这个保护带可以用来形成滤波器的滚降。另外，对于下行OFDM系统，中央的直流(DC)子载波留空不用。

图1.1.6总信道带宽与系统传输带宽之间的关系1.1.6LTE系统架构

LTE以OFDM技术为基础，构成新一代无线网络，该系统无线侧以MIMO和64QAM等技术为基础，可实现100Mb/s以上速率。同时LTE系统只存在PS域，在系统架构上，LTE在3GPP原有系统架构上进行演进，但对3G系统的NodeB、RNC、CN进行功能整合，系统设备简化为eNodeB和EPC两种网元，其中3G系统中的NodeB和RNC合并为eNodeB。整个LTE系统由核心网(EPC)、基站(eNodeB或eNB)和用户设备(UE)三部分组成。其中eNodeB负责接入网部分，也称EUTRAN；EPC负责核心网部分，EPC信令处理部分称MME，数据处理部分称为SAEGateway。eNodeB与EPC通过S1接口连接，eNodeB间通过X2接口连接，UE与eNodeB通过Uu接口连接。和3G相比，X2接口类似于IuR接口，S1接口类似于Iu接口，但有较大简化。另外，由于NodeB和RNC融合为网元eNodeB，LTE比3G少了Iub接口。

LTE系统网络架构如图1.1.7所示。

LTE中协议栈描述如图1.1.8所示。

图1.1.7LTE系统网络架构

图1.1.8LTE协议栈示意图

LTE空中接口是EUTRAN与UE之间的接口，分为用户面和控制面。图1.1.9和图1.1.10分别是用户面和控制面示意图。

用户面部分包括PDCP子层、RLC子层、MAC子层和物理层。在网络侧，PDCP子层位于aGW(接入网关)，RLC子层、MAC子层和物理层位于eNB。PDCP子层完成IP头压缩、完整性保护和加密，RLC子层、MAC子层完成调度、ARQ和HARQ功能，物理层完成信道编/解码、调制解调、MIMO处理、测量和指示、HARQ合并、功率控制、频率和时间同步、切换、链路适配、物理资源映射、射频信号传输等。

图1.1.9用户面协议栈图1.1.10控制面协议栈控制面部分包括NAS、PDCP子层、RRC子层、RLC子层、MAC子层和物理层。LTEEUTRAN和核心网功能划分如图1.1.11所示。

图1.1.11无线侧与核心网功能划分

3GPP把LTE作为3G系统的演进是从2004年11月加拿大多伦多的3GPP接入网演进学术讨论会(RANEvolutionWorkshop)开始的。当时考虑到WiMAX等宽带无线通信技术的迅速发展，3GPP需要提出自己的标准，参与宽带无线通信技术的竞争。讨论会上确定了一些高层需求，主要包括以下内容：①降低每比特成本；②增强对未来业务的支持能力；③可以灵活地在已有和新的频段上部署；④结构简单，接口开放；⑤考虑终端适当地省电。1.2LTE基本需求

3GPP于2004年12月正式成立了LTE研究项目(StudyItem)，其目标为:发展3GPP无线接入技术，向着“高数据速率、低延迟和优化分组数据应用”方向演进。负责LTE研究项目的工作组为RAN1(RadioAccessNetworksWG1)、RAN2、RAN3、RAN4。根据计划，研究项目在2006年6月完成新的空中接口技术和接入网结构的甄选，之后转入到3GPP工作项目(WorkItem)，开始标准制定，2007年6月完成标准，2009年实现系统商用。

3GPP在开展LTE研究工作的同时，启动了SAE(SystemArchitectureEvolution)研究项目，该项目由SA2(Services&SystemAspectsWG2)工作组牵头，RAN3配合。LTE与SAE之间有着紧密的联系，共同构建了3GPP的系统整体演进。

LTE项目首先从定义需求开始，仅用6个月就完成了系统需求的制定，各项需求指标直指WiMAX。在2005年6月TSGRAN#28的魁北克全会上，通过了LTE的需求报告，需求指标写入需求报告TR25.913。各项需求概括描述如下:

·峰值速率:上、下行各20MHz带宽条件下，下行峰值速率为100Mb/s，上行峰值速率为50Mb/s。

·控制面延迟:空闲状态到激活状态的转换时间小于100ms。

·控制面容量:5MHz带宽下，每小区应至少支持200个激活用户。

·用户面延迟:系统在单用户、单业务流以及小IP包条件下，用户面延迟小于5ms。

·用户吞吐量:下行用户平均吞吐量3～4倍于Release6HSDPA；上行用户平均吞吐量2～3倍于Release6HSDPA。

·频谱效率:在有负荷的网络中，下行频谱效率(bit/sec/Hz/site)3～4倍于Release6HSDPA；下行频谱效率2～3倍于Release6HSDPA。

·移动性:演进系统需优化在低速(0~15km/h)情况下；较高的性能下仍支持高移动速度(15~120km/s)；系统在120～350km/h的移动速度下可用。

·系统覆盖:小区半径5km情况下，系统吞吐量、频谱效率和移动性等指标符合需求定义要求；小区半径30km情况下，上述指标略有降低；系统能够支持100km半径的小区。演进系统支持在1.4MHz、3MHz、5MHz、10MHz、15MHz和20MHz带宽部署，支持成对和非成对频谱。

·系统共存以及与其他3GPP接入技术的互联互通:支持UTRAN和GERAN的演进系统多模终端，应该能够支持与UTRAN和GERAN之间的测量和切换。

·系统结构:基于分组的、单一的、支持端到端QoS的系统结构。

·无线资源管理需求:增强支持端到端QoS(QualityofService，服务质量)；支持在不同接入网技术之间负荷分担和策略管理。

·系统复杂度方面:最小化可选项，无冗余的必选项。

表1.2.1为LTE需求汇总。

表1.2.1LTE需求汇总续表

LTE系统同时定义了频分双工(FDD)和时分双工(TDD)两种方式。2007年11月，3GPPRAN1会议通过了27家公司联署的LTETDD融合帧结构的建议，统一了LTETDD的两种帧结构。融合后的LTETDD帧结构是以TDSCDMA的帧结构为基础的，这就为TDSCDMA成功演进到LTE乃至4G标准奠定了基础。TDD帧结构的融合使更多的厂商参与到TDD的标准化进程中，LTETDD技术受到了广泛的重视，其产业化进程也有了显著的发展。1.3LTETDD/FDD协议综述图1.3.1、图1.3.2分别给出了当前LTEFDD和LTETDD协议定义的无线帧格式。它们都统一定义10ms的无线帧，每个无线帧都包含10个子帧，每个子帧1ms。每个子帧又定义成两个时隙，每个时隙0.5ms。每个无线帧包括两个长度为Tf＝153600×Ts＝5ms的半帧。

图1.3.1LTEFDD帧结构图1.3.2LTETDD帧结构对于LTETDD而言，每个半帧由8个长度为Tslot＝15360Ts＝0.5ms的时隙和3个特殊区域DwPTS、GP和UpPTS组成。DwPTS、GP和UpPTS的总长度等于30720Ts＝1ms，DwPTS和UpPTS的长度可配置。子帧1和6由DwPTS、GP和UpPTS组成，所有其他子帧由2个时隙组成，即子帧i包括时隙2i和2i＋1。

子帧0和子帧5总是用作下行。LTE支持5ms和10ms上/下行切换点。对于5ms上/下行切换周期，子帧2和子帧7总是用作上行。对于10ms上/下行切换周期，每个半帧都有DwPTS；只在第一个半帧内有GP和UpPTS，第二个半帧的DwPTS长度为30720Ts＝1ms。UpPTS和子帧2用作上行，子帧7和子帧9用作下行。

LTEFDD/TDD固定每子载波带宽为Δf＝15kHz(PRACH/MBMS除外，因为它们子载波带宽分别为1.25kHz和7.5kHz)，为了支持最大20MHz的信号带宽(协议定义为1200个子载波，即有效带宽为1200×15kHz＝18MHz)，同时也为了最近FFT点数的需要，离1200最近的2N，就是2048点，即代表2048个子载波，因此确定20MHz最低采样频率也为30.72MHz，对应时域采样间隔为1/30.72MHz，即32.55ns。1.3.1下行传输方案

LTE下行传输方案采用传统的带循环前缀(CP)的OFDM，每一个子载波占用15kHz，循环前缀的持续时间为4.7μs和16.7μs，分别对应短CP和长CP。为了满足数据传输延迟的要求(在轻负载情况下，用户面延迟小于5ms)，LTE系统采用很短的交织长度(TTI)和自动重传请求(ARQ)周期，因此，10ms无线帧被分成20个同等大小的时隙，长度为0.5ms。下行数据的调制主要采用QPSK、16QAM和64QAM这三种方式。针对广播业务，一种独特的分层调制(hierarchicalmodulation)方式也被考虑采用。分层调制的思想是，在应用层将一个逻辑业务分成两个数据流，一个是高优先级的基本层，另一个是低优先级的增强层。在物理层，这两个数据流分别映射到信号星座图的不同层。由于基本层数据映射后的符号距离比增强层的符号距离大，因此，基本层的数据流可以被包括远离基站和靠近基站的用户接收，而增强层的数据流只能被靠近基站的用户接收。也就是说，同一个逻辑业务可以在网络中根据信道条件的优劣提供不同等级的服务。在目前的LTE标准中，业务数据的信道编码是以R6的Turbo编码为基础，以新的内交织器代替原交织器。控制信道采用的编码器是tail-biting卷积码。此外，很多公司也在研究其他编码方式，并期望被引入LTE中，如低密度奇偶校验(LDPC)码。在大数据量情况下，LDPC码可获得比Turbo码高的编码增益，在解码复杂度上也略有减小。

MIMO技术在R7中已经被引入，是UTRAN增强的一个重要特性。而在LTE中，MIMO被认为是达到用户平均吞吐量和频谱效率要求的最佳技术。下行MIMO天线的基本配置是，在基站设两个发射天线，在UE设两个接收天线，即2×2的天线配置。更高的下行配置，如4×4的MIMO也可以支持。开环发射分集和开环MIMO在无反馈的传输中可以被应用，如下行控制信道和增强的广播多播业务。

虽然宏分集技术在3G时代扮演了相当重要的角色，但在HSDPA/HSUPA中已基本被摒弃。LTE沿用了HSDPA/HSUPA思想，即只通过链路自适应和快速重传来获得增益，而放弃了宏分集这种需要网络架构支持的技术。在2006年3月的RAN总会上，确认了E-UTRAN中不再包含RNC节点，因而，除广播业务外，需要中心节点(如RNC)进行控制的宏分集技术在LTE中不再考虑。小区搜索的设计主要集中在同步信道的设计和小区序列的设计上。考虑到小区搜索的复杂性，LTE倾向采用主同步信道进行小区同步，辅同步信道进行小区标识(ID)的检测。在主同步信道采用公共的导频序列，而在辅同步信道上各小区采用不同的导频序列。其中在小区导频序列的设计中，序列必须兼顾性能和复杂度要求。目前可供参考的码类型有PN、ZC(Zadoff-Chu)、Frank等。

目前下行单用户多天线倾向于无层间打乱，主要采取基于酉矩阵的预编码技术，终端的反馈为酉矩阵的指数，其他一些技术还需要进一步研究。下行多用户多天线倾向于终端的反馈基于酉矩阵，但基站的预编码矩阵不一定为酉矩阵。1.3.2上行传输方案

上行传输方案采用带循环前缀的SC-FDMA，使用DFT获得频域信号，然后插入零符号进行扩频，扩频信号再通过IFFT。这个过程简写为DFT-S-OFDM。这样做的目的是，上行用户间能在频域相互正交，以及在接收机一侧得到有效的频域均衡。

子载波映射决定了哪一部分频谱资源被用来传输上行数据，剩余部分则被插入若干个零值。频谱资源的分配有两种方式:一是局部式(localized)传输，即DFT的输出映射到连续的子载波上；另一个是分布式(distributed)传输，即DFT的输出映射到离散的子载波上。目前上行方案确定采用局部式资源映射。

上行调制主要采用QPSK、16QAM、64QAM。上行信道编码与下行相同。上行单用户MIMO天线的基本配置为:UE有两个发射天线，eNB有两个接收天线。在上行传输中，一种特殊的被称为虚拟(Virtual)MIMO的技术在LTE中被采纳。通常是2×2的虚拟MIMO，两个UE各自有一个发射天线，并共享相同的时-频域资源。这些UE采用相互正交的参考信号图谱，以简化eNB的处理。从UE的角度看，2×2虚拟MIMO与单天线传输的不同之处，仅仅在于参考信号图谱的使用必须与其他UE配对。基站接收机可以对这两个UE发送的信号进行虚拟MIMO检测。随机接入主要分为非同步的随机接入和同步的随机接入。在非同步的随机接入中，为了提高基站对用户接入的控制效率，倾向于在用户的签名序列中隐含用户的消息比特(例如用户的接入目的、用户的信道质量指示等)。用户的签名序列采用ZC序列。在小区覆盖大小的考虑上，对于大区的覆盖讨论集中在采用更长的码还是简单的短码重复，最后从复杂度和对频偏的抵抗性考虑，LTE倾向采用后者的方案。对于同步的随机接入，目前的讨论还不是很多。从功能上而言，许多公司都提议取消同步随机接入的信道，因为用户的资源请求可以通过很多的传输方式递交给基站，所以没有必要单独设计一个同步的随机接入信道供同步的用户发送资源请求。

对于随机接入而言，协议定义了Format0~Format4，其中Format4定义为TDD独有形式，可以在UpPTS上发射。1.3.3层2技术

为了制定一个尽量统一的标准，层2标准的制定将不考虑FDD和TDD的差异，也就是说希望FDD和TDD在层2进行融合和统一。1.3.3.1层2简化协议结构

由于基于全分组的协议，3GPPLTE的协议结构得到极大简化，RLC和MAC都位于节点eNB，因此调度器可以根据信道质量对RLC服务数据单元(SDU)进行切割，从而减少填充和充分利用信道的传输能力，同时可以对RLC层的自动重发请求(ARQ)和MAC层的混合自动重发请求(HARQ)进行联合优化。

图1.3.3给出了下行层2的协议结构，由于电路域交换的去除，协议结构变得非常简单。

图1.3.3下行层2的协议结构与3G的协议相比，HARQ和ARQ实体都位于eNB，RLCSDU的长度是可变长的，同时支持RLC协议数据单元(PDU)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3GPPLTE的层2协议支持属于同一终端的多个无线承载在MAC层的复接。

图1.3.4给出了目前3GPPLTE倾向的RLC和MAC结构，该结构较好地支持了由于苛刻时延要求导致的开销增加较大问题。

图1.3.4RLC和MAC结构1.3.3.2ARQ和HARQ设计原则

ARQ和HARQ实现最重要的数据可靠传输保证，同时由于ARQ和HARQ都位于eNB，有利于系统的联合设计。

ARQ的设计原则:保证协议层间的相互独立性，RLC序号与包数据汇聚协议(PDCP)的序号各自独立；减少RLC头开销(RLC序号基于RLCPDU，ARQ的重传基于RLCPDU)；ARQ的重传支持重分割(适配信道质量)，重分割的次数大于1。与R6的ARQ协议相比，HARQ协议得到巨大简化。ARQ和HARQ互协作的主要目的是快速触发ARQ的重传，减少空中接口传输时延和避免传输控制协议(TCP)因确认/非确认(ACK/NACK)误判激活。HARQ主要措施有:若HARQ发端发现包传输失败，HARQ发端可以触发ARQ进行重传；而HARQ收端进行合并。1.3.3.3VoIP业务的调度和信令设计

由于VoIP业务在相当长时间内是杀手级应用，因此3GPPLTE对VoIP业务采取了许多措施进行优化。

VoIP业务的特点:业务到达时间间隔为20ms左右，业务载荷为40B左右，静音间隔为160ms。

VoIP业务调度的设计原则:由于VoIP包比较小和传输时间间隔短，因此与VoIP相关的信令开销必须也比较小(或开销为零)；对于静态或半静态调度，调度器必须支持资源的再分配；调度器必须能处理VoIP的重发和业务载荷突变。1.3.3.4单播业务和多播业务的融合

应业务需求和运营商的强烈要求，3GPPLTE特别加强了对广播和多播业务的支持。当多播业务只在一个小区有需求时，可以使用下行共享信道(DLSCH)进行传输，多播业务也可以使用多播信道(MCH)进行传输，从而获得多小区传输合并分集。应运营商的要求，3GPPLTE给出了如图1.3.5所示的在MBMS专有小区的传输模式。

图1.3.5中，图(a)、(d)为传输模式一，即单小区模式；图(b)、(c)为传输模式二，即多小区模式。

图1.3.5MBMS专有小区的传输模式1.3.4FDD和TDD的差异

从协议层面，FDD和TDD做了最大可能的融合，但两者在一些细节方面还略有差异，主要有如下几方面:

1)双工方式

FDD为频分双工；TDD为时分双工。

2)上行和下行频段

FDD必须在分离的两个对称频率信道上进行接收和发送，用保护频段来分离接收和发送信道。FDD必须采用成对的频率，依靠频率来区分上、下行链路，其单方向的资源在时间上是连续的。TDD用时间来分离接收和发送信道。在TDD方式的移动通信系统中，接收和发送使用同一频率载波的不同时隙作为信道的承载，其单方向的资源在时间上是不连续的，时间资源在两个方向上进行了分配。

3)频谱配置

FDD在支持对称业务时，能充分利用上、下行的频谱，但在支持非对称业务时，频谱利用率将大大降低。TDD具有如下优势:能够灵活配置频率，使用FDD系统不易使用的零散频段；可以通过调整上、下行时隙转换点，提高下行时隙比例，很好地支持非对称业务。根据LTETDD帧结构的特点，LTETDD系统可以根据业务类型灵活配置LTETDD帧的上、下行配比。如浏览网页、视频点播等业务，下行数据量明显大于上行数据量，系统可以根据业务量的分析，配置下行帧多于上行帧情况，如6DL∶3UL、7DL∶2UL、8DL∶1UL、3DL∶1UL等。而在提供传统的语音业务时，系统可以配置下行帧等于上行帧，如2DL∶2UL。

4)智能天线的使用

智能天线技术能降低多址干扰，增加系统的吞吐量。在LTETDD系统中，上、下行链路使用相同频率，且间隔时间较短，链路无线传播环境差异不大，在使用赋形算法时，上、下行链路可以使用相同的权值。与之不同的是，由于FDD系统上、下行链路信号传播的无线环境受频率选择性衰落影响不同，根据上行链路计算得到的权值不能直接应用于下行链路。因此LTETDD系统能有效地降低移动终端的处理复杂性。另外，在LTETDD系统中，由于上、下行信道一致，基站的接收和发送可以共用部分射频单元，从而在一定程度上降低了基站的制造成本。

5)与TDSCDMA共存

LTETDD系统还有一个LTEFDD无法比拟的优势，就是LTETDD系统能够与TDSCDMA系统共存。对现有通信系统来说，目前的数据传输速率已经无法满足用户日益增长的需求，运营商必须提前规划现有通信系统向B3G/4G系统的平滑演进。由于LTETDD帧结构是基于我国TD-SCDMA的帧结构，因此能够方便地实现LTE-TDD系统与TDSCDMA系统的共存和融合。综合起来，TDD双工方式具有频谱配置灵活、频谱利用率高、上行和下行信道互惠性等特点，能够满足下一代移动通信系统对带宽的要求以及频率分配零散化的趋势，在B3G和4G移动通信系统中具有较强的优势。LTETDD在频谱利用、非对称业务支持、智能天线技术支持、与TDSCDMA系统共存等方面有很大的优势，在未来的通信系统中具有很强的竞争力。随着LTETDD技术研究的深入和国际市场的推广，它将成为未来无线通信系统中的主流技术。

随着移动通信与因特网的快速发展，通信市场呈现出话音业务移动化、数据业务宽带化的发展趋势。到2009年6月，中国移动通信用户数已经接近6亿，互联网宽带用户数已经超过1亿。在新增的因特网用户中，63%为宽带用户。同时，WiFi、GPRS、EDGE和cdma1x等技术的发展使得无线数据业务应用日益广泛。

HSDPA与WiMAX作为能够提供高速移动数据业务的两种技术，正在引起越来越多的重视。1.4LTE与HSPA、WiMAX对比从市场定位上，WiMAX与HSPA都是提供高速数据业务，同时也都支持移动性，因此两者存在一定的竞争关系。但两者又有其各自的技术特点，所以还在一定程度上可以互为补充。而LTE虽然目前还处于预商用阶段，但作为3G的发展方向，需要运营商给予足够的重视。本节简单从调制、重传、组网方式以及技术成熟度等几个方面对三者进行分析和比较，为下一步网络演进和技术方案选择提供参考。1.4.1调制技术

为了适应不断变化的无线信道，HSDPA、WiMAX和LTE都采用了多种调制方式，同时都可以根据无线信道质量的变化，动态改变调制方式，以使得传输的性能最优。WiMAX采用了BPSK、QPSK、16QAM和64QAM四种调制方式，而HSPA采用了QPSK和16QAM两种调制方式。802.16系列标准规定了在不同的信道带宽下，系统中为了达到10－6的误码率要求各种调制和编码方式所需要的最低信号强度。对于HSDPA系统，3GPP规范定义了12类能力不同的终端，针对每种终端统一规定了30种CQI级别。不同CQI级别反映了不同的信道质量条件，同时也对应着一种传输格式，并且分别规定了所使用的传输块大小、编码速率、调制方式、码道数等。LTE支持最高到64QAM的调制方式，同时也采用CQI方式，利用终端报告无线网络质量，网络根据其报告值决定采用相应的网络参数，进而决定最终的数据传输速率。在物理层技术中，HSDPA采用单载波CDMA方式接入。而WiMAX采用多载波的方式，数据经过交织和星座映射后根据频偏序号按递增顺序调制到分配数据的子载波上。从数据星座映射器中送出的第一个符号应该被调制到具有最低频偏序号的子载波上。同时WiMAX还允许使用OFDMA进行接入，这些都在一定程度上提高了WiMAX系统的频率利用率。LTE标准下行为OFDMA，上行为SCFDMA。LTE已确定采用多天线技术，其中MIMO天线个数的基本配置是下行2×2、上行1×2，同时也完全支持4×4的高阶天线配置。1.4.2ARQ机制

由于无线移动信道具有时变和多径导致的衰落特点，常有较高的误码率，因此为了减小高层重传，提高正确接收的概率，降低时延，WiMAX、HSPA和LTE都采用前向纠错(FEC)和自动重传请求(ARQ)两种差错控制方法，以确保服务质量(QoS)，HSDPA和LTE更进一步采用了HARQ机制。

ARQ机制中，在发送方，ARQ块有四种状态:未发送、未完成、等待重传和丢弃。这四种状态之间的转换如图1.4.1所示。

图1.4.1ARQ状态转移图三个标准ARQ协议是:

(1)停等(SAW)协议。该协议是最简单，也是对信头要求最少的协议。它的特点是发端一直对当前数据分组进行处理，直到它被成功接收。协议的正确性由1比特(用来表示当前和下一个数据分组)信息就可以表述，所以，它的控制头很小，确认头也很小。而且由于一次只能传送一个数据分组，所以对用户端存储容量的要求就很小。

(2)回退N步(GBN)协议。GBN方式在发端可连续发送多个数据分组。发端发送第一个分组后不必等待回执，经过一个往返延迟后，该分组的回执才到达发端。往返延迟定义为送出一个分组到收到其回执之间的时间间隔。在此时间间隔内，另外N－1个分组已被传送。当接收端反馈回来的是NAK时，发端退到此NAK对应的分组，重发该分组及其后的N－1个分组。GBN方式因为采用连续的发送和重传，提高了停等协议的效率，并且接收端只需储存当前分组即可。但当往返延迟较大、数据传输速率较高时，由于要重传许多无错分组，GBN方式就不太有效了。

(3)选择性重传(SR)协议。相比之下SR协议效率最高，但要求存储容量很大而且实现起来复杂。它的特点是只重传错误数据分组，要求用序列号识别数据分组。而且，在等待响应的时候，为了充分利用信道容量，发端要发送大量数据分组。另外，收端在组合那些分隔重传的信息前必须知道序列号，因此，序列号要和数据分别编码，而且序列号需要更可靠的编码以克服任何时候出现在数据里的错误，这样就增加了对信令要求的带宽。

HARQ技术综合了FEC和ARQ两种差错控制方式的优点而克服了各自的缺点，将二者进行适当的组合，使SAW-ARQ、GBN-ARQ或者SRARQ系统嵌入一个FEC子系统便构成了HARQ系统。目前HARQ技术分为type-Ⅰ和type-Ⅱ。而HSPA系统主要采用基于RCPT码的Chase合并方法和递增冗余方法实现type-ⅡHARQ技术。1.4.3资源调度机制

为了能够高效地利用无线资源，HSDPA、WiMAX和LTE都采用了有效资源调度机制。

WiMAX的MAC层支持点对多点的宽带无线接入应用，主要是在上行和下行链路上进行高速传输。为了让多个用户共享一个物理信道，MAC层必须具备有效的接入和带宽分配算法，以支持各种业务的QoS保证。每个连接与单个数据业务关联，每个数据业务与一系列的QoS参数关联，这些QoS参数量化了数据业务的行为。这些参数通过DSA和DCS消息对话管理。WiMAX标准支持四种不同的业务类型，它们分别为主动授予服务(UGS)、实时轮询业务(rtPS)、非实时轮询业务(nrlPS)、尽力传输业务(BE)。

WiMAX可以根据不同的QoS动态分配带宽，具有较大的灵活性。WiMAX的MAC层是基于连接的，为了映射各个用户的服务，提供不同级别的QoS，所有的数据通信都是建立在连接的基础之上的。因此，业务流实际上提供了上、下行QoS管理的机制，并且和带宽分配的进程紧密联系。一个用户以基于每个连接的方式请求上行带宽。BS在某个时间调度间隔内，对一个SS的所有请求授予一个带宽，或者按每个连接来授予带宽。因此从以上的分析可以看出，WiMAX可以在无线接入网部分为不同业务提供不同质量的服务。

HSDPA可以采用多种资源调度算法，每种算法在服务效率和服务公平性上有不同的特点。这些算法包括轮询式调度算法、公平吞吐量调度算法、平均C/I调度算法、最大C/I调度算法、部分公平性调度算法以及快速公平吞吐量调度算法。其中，前三种算法不考虑信道质量的变化，而后三种算法考虑信道环境的变化，同时根据这些变化调整分配策略。轮询式调度算法对所有激活用户公平服务，处于小区不同位置的用户都将等概率地获得无线资源；公平吞吐量调度算法优先选择当前吞吐量最低的用户；平均C/I调度算法选择在一个调度周期内平均C/I值最大的用户进行服务；最大C/I调度算法选择在一个TTI间隔内无线环境最好的用户进行服务，这种方法对无线信道变化响应快，能够获得最大的小区吞吐量性能，但公平性较差；部分公平性调度算法，综合考虑用户当前所处无线环境质量以及历史吞吐量情况，选择相对质量较好的用户进行服务；快速公平吞吐量调度算法结合考虑信道的快速变化特性的同时，尽量为小区内的所有用户提供公平的吞吐量分布。

LTE采用多种资源调度方式来保障网络的高效运行，主要包括以下几方面:

·无线承载控制(RBC)；

·无线接纳控制(RAC)；

·连接移动性控制(CMC)；

·分组调度(PSC)；

·小区间干扰协调(ICIC)；

·负荷均衡(LB)。1.4.4网络结构

WiMAX的网络结构如图1.4.2所示，其中包括接入网络(ASN)和连接服务网络(CSN)。

ASN的功能是管理空中接口，主要包括:

·发现网络并选择合适的CSN，并在基站和移动用户台(MSS)之间建立层2连接。

·协助完成鉴权、业务授权和计费。

·协助高层与MSS建立层3连接。

·分配IP地址。

图1.4.2WiMAX网络结构示意图

·无线资源管理。

·根据分级结构进行ASN内移动性管理。

·ASN内寻呼和位置管理

·ASN和CSN之间隧道建立和管理。

·存储临时用户信息。

一个ASN