LTE系統(tǒng)核心技術(shù)剖析及eNodeB測(cè)試方案探討
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UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) 系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用滿足了用戶對(duì)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的需求，有效提高了通話質(zhì)量和數(shù)據(jù)速率。然而，寬帶接入技術(shù)的出現(xiàn)及普及，Wi-Fi，WiMAX系統(tǒng)高數(shù)據(jù)速率的優(yōu)勢(shì)，對(duì)UMTS系統(tǒng)帶來(lái)很大的沖擊。這使得UMTS系統(tǒng)數(shù)據(jù)速率不高、時(shí)延較長(zhǎng)、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜等不足愈加明顯。因此，3GPP(3rd Generation Partnership Project)提出的UMTS的長(zhǎng)期演進(jìn)計(jì)劃(LTE)，通過(guò)提供一個(gè)以高速率和低時(shí)延為特征的分組優(yōu)化系統(tǒng)來(lái)保證UMTS在未來(lái)10年的競(jìng)爭(zhēng)力和領(lǐng)先性。
為實(shí)現(xiàn)此目標(biāo)，LTE系統(tǒng)相對(duì)于UMTS系統(tǒng)引進(jìn)了多項(xiàng)關(guān)鍵新技術(shù)，這使得LTE系統(tǒng)在物理層技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及協(xié)議架構(gòu)等方面都發(fā)生了相應(yīng)的改進(jìn)，并且核心網(wǎng)也需要相應(yīng)的升級(jí)來(lái)支持LTE系統(tǒng)。因此，LTE系統(tǒng)不僅是對(duì)UMTS系統(tǒng)的演進(jìn)。LTE系統(tǒng)中eNodeB設(shè)備的測(cè)試工作也具有更高的挑戰(zhàn)。測(cè)試作為移動(dòng)通信產(chǎn)業(yè)鏈中重要的一環(huán)，位于產(chǎn)業(yè)鏈的上游，是整個(gè)無(wú)線通信系統(tǒng)正常工作與維護(hù)的根本保證。因此，對(duì)eNodeB設(shè)備的測(cè)試方法及測(cè)試用例的研究勢(shì)在必行。
2 LTE系統(tǒng)的核心新技術(shù)
LTE是3GPP為適應(yīng)時(shí)代需求而提出的新的移動(dòng)寬帶接入標(biāo)準(zhǔn)，為此3GPP規(guī)定了LTE系統(tǒng)的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)并引入了多項(xiàng)核心新技術(shù)。
LTE系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)與HSPA系統(tǒng)的對(duì)比參見(jiàn)表1。
表1 LTE系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)
為了達(dá)到高數(shù)據(jù)速率和高頻譜利用率，LTE系統(tǒng)在上下行分別利用了SC-FDMA和OFDM調(diào)制技術(shù)。它們將整個(gè)系統(tǒng)帶寬分裂為大量子載波，并支持多種調(diào)制方式如QPSK，16QAM及64QAM。LTE系統(tǒng)同時(shí)指定了MIMO技術(shù)的不同模式，適應(yīng)于不同的信噪比條件。LTE工作頻率從700MHz到3GHz，信道帶寬從1.5MHz到20MHz，為網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商提供了靈活的頻帶配置方式。LTE系統(tǒng)引入的核心新技術(shù)總結(jié)如下：
2.1 OFDM/OFDMA
LTE中傳輸技術(shù)采用OFDM調(diào)制技術(shù)，其原理是將高速數(shù)據(jù)流通過(guò)串并變換，分配到傳輸速率較低的若干個(gè)相互正交的子信道中進(jìn)行并行傳輸。由于每個(gè)子信道中的符號(hào)周期會(huì)相對(duì)增加，因此可以減輕由無(wú)線信道的多徑時(shí)延擴(kuò)展產(chǎn)生的時(shí)間彌散性對(duì)系統(tǒng)造成的影響。在OFDM符號(hào)之間插入保護(hù)間隔，使保護(hù)間隔大于無(wú)線信道的最大時(shí)延擴(kuò)展，從而最大限度地消除由多徑引起的符號(hào)間干擾(ISI)。在LTE系統(tǒng)中采用循環(huán)前綴CP (Cyclic Prefix)作為保護(hù)間隔，CP的長(zhǎng)度決定了OFDM系統(tǒng)的抗多徑能力和覆蓋能力。長(zhǎng)CP利于克服多徑干擾，支持大范圍覆蓋，但系統(tǒng)開(kāi)銷會(huì)相應(yīng)增加，導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸能力下降。3GPP定義了長(zhǎng)短兩套循環(huán)前綴方案，根據(jù)具體的使用場(chǎng)景進(jìn)行選擇；短CP方案為基本項(xiàng)，長(zhǎng)CP方案用于支持LTE系統(tǒng)中大范圍覆蓋和多小區(qū)廣播業(yè)務(wù)。
LTE規(guī)定了下行采用OFDMA，上行采用SC-FDMA的多址方案，這保證了使用不同頻譜資源用戶間的正交性。OFDMA中一個(gè)傳輸符號(hào)包括并行傳輸?shù)腗個(gè)正交的子載波，而在SC-FDMA機(jī)制中M個(gè)正交子載波以串行方式進(jìn)行傳輸，降低了信號(hào)較大的幅度波動(dòng)，降低了峰功比。 此外，為了保證上行多用戶之間的正交性，要求各用戶的上行信號(hào)在CP長(zhǎng)度的誤差范圍之內(nèi)同時(shí)到達(dá)eNodeB，因此eNodeB需要根據(jù)用戶遠(yuǎn)近位置來(lái)調(diào)整各用戶的發(fā)射時(shí)間。
LTE系統(tǒng)對(duì)OFDM子載波的調(diào)度方式也更加靈活，具有集中式和分布式兩種，并靈活地在這兩種方式間相互轉(zhuǎn)化。上行除了采用這種調(diào)度機(jī)制之外，還可以采用競(jìng)爭(zhēng)(Contention)機(jī)制。
2.2 MIMO
MIMO技術(shù)是提高系統(tǒng)速率的主要手段，LTE系統(tǒng)分別支持適應(yīng)于宏小區(qū)、微小區(qū)、熱點(diǎn)等各種環(huán)境的MIMO技術(shù)。 基本的MIMO模型是下行2×2，上行1×2天線陣列，LTE發(fā)展后期會(huì)支持4×4的天線配置。目前，下行MIMO模式包括波束成行，發(fā)射分集和空間復(fù)用，這3種模式適用于不同的信噪比條件并可以相互轉(zhuǎn)化。波束成型和發(fā)射分集適用于信噪比條件不高的場(chǎng)景中，用于小區(qū)邊緣用戶有利于提高小區(qū)的覆蓋范圍；空間復(fù)用模式適用于信噪比較高的場(chǎng)景中，用于提高用戶的峰值速率。在空間復(fù)用模式中同時(shí)發(fā)射的碼流數(shù)量最大可達(dá)4；空間復(fù)用模式還包括SU-MIMO(單用戶)和MU-MIMO(多用戶)，兩種模式之間的切換由eNodeB決定。上行MIMO模式中根據(jù)是否需要eNodeB的反饋信息，分別設(shè)置開(kāi)環(huán)或閉環(huán)的傳輸模式。
2.3 E-MBMS
3GPP提出的廣播組播業(yè)務(wù)不僅實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)資源的共享，還提高了空中接口資源的利用率。LTE系統(tǒng)的增強(qiáng)型廣播組播業(yè)務(wù)E-MBMS(Enhanced Multimedia Broadcast/Multicast Service)不僅實(shí)現(xiàn)了純文本低速率的消息類組播和廣播，更重要的是實(shí)現(xiàn)了高速多媒體業(yè)務(wù)的組播和廣播。為此，對(duì)UTRA做出了相應(yīng)的改動(dòng)：增加了廣播組播業(yè)務(wù)中心網(wǎng)元(BM-SC)，主要負(fù)責(zé)建立、控制核心網(wǎng)中的MBMS的傳輸承載，MBMS傳輸?shù)恼{(diào)度和傳送，向終端設(shè)備提供業(yè)務(wù)通知；定義了相關(guān)邏輯信道用于支持E-MBMS。
從業(yè)務(wù)模式上，MBMS定義了兩種模式，即廣播模式和組播模式。這兩種模式在業(yè)務(wù)需求上不同，導(dǎo)致其業(yè)務(wù)建立的流程也不同。
從操作方式上，單頻網(wǎng)(SFN，Same Frequency Network)和非單頻網(wǎng)操作共存于同一小區(qū)，其中單頻網(wǎng)操作將支持多小區(qū)傳送；非單頻網(wǎng)操作只支持單小區(qū)傳送。
在網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃上，3GPP定義了兩種網(wǎng)絡(luò)部署：一種是LTE E-MBMS與LTE 單播系統(tǒng)共用載波；另一種部署方式是LTE E-MBMS 采用專用下行載波。專用載波方式將以5MHz帶寬為基本項(xiàng)，也將支持其他帶寬的專用載波的能力，但不能支持多種帶寬共存的模式。在廣播模式下，5MHz的帶寬至少支持16個(gè)頻道，每頻道達(dá)300kbit/s的速率，小區(qū)邊緣的頻譜效率為1bit/s/Hz。
2.4 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及協(xié)議
LTE系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與UTRAN相比，去掉了RNC，而只由若干個(gè)eNodeB組成，簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)并減少時(shí)延。多個(gè)eNodeB通過(guò)X2接口相互連接，eNodeB通過(guò)S1接口連接到演進(jìn)型分組核心EPC(Evolved Pocket Core)。具體來(lái)講， S1-MME接口連接到移動(dòng)性管理實(shí)體MME(Mobile Management Entity)，S1-U接口連接到SAE網(wǎng)關(guān)，其中S1接口支持eNodeB和MME/SAE網(wǎng)關(guān)之間多對(duì)多鏈接（見(jiàn)圖1）。eNodeB的功能在原有NodeB功能的基礎(chǔ)上，增加了RNC物理層，MAC層，RRC，調(diào)度，接入控制，承載控制，移動(dòng)性管理和inter-cell RRM等功能。
圖1 LTE系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
LTE系統(tǒng)的協(xié)議棧結(jié)構(gòu)與URTAN同樣分為用戶面(PDCP/RLC/MAC/ PHY)和控制面(RRC)協(xié)議。層2包括媒體接入控制協(xié)議(MAC)、無(wú)線鏈路控制協(xié)議(RLC)，以及分組數(shù)據(jù)匯聚協(xié)議(PDCP)；層3包括無(wú)線資源控制協(xié)議 (RRC)。空中接口的層1和層2協(xié)議在用戶設(shè)備和eNodeB中終止；控制平面中的層3協(xié)議也在用戶設(shè)備和eNodeB中終止；控制平面的非接入層(NAS)協(xié)議在用戶設(shè)備和核心網(wǎng)的移動(dòng)管理實(shí)體(MME)中終止（見(jiàn)圖2）。
圖2 LTE系統(tǒng)協(xié)議棧結(jié)構(gòu)
LTE系統(tǒng)中的無(wú)線資源控制(RRC)狀態(tài)相比于UTRA系統(tǒng)也簡(jiǎn)化了許多，只包含RRC_IDLE，RRC_ACTIVE和RRC_DETACHED 3種。在aGW網(wǎng)元中，UE的上下文必須區(qū)分這3種狀態(tài)，而在E-Node B中合并了原先的多種狀態(tài)只保留RRC_ACTIVE狀態(tài)的UE上下文。
2.5 其他
為了提高小區(qū)容量及邊緣的傳輸速率，LTE系統(tǒng)提出了小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)機(jī)制，并設(shè)計(jì)了靜態(tài)干擾協(xié)調(diào)以及動(dòng)態(tài)干擾協(xié)調(diào)技術(shù)。在功率控制機(jī)制上，設(shè)定小區(qū)邊緣用戶的目標(biāo)SINR(信噪比)低于小區(qū)中心的目標(biāo)SINR，進(jìn)一步減少對(duì)相鄰小區(qū)邊緣用戶干擾，從而獲得更大的系統(tǒng)容量。
為了實(shí)現(xiàn)低時(shí)延的目標(biāo)，LTE系統(tǒng)大的小區(qū)搜索過(guò)程和隨機(jī)接入過(guò)程做了相應(yīng)的簡(jiǎn)化，并提供了更加靈活的形式。
為了實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)有3GPP和非3GPP的兼容，LTE系統(tǒng)采用快速小區(qū)選擇(即快速硬切換)方法實(shí)現(xiàn)不同頻段之間各系統(tǒng)間的切換，實(shí)現(xiàn)更好的地域覆蓋和無(wú)縫切換；此外，核心網(wǎng)的設(shè)計(jì)也發(fā)生了相應(yīng)的改變，增加了SAE和3GPP模塊，實(shí)現(xiàn)了LTE系統(tǒng)與3GPP和非3GPP系統(tǒng)的兼容。
LTE系統(tǒng)提出了上下行多種不同的參考信號(hào)RS (Reference signal)，不同的參考信號(hào)在子幀中有不同的位置和配置，實(shí)現(xiàn)不同的導(dǎo)頻功能，以及不同模式下的信道質(zhì)量測(cè)量。
綜上所述，LTE系統(tǒng)相比于UTRA系統(tǒng)引進(jìn)了多項(xiàng)核心新技術(shù)，發(fā)生了根本性的變革，因此對(duì)LTE系統(tǒng)中eNodeB設(shè)備的測(cè)試也將面臨著很多新的挑戰(zhàn)。在測(cè)試用例方面，將增加很多新的用例用于覆蓋并驗(yàn)證LTE系統(tǒng)中新的技術(shù)及配置；相應(yīng)地，測(cè)試方法也將發(fā)生新的變化。
3 LTE系統(tǒng)中eNodeB測(cè)試關(guān)注點(diǎn)
LTE系統(tǒng)獨(dú)特的特點(diǎn)及技術(shù)優(yōu)勢(shì)實(shí)現(xiàn)了LTE系統(tǒng)的高速率、低時(shí)延和最優(yōu)分組的需求。然而為了保證LTE系統(tǒng)中eNodeB設(shè)備真正具有這些新功能及技術(shù)指標(biāo)，并實(shí)現(xiàn)測(cè)試有效性的提高，我們對(duì)eNodeB關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)的測(cè)試勢(shì)在必行。我們對(duì)eNodeB測(cè)試的關(guān)注點(diǎn)主要在于：
（1）LTE系統(tǒng)中子載波之間的正交性是高速率性能得以實(shí)現(xiàn)的前提，也是接收端正確接收的根本保證。因此，LTE系統(tǒng)中必須要保證OFDM子載波之間的正交性以及上行各用戶所占用子載波之間的正交性，這也將是eNodeB的測(cè)試重點(diǎn)之一。
評(píng)論