3GPP LTE標準化進展將引發(fā)技術革命

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作者：徐景胡宏林周婷時間：2007-05-08 來源：通信世界網(wǎng)

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摘要：為了保持在移動通信領域的技術及標準優(yōu)勢，3GPP啟動其長期演進(LTE)的標準化工作。在物理層(層 1)、空中接口協(xié)議結構層(層2)和網(wǎng)絡結構方面，3GPPLTE采納一系列先進技術和創(chuàng)新理念，IP語音(VoIP)業(yè)務和多媒體廣播及多播業(yè)務 (MBMS)的解決方案的優(yōu)化正在進行中，目前已經(jīng)實現(xiàn)高數(shù)據(jù)率、低時延和基于全分組的設計目標。

為了應對寬帶接入技術的挑戰(zhàn)，同時為了滿足新型業(yè)務需求，國際標準化組織3GPP在2004年底啟動了其長期演進(LTE)技術的標準化工作。希望達到以下幾個主要目標：

保持3GPP在移動通信領域的技術及標準優(yōu)勢。

填補第3代移動通信系統(tǒng)和第4代移動通信系統(tǒng)之間存在的巨大技術差距。

希望使用已分配給第3代移動通信系統(tǒng)的頻譜，保持無線頻譜資源的優(yōu)勢。

解決第3代移動通信系統(tǒng)存在的專利過分集中問題。

3GPP LTE的標準化進程安排如下：2004年12月份到2006年6月為研究階段；2006年6月到2007年6月為工作階段，完成3GPP LTE的標準化工作。但由于一些問題沒有解決，研究階段推遲到2006年9月才結束。從3GPP

LTE的標準化進程來看，其初衷為第3代移動通信系統(tǒng)的演進，但由于其他技術的競爭，業(yè)務的需求和運營商的壓力，其標準化進程實質(zhì)為一場技術革命過程。與第3代移動通信系統(tǒng)相比，3GPP LTE物理層(層1)在傳輸技術[1]、空中接口協(xié)議結構層(層2)和網(wǎng)絡結構[2]等方面都發(fā)生了革命性的變化。

1 3GPPLTE的演進目標

3GPP LTE是一個高數(shù)據(jù)率、低時延和基于全分組的移動通信系統(tǒng)，具體目標[3]主要包括：

(1)頻譜帶寬配置

實現(xiàn)靈活的頻譜帶寬配置，支持1.25 MHz、1.6 MHz、2.5 MHz、5 MHz、10 MHz、15 MHz和20 MHz的帶寬設置，從技術上保證3GPP LTE系統(tǒng)可以使用第3代移動通信系統(tǒng)的頻譜。

(2)小區(qū)邊緣傳輸速率

提高小區(qū)邊緣傳輸速率，改善用戶在小區(qū)邊緣的體驗，增強3GPP LTE系統(tǒng)的覆蓋性能，主要通過頻分多址和小區(qū)間干擾抑制技術實現(xiàn)。

(3)數(shù)據(jù)率和頻譜利用率

在數(shù)據(jù)率和頻譜利用率方面，實現(xiàn)下行峰值速率100 Mb/s，上行峰值速率50 Mb/s；頻譜利用率為HSPA的2～4倍，用戶平均吞吐量為HSPA的2～4倍。為保證3GPP LTE系統(tǒng)在頻譜利用率方面的技術優(yōu)勢，主要通過多天線技術、自適應調(diào)制與編碼和基于信道質(zhì)量的頻率選擇性調(diào)度實現(xiàn)。

(4)時延

提供低時延，使用戶平面內(nèi)部單向傳輸時延低于5 ms，控制平面從睡眠狀態(tài)到激活狀態(tài)的遷移時間低于50 ms，從駐留狀態(tài)到激活狀態(tài)的遷移時間小于100 ms，以增強對實時業(yè)務的支持。

(5)多媒體廣播和多播業(yè)務

進一步增強對多媒體廣播和多播業(yè)務的支持，滿足廣播業(yè)務、多播業(yè)務和單播業(yè)務融合的需求，主要通過物理層幀結構、層2的信道結構和高層的無線資源管理實現(xiàn)。

(6)全分組的包交換

取消電路交換，采用基于全分組的包交換，從而提高系統(tǒng)頻譜利用率。對IP語音(VoIP)業(yè)務的支持與低時延目標的實現(xiàn)導致調(diào)度和層1、層2間信令設計的困難。

(7)共存

實現(xiàn)與第3代移動通信系統(tǒng)和其他通信系統(tǒng)的共存

本文將分別從物理層的傳輸技術、層2協(xié)議結構和網(wǎng)絡結構，闡述3GPP LTE如何實現(xiàn)以上目標。

2 3GPPLTE物理層的傳輸技術

2.1物理層上下行傳輸方案

下行的多址方式為正交頻分多址(OFDMA)，上行為基于正交頻分復用(OFDM)傳輸技術的單載波頻分多址(SC-FDMA)，SC-FDMA為單載波傳輸技術，其特點為低峰均比，子載波間隔為15 kHz。這兩種技術都能較好地支持頻率選擇性調(diào)度。

2.2幀結構設計

上下行幀長都為10 ms，分成20個時隙，10個子幀，最小物理資源塊為180 kHz。下行為了同時支持廣播業(yè)務和單播業(yè)務，設計長循環(huán)前綴(CP)和短CP兩種類型。短CP時每子幀由7個OFDM符號組成，短CP的子幀主要支持單播業(yè)務。長CP時每子幀由6個OFDM符號組成，長CP的持續(xù)時間為16.67 ms，長CP的子幀結構支持多播業(yè)務，實現(xiàn)單頻組網(wǎng)，獲得多小區(qū)傳輸合并增益。上行每個子幀由8個OFDM符號組成，其中2個短OFDM符號，6個長 OFDM符號。短OFDM符號主要用于導頻信號傳輸，長OFDM符號主要用于數(shù)據(jù)傳輸。同時為了與時分雙工(TDD)系統(tǒng)共存，又分別為低碼速率時分雙工 (LCR-TDD)和高碼速率時分雙工(HCR-TDD)設計了相應的幀結構。

2.3小區(qū)間干擾控制技術

采用小區(qū)間干擾控制技術的目的為提高用戶在小區(qū)邊緣的信息傳輸速率。主要的多小區(qū)干擾補償技術有：干擾隨機化技術、干擾抵消技術和多小區(qū)干擾協(xié)調(diào)技術。3GPP LTE標準化的前期研究重點為下行頻分雙工(FDD)系統(tǒng)中的多小區(qū)干擾協(xié)調(diào)技術，多小區(qū)干擾協(xié)調(diào)技術對頻譜資源和發(fā)射功率進行限制。中心用戶可以使用全部資源塊，但只能以低功率使用部分資源塊；邊界用戶以全功率使用部分資源塊，從而提高用戶在小區(qū)邊緣的信干噪比，增加小區(qū)覆蓋率。而FDD上行的多小區(qū)干擾控制主要通過功率控制技術實現(xiàn)，頻率復用因子為1。

2.4多天線技術

目前下行單用戶多天線傾向于無層間打亂，主要采取基于酉矩陣的預編碼技術，終端的反饋為酉矩陣的指數(shù)，其他一些技術還需要進一步研究；下行多用戶多天線傾向于終端的反饋基于酉矩陣，但基站的預編碼矩陣不一定為酉矩陣；上行發(fā)射分集主要根據(jù)功放的要求進行評估和選擇。

2.5小區(qū)搜索技術

小區(qū)搜索的設計主要集中在同步信道的設計和小區(qū)序列的設計上。考慮到小區(qū)搜索的復雜性，LTE傾向采用主同步信道進行小區(qū)同步，輔同步信道進行小區(qū)標識(ID)的檢測。在主同步信道采用公共的導頻序列，而在輔同步信道上各小區(qū)采用不同的導頻序列。其中在小區(qū)

導頻序列的設計中，序列必須兼顧性能和復雜度要求。目前可供參考的碼類型有PN、ZadeOff-chu、Frank等。

2.6隨機接入技術

隨機接入中主要分為非同步的隨機接入和同步的隨機接入。在非同步的隨機接入中，為了提高基站對用戶接入的控制效率，傾向于在用戶的簽名序列中隱含用戶的消息比特，比如用戶的接入目的，用戶的信道質(zhì)量指示(CQI)等。用戶的簽名序列采用Zadoff-Chu碼經(jīng)過循環(huán)移位的擴展的Zadoff- Chu序列的零相關區(qū)域(ZC-ZCZ)碼。在小區(qū)覆蓋大小的考慮上，對于大區(qū)的覆蓋討論集中在采用更長的碼還是簡單的短碼重復。最后從復雜度和對頻偏的抵抗性考慮，LTE傾向采用后者的方案。

對于同步的隨機接入，目前的討論還不是很多。從功能上而言，許多公司都提議要取消同步隨機接入的信道。因為用戶的資源請求可以通過很多的傳輸方式遞交給基站，所以沒有必要單獨設計一個同步的隨機接入信道供同步的用戶發(fā)送資源請求。

3 3GPPLTE網(wǎng)絡結構

3G的網(wǎng)絡由基站(NB)、無線網(wǎng)絡控制器(RNC)、服務通用分組無線業(yè)務支持節(jié)點(SGSN)和網(wǎng)關通用分組無線業(yè)務支持節(jié)點(GGSN) 4個網(wǎng)絡節(jié)點組成。RNC的主要功能為無線資源管理，網(wǎng)絡相關功能、無線資源控制(RRC)的維護和運行，網(wǎng)管系統(tǒng)的接口等。RNC的主要缺點為與空中接口相關的許多功能都在RNC中，導致資源分配和業(yè)務不能適配信道，協(xié)議結構過于復雜，不利于系統(tǒng)優(yōu)化。在2006年3月的全會上，決定3GPP LTE網(wǎng)絡由E-UTRAN基站(eNB)和接入網(wǎng)關(AGW)組成，網(wǎng)絡結構扁平化。eNB的主要功能為：在附著狀態(tài)選擇AGW；尋呼信息和廣播信息的發(fā)送；無線資源的動態(tài)分配，包括多小區(qū)無線資源管理；設置和提供eNB的測量；無線承載的控制；無線接納控制；在激活狀態(tài)的連接移動性控制。網(wǎng)絡結構和功能劃分如圖1所示，其中eNB與AGW之間的接口為S1接口，eNB與eNB之間的接口為X2接口。與空中接口相關的功能都被集中在eNB，無線鏈路控制 (RLC)和媒體訪問控制(MAC)都處于同一個網(wǎng)絡節(jié)點，從而可以進行聯(lián)合優(yōu)化和設計。

網(wǎng)絡結構和功能劃分

4 層2標準化內(nèi)容

4.1層2技術概述

為了制訂一個盡量統(tǒng)一的標準，層2標準的制訂將不考慮FDD和TDD的差異，也就是說希望FDD和TDD在層2進行融合和統(tǒng)一。

由于基于全分組的協(xié)議，3GPP LTE的協(xié)議結構得到極大簡化，RLC和MAC都位于節(jié)點eNB，因此調(diào)度器可以根據(jù)信道質(zhì)量對RLC服務數(shù)據(jù)單元(SDU)進行切割，從而減少填充和充分利用信道的傳輸能力，同時可以對RLC層的自動重發(fā)請求(ARQ)和MAC層的混合自動重發(fā)請求(HARQ)進行聯(lián)合優(yōu)化。

4.2層2協(xié)議結構

圖2給出了下行層2的協(xié)議結構。由于電路域交換的去除，協(xié)議結構變得非常簡單。

下行層2的協(xié)議結構

與3G的協(xié)議相比，HARQ和ARQ實體都位于eNB，RLC SDU的長度是可變長的，同時支持RLC協(xié)議數(shù)據(jù)單元(PDU)的重分割，從而使業(yè)務載荷能夠很好地適應信道質(zhì)量；另一方面，由于苛刻的時延需求，要求填充小，因此3GPP LTE的層2協(xié)議支持屬于同一終端的多個無線承載在MAC層的復接。

圖3給出了目前3GPP LTE傾向的RLC和MAC結構，該結構較好地支持了由于苛刻時延要求導致的開銷增加較大問題。

3GPP LTE傾向的RLC和MAC結構

4.3ARQ的設計及ARQ和HARQ的協(xié)作設計

ARQ和HARQ實現(xiàn)最重要的數(shù)據(jù)可靠傳輸保證，同時由于ARQ和HARQ都位于eNB，有利于系統(tǒng)的聯(lián)合設計。

ARQ的設計原則為：為了保證協(xié)議層間的相互獨立性，RLC序號與包數(shù)據(jù)匯聚協(xié)議(PDCP)的序號各自獨立；為了減少RLC頭開銷，RLC序號基于RLC PDU，ARQ的重傳基于RLC PDU；ARQ的重傳支持重分割(適配信道質(zhì)量)，重分割的次數(shù)大于1。與R6的ARQ協(xié)議相比，協(xié)議得到巨大簡化。ARQ和HARQ互協(xié)作的主要目的為快速觸發(fā)ARQ的重傳，減少空中接口傳輸時延和避免傳輸控制協(xié)議(TCP)因確認/非確認(ACK/NACK)誤判激活，主要措施有：若HARQ發(fā)端發(fā)現(xiàn)包傳輸失敗，HARQ發(fā)端可以觸發(fā)ARQ進行重傳；而HARQ收端發(fā)現(xiàn)錯誤，是否匯報有待于進一步研究。

4.4VoIP業(yè)務的調(diào)度和信令設計

由于VoIP業(yè)務在相當長時間內(nèi)是殺手級應用，3GPP LTE對VoIP業(yè)務采取許多措施進行優(yōu)化。VoIP業(yè)務的特點為：業(yè)務到達時間間隔為20 ms左右，業(yè)務載荷為40字節(jié)左右；靜音間隔為160 ms。VoIP業(yè)務調(diào)度的設計原則為：由于VoIP包比較小和傳輸時間間隔短，因此與VoIP相關的信令開銷必須也比較小(或開銷為零)；對于靜態(tài)或半靜態(tài)調(diào)度，調(diào)度器必須支持資源的再分配；調(diào)度器必須能處理VoIP的重發(fā)和業(yè)務載荷突變。目前還未就VoIP業(yè)務的調(diào)度和信令設計達成一致意見。

4.5單播業(yè)務和多播業(yè)務的融合

應業(yè)務需求和運營商的強烈要求，3GPP LTE特別加強了對廣播和多播業(yè)務的支持。當多播業(yè)務只在一個小區(qū)有需求時，可以使用下行共享信道(DL-SCH)進行傳輸，多播業(yè)務也可以使用多播信道 (MCH)進行傳輸，從而獲得多小區(qū)傳輸合并分集。圖4a和圖4b給出了兩種在混合小區(qū)的傳輸模式，應運營商的要求，3GPP LTE又給出了圖4c和圖4d兩種在MBMS專有小區(qū)的傳輸模式。

MBMS專有小區(qū)的傳輸模式