1、LTE关键技术解析LTE关键技术解析 ( 2010/5/10 08:27 )我们来交流一下LTE的关键技术。其实说到关键技术，主要还是物理层的关键技术，LTE在物理层采用了OFDM和MIMO等技术，极大地提高了系统的系统和吞吐量。1、网络架构3GPP LTE接入网在能够有效支持新的物理层传输技术的同时，还需要满足低时延、低复杂度、低成本的要求。原有的网络结构显然已无法满足要求，需要进行调整与演进。2006年3月的会议上，3GPP确定了 E-UTRAN的结构，接入网主要由演进型eNodeB(eNB)和接入网关(aGW)构成，这种结构类似于典型的IP宽带网络结构，采用这种结构将对3GPP系统的体系
2、架构产生深远的影响。eNodeB是在NodeB原有功能基础上，增加了RNC的物理层、MAC层、RRC、调度、接入控制、承载控制、移动性管理和inter-cell RRM等功能。aGW可以看作是一个边界节点，作为核心网的一部分。但在如何处理小区间干扰协调、负载控制等问题上各成员还存在分歧，是采用RRM Server进行集中式管理，还是采用分散管理，尚未达成一致。2、基本的传输技术和多址技术之前提到了3GPP RAN1工作组，它是专门负责物理层传输技术的甄选、评估和标准制定的。在对各公司提交的候选方案进行征集后，确定了以OFDM为物理层基本传输技术方案。实际上在确定这个方案的时候，3GPP内部分为
3、两大阵营：支持OFDM的和支持CDMA的。支持CDMA的公司主要考虑的是后向兼容性，支持OFDM的公司主要是考虑到某些公司对于CDMA技术的垄断性把持。在选择OFDM作为物理层基本传输技术的同时，大家对OFDM的具体实现上还存在分歧：一部分公司认为上行的峰平比较大，对终端的寿命和耗电量有很高的需求，由此建议上行采用低峰平比的单载波技术;另一部分公司则认为在上行也可采用滤波、循环削峰等方法有效降低OFDM峰均比。最后，经过激烈的讨论的艰苦的融合，3GPP最终选择了大多数公司支持的方案，下行OFDM;上行SC-FDMA。下行用OFDM是大家没有意见的，下面我们来聊聊上行。上行SC-FDMA信号可以
4、用“频域”和“时域”两种方法生成，频域生成方法又称为DFT扩展 OFDM(DFT-S-OFDM);时域生成方法又称为交织FDMA(IFDMA)。DFT-S-OFDM技术技术是在OFDM的IFFT调制之前对信号进行DFT扩展，这样系统发射的是时域信号，从而可以避免OFDM系统发送频域信号带来的PAPR问题。另外在是否采用宏分集问题上也产生了激烈的争论。由于同步方面的问题，对于LTE的单播业务将不采用下行宏分集，但是在多小区广播业务的时候，可以通过采用较大的循环前缀，解决小区间的同步问题，实现下行宏分集。对于上行宏分集的看法，大家却有分歧。这是缘于宏分集是和软切换在一起考虑的，我们知道OFDM是实
5、际上可以看作是FDMA的方式，而软切换对于CDMA来说是利大于弊，但是对于FDMA系统来说呢，很多人认为是弊大于利。另外软切换也需要一个中心节点来控制，考虑到网络结构扁平化，分散化的发展趋势，3GPP组织在2005年12月经过“示意性”的投票，决定LTE系统暂不考虑宏分集技术。3、物理层技术OFDM技术是LTE系统的技术基础与主要特点，OFDM系统参数设定对整个系统的性能会产生决定性的影响，其中载波间隔又是OFDM系统的最基本参数，经过理论分析与仿真比较最终确定为15kHz。上下行的最小资源块为375kHz，也就是25个子载波宽度，数据到资源块的映射方式可采用集中(localized)方式或离
6、散(distributed)方式。循环前缀Cyclic Prefix(CP)的长度决定了OFDM系统的抗多径能力和覆盖能力。长CP利于克服多径干扰，支持大范围覆盖，但系统开销也会相应增加，导致数据传输能力下降。为了达到小区半径100Km的覆盖要求，LTE系统采用长短两套循环前缀方案，根据具体场景进行选择：短CP方案为基本选项，长CP方案用于支持LTE大范围小区覆盖和多小区广播业务。MIMO作为提高系统输率的最主要手段，也受到了各方代表的广泛关注。LTE已确定MIMO天线个数的基本配置是下行22、上行12，但也在考虑 44的高阶天线配置。另外，LTE也正在考虑采用小区干扰抑制技术来改善小区边缘的
7、数据速率和系统容量。下行方向MIMO方案相对较多，根据2006年 3月雅典会议报告，LTE MIMO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(STBC, SFBC)，时间(频率)转换发射分集(TSTD，FSTD)，包括循环延迟分集(CDD)在内的延迟分集(作为广播信道的基本方案)，基于预编码向量选择的预编码技术。其中预编码技术已被确定为多用户MIMO场景的传送方案。高峰值传送输率是LTE下行链路需要解决的主要问题。为了实现系统下行100Mbps峰值速率的目标，在3G原有的QPSK、16QAM基础上，LTE系统增加了64QAM高阶调制。LT
8、E上行方向关注的首要问题是控制峰均比，降低终端成本及功耗，目前主要考虑采用位移BPSK和频域滤波两种方案进一步降低上行SC-FDMA的峰均比。LTE除了继续采用成熟的Turbo信道编码外，还在考虑使用先进的低密度奇偶校验(LDPC)码。LTE是3GPP在2005年启动的新一代无线系统研究项目。LTE采用了基于OFDM技术的空中接口设计，目标是构建出高速率、低时延、分组优化的无线接入系统，提供更高的数据速率和频谱利用率。图1-1LTE系统网络架构整个系统由核心网络（EPC）、无线网络（E-UTRAN）和用户设备（UE）3部分组成，见上图。其中EPC负责核心网部分；E-UTRAN（LTE）负责接入
9、网部分，由eNodeB节点组成；UE指用户终端设备。系统支持FDD和TDD两种双工方式，并对传统UMTS网络架构进行了优化，其中LTE仅包含eNodeB，不再有RNC；EPC也做了较大的简化。这使得整个系统呈现扁平化特性。系统的扁平化设计使得接口也得到简化。其中eNodeB与EPC通过S1接口连接；eNodeB之间通过X2接口连接；eNodeB与UE 通过Uu接口连接。2 物理层过程本文重点讨论LTE空中接口物理层的一些主要过程。2.1 下行物理层过程2.1.1 小区搜索过程UE使用小区搜索过程识别并获得小区下行同步，从而可以读取小区广播信息。此过程在初始接入和切换中都会用到。为了简化小区搜索
10、过程，同步信道总是占用可用频谱的中间63个子载波。不论小区分配了多少带宽，UE只需处理这63个子载波。UE通过获取三个物理信号完成小区搜索。这三个信号是P-SCH信号、S-SCH信号和下行参考信号（导频）。一个同步信道由一个P-SCH信号和一个S-SCH信号组成。同步信道每个帧发送两次。规范定义了3个P-SCH信号，使用长度为62的频域Zadoff-Chu序列。每个P-SCH信号与物理层小区标识组内的一个物理层小区标识对应。S-SCH信号有168种组合，与168个物理层小区标识组对应。故在获得了P-SCH和S-SCH信号后UE可以确定当前小区标识。下行参考信号用于更精确的时间同步和频率同步。完
11、成小区搜索后UE可获得时间/频率同步，小区ID识别，CP长度检测。图2.1.1-1小区搜索过程2.1.2 下行功率控制下行功率控制适用于数据信道（PDSCH）和控制信道（PBCH、PDCCH、PCFICH和PHICH）。eNode B 决定每个资源单元的下行发射功率。对于数据信道（PDSCH）方法如下：对每个OFDM 符号，定义或= EPREPDSCH /EPRERS，= dB 或= dB 其中=0dB （对所有 PDSCH 发送方式，除多用户MIMO）是由高层提供的UE特定参数，使用3个比特表示3,2,1,0,-1,-2,-3,-6 dB。2.1.2.1eNodeBRNTP 限制系统通过定义
12、“RNTP(RelativeNarrowbandTX Power) ”来支持可能进行的下行功率协调，该消息通过X2接口在基站间交换。定义了一个门限，由以比特图的形式指示每个PRB将要使用的发射功率是否超过该门限。由下式确定：其中：- 指示比特图- 下行带宽配置- - nPRB PRB 数目- EA：不包含参考符号的OFDM符号中的数据子载波的发射功率- EB：包含参考符号的OFDM符号中的数据子载波的发射功率2.1.3 寻呼 物理层面寻呼用于网络发起的呼叫建立过程。有效的寻呼过程可以允许UE在多数时间处于休眠状态，只在预定时间醒来监听网络的寻呼信息。在WCDMA中，UE在预定时刻监听物理层寻呼
13、指示信道（PICH），此信道指示UE是否去接收寻呼信息。因为寻呼指示信息时长比寻呼信息时长短得多，这种方法可以延长UE休眠的时间。在LTE中寻呼依靠PDCCH。UE依照特定的DRX周期在预定时刻监听PDCCH。因为PDCCH传输时间很短，引入PICH节省的能量很有限，所以LTE中没有使用物理层寻呼指示信道。如果在PDCCH上检测到自己的寻呼组标识，UE将解读PDSCH并将解码的数据通过寻呼传输信道（PCH）传到MAC层。PCH传输块中包含被寻呼的UE的标识。未在PCH上找到自己标识的UE 会丢弃这个信息并依照DRX周期进入休眠。2.2 上行物理层过程2.2.1 随机接入过程层一的随机接入过程包
14、括随机接入preamble的发送和随机接入响应。其余的消息不属于层一的随机接入过程。2.2.1.1 物理非同步随机接入过程层一的随机接入过程包括如下步骤：高层的preamble发送请求触发L1随机接入过程；随机接入所需的preambleindex，目标preamble 接收功率(PREAMBLE_RECEIVED_TARGET_POWER)，相应的 RA-RNTI 和 PRACH 资源作为请求的一部分由高层指示；preamble发射功率PPRACH由下式计算：PPRACH = min , PREAMBLE_RECEIVED_TARGET_POWER + PL dBm其中是配置的 UE 发射功率
15、，PL 是UE估算的下行路径损耗；UE使用preambleindex 在 Preamble 序列集中随机选择一个 Preamble 序列；UE在指定的PRACH上以功率 PPRACH 发送选择的 Preamble 序列；UE尝试在高层定义的接受窗口内使用RA-RNTI检测 PDCCH。如果检测到，相应的 PDSCH 传输块被传输到高层。高层解读传输块并使用 20 比特 UL-SCH grant指示物理层。2.2.1.2随机接入响应准许高层使用20比特 UL-SCH grant指示物理层，这被称为物理层随机接入响应准许。20 比特 UL-SCH grant 的内容包括：-跳频标识 1 bit-固
16、定尺寸RB指派 10 bits-截短的MCS 4 bits-PUSCH的TPC 命令 3 bits-UL迟延 1 bit-CQI请求 1 bit2.2.2 CQI/PMI/RI的报告UE用来报告CQI（ChannelQuality Indication）、PMI （Precoding Matrix Indicator）和 RI（Rank Indication）的时频资源由eNB 控制。报告方式有周期性和非周期性两种。UE可以使用PUCCH进行周期性报告，使用PUSCH进行非周期性报告。CQI或PMI的最小计算和反馈单位为subband（约为28个RB，若系统带宽小于8个RB，不定义Subban
17、d），见表2.2.2-1。表2.2.2-1:Subband尺寸 (k) vs.系统带宽 （on PUSCH）CQI的计算与报告分为widebandCQI、UEselected（subbandCQI）和High layer configured（subband CQI）三种。基站根据终端反馈的CQI 和预测算法，选择数据传输的MCS，见表2.2.2.-2。对于空间复用，UE需要确定一个RI值，对应有效的传输层数。对于发射分集，RI等于一。表2.2.2-2:4-bitCQI Table2.2.3 上行功率控制上行功率控制用来控制不同上行物理信道的发射功率。这些物理信道包括物理上行共享信道（PUSC
18、H）、物理上行控制信道（PUCCH）和Sounding参考符号。2.2.3.1物理上行共享信道物理上行共享信道PUSCH在子帧i的发送功率由下式确定：dBm其中：- 是配置的UE发射功率；- 表示PUSCH 在子帧 i的带宽，即RB的数目； ( 2010/3/9 10:17 )2.2.3.3Sounding参考符号Sounding参考符号在子帧i的发射功率由下式确定：dBm其中，2.2.4 UE PUSCH跳频如果PDCCH（DCI格式0）中的FH域设置为1，UE 会进行PUSCH跳频。PUSCH跳频意味着一个子帧中的两个时隙上行传输所用的物理资源不占用相同的频段。进行PUSCH跳频的UE需要
19、确定它的子帧的第一个时隙的PUSCH资源分配，其中包含PRB索引号。- 当上行PUSCH hopping关闭，或者通过UL grant实现hopping时，PUSCH PRB索引号等于UL grant中分配的索引号；- 当上行hooping开启时，PUSCH PRB索引号由UL grant中分配的索引号和一个预定义的、与cell ID相关的hopping pattern来共同决定。2.3 Semi-Persistent调度LTE中的动态调度提供了很大的灵活性但同时也产生了较高的信令负荷。对于较规则的低速业务，这种信令开销尤为明显。为了降低此类业务的信令负荷，3GPP定义了一个新的概念：semi
20、-persistent调度。这种调度概念的思想是对于较规则的低速业务（例如VoIP），对较长时间内的资源使用进行分配，而无需每次传输时都进行动态分配，以节省信令开销。所有HARQ重传使用动态调度。图2.3-1显示了semi-persistent 调度的概念和HARQ 重传。图2.31.Semi-persistent调度下行方向规范允许基于盲检测的semi-persistent调度，即事先预配置少数几种格式（编码、调制和物理资源的组合），在配置的子帧中可以使用任何预配置的格式。UE需要进行盲检测来确定子帧中使用的是哪一个预配置的格式。但上行方向规范只允许一个格式，即不允许盲检测。TD-LTE技术
21、及测量 ( 2009/5/21 15:59 )3G(third-generation)无线系统正在全球展开部署。W-CDMA通过在下行和上行中增加HSPA(high speed packet access)以保持着中期竞争优势，它使得小区峰值速率可达到7.2Mbps， 并期望单用户数据速率达到1.5 Mbps。为了确保未来的竞争力，LTE (long-term evolution)第一次在3GPP(3rd Generation Partnership Project) UMTS 规范的第8版本中指明，为满足下一个十年对新兴的“移动宽带”的需求，系统峰值速率预期将超过300Mbps。到目前为止L
22、TE的大多数工作集中在FDD(Frequency Division Duplex)。随着中国TD-SCDMA的不断成熟与网络化实施，基于TDD(Time Division Duplex)的LTE 的另一种模式，即现在大家所知道的TD-LTE，也进入了3GPP LTE 的规范。LTE TDD可以更灵活地使用非对称频谱资源。现在，越来越多芯片和设备厂商将TDD的性能包含在设计中。与先前的GSM/EDGE和W-CDMA标准相比，LTE标准文件从最初的技术建议提交到最终商业版本的时间很短，特别是较晚添加至标准的TD-LTE，这个过程更短。对于手机和数据卡，LTE规范的最大RF带宽20MHz已经使得系统
23、结构设计发生改变，对终端设备要求支持多种制式，其中包括要与传统系统的兼容等问题，这些使得设计者更多地使用软件无线电。新的设计要求更多的模拟/数字域交替测试以及“数字输入，射频输出”，这意味着设计者需要新的测试工具和测量方法。TD-LTE指定的频率范围是1850到2620MHz，并且使用与FDD相同的MIMO情形和上下行调制制式：下行为OFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiple Access)，上行为SC-FDMA (Single Carrier Frequency Division Multiple Access)。如下图所示，TD-LTE使用两种
24、帧结构，每个帧包含10个子帧，长度为10ms。以“5ms”为切换周期的帧有两个特殊的同步子帧，而以“10ms”为切换周期的只有一个，这样可以提供更灵活的上/下行配置。根据瞬时数据传输的要求，数据帧可以灵活地使用所示的7种预置配置中的任何一个。TD-LTE 帧结构一个1ms下行子帧包含的数据块(resource blocks)被预先指定给不同的用户，而上行子帧只包含用户到基站(eNB)的数据。对于小型数据包，指定的延迟(从发出请求到收到回复的时间)目标是5ms，或半个帧。所以系统时间，包括用于补偿到eNB距离的时间偏移，非常重要。目前的系统是低速率(固定用户或步行用户)优化系统，能看到系统的最高
25、速率性能，但是最终会延申到支持高达500kph的移动用户。TD-LTE标准目前包括1.4、3、5、10、15和20MHz(与带宽可变的LTE FDD相同)RF通道的指标和测量方法。大多数测量方法和测量项目针对单个码道的数据定义，使用单独的发射和接收部分。关于多码道和MIMO的配置，仍在讨论中。最新的信息，访问www.3gpp.org并查询TS23.141文档的最新版本。最初的测量目的是确保发射和接收不受损伤：包括上行和下行发射模板，最大和最小功率，功率控制。定义邻道泄漏和发射杂散用于确保最小的干扰。下图是发射打开/关断模板的例子。发射模板下一个系列的测量着重于传输质量，最主要的度量方法是EVM
26、(error vector magnitude)。对于下行OFDMA，测量基于时域上的一个子帧(1ms)和频域上的12个子载波(180kHz)。上下限取决于调制复杂度，调制阶数越高，上下限越严格。对于来自UE的上行SC-FDMA信号，传输质量取决于已分配和未分配的资源块，需要分别测量通道内UE发射的频谱和其它带宽频谱。EVM和频谱平坦度用来说明已分配资源块的情况，带内泄漏和IQ 偏移(载波泄漏)，这些降低网络性能的干扰信号详细说明未分配资源块的情况。VSA 屏幕截图显示出上行数据特性基本的接收机RF性能测试包括基准灵敏度、动态范围、通道内选择性、邻道选择性和发射杂散建立于正规的呼叫协议将UE与
27、业务信道连通后。在一个特定值上，BLER (block error rate)必须不能超过目标值并维持目标吞吐量，通常为95%。特定值取决于所执行的测试、接收机带宽和调制复杂度。随后检测接收机在静态和衰落环境中从专用物理信道里正确解调专用控制信道的能力，以及对所有支持的数据速率和信道带宽的检测。TD-LTE设备必须兼容传统3GPP系统，一系列的切换情形被详细说明以确保系统一致性，从而确保用户服务的连续性，包括从闲置模式到已建立呼叫后的同频TDD到TDD切换，也包括不同频的TDD到FDD的切换，乃至切换至3G W-CDMA和HPSA系统，最终从TDD切换至GSM。LTE FDD和TD-LTE指定
28、的RF环境要求使用MIMO，测量和验证方法还未确定。MIMO用于改进覆盖范围和数据传输能力，每个发射机广播它自己独有的数据流信号，接收机执行复矩阵解调以还原原始数据。构成MIMO发射信号的单独的数据流分析较为直接，MIMO接收机的多信号测试则包括实时衰落，因而要求专门的测试信号。正确的MIMO接收机验证仍在3GPP和测试团体的讨论中。第一个LTE的部署将使用2X2 MIMO(即2个单独的发射机和接收机)不过规范要求将来使用最高至4X4 MIMO。2X2 MIMO结构这些仅仅是系统测试需求的开始。从芯片设计到网络部署，在设计流程的各个阶段更多的工作是验证终端用户的体验。除了保证互用性，全面的测试
29、将包括验证上千用户体验的情形。只有在早期验证了系统的功能性，网络运营商才会达成客户期望和保持客户忠诚度。WAP和W-CDMA先前的经验已经告诉我们对技术开展部署所潜在的用户问题 从覆盖、实时数据速率、电池耗尽时间到同步交互。在设计改动之后和部署之前，设计者和服务提供商必须能够使用可控的和可重复的测试场景验证设计的最高性能和实际网络情况下的设备性能。协议和兼容性测试工具，如安捷伦8960和E6620以及由合作伙伴提供的基于它们的系统Antie，是一个提供了丰富功能的兼容性验证环境。安捷伦已经开发了多个领先上市的针对TD-LTE的测试产品，希望帮助TD-LTE成功演进和部署实施。安捷伦System
30、Vue和ADS(Advanced Design System) 中的 3GPP LTE TDD无线数据仿真库，可以直接连接安捷伦MXA信号分析仪，提供了2X2和4X4 MIMO的LTE TDD全球第一个全编码BER测试解决方案。该方案支持被测件的全编码BER测量，包括多径衰落的信道损伤仿真。安捷伦N7625B Signal Studio是一个基于PC的强大的LTE TDD信号产生软件，结合使用安捷伦N5182A/62A MXG或E4438C ESG矢量信号发生器，还有N5106A PXB MIMO接收机测试仪可以产生基于标准的TD-LTE信号。Signal Studio支持3GPP09-Mar
31、(09年3月)发布的LTE TDD标准，提供产生PDSCH、PHICH、PCFICH、PBCH、PDCCH、PUCCH、PRACH等多个信道以及发射DL和UL信号的能力。这些产品所提供的基本性能将很好的适用于测试基站和移动手机的部件，比如功率放大器和滤波器，而高级接收机测试性能则支持传输层编码、4X4 MIMO预编码和衰落。安捷伦89600 VSA软件提供RF和基带全面的TD-LTE信号分析工具和物理层测试以及LTE接收机和部件的故障诊断。TD-LTE作为一个单独的选件，包括对下行 (OFDMA)、上行 (SC-FDMA) 和MIMO的分析。VSA软件提供了一系列业界领先的性能，EVM -50 dB(取决于硬件)，带宽支持1.4 MHz到20MHz。调制格式包含BPSK、QPSK、16QAM、64QAM、CAZAC、OSxPRBS、TDD DL/UL配置(0-6)和特殊子帧长度(0-8)以及2X2 MIMO。该VSA 软件可以连接并配合用于安捷伦30多种产品，包括频谱和信号分析仪、示波器和逻辑分析仪等。它可以测量LTE从基带到射频系统的各个阶段的数字或模拟信号。它支持结合安捷伦EXA和MXA信号分析仪的2X2 MIMO分析，基于VXI的矢量信号分析和一系列示波器。它还支持与安捷伦ADS TD-LTE无线库的连接。总体上说，LTE特别是TD-LTE，
