LTE-A物理层协议的简单介绍_传感技术期末论文

1261051071杨飞LTE-A物理层协议的简单介绍LTE-A物理层协议的简单介绍摘要：LTE-A是LTE-Advanced的简称,是LTE技术的后续演进。LTE俗称3.9G，这说明LTE的技术指标已经与4G非常接近了。LTE与4G相比较，除最大带宽、上行峰值速率两个指标略低于4G要求外，其他技术指标都已经达到了4G标准的要求。而将LTE正式带入4G的LTE-A的技术整体设计则远超过了4G的最小需求。本文简单介绍了一下LTE的需求指标以及物理层标准化的进展，最后再给出了物理层的一些简单评估结果。关键词：LET-A物理层需求指标标准化一、介绍LTE-Advanced与4G进程相互协同。2008年3月ITU-R发出通函，向各成员征集4G候选技术提案，正式启动了4G标准化工作。在ITU-RWP5D的迪拜会议上，ITU确定了4G最小需求，包括小区频谱效率、峰值频谱效率、频谱带宽等8个技术指标，这将成为衡量一个候选技术是否能成为4G技术的关键指标。而3GPP将以独立成员的身份向ITU提交面向4G技术的LTE-Advanced(LTE-A)。从2008年3月开始，3GPP就展开了面向4G的研究工作，并制定了详尽的时间表，与ITU的时间流程紧密契合。在ITU-RWP5D的时间表中有两个关键的时间点：在2009年10月WP5D第6次会议结束4G候选技术方案的征集，2010年10月WP5D第9次会议确定4G技术框架和主要技术特性，确定4G技术方案。围绕这两个时间点，3GPP对其工作进行了部署，已经于20081261051071杨飞LTE-A物理层协议的简单介绍年9月向ITU-RWP5D提交了LTE-A的最初版本，并计划分别于2009年5月和2009年9月提交完整版和最终版。二、LTE的需求指标LTE项目首先从定义需求开始。主要需求指标包括：支持1.25MHz-20MHz带宽；峰值数据率：上行50Mbps，下行100Mbps。频谱效率达到3GPPR6的2-4倍；提高小区边缘的比特率；用户面延迟（单向）小于5ms，控制面延迟小于1OOms；支持与现有3GPP和非3GPP系统的互操作；支持增强型的广播多播业务；降低建网成本，实现从R6的低成本演进；实现合理的终端复杂度、成本和耗电；支持增强的IMS（IP多媒体子系统）和核心网；追求后向兼容，但应该仔细考虑性能改进和向后兼容之间的平衡；取消CS（电路交换）域，CS域业务在PS（包交换）域实现，如采用VoIP；对低速移动优化系统，同时支持高速移动；以尽可能相似的技术同时支持成对（paired）和非成对（unpaired）频段；尽可能支持简单的临频共存。三、LTE物理层标准化进展LTE的研究工作主要集中在物理层、空中接口协议和网络架构几个方面，其中网络架构方面的工作和3GPP系统架构演进（SAE）项目密切相关。3.1双工方式和帧结构目前的LTE物理层技术研究主要针对频分双工（FDD）和时分双工（TDD）两种双工方式。依据TR25.913中对FDD/TDD共性的需求，TR25.814中的内容基本都假设对FDD和TDD均适用。少数对TDD进行的区别考虑的地方，都进行了特别注明。在TDD模式下，每个子帧要么作为上行子帧，要么作为下行子帧。上行或下行子帧可以空出若干个OFDM符号作为空闲（Idle）符号，以留出必要的保护间隔。子帧的结构可能不断变化，因此可能需要通过信令1261051071杨飞LTE-A物理层协议的简单介绍通知系统当前的子帧结构。目前TR25.814考虑了两种TDDEUTRA帧结构：固定（Fixed）帧结构和通用（Generic）帧结构。3.1.1固定帧结构这种方法就是分别针对低码片速率（LCR）-TDDUTRA和高码片速率（HCR）-TDDUTRA系统采用与UTRA系统相似的帧结构。也就是说，为了和LCR-TDDUTRA系统兼容，需要采用和LCR-TDDUTRA几乎相同的帧结构，即一个10ms无线帧分为2个5ms的无线子帧，每个无线子帧分为7个时隙（TSO~TS6），每个时隙（对应于FDD模式下的一个子帧）长度为0.675ms。同步和保护周期插在TSO和TS1之间，包括DwPTS、GP和UpPTS。每个时隙包含一个小的空闲周期，可用作上下行切换的保护周期。3.1.2通用帧结构这种方法是在尽量保持和FDDLTE设计参数一致的基础上满足和TDDUTRA系统的临频同址共存。这种设计的最大特点是采用了和FDDLTE相同的子帧长度0.5ms。但由于0.5ms与LCR-TDDUTRA（O.675ms）和HCR-TDDUTRA（0.667）的子帧长度都不相同，要避免和TDDUTRA系统之间的干扰，相对比较困难。通常整数个O.5ms子帧的长度和与整数个0.675ms（或0.667ms）子帧的长度和都不相等，因此为了使TDDEUTRA系统和TDDUTRA系统的上下行切换点相互对齐，就需要留出额外的空闲（Idle）间隙，这样会损失一些频谱效率。通用帧结构比较适合那些同时部署了FDDLTE系统、但没有部署TDDUTRA系统的运营商，因为这种设计可以获得更高的与FDDLTE系统的共同性，从而获得较低的系统复杂度。但对于那些已经部署了TDDUTRA系统的运营商，固定帧结构是更好的选择，因为这种结构可以更容易的避免TDDUTRA和TDDEUTRA系统间的干扰。3.2基本传输和多址技术的选择基本传输技术和多址技术是无线通信技术的基础。3GPP成员在讨论多址技术方案时，主要分成两个阵营：多数公司认为OFDM/FDMA技术与CDMA技术相比，可以取得更高的频谱效率；而少数公司认为OFDM系统和CDMA系统性能相当，出于后向兼容的考虑，应该沿用CDMA技术。持前一种看法的公司全部支持在下行采用OFDM技术，但在上行多址技术的选择上又分为两种观点。上行SC-FDMA信号可以用“频域”和“时域”两种方法生成，频域生成方法又称为DFT1261051071杨飞LTE-A物理层协议的简单介绍扩展OFDM（DFT-S-OFDM）；时域生成方法又称为交织FDMA（IFDMA）。采用哪种生成方法尚未确定，但大部分公司支持采用DFT-S-OFDM技术（如图1所示）。这种技术是在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。3.3基本参数设计LTE在数据传输延迟方面的要求很高（单向延迟小于5ms），这一指标要求LTE系统必须采用很小的最小交织长度（TTI）。大多数公司主要出于对FDD系统的设计，建议采用0.5ms的子帧长度（1帧包含20个子帧）。3GPP在这个问题上形成决议（体现在TR25.912中）：基本的子帧长度为0.5ms，但在考虑和LCR-TDD（即TD-SCDMA）系统兼容时可以采用0.675ms子帧长度。OFDM和SC-FDMA（以DFT-S-OFDM为例）的子载波宽度选定为15kHz，这是一个相对适中的值，兼顾了系统效率和移动性，明显比WiMAX系统大。下行OFDM的CP长度有长短两种选择，分别为4.69ms（采用O.675ms子帧时为7.29ms）和16.67ms。短CP为基本选项，长CP可用于大范围小区或多小区广播。短CP情况下一个子帧包含7个（采用0.675ms子帧时为9个）OFDM符号；长CP情况下一个子帧包含6个（采用0.675ms子帧时为8个）OFDM符号。上行由于采用单载波技术，子帧结构和下行不同。DFT-S-OFDM的一个子帧包含6个（采用0.675ms子帧时为8个）“长块”和2个“短块”（SB，如图2所示），长块主要用于传送数据，短块主要用于传送导频信号。图2DFT-S-OFDM子帧结构上、下行系统分别将频率资源分为若干资源单元（RU）和物理资源块（PRB），RU和PRB分别是上、下行资源的最小分配单位，大小同为25个子载波，即375kHz。下行用户的数据以虚拟资源块（VRB）的形式发送，VRB可以采用集中（localized）或分散（distributed）1261051071杨飞LTE-A物理层协议的简单介绍方式映射到PRB上。Localized方式即占用若干相邻的PRB，这种方式下，系统可以通过频域调度获得多用户增益。Distributed方式即占用若干分散的PRB，这种方式下，系统可以获得频率分集增益。上行RU可以分为LocalizedRU（LRU）和DistributedRU（DRU），LRU包含一组相邻的子载波，DRU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UE占用多个LRU，这些LRU必须相邻；如果占用多个DRU，所有子载波必须等间隔。3.4参考信号（导频）设计LTE目前确定了下行参考符号（即导频）设计。下行导频格式如图3所示，系统采用TDM（时分复用）的导频插入方式。每个子帧可以插入两个导频符号，第1和第2导频分别在第1和倒数第3个符号。导频的频域密度为6个子载波，第1和第2导频在频域上交错放置。采用MIMO时须支持至少4个正交导频（以支持4天线发送），但对智能天线例外。在一个小区内，多天线之间主要采用FDM（频分复用）方式的正交导频。在不同的小区之间，正交导频在码域实现（CDM）。图3OFDM导频结构上行参考符号位于两个SC-FDMA短块中，用于NodeB的信道估计和信道质量（CQI）估计。参考符号的设计需要满足两种SC-FDMA传输——集中式（Localized）SC-FDMA和分布式（Distributed）SC-FDMA的需要。由于SC-FDMA短块的长度仅为长块的一半，SC-FDMA参考符号的子载波宽度为数据子载波宽度的2倍。与下行相似，上行参考符号也可能采用正交设计，以支持多个MIMO天线之间、多个UE之间的参考符号区分。3.5控制信令设计3.5.1下行控制信令设计下行带外L1/L2控制信令包括：用于下行数据发送的调度信息；用于上行发送的调度赋1261051071杨飞LTE-A物理层协议的简单介绍予信息；对上行发送给出的ACK/NACK信息。下行调度信息用于UE对下行发送信号进行接收处理，又分为3类：资源分配信息、传输格式和HARQ信令。资源分配信息包括UEID、分配的资源位置和分配时长，传输格式包括多天线信息、调制方式和负载大小。HARQ信令的内容视HARQ的类型有所不同，异步HARQ信令包括HARQ流程编号、IR（增量冗余）HARQ的冗余版本和新数据指示。同步HARQ信令包括重传序列号。在采用多天线的情况下，资源分配信息和传输格式可能需要对多个天线分别传送。3.5.2上行控制信令设计上行控制信令包括：与数据相关的控制信令、信道质量指示（CQI）、ACK/NACK信息和随机接入信息。其中随机接入信息又可以分为同步随机接入信息和异步随机接入信息，前一种信息还包含调度请求和资源请求。LTE上行由于采用单载波技术，控制信道的复用不如OFDM灵活。经过反复的讨论，3GPP决定只采用TDM方式复用控制信道，因为这种方式可以保持SC-FDMA的低PAPR特性。与数据相关的信令将和UE的数据复用在一个时/频资源块中。3.5.3调制和编码LTE下行主要采用OPSK、16QAM、64QAM三种调制方式。上行主要采用位移BPSK（p/2-shiftBPSK，用于进一步降低DFT-S-OFDM的PAPR）、OPSK、8PSK和16QAM。另一个正在考虑的降PAPR技术是频域滤波（spectrumshaping）。另外也已明确，“立方度量”（CubicMetric）是比PAPR更准确的衡量对功放非线性影响的指标。在信道编码方面，LTE主要考虑Turbo码，但如果能获得明显的增益，也将考虑其他编码方式，如LDPC码。为了实现更高的处理增益，还可以考虑以重复编码作为FEC（前向纠错）码的补充。3.6多天线技术LTE系统将设计可以适应宏小区、微小区、热点等各种环境的MIMO技术。基本MIMO模型是下行2×2、上行1×2个天线，但同时也正在考虑更多天线配置（最多4×4）的必要性和