LTE系统及关键技术

LTE系统及关键技术随着移动通信技术的发展，全球微波互联接入技术（WorldinteroperabilityMicrowaveAccess，WiMAX）也得到了迅速的发展。在2004年，第三代合作伙伴计划（3RdGenerationPartnershipProject，3GPP）组织提出了通用移动通信系统（UniversalMobileTelecommunicationSystem，UMTS）的长期演进技术（LongTermEvolution，LTE）。3GPP组织提出LTE技术的目的是为了与WiMAX技术进行竞争，同时改善通信系统的性能。LTE系统的基本结构与性能要求LTE系统的基本结构3GPP组织启动LTE技术的直接原因好像是为了与WiMAX技术竞争，但是其主要原因是移动通信技术与宽带无线接入技术（BroadbandWirelessAccess，BWA）之间的相互融合。宽带无线接入技术是对传统的宽带有线接入技术进行的改进，它的发展过程是：从固定的无线局域网（IEEE802.11x）发展到固定的无线城域网（IEEE802.16d）,然后再向无线广域网（IEEE802.11e）发展。宽带无线接入技术具有较高的无线接入数据速率，并且它的发展方向是从固定技术发展到游牧技术，最终发展到可以实现广域网络的移动性。这个发展过程主要体现了宽带无线接入技术移动化的趋势。然而无线移动通信技术则与之不同，因为移动通信技术的主要优势在于移动性和漫游性，并且随着移动通信技术的继续发展，它的主要发展方向是高速化和宽带化。所以3GPP组织和3GPP2组织分别提出了向高速分组接入技术（HighSpeedPacketAccess，HSPA）和高速分组数据技术（HighRatePacketData，HRPD）演进，即在能够保持蜂窝移动通信能力的同时，进一步提高移动通信网络的接入能力，提高数据的传输速率。这也主要体现了移动通信向宽带化发展的趋势。在2004年11月，因为面临着移动通信技术的宽带化和无线接入技术的移动化的挑战，3GPP组织启动了关于LTE技术的研究工作。在LTE技术的研究过程中，一些移动通信运营商和通信设备制造商提出需要保护对于3G技术的投资，并且不应该放弃3G技术的相关优化工作，所以在2006年，3GPP组织又对HSPA技术的演进做了进一步的规范。在2006年9月，3GPP组织已经顺利地完成了LTE技术的研究阶段（StudyItem，SI），并且在2008年底已经基本完成了LTE技术的工作阶段（WorkItem，WI）标准的制定，对于具体的商业应用估计要到2010年左右。目前，已经有很多国内外通信设备制造商都在加紧进行对LTE系统和SAE系统中的相关设备的研究开发工作。图2.1显示了WCDMA与LTE之间的演进关系。与高速下行分组接入技术不同，LTE技术不具有后向兼容性。LTE技术虽然只制定了关于3G无线接入网部分的长期演进计划，但是对于整个无线通信网络的体系架构来说，核心网和接入网的地位是同等重要的。实际上，3GPP组织在2005年启动的系统演进项目包括两个主要部分：一个是LTE，在3GPP规范中使用的名称是E-UTRAN（EvolvedUTRAN）；另一个是整体系统结构演进（SystemArchitectureEvolution，SAE），3GPP规范里正式使用的名称是演进的分组核心网（EvolvedPacketCorenetwork，EPC），主要目的是研究核心网络的功能和组织结构。完整的UMTS演进体系由E-UTRAN和EPC共同组成，总称为演进的分组系统（EvolvedPacketSystem，EPS）。演进的分组系统的主要目标是为了推动3GPP系统向着更高的数据传输速率、更低的网络传输时延、更加优化的数据传输业务、更大的通信系统容量和更大的通信系统覆盖范围、更高的频谱利用率以及更低的通信网络运营成本的方向演进。LTE系统的结构可以分为两个主要部分，包括演进后的核心网部分和演进后的接入网部分。在LTE接入网部分中，网元设备只由演进型基站（evolvedNodeB，eNB）构成，形成了更加扁平化的系统网络结构。演进型基站提供在用户终端设备（UserEquipment，UE）终止的用户面和控制面的通信协议。其中，用户面的通信协议主要包括分组数据汇聚协议（PacketDataConvergenceProtocal，PDCP）、媒体接入控制协议（MediumAccessProtocal，MAC）、无线链路控制协议（RadioLinkControl，RLC）、物理层协议（PhysicalLayer，PHY）等；控制面的通信协议主要包括无线资源控制协议（RadioResourceControl，RLC）。演进型基站之间通过X2接口互相连接，演进型基站与演进的分组核心网之间通过S1接口互相连接。具体地说，演进型基站通过S1-MME接口与移动管理实体（MobilityManagementEntity，MME）相连，同时通过S1-U接口与服务网关（ServingGateway，S-GW）相连。S1接口能够支持MME/S-GW和eNB之间多对多的连接。LTE系统的基本架构如图2.2所示：演进型基站的主要功能如下：（1）提供无线资源的管理，包括无线承载、无线通信的接入控制、通信链路的移动性管理、对于用户终端的上下行通信链路的资源调度等功能；（2）提供对于用户数据流的IP数据包头压缩和加密的功能；（3）当用户终端提供的信息不能够确定所要连接的移动管理实体的路由时，eNB为其提供一个归属的移动管理实体；（4）提供用户面的数据到服务网关的路由；（5）调度和传输由移动管理实体发起的寻呼消息；（6）调度和传输由移动管理实体发起的广播消息；（7）测量用户终端的移动性和调度无线资源，并且能够配置相应的测量报告；（8）对于移动管理实体发起的地震和海啸预警系统（EarthquakeandTsunamiWarningSystem，ETWS）消息进行调度和传输。移动管理实体的主要功能如下：（1）处理非接入层（Non-AccessStratum，NAS）信令；（2）向演进型基站发送寻呼消息；（3）对接入层进行安全控制；（4）对于涉及到核心网络节点之间的信令控制的移动性管理；（5）UE处于空闲模式和激活模式下的跟踪区（TrackingArea，TA）列表管理；（6）对于PDN网关（PDNGateway，P-GW）和S-GW进行选择；（7）提供漫游和鉴权功能；（8）提供包括专用承载建立的承载管理功能。LTE系统的性能要求LTE系统的主要性能要求如下：（1）提供更高的系统容量：（a）目标峰值传输速率：在20MHz带宽下，要求系统能够提供的下行数据传输速率大于100Mbps，上行数据传输速率大于50Mbps；要求LTE系统的系统容量为下行3~4倍于高速下行分组接入（HSDPA），上行2~3倍于高速上行分组接入（HSUPA）；（b）在实验的条件下，LTE系统的最高频谱效率可以达到10~20bps/Hz。（2）具有更加灵活的频谱分配：（a）带宽和频谱资源的分配灵活，可以根据不同通信业务的需求，支持1.25MHz、1.6MHz、2.5MHz、5MHz、10MHz、15MHz、20MHz七种不同的带宽；（b）能够支持对称和非对称的频谱资源分配。（3）能够支持无缝移动：（a）提高处于小区边缘的用户吞吐量；（b）需要支持与现有3GPP系统和非3GPP系统的互操作；（c）进一步优化15km/h以下的低速率移动通信业务，同时能够支持120~350km/h的高速移动通信业务。（4）系统的覆盖要求：（a）5km以内的的小区覆盖范围都要满足上述提出的系统频谱效率、系统容量的要求和移动性目标；（b）当小区覆盖半径达到30km的时候，允许系统的性能有轻微下降；（c）如果条件允许时，小区的通信半径最大可以达到100km。（5）要求更低的成本：（a）降低网络结构和设备终端的复杂度，并且使得系统内的功率消耗在可接受的范围之内；（b）系统内使用统一的IP协议。（6）通信网络的功能和演进目标：（a）要求通信系统以分组域业务为主要目标；（b）需要降低无线通信网络的传输时延：用户平面的传输时延需要小于10ms，控制平面的传输时延需要小于100ms；（c）充分考虑到移动通信多媒体广播与多播业务、VoIP等实时性业务的QoS达到电路域水平；（d）能够进一步支持增强型IMS与核心网络；（e）强调系统的后向兼容性，同时考虑了系统对于性能和容量增强等方面之间的折中问题。LTE系统的帧结构LTE系统可以支持两种基本的工作模式，频分双工（FDD）和时分双工（TDD）；可以支持两种不同的无线帧结构，即Type1帧结构和Type2帧结构，这两种类型帧的帧长均为10ms。在这里提到的帧结构是指无线帧的结构。通过定义帧结构，可以约束数据的发送时间来保证收发的正常进行。Type1帧结构可以适用于FDD、TDD两种工作模式，Type2帧结构只能适用于TDD工作模式。FDD方式是指上下行通信链路的信号传输使用不同的频段，且上下行通信链路的带宽要一致，即要求对称的频谱。在上下行通信链路的频带之间还要有称为双工方式间隔的保护频带；TDD方式是指发送和接收信号在相同的频段内，上下行通信链路的信号在不同的时间段内发送并区分，支持上下行通信的非对称频段传输。显然在频谱资源利用的方面，TDD方式比FDD方式更加灵活。注意，这里提到的帧结构是指从基站的角度看到的帧结构。如果从用户终端的角度看，由于受到传播时延的影响，不同的用户终端接收到的数据，即下行传输数据的到达时间，以及上行通信链路发送数据的时间是不相同的。一个无线帧需要包括三个部分：上行传输部分、下行传输部分和保护间隔部分。Type1帧结构如图2.3所示。一个10ms的无线帧（RadioFrame）被平均分成了10个子帧（Sub-frame）。并且每个子帧可以分为两个连续的时隙（Slot），每个时隙的长度为0.5ms。每个子帧不仅可以作为上行链路子帧，而且也可以作为下行链路子帧。另外，在每一个无线帧的第一时隙和第六时隙处包含同步周期。在TDD系统中，由于上下行通信工作在同一频率，所以需要TDD帧结构能够同时给出上下行通信链路占用资源的时间和位置信息。Type2帧结构如图2.4所示。Type2帧分为2个5ms的半子帧（Half-frame），并且他们是完全相同的。其中，每个半子帧分为5个子帧，每个子帧（对应于FDD模式下的一个子帧）的时间长度为1ms。同步和保护周期插在0号子帧和2号子帧之间，同步和保护周期包括下行同步时隙（DownlinkPilotTimeSlot，DwPTS）、保护周期（GuardPeriod，GP）和上行同步时隙（UplinkPilotTimeSlot，UpPTS）。0号子帧、5号子帧和下行同步时隙总是供下行传输使用，2号子帧、7号子帧和上行同步时隙总是供上行传输使用。OFDM基本原理正交频分复用技术（OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing，OFDM）是由多载波调制（MultipleCarrierModulation，MCM）技术发展而来的，并不是一种新的技术。早在20世纪五六十年代，美国军方就已经建立了世界上第一个多载波调制系统，并且在1970年衍生出了采用大规模子载波和频率重叠的OFDM系统。但是，在以后的很长一段时间内，关于OFDM技术的理论推广的速度放慢了。主要原因是由于OFDM技术需要各个子载波之间是相互正交的，虽然采用快速傅里叶变换能够很方便地实现调制，但是这对于20世纪七十年代的技术而言，OFDM技术的实现受到了傅里叶变换设备的复杂度、发射机振荡器和接收机振荡器的稳定性以及关于射频放大器的线性要求等因素的限制。但是随着大规模集成电路的快速发展，到了20世纪八十年代，傅里叶变换的复杂度大大降低，所以OFDM技术得到了迅速的发展。到了20世纪九十年代，OFDM技术已经在欧洲和澳大利亚等地区广泛地应用于广播信道的宽带数字通信中，