3GPP LTE標準化進(jìn)展將引發(fā)技術(shù)革命

摘要：為了保持在移動(dòng)通信領(lǐng)域的技術(shù)及標準優(yōu)勢，3GPP啟動(dòng)其長(cháng)期演進(jìn)(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(luò )結構方面，3GPPLTE采納一系列先進(jìn)技術(shù)和創(chuàng )新理念，IP語(yǔ)音(VoIP)業(yè)務(wù)和多媒體廣播及多播業(yè)務(wù) (MBMS)的解決方案的優(yōu)化正在進(jìn)行中，目前已經(jīng)實(shí)現高數據率、低時(shí)延和基于全分組的設計目標。

為了應對寬帶接入技術(shù)的挑戰，同時(shí)為了滿(mǎn)足新型業(yè)務(wù)需求，國際標準化組織3GPP在2004年底啟動(dòng)了其長(cháng)期演進(jìn)(LTE)技術(shù)的標準化工作。希望達到以下幾個(gè)主要目標：

保持3GPP在移動(dòng)通信領(lǐng)域的技術(shù)及標準優(yōu)勢。

填補第3代移動(dòng)通信系統和第4代移動(dòng)通信系統之間存在的巨大技術(shù)差距。

希望使用已分配給第3代移動(dòng)通信系統的頻譜，保持無(wú)線(xiàn)頻譜資源的優(yōu)勢。

解決第3代移動(dòng)通信系統存在的專(zhuān)利過(guò)分集中問(wèn)題。

3GPP LTE的標準化進(jìn)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(wèn)題沒(méi)有解決，研究階段推遲到2006年9月才結束。從3GPP

1 3GPPLTE的演進(jìn)目標

3GPP LTE是一個(gè)高數據率、低時(shí)延和基于全分組的移動(dòng)通信系統，具體目標[3]主要包括：

(1)頻譜帶寬配置

實(shí)現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(shù)上保證3GPP LTE系統可以使用第3代移動(dòng)通信系統的頻譜。

(2)小區邊緣傳輸速率

提高小區邊緣傳輸速率，改善用戶(hù)在小區邊緣的體驗，增強3GPP LTE系統的覆蓋性能，主要通過(guò)頻分多址和小區間干擾抑制技術(shù)實(shí)現。

(3)數據率和頻譜利用率

在數據率和頻譜利用率方面，實(shí)現下行峰值速率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(hù)平均吞吐量為HSPA的2～4倍。為保證3GPP LTE系統在頻譜利用率方面的技術(shù)優(yōu)勢，主要通過(guò)多天線(xiàn)技術(shù)、自適應調制與編碼和基于信道質(zhì)量的頻率選擇性調度實(shí)現。

(4)時(shí)延

提供低時(shí)延，使用戶(hù)平面內部單向傳輸時(shí)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(shí)間低于50 ms，從駐留狀態(tài)到激活狀態(tài)的遷移時(shí)間小于100 ms，以增強對實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的支持。

(5)多媒體廣播和多播業(yè)務(wù)

進(jìn)一步增強對多媒體廣播和多播業(yè)務(wù)的支持，滿(mǎn)足廣播業(yè)務(wù)、多播業(yè)務(wù)和單播業(yè)務(wù)融合的需求，主要通過(guò)物理層幀結構、層2的信道結構和高層的無(wú)線(xiàn)資源管理實(shí)現。

(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，從而提高系統頻譜利用率。對IP語(yǔ)音(VoIP)業(yè)務(wù)的支持與低時(shí)延目標的實(shí)現導致調度和層1、層2間信令設計的困難。

(7)共存

實(shí)現與第3代移動(dòng)通信系統和其他通信系統的共存

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

2 3GPPLTE物理層的傳輸技術(shù)

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(shù)的單載波頻分多址(SC-FDMA)，SC-FDMA為單載波傳輸技術(shù)，其特點(diǎn)為低峰均比，子載波間隔為15 kHz。這兩種技術(shù)都能較好地支持頻率選擇性調度。

2.2幀結構設計

上下行幀長(cháng)都為10 ms，分成20個(gè)時(shí)隙，10個(gè)子幀，最小物理資源塊為180 kHz。下行為了同時(shí)支持廣播業(yè)務(wù)和單播業(yè)務(wù)，設計長(cháng)循環(huán)前綴(CP)和短CP兩種類(lèi)型。短CP時(shí)每子幀由7個(gè)OFDM符號組成，短CP的子幀主要支持單播業(yè)務(wù)。長(cháng)CP時(shí)每子幀由6個(gè)OFDM符號組成，長(cháng)CP的持續時(shí)間為16.67 ms，長(cháng)CP的子幀結構支持多播業(yè)務(wù)，實(shí)現單頻組網(wǎng)，獲得多小區傳輸合并增益。上行每個(gè)子幀由8個(gè)OFDM符號組成，其中2個(gè)短O(píng)FDM符號，6個(gè)長(cháng) OFDM符號。短O(píng)FDM符號主要用于導頻信號傳輸，長(cháng)OFDM符號主要用于數據傳輸。同時(shí)為了與時(shí)分雙工(TDD)系統共存，又分別為低碼速率時(shí)分雙工 (LCR-TDD)和高碼速率時(shí)分雙工(HCR-TDD)設計了相應的幀結構。

2.3小區間干擾控制技術(shù)

采用小區間干擾控制技術(shù)的目的為提高用戶(hù)在小區邊緣的信息傳輸速率。主要的多小區干擾補償技術(shù)有：干擾隨機化技術(shù)、干擾抵消技術(shù)和多小區干擾協(xié)調技術(shù)。3GPP LTE標準化的前期研究重點(diǎn)為下行頻分雙工(FDD)系統中的多小區干擾協(xié)調技術(shù)，多小區干擾協(xié)調技術(shù)對頻譜資源和發(fā)射功率進(jìn)行限制。中心用戶(hù)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(hù)以全功率使用部分資源塊，從而提高用戶(hù)在小區邊緣的信干噪比，增加小區覆蓋率。而FDD上行的多小區干擾控制主要通過(guò)功率控制技術(shù)實(shí)現，頻率復用因子為1。

2.4多天線(xiàn)技術(shù)

目前下行單用戶(hù)多天線(xiàn)傾向于無(wú)層間打亂，主要采取基于酉矩陣的預編碼技術(shù)，終端的反饋為酉矩陣的指數，其他一些技術(shù)還需要進(jìn)一步研究；下行多用戶(hù)多天線(xiàn)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)射分集主要根據功放的要求進(jìn)行評估和選擇。

2.5小區搜索技術(shù)

小區搜索的設計主要集中在同步信道的設計和小區序列的設計上?？紤]到小區搜索的復雜性，LTE傾向采用主同步信道進(jìn)行小區同步，輔同步信道進(jìn)行小區標識(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采用不同的導頻序列。其中在小區

2.6隨機接入技術(shù)

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(hù)接入的控制效率，傾向于在用戶(hù)的簽名序列中隱含用戶(hù)的消息比特，比如用戶(hù)的接入目的，用戶(hù)的信道質(zhì)量指示(CQI)等。用戶(hù)的簽名序列采用Zadoff-Chu碼經(jīng)過(guò)循環(huán)移位的擴展的Zadoff- Chu序列的零相關(guān)區域(ZC-ZCZ)碼。在小區覆蓋大小的考慮上，對于大區的覆蓋討論集中在采用更長(cháng)的碼還是簡(jiǎn)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(hù)的資源請求可以通過(guò)很多的傳輸方式遞交給基站，所以沒(méi)有必要單獨設計一個(gè)同步的隨機接入信道供同步的用戶(hù)發(fā)送資源請求。

3 3GPPLTE網(wǎng)絡(luò )結構

3G的網(wǎng)絡(luò )由基站(NB)、無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )控制器(RNC)、服務(wù)通用分組無(wú)線(xiàn)業(yè)務(wù)支持節點(diǎn)(SGSN)和網(wǎng)關(guān)通用分組無(wú)線(xiàn)業(yè)務(wù)支持節點(diǎn)(GGSN) 4個(gè)網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)組成。RNC的主要功能為無(wú)線(xiàn)資源管理，網(wǎng)絡(luò )相關(guān)功能、無(wú)線(xiàn)資源控制(RRC)的維護和運行，網(wǎng)管系統的接口等。RNC的主要缺點(diǎn)為與空中接口相關(guān)的許多功能都在RNC中，導致資源分配和業(yè)務(wù)不能適配信道，協(xié)議結構過(guò)于復雜，不利于系統優(yōu)化。在2006年3月的全會(huì )上，決定3GPP LTE網(wǎng)絡(luò )由E-UTRAN基站(eNB)和接入網(wǎng)關(guān)(AGW)組成，網(wǎng)絡(luò )結構扁平化。eNB的主要功能為：在附著(zhù)狀態(tài)選擇AGW；尋呼信息和廣播信息的發(fā)送；無(wú)線(xiàn)資源的動(dòng)態(tài)分配，包括多小區無(wú)線(xiàn)資源管理；設置和提供eNB的測量；無(wú)線(xiàn)承載的控制；無(wú)線(xiàn)接納控制；在激活狀態(tài)的連接移動(dòng)性控制。網(wǎng)絡(luò )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(guān)的功能都被集中在eNB，無(wú)線(xiàn)鏈路控制 (RLC)和媒體訪(fǎng)問(wèn)控制(MAC)都處于同一個(gè)網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)，從而可以進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化和設計。

4 層2標準化內容

4.1層2技術(shù)概述

為了制訂一個(gè)盡量統一的標準，層2標準的制訂將不考慮FDD和TDD的差異，也就是說(shuō)希望FDD和TDD在層2進(jìn)行融合和統一。

由于基于全分組的協(xié)議，3GPP LTE的協(xié)議結構得到極大簡(jiǎn)化，RLC和MAC都位于節點(diǎn)eNB，因此調度器可以根據信道質(zhì)量對RLC服務(wù)數據單元(SDU)進(jìn)行切割，從而減少填充和充分利用信道的傳輸能力，同時(shí)可以對RLC層的自動(dòng)重發(fā)請求(ARQ)和MAC層的混合自動(dòng)重發(fā)請求(HARQ)進(jìn)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(jiǎn)單。

與3G的協(xié)議相比，HARQ和ARQ實(shí)體都位于eNB，RLC SDU的長(cháng)度是可變長(cháng)的，同時(shí)支持RLC協(xié)議數據單元(PDU)的重分割，從而使業(yè)務(wù)載荷能夠很好地適應信道質(zhì)量；另一方面，由于苛刻的時(shí)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(gè)無(wú)線(xiàn)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(shí)延要求導致的開(kāi)銷(xiāo)增加較大問(wèn)題。

4.3ARQ的設計及ARQ和HARQ的協(xié)作設計

ARQ和HARQ實(shí)現最重要的數據可靠傳輸保證，同時(shí)由于A(yíng)RQ和HARQ都位于eNB，有利于系統的聯(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序號與包數據匯聚協(xié)議(PDCP)的序號各自獨立；為了減少RLC頭開(kāi)銷(xiāo)，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)，重分割的次數大于1。與R6的ARQ協(xié)議相比，協(xié)議得到巨大簡(jiǎn)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(shí)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)現包傳輸失敗，HARQ發(fā)端可以觸發(fā)ARQ進(jìn)行重傳；而HARQ收端發(fā)現錯誤，是否匯報有待于進(jìn)一步研究。

4.4VoIP業(yè)務(wù)的調度和信令設計

由于VoIP業(yè)務(wù)在相當長(cháng)時(shí)間內是殺手級應用，3GPP LTE對VoIP業(yè)務(wù)采取許多措施進(jìn)行優(yōu)化。VoIP業(yè)務(wù)的特點(diǎn)為：業(yè)務(wù)到達時(shí)間間隔為20 ms左右，業(yè)務(wù)載荷為40字節左右；靜音間隔為160 ms。VoIP業(yè)務(wù)調度的設計原則為：由于VoIP包比較小和傳輸時(shí)間間隔短，因此與VoIP相關(guān)的信令開(kāi)銷(xiāo)必須也比較小(或開(kāi)銷(xiāo)為零)；對于靜態(tài)或半靜態(tài)調度，調度器必須支持資源的再分配；調度器必須能處理VoIP的重發(fā)和業(yè)務(wù)載荷突變。目前還未就VoIP業(yè)務(wù)的調度和信令設計達成一致意見(jiàn)。

4.5單播業(yè)務(wù)和多播業(yè)務(wù)的融合

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

5 結束語(yǔ)

從以上分析可以看出，3GPP LTE標準化過(guò)程不是演進(jìn)過(guò)程，而是一場(chǎng)技術(shù)革命過(guò)程，它對實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)、高可靠性業(yè)務(wù)和廣播及多播業(yè)務(wù)都能提供較好的支持，其低時(shí)延、全分組和高數據率的目標已經(jīng)基本實(shí)現。

6 參考文獻

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