3GPP LTE标准化进展将引发技术革命

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为了应对宽带接入技术的挑战，同时为了满足新型业务需求，国际标准化组织3GPP在2004年底启动了其长期演进(LTE)技术的标准化工作。希望达到以下几个主要目标：
    保持3GPP在移动通信领域的技术及标准优势。
    填补第3代移动通信系统和第4代移动通信系统之间存在的巨大技术差距。
    希望使用已分配给第3代移动通信系统的频谱，保持无线频谱资源的优势。
    解决第3代移动通信系统存在的专利过分集中问题。
    3GPP LTE的标准化进程安排如下：2004年12月份到2006年6月为研究阶段；2006年6月到2007年6月为工作阶段，完成3GPP LTE的标准化工作。但由于一些问题没有解决，研究阶段推迟到2006年9月才结束。从3GPP LTE的标准化进程来看，其初衷为第3代移动通信系统的演进，但由于其他技术的竞争，业务的需求和运营商的压力，其标准化进程实质为一场技术革命过程。与第3代移动通信系统相比，3GPP LTE物理层(层1)在传输技术[1]、空中接口协议结构层(层2)和网络结构[2]等方面都发生了革命性的变化。
    1 3GPPLTE的演进目标
    3GPP LTE是一个高数据率、低时延和基于全分组的移动通信系统，具体目标[3]主要包括：
    (1)频谱带宽配置
    实现灵活的频谱带宽配置，支持1.25 MHz、1.6 MHz、2.5 MHz、5 MHz、10 MHz、15 MHz和20 MHz的带宽设置，从技术上保证3GPP LTE系统可以使用第3代移动通信系统的频谱。
    (2)小区边缘传输速率
    提高小区边缘传输速率，改善用户在小区边缘的体验，增强3GPP LTE系统的覆盖性能，主要通过频分多址和小区间干扰抑制技术实现。
    (3)数据率和频谱利用率
    在数据率和频谱利用率方面，实现下行峰值速率100 Mb/s，上行峰值速率50 Mb/s；频谱利用率为HSPA的2～4倍，用户平均吞吐量为HSPA的2～4倍。为保证3GPP LTE系统在频谱利用率方面的技术优势，主要通过多天线技术、自适应调制与编码和基于信道质量的频率选择性调度实现。
    (4)时延
    提供低时延，使用户平面内部单向传输时延低于5 ms，控制平面从睡眠状态到激活状态的迁移时间低于50 ms，从驻留状态到激活状态的迁移时间小于100 ms，以增强对实时业务的支持。
    (5)多媒体广播和多播业务
    进一步增强对多媒体广播和多播业务的支持，满足广播业务、多播业务和单播业务融合的需求，主要通过物理层帧结构、层2的信道结构和高层的无线资源管理实现。
    (6)全分组的包交换
    取消电路交换，采用基于全分组的包交换，从而提高系统频谱利用率。对IP语音(VoIP)业务的支持与低时延目标的实现导致调度和层1、层2间信令设计的困难。
    (7)共存
    实现与第3代移动通信系统和其他通信系统的共存
    本文将分别从物理层的传输技术、层2协议结构和网络结构，阐述3GPP LTE如何实现以上目标。
    2 3GPPLTE物理层的传输技术
    2.1物理层上下行传输方案
    下行的多址方式为正交频分多址(OFDMA)，上行为基于正交频分复用(OFDM)传输技术的单载波频分多址(SC-FDMA)，SC-FDMA为单载波传输技术，其特点为低峰均比，子载波间隔为15 kHz。这两种技术都能较好地支持频率选择性调度。
    2.2帧结构设计
    上下行帧长都为10 ms，分成20个时隙，10个子帧，最小物理资源块为180 kHz。下行为了同时支持广播业务和单播业务，设计长循环前缀(CP)和短CP两种类型。短CP时每子帧由7个OFDM符号组成，短CP的子帧主要支持单播业务。长CP时每子帧由6个OFDM符号组成，长CP的持续时间为16.67 ms，长CP的子帧结构支持多播业务，实现单频组网，获得多小区传输合并增益。上行每个子帧由8个OFDM符号组成，其中2个短OFDM符号，6个长OFDM符号。短OFDM符号主要用于导频信号传输，长OFDM符号主要用于数据传输。同时为了与时分双工(TDD)系统共存，又分别为低码速率时分双工(LCR-TDD)和高码速率时分双工(HCR-TDD)设计了相应的帧结构。
    2.3小区间干扰控制技术
    采用小区间干扰控制技术的目的为提高用户在小区边缘的信息传输速率。主要的多小区干扰补偿技术有：干扰随机化技术、干扰抵消技术和多小区干扰协调技术。3GPP LTE标准化的前期研究重点为下行频分双工(FDD)系统中的多小区干扰协调技术，多小区干扰协调技术对频谱资源和发射功率进行限制。中心用户可以使用全部资源块，但只能以低功率使用部分资源块；边界用户以全功率使用部分资源块，从而提高用户在小区边缘的信干噪比，增加小区覆盖率。而FDD上行的多小区干扰控制主要通过功率控制技术实现，频率复用因子为1。
    2.4多天线技术
    目前下行单用户多天线倾向于无层间打乱，主要采取基于酉矩阵的预编码技术，终端的反馈为酉矩阵的指数，其他一些技术还需要进一步研究；下行多用户多天线倾向于终端的反馈基于酉矩阵，但基站的预编码矩阵不一定为酉矩阵；上行发射分集主要根据功放的要求进行评估和选择。
    2.5小区搜索技术
    小区搜索的设计主要集中在同步信道的设计和小区序列的设计上。考虑到小区搜索的复杂性，LTE倾向采用主同步信道进行小区同步，辅同步信道进行小区标识(ID)的检测。在主同步信道采用公共的导频序列，而在辅同步信道上各小区采用不同的导频序列。其中在小区导频序列的设计中，序列必须兼顾性能和复杂度要求。目前可供参考的码类型有PN、ZadeOff-chu、Frank等。
    2.6随机接入技术
    随机接入中主要分为非同步的随机接入和同步的随机接入。在非同步的随机接入中，为了提高基站对用户接入的控制效率，倾向于在用户的签名序列中隐含用户的消息比特，比如用户的接入目的，用户的信道质量指示(CQI)等。用户的签名序列采用Zadoff-Chu码经过循环移位的扩展的Zadoff-Chu序列的零相关区域(ZC-ZCZ)码。在小区覆盖大小的考虑上，对于大区的覆盖讨论集中在采用更长的码还是简单的短码重复。最后从复杂度和对频偏的抵抗性考虑，LTE倾向采用后者的方案。
    对于同步的随机接入，目前的讨论还不是很多。从功能上而言，许多公司都提议要取消同步随机接入的信道。因为用户的资源请求可以通过很多的传输方式递交给基站，所以没有必要单独设计一个同步的随机接入信道供同步的用户发送资源请求。
    3 3GPPLTE网络结构
    3G的网络由基站(NB)、无线网络控制器(RNC)、服务通用分组无线业务支持节点(SGSN)和网关通用分组无线业务支持节点(GGSN)4个网络节点组成。RNC的主要功能为无线资源管理，网络相关功能、无线资源控制(RRC)的维护和运行，网管系统的接口等。RNC的主要缺点为与空中接口相关的许多功能都在RNC中，导致资源分配和业务不能适配信道，协议结构过于复杂，不利于系统优化。在2006年3月的全会上，决定3GPP LTE网络由E-UTRAN基站(eNB)和接入网关(AGW)组成，网络结构扁平化。eNB的主要功能为：在附着状态选择AGW；寻呼信息和广播信息的发送；无线资源的动态分配，包括多小区无线资源管理；设置和提供eNB的测量；无线承载的控制；无线接纳控制；在激活状态的连接移动性控制。网络结构和功能划分如图1所示，其中eNB与AGW之间的接口为S1接口，eNB与eNB之间的接口为X2接口。与空中接口相关的功能都被集中在eNB，无线链路控制(RLC)和媒体访问控制(MAC)都处于同一个网络节点，从而可以进行联合优化和设计。

    4 层2标准化内容
    4.1层2技术概述
    为了制订一个尽量统一的标准，层2标准的制订将不考虑FDD和TDD的差异，也就是说希望FDD和TDD在层2进行融合和统一。
    由于基于全分组的协议，3GPP LTE的协议结构得到极大简化，RLC和MAC都位于节点eNB，因此调度器可以根据信道质量对RLC服务数据单元(SDU)进行切割，从而减少填充和充分利用信道的传输能力，同时可以对RLC层的自动重发请求(ARQ)和MAC层的混合自动重发请求(HARQ)进行联合优化。
    4.2层2协议结构
    图2给出了下行层2的协议结构。由于电路域交换的去除，协议结构变得非常简单。

    与3G的协议相比，HARQ和ARQ实体都位于eNB，RLC SDU的长度是可变长的，同时支持RLC协议数据单元(PDU)的重分割，从而使业务载荷能够很好地适应信道质量；另一方面，由于苛刻的时延需求，要求填充小，因此3GPP LTE的层2协议支持属于同一终端的多个无线承载在MAC层的复接。
    图3给出了目前3GPP LTE倾向的RLC和MAC结构，该结构较好地支持了由于苛刻时延要求导致的开销增加较大问题。

    4.3ARQ的设计及ARQ和HARQ的协作设计
    ARQ和HARQ实现最重要的数据可靠传输保证，同时由于ARQ和HARQ都位于eNB，有利于系统的联合设计。
    ARQ的设计原则为：为了保证协议层间的相互独立性，RLC序号与包数据汇聚协议(PDCP)的序号各自独立；为了减少RLC头开销，RLC序号基于RLC PDU，ARQ的重传基于RLC PDU；ARQ的重传支持重分割(适配信道质量)，重分割的次数大于1。与R6的ARQ协议相比，协议得到巨大简化。ARQ和HARQ互协作的主要目的为快速触发ARQ的重传，减少空中接口传输时延和避免传输控制协议(TCP)因确认/非确认(ACK/NACK)误判激活，主要措施有：若HARQ发端发现包传输失败，HARQ发端可以触发ARQ进行重传；而HARQ收端发现错误，是否汇报有待于进一步研究。
    4.4VoIP业务的调度和信令设计
    由于VoIP业务在相当长时间内是杀手级应用，3GPP LTE对VoIP业务采取许多措施进行优化。VoIP业务的特点为：业务到达时间间隔为20 ms左右，业务载荷为40字节左右；静音间隔为160 ms。VoIP业务调度的设计原则为：由于VoIP包比较小和传输时间间隔短，因此与VoIP相关的信令开销必须也比较小(或开销为零)；对于静态或半静态调度，调度器必须支持资源的再分配；调度器必须能处理VoIP的重发和业务载荷突变。目前还未就VoIP业务的调度和信令设计达成一致意见。
    4.5单播业务和多播业务的融合
    应业务需求和运营商的强烈要求，3GPP LTE特别加强了对广播和多播业务的支持。当多播业务只在一个小区有需求时，可以使用下行共享信道(DL-SCH)进行传输，多播业务也可以使用多播信道(MCH)进行传输，从而获得多小区传输合并分集。图4a和图4b给出了两种在混合小区的传输模式，应运营商的要求，3GPP LTE又给出了图4c和图4d两种在MBMS专有小区的传输模式。

    5 结束语
    从以上分析可以看出，3GPP LTE标准化过程不是演进过程，而是一场技术革命过程，它对实时业务、高可靠性业务和广播及多播业务都能提供较好的支持，其低时延、全分组和高数据率的目标已经基本实现。
    6 参考文献
    [1]3GPP,TR25.814 v7.1.0. Physical layer aspects for Evolved UTRA [S]. 2006.
    [2]3GPPTR25.813 v7.1.0. Evolved UTRA (E-UTRA) and Evolved UTRAN (E-UTRAN): Radio interface protocol aspects [S]. 2006.
    [3]3GPPTR25.913 v7.3.0. Requirements for Evolved UTRA (E-UTRA) and Evolved UTRAN (E-UTRAN) [S]. 2006.
    作者简介：
    徐景，东南大学博士毕业。中科院上海微系统与信息技术研究所副研究员，现任上海无线通信中心宽带移动部部长，B3G/4G研究及标准化项目负责人，研究兴趣包括信道均衡、跨层优化和无线资源管理。胡宏林，中国科技大学工学博士毕业，德国慕尼黑西门子公司FutureRadio部博士后。目前为中科院上海微系统与信息技术研究所副研究员，主要从事国际标准化相关工作以及移动通信关键技术研究。已发表论文10余篇，专著4本。现担任美国JohnWiley & Sons期刊Wireless Communications and Mobile Computing以及International Journal of Communication Systems编委。 周婷，清华大学电子工程系信息与通信系统专业硕士毕业。工作于上海无线通信中心，主要研究领域包括分布式无线通信技术、信道编码、多用户检测。已发表论文1篇，提交国家专利申请2项。