3GPP LTE 及其物理层技术综述
唐利平, 刘镰斧
(电子科技大学, 成都610054)
摘 要: 3GPP 长期演进(LTE) 项目是近几年来3GPP 启动的最大的新技术研发项目, 自2004 年项目开始以来, 已经取得了一系列重大进展, 目前已经实现高数据率、低时延和基于全分组的设计目标。现介绍了LTE 的项目计划及主要性能目标, 并介绍了为了达到这一系列性能要求所
采用的主要物理层技术。
关键词: 3GPP 长期演进计划; 物理层技术; SC2FDMA
Long term evolution of 3GPP and its physical layer technologies
TANGLi2ping , LIU Lian2fu
(University of Electronic Science and Technology ,Chengdu 610054 ,China)
Abstract : The long term evolution(LTE) programof 3GPP is the biggest research program launched in recent years. It has achieved any great progresses since it has been initiated in 2004. 3GPP LTE has fulfilled the high data rate , low latency and all2packet basis. This paper introduced its design objectives for E3G system service capabilities and the advanced technologies and novel concepts related to the physical layer in LTE program.
Key words : long term evolution program (LTE) of 3GPP ; physical layer technologies ; SC2FDMA
随着移动通信的蓬勃发展,全球无线通信呈现出移动化、宽带化和IP 化的趋势,移动通信行业竞争日趋激烈。为了和WiMAX ,Wi2Fi 等新兴的无线宽带技术竞争,提高3G在新兴宽带无线接入市场的竞争力,3GPP 开始了UMTS 技术的长期演进(Long Term Evolution ,LTE) 技术的研究,以实现3G技术向B3G和4G的平滑过渡。3GPP 长期演进项目是关于UTRA和UTRAN 改进的项目,是近两年来3GPP 启动的最大的新技术研发项目,它的目标是更高的数据速率、更低的时延、改进的系统容量和覆盖范围, 以及较低的成本。
1 LTE 的项目计划及主要性能目标
LTE 的发展过程分为SI(Study Item) 和WI (Work Item) 两个阶段。SI 阶段在2006 年年中结束,完成可行性研究。该阶段主要完成了目标需求的定义, 明确了LTE 的概念等,征集候选技术提案,并对技术提案进行评估,对符合目标需求,有可能融合的提案进行讨论,最终选择出适合LTE 的技术。WI 阶段在2006 年年中以后开始,并开始着手于标准的建立。该阶段对未来LTE 标准细节的各个方面展开讨论和起草,该阶段将一直持续到2007 年年中,并完成核心的技术规范制定。考虑到市场的需要,WI 阶段与3G 标准的制定过程相比节奏明显加快。
根据3GPP ,LTE 项目的具体目标主要有[1] :
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支持1. 25MHz～20MHz 的带宽配置,并且支持对称和不对称的频谱分配。3GPP LTE 系统支持1. 25MHz ,1. 6MHz ,2. 5MHz ,5MHz ,10MHz ,15MHz 和20MHz 的带宽设置[2] 。从而从技术上保证LTE 系统可以继续使用第三代移动通信系统的频谱。
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提高小区边缘的比特率,增强3GPP LTE 系统的覆盖性能。这主要通过频分多址和小区间干扰抑制技术来实现。
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系统性能方面[3 ] : 实现峰值数据率上行50Mbps ,下行100Mbps。下行链路频谱效率(bitPsPHzP site) 达到3GPP R6 中HSDPA 的3～4倍,上行链路频谱 效率为HSUPA 的2～3 倍。用户吞吐量方面,下行链路用户每兆赫吞吐量(C. D. F. 的5 %处) 为3GPP R6 中HSDPA 的2～3 倍,平均吞吐量为HSDPA 的3～4 倍。上行链路(UE 单天线发射,Node B 双天线接收情况下) 用户每兆赫吞吐量为3GPP R6 中HSUPA 的2～3倍,平均吞吐量为HSUPA 的2～3 倍。低时延要求:出于对VoIP 和在线游戏的重视, LTE 对用户面延迟的要求较为严格,要求用户面内部单向传输时延低于5ms ,控制面从休眠状态到激 活状态的迁移时间低于50ms ,从驻留状态到激活状
态的迁移时间小于100ms。 -
取消电路交换,采用基于全分组的包交换。电路交换域的业务在包交换域实现,如采用VoIP 技术。
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支持与现有3GPP 和非3GPP 系统的互操作且追求后向兼容。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。
2 基本物理层传输方案
从LTE 制定的目标需求可以看出,下行100MbitPs 和上行50MbitPs 的传输能力对物理层传输技术提出了较高要求。在方案的征集过程中有6 项提议被通过[2] ,经过多次会议的艰苦协商, 最终确定3GPP LTE 系统物理层传输方案为上行采用单载波SC2 FDMA ,下行采用OFDMA。
2. 1 主要物理层传输技术
上行SC2FDMA 的实现:尽管OFDM技术具有频谱效率高、带宽扩展性强、抗多径衰落能力强等优点,但由于OFDM 系统功率峰均比( PAPR) 较高,从而增加发射机功放的成本和耗电量,不利于上行链路的实现。因此,在3GPP LTE 系统中,上行传输方案采用带循环前缀的SC2FDMA。SC2FDMA 是一种新型的单载波频分多址方式,作为宽带移动通信上行链路解决方案,它支持扩频技术、频域均衡方法以及多用户复用的通信场景。上行SC2FDMA 信号可以用“时域”和“频域”两种方法生成。时域处理的SC2FDMA 有两种实现形式:一种是将已调制符号数据块先重复级联,再添加循环前缀,接着经过成形滤波后,通过用户特定的频谱搬移,实现频分多址。采用这种实现方式的系统称为交织频分复用多址( IFDMA) 系统,其传输信号具有离散频谱。另一种是将已调制符号数据块直接添加循环前缀,经过成形滤波后,再通过用户指定的频谱搬移, 实现频分多址, 其传输信号具有连续频谱。
频域生成方法主要是DFT2S2OFDM[2] 和DFT2 S2GMC[425]两种。基于离散傅里叶变换扩频的正交频分复用多址(DFT2S2OFDM) 是在OFDM 的IFFT 调制之前对信号进行DFT 扩展,如图1 所示。由于DFT2S2OFDM将每个数据符号扩频到所有分配的子载波上传输,从而使得其传输信号具有单载波信号的特性。
图1 DFT2S2OFDM发射机结构
另一种频域生成方法是3GPP LTE 上行链路参选方案DFT2S2GMC(General Multi2Carrier) ,该技术是基于DFT 扩频和多子带滤波器组(multi2band filter2 bank) 的单载波传输技术。如图2 所示,与DFT2S2 OFDM方法不同的是,DFT2S2GMC 采用逆滤波器组变换( IFBT:inverse filter2bank transform) 实现频分复用和频分多址[4] 。最后,对滤波输出的多组信号进行移位叠加和循环数据块生成等时域处理,生成GMC
时频复用符号。
图2 DFT2S2GMC 发射机结构
时域处理的SC2FDMA 比DFT2S2OFDM 具有更低的峰均比,但其频谱利用率明显降低。与OFDMA 系统相比,DFT2S2OFDM 和DFT2S2GMC 技术由于在发射端增加DFT 使得IDFTPIFBT之后的信号等效为时域符号,因此,峰均比得到明显降低。
2. 2 双工方式和帧结构
目前3GPP LTE 物理层技术研究包括频分双工(FDD) 和时分双工(TDD) 两种双工方式。根据3GPP TR25. 913[3 ] 中对FDDPTDD 共性的需求, 3GPP TR25. 814[2 ] 中内容都基本假设均适用于FDD 和TDD。在TDD 模式下,每个子帧可以作为上行子帧或者下行子帧。上行和下行子帧之间可以空出若干个OFDM符号作为空闲( Idle) 符号,以留出必要的保护间隔。由于子帧结构可能不断变化,因此需要通过信令通知系统当前的子帧结构。
由于LTE 在数据传输延迟方面的要求很高,因此,LTE 系统必须采用较小的最小交织长度(TTI) 。LTE 系统上下行帧长度均为10ms , FDD 模式下,分为10 个子帧,每个子帧包含两个时隙,每时隙长为0. 5ms。TDD 模式下,分为两个子帧,每个子帧包含7 个时隙,每时隙长为0. 675ms。上下行的子载波宽度为15kHz ,最小物理资源块为180kHz ,即12 个子载波宽度[6] 。
下行OFDM 的循环前缀(CP) 长度有长短两种选择。长CP 的持续时间为16. 67ms ,每子帧由6 个OFDM符号组(采用0. 675ms 子帧时为8 个) 。长CP 方案用于支持LTE 大范围小区覆盖和多小区广播业务。短CP 持续时间为4. 69ms (采用0. 675 子帧时为7. 29ms) ,每子帧由7 个OFDM(采用0. 675ms 子帧时为9 个) 符号组成。短CP 方案为基本选项,主要支持单播业务。上行由于采用单载波技术,上行每子帧由8 个OFDM符号组成,如图3 所示,6 个LB (Long Block) 和2 个SB (Short Block) ,LB 用于数据信号传输,SB 用于导频信号传输。为了与TDD 系统共 存,又分为低码速率时分双工(LCR2TDD) 和高码速率时分双工(HCR2TDD) ,并设计了相应的帧结构。
图3 FDD 模式下DFT2S2OFDM子帧结构
虽然为了支持实时业务,LTE 的最小TTI 长度仅为0. 5ms。但系统可以动态地调整TTI ,将几个相邻的子帧拼接成一个TTI ,以便在支持其他业务时避免由于不必要的IP 包分割而造成的额外的延迟和信令开销。TTI 可以呈现为半静态和动态两种传输信道特性。对于半静态TTI ,TTI 需要上层信令来设置;动态TTI 情况下,拼接成TTI 的子帧数目可以由初始化传输和可能发生的重传来动态调节。
2. 3 导频与编码调制方式
如图3 所示,上行参考符号(RS) 位于SC2FDMA 子帧的两个SB 内,与其他LB 时分复用。RS 用于Node B 的信道估计和信道质量(CQI) 估计。上行参考信号可采用FDM,CDM,TDM 或者上述方法的结合来实现。频域正交导频(FDM) 下,采用与LB 中数据信号相同的载波映射方式。由于SC2FDMA SB 的长度仅为LB 的一半,SC2FDMA 参考符号的子载波宽度为数据子载波宽度的两倍。码域正交导频(CDM) 采用CAZAC 序列(恒包络零自相关序列) 的不同循环位移样本实现。目前上行导频结构仍未确定,FDM及CDM均可能被采用。
LTE 目前已经确定了下行的导频设计。下行导频格式采用时分复用(TDM) 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。在采用MIMO 的情况下,须至少支持4 个正交导频以支持4 天线发送(对智能天线例外) 。在一个小区内, 多天线之间主要采用FDM方式的正交导频;在不同的小区之间,采用CDM实现正交导频。
LTE 上行调制方式主要采用位移BPSK(πP22 shift BPSK) ,QPSK,8PSK和16QAM。下行主要采用QPSK,16QAM 和64QAM。上行采用位移BPSK技术可以进一步降低DFT2S2OFDM 的峰均比。另外,可以通过频域滤波( Spectrum Shaping) 、选择性映射(SLM) 、部分传输序列(PTS) 等技术进一步降低系统峰均比[1] 。在3GPP TR25. 913 中提到, 立方度量(Cubic Metric) [8] 是比峰均比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,也将考虑更先进的编码方式,如低密度奇偶校验码(LDPC) ,在大数据量情况下,LDPC 码可获得比Turbo 码更高的编码增益,在解码复杂度上也略有减少。为了实现更高的处理增益,还可以考虑以重复编码作为前向纠错码(FEC) 的补充。
2. 4 MIMO
MIMO 技术在3GPP R7 中已经被作为WCDMA 增强的一个重要特性被引入。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。基本的MIMO 模型是下行2 ×2 ,上行1 ×2 个天线。同时也正在考虑更多的天线配置(如4 ×4) 的必要性和可行性。具体的MIMO 技术尚未确定,目前正在考虑的方法包括空间复用(SM) 、空间多址(SDMA) 、预编码(Pre2coding) 、自适应波束形成(Ada2 ptive beam forming) 、智能天线以及开环分集(主要用于控制信令的传输,包括空时块码(STBC) 和循环位移分集(CSD) ) 等。上行将采用一种特殊的被称为虚拟(Virtual)MIMO 的技术,此项技术可以动态地将用户终端配成一对。两个UE 各有一个发射天线,并共享相同的时—频域资源,进行虚拟的MIMO 发送,从而提高上行系统的容量。
2. 5 随机接入
随机接入主要分为同步的随机接入和非同步的随机接入。对于同步的随机接入,目前的讨论还较少。在非同步的随机接入中,LTE 倾向于在UE 的签名序列中隐含消息比特,以提高基站对用户接入的控制效率。用户的签名序列采用Zadoff2Chu 码经过循环移位的扩展的Zadoff2Chu 序列的零相关区域(ZC2ZCZ) 码,对于小区覆盖范围较大的情况可采用复杂度较简单的短码重复。
另外, 小区搜索、同步、调度、链路自适应、HARQ、功率控制、小区间干扰抑制、切换、小区搜索、MSMS(多播广播) 、层1 与层2 信令等物理层技术,通过讨论也取得了一定的进展,进一步的发展也正在讨论之中。
3 结束语
尽管迄今为止LTE 的研究工作仍滞后于原工作计划,但它已经取得了一系列重大进展。3GPPLTE 的标准化过程更像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。它的低时延、全分组和高数据率等技术特点必将为用户带来除移动电视、在线游戏、多媒体消息等业务以外,更丰富更好的服务。
参考文献:
[1 ] Erik Dahlman ,Stefan Parkvall ,Johan Skold ,et al . 3G Evolution :HSPA and LTEfor Mobile Broadband[M] . Oxford :Elsevier Publishers ,2007.
[2 ] 3GPP ,TR 25. 814 v7. 1. 0. Physical layer aspects for Evolved UTRA [ S] . 2006.
[3 ] 3GPP , TR 25. 913 v7. 3. 0. Requirements for Evolved UTRA (E2UTRA) and Evolved UTRAN (E2UTRAN) [ S] . 2006.
[4 ] 3GPP R12051133 , DFT2S2GMC:GMC based SC2FDMA for 3GPP LTE uplink[R] . 2005.
[5 ] 3GPP R12051384 ,Further Description of DFT2S2GMC Implementation [R] . 2005.
[6 ] 3GPP , TS 36. 211 v1. 1. 0. Physical Channels and Modulation[ S] . 2007.
[7 ] R van Nee ,Prasad R. OFDMfor Wireless Multimedia Communications [M] .Boston :Artech House Publishers.March 2000.
[8 ] 3GPP R12040642. Comparison of PAR and Cubic Metric for Power De2 rating[R] . 2004.
