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【LTE资料】3GPP长期演进(LTE)技术原理与 系统设计

【LTE资料】3GPP长期演进(LTE)技术原理与 系统设计

xrtelecom
2009-04-12 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《【LTE资料】3GPP长期演进(LTE)技术原理与 系统设计pdf》,可适用于IT/计算机领域

––第章LTE无线传输系统设计一个无线系统的成形固然取决于选择合适的空中接口传输技术但系统的具体设计也同样重要。第章介绍的LTE传输技术为LTE系统实现优异的性能提供了潜在的能力但这距离要形成一个完整的LTE传输系统还相去甚远。要将众多的关键技术集成在一起形成一个有机的架构使各种技术协同工作相得益彰充分发挥它们的性能优势实现一个高效、均衡、经济、可以实现高性能而又简洁实用的系统仍需要依赖缜密细致的系统设计工作。LTE采用的OFDM、MIMO等先进的传输技术为系统提供了大量的时域、频域、空域资源但如何用好这些资源、管好这些资源则需要帧结构、参数设计和资源分配技术的支持。要想适应多径无线信道的变化保证数据的可靠传输则需要依靠精巧实用的参考信号设计。而要实现网络和终端之间的默契配合、步调一致则离不开高效、完善的控制信令设计。本章将针对这些重要的系统设计环节进行介绍帮助读者建立起对LTE空中接口系统结构和功能的基本认识。需要说明的是虽然关键技术的选择和系统设计分别在第、章介绍但并不意味着技术的选择过程和系统的设计过程是截然分开、先后进行的。相反它们是两个密不可分的过程。很多关键技术从理论分析上虽然具有很好的先进性但在实际系统设计中却难以看到预期的性能增益。例如那些带来大量信令开销和软硬件复杂度的技术即使理论上性能优异在实际标准化中也经常被弃用。因此标准化中的关键技术筛选和系统设计不是孤立进行的也不可能先完成技术筛选再进行系统设计而往往是技术选择和系统设计交互进行、相互影响的。也就是说评估、选择每一项技术都必须放在一个完整的系统中去考察而不能孤立地去评判。只有那些适合这个系统、服务于这个系统、可以很好地提升整体系统性能的技术才是对这个系统有价值的技术最终才会被选用。EUTRA系统的特点是除了系统信息、物理层信令、寻呼、MBMS等以外所有单播数据均通过共享信道传送共享信道也是功能最全的信道。因此这里可以以共享信道为例说明EUTRA系统的结构其他广播、控制、寻呼、多播等信道可以看作是共享信道的简化只实现共享信道的一部分功能。EUTRA下行共享信道(DLSCH)的物理模型如图所示。这个模型集中体现了EUTRA的系统结构、物理层的功能和数据处理流程。eNodeB端的信号处理流程包括CRC处理(如节所述)、信道编码和速率匹配(如节所述)、交织、调制(如节所述)、资源映射(ResourceMapping如节所述)和天线映射(AntennaMapping如节所述)等UE端的信号处理流程包括天线逆映射(AntennaDemapping)、资源逆映射(ResourceDemapping)、解调、解交织、解码和CRC校验等。DLSCH具有最完全的功能支持多层SUMIMO传输、MAC层调度和HARQ(如节所述)等各种功能。系统可以根据反馈的信道状态信息(CSI)等通过MAC层调度动态配置eNodeB发射信号的调制编码方式、资源映射和天线映射方式。基于UE反馈的ACKNACK信息eNodeB可以进行HARQ重传。同时HARQ操作也通过冗GPP长期演进(LTE)技术原理与系统设计––余版本(RV)控制信道编码冗余比特的产生。在这个模型中上层协议可以对编码与速率匹配、调制、资源映射和天线映射进行灵活的配置从而获得DLSCH的最大容量。图下行共享信道(DLSCH)物理模型上行共享信道(ULSCH)的物理模型如图所示。ULSCH包含的功能和DLSCH相比略有不同。首先RLTE暂不支持上行SUMIMO只支持开环的天线选择因此UE不需要支持天线映射功能。但是LTE上行支持MUMIMO操作因此两个UE可以配对进行MUMIMO传输这种情况下eNodeB需要支持天线逆映射以正确接收两个UE的MUMIMO信号。其次由于LTE上行采用同步HARQ重传的信息是固定的因此UE也不需要在上行传送HARQ信息。第章LTE无线传输系统设计––图上行共享信道(ULSCH)物理模型根据DLSCH和ULSCH的物理模型就可以理解第、、章介绍的部分关键技术和系统设计是如何相互配合、形成一个有机的整体的。用于承载MBMS业务的多播信道(MCH)可以看做DLSCH信道的一种简化(其物理模型如图所示)虽然仍然可以支持多层MIMO操作但由于原则上没有上行反馈因此只能进行开环的MIMO操作。另外由于MBMS系统是一个没有上行反馈的系统因此不必要也无法对调制、资源映射和天线映射进行动态调整只需进行半静态(semistatic)的配置。同样由于缺乏上行反馈MCH也不可能支持HARQ操作因此编码和速率匹配也不需要通过上层协议配置。图多播信道(MCH)物理模型可以以寻呼信道(PCH)为例说明某些控制信道的物理功能。如图所示PCH仍然GPP长期演进(LTE)技术原理与系统设计––图寻呼信道(PCH)物理模型可以通过MAC层调度来选择调制方式、分配资源、进行天线映射。但这样的信道通常要求有较高的可靠性对频率效率的要求不高因此不采用多层MIMO传输。另外这一类信道通常也不采用HARQ操作不支持RV的控制。广播信道(BCH)对可靠性的要求最高(其物理模型如图所示)因此其支持的物理层功能反而最少。BCH总是采取最可靠的调制(仅使用QPSK)、编码和多天线分集发送物理层配置是完全静态的因此不需要支持任何自适应功能。第章LTE无线传输系统设计––图广播信道(BCH)物理模型从上面几种信道的物理模型可以看到只有将各种关键技术根据不同的需要有机地结合在一起才能形成一个完整的系统提供各种所需的功能。帧结构设计帧结构(FrameStructureFS)定义了系统最基本的传输时序是整个空中接口系统设计的基础几乎所有的传输技术参数设计、资源分配和物理过程设计都基于这个基本时序结构。在帧结构设计中可以采用两种思路。一种思路是设计一个带有特殊时隙的帧结构即在正常长度的数据时隙之外专门为公共控制信道分配特殊长度的时隙。另一种思路是设计一个包含完全等长时隙的帧结构。带有特殊时隙的帧结构(例如WiMAX帧结构和TDSCDMA帧结构)已经将控制信道的部分设计思想融合其中因此可以在标准化伊始很快地形成公共控制信道的基本架构有利于快速推进系统设计。而不包含特殊时隙的帧结构则没有对公共控制信道的设计附加任何限制和导向公共信道和控制信道的设计完全取决于后期标准化过程中的研究、讨论和融合。在LTE技术规范中FDD帧结构称为“第种帧结构”(FrameStructureTypeFS)TDD帧结构称为“第种帧结构”(FrameStructureTypeFS)。FS采用没有特殊时隙的帧结构在GPP这样一个包含大量公司的不同观点的标准化组织中这种帧结构可以在标准化初期避免卷入控制信道的具体设计问题快速确立最基本的工作假设更好地推进关键技术的标准化。FS由于是在TDSCDMA帧结构的基础上改进而成的因此与TDSCDMA帧结构一样包含DwPTS、GP和UpPTS三个特殊时隙。FDD下行帧结构(FS)FDDLTE上下行均采用简单的等长时隙帧结构。如图所示LTE系统沿用了UMTS系统一直采用的ms无线帧长度。在时隙划分方面由于LTE在数据传输延迟方面提出了很高的要求(单向延迟小于ms)因此要求LTE系统必须采用很小的发送时间间隔(TTI)最小TTI通常等于子帧的长度所以LTE的子帧也必须具有较小长度。但是过小的子帧(TTI)长度虽然可以支持非常灵活的调度和很小的传输延迟却会带来过大的调度信令开销反而会造成系统频谱效率下降。早期LTE研究中曾考虑采用ms子帧(TTI)长度子帧内不再分时隙但随着研究的深入经过慎重考虑又将子帧(TTI)长度调整为ms个子帧包含两个ms的时隙。这样个无线帧包含个子帧、个时隙。FS上行和下行采用完全相同的帧结构。GPP长期演进(LTE)技术原理与系统设计––图FDDLTE的下行帧结构(FS)一个下行时隙又分为若干个OFDM符号根据CP的长度不同包含的OFDM符号的数量也不同。当使用常规CP时一个下行时隙包含个OFDM符号当使用扩展CP时一个下行时隙包含个OFDM符号。OFDM符号长度、CP长度、常规CP和扩展CP的定义将在节中介绍。在这样一个等时隙长度的帧结构的基础上公共控制信道的时域位置则依靠比时隙更小一级的单位符号来定义例如PDCCH(物理下行控制信道)位于每个子帧的前~个符号。对这些公共控制信道的时频结构会在后续的章节中介绍。FDD上行帧结构(FS)FDDLTE的上行帧结构在时隙以上层面完全和下行相同(如图所示)。时隙内结构也基本和下行相同唯一的不同在于一个时隙包含个(对于常规CP)或个(对于扩展CP)DFTSOFDM块(Block)(通常也可以称为DFTSOFDM符号)而非OFDM符号。图FDDLTE的上行帧结构(FS)需要说明的是在LTE研究的早期曾考虑过与此不同的上行时隙结构。该结构在采用常规CP时个时隙包含个长块(LongBlock)和个短块(ShortBlock)短块的长度为长块的专门用来发送参考符号。随着研究的深入发现这个参考符号结构有一定的缺陷因此改成了图中的结构。相关研究过程见节。第章LTE无线传输系统设计––TDD帧结构(FS)LTETDD帧结构是基于TDSCDMA帧结构修改而成的保留了原帧结构中的三个特殊时隙:下行导频时隙(DwPTS)、保护间隔(GP)、上行导频时隙(UpPTS)同时采用了统一的ms子帧长度。常规子帧结构和FS一样包含两个ms的时隙。DwPTS、GP和UpPTS也占用一个ms子帧这个子帧的结构不同于常规子帧DwPTS为一个下行时隙UpPTS为一个上行时隙GP不传送任何信号为上下行之间提供保护避免上下行之间出现“交叉干扰”。根据这个特殊子帧的出现频率可以将FS分为ms周期帧结构和ms周期帧结构两种类型。ms周期FS如图所示将一个ms无线帧分为两个ms的“半帧”(HalfFrame)。这两个半帧具有完全相同的结构和相同的上下行子帧比例特殊子帧位于每个半帧的第二个子帧(即子帧和子帧)。以常规CP为例特殊子帧和常规子帧一样包含个符号。这个符号分配给DwPTS、GP和UpPTS在图所示的示例中DwPTS、GP和UpPTS分别占用十个、三个和一个符号。实际上在采用常规CP时共支持九种DwPTSGPUpPTS长度配置在采用扩展CP时共支持七种DwPTSGPUpPTS长度配置如表所示特殊时隙的长度由高层信令配置。相对而言UpPTS的长度比较固定只支持一个符号、两个符号两种长度以避免过多的选项简化系统的设计。而GP和DwPTS具有很大的灵活性这主要是为了实现可变的GP长度和GP位置以支持各种尺寸的小区半径并提供与各种上下行比例的TDSCDMA系统邻频共存的可行性。图TDDLTE(FS)ms周期帧结构(以正常CP为例)表FSDwPTS、GP和UpPTS的长度配置常规CP下特殊时隙的长度(符号)扩展CP下特殊时隙的长度(符号)UpPTSGPDwPTSUpPTSGPDwPTSGPP长期演进(LTE)技术原理与系统设计––如果一个TDDLTE系统和一个TDSCDMA系统在不同的时间点进行上下行转换就会在部分时段里发生“一个系统进行下行传输的同时另一个系统在进行上行传输”的现象。在基站侧下行传输系统的基站在进行发送的同时上行传输系统的基站正在接收上行传输系统的基站就会受到严重的干扰。如果该TDDLTE系统和TDSCDMA系统部署在相邻的频谱频谱之间的保护频带根本不足以避免这种上下行之间的“交叉干扰”如果两个系统共用站址这种干扰将尤为严重。在终端侧上行传输系统的终端发射也会干扰附近的下行传输系统中正在接收的终端这种干扰可能较基站侧略轻但其危害性也不能忽视。为了避免TDDLTE系统和TDSCDMA系统在邻频部署时上下行之间的“交叉干扰”必须保证两个系统的上下行切换点(GP)相互对齐。但由于FS采用了和TDSCDMA帧结构不同的时隙长度(TDSCDMA时隙长度为ms)两个帧结构无法在时隙边界上自然对齐。因此为了使两个系统在常见的上下行比例下都能实现GP对齐需要GP能灵活地配置在特殊子帧内的不同位置。ms周期FS如图所示和ms周期FS不同这种帧结构在一个ms无线帧中只包含一个特殊子帧位于子帧其余子帧均为常规子帧。ms周期FS支持的上下行子帧比例如图所示。在个半帧包含的个子帧中除个特殊子帧(特殊子帧总是包含个下行的DwPTS、个上行的UpPTS和个GP)外其余个常规子帧中下行子帧和上行子帧的比例可为∶、∶或∶。这种情况下个无线帧的个半帧的上下行比例保持一致。图TDDLTE(FS)ms周期帧结构(以正常CP为例)第章LTE无线传输系统设计––图TDDLTE(FS)ms周期帧结构支持的上下行子帧比例ms周期FS支持的上下行子帧比例如图所示。在个无线帧包含的个子帧中除个特殊子帧外其余个常规子帧中下行子帧和上行子帧的比例可为∶、∶、∶或∶。其中在∶情况下个ms无线帧包含个特殊子帧。最后一种配置虽然分为个半帧但个半帧的上下行比例不同因此周期仍为ms。图TDDLTE(FS)ms周期帧结构支持的上下行子帧比例特殊时隙的使用对公共控制信道的结构也有一定影响。例如FS的主同步信道(PSCH)和辅同步信道(SSCH)分别位于时隙的倒数第个和倒数第个符号(将在节中介绍)。而在FS中PSCH放置在DwPTS的第个符号SSCH则放置在时隙的最后一个符号(如图所示)。上述PSCH和SSCH的位置差异正好可以用来识别系统是FDD系统还是TDD系统。另外UpPTS可以用来专门放置物理随机接入信道(PRACH)这是TDDLTE系统特有的一种“短RACH”结构(只有一个或两个符号长)相对而言FDDLTE系统的PRACH不短于ms。短RACH是一种对半径较小的小区的优化可以在不占用正常时隙资源的情况下利用很少的资源承载PRACH信道随着宽带蜂窝系统小区半径的逐渐缩小这种短RACH将有越来越广泛的应用场景。当然需要说明的是FS也完全可以在常规子帧中采用ms以上的PRACH信道与FS具有相同的支持大半径小区的能力。GPP长期演进(LTE)技术原理与系统设计––图FS和FS的结构不同造成的PSCH和SSCH的位置差异最后需要说明的是第、、章的内容主要是为了说明LTE的技术和系统设计原理因此如无特殊说明均是以FS为例说明的。LTE系统的绝大多数设计原理对FS和FS是完全相同的因此读者基于FS学习这些原理并不妨碍对FS的理解。第章对规范的详细介绍如实反映了FS和FS的所有差异读者基于对第、、章的理解就完全可以读懂第章的相关内容从而了解FS的各种技术细节。系统参数设计系统参数的设计与采用何种基本传输和多址技术有关例如OFDM系统和CDMA系统的参数设计原理就全然不同。由于LTE选择了OFDMA(下行)和SCFDMA(上行)作为多址技术因此必须针对OFDMA和SCFDMA重新设计系统参数。LTE系统参数设计需求在设计LTE系统参数时需要考虑如下要求。.后向兼容性正如第章所述LTE在后向兼容性方面并没有设定硬性的要求。在节和节中可以看到LTE最终改变了基本传输和多址技术采用了OFDMASCFDMA代替CDMA技术OFDMASCFDMA的具体参数设计没有可能和CDMA系统保持一致从而不可能在严第章LTE无线传输系统设计––格意义上保持EUTRA和UTRA系统的后向兼容性。因此EUTRA和UTRA系统所能追求的兼容性只能体现在无线帧(RadioFrame)的长度和码片速率等少数参数上。例如保持无线帧长度为ms这样可以更好地实现EUTRAUTRA双模设备。.带宽扩展性正如第章所述LTE的需求中明确要求系统支持灵活的系统带宽从~MHz。因此LTE系统参数要针对从~MHz的各种带宽设计这主要体现在不同系统带宽将使用不同数量的子载波。.无线接入网(RAN)延迟正如第章所述LTE对RAN用户面的传输延迟提出了很高要求即最小单向传输延迟要控制在ms以内。这对系统参数的设计尤其是最小TTI长度的选择有重大的影响。只有采用足够小的最小TTI长度才能尽量降低传输延迟。.高数据率正如第章所述LTE要求显著提高系统的峰值速率尤其是要对低速移动场景进行优化。因此在相关参数设计如子载波间隔、循环前缀(CP)的选择上要在满足基本移动性和多径无线信道要求的条件下尽量提高频谱效率。.多普勒频移和相位噪声如节所述单纯从频谱效率角度考虑越小的子载波间隔可以获得越高的频谱效率但是过小的子载波间隔会对多普勒频移和相位噪声过于敏感。多普勒频移和相位噪声与系统的载波频率和支持的移动速度有关其中多普勒频移的影响明显大于相位噪声的影响。虽然LTE是为低速移动优化的但也必须支持高速移动。例如假设LTE系统需要在GHz频段中支持kmh的移动速度则相应的最大多普勒频移为HzLTE系统的子载波间隔必须足够大使系统在Hz的多普勒频移下不会出现明显的性能恶化。.支持广域覆盖对广域覆盖的支持也是第章中提到的对LTE系统的重要要求。LTE系统不仅要支持类似热点、室内、局域覆盖等单小区小覆盖场景也要支持多小区大覆盖场景。因此系统参数的设计如CP长度等也要满足广域覆盖的要求。.EMBMS系统的数据率正如节所述LTE的单播(Unicast)系统确定不采用多小区宏分集合并但EMBMS系统将采用多小区信号的单频网(SFN)合并。另外EMBMS主要用于低速移动场景。这些差别会导致单播系统和EMBMS系统的参数设计原则有差异。例如相对单播LTE系统EMBMS可以采用较小的子载波间隔以获得更高的频谱效率但需要采用更长的CP支持SFN合并。.控制选项数量LTE系统对各种场景和各种系统带宽的支持势必要通过一组参数集而不是单一的参数集来实现例如不同场景下可能需要使用不同的子载波长度和CP长度。但是支持过多的参数选项会增大系统信令的开销同时大大提高系统的实现复杂度和测试的难度。因此应该在满足各种应用场景的需求的基础上尽可能减少选项的数量。GPP长期演进(LTE)技术原理与系统设计––TTI长度为了有效支持各种不同的业务类型LTE系统应支持多种TTI长度。也就是说较大的TTI可以更有效地支持低数据率业务、优化QoS、降低调度开销、提高系统效率。而针对对延迟比较敏感的实时业务则应该是用尽可能小的TTI以降低传输延迟。可以考虑采用半静态(Semistatic)方式或动态(Dynamic)方式改变TTI的长度。在采用半静态TTI时可以通过高层信令来调整TTI。在采用动态TTI时系统可以直接通过物理层动态地将若干个连续的时隙连起来组成一个TTI。采用动态TTI可能会降低高层(如MAC层和RLC层)协议开销和层开销(如CRC)减少ACKNACK(肯定回执否定回执)减少IP包的分块降低延迟。TTI可以由eNodeB显性地(Explicitly)或隐性地(Implicitly)通知UE。显性方式即通过层信令通知隐性方式即通过传输块的大小和调制编码方式间接通知。因此需要定义的首先是最小的TTI。为了使用户面单向传输延迟小于ms最小TTI长度应明显小于ms。另外由于时隙是调度的基本单元TTI必定由若干个连续的时隙构成。因此具体TTI长度受到帧结构设计的影响。如节中所述LTE帧结构的时隙长度为ms(FS中的特殊时隙DwPTS和UpPTS除外)因此最小TTI的长度应为ms的整数倍。剩下的问题是最小TTI的长度应是ms的几倍。在LTE的早期研究中初步确定LTE的最小TTI长度为ms也就是时隙长度的一倍。但是随着研究的深入也发现如此短的TTI也可能在其他方面产生一些问题例如在某些场景下上行覆盖不足(上行传输带宽受限需要依靠时域的能量积累来改善链路预算)、控制信令开销较大等。因此最终确定将LTE的TTI改为ms。需要说明的是最终的LTE规范中实际上只定义了唯一的TTI长度ms。而采用TTI捆绑(TTIbinding)的方式等效地实现更长的TTI例如可以将个TTI捆绑发送个TTI发送个传输块(TB)的不同RV或相同RV以提高VoIP等业务的覆盖性能。是否启动TTIbinding需通过信令慢速调整。子载波间隔正如节所述OFDM系统的子载波间隔选择取决于频谱效率和抗频偏能力的折中。在一定的CP长度(取决于小区大小和多径信道特性)下子载波间隔越小OFDM符号周期越长系统频谱效率越高。但同时过小的子载波间隔对多普勒频移和相位噪声过于敏感会影响系统性能。因此如果不考虑FFT变换的复杂度子载波间隔的选择原则应该是在保持足够的抗频偏能力的条件下采用尽可能小的子载波间隔。研究表明在使用带有锁相环(PLL)的压控振荡器(VCO)的系统中相位噪声对载波间干扰的影响并不大。只要子载波间隔在kHz以上相位噪声的影响就可以降到相对较小的水平。相对而言多普勒频移的影响明显大于相位噪声因此子载波间隔的确定应主要考虑多普勒频移的影响。多普勒效应引起的频率偏移会破坏子载波之间的正交性。例如在GHz频段kmh的移动速度会带来Hz的多普勒频偏。这种频率偏移尤其会对高阶调制(如QAM)造第章LTE无线传输系统设计––成显著的影响。因此子载波间隔应该设置为一个适当的值使系统在高速移动和低速移动场景下都有较好的性能。也就是说在低速移动场景下(此时多普勒效应不显著)相对较小的子载波间隔没有严重的性能降低在高速移动场景下(此时多普勒频移是主要问题)相对较大的子载波间隔也没有严重的性能降低。研究表明为了将多普勒频移的影响降低到足够低的水平应该将子载波间隔设置在kHz以上。在假设理想信道估计的参数配置下kmh移动速度下的系统吞吐量只比kmh下的系统吞吐量下降Mbits。如果是假设真实信道估计较小子载波间隔(kHz以下)对系统吞吐量的影响就较为严重。但是只要将子载波间隔保持在kHz以上多普勒频移对系统吞吐量的影响就与在理想信道估计条件下一样是轻微的。另外混合自动重传请求(HARQ)技术可以从某种程度上减轻多普勒频移的负面影响。在采用增量冗余(IncrementalRedundancyIR)合并的HARQ系统中在低速移动情况下如果将子载波间隔设置为kHz和kHz则系统相对kHz子载波间隔的系统分别有和的系统吞吐量损失如果将子载波间隔设置为kHz和kHz则系统相对kHz子载波间隔的系统CP开销从分别增大到和性能的下降和开销的提高处于可以接受的水平。在高速移动(kmh)情况下只要子载波间隔大于kHz多普勒频移就不会造成严重的性能下降。因此将子载波间隔设置在~kHz对LTE系统是比较合适的。由于kHz可以使EUTRA系统和UTRA系统具有相同的码片速率从而从某种程度上降低开发成本因此LTE最终决定在单播(Unicast)系统中采用kHz的子载波间隔相应的符号长度为µs(不包括CP)。独立载波MBMS(DedicatedCarrierMBMSDCMBMS)业务的典型应用场景为低速移动因此可以考虑使用更小的子载波间隔以降低CP开销提高系统频谱效率。经过研究决定在DCMBMS系统中采用kHz子载波相应的符号长度为µs(不包括CP)。这种情况下一个ms子帧包含六个OFDM符号。CP长度CP的长度首先是应该能将多径延迟造成的负面影响控制在可接受的水平。如图所示多径延迟在OFDM系统中的影响首先是造成符号间干扰(InterSymbolInterference)和载波间干扰(InterCarrierInterference)。CP中包含的是OFDM符号尾部的循环重复因此当多径延迟小于CP长度时OFDM接收机可以捕捉OFDM符号的全部能量。当多径延迟大于CP长度时部分符号能量将无法被接收机捕捉到但这还不是最严重的问题。更严重的问题是前一个符号的延迟超出CP的多径分量会被接收机当做后一个符号接收从而造成对后一个符号的干扰(如图中的三角部分所示)这就形成了符号间干扰。而由于错误地捕捉了相邻符号的一部分分量FFT变换就无法完全恢复子载波之间的正交性从而造成载波间干扰。当然绝大多数能量较强的多径分量通常都具有较小的多径延迟具有很大延迟的多径分量的能量也较弱。一个适当的CP一方面应足够长以避免严重的符号间干扰和载波间干扰另一方面又不能过长造成过大的CP开销带来额外的频谱效率损失。GPP长期演进(LTE)技术原理与系统设计––图CP长度对符号间干扰与载波间干扰的影响因此通过对多径时延扩展的仿真可以对不同CP值的系统的频谱效率进行评估。评估发现对于典型小区半径的单播系统当CP值为~µs时就能够实现系统频谱效率的最大化而当CP<µs或CP>µs时系统频谱效率都有所降低。除了考虑多径时延扩展的的影响还要考虑时域加窗(TimeWindowing)处理的影响。时域加窗可以保证系统符合带外杂散限制并可以有效地抑制信号的PAPR但时域加窗需要额外增加µs的CP长度。如果再考虑到多径时延检测的可能误差将CP长度设定为µs上下是比较合适的。将这一分析结论和OFDMSCFDMA符号长度、时隙长度加在一起综合考虑最终确定常规CP(NormalCP)基本长度为µs个子帧的个符号中前个符号的CP均为µs最后一个符号的CP为µs。上述分析是基于半径大小典型的小区和单播传输但LTE系统还要支持较大的小区半径(最大达km)和多小区合并EMBMS业务。对于这些应用场景需要比常规CP大得多的CP长度。经过仿真研究发现将CP长度设定在~µs之间比较合适。如果再考虑将来如果采用中继(Relay)技术或直放站可能带来的额外延迟应考虑CP长度至少为~µs。将这一分析结论和OFDMSCFDMA符号长度、时隙长度加在一起综合考虑最终确定在常规CP之外再增加个扩展CP(ExtendCP)选项长度为µs。另外对于DCMBMS系统由于符号长度为单播MBMS混合载波系统的两倍(为µs)因此扩展CP的长度进一步延长为µs可以提供更大范围的多小区SFN合并(而且即使沿用µsCP省出的µs也无法构成一个额外的的符号和CP)姑且可以将这种CP称为“超长扩展CP”。综上所述LTE系统支持的种符号结构如图所示常规小区的单播系统采用µs的CP和µs的符号大小区的单播系统或单播MBMS混合载波的EMBMS系统采用µs的CP和µs的符号DCMBMS系统采用µs的CP和µs的符号。第章LTE无线传输系统设计––图LTE采用的种符号结构参考信号设计参考信号(ReferenceSignalRS)就是常说的“导频”信号是由发射端提供给接收端用于信道估计或信道探测的一种已知信号。由于LTE改变了基本传输和多址方式原来用于CDMA系统的参考信号设计无法继续使用需要针对OFDMASCFDMA系统重新设计。下行参考信号设计在LTE早期研究中明确了下行参考信号至少可以用于如下目的。()下行信道质量测量(又称为信道探测)。()下行信道估计用于UE端的相干(Coherent)检测和解调。()小区搜索。下行参考信号由已知的参考符号构成如图所示。如果定义OFDM的基本资源单位(即个子载波个OFDM符号)为资源粒子(ResourceElementRE)则下行参考符号是以RE为单位的即一个参考符号占用一个RE。图下行单天线参考信号结构(常规CP情况)这些参考符号可分为两列:第参考符号和第参考符号。第参考符号位于每个ms时隙的第个OFDM符号第参考符号位于每个时隙的倒数第个OFDM符号。第参考符号位于第个OFDM符号有助于下行控制信号被尽早解调。当然上面所述是针对常规CP(NormalCP)情况的示例对于扩展CP(ExtendedCP)情况一个时隙内的符号数量为GPP长期演进(LTE)技术原理与系统设计––此时第列RS实际上位于第而非第个OFDM符号。在频域上每个子载波插入一个参考符号这个数值是在信道估计性能和RS开销之间求取平衡的结果RS过疏则信道估计性能无法接受RS过密则会造成RS开销过大。每个子载波插入一个RS既能在典型频率选择性衰落信道中获得良好的信道估计性能又能将RS控制在较低水平。RS的时域密度也是根据相同的原理确定的每个时隙插入两行RS既可以在典型的运动速度下获得满意的信道估计性能RS的开销又不是很大。另外第参考符号和第参考符号在频域上是交错(Staggered)放置的。而且下行参考信号的设计还必须有一定的正交性以有效地支持多天线并行传输(最多需支持个并行流)。正交参考信号设计的另一个用途是支持一个eNodeB内多个扇区之间的区分。例如实现一个小区内不同天线之间的参考信号正交性的一种方法是采用FDM(频分复用)。也就是说在图中不同天线的参考信号在频域上有一定的位移。另一种可以考虑的方法是采用CDM(码分复用)。不同小区之间的正交性即可采用CDM方式实现。下行参考信号一般是公共(Common)参考信号以广播的方式供小区内所有的UE使用。UE专用(UESpecific)的参考信号也有其用途例如可以用于支持动态波束赋形(DynamicBeamforming)。另外对于多小区合并的EMBMS系统考虑了以下两种参考信号设计。()多小区公共(Cellcommon)的参考信号:即参与多小区EMBMS发送的多个小区采用相同的参考信号这种参考信号用于单频网合并的MBMS(即MBSFN)系统只在传输MBSFN信号的子帧中发送。()具有组加扰(GroupScrambling)的小区专用(Cellspecific)参考信号:这种RS并不是用于MBSFN系统的而是用于基于多小区联合检测合并的MBMS系统(主要用于少量小区的合并)的。由于EMBMS方面的工作仍集中于MBSFN模式(见节所述)因此LTE只设计了上述第()种EMBMSRS而第()种RS没有被采用。.下行参考信号时频结构在LTE的早期研究中初步确定了如图所示的RS基本时频结构。随着研究的深入也有略微调整RS结构的提议即第列RS放置在前一时隙的最后一个OFDM符号第列RS放置在第三个OFDM符号。在图所示的方法中由于后一时隙的第列RS也用于本时隙的信道估计(支持RS之间的时域内插)因此这种新方法并不会提高信道估计性能。这种方法的潜在好处是可以略微减小信道估计时延(约~)但缺点是大大缩短了UE的微睡眠时间(约~)而且是本时隙的解调必须依赖前一帧的RS。因此LTE最终没有采用这种新的结构仍然维持图所示的基本RS结构。另一种改进方案是在空载的小区间断地发送下行RS。由于没有数据需要解调RS的密度也不需要维持原有的密度这样可以降低对相邻小区的干扰。处于RRCIDLE(无线资源控制空闲)状态的UE始终按照最稀疏的RS结构接收RS因此不会受到影响。但这种方法可以获得性能增益的场景(本小区空载而相邻小区却相当满载)比较少见而且需要额外的信令开销予以支持。更重要的是即使系统处于空载状态仍可能有UE需要下行RS进行第章LTE无线传输系统设计––小区搜索(见节)即使本小区没有UE进行小区搜索相邻小区的UE仍需要进行相邻小区测量用于可能的切换和小区重选。因此这种在空载小区进行非连续RS发送的提议没有被LTE采纳。关于第列RS的位置也曾有过讨论有提案建议将每个子帧中第个时隙的第列RS前移到该时隙的第列OFDM符号以减小用于子帧中前几个OFDM符号解调的RS的时域间隔。由于物理下行控制信道(PDCCH)总是位于一个子帧的最开始几个符号这种设计可以进一步改善PDCCH在高速移动情况下的信道估计性能从而理论上能够提高PDCCH的检测性能。但是这种设计会造成一个子帧内的两个时隙RS结构不同最后LTE也没有采纳这项修改建议。.MIMO参考信号复用一个小区内不同MIMO天线之间采用FDM的方式复用一个天线传送RS的RE不仅不用于本天线的数据传输也不再用于其他天线的数据传输以保证RS的正交传输。MIMORS的设计首先应该基于单天线基本RS结构也就是说MIMORS的设计不能影响单天线RS的位置。因此在图所示的基本RS结构基础上形成了图所示的发射天线MIMORS结构。从图中可以看到针对每个天线RS结构实际上和图完全一样只是两个天线端口(简称天线)的RS错开放置第天线的RS位置相对第天线平移了个子载波。(注:在GPP规范中天线序号称为天线、、、和习惯的天线、、、的叫法不同。读者可能会看到LTE研究过程中的大量文献使用天线、、、的叫法但这里以最终的GPP规范为准。两种命名法其实是完全等效的只是起点不同。注:图至图均是针对常规CP的示例对于扩展CP由于每个时隙只有个OFDM符号位于倒数第个OFDM符号的最后一列RS实际上是位于第个OFDM符号而非第个。)图天线MIMORS结构(常规CP情况)在天线MIMORS的基础上可以进一步扩展为天线MIMORS结构。在LTE研究中首先明确了天线MIMO的RS开销不能高于。初步确定的天线MIMORS结构如图所示。第和第天线的RS放置在第列RS中位于天线和天线的导频符号之间eNodeB可以根据具体情况选择是否发送第和第天线的参考符号。第列RS中没有插入第和第天线的RS这是因为高阶天线MIMO只可能用于相对低速移动的GPP长期演进(LTE)技术原理与系统设计––场景在这种场景下每个时隙一列RS符号就能够满足要求了。第章LTE无线传输系统设计––图LTE初期设计的天线MIMORS结构(常规CP情况)多天线RS结构其实可以考虑各种各样的设计。图中RS结构的出发点是以一套RS结构满足在各种场景下采用单天线、天线和天线MIMO的需要天线时RS总开销达到。但是为了同时满足各种场景它对某些特定场景并不一定是最优化的。例如有提议认为应针对微小区(MicroCell)这种重要场景设计一种更优化的天线MIMORS结构。这种结构考虑到微小区通常不需要支持非常高速移动的用户所以在天线和天线的时域密度上做了一定牺牲以换取RS开销的降低。这种RS结构如图所示与图中的结构不同的是天线和天线只保留第列RS而将第列导频中原本使用的RE让给了天线和天线。这样所有个天线的RS密度保持一致RS总开销降低到。文献建议在微小区使用图所示的RS结构而在宏小区中使用图所示的RS结构。在研究中普遍认可图所示的RS结构确实是对微小区的一种更优化的结构但增加这种RS结构意味着增加一种额外的RS结构选项这需要额外的信令支持而且可能给小区搜索和SCHBCH(同步信道广播信道)的设计带来额外的麻烦(UE需要识别每个小区使用的是哪种结构)。另一种修改建议主张在图所示结构的基础上进行局部修改在不增加RS开销的条件下将原本集中在第列RS的第和第天线的RS分散在第和第列这样可以获得更高的时域密度从而使天线情况下更好地支持高速移动但由于略微降低了RS的频域密度低速下的性能可能有所损失。LTE最终没有接受这两种球修改。GPP长期演进(LTE)技术原理与系统设计––图曾被考虑的对微小区优化的天线MIMORS结构(常规CP情况)天线MIMORS结构的修改是由RS跳频和RSShifting技术引起的。如本节第点所述LTE考虑采用跳频或Shifting(最终只采用了Shifting)技术抑制小区干扰如图所示。但在图所示的RS结构中第、第天线的一半RS符号和第、第天线的全部RS符号都挤在第列OFDM符号中造成第列OFDM符号过于拥挤无法进行跳频或Shifting操作。在图所示的Shifting操作中小区试图将RS位移到小区RS的相邻子载波以避免干扰但如果小区按照图所示的结构发送天线RS小区的第天线RS仍会和小区的第天线RS碰撞造成互相干扰。另外大部分RS挤在第列OFDM符号也使RS的功率加强(PowerBoosting)很难实现。正如第小节所述RSPowerBoosting的额外功率是从位于同一OFDM符号的数据RE“借”来的但在图所示的RS结构中第列OFDM中的RE都是RSRE只有是数据RE如此少的数据RE很难拿出足够的功率“借”给RSRE。图相邻小区采用Shifting方式实现FDMRS复用(常规CP情况)第章LTE无线传输系统设计––为了解决上述问题决定改变图所示的天线RS结构将第、第天线RS移到第列OFDM符号分别位于第、第天线所在的子载波如图(a)所示。需要说明的是此图是将个天线的RS画在了一张图中实际上每个天线只发射对应的RS而在其他天线发送RS的RE位置本天线不发射任何能量以避免对其他天线的RS产生干扰。以天线为例“空白RE”的位置如图(b)所示。图LTE最终采用的天线MIMORS结构(常规CP情况)GPP长期演进(LTE)技术原理与系统设计––.eNodeB间参考信号复用参考信号是数据和控制信令正确解调的基础因此应比数据信道具有更好的小区间干扰抑制能力。相邻eNodeB的RS之间采用FDM复用即占用不同的子载波组以抑制小区间干扰。eNodeB间采用频域正交的RS也有利于对数据信道采用有效的小区间干扰消除由于干扰消除不仅需要解调本eNodeB的信号可能还要解调相邻eNodeB的信号因此比对本小区解调的信道估计要求更高往往需要在SINR<的情况下取得精确的信道估计值。另外由于相邻小区占用不同的

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