【文章內(nèi)容簡介】 VE 狀態(tài)下 UE 的 LTE 接入系統(tǒng)內(nèi)的移動性管理功能； 2) X2 接口自身的管理功能，如錯誤指示等； 3) 上行負(fù)荷管理功能。 LTE 的應(yīng)用頻段 在 3GPP R8中， TDD可用的頻段從 33到 40號，有 8個。其中 B38： ~，可全球漫游； B39： ~，這是國內(nèi) TD‐ SCDMA的頻段； B40： ~，可全球漫游。 B是 Band的縮寫，代表頻段的意思。 這些頻段中，中國移動采用 B38以及 B39來實施室外覆蓋， B40來實施室內(nèi)覆蓋。 B3 B3 B40在中國移動分別又有綽號： D頻段、 F頻段和 E頻段。 表 1 TDLTE頻段 頻段 雙工方式 FDL_low/FUL_low (MHz) FDL_high/FUL_high (MHz) 33 TDD 1900 1920 34 TDD 2020 2025 35 TDD 1850 1910 36 TDD 1930 1990 37 TDD 1910 1930 38 TDD 2570 2620 39 TDD 1880 1920 40 TDD 2300 2400 41 TDD 2496 2690(非連續(xù)） TDLTE 原理及關(guān)鍵技術(shù) 17 42 TDD 3400 3600 43 TDD 3600 3800 到了 R10， 3GPP又引入了新的 TDD頻段，其中 B41為 2500~2690MHz，非常重要。因為中國政府已經(jīng)宣布，將 B41的全部頻段用于 TD‐ LTE。 LTE 的標(biāo)準(zhǔn)演進(jìn)路線 隨著移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的大量應(yīng)用以及新業(yè)務(wù)種類的出現(xiàn)，對移動通信網(wǎng)絡(luò)性能和質(zhì)量方面的要求越來越高。中國移動通信運營商從 2020年左右啟動 GPRS數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的部署工作，經(jīng)過了短短 10年左右的時間，移動通信就迅速從 2G商用進(jìn)入4G試驗網(wǎng)建設(shè)階段。對移動通信用戶來講，這意味著網(wǎng)絡(luò)性能的提高和質(zhì)量的改善，而對運營商來講，則意味著面臨網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)方向的選擇以及網(wǎng)絡(luò)運營和融合方面的挑戰(zhàn)。 數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的演進(jìn)一直朝著業(yè)務(wù)速率增加、時延降低以及 QoS提升的方向邁進(jìn)。為了實現(xiàn)這些目標(biāo)，一系列新的技術(shù)和手段都逐步被引入到通信系統(tǒng)中，如高階調(diào)制、多天線技術(shù)、新的無線接入方式等，也正是這些新的技術(shù)點帶來了通信標(biāo)準(zhǔn)的迅速發(fā)展， LTE就是面向長期演進(jìn)的體系和網(wǎng) 絡(luò)，它實際上并不是一個標(biāo)準(zhǔn)，但是它導(dǎo)致了 3G標(biāo)準(zhǔn)的全面演進(jìn)。目前 3G網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)普遍引入了 HSDPA和 HSUPA，下一步將面臨 HSPA+與 LTE演進(jìn)方向選擇的問題，分析 LTE的演進(jìn)路線和標(biāo)準(zhǔn)化的過程以及它與 HSPA+的異同，無疑有助于更深入地了解目前和未來網(wǎng)絡(luò)的演進(jìn)方向。 GSM網(wǎng)絡(luò)是最早出現(xiàn)的數(shù)字移動通信技術(shù)，它基于 FDD和 TDMA技術(shù)來實現(xiàn)，由于 TDMA的局限性， GSM網(wǎng)絡(luò)發(fā)展受到容量和服務(wù)質(zhì)量方面的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，從業(yè)務(wù)支持種類來看，雖然采用 GPRS/EDGE引入了數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，但是由于采用的是 GSM原有的空中接口 ，因此其帶寬受到限制，無法滿足數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)多樣性和實時性的需求。在技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展方面，針對 GPRS提出了 EDGE以及 EDGE+的演進(jìn)方向，但是基于 CDMA接入方式的 3G標(biāo)準(zhǔn)的出現(xiàn)使得 EDGE不再進(jìn)入人們的視線。 CDMA采用碼分復(fù)用方式，雖然 2G時代的 CDMA標(biāo)準(zhǔn)成熟較晚，但是它具有抗干擾能力強、頻譜效率高等技術(shù)優(yōu)勢，所以 3G標(biāo)準(zhǔn)中的 WCDMA、TDSCDMA和 CDMA2020都普遍采用了 CDMA技術(shù)。 演進(jìn)到 3G網(wǎng)絡(luò)時， GSM系統(tǒng)可以采用 WCMDA或者 TDSCDMA的路線，而CDMA則使用 CDMA2020的 途徑。 WCDMA和 TDSCDMA早期標(biāo)準(zhǔn)為 R99，后來 TDLTE 原理及關(guān)鍵技術(shù) 18 在 R4版本中引入 IMS， R5版本中引入 HSDPA， R6版本中引入 HSUPA， R7版本中引入 HSPA+， R8版本則面向 LTE， CDMA系列的演進(jìn)經(jīng)由 CDMA2020到 CDMA1x再到 UWB的方向發(fā)展，演進(jìn)路徑如 下 圖所示。 圖 10 3G演進(jìn)路徑 經(jīng)過協(xié)議的反復(fù)修改和最終確認(rèn)， 3G的三大主流標(biāo)準(zhǔn)都將 LTE作為其最終發(fā)展的方向，從而實現(xiàn)真正的無縫覆蓋。 圖 11 3G三大 標(biāo)準(zhǔn)最終演進(jìn)路線 TDLTE 原理及關(guān)鍵技術(shù) 19 2 TDLTE 核心技術(shù) LTE 主要有兩個核心技術(shù)，一是 OFDM 技術(shù)，另一個是 MIMO 技術(shù)。 OFDM 是一種特殊的多載波調(diào)制技術(shù)，它利用載波間的正交性進(jìn)一步提高頻譜利用率，且可以抗窄帶干擾和多徑衰落。 OFDM 的基本思想就是將串行的數(shù)據(jù)并行的調(diào)制在多個正交的子載波上，這樣可降低每個子載波的碼元速率，增大碼元的符號周期，提高系統(tǒng)的抗衰落和干擾的能力，同時由于每個子載波的正交性，頻譜的利用率大大提高。目前， OFDM 技術(shù)都可以通過 FFT 技術(shù)實現(xiàn)，所以系統(tǒng)實現(xiàn)結(jié)構(gòu)簡單。但是 OFDM 技術(shù)也存在一定的缺陷，首先對頻率偏移敏感，對同步技術(shù)的要求較高，其次， OFDM 信號的峰均比大，對系統(tǒng)中的非線性敏感。 3GPP組織決定對 LTE系統(tǒng)物理層下行傳輸方案采用先進(jìn)成熟的 OFDMA技術(shù)，對于上行傳輸考慮到 OFDM 較高的峰均比會增加終端的功放成本和功率消耗，限制終端的使用時間，決定采用峰均比比較低的單載波方案 SCFDMA 技術(shù)。 OFDM 技術(shù)是 LTE 系統(tǒng)的技術(shù)基礎(chǔ)與主要特點， OFDM 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定對整個系統(tǒng)的性能會產(chǎn)生決定性的影響，其中載波間隔又是 OFDM 系統(tǒng)的基本參數(shù)，目前 3GPP 給出了兩種載波間隔， 分別為 15kHz和 。當(dāng)傳輸信道中出現(xiàn)多徑傳播時，接收子載波間的正交性就會被破壞，使得每個子載波上的前后傳輸符號間以及各個子載波間發(fā)生相互干擾。為了解決這個問題，在每個 OFDM 符號前插入保護(hù)間隔，即循環(huán)前綴，它是由 OFDM 符號進(jìn)行周期擴(kuò)展得到的。循環(huán)前綴 CP（ Cyclic Prefix）的長度決定了 OFDM 系統(tǒng)的抗多徑衰落能力和覆蓋能力。長 CP 利于克服多徑干擾，支持大范圍覆蓋，但是系統(tǒng)的開銷也會相應(yīng)增加，導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸能力下降。為了達(dá)到小區(qū)半徑 100km的覆蓋要求， LTE 系統(tǒng)采用長短兩套循環(huán)前綴方案 ，也即是普通 CP 和增強型 CP 兩種方案。根據(jù)具體場景進(jìn)行選擇 CP，一般普通 CP 方案為基本選擇，增強型 CP 方案用于支持 LTE大范圍小區(qū)覆蓋和多小區(qū)廣播業(yè)務(wù)。 MIMO 作為提高系統(tǒng)傳輸率的最重要手段，也被 3GPP 采用為 LTE 的一項核心技術(shù)。 LTE 已確定可采用的天線數(shù)為 2 或 4， MIMO 的天線個數(shù)基本配置為 2*2,4*4 高階天線配置正在考慮中。下行方向 MIMO 的方案較多，根據(jù) 2020年 3 月雅典會議報告， LTE MIMO 下行方案可分為兩大類：發(fā)射分集和空間復(fù)用兩類。目前，考慮采用的發(fā)射分集方案包括基于碼塊的發(fā)射分集 （ STBC、 SFBC），時間 /頻率轉(zhuǎn)換發(fā)射分集（ TSTD、 FSTD），循環(huán)延遲分集（ CDD），循環(huán)移位 TDLTE 原理及關(guān)鍵技術(shù) 20 分集（ CSD），基于預(yù)編碼向量選擇的預(yù)編碼技術(shù)，其中預(yù)編碼技術(shù)已被確認(rèn)為多用戶 MIMO 的傳輸方式。 LTE 系統(tǒng)按照雙工方式可以分為兩種： FDD 和 TDD。 LTE 上行主要關(guān)注的首要問題是峰均比的問題，目前主要考慮采用位移 BPSK 和頻域濾波兩種方案進(jìn)一步降低上行 SCFDMA 的峰均比。 LTE 下行鏈路要求傳輸速率可到 100Mbps，故高峰值速率是 LTE 下行鏈路需要解決的主要問題。為了實現(xiàn)該目標(biāo)，在 3G 原有的 QPSK、 16QAM 的基礎(chǔ)上， LTE 系統(tǒng)新增加了 64QAM 高階調(diào)制。 LTE 的信道編碼主要有兩種，一種是采用 Turbo 信道編碼， Turbo 編碼在 FPGA 中較容易實現(xiàn)，另一種采用咬尾卷積編碼，實現(xiàn)也較簡單。 OFDM OFDM（ Orthogonal Frequency Division Multiplexing）即正交頻分復(fù)用技術(shù)，實際上 OFDM 是 MCM（ MultiCarrier Modulation）多載波調(diào)制的一種。其主要思想是：將信道分成若干正交子信道，將高速數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)換成并行的低速子數(shù)據(jù)流，調(diào)制到每個子信道上 進(jìn)行傳輸。正交信號可以通過在接收端采用相關(guān)技術(shù)來分開，這樣可以減少子信道之間的相互干擾 ICI。每個子信道上的信號帶寬小于信道的相關(guān)帶寬，因此每個子信道上的可以看成平坦性衰落，從而可以消除符號間干擾。而且由于每個子信道的帶寬僅僅是原始帶寬的一小部分，信道均衡變得相對容易。 圖 12 頻域波形 OFDM的技術(shù)發(fā)展 OFDMA 起源于二十世紀(jì)四十年代的第二次世界大戰(zhàn)時期，早期用于美國軍方的高頻通信項目，主要技術(shù)特點是采用多個并行傳輸信道進(jìn)行信號傳輸。 1966 TDLTE 原理及關(guān)鍵技術(shù) 21 年， Robert W. Change 第一次提出了一種在有限帶寬下并行傳輸多個數(shù)據(jù)流，并確保各數(shù)據(jù)流間的無符號間干擾（ ISI， InterSymbol Interference）和無載波間干擾（ ICI， InterCarrier Interference）的并行信號傳輸方式，并于 1970 年獲得了OFDM 的第一個專利。 但此時的 OFDM 多址接入技術(shù)在實際系統(tǒng)應(yīng)用中還存在眾多難以克服的困難。主要表現(xiàn)是：每個子載波需要單獨的信號振蕩器用于信號的生成和調(diào)制，這對硬件的要求比較高，且由于信號振蕩器間的非同步，容易造成子載波間干擾；同 時，由于子載波信號的單獨調(diào)制和生成，在子載波數(shù)量比較多的情況下，基帶信號處理計算復(fù)雜度也很高。 隨著 OFDM 的兩個重要實用化設(shè)計方案的提出，為 OFDM 的大規(guī)模應(yīng)用鋪平了道路。一個是在 1971年 Weinstein和 Ebert提出了采用離散傅里葉變換（ DFT， Discrete Fourier Transform）進(jìn)行 OFDM 信號的調(diào)制和解調(diào)，使得 OFDM 各子載波信號的生成只需要一個信號振蕩器，從而使得 OFDM 調(diào)制的實現(xiàn)更為簡單。另一個重要設(shè)計是 Peled和 Ruiz在 1980年提出了在 OFDM各子載波符號中引入循環(huán)前綴（ CP， Cyclic Prefix）的設(shè)計，從而使得 OFDM 各子載波調(diào)制信號在復(fù)雜的傳輸信道中仍然能夠保證正交性。 采用循環(huán)前綴的 OFDM 符號方式如下圖所示。在圖中，一個 OFDM 符號后部的部分信號被復(fù)制并放在信號的最高端。相比原有的在 OFDM 符號間插入空時隙保護(hù)間隔方法，插入循環(huán)前綴方式使得 OFDM 符號在接收處理時，信道實現(xiàn)類似于一個具有循環(huán)卷積特性的信號。在信號的多徑不大于 CP 長度的情況下，保證了在多徑頻選信道中各子載波間的正交性，減少了 ICI。 圖 13 OFDM符號生成方式 目前， OFDM多址接入技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于無線廣播系統(tǒng)，如 DAB（ Digital Audio Broadcast）、 DVB（ Digital Video Broadcast）以及無線局域網(wǎng)和近距離通信，如 IEEE 、 等系統(tǒng)，并將在未來的第四代移動通信系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用。 TDLTE 原理及關(guān)鍵技術(shù) 22 OFDMA 的基本原理 OFDMA 多址接入方式，本質(zhì)上仍然是一種頻分復(fù)用多址接入方式，不同的用戶被分配在各子載波上，通過頻率資源上的正交方式來區(qū)分用戶。傳統(tǒng)的FDMA 多 址方式中，各子載波間通過一定的頻率間隔來避免載波間的干擾。與傳統(tǒng)的 FDMA 相比， OFDMA 的各子載波間通過正交復(fù)用方式避免干擾，有效地減少了載波間的保護(hù)間隔，提高了頻譜利用率。下圖給出了傳統(tǒng) FDMA 和OFDMA 的信號生成方式的區(qū)別，從圖中可以看到，在傳輸同等帶寬的數(shù)據(jù)符號時， OFDMA 需要更小的帶寬。 圖 14 傳統(tǒng) FDMA 和 OFDMA 信號生成方式的區(qū)別 OFDM 多址方式的發(fā)送及接收機(jī)結(jié)構(gòu)如下圖所示。以 OFDM 發(fā)射端為例，首先對發(fā) 送信號進(jìn)行信道編碼并交織，然后將交織后的數(shù)據(jù)比特進(jìn)行串 /并轉(zhuǎn)換，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制后映射到 OFDM 符號的各子載波上；將導(dǎo)頻符號插入到相應(yīng)子載波后，對所有子載波上的符號進(jìn)行傅里葉反變換生成時域信號，并對其進(jìn)行并 /串變換；在每個 OFDM 符號前插入 CP 后，進(jìn)行數(shù) /模轉(zhuǎn)換并上變頻到發(fā)射頻帶上進(jìn)行信號發(fā)送。接收端信號處理是發(fā)送端的逆過程。 圖 15 OFDM發(fā)送端結(jié)構(gòu)圖 圖 16 OFDM接收端結(jié)構(gòu)圖 TDLTE 原理及關(guān)鍵技術(shù) 23 OFDM作為未來無線通信應(yīng)用的主要多址接入技術(shù)，相對于其他多址方式，具有以下幾方面的優(yōu)勢： 1) 頻譜效率更高。相對于傳統(tǒng)的頻分復(fù)用技術(shù)，各子載波相互重疊，理論上可以接近 Nyquist 極限 。 同時，由于具有良好的多址正交性，保證較低的用戶間干擾，以 OFDM 為調(diào)制多址方式的系統(tǒng)具有更高的頻譜效率。 2) 接收信號處理更為簡單，降低了接收機(jī)的實現(xiàn)復(fù)雜度。對于傳統(tǒng)的窄帶無線傳輸系統(tǒng)，由于多徑所帶來的頻選特性并不明顯，一般通過采用時域自適應(yīng)濾波器來補償衰落信道的損失和減少符號間干擾。但對于寬帶系統(tǒng)，符號間的串?dāng)_將達(dá)幾十甚至幾百符號，如果仍采用時域自適應(yīng)濾波器方式來補充信道的損失，這會給接收