LTE上行接入技術(shù)研究

嚴(yán)秋實(shí)

（重慶郵電大學(xué)下一代網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用技術(shù)研究所 重慶 400065）

現(xiàn)代移動通信使人們之間信息交流無比便利，基本實(shí)現(xiàn)了在任何時間，任何地點(diǎn)與任何人進(jìn)行溝通的目標(biāo)。一直以來，人們?yōu)樘岣咭苿油ㄐ诺姆椒矫婷娑恍概Α＞鸵苿油ㄐ畔到y(tǒng)而言，要提高其性能主要有兩個方面：一是提高其基帶傳輸能力；二是通過無線資源的最優(yōu)分配提高系統(tǒng)性能。上行接入是無線資源分配的一個重要層面，優(yōu)秀的上行接入方案既能保證用戶的QoS需求又能在有限的頻譜上服務(wù)盡量多的用戶。

LTE（Long Time Evolution，長期演進(jìn)）是3GPP提出的3G網(wǎng)絡(luò)長期演進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)，可以在3G網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高系統(tǒng)的頻譜效率和數(shù)據(jù)傳輸速率，使其上、下行峰值速率分別達(dá)到50Mbit/s和100Mbit/s。LTE標(biāo)準(zhǔn)定義的上行接入中，引入了全新的接入技術(shù)和組網(wǎng)模式。

1 LTE上行接入技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)展

目前，移動通信系統(tǒng)日益呈現(xiàn)出寬帶化、IP化發(fā)展趨勢，ITU（International Telecommunication Union，國際電信聯(lián)盟）對此提出了新的更高要求——IMT-Advanced，也就是我們目前所說的4G技術(shù)。LTE是3GPP組織提出的3G網(wǎng)絡(luò)長期演進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)也是4G技術(shù)的主流演進(jìn)方向。

2004年12月，LTE可行性研究計(jì)劃正式啟動；2005年12月，LTE早期標(biāo)準(zhǔn)化工作確立了下行OFDMA（Orthogonal Frequency Division Multiplexing Access，正交頻分多址）和上行SC-FDMA（Single Carrier- Frequency Division Multiplexing Access，單載波頻分多址）的基本框架；2009年1月全球首個LTE商用網(wǎng)絡(luò)在挪威首都奧斯陸部署。至此，LTE逐漸發(fā)展成熟，走向商用。

2 LTE上行接入關(guān)鍵技術(shù)

LTE上行接入的技術(shù)性能在3G的基礎(chǔ)上有了很大的提高。20MHz頻率帶寬上可以提供50Mbit/s的上行峰值速率，是3G網(wǎng)絡(luò)HSUPA技術(shù)的2～3倍；系統(tǒng)上行時延將得到很大改善，用戶面單向時延可以控制在5ms以內(nèi)，控制面時延也小于100ms；頻譜靈活性大，支持成對或非成對頻譜，并可配置1.25～20MHz多種帶寬。

LTE上行接入主要關(guān)注SC-FDMA相關(guān)物理層鏈路自適應(yīng)技術(shù)、MIMO（Multiple-Input Multiple-Output，多輸入多輸出）和上行分組調(diào)度。

2.1 鏈路自適應(yīng)技術(shù)

LTE上行接入采用基于SC-FDMA的鏈路自適應(yīng)技術(shù)，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)頻譜靈活性，同時也能滿足有關(guān)吞吐量和頻譜效率的苛刻指標(biāo)。

LTE物理層使用1ms TTI（Transmit Time Interval，傳輸時間間隔）為其上的網(wǎng)絡(luò)層提供共享信道。SCFDMA技術(shù)可以隨時探測頻率和時間域內(nèi)的變化，結(jié)合UE速率請求和所處信道條件迅速適應(yīng)各種信道變化。在不同信道條件下，使用AMC（Adaptive Modulation Coding，自適應(yīng)調(diào)制編碼）進(jìn)行調(diào)制編碼。帶寬和發(fā)射功率一旦確定，AMC選擇頻譜利用率最高的方式進(jìn)行調(diào)制編。LTE上行支持BPSK，QPSK，8PSK和16QAM多種調(diào)制方式，Turbo編碼速率也可以在1/3，1/2，3/4和5/6中選擇。

2.2 MIMO

MIMO技術(shù)是指在發(fā)射端和接收端分別使用多個發(fā)射天線和接收天線，信號通過發(fā)射端和接收端的多個天線傳送和接收，從而提高傳輸速率，降低誤碼率，改善每個用戶的服務(wù)質(zhì)量。MIMO技術(shù)對于傳統(tǒng)的單天線系統(tǒng)來說，能夠大大提高頻譜利用率，使得系統(tǒng)能在有限的無線頻帶下傳輸更高速率的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。LTE上行接入多天線配置為2×2方式，可應(yīng)用循環(huán)移位分集、時空/頻塊碼、空分復(fù)用和預(yù)編碼等分集技術(shù)。

LTE上行接入還支持一種被稱為虛擬MIMO（Virtual MIMO）的技術(shù)。動態(tài)的將兩個上行單天線發(fā)送的UE配成一對，實(shí)現(xiàn)虛擬多天線傳輸，使配對的UE共享時頻資源。

2.3 上行分組調(diào)度

LTE上行接入在時域和頻域上都可以區(qū)分用戶，同時支持基于調(diào)度和基于競爭的資源分配方式。調(diào)度方式下，根據(jù)UE速率請求，用戶QoS要求，信道質(zhì)量和傳輸能力等指標(biāo)綜合權(quán)衡時頻資源調(diào)配，最后通過下行調(diào)度指令指示UE使用選定的頻帶和傳輸格式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。競爭方式下，UE允許在一些預(yù)先確定的時頻資源上直接進(jìn)行傳輸，用于實(shí)現(xiàn)用戶的隨機(jī)接入。

LTE上行分組調(diào)度技術(shù)要求頻率資源的調(diào)配必須滿足正交性原則，這樣小區(qū)內(nèi)用戶間相互干擾理論上為0，可以最大限度的減少干擾，提高服務(wù)質(zhì)量；使用SC-FDMA傳輸方式，小區(qū)內(nèi)每個UE得到的傳輸頻帶必然是連續(xù)的，這種連續(xù)的帶寬分配方式還可以獲得額外的頻率選擇性分集增益。

3 LTE上行接入體系結(jié)構(gòu)

LTE上行接入體系結(jié)構(gòu)基于3G網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架，但有很大的不同。

組網(wǎng)模式上，LTE在3G網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上做了重大調(diào)整。在無線接入網(wǎng)中去掉了RNC（Radio Network Controller，無線網(wǎng)絡(luò)控制器）這個網(wǎng)元設(shè)備，由Node B構(gòu)成單層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，簡化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，降低時延。將RNC的功能分散到Node B和aGW（Access Gateway，接入網(wǎng)關(guān)）中。

承載上，LTE是一個全分組系統(tǒng)，沒有支持傳統(tǒng)的電路交換域的相關(guān)設(shè)備和協(xié)議。

圖1顯示了LTE上行接入的體系結(jié)構(gòu)和各接口協(xié)議應(yīng)用情況。從控制面來看，除了非接入層（NAS）協(xié)議之外，所有無線接口協(xié)議都終結(jié)于Node B，實(shí)現(xiàn)由Node B單層平滑組網(wǎng)。從用戶面看，整個接入系統(tǒng)都統(tǒng)一于IP之下，實(shí)現(xiàn)了全分組接入,直接和核心網(wǎng)（CN）連接。

LTE上行接入所應(yīng)用到的主要接口協(xié)議還有PDCP（分組數(shù)據(jù)融合協(xié)議）負(fù)責(zé)處理無線接口的報頭壓縮和安全功能；RLC（無線鏈路控制）協(xié)議主要負(fù)責(zé)確保數(shù)據(jù)的無損耗傳輸； MAC（媒體接入控制）協(xié)議負(fù)責(zé)處理接入調(diào)度；RRC（無線資源控制）協(xié)議負(fù)責(zé)處理無線承載的建立、激活模式的移動性管理以及系統(tǒng)信息的廣播；PHY（物理接口收發(fā)）協(xié)議用于實(shí)現(xiàn)物理層連接。

圖1 LTE上行接入體系結(jié)構(gòu)及相關(guān)接口協(xié)議

4 總結(jié)

由于鏈路自適應(yīng)技術(shù)的使用，LTE上行接入峰值速率在20MHz的頻帶上，可達(dá)到50Mbit/s，其吞吐率比3G網(wǎng)絡(luò)提高接近20倍；MIMO和上行分組調(diào)度技術(shù)的使用使系統(tǒng)平均時延控制在極低的范圍之內(nèi)。這些性能的提升可通過大部分軟件升級和部分硬件改造來獲得。隨著全球移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的迅猛發(fā)展，對上行鏈路的數(shù)據(jù)速率和時延性能的要求越來越高，LTE上行接入必然成為下一代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)演進(jìn)的主要關(guān)注點(diǎn)。本文從LTE上行接入技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)展情況出發(fā)，通過對其關(guān)鍵技術(shù)細(xì)節(jié)（包括鏈路自適應(yīng)技術(shù)，MIMO，上行分組調(diào)度），性能（包括峰值速率、時延等），對設(shè)備的改動等方面的研究，較為全面地對該技術(shù)進(jìn)行了分析和介紹。

[1]3GPP TR 25.913 Requirements for Evolved UTRA (E-UTRA)and Evolved UTRAN (EUTRAN)

[2]3GPP TS 25.211 v7.0.0, Physical Channels and Mapping of Transport Channels onto Physical Channels

[3]3GPPT S2 5.212v 7.0.0 Multiplexing and Channel Coding

[4]Beming P, Frid L,et al. LTE architecture. Ericsson Review