理解LTE中的基本概念

理解LTE中的基本概念LTE是3G時(shí)代向后發(fā)展的其中一個(gè)方向，作為3GPP標(biāo)準(zhǔn)，它能提供50Mbps的上行（uplink）速度以及100Mbps的下行（downlink）速度。LTE在很多方面對(duì)蜂窩網(wǎng)路做了提升，比如，資料傳輸帶寬可設(shè)定在1.25MHz到20MHz的范圍，這點(diǎn)很適合擁有不同帶寬資源的運(yùn)營商（關(guān)於運(yùn)營商的定義，國外將Carrier表示簽發(fā)SIM卡的機(jī)構(gòu)，而Operator則表示對(duì)SIM卡提供服務(wù)的機(jī)構(gòu)，這裡統(tǒng)稱為運(yùn)營商），并且它允許運(yùn)營商根據(jù)所擁有的頻譜資源提供不同的服務(wù)。再比如，LTE提升了3G網(wǎng)路的頻譜效率，運(yùn)營商可以在同樣的帶寬范圍內(nèi)提供更多的資料和更高品質(zhì)的語音服務(wù)。雖然目前LTE的規(guī)范還沒有最終定案，但以目前LTE的發(fā)展形式可以預(yù)料未來十年LTE將能夠滿足高速資料傳輸、多媒體服務(wù)以及高容量語音服務(wù)的需求。

LTE所採用的物理層（PHY）採用了特定的技術(shù)在增強(qiáng)型基站（eNodeB）和移動(dòng)設(shè)備（UE）之間進(jìn)行資料與控制信號(hào)的傳輸。這些技術(shù)有些對(duì)於蜂窩網(wǎng)路來說是全新的，包括正交頻分復(fù)用技術(shù)（OFDM）、多輸入多輸出技術(shù)（MIMO）。另外，LTE的物理層還針對(duì)下行連接使用了正交頻分多址技術(shù)（OFDMA），對(duì)上行連接使用了單載波頻分多址技術(shù)（SC-FDMA）。在符號(hào)週期（symbolperiod）不變的情況下，OFDMA按照subcarrier-by-subcarrier的方式將資料直接發(fā)送到多個(gè)用戶，或者從多個(gè)用戶接收資料。理解這些技術(shù)將有助於認(rèn)識(shí)LTE的物理層，本文將對(duì)這些技術(shù)進(jìn)行敘述，要說明的是，雖然LTE規(guī)范分別就上行和下行連接兩個(gè)方面描述頻分雙工FDD和時(shí)分雙工TDD，但實(shí)際多採用FDD。在進(jìn)入正文之前，還要瞭解的一點(diǎn)是，信號(hào)在無線傳輸?shù)倪^程中會(huì)因?yàn)槎嗦窂絺鬏敚╩ultipath）而產(chǎn)生失真。簡單的說，在發(fā)射端和接收端之間存在一個(gè)瞄準(zhǔn)線（line-of-sight）路徑，信號(hào)在這個(gè)路徑上能最快的進(jìn)行傳輸，而由於信號(hào)在建筑物、汽車或者其他障礙物會(huì)產(chǎn)生反射，從而使得信號(hào)有許多傳輸路徑，見圖1。一、單載波調(diào)制和通道均衡（channelequalization）時(shí)至今日，蜂窩網(wǎng)路幾乎無一例外的採用單載波調(diào)制方式。雖然LTE更傾向於使用OFDM，而不是單載波調(diào)制，但是簡單的討論一下基於單載波的系統(tǒng)是怎樣處理多徑干擾（既由多路徑傳輸引起的信號(hào)失真）是有幫助的，因?yàn)樗梢宰鳛閰⒖键c(diǎn)與OFDM系統(tǒng)進(jìn)行比較。時(shí)延擴(kuò)展（delayspread）表示信號(hào)從發(fā)射端從不同的路徑傳送到接收端的延遲時(shí)間，在蜂窩網(wǎng)路中，時(shí)延擴(kuò)展大約為幾微秒。這種延遲會(huì)引起最大問題是，通過延遲路徑到達(dá)接收端的符號(hào)（symbol）會(huì)對(duì)隨后的符號(hào)造成干擾，圖2描述了這種情況，它通常被稱為碼間干擾，即圖中的ISI。在典型的單載波系統(tǒng)裡，符號(hào)時(shí)間（symboltime）隨著傳輸率的增加而降低，傳輸率非常高的時(shí)候，相應(yīng)的符號(hào)週期（symbolperiod）更短，很可能會(huì)發(fā)生ISI大於符號(hào)週期的情況，這種情況甚至可能會(huì)影響到隨后的第二個(gè)、第叁個(gè)符號(hào)。在頻域（frequencydomain）對(duì)多徑干擾（multipathdistortion）進(jìn)行分析是很重要的。不同的傳輸路徑和反射程度，都將引起不同的相位偏移（phaseshift）。當(dāng)所有經(jīng)過不同路徑達(dá)到接收端的信號(hào)合併以后，通頻帶（passband）的頻率將會(huì)受到相長干擾（constructiveinterference），即同相位（in-phase）信號(hào)的線性合併，其他頻率則受到相消干涉（destructiveinterference），類似的，這個(gè)過程可以看成是反位元相（out-of-phase）信號(hào)的線性合併。合併信號(hào)由於選頻電路的衰減而產(chǎn)生失真，見圖3。圖3.時(shí)延擴(kuò)展（delayspread）過長將會(huì)導(dǎo)致頻選衰減（即圖中的feedfades）。單載波系統(tǒng)通過時(shí)域的均衡來補(bǔ)償通道的失真，這是它本身所具備的優(yōu)點(diǎn)，這裡不做詳細(xì)敘述。如果要在時(shí)域做均衡以補(bǔ)償多徑干擾，可以通過以下兩個(gè)方法來實(shí)現(xiàn)：（1）通道反轉(zhuǎn)（channelinversion）。在發(fā)送資料之前，優(yōu)先發(fā)送一個(gè)特殊的序列，因?yàn)樵假Y料只有在接收端才能被識(shí)別，通道均衡器能夠決定通道是否回應(yīng)這個(gè)原始資料，而且它能通過反轉(zhuǎn)通道來增加對(duì)資料的承載能力，以此來抑制多徑干擾的問題。（2）CDMA系統(tǒng)可以採用梳狀（rake）均衡器來處理特定的路徑，然后按時(shí)間錯(cuò)位的順序來合併數(shù)位信號(hào)，通過這樣來提升接收信號(hào)的信噪比（SNR）。在另一方面，隨著資料率的增加，通道均衡器的實(shí)現(xiàn)方法也隨之變得復(fù)雜。符號(hào)時(shí)間也變得更短，這時(shí)候，接收端的採樣時(shí)鐘必須相應(yīng)的更快。ISI將變得更加嚴(yán)峻，甚至在某些極端情況它可能會(huì)超出幾個(gè)字元週期。率恰好是子載波的中心頻率，除非在下變頻轉(zhuǎn)換的過程中出現(xiàn)錯(cuò)誤。接收信號(hào)在RF載波頻率進(jìn)行下變頻轉(zhuǎn)換后，然后在基帶頻率進(jìn)行FFT。下變頻轉(zhuǎn)換通常是採用直接變頻的方法進(jìn)行，即接收信號(hào)與本振頻率（LO）混合。在理想情況下，載波信號(hào)與接收端的LO是相同的，但在實(shí)際中這點(diǎn)很難做到。發(fā)射端和接收端LO總是會(huì)產(chǎn)生偏移，因此必須採用更加有效的方法使它們同步。為了做到這一點(diǎn)，每一個(gè)基站週期性的發(fā)送同步信號(hào)，這些同步信號(hào)除了被用於LO的同步之外，還被用於初始的資料獲取和移交等其他任務(wù)。即便是這樣，其他的干擾源也可能會(huì)使信號(hào)出現(xiàn)不同步的問題，比如Doppler頻移和本振相位雜訊，這些干擾都有可能導(dǎo)致圖7中的ICI。出於上述這些原因，必須對(duì)信號(hào)的頻率進(jìn)行持續(xù)的監(jiān)視。任何偏移都必須在基帶處理的過程中被糾正以避免產(chǎn)生額外的ICI。圖7.頻率偏移導(dǎo)致載波間干擾（ICI）。OFDM的另外一個(gè)最大的缺點(diǎn)是PAPR過大。對(duì)於一個(gè)單獨(dú)的OFDM符號(hào)來說，瞬態(tài)發(fā)射的RF功率可以發(fā)生明顯的改變，前面提到，OFDM符號(hào)是所有子載波的合併，子載波電壓可以在符號(hào)的任何位置上加入同位相，這將產(chǎn)生非常高的瞬態(tài)峰值功率。高PAPR要求A/D和D/A轉(zhuǎn)換的動(dòng)態(tài)范圍增大，更重要的是，它同時(shí)減小了RF功率放大器的效率。有時(shí)候單載波系統(tǒng)使用固定的資料包調(diào)制方式，比如Gaussian最小移相鍵控（GMSK），或者移相鍵控技術(shù)（PSK）。當(dāng)信號(hào)保持穩(wěn)定的放大的時(shí)候，資料通過改變瞬態(tài)頻率或者相位進(jìn)行傳輸。RFPA并不需要高度的線性，事實(shí)上，在驅(qū)動(dòng)PA的時(shí)候可以將其信號(hào)“箝制”在最大值和最小值之間擺動(dòng)。輸出濾波器可以消除由信號(hào)“箝制”引起的諧波失真。如果RFPA可以用這種方法實(shí)現(xiàn)，它們將達(dá)到70??效率。通過上述的比較可以看出，OFDM并不是一種完全採用資料包的調(diào)制方式。在每一個(gè)符號(hào)裡，子載波的幅度和相位是不變的，在對(duì)OFDM符號(hào)進(jìn)行處理的過程中，有可能存在幾個(gè)的峰值。RFPA必須具備在沒有對(duì)信號(hào)進(jìn)行“箝制”的前提下處理電壓擺動(dòng)的問題，因此需要更大的放大器來應(yīng)對(duì)功率的需求，這樣帶來的結(jié)果是效率的降低。RFPA處理OFDM的效率可以小於20??雖然可以進(jìn)行一些測(cè)量來減小電壓峰值，OFDM系統(tǒng)中PAPR過大的問題仍然會(huì)導(dǎo)致RFPA效率比單載波系統(tǒng)小。三、正交頻分多址技術(shù)（OFDMA）OFDMA技術(shù)被用於LTE的下行連接，為了方便理解OFDMA，下面將它與分組（packet-oriented）網(wǎng)路方案進(jìn)行比較。802.11a屬於分組的網(wǎng)路方案，它所採用的載波偵聽多路訪問技術(shù)（CSMA）同樣屬於多工技術(shù)，從固定的接入點(diǎn)AP到移動(dòng)用戶的上行和下行連接是通過對(duì)物理層的資料進(jìn)行封裝打包的方法進(jìn)行的，而OFDMA技術(shù)能更有效的利用網(wǎng)路資源。1、OFDMA與分組協(xié)議的比較跟LTE類似的是，IEEE802.11a採用OFDM作為基本的調(diào)制方式。但不同的是，802.11a使用CSMA作為其多工技術(shù)的基礎(chǔ)，CSMA本質(zhì)上是一種“l(fā)istenbeforetalk”的方案，舉例來說，如果AP對(duì)於用戶端來說有排列處理的任務(wù)，它將監(jiān)測(cè)通道是否處於工作狀態(tài)。當(dāng)通道處於閒置狀態(tài)的時(shí)候，內(nèi)部的計(jì)時(shí)器將開始工作，計(jì)時(shí)器隨機(jī)產(chǎn)生，并且在網(wǎng)路仍然處於閒置狀態(tài)的時(shí)候，它將繼續(xù)保持工作狀態(tài)。當(dāng)計(jì)時(shí)器到零的時(shí)候，AP將發(fā)射一個(gè)2000bytes位元址的物理層資料包到用戶端，也或者在同一個(gè)蜂窩區(qū)域內(nèi)對(duì)所有的用戶廣播這個(gè)地址。在這個(gè)過程中，通過加入后退（back-off）時(shí)間來減小衝突。圖8.在IEEE802.11a裡，每一個(gè)資料前端都包含前同步碼（preamble）和報(bào)頭（header）。在802.11a協(xié)定裡，資料包的處理過程將佔(zhàn)用所有帶寬，圖8顯示了802.11a物理層資料包的格式，資料包的長度從64到2048byte不等。如果資料包得以成功發(fā)射，接收端將發(fā)送一個(gè)ACK信號(hào)，沒被識(shí)別的資料包將被忽略。每一個(gè)資料包的前端為20μs的前同步碼，它的作用是信號(hào)偵測(cè)、天線分集選擇、設(shè)置AGC、評(píng)估頻率偏移、時(shí)序同步、通道評(píng)估。在PHY前同步碼裡并不包含接收端定位的資訊，這些資訊包含在資料包中并在MAC層進(jìn)行解析。從網(wǎng)路的角度來看，802.11a所採用的分組協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)是它比較簡單。每一個(gè)資料包都對(duì)應(yīng)一個(gè)接收單元（recipient）。然而，CSMA多路方案中的后退（backoff）時(shí)間會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)處於空閒狀態(tài)，這會(huì)降低整體的效率。不僅如此，PHY的前同步碼也是網(wǎng)路資料傳輸?shù)呢?fù)擔(dān)，同樣會(huì)降低效率。在實(shí)際運(yùn)用中，802.11a的效率為50??換句話說，對(duì)於54Mbps的網(wǎng)路來說吞吐量為25到30Mbps。也可以放棄使用CSMA的多路方案來，轉(zhuǎn)而採用資料包的方案來提供整體的效率。由於發(fā)送ACK信號(hào)而導(dǎo)致的效率降低可以通過另外一種方法來緩解，即以組為單位來識(shí)別ACK信號(hào)，而不是逐個(gè)識(shí)別。儘管這種方法能提升系統(tǒng)的效率，但它仍然不能使分組網(wǎng)路的效率超過65?°70??更重要的是，每一個(gè)資料包在傳輸和識(shí)別的時(shí)候?qū)?zhàn)用整個(gè)網(wǎng)路資源，AP只能按順序?yàn)榻K端用戶提供定位。在同一個(gè)蜂窩區(qū)域內(nèi)如果用戶的數(shù)量過多，延遲便成為突出的問題，特別是，蜂窩運(yùn)營商要擴(kuò)充更多的業(yè)務(wù)，這種延遲的問題將變得更加嚴(yán)峻。從下文我們可以看出OFDMA將比分組方案在這些方面具有怎樣的優(yōu)勢(shì)。2、OFDMA和LTE的幀結(jié)構(gòu)對(duì)於LTE下行連接來說，OFDMA是一種比較可行的多路復(fù)用方案。雖然它增加了系統(tǒng)的復(fù)雜程度，但是在效率和延遲方面，它遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)於分組的方案。在OFDMA裡，在一定的時(shí)間內(nèi)用戶被分配予一定數(shù)量的子載波，在LTE規(guī)范裡這些被分配的子載波被定義為物理層資源塊（PRB），PRB同時(shí)受到時(shí)間和頻率的影響。通常PRB的分配工作主要在基站進(jìn)行。圖9.LTE的資料幀結(jié)構(gòu)為了進(jìn)一步解釋OFDMA，這裡還需要認(rèn)識(shí)物理層的幀結(jié)構(gòu)。以FDD類型的幀結(jié)構(gòu)為例子，見圖9，LTE的幀為10ms，它包括十個(gè)子幀部分，每個(gè)子幀部分為1ms。根據(jù)是否採用了普通的或者增強(qiáng)型的循環(huán)首碼，每一個(gè)子幀又包含兩個(gè)slote（參見圖9）。PRB被定義為包含12個(gè)連續(xù)的子載波。在基站對(duì)資源分配的過程中，PRB是最小的元素，表1給出了下行帶寬的分配情況。表1.下行的帶寬分配見圖10，下行信號(hào)在Nsymb的符號(hào)裡包括NBW個(gè)子載波，每一個(gè)網(wǎng)格代表一個(gè)符號(hào)週期的單載波，它被定義為“resouceelement”。這裡要注意的是，在MIMO系統(tǒng)裡，對(duì)於每一個(gè)發(fā)射天線對(duì)應(yīng)一個(gè)網(wǎng)格。和分組格式的網(wǎng)路相比，LTE并沒有採用前同步碼來進(jìn)行載波偏移的評(píng)估、通道的評(píng)估、時(shí)間同步的評(píng)估等等。取而代之的是，在PRB裡嵌入了特殊的參考信號(hào)，如圖11所示。如果使用的是短CP，參考信號(hào)將在第一個(gè)和第五個(gè)OFDM符號(hào)發(fā)送，如果使用的是長CP，參考信號(hào)將在第一個(gè)和第四個(gè)OFDM符號(hào)發(fā)送。每第六個(gè)子載波發(fā)送參考信號(hào)，并且參考信號(hào)在時(shí)間和頻率上進(jìn)行交叉處理。承載符號(hào)的通道回應(yīng)可以直接進(jìn)行計(jì)算。圖10.下行數(shù)據(jù)的分配圖11.LTE的參考信號(hào)被佈置在頻譜中四、多入多出技術(shù)（MIMO）和最大比率合成（MRC）LTE的物理層可以同時(shí)在基站和UE端使用多個(gè)收發(fā)器，這是為了提升連接的堅(jiān)固性以及增加LTE下行連接的資料傳輸率。在實(shí)際中，當(dāng)信號(hào)的強(qiáng)度非常低或者出現(xiàn)多路徑傳輸?shù)那闆r，最大的資料率合併MRC被用於提升連接可靠性。MIMO就是其中的一種被用提升系統(tǒng)資料傳輸率的技術(shù)。圖12.MRC/MIMO需要多個(gè)收發(fā)器圖12左顯示了一個(gè)典型的使用多個(gè)天線的單通道接收器，顯然，接收器的結(jié)構(gòu)採用了多個(gè)天線，但是它并不具備支援MRC/MIMO的能力。圖12右顯示了同時(shí)支援MRC和MIMO的基本接收器的電路拓?fù)洹RC和MIMO很多時(shí)候被稱為“多天線”技術(shù)，但那樣是有點(diǎn)用詞不當(dāng)。值得注意的是，圖12兩種電路之間最突出的特點(diǎn)并不是多天線，而是多個(gè)收發(fā)器。對(duì)於MRC來說，信號(hào)經(jīng)由兩個(gè)或者多個(gè)獨(dú)立的天線/收發(fā)器組對(duì)。值得注意的是，天線是獨(dú)立的，它們具有不同通道的脈衝回應(yīng)。經(jīng)由不同天線接收到的信號(hào)，在合併成單獨(dú)的補(bǔ)償信號(hào)之前，它們?cè)诨鶐幚砥饕M(jìn)行通道補(bǔ)償。如果使用上述的方法進(jìn)行補(bǔ)償，接收信號(hào)經(jīng)過基帶處理器后才會(huì)變得連貫。在這個(gè)過程中，來自於各個(gè)收發(fā)器的熱雜訊是非關(guān)聯(lián)的，這樣通道補(bǔ)償?shù)木€性合併將導(dǎo)致雙通道MRC接收器的SNR比平均值大3dB。合併除了能提升SNR的性能之外，MRC接收器也因此可以在頻率選通之前可靠的工作。前面提到，獨(dú)立的天線可以對(duì)每一個(gè)接收通道具有不同通道的脈衝響應(yīng)，所以從統(tǒng)計(jì)學(xué)來看，一個(gè)既定的子載波將很難在所有接收通道內(nèi)經(jīng)受深度的衰減。補(bǔ)償信號(hào)的深度頻選衰減的可能性明顯的減少。圖13.MRC在AWGN和頻率選通衰減方面增強(qiáng)了通信的可靠性見圖13，MRC提升的連接的可靠性，但是它不會(huì)增加系統(tǒng)的資料傳輸率。在MRC模式裡，資料經(jīng)過一個(gè)單獨(dú)的天線發(fā)射出去，然后經(jīng)由兩個(gè)或者多個(gè)接收器被接收處理。與其說MRC是一種傳統(tǒng)的天線分集的模式，不如說它是一種接收器分集（receiverdiversity）模式。另一方面，MIMO可以提升系統(tǒng)的資料傳輸率，它是通過同時(shí)在發(fā)射端和接收端採用多個(gè)天線來實(shí)現(xiàn)的。圖14.MIMO參考信號(hào)按順序發(fā)射以計(jì)算通道回應(yīng)為了成功的實(shí)現(xiàn)MIMO方式的資料收發(fā)，接收器要求必須能決定通道的脈衝回應(yīng)。在LTE裡，通道的脈衝回應(yīng)主要通過從每一個(gè)發(fā)射天線連續(xù)發(fā)射參考信號(hào)來確定，見圖14。這裡以圖15的2×2MIMO系統(tǒng)為參考，它總共有四個(gè)通道脈衝回應(yīng)，即C1、C2、C3和C4。在這個(gè)過程中，如果有一個(gè)天線在發(fā)送參考信號(hào)，那麼其他的天線將處於閒置狀態(tài)。一旦脈衝回應(yīng)被確定了以后，資料可以同時(shí)從所有的天線發(fā)射出去。圖15.MIMO需要對(duì)所有通道回應(yīng)進(jìn)行優(yōu)先級(jí)別的識(shí)別五、單載波頻分多址技術(shù)（SC-FDMA）LTE對(duì)於上行連接的要求與對(duì)下行連接的要求有所不同，這主要體現(xiàn)在幾個(gè)方面。毫無疑問的，在UE端功耗是很重要的一個(gè)參數(shù)。高數(shù)值的PAPR以及由OFDM引起的效率損失在這裡是主要要考慮的問題。出於上述的原因，在LTE的上行連接中需要尋求一種最佳的OFDM方案。單載波頻域多接入點(diǎn)技術(shù)，即SC-FDMA非常適合LTE上行連接的要求。它的發(fā)射端和接收端結(jié)構(gòu)非常類似於OFDMA，并且它還提供同樣等級(jí)的多路徑傳輸保護(hù)功能。最重要的是，因?yàn)樗幕静ㄐ伪举|(zhì)上是單載波的，并且其PAPR非常低。圖16.SC-FDMA和OFDMA的功能結(jié)構(gòu)非常相似圖16顯示了基本的SC-FDMA發(fā)射端和接收端對(duì)資料的處理流程。這裡可以看到，許多的功能模組都在SC-FDMA和OFMA裡用的比較多，因此，在上行和下行路徑之間存在一個(gè)明顯的功能性commonality的等級(jí)。發(fā)射路徑的功能模組包括了：（1）Constellationmapper。將輸入資料位元流轉(zhuǎn)換成單載波符號(hào)，即通常所說的BPSK、QPSK或者16QAM，採用樣的轉(zhuǎn)換方式取決於通道的條件；（2）串列/平行轉(zhuǎn)換。將時(shí)域的SC符號(hào)進(jìn)行格式化，格式化后的資料塊（block）被傳輸至FFT引擎。（3）M-pointDFT。將時(shí)域的SC資料塊轉(zhuǎn)換成M離散音調(diào)。（4）字載波映射。即將DFT輸出音調(diào)映射成特定的子載波用於發(fā)送。SC-FDMA系統(tǒng)可能是使用鄰近的音調(diào)（localized），也可能