LTE物理层简介

一、介绍

　　正当人们惊讶于WiMAX技术的迅猛崛起时，3GPP也开始了UMTS技术的长期演进（Long Term Evolution，LTE）技术的研究。这项受人瞩目的技术被称为“演进型3G”（Evolved 3G，E3G）。但只要对这项技术稍作了解，就会发现，这种以OFDM为核心的技术，与其说是3G技术的“演进”（evolution），不如说是“革命”（revolution），它和3GPP2 AIE（空中接口演进）、WiMAX以及最新出现的IEEE 802.20 MBFDD/MBTDD等技术，由于已经具有某些“4G”特征，甚至可以被看作“准4G”技术。

　　自2004年11月启动LTE项目以来，3GPP以频繁的会议全力推进LTE的研究工作，仅半年就完成了需求的制定。2006年6年，3GPP RAN（无线接入网）TSG已经开始了LTE工作阶段（WI），但由于研究阶段（SI）上有个别遗留问题还没有解决，SI将延长到9月结束。按目前的计划，将于2007年9月完成LTE标准的制定（测试规范2008年3月完成），预计2010年左右可以商用。虽然工作进度略滞后于原计划，但经过艰苦的讨论和融合，终于确定了大部分基本技术框架，一个初步的LTE系统已经逐渐展示在我们眼前。

二、LTE的需求指标

　　LTE项目首先从定义需求开始。主要需求指标包括：

　　●支持1.25MHz-20MHz带宽；

　　●峰值数据率：上行50Mbps，下行100Mbps。频谱效率达到3GPP R6的2-4倍；

　　●提高小区边缘的比特率；

　　●用户面延迟（单向）小于5ms，控制面延迟小于1OOms；

　　●支持与现有3GPP和非3GPP系统的互操作；

　　●支持增强型的广播多播业务；

　　●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；

　　●支持增强的IMS（IP多媒体子系统）和核心网；

　　●追求后向兼容，但应该仔细考虑性能改进和向后兼容之间的平衡；

　　●取消CS（电路交换）域，CS域业务在PS（包交换）域实现，如采用VoIP；

　　●对低速移动优化系统，同时支持高速移动；

　　●以尽可能相似的技术同时支持成对（paired）和非成对（unpaired）频段；

　　●尽可能支持简单的临频共存。

　　3GPP毫不讳言LTE项目的启动是为了应对“其他无线通信标准”的竞争。针对WiMAX“低移动性宽带IP接入”的定位，LTE提出了相对应的需求，如相似的带宽、数据率和频谱效率指标、对低移动性进行优化、只支持PS域，强调广播多播业务等。同时，出于对VoIP和在线游戏的重视，LTE对用户面延迟的要求近乎苛刻。关于向后兼容的要求似乎模棱两可，从目前的情况看，由于选择了大量的新技术，至少在物理层已难以保持从UMTS的平滑过渡。

　　最近，运营商又提出加强广播业务的要求，建议增加在单独的下行载波部署移动电视（Mobile TV）系统的需求。

三、LTE物理层标准化进展

　　LTE的研究工作主要集中在物理层、空中接口协议和网络架构几个方面，其中网络架构方面的工作和3GPP系统架构演进（SAE）项目密切相关。本文将对LTE物理层方面的系统设计和研究进展做一简单的介绍。

　　3.1　双工方式和帧结构

　　目前的LTE物理层技术研究主要针对频分双工（FDD）和时分双工（TDD）两种双工方式。依据TR 25.913中对FDD/TDD共性的需求，TR 25.814中的内容基本都假设对FDD和TDD均适用。少数对TDD进行的区别考虑的地方，都进行了特别注明。

　　在TDD模式下，每个子帧要么作为上行子帧，要么作为下行子帧。上行或下行子帧可以空出若干个OFDM符号作为空闲（Idle）符号，以留出必要的保护间隔。子帧的结构可能不断变化，因此可能需要通过信令通知系统当前的子帧结构。

　　另外，由于TR 25.913对系统的临频同址共存提出了需求，使TDD EUTRA系统面临和TDD UTRA系统之间的干扰问题。为了解决这个问题，目前TR 25.814考虑了两种TDD EUTRA帧结构：固定（Fixed）帧结构和通用（Generic）帧结构。

　　3.1.1　固定帧结构

　　这种方法就是分别针对低码片速率（LCR）-TDD UTRA和高码片速率（HCR）-TDD UTRA系统采用与UTRA系统相似的帧结构。也就是说，为了和LCR-TDD UTRA系统兼容，需要采用和LCR-TDD UTRA几乎相同的帧结构，即一个10ms无线帧分为2个5ms的无线子帧，每个无线子帧分为7个时隙（TSO~TS6），每个时隙（对应于FDD模式下的一个子帧）长度为0.675ms。同步和保护周期插在TSO和TS1之间，包括DwPTS、GP和UpPTS。每个时隙包含一个小的空闲周期，可用作上下行切换的保护周期。

　　可以看到，这个帧结构基本和原有的LCR-TDD帧结构相同，只是在每个时隙中加入了空闲周期。这个改动主要是为了能够在一个无线子帧内实现多次的上下行切换，以满足LTE对传输时延的严格要求。这个帧结构已经经过RAN全会通过，写入了RAN的LTE研究报告TR 25.912。

　　RAN1工作组的研究报告TR 25.814中也包含了针对HCR-TDD的固定帧结构，由于篇幅所限，此处略去对这种帧结构的介绍。可以看到，固定帧结构的最大特点是采用了和FDD LTE不同的子帧（时隙）长度，由此导致了LTE的FDD和TDD模式在系统参数设计上有所不同。

　　3.1.2　通用帧结构

　　这种方法是在尽量保持和FDD LTE设计参数一致的基础上满足和TDD UTRA系统的临频同址共存。这种设计的最大特点是采用了和FDD LTE相同的子帧长度0.5ms。但由于0.5ms与LCR-TDD UTRA（O.675ms）和HCR-TDD UTRA（0.667）的子帧长度都不相同，要避免和TDD UTRA系统之间的干扰，相对比较困难。通常整数个O.5ms子帧的长度和与整数个0.675ms（或0.667ms）子帧的长度和都不相等，因此为了使TDD EUTRA系统和TDD UTRA系统的上下行切换点相互对齐，就需要留出额外的空闲（Idle）间隙，这样会损失一些频谱效率。同时，由于TDD UTRA系统的上下行切换点的位置可能变化，相对应的TDD EUTRA帧结构也需要随之变化。也就是说，对不同的上下行比例，通用帧结构中的每个子帧的起止位置都可能不同，这也增加了系统的复杂度。

　　因此，通用帧结构比较适合那些同时部署了FDD LTE系统、但没有部署TDD UTRA系统的运营商，因为这种设计可以获得更高的与FDD LTE系统的共同性，从而获得较低的系统复杂度。但对于那些已经部署了TDD UTRA系统的运营商，固定帧结构是更好的选择，因为这种结构可以更容易的避免TDD UTRA和TDD EUTRA系统间的干扰。

　　3.2　基本传输和多址技术的选择

　　基本传输技术和多址技术是无线通信技术的基础。3GPP成员在讨论多址技术方案时，主要分成两个阵营：多数公司认为OFDM/FDMA技术与CDMA技术相比，可以取得更高的频谱效率；而少数公司认为OFDM系统和CDMA系统性能相当，出于后向兼容的考虑，应该沿用CDMA技术。持前一种看法的公司全部支持在下行采用OFDM技术，但在上行多址技术的选择上又分为两种观点。大部分厂商因为对OFDM的上行峰平比PAPR（将影响手持终端的功放成本和电池寿命）有顾虑，主张采用具有较低PAPR的单载波技术。另一些公司（主要是积极参与WiMAX标准化的公司）建议在上行也采用OFDM技术，并用一些增强技术解决PAPR的问题。经过激烈的讨论和艰苦的融合，3GPP最终选择了大多数公司支持的方案，即下行OFDM，上行SC（单载波）-FDMA。

　　上行SC-FDMA信号可以用“频域”和“时域”两种方法生成，频域生成方法又称为DFT扩展OFDM（DFT-S-OFDM）；时域生成方法又称为交织FDMA（IFDMA）。采用哪种生成方法尚未确定，但大部分公司支持采用DFT-S-OFDM技术（如图1所示）。这种技术是在OFDM的IFFT调制之前对信号进行DFT扩展，这样系统发射的是时域信号，从而可以避免OFDM系统发送频域信号带来的PAPR问题。

图1　DFT-S-OFDM发射机结构

　　3.2　“宏分集”的取舍

　　是否采用宏分集技术，是LTE讨论中的又一个焦点。这个问题看似是物理层技术的取舍，实则影响到网络架构的选择，对LTE/SAE系统的发展方向有深选的影响。

　　3GPP内部在下行宏分集问题上的看法比较一致。由于存在难以解决的“同步问题”，各公司很早就明确，对单播（unicast）业务不采用下行宏分集。只是在提供多小区广播（broadcast）业务时，由于放松了对频谱效率的要求，可以通过采用较大的循环前缀（CP），解决小区之间的同步问题，从而使下行宏分集成为可能。

　　与下行相比，3GPP对上行宏分集的取舍却迟迟不决。宏分集的基础是软切换，这种CDMA系统的典型技术，在FDMA系统中却可能“弊大于利”。更重要的是，软切换需要一个“中心节点”（如UTRAN中的RNC）来进行控制，这和大多数公司推崇的网络“扁平化”、“分散化”网络结构背道而驰。经过仿真结果的比较、激烈的争论、甚至“示意性”的表决，3GPP最终决定LTE（至少在目前）不考虑宏分集技术。

　　3.3　基本参数设计

　　LTE在数据传输延迟方面的要求很高（单向延迟小于5ms），这一指标要求LTE系统必须采用很小的最小交织长度（TTI）。大多数公司主要出于对FDD系统的设计，建议采用0.5ms的子帧长度（1帧包含20个子帧）。但是正如3.1节中提到的，这种子帧长度和UMTS中现有的两种TDD技术的时隙长度不匹配。例如TD-SCDMA的时隙长度为0.675ms，如果LTE TDD系统的子帧长度为0.5ms，则新、老的系统的时隙无法对齐，使得TD-SCDMA系统和LTE TDD系统难以“临频共址”共存。因此3GPP在这个问题上形成决议（体现在TR 25.912中）：基本的子帧长度为0.5ms，但在考虑和LCR-TDD（即TD-SCDMA）系统兼容时可以采用0.675ms子帧长度。

　　OFDM和SC-FDMA（以DFT-S-OFDM为例）的子载波宽度选定为15kHz，这是一个相对适中的值，兼顾了系统效率和移动性，明显比WiMAX系统大。下行OFDM的CP长度有长短两种选择，分别为4.69ms（采用O.675ms子帧时为7.29ms）和16.67ms。短CP为基本选项，长CP可用于大范围小区或多小区广播。短CP情况下一个子帧包含7个（采用0.675ms子帧时为9个）OFDM符号；长CP情况下一个子帧包含6个（采用0.675ms子帧时为8个）OFDM符号。上行由于采用单载波技术，子帧结构和下行不同。DFT-S-OFDM的一个子帧包含6个（采用0.675ms子帧时为8个）“长块”和2个“短块”（SB，如图2所示），长块主要用于传送数据，短块主要用于传送导频信号。

图2　DFT-S-OFDM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，但系统可以动态的调整TTI，以在支持其他业务时避免由于不必要的IP包分割造成的额外的延迟和信令开销。

　　上、下行系统分别将频率资源分为若干资源单元（RU）和物理资源块（PRB），RU和PRB分别是上、下行资源的最小分配单位，大小同为25个子载波，即375kHz。下行用户的数据以虚拟资源块（VRB）的形式发送，VRB可以采用集中（localized）或分散（distributed）方式映射到PRB上。Localized方式即占用若干相邻的PRB，这种方式下，系统可以通过频域调度获得多用户增益。Distributed方式即占用若干分散的PRB，这种方式下，系统可以获得频率分集增益。上行RU可以分为Localized RU（LRU）和Distributed RU（DRU），LRU包含一组相邻的子载波，DRU包含一组分散的子载波。为了保持单载波信号格式，如果一个UE占用多个LRU，这些LRU必须相邻；如果占用多个DRU，所有子载波必须等间隔。

　　3.4　参考信号（导频）设计

　　3.4.1　下行参考符号设计

　　LTE目前确定了下行参考符号（即导频）设计。下行导频格式如图3所示，系统采用TDM（时分复用）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。采用MIMO时须支持至少4个正交导频（以支持4天线发送），但对智能天线例外。在一个小区内，多天线之间主要采用FDM（频分复用）方式的正交导频。在不同的小区之间，正交导频在码域实现（CDM）。

图3　OFDM导频结构

　　对多小区MBMS系统，可以考虑采用两种参考符号结构：各小区相同的（cell-common）的参考符号和各小区不同的（cell-specific）参考符号。目前假设cell-common结构为基本结构，是否支持cell-specific参考符号还有待于进一步研究。

　　3.4.2　上行参考符号设计

　　上行参考符号位于两个SC-FDMA短块中，用于NodeB的信道估计和信道质量（CQI）估计。参考符号的设计需要满足两种SC-FDMA传输——集中式（Localized）SC-FDMA和分布式（Distributed）SC-FDMA的需要。由于SC-FDMA短块的长度仅为长块的一半，SC-FDMA参考符号的子载波宽度为数据子载波宽度的2倍。

　　与下行相似，上行参考符号也可能采用正交设计，以支持多个MIMO天线之间、多个UE之间的参考符号区分。上行正交参考符号也可以用FDM、TDM、CDM或上述方法的混合方法实现。其中CDM方法通过一个CAZAC序列的不同循环位移样本实现。

　　针对用于信道估计的参考符号，首先考虑不同UE的参考符号之间将采用FDM方式区分。参考符号可能采用集中式发送（只对集中式SC-FDMA情况），也可能采用分散式发送。在采用分散式发送时，如果SB1和SB2都用于发送参考符号，SB1和SB2中的参考符号将交错放置，以获得更佳的频域密度。对分布式SC-FDMA情况，也可以考虑采用TDM和CDM方式对不同UE的参考符号进行复用。特别对于一个NodeB内的多个UE，将采用分布式FDM和CDM的方式。多天线UE情况下的上行参考符号结构尚有待于进一步研究。

　　为了满足频域调度的需要，可能需要对整个带宽进行信道质量估计，因此即使数据采用本集中式发送，用于信道质量估计的参考符号也需要在更宽的带宽内进行分布式发送。不同UE的参考符号可以采用分布式FDM或CDM（也基于CAZAC序列）复用在一起。

　　3.5　控制信令设计

　　3.5.1　下行控制信令设计

　　下行带外L1/L2控制信令包括：用于下行数据发送的调度信息；用于上行发送的调度赋予信息；对上行发送给出的ACK/NACK信息。

　　下行调度信息用于UE对下行发送信号进行接收处理，又分为3类：资源分配信息、传输格式和HARQ信令。资源分配信息包括UE ID、分配的资源位置和分配时长，传输格式包括多天线信息、调制方式和负载大小。HARQ信令的内容视HARQ的类型有所不同，异步HARQ信令包括HARQ流程编号、IR（增量冗余）HARQ的冗余版本和新数据指示。同步HARQ信令包括重传序列号。在采用多天线的情况下，资源分配信息和传输格式可能需要对多个天线分别传送。

　　上行调度信息用于确定UE上行发送信号格式，也包含资源分配信息和传输格式，结构与下行相似。其中传输格式的形式取决于UE是否有参与确定传输格式的能力。如果上行传输格式完全由NodeB决定，则此信令中将给出完整的传输格式；如果UE也参与上行传输格式的确定，则此信令可能只给出传输格式的上限。

　　ACK/NACK的格式有待于进一步研究。

　　传送控制信令的时频资源可以进行调整，UE通过RRC信令或盲检测方法获得相应的资源信息。控制信令的编码可以考虑两种方式：联合编码和分别编码。联合编码即多个UE的信令合在一起进行信道编码，分别编码即各用户采用分开的独立编码的控制信道，每个信道用来通知一个用户的ID及其资源分配情况。下行控制信令可采用FDM和TDM两种复用方式，FDM方式的优势是可以以数据率为代价换取更好的覆盖，TDM方式的优势是可以实现微睡眠（micro-sleep）。另外，下行控制信令本身可以考虑采用多天线技术（如赋形和预编码）传送，以提高传送质量。

　　3.5.2　上行控制信令设计

　　上行控制信令包括：与数据相关的控制信令、信道质量指示（CQI）、ACK/NACK信息和随机接入信息。其中随机接入信息又可以分为同步随机接入信息和异步随机接入信息，前一种信息还包含调度请求和资源请求。

　　与数据相关的控制信令包括HARQ和传输格式（只当UE有能力选择传输格式时）。

　　CQI和ACK/NACK的格式有待于进一步研究。

　　LTE上行由于采用单载波技术，控制信道的复用不如OFDM灵活。经过反复的讨论，3GPP决定只采用TDM方式复用控制信道，因为这种方式可以保持SC-FDMA的低PAPR特性。与数据相关的信令将和UE的数据复用在一个时/频资源块中。

　　3.5.3　调制和编码

　　LTE下行主要采用OPSK、16QAM、64QAM三种调制方式。上行主要采用位移BPSK（p/2-shift BPSK，用于进一步降低DFT-S-OFDM的PAPR）、OPSK、8PSK和16QAM。另一个正在考虑的降PAPR技术是频域滤波（spectrum shaping）。另外也已明确，“立方度量”（Cubic Metric）是比PAPR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，也将考虑其他编码方式，如LDPC码。为了实现更高的处理增益，还可以考虑以重复编码作为FEC（前向纠错）码的补充。

　　3.6　多天线技术

　　3.6.1　下行MIMO和发射分集

　　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MIMO模型是下行2×2、上行1×2个天线，但同时也正在考虑更多天线配置（最多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分复用（SDM）、空分多址（SDMA）、预编码（Pre-coding）、秩自适应（Rank adaptation）、智能天线、以及开环发射分集（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。

　　根据TR 25.814的定义，如果所有SDM数据流都用于一个UE，则称为单用户（SU）-MIMO，如果将多个SDM数据流用于多个UE，则称为多用户（MU）-MIMO。

　　下行MIMO将以闭环SDM为基础，SDM可以分为多码字SDM和单码字SDM（单码字可以看作多码字的特例）。在多码字SDM中，多个码流可以独立编码，并采用独立的CRC，码流数量最大可达4。对每个码流，可以采用独立的链路自适应技术（例如通过PARC技术实现）。

　　下行LTE MIMO还可能支持MU-MIMO（或称为空分多址SDMA），出于UE对复杂度的考虑，目前主要考虑采用预编码技术，而不是干扰消除技术来实现MU-MIMO。SU-MIMO模式和MU-MIMO模式之间的切换，由NodeB控制（半静态或动态）。

　　作为一种将天线域MIMO信号处理转化为束（beam）域信号处理的方法，预编码技术可以在UE实现相对简单的线性接收机。3GPP已经确定，线性预编码技术将被LTE标准支持。但采用归一化（Unitary）还是非归一化（Non-unitary），采用码本（Codebook）反馈还是非码本（Non-codebook）反馈，还有待于进一步研究。另外，码本的大小、具体的预编码方法、反馈信息的设计和是否对信令采用预编码技术等问题（此问题主要涉及智能天线的使用），都正在研究之中。需要指出的是，在目前的LTE研究工作中，智能天线技术被看作预编码技术的一种特例。

　　同时正在被考虑的问题还有是否采用秩自适应（Rank adaptation）及天线组选择技术。还将采用开环发射分集作为闭环SDM技术的有效补充，目前的工作假设是循环位移分集（CSD）。

　　用于广播多播（MBMS）的MIMO技术和用于单播的MIMO技术将有很大的不同。MBMS系统将无法实现信息的上行反馈，因此只能支持开环MIMO，包括开环发射分集、开环空间复用或两者的合并。

　　如果单频网（SFN）MBMS系统中的小区的数量足够多，系统本身已具有足够的频率分集，因此再采用发射空间分集带来的增益就可能很小。但由于在SFN系统中，MBMS系统很可能是带宽受限的，因此空间复用比较有吸引力。而且由于接收信号来自于多个小区，有助于空间复用的解相关处理。

　　对于用于MBMS的多码字空间复用系统，由于缺少上行反馈，针对码字进行自适应调制编码（AMC）无法实现。但可以特意在不同天线采用不同的调制编码方式或不同的发射功率（半静态的），以实现在UE的有效的干扰消除（不同天线间的调制编码方式及功率的差异有利于串行干扰消除获得更佳的性能）。

　　3.6.2　上行MIMO和发射分集

　　上行MIMO的基本配置是2ˊ2天线，正在考虑发射分集（包括CSD和空时／频块码）、SDM和预编码等技术。同时，LTE也正在考虑采用更多天线的可能性。考虑到某些双天线UE可能只有一套射频发射系统，LTE也正在考虑天线选择技术。

　　上行MIMO还将采用一种特殊的MU-MIMO（SDMA）技术，即上行的MU-MIMO（也即已被WiMAX采用的虚拟MIMO技术）。此项技术可以动态的将两个单天线发送的UE配成一对（Pairing），进行虚拟的MIMO发送，这样2个MIMO信道具有较好正交性的UE可以共享相同的时／频资源，从而提高上行系统的容量。这项技术对标准化的影响，主要是需要UE发送相互正交的参考符号，以支持MIMO信道估计。

　　3.7　调度

　　调度就是动态的将最适合的时／频资源分配给某个用户，系统根据信道质量信息（CQI）的反馈、有待调度的数据量、UE能力等决定资源的分配，并通过控制信令通知用户。调度和链路自适应、HARQ紧密联系，都是根据下述信息来调整的：

　　——QoS参数和测量；

　　——NodeB有待调度的负载量；

　　——等待重传的数据；

　　——UE的CQI反馈；

　　——UE能力；

　　——UE睡眠周期和测量间隙／长度；

　　——系统参数，如带宽和干扰水平。

　　LTE的调度可以灵活的在localized和distributed方式之间切换，并将考虑减小开销的方法。一种方法就是对话音业务一次性调度相对固定的资源（即persistent scheduling）。

　　上行调度与下行相似，但上行除了可以采用调度来分配无线资源外，还将支持基于竞争（Contention）的资源分配方式。

　　调度操作的基础是CQI反馈（当然CQI信息还可以用于AMC、干扰管理和功率控制等）。CQI反馈的频域密度应该是最小资源块的整数倍，CQI的反馈周期可以根据情况的变化进行调整。LTE还未确定具体的CQI反馈方法，但反馈开销的大小将作为选择CQI反馈方法的重要依据。