LTE无线接入：概述

第14章L TE无线接入：概述

上一章从总体上讨论了LTE的设计目标，很明显LTE的性能目标很宏伟。这一章我们介绍LTE最重要的一些组成部分和一些特征，而第15到17章将从整体上更加详细地讨论LTE的无线接入，尤其是一些关键特征。

为了满足第13章中提出的要求，在LTE发展的同时， 3GPP整体架构也在演进。这项工作被叫做系统架构演进（SAE），在第18章中我们将给出介绍SAE和SAE的设计原则。

14.1 传输方案：下行采用OFDM，上行采用SC-FDMA

LTE下行传输方案基于OFDM。在第4章已经讨论过，下行传输方案中，OFDM技术比较具有吸引力，原因有很多。由于OFDM每个码元时间较长，结合循环前缀，所以OFDM有较强的对抗信道频率选择性的特性。当然，从原则上讲，可以通过接收方的均衡技术来对抗由于信道频率选择性引起的信号衰减，但是，对于一个5MHz以上带宽的终端，均衡的复杂度太高。因此，当有频率选择性衰落时，OFDM以其固有的健壮性，尤其是结合空分复用技术，对下行链路有极大的吸引力。a

OFDM还有一些优点：

相比于HSPA，OFDM提供从频域上的接入，因此可以给信道依赖的调度增加了一个自由度

至少从基带的角度看，OFDM可以通过改变子载波数目以改变传输带宽，因此可以支持灵活的带宽分配。然而我们要知道，在基带上能支持多频谱段的分配，那么在RF上也就需要更加灵活的滤波能力，而确切的传输方案无关紧要。但是，保持相同的基带处理结构，不论带宽多少，可以简化终端的实现。

在广播/多播传输中，多个基站传输相同的信息，它的传输方案也是OFDM

LTE上行采用的是第15章中介绍的基于DFT-SOFDM的单载波传输方案。上行传输需要更低的峰均比，在这方面，采用单载波调制比多载波调制（如OFDM）更有优势。对于给定的功率放大器，传输信号的峰均比越低，就意味着平均传输功率越高。单载波的低峰均比使得功放效率更高，意味着覆盖范围的增加。这对功率受限的终端显得尤为重要。相对于终端的信号处理资源受限很多，基站受限是较少的，因此，基站做针对信道频率选择性衰落的频域均衡，相对来说不成问题。

作为对比，WCDMA/HSPA的上行是采用非正交的单载波传输，而LTE的上行是采用正交的单载波传输，而且时域和频域资源都能正交地划分给不同用户。这样的正交划分在很多情况下避免了小区间干扰。然而，正如15章讨论的那样，如果把全部传输带宽都分配给一个用户，这种策略效率会很低，因为有些情况下数据率主要受限于传输功率而不是传输带宽。在这种情况下，通常分配带宽的一部分给这个用户，而余下的频谱资源可以分配给其他用户。因此，LTE上行还多了一个频域多址的部分。有时LTE上行的这种传输方案也叫做单载波FDMA（SC-FDMA）

14.2 信道依赖的调度和速率匹配

LTE方案中最核心的是“共享信道传输”，在共享信道中，用户之间动态地分配时频资源。这与HSDPA采用的思想很类似，只是两者对共享资源的实现上不一样：LTE是时域和频域，而HSDPA是时域和信道码。使用共享信道传输很好的匹配了分组数据对快速资源分配的要求，而且也使得LTE的其他关键技术成为可能。

调度器控制的是，每一个时间片内将共享资源分配给哪些用户，而且决定这些链路各自的数据率，也就是调度器的速率匹配的部分。调度是一个关键因素，并在很大程度上决定着整体下行的性能，尤其是在一个高负载网络。下行和上行传输都受到严格调度。从第7章我们知道，当信道条件被考虑到调度决策中时，即所谓的信道依赖调度，系统容量可以获得大幅的提升。这已经被利用在HSPA里面：当某个用户的下行链路的信道条件较优，可以使得数据率最大化时，则调度传输给这个用户，在一定程度上也有可能用在增强型上行链路中。然而，由于在下行采取了OFDM并且在上行采用了DFTS–OFDM，除了时域，LTE也应用在频域。因此，调度器可以在每个频率区域中选择具有最佳信道条件的用户。换句话说，LTE 的调度在信道变化时不仅要考虑时域（如HSPA），也要考虑频域的调度。这体现在图14.1。

频域上使用信道依赖的调度，对于低速移动的终端是很非常有用的，也就是说这种情况下信道随时间变化缓慢。第7章已经指出，信道依赖性调度依赖于不同用户之间的信道的品质差异，以获得系统容量的提升。对于延时敏感服务，一个仅在时域的调度器可能会被强迫只调度一个用户，尽管信道的质量不是处在它的峰值。在这种情况下，在频域里运用信道质量的变化将有助于改善整个系统的性能。在LTE中，调度决定可以每1ms进行一次，频域的间隔是180KHz。这也相对允许了调度器追踪快速的信道变化。

14.2.1下行链路调度

在下行链路，每个终端把瞬时信道质量估计报告给基站。这些估计是通过测量一个由基站发送的也可以用来解调的参考信号而得到的。根据该信道的质量估计，考虑信道的质量，下行调度可以相应地分配资源给用户。原则上，被调度的终端可以在每1ms的调度区间内被分配任意组合的180KHz宽的资源块。

14.2.2上行链路调度

LTE上行链路是基于正交划分的用户的，LTE上行调度的任务是将不同的时频资源

（TDMA/FDMA）分配给不同用户。在小区中，调度决策每1ms执行一次，以决定该时间段内将资源分配给哪些移动终端，分配哪些频率资源，以及传输时使用的上行数据率等。由于LTE上行使用的是单载波传输，终端被分配的频谱资源必须是连续的。

LTE下行考虑了信道条件，同样，LTE上行调度也可以考虑这个因素。只是，正如15章将要讲到的，获得上行信道条件信息没有太大意义。如果没有使用上行信道依赖性调度，采用不同手段获取上行分集作为补充是比较重要的。

14.2.3小区间干扰协调

在小区内，不论上行或者下行，LTE用户是相互正交的。因此，LTE在频谱利用率和

数据速率方面的性能，与WCDMA/HSPA相比，更多的是受限于小区间的干扰。所以，找到方法来降低或有效控制小区间的干扰，LTE的性能有很大的提升潜力，对小区边缘的用户服务（数据率方面）尤为如此。

小区间干扰协调技术，是将小区间干扰考虑进去，增加小区边缘用户数据率的一种调度策略。干扰协调意味着在小区内对上行和下行调度的某些（频域）限制，来控制小区间干扰。在一个小区中控制一定频谱内的发送功率大小，它对相邻小区的干扰则可以看做衰减到很小，这部分的频谱可以给这些相邻小区的用户提供更高的数据传输率。从本质上讲，在小区的不同的地方的频率复用系数是不同的。

要知道小区间干扰协调技术只是一种调度策略，它将相邻小区的状况考虑进去。所以，小区间干扰协调技术一定程度上只是实现的问题，而很难看到将它写到技术规范中。这也意味着干扰协调只是用于一些特定的小区，这取决于由某一个特定的部署所制定的要求。

14.3 软结合的混合ARQ

软结合的快速混合ARQ在LTE中与在HSPA中很类似，即允许终端迅速请求对错误接收的传输块进行重传，而且为隐性速率匹配的实现提供了工具。LTE使用的底层协议与HSPA相似——多重并行停止等待的混合ARQ处理。每一个分组传输后，重传被迅速地请求，因此能够减小分组错误传输对终端用户性能带来的影响。软结合中使用的是增量冗余，即接收端缓存接收到的软比特，以便重传后进行软结合处理。

14.4多天线支持

作为规范中的一部分，LTE已经从一开始就支持多天线技术，无论是基站还是终端。在许多方面，多天线的应用是为了达到LTE积极的性能目标而采用的关键技术。正如在第六章中讨论的，多天线可以用于不同的方式和不同的用途。

·接收方多天线可以用于接收分集。对于上行传输，这在很多蜂窝系统中已经使用了很多年了。由于双接收天线是所有LTE终端的底线，下行的性能也得到改善。运用多个接收天线最简单的是经典的接收分集以对抗衰落的作用，但如果天线不仅用于提供分集以对抗衰落，而且也用于抑制干扰，那么可以实现在干扰受限的情景下的额外增益，这些在第六章中讨论过。

·基站的多个发射天线可以用于发射分集和不同类型的波束形成。波束形成的主要目的是改善接收SNR和或SIR，并最终提高系统容量和覆盖范围。

·空分复用，有时就是指MIMO技术，即在LTE支持的发射端和接收端均采用多天线。在信道条件允许的情况下，空分复用，在带宽受限的场景下创造多个信道并行传输，结果大大增加数据传输率，这些在第六章中讨论过。

一般而言，不同的多天线技术用在不同的情况下。比如，在比较低的SNR和SIR时，如高负荷或者在小区边缘，空间复用的优势比较有限。相反，在这种情况下，发射端的多天线应该用波束形成的形式来提高SNR/SIR。另一方面，当已经有相对较高的SNR和SIR的时候，比如在小区较小时，再进一步提高信号质量所获得的数据率增益却没有多大的提高，因为这种情况下数据率相比SIR/SNR的限制，更多的是受到带宽的限制。在这种情况下，更应该使用的是空分复用，以充分利用较好的信道条件。多天线方案是受基站的控制的，因此可以为每一次传输选择一个合适的方案。

14.5 多播和广播支持

多小区广播意味着从第4章中所说的多个小区传输相同的信息。在终端利用这一点，在检测端有效利用多个小区发送的信号功率，可以大大提高覆盖率（或更高的广播数据率）。这已经被用在WCDMA中，在WCDMA中，在多小区广播/多播的情况下，移动终端可以从多个小区接受信号，并且在接收机中对这些信号进行主动软结合处理，这在第十一章中有所描述。

LTE也利用这一点以提高多小区广播的效率。LTE不仅从多小区基站传播相同的信号（有相同的编码和调制），而且也实现多个小区的传输时间同步，使得移动终端接收的信号将会和单一小区发出的信号表现的一模一样，而且也会受到多径影响。由于OFDM对于多径传播的健壮性，这种多小区传播，也称作多播-广播单频网（MBSFN）传输，这样不但可以提高接收信号的强度，而且也消除了小区间干扰，正如在第十四章中所述。因此，有了OFDM，多小区广播/组播的吞吐量仅仅受到噪声的限制，如果在较小的小区里，吞吐量可以达到非常高的值。

应该指出的是，使用MBSFN传输多小区广播/组播信息，假设前提是不同小区基站的传输能严格地时间同步。

14.6频谱灵活性

正如在第十三章中所讨论的，高度的频谱灵活性是LTE无线接入的主要特点。频谱灵活性的主要目的是，实现LTE无线接入的部署能在多种频谱具有各种不同的特点，包括不同的双工安排，不同的频段操作以及不同的可用频谱大小。

14.6.1双工安排的灵活性

LTE在频谱灵活性方面的一个重要的要求，是使LTE既可以在成对的频段中部署，也可以在非成对的频段中部署，也就是说，LTE须要既支持频分双工/FDD，也要支持时分双工/TDD。FDD如图14.3a所示，指的是上行和下行传输分别使用不同的、间隔很大的、各自的频段。TDD如图14.3b所示，指的是上行和下行传输分别使用不同的、互不交叠的时隙。因此，TDD 可以在不成对的频段中操作，而FDD要求在成对的频段中操作。

从Release 99开始，通过基于FDD的成对频谱的WCDMA/HSPA无线接入（如第三部分介绍）和基于TDD的非成对频谱的TD-CDMA/TD-SCDMA无线接入（见第20章），3GPP规范中就已经支持成对频谱和非成对频谱这两种方案。但是这两种无线接口技术彼此很不一样，至少从具体实现上是如此，因此能同时支持FDD和TDD操作的终端非常少见。另一方面，LTE 能支持将TDD和FDD放在同一个无线接入技术中，使得基于LTE的无线接入在TDD和FDD使用上偏差最小。正因为如此，在下一章提供的LTE无线接入的概述在很大程度上是既适用于FDD又适用于TDD的。如果FDD和TDD有适用的差别，我们将会指出。

LTE被设想成部署在基于需要的基础之上，在相关频谱可以使用的时候和地点，要么通过给移动通信分配新的频段，比如2.6GHz的频段，要么通过把目前正在给其它移动通信技术如第二代GSM系统的频谱，或者甚至非移动的无线技术比如目前的广播频谱，搬移到LTE。因此，LTE被要求能运行在一个范围很广的频带，从低频的450MHz到高频的至少2.6GHz。

在不同的频段运行不同的无线接入技术的可能就其自身而言并无新意。举例来说，三频GSM终端是常见的，可以运行900、1800和1900三个频段。从无线接入的功能这个角度来讲，这并没有或者只有有限的影响，并且LTE的物理层规范[106-109]没有指定任何特定波段。在规范上的不同处，可能主要是不同的频段更具体的RF要求有所不同，比如允许的最大传输功率，对频带超出的要求或限制等。有这个限制的原因之一是监管机构所施加的外在约束，在不同的频段中可能不同。

14.6.3 带宽灵活性

在不同频带部署LTE无线接入的可能性，与在下行和上行用不同的传输带宽运行LTE的可能性相关。这种情况的主要原因是，LTE可以获得的频谱可能在不同的频段上的差别很大，而且取决于运营商的情况。此外，在不同的频谱分配上运行，使得从其他的无线接入技术的频谱逐渐搬移到LTE成为可能。

当相关频谱可以使用时，LTE可以使用很宽的频带，以有效支持高数据率传输。但是，不是任何地点任何时候都可以利用较宽的频谱的，如受正运营频带或其他无线接入技术搬移的频带的影响，所以这种情况下LTE运行的频谱要窄了很多。当然这种情况下，能达到的最高数据率也相应的较低。

LTE物理层的规范[106-109]与带宽无关，并且对于超过一个最小值的传输带宽并没有做出任何特别的设定。在后面将会看到，基本的无线接入规范包括物理层和协议规范，且以180KHz为单位，允许从1MHz到超过20MHz的任何传输带宽。同时，在最初的阶段，根据相关频谱可以分配的大小和搬移场景的具体情况，相应地给无线频率指定有限的子传输带宽。

因此，在实践中，LTE无线接入只是使用有限的传输带宽，但是以后附加的传输带宽可以轻松的得到支持，仅仅需要更新RF指标。