LTE物理层关键技术

Ｔｙｐｅ１帧 结构和Ｔｙｐｅ２帧 结 构 ， 帧 长 均 为１０ｍｓ。 前 者 适
物理层技术是无线通信系统的基础与标志。３ＧＰＰ经 用于ＦＤＤ、ＴＤＤ两种 工作模 式， 后者仅 适用于ＴＤＤ模
过 激 烈 的 讨 论 ， 决 定 ＬＴＥ 采 用 下 行 正 交 频 分 多 址 式。
（ Ｏ ＦＤＭＡ） ， 上行单载波频分多址 （ ＳＣ－ ＦＤＭＡ） 的方式。
传输信道
物理信道
上行 下行
上行共享信道ＵＬ－ ＳＣＨ 随机接入信道Ｒ ＡＣＨ 下行共享信道ＤＬ－ ＳＣＨ 广 播 信 道 ＢＣ Ｈ 寻 呼 信 道 ＰＣ 道 ＰＵ ＳＣ Ｈ 物理随机接入信道ＰＲ ＡＣＨ 物 理 下 行 共 享 信 道 ＰＤＳＣ Ｈ 物 理 广 播 信 道 ＰＢＣ Ｈ 物 理 下 行 共 享 信 道 ＰＤＳＣ Ｈ 物 理 多 播 信 道 ＰＭＣ Ｈ 物理信道
很多公司也在研究其他编码方式， 如低密度奇偶校验
（ ＬＤＰＣ） 码。在大数据量情况下， ＬＤＰＣ 码在编码增益
上比Ｔｕｒｂｏ码高， 在解码复杂度上也略有减小。
因 为 Ｏ ＦＤＭ 技 术 提 高 频 谱 利 用 率 的 作 用 始 终 有 限 ，
系统还定义了３种上行物理信道： 物理随机接入信 道ＰＲ ＡＣＨ、物理上行共享信道ＰＵＳＣＨ、物理上行控制 信道 ＰＵＣＣＨ。
ＬＴＥ 下 行 主 要 采 用ＱＰＳＫ、１６ＱＡＭ、６４ＱＡＭ 三 种 调 制 方 式 ， 上 行 主 要 采 用 ＢＰＳＫ、 ＱＰＳＫ、 ８ＰＳＫ 和 １６ＱＡＭ。针对广播业务， ３ＧＰＰ提出了一种独特的分层 调制方式［７］。其基本思想是， 在应用层将一个逻辑业务 分成两个数据流， 一个是高优先级的基本层， 另一个 是低优先级的增强层。在物理层， 这两个数据流分别 映射到信号星座图的不同层。由于基本层数据映射后 的符号距离比增强层的符号距离大， 因此基本层的数 据流可以被包括远离基站和靠近基站的用户接收， 而 增强层的数据流只能被靠近基站的用户接收。也就是 说， 同一个逻辑业务可以在网络中根据信道条件的优 劣提供不同等级的服务。
２ ＬＴＥ的技术需求目标
允许一定的性能损失， 支持１００ｋｍ的小区覆盖。 （ ９） 支 持 终 端 在 整 个 系 统 范 围 内 的 移 动 性 ， 为 低
３ＧＰＰ ＬＴＥ项目的主要性能目标［１］ ［２］包括： （ １） 更 高 的 数 据 传 输 速 率 、 频 谱 利 用 率 和 用 户 吞 吐 量 。 可 灵 活 配 置 １．２５ ＭＨｚ、 ２．５ ＭＨｚ 、 ５ ＭＨｚ、 １０ ＭＨｚ、２０ＭＨｚ 带宽。在２０ＭＨｚ频谱带宽下能够提供下
（ ２） 在保持 现 在 规 划 的３Ｇ小 区 的 覆 盖 范 围 大 致 不
３ ＬＴＥ物理层标准化进展
３ＧＰＰ 将编号３６的标准号 分给ＬＴＥ， 目前 正在草 拟 的ＬＴＥ 系统物理层相关技术规范包括：ＴＳ ３６．２０１对物理
５１
ＣＯＭＭＵＮＩＣＡＴＩＯＮ ＆ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ ＴＥＣＨＯＬＯＧＹ
使 子载波上 的符号 速率大 大降低， 符 号 持 续 时 间 大 大 帧和５号子帧用于传送下行信号。
加长， 因而对时延扩展有较强的抵抗力， 减小了符号
间干扰 的影响 。通常在ＯＦＤＭ符号前加 入保护 间 隔，只
要保护间隔大于信道的时延扩展则可以完全消除符号
间干扰ＩＳＩ。
ＯＦＤＭ 参数设定 对 整 个 系 统 的 性 能 会 产 生 决 定 性
Ｔｙｐｅ１ 帧 由２０个０．５ｍｓ长 的 时 隙 （ 时 隙０到 时 隙１９）
Ｏ ＦＤＭ［３］［４］是ＬＴＥ系统的主要特点， 它的基本思想是 构成 ， 两个相邻 的 时 隙 组 成 一 个 子 帧 （ 图１） 。 在ＴＤＤ
把高速数据流分散到多个正交的子载波上传输， 从而 模式下， 上下行链路分时共享一帧。一般来说， ０号子
上行 下行
上行控制信道ＵＬ－ ＣＣＨ 下行控制信道ＤＬ－ ＣＣＨ
物理上行控制信道 ＰＵＣＣＨ 物理下行控制信道 ＰＤＣＣＨ
３．５ 信道编码与ＭＩＭＯ
在 信 道 编 码 方 面 ， 主 要 沿 用 Ｒ ６的 Ｔｕｒｂｏ 编 码 作 为
ＬＴＥ信道 编码 ， 此 外 还 引 入 了Ｔａｉｌ Ｂｉｔｉｎｇ卷 积 码 。 但 是
ＣＯＭＭＵＮＩＣＡＴＩＯＮ ＆ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮＴＥＣＨＯＬＯＧＹ
热点技术
３ＧＰＰ ＬＴ Ｅ物理层关键技术
□ 文 琪 李乐民 （电子科技大学 通信与信息工程学院， 成都６１００５４）
摘 要： 第三代移动通信３ＧＰＰ组织为了应对宽带无线接入技术的竞争， 于２００４年底启动了长 期演进（ＬＴＥ）项目。自从启动以来， ＬＴＥ项目在无线接口的关键技术、无线网络架构 等 方 面 取 得 了 突 出 进 展 。 本 文 综 述 ＬＴＥ的 项 目 计 划 及 主 要 性 能 目 标 ， 并 叙 述 ＴＳ ３６．２１１到ＴＳ ３６．２１４ 协议中目前已规定的ＬＴＥ物理层关键技术。
上 行 方 向 ， ＬＴＥ 系 统 采 用 基 于 带 有 循 环 前 缀 的 ＳＣ－ ＦＤＭＡ技术。最大的好处是降低了发射终端的峰均 功率比、减小了终端的体积和成本， 这是选择 ＳＣ－ ＦＤＭＡ作 为 ＬＴＥ上 行 信 号 接 入 方 式 的 一 个 主 要 原 因。其特点还包括频谱带宽分配灵活、子载波序列固 定、采用循环前缀对抗多径衰落和可变的传输时间间 隔等。
３ＧＰＰ 以频繁的 会议全 力推进ＬＴＥ的 研究工 作 。 整 个项目计划分为两个阶段： ２００５年３月到２００６年６月为研 究阶段 （ Ｓｔｕｄｙ Ｉｔｅｍ， ＳＩ） ， 完成可行性研究报告； ２００６ 年６ 月到２００７年６月为工作阶段 （ Ｗｏｒｋ Ｉｔｅｍ， ＷＩ） ， 完 成核心技术的规范工作。但由于研究阶段有部分遗留 问题还没有解决， 所以按目前情况看， 于２００７年９月完 成相关标准制定， 于２０１０年左右推出商用产品。
除了物理信道之外， 还有一些物理信号专门用来 承载仅与物理层过程有关的信息， 如参考信号、同步 信号等， 它们对高层而言不是直接可见的， 但从系统 功能的观点来讲是必需的。
３．４ 传输信道到物理信道的映射 高层产生的数据在空中接口由传输信道承载， 传 输信道在物理层上映射到不同的物理信道，传输信道和 物 理 信 道 的 映 射 关 系 ［８］如 表１所 示 。
低于５ｍｓ； 在控制面上， 用户从空闲状态到连接状态的 延迟小于１００ｍｓ。
（ ４） 支持与现 有的３ＧＰＰ和 非３ＧＰＰ系 统 的 互 操 作 ， 支持增强型的广播多播 （ ＭＢＭＳ） 业务。
（ ５） 降低建网和维护成本， 实现从Ｒ ６的低成本演进。 （ ６） 系统和终端具有合理的复杂性、成本和功耗， 支持增强的ＩＭＳ （ ＩＰ多媒体子系统） 和核心网， 尽可能 的向后兼容， 但是应该考虑系统性能提高与向后兼容 之间的平衡。 （ ７） 取消了电 路交换 （ ＣＳ） 域， ＣＳ域的业 务和其 他实时业务都在包交换 （ ＰＳ） 域实现。 （ ８） 小区覆盖半径在５ｋｍ以下时， 应该满足ＬＴＥ项 目的所 有性能 要求， 对 于小于３０ｋｍ的 小 区 覆 盖 ， 可 以
下行物理信号在传送之前需要经过加扰、调制、层 映 射 、 预 编 码 、 资 源 块 分 配 、 Ｏ ＦＤＭ 信 号 产 生 等 处 理 。 上行物理信号在传送之前需要经过加扰、调制、预编 码、资源块分配、ＳＣ－ ＦＤＭＡ信号产生等处理。其中层
５２
通信与信息技术 ２００７ 年 １１ 月（ 总第 １７０ 期）
Ｔｙｐｅ２ 帧分成２个５ｍｓ的无线子帧（Ｈａｌｆ Ｆｒａｍｅ）， 每个 子帧分为７个时隙 （ 时隙０到时隙６） ， 如图２所示。这 种 设计的目的就是为了和ＴＤＤ ＵＴＲ Ａ系统兼容。同步和 保护周期插在时隙０和时隙１之间， 包括下行导频时隙 （ＤｗＰＴＳ）、 保 护 间 隔 （ＧＰ）、 和 上 行 导 频 时 隙 （ＵｐＰＴＳ）。 所有时隙都包含一个小的空闲周期可用于上下行切换 时的保护。时隙０和ＤｗＰＴＳ一般用于下行传输， 而时隙 １ 和ＵｐＰＴＳ用于上行传输。
图１ Ｔｙｐｅ １ 帧结构
的影响， 如循环前缀 （ Ｃｙｃｌｉｃ Ｐｒｅｆｉｘ， ＣＰ） 。它主要用于 有 效 地 消 除 符 号 间 干 扰 ， 其 长 度 决 定 了ＯＦＤＭ 系 统 的 抗多径能力和覆盖能力。长ＣＰ利于克服多径干扰、支 持大范围覆盖， 但系统开销也会相应增加， 导致数据 传输能力下降。为了达到小区 半径１００Ｋｍ的覆 盖要求， ＬＴＥ系统采用长短两套循环前缀方案， 根据具体场景进 行选择： 短ＣＰ方案为基本选项， 长ＣＰ方案用于支持 ＬＴ Ｅ大 范 围 小 区 覆 盖 和 多 小 区 广 播 业 务 。
关键词： ３ＧＰＰ 长期演进计划 物理层技术
１ 引言
变的情况下， 提高小区边缘的比特率。 （ ３） 降 低 系 统 延 迟 ， 用 户 平 面 内 部 单 向 传 输 时 延
在 ２００４ 年 １２ 月 召 开 的 ３ＧＰＰ Ｒ ＡＮ 第 ２６ 次 全 会 上 ， ３ＧＰＰ 正 式 通 过 了 关 于 ＵＴＲ Ａ 长 期 演 进 （ Ｌｏｎｇ Ｔｅｒｍ Ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ ， ＬＴＥ） 研 究 的 立 项 。 这 种 以 正 交 频 分 复 用 （ＯＦＤＭ）为核心的技术， 与其说是３Ｇ技术的演进， 不如 说是革命， 它甚至可以被看作准４Ｇ技术。
３．２ 无线帧结构
信道编码、交织、速率匹配、复用等； ＴＳ３６．２１３对物理
ＬＴＥ 支持两种基本的工作模式即频分双工（ＦＤＤ）和
层过程进行介绍； ＴＳ ３６．２１４描述了ＬＴＥ物理层的测量。 时 分 双 工 （ ＴＤＤ） ； 支 持 两 种 不 同 的 无 线 帧 结 构 ［５］即
３．１ 基本传输与多址方式
表１ 传输信道和物理信道映射关系表
图２ Ｔｙｐｅ ２ 帧结构
映 射 和 预 编 码 都 与 多 输 入 多 输 出 技 术（ＭＩＭＯ ）有 关 。 ３．３ 物理信道与调制 ＬＴＥ 系统目前定义了５种下行物理信道： 物理下行