３ＧＰＰ ＬＴＥ標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)展

摘要：為了保持在移動(dòng)通信領(lǐng)域的技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)勢(shì)，3GPP啟動(dòng)其長(zhǎng)期演進(jìn)(LTE)的標(biāo)準(zhǔn)化工作。在物理層(層1)、空中接口協(xié)議結(jié)構(gòu)層(層2)和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)方面，3GPP LTE采納一系列先進(jìn)技術(shù)和創(chuàng)新理念，IP語(yǔ)音(VoIP)業(yè)務(wù)和多媒體廣播及多播業(yè)務(wù)(MBMS)的解決方案的優(yōu)化正在進(jìn)行中，目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)高數(shù)據(jù)率、低時(shí)延和基于全分組的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：3GPP長(zhǎng)期演進(jìn)計(jì)劃；標(biāo)準(zhǔn)；多媒體廣播及多播業(yè)務(wù)

Abstract: 3GPP initiated its Long Term Evolution (LTE) standardization work to retain its technology and standard advantages in the field of mobile communications. Several advanced technologies and novel concepts related to the physical layer (layer 1)， air interface protocol structure layer (layer 2) and network architecture are adopted. Solutions to Voice over IP (VoIP) and Multimedia Broadcast/Multicast Service (MBMS) are in the optimization process. 3GPP LTE has fulfilled the high data rate， low latency and an all-packet basis.

Key words: 3GPP LTE; standard; MBMS

為了應(yīng)對(duì)寬帶接入技術(shù)的挑戰(zhàn)，同時(shí)為了滿足新型業(yè)務(wù)需求，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織3GPP在2004年底啟動(dòng)了其長(zhǎng)期演進(jìn)(LTE)技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化工作。希望達(dá)到以下幾個(gè)主要目標(biāo)：

●保持3GPP在移動(dòng)通信領(lǐng)域的技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)勢(shì)。

●填補(bǔ)第3代移動(dòng)通信系統(tǒng)和第4代移動(dòng)通信系統(tǒng)之間存在的巨大技術(shù)差距。

●希望使用已分配給第3代移動(dòng)通信系統(tǒng)的頻譜，保持無(wú)線頻譜資源的優(yōu)勢(shì)。

●解決第3代移動(dòng)通信系統(tǒng)存在的專利過分集中問題。

3GPP LTE的標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程安排如下：2004年12月份到2006年6月為研究階段；2006年6月到2007年6月為工作階段，完成3GPP LTE的標(biāo)準(zhǔn)化工作。但由于一些問題沒有解決，研究階段推遲到2006年9月才結(jié)束。從3GPP LTE的標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程來(lái)看，其初衷為第3代移動(dòng)通信系統(tǒng)的演進(jìn)，但由于其他技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)，業(yè)務(wù)的需求和運(yùn)營(yíng)商的壓力，其標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程實(shí)質(zhì)為一場(chǎng)技術(shù)革命過程。與第3代移動(dòng)通信系統(tǒng)相比，3GPP LTE物理層(層1)在傳輸技術(shù)[1]、空中接口協(xié)議結(jié)構(gòu)層(層2)和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[2]等方面都發(fā)生了革命性的變化。

1 3GPP LTE的演進(jìn)目標(biāo)

3GPP LTE是一個(gè)高數(shù)據(jù)率、低時(shí)延和基于全分組的移動(dòng)通信系統(tǒng)，具體目標(biāo)[3]主要包括：

(1)頻譜帶寬配置

實(shí)現(xiàn)靈活的頻譜帶寬配置，支持1.25 MHz、1.6 MHz、2.5 MHz、5 MHz、10 MHz、15 MHz和20 MHz的帶寬設(shè)置，從技術(shù)上保證3GPP LTE系統(tǒng)可以使用第3代移動(dòng)通信系統(tǒng)的頻譜。

(2)小區(qū)邊緣傳輸速率

提高小區(qū)邊緣傳輸速率，改善用戶在小區(qū)邊緣的體驗(yàn)，增強(qiáng)3GPP LTE系統(tǒng)的覆蓋性能，主要通過頻分多址和小區(qū)間干擾抑制技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

(3)數(shù)據(jù)率和頻譜利用率

在數(shù)據(jù)率和頻譜利用率方面，實(shí)現(xiàn)下行峰值速率100 Mb/s，上行峰值速率50 Mb/s；頻譜利用率為HSPA的2～4倍，用戶平均吞吐量為HSPA的2～4倍。為保證3GPP LTE系統(tǒng)在頻譜利用率方面的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，主要通過多天線技術(shù)、自適應(yīng)調(diào)制與編碼和基于信道質(zhì)量的頻率選擇性調(diào)度實(shí)現(xiàn)。

(4)時(shí)延

提供低時(shí)延，使用戶平面內(nèi)部單向傳輸時(shí)延低于5 ms，控制平面從睡眠狀態(tài)到激活狀態(tài)的遷移時(shí)間低于50 ms，從駐留狀態(tài)到激活狀態(tài)的遷移時(shí)間小于100 ms，以增強(qiáng)對(duì)實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的支持。

(5)多媒體廣播和多播業(yè)務(wù)

進(jìn)一步增強(qiáng)對(duì)多媒體廣播和多播業(yè)務(wù)的支持，滿足廣播業(yè)務(wù)、多播業(yè)務(wù)和單播業(yè)務(wù)融合的需求，主要通過物理層幀結(jié)構(gòu)、層2的信道結(jié)構(gòu)和高層的無(wú)線資源管理實(shí)現(xiàn)。

(6)全分組的包交換

取消電路交換，采用基于全分組的包交換，從而提高系統(tǒng)頻譜利用率。對(duì)IP語(yǔ)音(VoIP)業(yè)務(wù)的支持與低時(shí)延目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)導(dǎo)致調(diào)度和層1、層2間信令設(shè)計(jì)的困難。

(7)共存

實(shí)現(xiàn)與第3代移動(dòng)通信系統(tǒng)和其他通信系統(tǒng)的共存

本文將分別從物理層的傳輸技術(shù)、層2協(xié)議結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，闡述3GPP LTE如何實(shí)現(xiàn)以上目標(biāo)。

2 3GPP LTE物理層的傳輸技術(shù)

2.1 物理層上下行傳輸方案

下行的多址方式為正交頻分多址(OFDMA)，上行為基于正交頻分復(fù)用(OFDM)傳輸技術(shù)的單載波頻分多址(SC-FDMA)，SC-FDMA為單載波傳輸技術(shù)，其特點(diǎn)為低峰均比，子載波間隔為15 kHz。這兩種技術(shù)都能較好地支持頻率選擇性調(diào)度。

2.2 幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

上下行幀長(zhǎng)都為10 ms，分成20個(gè)時(shí)隙，10個(gè)子幀，最小物理資源塊為180 kHz。下行為了同時(shí)支持廣播業(yè)務(wù)和單播業(yè)務(wù)，設(shè)計(jì)長(zhǎng)循環(huán)前綴(CP)和短CP兩種類型。短CP時(shí)每子幀由7個(gè)OFDM符號(hào)組成，短CP的子幀主要支持單播業(yè)務(wù)。長(zhǎng)CP時(shí)每子幀由6個(gè)OFDM符號(hào)組成，長(zhǎng)CP的持續(xù)時(shí)間為16.67 ms，長(zhǎng)CP的子幀結(jié)構(gòu)支持多播業(yè)務(wù)，實(shí)現(xiàn)單頻組網(wǎng)，獲得多小區(qū)傳輸合并增益。上行每個(gè)子幀由8個(gè)OFDM符號(hào)組成，其中2個(gè)短OFDM符號(hào)，6個(gè)長(zhǎng)OFDM符號(hào)。短OFDM符號(hào)主要用于導(dǎo)頻信號(hào)傳輸，長(zhǎng)OFDM符號(hào)主要用于數(shù)據(jù)傳輸。同時(shí)為了與時(shí)分雙工(TDD)系統(tǒng)共存，又分別為低碼速率時(shí)分雙工(LCR-TDD)和高碼速率時(shí)分雙工(HCR-TDD)設(shè)計(jì)了相應(yīng)的幀結(jié)構(gòu)。

2.3 小區(qū)間干擾控制技術(shù)

采用小區(qū)間干擾控制技術(shù)的目的為提高用戶在小區(qū)邊緣的信息傳輸速率。主要的多小區(qū)干擾補(bǔ)償技術(shù)有：干擾隨機(jī)化技術(shù)、干擾抵消技術(shù)和多小區(qū)干擾協(xié)調(diào)技術(shù)。3GPP LTE標(biāo)準(zhǔn)化的前期研究重點(diǎn)為下行頻分雙工(FDD)系統(tǒng)中的多小區(qū)干擾協(xié)調(diào)技術(shù)，多小區(qū)干擾協(xié)調(diào)技術(shù)對(duì)頻譜資源和發(fā)射功率進(jìn)行限制。中心用戶可以使用全部資源塊，但只能以低功率使用部分資源塊；邊界用戶以全功率使用部分資源塊，從而提高用戶在小區(qū)邊緣的信干噪比，增加小區(qū)覆蓋率。而FDD上行的多小區(qū)干擾控制主要通過功率控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)，頻率復(fù)用因子為1。

2.4 多天線技術(shù)

目前下行單用戶多天線傾向于無(wú)層間打亂，主要采取基于酉矩陣的預(yù)編碼技術(shù)，終端的反饋為酉矩陣的指數(shù)，其他一些技術(shù)還需要進(jìn)一步研究；下行多用戶多天線傾向于終端的反饋基于酉矩陣，但基站的預(yù)編碼矩陣不一定為酉矩陣；上行發(fā)射分集主要根據(jù)功放的要求進(jìn)行評(píng)估和選擇。

2.5 小區(qū)搜索技術(shù)

小區(qū)搜索的設(shè)計(jì)主要集中在同步信道的設(shè)計(jì)和小區(qū)序列的設(shè)計(jì)上?？紤]到小區(qū)搜索的復(fù)雜性，LTE傾向采用主同步信道進(jìn)行小區(qū)同步，輔同步信道進(jìn)行小區(qū)標(biāo)識(shí)(ID)的檢測(cè)。在主同步信道采用公共的導(dǎo)頻序列，而在輔同步信道上各小區(qū)采用不同的導(dǎo)頻序列。其中在小區(qū)導(dǎo)頻序列的設(shè)計(jì)中，序列必須兼顧性能和復(fù)雜度要求。目前可供參考的碼類型有PN、ZadeOff-chu、Frank等。

2.6 隨機(jī)接入技術(shù)

隨機(jī)接入中主要分為非同步的隨機(jī)接入和同步的隨機(jī)接入。在非同步的隨機(jī)接入中，為了提高基站對(duì)用戶接入的控制效率，傾向于在用戶的簽名序列中隱含用戶的消息比特，比如用戶的接入目的，用戶的信道質(zhì)量指示(CQI)等。用戶的簽名序列采用Zadoff-Chu碼經(jīng)過循環(huán)移位的擴(kuò)展的Zadoff-Chu序列的零相關(guān)區(qū)域(ZC-ZCZ)碼。在小區(qū)覆蓋大小的考慮上，對(duì)于大區(qū)的覆蓋討論集中在采用更長(zhǎng)的碼還是簡(jiǎn)單的短碼重復(fù)。最后從復(fù)雜度和對(duì)頻偏的抵抗性考慮，LTE傾向采用后者的方案。

對(duì)于同步的隨機(jī)接入，目前的討論還不是很多。從功能上而言，許多公司都提議要取消同步隨機(jī)接入的信道。因?yàn)橛脩舻馁Y源請(qǐng)求可以通過很多的傳輸方式遞交給基站，所以沒有必要單獨(dú)設(shè)計(jì)一個(gè)同步的隨機(jī)接入信道供同步的用戶發(fā)送資源請(qǐng)求。

3 3GPP LTE網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

3G的網(wǎng)絡(luò)由基站(NB)、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)控制器(RNC)、服務(wù)通用分組無(wú)線業(yè)務(wù)支持節(jié)點(diǎn)(SGSN)和網(wǎng)關(guān)通用分組無(wú)線業(yè)務(wù)支持節(jié)點(diǎn)(GGSN)4個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)組成。RNC的主要功能為無(wú)線資源管理，網(wǎng)絡(luò)相關(guān)功能、無(wú)線資源控制(RRC)的維護(hù)和運(yùn)行，網(wǎng)管系統(tǒng)的接口等。RNC的主要缺點(diǎn)為與空中接口相關(guān)的許多功能都在RNC中，導(dǎo)致資源分配和業(yè)務(wù)不能適配信道，協(xié)議結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，不利于系統(tǒng)優(yōu)化。在2006年3月的全會(huì)上，決定3GPP LTE網(wǎng)絡(luò)由E-UTRAN基站(eNB)和接入網(wǎng)關(guān)(AGW)組成，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)扁平化。eNB的主要功能為：在附著狀態(tài)選擇AGW；尋呼信息和廣播信息的發(fā)送；無(wú)線資源的動(dòng)態(tài)分配，包括多小區(qū)無(wú)線資源管理；設(shè)置和提供eNB的測(cè)量；無(wú)線承載的控制；無(wú)線接納控制；在激活狀態(tài)的連接移動(dòng)性控制。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和功能劃分如圖1所示，其中eNB與AGW之間的接口為S1接口，eNB與eNB之間的接口為X2接口。與空中接口相關(guān)的功能都被集中在eNB，無(wú)線鏈路控制(RLC)和媒體訪問控制(MAC)都處于同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，從而可以進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化和設(shè)計(jì)。

4 層2標(biāo)準(zhǔn)化內(nèi)容

4.1 層2技術(shù)概述

為了制訂一個(gè)盡量統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，層2標(biāo)準(zhǔn)的制訂將不考慮FDD和TDD的差異，也就是說(shuō)希望FDD和TDD在層2進(jìn)行融合和統(tǒng)一。

由于基于全分組的協(xié)議，3GPP LTE的協(xié)議結(jié)構(gòu)得到極大簡(jiǎn)化，RLC和MAC都位于節(jié)點(diǎn)eNB，因此調(diào)度器可以根據(jù)信道質(zhì)量對(duì)RLC服務(wù)數(shù)據(jù)單元(SDU)進(jìn)行切割，從而減少填充和充分利用信道的傳輸能力，同時(shí)可以對(duì)RLC層的自動(dòng)重發(fā)請(qǐng)求(ARQ)和MAC層的混合自動(dòng)重發(fā)請(qǐng)求(HARQ)進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化。

4.2 層2協(xié)議結(jié)構(gòu)

圖2給出了下行層2的協(xié)議結(jié)構(gòu)。由于電路域交換的去除，協(xié)議結(jié)構(gòu)變得非常簡(jiǎn)單。

與3G的協(xié)議相比，HARQ和ARQ實(shí)體都位于eNB，RLC SDU的長(zhǎng)度是可變長(zhǎng)的，同時(shí)支持RLC協(xié)議數(shù)據(jù)單元(PDU)的重分割，從而使業(yè)務(wù)載荷能夠很好地適應(yīng)信道質(zhì)量；另一方面，由于苛刻的時(shí)延需求，要求填充小，因此3GPP LTE的層2協(xié)議支持屬于同一終端的多個(gè)無(wú)線承載在MAC層的復(fù)接。

圖3給出了目前3GPP LTE傾向的RLC和MAC結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)較好地支持了由于苛刻時(shí)延要求導(dǎo)致的開銷增加較大問題。

4.3 ARQ的設(shè)計(jì)及ARQ和HARQ的協(xié)作設(shè)計(jì)

ARQ和HARQ實(shí)現(xiàn)最重要的數(shù)據(jù)可靠傳輸保證，同時(shí)由于ARQ和HARQ都位于eNB，有利于系統(tǒng)的聯(lián)合設(shè)計(jì)。

ARQ的設(shè)計(jì)原則為：為了保證協(xié)議層間的相互獨(dú)立性，RLC序號(hào)與包數(shù)據(jù)匯聚協(xié)議(PDCP)的序號(hào)各自獨(dú)立；為了減少RLC頭開銷，RLC序號(hào)基于RLC PDU，ARQ的重傳基于RLC PDU；ARQ的重傳支持重分割(適配信道質(zhì)量)，重分割的次數(shù)大于1。與R6的ARQ協(xié)議相比，協(xié)議得到巨大簡(jiǎn)化。ARQ和HARQ互協(xié)作的主要目的為快速觸發(fā)ARQ的重傳，減少空中接口傳輸時(shí)延和避免傳輸控制協(xié)議(TCP)因確認(rèn)/非確認(rèn)(ACK/NACK)誤判激活，主要措施有：若HARQ發(fā)端發(fā)現(xiàn)包傳輸失敗，HARQ發(fā)端可以觸發(fā)ARQ進(jìn)行重傳；而HARQ收端發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，是否匯報(bào)有待于進(jìn)一步研究。

4.4 VoIP業(yè)務(wù)的調(diào)度和信令設(shè)計(jì)

由于VoIP業(yè)務(wù)在相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)是殺手級(jí)應(yīng)用，3GPP LTE對(duì)VoIP業(yè)務(wù)采取許多措施進(jìn)行優(yōu)化。VoIP業(yè)務(wù)的特點(diǎn)為：業(yè)務(wù)到達(dá)時(shí)間間隔為20 ms左右，業(yè)務(wù)載荷為40字節(jié)左右；靜音間隔為160 ms。VoIP業(yè)務(wù)調(diào)度的設(shè)計(jì)原則為：由于VoIP包比較小和傳輸時(shí)間間隔短，因此與VoIP相關(guān)的信令開銷必須也比較小(或開銷為零)；對(duì)于靜態(tài)或半靜態(tài)調(diào)度，調(diào)度器必須支持資源的再分配；調(diào)度器必須能處理VoIP的重發(fā)和業(yè)務(wù)載荷突變。目前還未就VoIP業(yè)務(wù)的調(diào)度和信令設(shè)計(jì)達(dá)成一致意見。

4.5 單播業(yè)務(wù)和多播業(yè)務(wù)的融合

應(yīng)業(yè)務(wù)需求和運(yùn)營(yíng)商的強(qiáng)烈要求，3GPP LTE特別加強(qiáng)了對(duì)廣播和多播業(yè)務(wù)的支持。當(dāng)多播業(yè)務(wù)只在一個(gè)小區(qū)有需求時(shí)，可以使用下行共享信道(DL-SCH)進(jìn)行傳輸，多播業(yè)務(wù)也可以使用多播信道(MCH)進(jìn)行傳輸，從而獲得多小區(qū)傳輸合并分集。圖4a和圖4b給出了兩種在混合小區(qū)的傳輸模式，應(yīng)運(yùn)營(yíng)商的要求，3GPP LTE又給出了圖4c和圖4d兩種在MBMS專有小區(qū)的傳輸模式。

5 結(jié)束語(yǔ)

從以上分析可以看出，3GPP LTE標(biāo)準(zhǔn)化過程不是演進(jìn)過程，而是一場(chǎng)技術(shù)革命過程，它對(duì)實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)、高可靠性業(yè)務(wù)和廣播及多播業(yè)務(wù)都能提供較好的支持，其低時(shí)延、全分組和高數(shù)據(jù)率的目標(biāo)已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)。

6 參考文獻(xiàn)

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[2] 3GPP TR 25.813 v7.1.0. Evolved UTRA (E-UTRA) and Evolved UTRAN (E-UTRAN): Radio interface protocol aspects [S]. 2006.

[3] 3GPP TR 25.913 v7.3.0. Requirements for Evolved UTRA (E-UTRA) and Evolved UTRAN (E-UTRAN) [S]. 2006.

收稿日期：2007-01-20

徐景，東南大學(xué)博士畢業(yè)。中科院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所副研究員，現(xiàn)任上海無(wú)線通信中心寬帶移動(dòng)部部長(zhǎng)，B3G/4G研究及標(biāo)準(zhǔn)化項(xiàng)目負(fù)責(zé)人，研究興趣包括信道均衡、跨層優(yōu)化和無(wú)線資源管理。

胡宏林，中國(guó)科技大學(xué)工學(xué)博士畢業(yè)，德國(guó)慕尼黑西門子公司Future Radio部博士后。目前為中科院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所副研究員，主要從事國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化相關(guān)工作以及移動(dòng)通信關(guān)鍵技術(shù)研究。已發(fā)表論文10余篇，專著4本?，F(xiàn)擔(dān)任美國(guó)John Wiley Sons期刊Wireless Communications and Mobile Computing以及International Journal of Communication Systems編委。

周婷，清華大學(xué)電子工程系信息與通信系統(tǒng)專業(yè)碩士畢業(yè)。工作于上海無(wú)線通信中心，主要研究領(lǐng)域包括分布式無(wú)線通信技術(shù)、信道編碼、多用戶檢測(cè)。已發(fā)表論文1篇，提交國(guó)家專利申請(qǐng)2項(xiàng)。