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3GPP LTE标准化进展——物理层
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；
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●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。
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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
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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。
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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，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）。
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3GPP+LTE标准化进展——物理层
