LTE上行接入技術研究

嚴秋實

（重慶郵電大學下一代網絡應用技術研究所 重慶 400065）

現代移動通信使人們之間信息交流無比便利，基本實現了在任何時間，任何地點與任何人進行溝通的目標。一直以來，人們為提高移動通信的方方面面而不懈努力。就移動通信系統而言，要提高其性能主要有兩個方面：一是提高其基帶傳輸能力；二是通過無線資源的最優分配提高系統性能。上行接入是無線資源分配的一個重要層面，優秀的上行接入方案既能保證用戶的QoS需求又能在有限的頻譜上服務盡量多的用戶。

LTE（Long Time Evolution，長期演進）是3GPP提出的3G網絡長期演進標準，可以在3G網絡的基礎上進一步提高系統的頻譜效率和數據傳輸速率，使其上、下行峰值速率分別達到50Mbit/s和100Mbit/s。LTE標準定義的上行接入中，引入了全新的接入技術和組網模式。

1 LTE上行接入技術標準化進展

目前，移動通信系統日益呈現出寬帶化、IP化發展趨勢，ITU（International Telecommunication Union，國際電信聯盟）對此提出了新的更高要求——IMT-Advanced，也就是我們目前所說的4G技術。LTE是3GPP組織提出的3G網絡長期演進標準也是4G技術的主流演進方向。

2004年12月，LTE可行性研究計劃正式啟動；2005年12月，LTE早期標準化工作確立了下行OFDMA（Orthogonal Frequency Division Multiplexing Access，正交頻分多址）和上行SC-FDMA（Single Carrier- Frequency Division Multiplexing Access，單載波頻分多址）的基本框架；2009年1月全球首個LTE商用網絡在挪威首都奧斯陸部署。至此，LTE逐漸發展成熟，走向商用。

2 LTE上行接入關鍵技術

LTE上行接入的技術性能在3G的基礎上有了很大的提高。20MHz頻率帶寬上可以提供50Mbit/s的上行峰值速率，是3G網絡HSUPA技術的2～3倍；系統上行時延將得到很大改善，用戶面單向時延可以控制在5ms以內，控制面時延也小于100ms；頻譜靈活性大，支持成對或非成對頻譜，并可配置1.25～20MHz多種帶寬。

LTE上行接入主要關注SC-FDMA相關物理層鏈路自適應技術、MIMO（Multiple-Input Multiple-Output，多輸入多輸出）和上行分組調度。

2.1 鏈路自適應技術

LTE上行接入采用基于SC-FDMA的鏈路自適應技術，不僅能夠實現頻譜靈活性，同時也能滿足有關吞吐量和頻譜效率的苛刻指標。

LTE物理層使用1ms TTI（Transmit Time Interval，傳輸時間間隔）為其上的網絡層提供共享信道。SCFDMA技術可以隨時探測頻率和時間域內的變化，結合UE速率請求和所處信道條件迅速適應各種信道變化。在不同信道條件下，使用AMC（Adaptive Modulation Coding，自適應調制編碼）進行調制編碼。帶寬和發射功率一旦確定，AMC選擇頻譜利用率最高的方式進行調制編。LTE上行支持BPSK，QPSK，8PSK和16QAM多種調制方式，Turbo編碼速率也可以在1/3，1/2，3/4和5/6中選擇。

2.2 MIMO

MIMO技術是指在發射端和接收端分別使用多個發射天線和接收天線，信號通過發射端和接收端的多個天線傳送和接收，從而提高傳輸速率，降低誤碼率，改善每個用戶的服務質量。MIMO技術對于傳統的單天線系統來說，能夠大大提高頻譜利用率，使得系統能在有限的無線頻帶下傳輸更高速率的數據業務。LTE上行接入多天線配置為2×2方式，可應用循環移位分集、時空/頻塊碼、空分復用和預編碼等分集技術。

LTE上行接入還支持一種被稱為虛擬MIMO（Virtual MIMO）的技術。動態的將兩個上行單天線發送的UE配成一對，實現虛擬多天線傳輸，使配對的UE共享時頻資源。

2.3 上行分組調度

LTE上行接入在時域和頻域上都可以區分用戶，同時支持基于調度和基于競爭的資源分配方式。調度方式下，根據UE速率請求，用戶QoS要求，信道質量和傳輸能力等指標綜合權衡時頻資源調配，最后通過下行調度指令指示UE使用選定的頻帶和傳輸格式進行數據傳輸。競爭方式下，UE允許在一些預先確定的時頻資源上直接進行傳輸，用于實現用戶的隨機接入。

LTE上行分組調度技術要求頻率資源的調配必須滿足正交性原則，這樣小區內用戶間相互干擾理論上為0，可以最大限度的減少干擾，提高服務質量；使用SC-FDMA傳輸方式，小區內每個UE得到的傳輸頻帶必然是連續的，這種連續的帶寬分配方式還可以獲得額外的頻率選擇性分集增益。

3 LTE上行接入體系結構

LTE上行接入體系結構基于3G網絡構架，但有很大的不同。

組網模式上，LTE在3G網絡基礎上做了重大調整。在無線接入網中去掉了RNC（Radio Network Controller，無線網絡控制器）這個網元設備，由Node B構成單層網絡結構，簡化網絡架構，降低時延。將RNC的功能分散到Node B和aGW（Access Gateway，接入網關）中。

承載上，LTE是一個全分組系統，沒有支持傳統的電路交換域的相關設備和協議。

圖1顯示了LTE上行接入的體系結構和各接口協議應用情況。從控制面來看，除了非接入層（NAS）協議之外，所有無線接口協議都終結于Node B，實現由Node B單層平滑組網。從用戶面看，整個接入系統都統一于IP之下，實現了全分組接入,直接和核心網（CN）連接。

LTE上行接入所應用到的主要接口協議還有PDCP（分組數據融合協議）負責處理無線接口的報頭壓縮和安全功能；RLC（無線鏈路控制）協議主要負責確保數據的無損耗傳輸； MAC（媒體接入控制）協議負責處理接入調度；RRC（無線資源控制）協議負責處理無線承載的建立、激活模式的移動性管理以及系統信息的廣播；PHY（物理接口收發）協議用于實現物理層連接。

圖1 LTE上行接入體系結構及相關接口協議

4 總結

由于鏈路自適應技術的使用，LTE上行接入峰值速率在20MHz的頻帶上，可達到50Mbit/s，其吞吐率比3G網絡提高接近20倍；MIMO和上行分組調度技術的使用使系統平均時延控制在極低的范圍之內。這些性能的提升可通過大部分軟件升級和部分硬件改造來獲得。隨著全球移動數據業務的迅猛發展，對上行鏈路的數據速率和時延性能的要求越來越高，LTE上行接入必然成為下一代網絡技術演進的主要關注點。本文從LTE上行接入技術的標準化進展情況出發，通過對其關鍵技術細節（包括鏈路自適應技術，MIMO，上行分組調度），性能（包括峰值速率、時延等），對設備的改動等方面的研究，較為全面地對該技術進行了分析和介紹。

[1]3GPP TR 25.913 Requirements for Evolved UTRA (E-UTRA)and Evolved UTRAN (EUTRAN)

[2]3GPP TS 25.211 v7.0.0, Physical Channels and Mapping of Transport Channels onto Physical Channels

[3]3GPPT S2 5.212v 7.0.0 Multiplexing and Channel Coding

[4]Beming P, Frid L,et al. LTE architecture. Ericsson Review