为满足市场需求,3G持续演进,3GPP规范版本也随之不断更新。高速下行分组接入(High Speed Downlink Packet Access,HSDPA)作为Release 5发布,即3.5G技术,首次采用多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output,MIMO)技术、混合自动请求重传(Hybrid Automatic Repeat Request,HARQ)技术等。Release 6引入高速上行链路分组接入(High Speed Uplink Packet Access,HSUPA),Release 7结合HSDPA,HSUPA发布高速分组接入(High Speed Packet Access,HSPA)的增强版HSPA+,作为3.9G技术。2004年12月,3GPP正式立项并启动长期演进(Long Term Evolution,LTE)计划,决定在LTE系统中引入MIMO和正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)两大关键技术,并发布Release 8,标志着移动通信正式进入4G时代。两大关键技术的引入,使4G系统获得高达300M bit/s的理论峰值速率[2],是3G系统的百倍左右。超高的通信速率使得4G系统支持双向传输高质量音频、影像,具有更高的稳定性、保密性和兼容性,移动终端设备也因此走向更高程度智能化。

1.2  3GPP LTE标准及研究现状

LTE标准由3GPP组织立项并开发,继承并发展了3GPP前期多项既定标准。根据[2]所述,LTE系统目标为:

1)更大的系统容量和更全面的覆盖范围

2)更高的峰值传输速率和频谱利用率

3)更低的时延(包括用户面和控制面)

4)更低的成本

5)更灵活的带宽配置

6)无缝兼容既有系统及设备

7)支持多天线传输

其中,4G系统的数据率较之3G有数量级的提升的要求,是LTE系统面临的一大挑战。实际情况中,由香农的信道容量理论可知,数据速率与带宽相关,并受限于可接收到的信号功率[9]。由此,增加可接收信号功率和增大传输带宽,是提高传输速率的两个着手点。从增加信号功率考虑,LTE引入MIMO技术。MIMO本意是指多输入多输出,即指收发端使用多路天线。其典型算法是空分复用技术,包括开环和闭环空分复用两种。空分复用本质是在多根天线上并行同时同频发送独立信息,数据率与发送天线数量成正比,从根本上提高速率和频带利用率。MIMO技术的算法还包括发送分集和接收分集,是在发送端采用多天线发送分集技术,将信号功率集中在接收端方向,接收端使用接收分集技术合并信号,有最大比合并和选择式合并两种方法[3]。该方案可以增加特定位置速率,但其更多作用在于提高通信可靠性。从带宽角度考虑,高速传输需要更高的带宽,因此必须克服多径衰落效应。为此,LTE采用OFDM技术,将高速数据流调制在互相正交的子载波上,可有效抵抗多径衰落,并有频谱效率高,配置复杂度低,支持可变传输带宽和频率选择等优势[4]。值得注意的是,OFDM信号存在峰均比较大的情况,容易出现瞬态发送功率的大幅波动,产生较高功耗,不适合移动终端设备。为此,LTE在上行传输链路中引入单载波频分复用(Single-Carrier Frequency-Division Multiplexing,SC-FDM)技术。

在系统分类上,LTE包括LTE-FDD(Frequency Division Duplexing,频分双工)和LTE-TDD(Time Division Duplexing,时分双工)两种。FDD使用成对频谱,上行和下行链路分别使用一个频率传输。TDD使用非成对频谱,使用同一载波频率和信道,在不同时间传输。除此之外基本相同。论文网

网络架构方面,根据LTE标准,其无线协议架构自上而下,包括RRC层、PDCP层、RLC层、MAC层和PHY层[5],在下行传输链路中,基站eNodeB和用户端UE具有相同协议架构,同层协议互相对应,如图1.1所示。

图1.1  LTE无线协议架构示意图

上图中,PDCP层承载上层IP数据包,完成IP包头压缩、数据加密及完整性保护等工作。RLC层服务于PDCP层,负责分割或级联、重传控制等工作。MAC层负责链路混合ARQ重传等工作。PHY层是物理层,也是本文重点研究对象,在第2章具体说明。

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