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3GPP LTE标准化进展——物理层
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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（测试规范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；
●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中的内容基本都假设对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。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内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，主张采用具有较低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。
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内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可用于大范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。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。
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。在一个小区内，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）。
对多小区MBMS系统，可以考虑采用两种参考符号结构：各小区相同的（cell-common）的参考符号和各小区不同的（cell-specific）参考符号。目前假设cell-common结构为基本结构，是否支持cell-specific参考符号还有待于进一步研究。
3.4.2 上行参考符号设计
上行参考符号位于两个SC-FDMA短块中，用于NodeB的信道估计和信道质量（CQI）估计。参考符号的设计需要满足两种SC-FDMA传输——集中式（Localized）SC-FDMA和分布式（Distributed）SC-FDMA的需要。由于SC-FDMA短块的长度仅为长块的一半，SC-FDMA参考符号的子载波宽度为数据子载波宽度的2倍。
与下行相似，上行参考符号也可能采用正交设计，以支持多个MIMO天线之间、多个UE之间的参考符号区分。上行正交参考符号也可以用FDM、TDM、CDM或上述方法的混合方法实现。其中CDM方法通过一个CAZAC序列的不同循环位移样本实现。
针对用于信道估计的参考符号，首先考虑不同UE的参考符号之间将采用FDM方式区分。参考符号可能采用集中式发送（只对集中式SC-FDMA情况），也可能采用分散式发送。在采用分散式发送时，如果SB1和SB2都用于发送参考符号，SB1和SB2中的参考符号将交错放置，以获得更佳的频域密度。对分布式SC-FDMA情况，也可以考虑采用TDM和CDM方式对不同UE的参考符号进行复用。特别对于一个NodeB内的多个UE，将采用分布式FDM和CDM的方式。多天线UE情况下的上行参考符号结构尚有待于进一步研究。
为了满足频域调度的需要，可能需要对整个带宽进行信道质量估计，因此即使数据采用本集中式发送，用于信道质量估计的参考符号也需要在更宽的带宽内进行分布式发送。不同UE的参考符号可以采用分布式FDM或CDM（也基于CAZAC序列）复用在一起。
3.5 控制信令设计
3.5.1 下行控制信令设计
下行带外L1/L2控制信令包括：用于下行数据发送的调度信息；用于上行发送的调度赋予信息；对上行发送给出的ACK/NACK信息。
下行调度信息用于UE对下行发送信号进行接收处理，又分为3类：资源分配信息、传输格式和HARQ信令。资源分配信息包括UE ID、分配的资源位置和分配时长，传输格式包括多天线信息、调制方式和负载大小。HARQ信令的内容视HARQ的类型有所不同，异步HARQ信令包括HARQ流程编号、IR（增量冗余）HARQ的冗余版本和新数据指示。同步HARQ信令包括重传序列号。在采用多天线的情况下，资源分配信息和传输格式可能需要对多个天线分别传送。
上行调度信息用于确定UE上行发送信号格式，也包含资源分配信息和传输格式，结构与下行相似。其中传输格式的形式取决于UE是否有参与确定传输格式的能力。如果上行传输格式完全由NodeB决定，则此信令中将给出完整的传输格式；如果UE也参与上行传输格式的确定，则此信令可能只给出传输格式的上限。
ACK/NACK的格式有待于进一步研究。
传送控制信令的时频资源可以进行调整，UE通过RRC信令或盲检测方法获得相应的资源信息。控制信令的编码可以考虑两种方式：联合编码和分别编码。联合编码即多个UE的信令合在一起进行信道编码，分别编码即各用户采用分开的独立编码的控制信道，每个信道用来通知一个用户的ID及其资源分配情况。下行控制信令可采用FDM和TDM两种复用方式，FDM方式的优势是可以以数据率为代价换取更好的覆盖，TDM方式的优势是可以实现微睡眠（micro-sleep）。另外，下行控制信令本身可以考虑采用多天线技术（如赋形和预编码）传送，以提高传送质量。
3.5.2 上行控制信令设计
上行控制信令包括：与数据相关的控制信令、信道质量指示（CQI）、ACK/NACK信息和随机接入信息。其中随机接入信息又可以分为同步随机接入信息和异步随机接入信息，前一种信息还包含调度请求和资源请求。
与数据相关的控制信令包括HARQ和传输格式（只当UE有能力选择传输格式时）。
CQI和ACK/NACK的格式有待于进一步研究。
LTE上行由于采用单载波技术，控制信道的复用不如OFDM灵活。经过反复的讨论，3GPP决定只采用TDM方式复用控制信道，因为这种方式可以保持SC-FDMA的低PAPR特性。与数据相关的信令将和UE的数据复用在一个时/频资源块中。
3.5.3 调制和编码
LTE下行主要采用OPSK、16QAM、64QAM三种调制方式。上行主要采用位移BPSK（p/2-shift BPSK，用于进一步降低DFT-S-OFDM的PAPR）、OPSK、8PSK和16QAM。另一个正在考虑的降PAPR技术是频域滤波（spectrum shaping）。另外也已明确，“立方度量”（Cubic Metric）是比PAPR更准确的衡量对功放非线性影响的指标。在信道编码方面，LTE主要考虑Turbo码，但如果能获得明显的增益，也将考虑其他编码方式，如LDPC码。为了实现更高的处理增益，还可以考虑以重复编码作为FEC（前向纠错）码的补充。
3.6 多天线技术
3.6.1 下行MIMO和发射分集
LTE系统将设计可以适应宏小区、微小区、热点等各种环境的MIMO技术。基本MIMO模型是下行2×2、上行1×2个天线，但同时也正在考虑更多天线配置（最多4×4）的必要性和可行性。
具体的MIMO技术尚未确定，目前正在考虑的方法包括空分复用（SDM）、空分多址（SDMA）、预编码（Pre-coding）、秩自适应（Rank adaptation）、智能天线、以及开环发射分集（主要用于控制信令的传输，包括空时块码（STBC）和循环位移分集（CSD））等。
根据TR 25.814的定义，如果所有SDM数据流都用于一个UE，则称为单用户（SU）-MIMO，如果将多个SDM数据流用于多个UE，则称为多用户（MU）-MIMO。
下行MIMO将以闭环SDM为基础，SDM可以分为多码字SDM和单码字SDM（单码字可以看作多码字的特例）。在多码字SDM中，多个码流可以独立编码，并采用独立的CRC，码流数量最大可达4。对每个码流，可以采用独立的链路自适应技术（例如通过PARC技术实现）。
下行LTE MIMO还可能支持MU-MIMO（或称为空分多址SDMA），出于UE对复杂度的考虑，目前主要考虑采用预编码技术，而不是干扰消除技术来实现MU-MIMO。SU-MIMO模式和MU-MIMO模式之间的切换，由NodeB控制（半静态或动态）。
作为一种将天线域MIMO信号处理转化为束（beam）域信号处理的方法，预编码技术可以在UE实现相对简单的线性接收机。3GPP已经确定，线性预编码技术将被LTE标准支持。但采用归一化（Unitary）还是非归一化（Non-unitary），采用码本（Codebook）反馈还是非码本（Non-codebook）反馈，还有待于进一步研究。另外，码本的大小、具体的预编码方法、反馈信息的设计和是否对信令采用预编码技术等问题（此问题主要涉及智能天线的使用），都正在研究之中。需要指出的是，在目前的LTE研究工作中，智能天线技术被看作预编码技术的一种特例。
同时正在被考虑的问题还有是否采用秩自适应（Rank adaptation）及天线组选择技术。还将采用开环发射分集作为闭环SDM技术的有效补充，目前的工作假设是循环位移分集（CSD）。
用于广播多播（MBMS）的MIMO技术和用于单播的MIMO技术将有很大的不同。MBMS系统将无法实现信息的上行反馈，因此只能支持开环MIMO，包括开环发射分集、开环空间复用或两者的合并。
如果单频网（SFN）MBMS系统中的小区的数量足够多，系统本身已具有足够的频率分集，因此再采用发射空间分集带来的增益就可能很小。但由于在SFN系统中，MBMS系统很可能是带宽受限的，因此空间复用比较有吸引力。而且由于接收信号来自于多个小区，有助于空间复用的解相关处理。
对于用于MBMS的多码字空间复用系统，由于缺少上行反馈，针对码字进行自适应调制编码（AMC）无法实现。但可以特意在不同天线采用不同的调制编码方式或不同的发射功率（半静态的），以实现在UE的有效的干扰消除（不同天线间的调制编码方式及功率的差异有利于串行干扰消除获得更佳的性能）。
3.6.2 上行MIMO和发射分集
上行MIMO的基本配置是2ˊ2天线，正在考虑发射分集（包括CSD和空时／频块码）、SDM和预编码等技术。同时，LTE也正在考虑采用更多天线的可能性。考虑到某些双天线UE可能只有一套射频发射系统，LTE也正在考虑天线选择技术。
上行MIMO还将采用一种特殊的MU-MIMO（SDMA）技术，即上行的MU-MIMO（也即已被WiMAX采用的虚拟MIMO技术）。此项技术可以动态的将两个单天线发送的UE配成一对（Pairing），进行虚拟的MIMO发送，这样2个MIMO信道具有较好正交性的UE可以共享相同的时／频资源，从而提高上行系统的容量。这项技术对标准化的影响，主要是需要UE发送相互正交的参考符号，以支持MIMO信道估计。
3.7 调度
调度就是动态的将最适合的时／频资源分配给某个用户，系统根据信道质量信息（CQI）的反馈、有待调度的数据量、UE能力等决定资源的分配，并通过控制信令通知用户。调度和链路自适应、HARQ紧密联系，都是根据下述信息来调整的：
——QoS参数和测量；
——NodeB有待调度的负载量；
——等待重传的数据；
——UE的CQI反馈；
——UE能力；
——UE睡眠周期和测量间隙／长度；
——系统参数，如带宽和干扰水平。
LTE的调度可以灵活的在localized和distributed方式之间切换，并将考虑减小开销的方法。一种方法就是对话音业务一次性调度相对固定的资源（即persistent scheduling）。
上行调度与下行相似，但上行除了可以采用调度来分配无线资源外，还将支持基于竞争（Contention）的资源分配方式。
调度操作的基础是CQI反馈（当然CQI信息还可以用于AMC、干扰管理和功率控制等）。CQI反馈的频域密度应该是最小资源块的整数倍，CQI的反馈周期可以根据情况的变化进行调整。LTE还未确定具体的CQI反馈方法，但反馈开销的大小将作为选择CQI反馈方法的重要依据。
3.8 链路自适应
3.8.1 下行链路自适应
链路自适应的核心技术是自适应调制和编码（AMC）。LTE对AMC技术的争论主要集中在是否对一个用户的不同频率资源采用不同的AMC（RB-specific AMC）。理论上说，由于频率选择性衰落的影响，这样做可以比在所有频率资源上采用相同的AMC配置（RB-common AMC）取得更佳的性能。但大部分公司在仿真中发现这种方法带来的增益并不明显，反而会带来额外的信令开销，因此最终决定采用RB-common AMC。也就是说，对于一个用户的一个数据流，在一个TTI内，一个层2的PDU只采用一种调制编码组合（但在MIMO的不同流之间可以采用不同的AMC组合）。
3.8.2 上行链路自适应
上行链路自适应比下行包含更多的内容，除了AMC外，还包括传输带宽的自适应调整和发射功率的自适应调整。UE发射带宽的调整主要基于平均信道条件（如路损和阴影）、UE能力和要求的数据率。该调整是否也基于块衰落和频域调度，有待于进一步研究。
3.9 HARQ
LTE基本将采用增量冗余（Incremental Redundancy）HARQ。另外，各公司还就是否采用异步HARQ或自适应HARQ展开了讨论。基本的HARQ，每次重传的时刻和所采用的发射参数（调制编码方式及资源分配等）都是预先定义好的。而异步HARQ则可以根据需要随时发起重传。自适应HARQ即每次重传的发射参数可以动态调整。因此异步HARQ和自适应HARQ与基本的HARQ相比可以取得一定增益，但需要额外的信令开销。
例如对于自适应HARQ，每次重传可以自适应的改变AMC配置和资源块分配，但需要通过信令传送各次重传的参数配置。而对于基本HARQ，重传采用固定的、预定义的AMC配置和资源块分配，因此只需要在首次传送时发送参数配置。
3.10 功率控制
由于不存在CDMA系统中的“用户间干扰”，LTE系统可以在每个子频带内分别进行“慢功控”。但在上行，如果对小区边缘用户进行完全的功控，可能导致小区间干扰问题。因此目前正在考虑对边缘用户只“部分的”的补偿路损和阴影衰落，从而避免产生较强的小区干扰。这样可以获得的更大的系统容量。当功控考虑对其他小区干扰时，小区边缘UE的“目标SINR”需要定得比小区中心UE的“目标SINR”小，当然同时要考虑UE之间的公平性问题。
3.11 小区搜索
LTE系统的小区搜索需要支持1.25-20MHz带宽的操作。可用于小区搜索的信道包括同步信道（SCH）、广播信道（BCH），SCH用来取得下行系统时钟和频率同步，而BCH则用来取得小区的特定信息。另外，参考信号也可能被用于一部分小区搜索过程。
总的来说，UE在小区搜索过程中需要获得的信息包括：符号时钟和频率信息、小区带宽、小区ID、帧时钟信息、小区多天线配置、BCH带宽以及SCH和BCH所在的子帧的CP长度。
小区ID可以通过直接检测或ID组检测获得，直接检测即通过SCH直接映射到小区ID，而ID组检测即通过SCH确定ID组，然后再通过参考符号和BCH确定具体的小区ID。BCH带宽则可以由小区带宽直接映射，或由UE通过盲检测获得（CP长度也可以通过盲检测获得）。
3.11.1 时频域结构
SCH和BCH的时域结构还未最终确定。首先，一个无线帧可能传输一次SCH和BCH，也可能传输多次。SCH和BCH数量也不一定一样，每个SCH后面不一定都跟着一个BCH。SCH的间隔和在子帧的位置应该固定，BCH位于SCH后的固定相对位置（如果该SCH后面有一个BCH的话）。对TDD系统，一个无线帧包含多个SCH/BCH可能对帧结构造成额外的影响。对基于LCR-TDD帧结构的TDD LTE系统，小区搜索和LCR-TDD相似，即SCH通过DwPTS传送，BCH通过TSO传送。
在频域结构方面，SCH被置于小区系统带宽的中心，带宽初步定为（至少对初始接入）1.25MHz。BCH也在系统带宽的中心发送，基本带宽也为1.25MHz。对于带宽超过5MHz的系统，除了1.25MHz以外，BCH也有可能采用更大的带宽。这种情况下，需要通过SCH通知UE BCH将要采用的传输带宽。无论采用何种带宽，UE必须能够只依赖系统带宽的中央部分获得小区ID，以实现很快的小区搜索。
为了提高SCH和BCH的可靠性，正在考虑对这两种信道采用发射分集技术。
3.11.2 分级和不分级SCH
在SCH信号的结构方面，有两种选择：分级（Hierarchical）的SCH和不分级（Non-hierarchical）的SCH。对于分级的SCH，系统发送2或3个SCH信号，第1个SCH信号只用于获得时间和频率同步，该信号对各小区是相同的，或只有少数几种选择。第2个SCH信号是对各小区不同的，携带小区ID或小区组ID。如果第2个SCH信号只携带小区组ID，则可用小区的公共参考符号获得具体的小区ID。如果没有第2个SCH信号，则可以直接通过小区的公共参考信号获得完整的小区ID。对于不分等级的SCH信号，SCH信号对各小区是不同的（可能占用不同子载波），直接携带小区ID或小区组ID。
选择分级还是非分级小区搜索，需要考虑如下问题：
——在小区间干扰和频率偏差环境下的搜索时间；
——开销（即所消耗的额外发送功率和时频资源）；
——UE复杂度。
目前的研究表明，在低SNR范围（SNR＜OdB），分级搜索可实现比非分级搜索更短的搜索时间；而在高SNR范围，非分级搜索较分级搜索性能的搜索时间更短。
3.11.3 下行时钟同步
同步过程可以分为时钟同步和帧同步两个步骤。
SCH时钟同步可以采用基于互相关的时钟检测方法或基于自相关的时钟检测方法。基于互相关的检测用于分级搜索，这种方法通过检测接收信号和SCH副本（各小区相同的SCH或一组时域上不同的SCH）之间的相关性来获得时钟。基于自相关的检测可用于分级或不分级搜索，这种方法是在一个OFDM符号周期内发送多个对称的SCH波形，然后通过检验这些SCH波形之间的自相关性来获得时钟。对分级搜索可以混合采用上述两种检测方法。
如果SCH在一个无线帧内多次发送，SCH时钟同步无法直接给出无线帧的时域位置，这时就需要进行额外的无线帧同步检测。无线帧可通过SCH、BCH或参考信号实现。基于SCH的检测可用于分级或不分级搜索，这种方法是通过在频域检测小区特定的SCH序列取得帧同步。在分级SCH情况下，可以将第1个SCH看作参考信号，然后通过对第2个SCH进行相关检测完成上述过程。基于BCH的检测也可用于分级或不分级搜索，这种方法是通过对BCH进行解码来取得帧同步。基于参考信号的检测主要用于分级搜索，也就是通过对调制过的参考信号进行检测来取得同步。采用这种方法时，参考信号波形的重复周期需要和无线帧周期10ms相等。
3.11.4 小区ID检测
目前的基本假设是设置512个小区ID（和WCDMA一样），最终的数量需进一步研究。可用于小区ID检测的物理信道包括SCH和参考信号。首先，可以用SCH直接指示小区ID，这种方法适用于分级和非分级SCH。如果用小区特定序列或/和小区特定跳频图案对参考信号进行调制，就可以通过检测接收到的参考符号和参考符号副本之间的互相关性来判定小区ID，这种方法适用于分级和非分级SCH。
小区ID分组有助于减少相关检测的次数，但是否需要将小区ID进行分组，目前尚未确定。分组的方法很可能和WCDMA相似，对基于参考信号的小区ID检测，可以首先通过SCH序列指示小区ID组，下一步，UE就只需要对该小区ID组内的小区ID进行搜索（基于参考符号或SCH），从而减少相关检测的次数。如果第2个SCH信号只携带小区组ID，则可用小区的公共参考信号获得具体的小区ID；如果没有第2个SCH信号，则可以直接通过小区的公共参考符号获得完全的小区ID。
3.12 上行随机接入
上行随机接入分为非同步随机接入和同步随机接入。
3.12.1 非同步随机接入
非同步随机接入是在UE还未获得上行时间同步或丧失同步时，用于NodeB估计、调整UE上行发射时钟的过程。这个过程也同时用于UE向NodeB请求资源分配。
随机接入信道（RACH）的时／频结构尚未最终确定。RACH可能占用某个单独的时频资源（即FDM/TDM）或和其他信道共享资源（即CDM），RACH使用的资源可在RRM的控制下调整。由于目前的LTE系统对调度的设计无法保证在非同步情况下没有小区内干扰，因此RACH本身需要有抗干扰能力。也就是说，RACH信号的时长需要比子帧的整数倍短，以留出一些保护时间，避免由于时钟失步造成的干扰，RACH信号的长度可以根据不同的小区大小进行调整。
对于基于LCR-TDD整结构的TDD LTE系统，与LCR-TDD UTRA系统相似，将通过UpPCH信道进行上行接入。RACH信号的长度短于0.8ms（即UpPTS+TS1的长度），对大尺寸的小区，可考虑采用更长RACH信号。
上行接入信道基本带宽为1.25MHz，但也可能采用更宽的带宽或多个1.25MHz信道。
随机接入信号主要由前导（Preamble）构成。Preamble用于上行时钟对齐和UE识别符的检测。在Preamble中也可能包含4-8比特的信息，可额外携带的简短的信令。
目前LTE正在考虑2种非同步随机接入方法。第1种接入过程为：UE一次性发送用于同步和资源请求的Preamble，NodeB也一次性反馈时钟信息和资源分配信息；第2种接入过程为：UE先发送用于同步的Preamble，NodeB反馈时钟信息和可供UE发送资源请求信息的资源。而后UE再使用NodeB分配的资源在共享信道或随机接入信道（对基于LCR-TDD的TDD LTE系统）发送资源请求，然后NodeB再反馈数据发送资源分配。
RACH的发送将采用开环功率控制技术，也就是说，系统会根据需要调整每次RACH信号的发射功率。FDD系统的开环功控将采用可变步长的功率渐增（Power ramping）方法，而TDD系统的开环功控可以针对每次RACH发送独立的调整发射功率。
3.12.2 同步随机接入
同步随机接入用于在UE已经取得并保持着和NodeB的同步时进行随机接入。同步随机接入的目的主要是请求资源分配。
上行接入的最小带宽等于资源分配的基本单位（即375kHz），但也可能采用更宽的带宽或多个1.25MHz信道。RACH信号的长度可以根据不同的小区大小进行调整（静态、半静态或动态），以在开销、延迟和覆盖之间取得最佳的折衷。
同步上行接入的过程和非同步上行接入相似，只是省去了同步的过程。
RACH信号序列的设计（如基于CAZAC序列）应该满足如下要求：
●保证高的检测几率；
●RACH信号的数量需要满足高负载小区的需要，保证低的碰撞几率；
●保证精确的时钟检测（即要有优良的相关特性和足够的带宽）；
●保持低PAPR/CM特性。
3.13 MBMS
LTE的多媒体广播多播业务（MBMS）系统可以采用两种方法实现：多小区发送和单小区发送。对于单小区发送，MBMS业务信道（MTCH）映射到下行共享信道（DL-SCH）。对于多小区发送，MTCH可能映射到另一个单独的传输信道。
多小区发送MBMS系统的核心是基于单频网（SFN）的下行宏分集软合并，为了实现软合并，小区间要取得同步（同步精度远小于CP），以使UE能合并多小区的信号。
用于多小区发送MBMS的参考符号在小区间需要保持一致。如果某个子帧专门用来传送MBMS信号，参考信号可以相对单播模式做适当精简。另外，为了简化操作，用于MTCH的控制信道的发送频率也可能小于DL-SCH控制信道的发送频率。对于多小区MBMS，目前的假设是采用各小区共同的参考信号。但对单小区MBMS，可能要考虑对各小区采用不同的参考信号。
MBMS数据应在短时长内以高瞬时数据率集中发送，以降低每个频道的占空比（Duty circle），从而实现低能耗。
MBMS系统可以部署在单独的载波，也可以和单播LTE系统共享一个载波。
如果组播系统和单播系统共享一个载波，两种信号的复用方式是一个需要解决的问题，目前正在考虑TDM（组播数据和单播数据占用不同子帧）和FDM（组播数据和单播数据复用在一个子帧内）复用方式。当系统带宽小于或等于UE带宽能力时，需要考虑是否采用TDM方式，以降低对UE的射频要求。当系统带宽大于UE带宽能力时，需要采用FDM方式。
多个MBMS数据流之间的复用主要采用TDM方式，以尽可能减小MBMS接收时间。控制信息的设计需要支持上述两种复用。
无论系统采用哪种复用方式，MBMS数据都需要和下行L1/L2信令（包括用于单播的信令）复用在一起，单播信号的参考信号和控制信息结构不应因此受到影响。
如果MBMS采用单独载波发送，不同业务（频道）之间只采用TDM复用，而且目前假设只采用长CP，而且只集中于5MHz和10MHz两种带宽。但MBMS的物理层调制编码方式将和单播基本一致。
3.14 同步
除了考虑基本的UE和NodeB之间的同步外，基于OFDM/FDMA的LTE系统还需要考虑另外两种同步操作。一是上行同步（又称时间控制），即为了保证上行多用户之间的正交性，要求各用户的信号同时到达NodeB，误差在CP以内。因此需要根据用户距NodeB的位置远近调整它们的发射时间。
另一个问题是NodeB之间的同步。与异步的WCDMA系统不同，保持NodeB之间的正交性可以使基于OFDM/FDMA的LTE系统获得更好的性能（例如对于MBMS系统）。但3GPP系统传统上不像3GPP2系统那样依靠外部时钟（如GPS）取得同步，因此除了考虑采用外部时钟提供系统同步外，还需要考虑采取别的方法。目前正在考虑的方法是：NodeB借助小区内各UE的报告和相邻NodeB作同步校准，以此类推，使全系统逐步和参考基站取得同步。
3.15 小区间干扰抑制
LTE提高小区边缘数据率的目标将通过小区间干扰抑制技术实现。目前正在考虑的方案包括干扰随机化、干扰协调、干扰消除和慢功控等。
SI主要的研究集中在干扰协调方法，即在小区中心采用频率复用1，而在小区边缘采用小于1的频率复用，从而避免强干扰；因此又称为部分频率复用（FFR）或软频率复用（SFR）。目前首先考虑采用静态的FFR方法，这种方法不要求小区之间的信令交互。进而可以考虑半静态的FFR方法，这种方法可以更高效的利用频率资源，但是依赖于一定数量的小区间信令交互。半静态FFR对小区间信令的需求很可能关系到接入网架构中是否需要RRM服务器。
干扰协调的缺点是可用于小区边缘的频率资源有限，限制了小区边缘的峰值速率和系统容量。干扰消除即在接收机采用多用户检测消除相邻小区的干扰，目前主要考虑基于UE多天线接收的干扰抵制合并（IRC）技术。
在难以使用干扰消除和干扰协调的时候，还可以采用干扰随机化技术。这种方法是将小区间的干扰随机化为白噪声，因此又称为干扰白化。目前主要考虑采用小区加扰来实现干扰随机化。这种方法可以取得最基本的小区间干扰抑制效果。
3.16 切换
LTE在上行和下行都没有采用宏分集合并技术。也就是说，LTE将不采用软切换，而将采用快速小区选择（即快速硬切换）方法。
除了系统内的切换，LTE也正在考虑不同频率之间和不同系统（如其他3GPP系统、WLAN系统等）的切换。
四、物理层评估结果
在2006年5月初的RAN1#45会议上，RAN1各公司提交了LTE物理层的仿真评估结果。结果表明，目前的LTE层基本概念可以满足或接近TR 25.912中的系统需求。
4.1 峰值速率
LTE系统的峰值速率如表1和表2所示。基本开销包括CP、保护时间、保护子载波和参考符号，全开销包括全部的系统和L1/L2开销，开销占系统资源的29%。
表1 LTE系统峰值速率仿真评估结果（基本帧结构）
从评估结果看，LTE系统峰值速率在下行明显超出了要求的目标性能，在上行很接近要求的目标性能。
4.2 吞吐量和频谱效率
LTE系统的吞吐量如表3所示，频谱效率如表4所示。
上述结果表明，LTE系统在上行已经完全可以达到TR 25.913的需求，即小区和用户吞吐量提高超过3倍。但下行评估结果并没有完全达到需求，例如：同时取得3-4倍扇区／平均用户吞吐量提高和2-3倍的小区边缘用户吞吐量提高还有一定的困难。根据某些公司提供的结果，可以通过采用较长的TTI、较小的控制开销和增强型技术实现上述指标。
4.3 用户面延迟
LTE系统的用户面延迟性能如表5所示。无HARQ重传情况下的评估是假设基于无负载的系统，因此忽略了调度和包长度对延迟的影响。有HARQ重传情况下的评估是假设30%的重传几率，考虑5次重传的无负载传输。另外，ROHC、加密和RLC/MAC处理的总延迟约为O.5ms。评估结果表明，在不考虑从AGW（接入网关）到E-NodeB的延迟的情况下，用户面延迟4ms以下，满足TR 25.913在这方面的需求。
4.4 覆盖
上述的评估主要针对小区间距1732m以下的情况，但某些仿真也考虑了最大小区间距7500m和小区半径5000m的情况。这些仿真证明，大尺寸小区情况下能取得的性能和基本小区尺寸下的性能处于同一数量级或略低于基本小区尺寸下的性能。
另外，LTE工作也考虑了在极大小区覆盖下的性能。限制小区尺寸的一个因素是随机接入过程，目前的随机接入过程已经考虑了采用可调的RACH信号长度来支持很大的小区尺寸。在TDD模式下，关键的问题是在发射机端的时钟提前（Timing advance）问题，以实现在接收机端的同步。这个问题可以通过在上下行切换点插入可变数量的空闲符号（Idle symbol）实现，但上述方法在上下行频繁切换时会造成很大的效率损失。但可以预计，在超大小区情况下，可能不需要过于频繁的上下行切换，因此LTE TDD也应具备支持超大小区尺寸的能力。
4.5 移动性
LTE系统在移动性方面的需求是：对15km/h低移动性优化系统，在120km/h的中速移动实现较高的性能，支持350km/h和500km/h的高速移动。根据目前LTE的研究，由于采用了0.5ms的子帧长度、灵活的资源分配方式（调度和分散分配）、基于数据包前转的NodeB之间切换和非压缩模式，LTE系统可以满足高速移动的需求。
在切换方面，目前LTE系统可以在典型的场景下实现30ms的用户面中断间隙（上行和下行）。由于采用了数据包前转，可以避免切换中的丢包。
4.6 网络同步
目前对FDD E-UTRAN的设计（如小区搜索）基于异步网络，但某些小区间干扰抑制的方法可能依赖于网络同步。另外，在提供多小区MBMS业务时，网络同步有明显的性能增益。在采用独立的MBMS载波时，可能只需要少数的基站保持同步，取得系统同步相对比较容易。
TDD模式下，网络也需要取得同步，但同步精度没有对多小区MBMS的要求那么高。小区内的上行同步的性能依赖于物理层参数（主要是CP长度）的设置。E-UTRAN的切换是硬切换，目前未看到会有额外的同步需求。但频率同步有助于防止时钟漂移，这种同步可能不需要额外的操作，可以依赖于NodeB本身的频率稳定性。
4.7 MBMS
LTE MBMS的需求是达到频谱效率1bps/Hz。目前的LTE MBMS系统设计能在500-1000m的站间距情况下可实现1.1bps/Hz频谱效率，在站间距1732m站间距情况下可实现0.5bps/Hz频谱效率。由此看来，目前的设计在较小的小区情况下大致能够满足需求，但在较大小区半径下尚不能达到需求。
4.8 复杂度
在复杂度方面，SI只进行了概括的分析。目前的结论是，LTE物理层设计不会带来不可接受的复杂度问题。由于LTE系统比R6系统的峰值速率高得多，因此物理层复杂度也会相应增加。更大的系统带宽和MIMO技术的引入将增大信道的解码复杂度和HARQ处理所需的缓存大小。
OFDM/SC-FDMA系统有利于以较低的复杂度实现更宽的宽带传输。采用单频网实现的MBMS系统更是可以在不增加UE接收机复杂度的基础上获得显著的性能增益。
另外，LTE对可变带宽（1.25-20MHz）的支持和对FDD、TDD两种双工方式的同时支持，也会影响系统的复杂度。但通过采用适当的信道结构和保持FDD/TDD的高度相似性，可以将额外复杂度降到较低的水平。
为了控制复杂度，LTE UE的最小发送／接收带宽为10MHz，这可能会使10MHz终端工作在20MHz系统中时，给测量带来一定的问题，但这些问题是可以解决的。
最后，LTE标准将尽可能避免保留多个选项，以简化系统的实现和测量。
五、下一步的工作
在2006年5月底召开的RAN#32次会议上，确定了今后LTE标准化的工作计划。按照原计划，LTE SI将在2006年6月结束，同时创建WI。大部分设备商和少数运营商认为SI已经取得预期的效果，可以过渡到WI了。但数家运营商认为SI尚有很多遗留问题，没有达到第2阶段（Stage 2）的成熟度，下行吞吐量的评估也未完全满足需求，因此建议推迟结束SI。
最后经过妥协，达成决议，关闭SI的日期推迟至RAN#33次会议（9月），对某些特定方向继续研究。通过RAN研究报告TR 25.912，但不冻结。通过并冻结RAN1和RAN2的研究报告TR 25.814和TR 25.813。开始LTE WI，通过高层面的LTE WI描述（WID），发往各工作组审议和修改，并提交到RAN#33会议正式通过。开始stage 2的工作，进一步讨论各工作组研究报告和stage 3的规范结构。
在2006年9月前SI须解决的遗留问题包括：继续考察提高下行性能至高端指标（例如，规定须实现3-4倍增益，则应按照4倍要求）的技术；进行VoIP的进一步仿真；进行细致的复杂度分析；进一步完善QoS控制；包含对IMS的支持；进一步完善MBMS概念等。
新建立的LTE WI将包含如下相关的WI。
作者：沈嘉 来源：通信技术与标准
