[转帖]理解 LTE 中的基本概念

bouyer

理解 LTE 中的基本概念

摘要：

本文对 LTE 中的基本概念进行了解析，包括单载波调制和通道均衡（ channelequalization） 、 正交频分复用技术（ OFDM） 、 正交频分多址技术（ OFDMA） 、 多入多出技术（ MIMO）和最大比率合成（ MRC） 和单载波频分多址技术（ SC-FDMA） ） 等技术。理论性较强，不过对于理解 LTE 工作原理非常有帮助。当然，对于网优从业者来说，不一定非要完全掌握了理论才能实操，通常实操和理论是两码事，可以先学实操，再在实操中完善理论。

LTE 是 3G 时代向后发展的其中一个方向，作为 3GPP 标准，它能提供 50Mbps 的上行（ uplink）速度以及 100Mbps 的下行（ downlink）速度。 LTE 在很多方面对蜂窝网络做了提升，比如，数据传输带宽可设定在 1.25MHz 到 20MHz 的范围，这点很适合拥有不同带宽资源的运营商（关于运营商的定义，国外将 Carrier 表示签发 SIM 卡的机构，而Operator 则表示对 SIM 卡提供服务的机构，这里统称为运营商），并且它允许运营商根据所拥有的频谱资源提供不同的服务。再比如， LTE 提升了 3G 网络的频谱效率，运营商可以在同样的带宽范围内提供更多的数据和更高质量的语音服务。虽然目前 LTE 的规范还没有最终定案，但以目前 LTE 的发展形式可以预料未来十年 LTE 将能够满足高速数据传输、多媒体服务以及高容量语音服务的需求。

LTE 所采用的物理层（ PHY）采用了特定的技术在增强型基站（ eNodeB）和移动设备（ UE）之间进行数据与控制信号的传输。这些技术有些对于蜂窝网络来说是全新的，包括正交频分复用技术（ OFDM）、多输入多输出技术（ MIMO）。另外， LTE 的物理层还针对下行连接使用了正交频分多址技术（ OFDMA），对上行连接使用了单载波频分多址技术（ SC-FDMA）。在符号周期（ symbol period）不变的情况下， OFDMA 按照 subcarrier-by-subcarrier 的方式将数据直接发送到多个用户，或者从多个用户接收数据。理解这些技术将有助于认识LTE 的物理层，本文将对这些技术进行叙述，要说明的是，虽然 LTE 规范分别就上行和下行连接两个方面描述频分双工 FDD 和时分双工 TDD，但实际多采用 FDD。

在进入正文之前，还要了解的一点是，信号在无线传输的过程中会因为多路径传输

（ multipath）而产生失真。简单的说，在发射端和接收端之间存在一个瞄准线（ line-of-sight）路径，信号在这个路径上能最快的进行传输，而由于信号在建筑物、汽车或者其他障碍物会产生反射，从而使得信号有许多传输路径，见图 1。

一、单载波调制和通道均衡（ channel equalization）
时至今日，蜂窝网络几乎无一例外的采用单载波调制方式。虽然 LTE 更倾向于使用 OFDM，
而不是单载波调制，但是简单的讨论一下基于单载波的系统是怎样处理多径干扰（既由多
路径传输引起的信号失真）是有帮助的，因为它可以作为参考点与 OFDM 系统进行比较。
时延扩展（ delay spread）表示信号从发射端从不同的路径传送到接收端的延迟时间，在
蜂窝网络中，时延扩展大约为几微秒。这种延迟会引起最大问题是，通过延迟路径到达接
收端的符号（ symbol）会对随后的符号造成干扰，图 2 描述了这种情况，它通常被称为码
间干扰，即图中的 ISI。在典型的单载波系统里，符号时间（ symbol time）随着传输率的
增加而降低，传输率非常高的时候，相应的符号周期（ symbol period）更短，很可能会发
生 ISI 大于符号周期的情况，这种情况甚至可能会影响到随后的第二个、第三个符号。
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图 2. 多路径传输导致的时间延迟，以及由此引发的码间干扰 ISI。
在频域（ frequency domain）对多径干扰（ multipath distortion）进行分析是很重要的。
不同的传输路径和反射程度，都将引起不同的相位偏移（ phase shift）。当所有经过不同
路径达到接收端的信号合并以后，通频带（ passband）的频率将会受到相长干扰
（ constructive interference），即同相位（ in-phase）信号的线性合并，其他频率则受
到相消干涉（ destructive interference），类似的，这个过程可以看成是反位相
（ out-of-phase）信号的线性合并。合并信号由于选频电路的衰减而产生失真，见图 3。
图 3. 时延扩展（ delay spread）过长将会导致频选衰减（即图中的 feed fades）。
单载波系统通过时域的均衡来补偿通道的失真，这是它本身所具备的优点，这里不做详细
叙述。如果要在时域做均衡以补偿多径干扰，可以通过以下两个方法来实现：
（ 1）通道反转（ channel inversion）。在发送数据之前，优先发送一个特殊的序列，因
为原始资料只有在接收端才能被识别，信道均衡器能够决定信道是否响应这个原始数据，
而且它能通过反转信道来增加对数据的承载能力，以此来抑制多径干扰的问题。
（ 2） CDMA 系统可以采用梳状（ rake）均衡器来处理特定的路径，然后按时间错位的顺序
来合并数字信号，通过这样来提升接收信号的信噪比（ SNR）。
在另一方面，随着数据率的增加，信道均衡器的实现方法也随之变得复杂。符号时间也变
得更短，这时候，接收端的采样时钟必须相应的更快。 ISI 将变得更加严峻，甚至在某些
极端情况它可能会超出几个字符周期。
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图 4. 基于横向滤波（ transversal filter）的通道均衡器
图 4 给出了一个普通的均衡器电路结构，随着接收端采样时钟τ的降低，需要更多采样来
补偿时延扩展。根据自适应算法（ adaptive algorithm）的复杂程度和处理速度， delay tap
的数量会随之增加。对于 100Mbps 的 LTE 数据传输率以及将近 17μs 的时延扩展来说，这
种通道均衡的方案就显得不切实际。下面我们将讨论的是， OFDM 是怎样在时域内消除 ISI
的，这将显著的简化信道补偿的任务。
二、正交频分复用技术（ OFDM）
OFDM 通信系统并不受符号率（ symbol rate）增加的影响，这样有助于提升数据传输率以
及控制 ISI。 OFDM 系统将频带分为许多子载波（ sub-carriers），并且将数据以平行束
（ parallel stream）的方式进行发射。每一个子载波都进行不同程度的 QAM 调制，例如
QPSK、 QAM、 64QAM，甚至是更高阶的调制，这根据信号质量的要求来决定。所以， OFDM 符
号其实是瞬态信号（ instantaneous signal）在每个子载波上的线性合并。另外，由于信
号是并行发射，而不是串行的传输，因此在同等的数据传输率下， OFDM 所使用的符号
（ symbol）通常比单载波系统中的符号长。
OFDM 具有两个很明显的特征：第一，每一个符号的前端都有一个循环前缀（ cyclic prefix，
即 CP），这个前缀用于消除 ISI；第二，子载波的间隔非常窄以增加带宽的利用效率，而
且相邻的子载波之间并不存在载波间干扰（ ICI）。
同样的，分析信号在时域和频域的特征将有助于理解 OFDM 是怎样处理多径干扰的。为了理
解 OFDM 是怎样处理由多路径传输引起的 ISI，下面将首先分析 OFDM 符号在时域的表现。
通常 OFDM 符号包括两部分： CP 和 TFFT， CP 的持续时间由时延扩展的预处理程度决定。当
信号经由两个不同的路径传输到接收端的时候，它们在时间上将按照图 5 进行交叉错列的
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分布。
图 5. OFDM 通过更长的符号周期和 CP 来消除 ISI。
对于 CP 来说，有可能从前端符号（ preceding symbol）就出现失真的情况。然而，如果
CP 的时间足够长，前端符号并不会溢出到 FFT 时间；此时只存在由时间重迭而引起符号之
间的干扰问题。一旦通道的激励响应（ impulse reponse）确定下来，可以用
“ subcarrier-by-subcarrier” 的方式使振幅和相位产生偏移，以此来消除失真。值得注
意的是，所有传输到接收端的信息都与 FFT 时间有关。信号在被接收并且被数字化处理之
后，接收端将简单的消除 CP。此时，每一个子载波内的方波脉冲就是 FFT 时间内的固定振
幅。
这些方波脉冲的最大作用是在频率上将子载波进行间隔并且不产生 ICI。在时域的方波脉
冲（即 RECT 函数）经过转换后成为频域的 SINC 函数（即 sin（ x） /x），见图 6。值得一
提的是，它只是对载波间隔（ 1/Δf）进行简单的转换，频域的 SINC 函数以 15kHz 为间隔
并且具有零交越（ zero-crossing）的特性，这恰好落在邻近子载波的中心上。因此，就有
可能在每一个子载波的中心频率进行采样，同时不用遭受邻近子载波的干扰。
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图 6. OFDM 的字符经过基带芯片的 FFT 处理后还原出子载波信息。
1、 OFDM 的缺点
如前所述， OFDM 具有一些优异的地方，但它同样存在着缺点。跟单载波系统相比， OFDM 具
有两个致命的缺点：容易受到频率偏移的影响，频率产生偏移有可能是由本地振荡引起的，
也可能是多普勒频移（ Doppler shifte）；除此之外，信号峰均功率比（ PAPR）过大也是
其中的一个缺点。
如果每一个子载波都能够在它的中心频率进行准确的采样，那么这样的 OFDM 系统就可以实
现零 ICI。通过快速傅立叶变换（ FFT）将时域采样的 OFDM 信号转换成频域信号，这是一
种有效的实现离散傅立叶变换（ DFT）的方法，它形成一系列初始的离散频率，这些频率可
以下列公式表达。
最终的频谱具有离散的频率 K/NTs,K=0,1,…N-1，其中 Ts 表示时域的采样间隔， N 是采样
的数量，采样数量是在 FTT 时间内定义的。因此，通过傅立叶变换来表示的信号频率完全
由采样频率 1/Ts 定义。
这里以一个特殊的 LTE 为例， LTE 将发射的带宽定义在 1.25MHz 到 20MHz 之间。当带宽为
1.25MHz 的时候， FFT 的大小为 128。换句话说，在 FFT 时间（ 66.67μs）内进行了 128 次
的采样， Ts=0.52086μs，接收信号可以表示为 15kHz、 30kHz、 45kHz 等等分量的函数。这
些频率恰好是子载波的中心频率，除非在下变频转换的过程中出现错误。接收信号在 RF 载
波频率进行下变频转换后，然后在基带频率进行 FFT。下变频转换通常是采用直接变频的
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方法进行，即接收信号与本振频率（ LO）混合。在理想情况下，载波信号与接收端的 LO 是
相同的，但在实际中这点很难做到。
发射端和接收端 LO 总是会产生偏移，因此必须采用更加有效的方法使它们同步。为了做到
这一点，每一个基站周期性的发送同步信号，这些同步信号除了被用于 LO 的同步之外，还
被用于初始的数据采集和移交等其他任务。即便是这样，其他的干扰源也可能会使信号出
现不同步的问题，比如 Doppler 频移和本振相位噪声，这些干扰都有可能导致图 7 中的 ICI。
出于上述这些原因，必须对信号的频率进行持续的监视。任何偏移都必须在基带处理的过
程中被纠正以避免产生额外的 ICI。
图 7. 频率偏移导致载波间干扰（ ICI）。
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OFDM 的另外一个最大的缺点是 PAPR 过大。对于一个单独的 OFDM 符号来说，瞬态发射的 RF
功率可以发生明显的改变，前面提到， OFDM 符号是所有子载波的合并，子载波电压可以在
符号的任何位置上加入同位相，这将产生非常高的瞬态峰值功率。高 PAPR 要求 A/D 和 D/A
转换的动态范围增大，更重要的是，它同时减小了 RF 功率放大器的效率。有时候单载波系
统使用固定的数据报调制方式，比如 Gaussian 最小移相键控（ GMSK），或者移相键控技术
（ PSK）。当信号保持稳定的放大的时候， 数据通过改变瞬态频率或者相位进行传输。 RFPA
并不需要高度的线性，事实上，在驱动 PA 的时候可以将其信号“ 箝制” 在最大值和最小值
之间摆动。输出滤波器可以消除由信号“ 箝制” 引起的谐波失真。如果 RFPA 可以用这种方
法实现，它们将达到 70%的效率。
通过上述的比较可以看出， OFDM 并不是一种完全采用数据报的调制方式。在每一个符号里，
子载波的幅度和相位是不变的，在对 OFDM 符号进行处理的过程中，有可能存在几个的峰值。
RFPA 必须具备在没有对信号进行“ 箝制” 的前提下处理电压摆动的问题，因此需要更大的
放大器来应对功率的需求，这样带来的结果是效率的降低。 RFPA 处理 OFDM 的效率可以小
于 20%。虽然可以进行一些测量来减小电压峰值， OFDM 系统中 PAPR 过大的问题仍然会导致
RFPA 效率比单载波系统小。
三、正交频分多址技术（ OFDMA）
OFDMA 技术被用于 LTE 的下行连接，为了方便理解 OFDMA，下面将它与分组
（ packet-oriented）网络方案进行比较。 802.11a 属于分组的网络方案，它所采用的载波
侦听多路访问技术（ CSMA）同样属于多任务技术，从固定的接入点 AP 到移动用户的上行和
下行连接是通过对物理层的数据进行封装打包的方法进行的，而 OFDMA 技术能更有效的利
用网络资源。
1、 OFDMA 与分组协议的比较
跟 LTE 类似的是， IEEE802.11a 采用 OFDM 作为基本的调制方式。但不同的是， 802.11a 使
用 CSMA 作为其多任务技术的基础， CSMA 本质上是一种“ listen before talk” 的方案，
举例来说，如果 AP 对于客户端来说有排列处理的任务，它将监测通道是否处于工作状态。
当通道处于闲置状态的时候，内部的定时器将开始工作，定时器随机产生， 并且在网络仍
然处于闲置状态的时候，它将继续保持工作状态。当定时器到零的时候， AP 将发射一个
2000bytes 位址的物理层数据报到客户端，也或者在同一个蜂窝区域内对所有的用户广播
这个地址。在这个过程中，通过加入后退（ back-off）时间来减小冲突。
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图 8. 在 IEEE802.11a 里，每一个数据前端都包含前同步码（ preamble）和报头（ header）。
在 802.11a 协议里，数据报的处理过程将占用所有带宽，图 8 显示了 802.11a 物理层数据
报的格式，数据报的长度从 64 到 2048byte 不等。如果数据报得以成功发射，接收端将发
送一个 ACK 信号，没被识别的数据报将被忽略。每一个数据报的前端为 20μs 的前同步码，
它的作用是信号侦测、天线分集选择、设置 AGC、评估频率偏移、时序同步、通道评估。
在 PHY 前同步码里并不包含接收端定位的信息，这些信息包含在数据报中并在 MAC 层进行
解析。从网络的角度来看， 802.11a 所采用的分组协议的优点是它比较简单。每一个数据
报都对应一个接收单元（ recipient）。然而， CSMA 多路方案中的后退（ back off）时间
会导致系统处于空闲状态，这会降低整体的效率。不仅如此， PHY 的前同步码也是网络数
据传输的负担，同样会降低效率。
在实际运用中， 802.11a 的效率为 50%，换句话说，对于 54Mbps 的网络来说吞吐量为 25 到
30Mbps。也可以放弃使用 CSMA 的多路方案来，转而采用数据报的方案来提供整体的效率。
由于发送 ACK 信号而导致的效率降低可以通过另外一种方法来缓解，即以组为单位来识别
ACK 信号，而不是逐个识别。
尽管这种方法能提升系统的效率，但它仍然不能使分组网络的效率超过 65%到 70%。更重要
的是，每一个数据报在传输和识别的时候将占用整个网络资源， AP 只能按顺序为终端用户
提供定位。在同一个蜂窝区域内如果用户的数量过多，延迟便成为突出的问题，特别是，
蜂窝运营商要扩充更多的业务，这种延迟的问题将变得更加严峻。从下文我们可以看出
OFDMA 将比分组方案在这些方面具有怎样的优势。
2、 OFDMA 和 LTE 的帧结构
对于 LTE 下行连接来说， OFDMA 是一种比较可行的多路复用方案。虽然它增加了系统的复
杂程度，但是在效率和延迟方面，它远远优于分组的方案。在 OFDMA 里，在一定的时间内
用户被分配予一定数量的子载波，在 LTE 规范里这些被分配的子载波被定义为物理层资源
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块（ PRB）， PRB 同时受到时间和频率的影响。通常 PRB 的分配工作主要在基站进行。
图 9. LTE 的数据帧结构
为了进一步解释 OFDMA，这里还需要认识物理层的帧结构。以 FDD 类型的帧结构为例子，
见图 9， LTE 的帧为 10ms，它包括十个子帧部分，每个子帧部分为 1ms。根据是否采用了普
通的或者增强型的循环前缀，每一个子帧又包含两个 slote（参见图 9）。 PRB 被定义为包
含 12 个连续的子载波。在基站对资源分配的过程中， PRB 是最小的元素，表 1 给出了下行
带宽的分配情况。
表 1. 下行的带宽分配
见图 10，下行信号在 Nsymb 的符号里包括 NBW 个子载波，每一个网格代表一个符号周期的
单载波，它被定义为“ resouce element” 。这里要注意的是，在 MIMO 系统里，对于每一
个发射天线对应一个网格。
和分组格式的网络相比， LTE 并没有采用前同步码来进行载波偏移的评估、通道的评估、
时间同步的评估等等。取而代之的是，在 PRB 里嵌入了特殊的参考信号，如图 11 所示。如
果使用的是短 CP，参考信号将在第一个和第五个 OFDM 符号发送，如果使用的是长 CP，参
考信号将在第一个和第四个 OFDM 符号发送。每第六个子载波发送参考信号，并且参考信号
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在时间和频率上进行交叉处理。承载符号的信道响应可以直接进行计算。
图 10. 下行数据的分配
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图 11. LTE 的参考信号被布置在频谱中
四、多入多出技术（ MIMO）和最大比率合成（ MRC）
LTE 的物理层可以同时在基站和 UE 端使用多个收发器，这是为了提升连接的坚固性以及增
加 LTE 下行连接的数据传输率。在实际中，当信号的强度非常低或者出现多路径传输的情
况，最大的数据率合并 MRC 被用于提升连接可靠性。 MIMO 就是其中的一种被用提升系统数
据传输率的技术。
图 12. MRC/MIMO 需要多个收发器
图 12 左显示了一个典型的使用多个天线的单信道接收器，显然，接收器的结构采用了多个
天线，但是它并不具备支持 MRC/MIMO 的能力。图 12 右显示了同时支持 MRC 和 MIMO 的基本
接收器的电路拓扑。 MRC 和 MIMO 很多时候被称为“ 多天线” 技术，但那样是有点用词不当。
值得注意的是，图 12 两种电路之间最突出的特点并不是多天线，而是多个收发器。
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对于 MRC 来说，信号经由两个或者多个独立的天线/收发器组对。值得注意的是，天线是独
立的，它们具有不同通道的脉冲响应。经由不同天线接收到的信号，在合并成单独的补偿
信号之前，它们在基带处理器要进行通道补偿。
如果使用上述的方法进行补偿，接收信号经过基带处理器后才会变得连贯。在这个过程中，
来自于各个收发器的热噪声是非关联的，这样信道补偿的线性合并将导致双信道 MRC 接收
器的 SNR 比平均值大 3dB。
合并除了能提升 SNR 的性能之外， MRC 接收器也因此可以在频率选通之前可靠的工作。前
面提到，独立的天线可以对每一个接收信道具有不同信道的脉冲响应，所以从统计学来看，
一个既定的子载波将很难在所有接收通道内经受深度的衰减。补偿信号的深度频选衰减的
可能性明显的减少。
图 13. MRC 在 AWGN 和频率选通衰减方面增强了通信的可靠性
见图 13， MRC 提升的连接的可靠性，但是它不会增加系统的数据传输率。在 MRC 模式里，
数据经过一个单独的天线发射出去，然后经由两个或者多个接收器被接收处理。与其说 MRC
是一种传统的天线分集的模式，不如说它是一种接收器分集（ receiver diversity）模式。
另一方面， MIMO 可以提升系统的数据传输率，它是通过同时在发射端和接收端采用多个天
线来实现的。
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图 14. MIMO 参考信号按顺序发射以计算信道响应
为了成功的实现 MIMO 方式的数据收发，接收器要求必须能决定通道的脉冲响应。在 LTE 里，
通道的脉冲响应主要通过从每一个发射天线连续发射参考信号来确定，见图 14。这里以图
15 的 2×2MIMO 系统为参考，它总共有四个通道脉冲响应，即 C1、 C2、 C3 和 C4。在这个过
程中，如果有一个天线在发送参考信号，那么其他的天线将处于闲置状态。一旦脉冲响应
被确定了以后，数据可以同时从所有的天线发射出去。
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图 15. MIMO 需要对所有通道响应进行优先级别的识别
五、单载波频分多址技术（ SC-FDMA）
LTE 对于上行连接的要求与对下行连接的要求有所不同， 这主要体现在几个方面。毫无疑
问的，在 UE 端功耗是很重要的一个参数。高数值的 PAPR 以及由 OFDM 引起的效率损失在这
里是主要要考虑的问题。出于上述的原因，在 LTE 的上行连接中需要寻求一种最佳的 OFDM
方案。
单载波频域多接入点技术，即 SC-FDMA 非常适合 LTE 上行连接的要求。它的发射端和接收
端结构非常类似于 OFDMA，并且它还提供同样等级的多路径传输保护功能。最重要的是，
因为它的基本波形本质上是单载波的，并且其 PAPR 非常低。
图 16. SC-FDMA 和 OFDMA 的功能结构非常相似
图 16 显示了基本的 SC-FDMA 发射端和接收端对数据的处理流程。这里可以看到，许多的功
能模块都在 SC-FDMA 和 OFMA 里用的比较多，因此，在上行和下行路径之间存在一个明显的
功能性 commonality 的等级。发射路径的功能模块包括了：
（ 1） Constellation mapper。将输入数据比特流转换成单载波符号，即通常所说的 BPSK、
QPSK 或者 16QAM，采用样的转换方式取决于通道的条件；
（ 2）串行/并行转换。将时域的 SC 符号进行格式化，格式化后的数据块（ block）被传输
至 FFT 引擎。
（ 3） M-point DFT。将时域的 SC 数据块转换成 M 离散音调。
（ 4）字载波映射。即将 DFT 输出音调映射成特定的子载波用于发送。 SC-FDMA 系统可能是
使用邻近的音调（ localized），也可能是使用平均的空间音调（ distributed），如图 17
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所示。目前 LTE 里工作模式假定的是，将要使用本地的子载波映射。局部和分布子载波映
像之间的交换动作将在下面进行讨论。
图 17. SC-FDMA 子载波可以通过集中或者分散的方式进行映像。
（ 5） N 节点 IDFT。将映射后的子载波进行逆转换，转换后的时域信号用于传送。
（ 6）循环前缀和脉冲限幅。循环前缀是在复合 SC-FDMA 符号之前对其进行处理，这样做的
目的是为其提供抑制多路径传输干扰的能力，这类似于 OFDM 所使用的方法。对脉冲的限幅
的目的是防止频谱的衍生。
（ 7） RFE。这部分的作用是将数字信号转换成模拟信号，并且进一步转换成高频 RF 信号以便后面的发射。在接收端的电路里，对数据的处理过程本质上与发射端是恰好相反的。以 OFDM 为例，
SC-FDMA 的数据传输可以被看成是，对离散的子载波信号进行综合。在 OFDM 系统里，多路径传输所产生的失真采用同样的方法进行处理。这个过程可以简单的被理解为，驱除 CP，
将信号转换到频域，然后依次子载波偏置对通道进行纠正。
不像 OFDM 那样，由离散的子载波所传输基本 SC-FDMA 信号并不是单载波信号。这点和 OFDM很不相同，因为 SC-FDMA 的子载波不是独立的（对数据）进行调制的。这样，在 OFDM 中PAPR 将变得更低。有分析指出， LTE 系统中的 UE RFPA 可以以 2dB 进行工作，这接近于 1dB的压缩点（ compression point），如果在上行连接中采用 OFDM，这点是有可能的。
前面提到， SC-FDMA 子载波可以通过两种方式来进行映像，即像图 17 那样集中或者分散的进行。但是，目前的工作假设情况是， LTE 将使用集中的子载波映射。它的精确度由集中映射的程度决定，在这种情况下，通过通道