LTE系統核心技術剖析及eNodeB測試方案探討

　1? 引言

　　UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) 系統的廣泛應用滿足了用戶對數據業務的需求，有效提高了通話質量和數據速率。然而，寬帶接入技術的出現及普及，Wi-Fi，WiMAX系統高數據速率的優勢，對UMTS系統帶來很大的沖擊。這使得UMTS系統數據速率不高、時延較長、網絡結構復雜等不足愈加明顯。因此，3GPP(3rd Generation Partnership Project)提出的UMTS的長期演進計劃(LTE)，通過提供一個以高速率和低時延為特征的分組優化系統來保證UMTS在未來10年的競爭力和領先性。

　　為實現此目標，LTE系統相對于UMTS系統引進了多項關鍵新技術，這使得LTE系統在物理層技術，網絡結構及協議架構等方面都發生了相應的改進，并且核心網也需要相應的升級來支持LTE系統。因此，LTE系統不僅是對UMTS系統的演進。LTE系統中eNodeB設備的測試工作也具有更高的挑戰。測試作為移動通信產業鏈中重要的一環，位于產業鏈的上游，是整個無線通信系統正常工作與維護的根本保證。因此，對eNodeB設備的測試方法及測試用例的研究勢在必行。

　　2? LTE系統的核心新技術

　　LTE是3GPP為適應時代需求而提出的新的移動寬帶接入標準，為此3GPP規定了LTE系統的各項技術指標并引入了多項核心新技術。

　　LTE系統的主要技術指標與HSPA系統的對比參見表1。

表1? LTE系統的主要技術指標

　　為了達到高數據速率和高頻譜利用率，LTE系統在上下行分別利用了SC-FDMA和OFDM調制技術。它們將整個系統帶寬分裂為大量子載波，并支持多種調制方式如QPSK，16QAM及64QAM。LTE系統同時指定了MIMO技術的不同模式，適應于不同的信噪比條件。LTE工作頻率從700MHz到3GHz，信道帶寬從1.5MHz到20MHz，為網絡運營商提供了靈活的頻帶配置方式。LTE系統引入的核心新技術總結如下：

　　2.1? OFDM/OFDMA

　　LTE中傳輸技術采用OFDM調制技術，其原理是將高速數據流通過串并變換，分配到傳輸速率較低的若干個相互正交的子信道中進行并行傳輸。由于每個子信道中的符號周期會相對增加，因此可以減輕由無線信道的多徑時延擴展產生的時間彌散性對系統造成的影響。在OFDM符號之間插入保護間隔，使保護間隔大于無線信道的最大時延擴展，從而最大限度地消除由多徑引起的符號間干擾(ISI)。在LTE系統中采用循環前綴CP (Cyclic Prefix)作為保護間隔，CP的長度決定了OFDM系統的抗多徑能力和覆蓋能力。長CP利于克服多徑干擾，支持大范圍覆蓋，但系統開銷會相應增加，導致數據傳輸能力下降。3GPP定義了長短兩套循環前綴方案，根據具體的使用場景進行選擇；短CP方案為基本項，長CP方案用于支持LTE系統中大范圍覆蓋和多小區廣播業務。

　　LTE規定了下行采用OFDMA，上行采用SC-FDMA的多址方案，這保證了使用不同頻譜資源用戶間的正交性。OFDMA中一個傳輸符號包括并行傳輸的M個正交的子載波，而在SC-FDMA機制中M個正交子載波以串行方式進行傳輸，降低了信號較大的幅度波動，降低了峰功比。此外，為了保證上行多用戶之間的正交性，要求各用戶的上行信號在CP長度的誤差范圍之內同時到達eNodeB，因此eNodeB需要根據用戶遠近位置來調整各用戶的發射時間。

　　LTE系統對OFDM子載波的調度方式也更加靈活，具有集中式和分布式兩種，并靈活地在這兩種方式間相互轉化。上行除了采用這種調度機制之外，還可以采用競爭(Contention)機制。

　　2.2? MIMO

　　MIMO技術是提高系統速率的主要手段，LTE系統分別支持適應于宏小區、微小區、熱點等各種環境的MIMO技術。 基本的MIMO模型是下行2×2，上行1×2天線陣列，LTE發展后期會支持4×4的天線配置。目前，下行MIMO模式包括波束成行，發射分集和空間復用，這3種模式適用于不同的信噪比條件并可以相互轉化。波束成型和發射分集適用于信噪比條件不高的場景中，用于小區邊緣用戶有利于提高小區的覆蓋范圍；空間復用模式適用于信噪比較高的場景中，用于提高用戶的峰值速率。在空間復用模式中同時發射的碼流數量最大可達4；空間復用模式還包括SU-MIMO(單用戶)和MU-MIMO(多用戶)，兩種模式之間的切換由eNodeB決定。上行MIMO模式中根據是否需要eNodeB的反饋信息，分別設置開環或閉環的傳輸模式。