理解LTE中的基本概念

理解LTE中的基本概念

LTE是3G時代向後發展的其中一個方向，作為3GPP標準，它能提供50Mbps的上行（uplink）速度以及100Mbps的下行（downlink）速度。LTE在很多方面對蜂窩網路做了提升，比如，資料傳輸帶寬可設定在1.25MHz到20MHz的範圍，這點很適合擁有不同帶寬資源的運營商（關於運營商的定義，國外將Carrier表示簽發SIM卡的機構，而Operator則表示對SIM卡提供服務的機構，這裡統稱為運營商），並且它允許運營商根據所擁有的頻譜資源提供不同的服務。再比如，LTE提升了3G網路的頻譜效率，運營商可以在同樣的帶寬範圍內提供更多的資料和更高品質的語音服務。雖然目前LTE的規範還沒有最終定案，但以目前LTE的發展形式可以預料未來十年LTE將能夠滿足高速資料傳輸、多媒體服務以及高容量語音服務的需求。

LTE所採用的物理層（PHY）採用了特定的技術在增強型基站（eNodeB）和移動設備（UE）之間進行資料與控制信號的傳輸。這些技術有些對於蜂窩網路來說是全新的，包括正交頻分複用技術（OFDM）、多輸入多輸出技術（MIMO）。另外，LTE的物理層還針對下行連接使用了正交頻分多址技術（OFDMA），對上行連接使用了單載波頻分多址技術（SC-FDMA）。在符號週期（symbol period）不變的情況下，OFDMA按照subcarrier-by-subcarrier的方式將資料直接發送到多個用戶，或者從多個用戶接收資料。理解這些技術將有助於認識LTE的物理層，本文將對這些技術進行敘述，要說明的是，雖然LTE規範分別就上行和下行連接兩個方面描述頻分雙工FDD和時分雙工TDD，但實際多採用FDD。

在進入正文之前，還要瞭解的一點是，信號在無線傳輸的過程中會因為多路徑傳輸（multipath）而產生失真。簡單的說，在發射端和接收端之間存在一個瞄準線（line-of-sight）路徑，信號在這個路徑上能最快的進行傳輸，而由於信號在建築物、汽車或者其他障礙物會產生反射，從而使得信號有許多傳輸路徑，見圖1。

一、單載波調制和通道均衡（channel equalization）

時至今日，蜂窩網路幾乎無一例外的採用單載波調制方式。雖然LTE更傾向於使用OFDM，而不是單載波調制，但是簡單的討論一下基於單載波的系統是怎樣處理多徑干擾（既由多路徑傳輸引起的信號失真）是有幫助的，因為它可以作為參考點與OFDM系統進行比較。

時延擴展（delay spread）表示信號從發射端從不同的路徑傳送到接收端的延遲時間，在蜂窩網路中，時延擴展大約為幾微秒。這種延遲會引起最大問題是，通過延遲路徑到達接收端的符號（symbol）會對隨後的符號造成干擾，圖2描述了這種情況，它通常被稱為碼間干擾，即圖中的ISI。在典型的單載波系統裡，符號時間（symbol time）隨著傳輸率的增加而降低，傳輸率非常高的時候，相應的符號週期（symbol period）更短，很可能會發生ISI大於符號週期的情況，這種情況甚至可能會影響到隨後的第二個、第三個符號。

圖2. 多路徑傳輸導致的時間延遲，以及由此引發的碼間干擾ISI。

在頻域（frequency domain）對多徑干擾（multipath distortion）進行分析是很重要的。不同的傳輸路徑和反射程度，都將引起不同的相位偏移（phase shift）。當所有經過不同路徑達到接收端的信號合併以後，通頻帶（passband）的頻率將會受到相長干擾（constructive interference），即同相位（in-phase）信號的線性合併，其他頻率則受到相消干涉（destructive interference），類似的，這個過程可以看成是反位元相（out-of-phase）信號的線性合併。合併信號由於選頻電路的衰減而產生失真，見圖3。

圖3. 時延擴展（delay spread）過長將會導致頻選衰減（即圖中的feed fades）。

單載波系統通過時域的均衡來補償通道的失真，這是它本身所具備的優點，這裡不做詳細敘述。如果要在時域做均衡以補償多徑干擾，可以通過以下兩個方法來實現：

（1）通道反轉（channel inversion）。在發送資料之前，優先發送一個特殊的序列，因為原始資料只有在接收端才能被識別，通道均衡器能夠決定通道是否回應這個原始資料，而且它能通過反轉通道來增加對資料的承載能力，以此來抑制多徑干擾的問題。

（2）CDMA系統可以採用梳狀（rake）均衡器來處理特定的路徑，然後按時間錯位的順序來合併數位信號，通過這樣來提升接收信號的信噪比（SNR）。

在另一方面，隨著資料率的增加，通道均衡器的實現方法也隨之變得複雜。符號時間也變得更短，這時候，接收端的採樣時鐘必須相應的更快。ISI將變得更加嚴峻，甚至在某些極端情況它可能會超出幾個字元週期。

圖4. 基於橫向濾波（transversal filter）的通道均衡器

圖4給出了一個普通的均衡器電路結構，隨著接收端採樣時鐘τ的降低，需要更多採樣來補償時延擴展。根據自適應演算法（adaptive algorithm）的複雜程度和處理速度，delay tap的數量會隨之增加。對於100Mbps的LTE資料傳輸率以及將近17μs的時延擴展來說，這種通道均衡的方案就顯得不切實際。下面我們將討論的是，OFDM是怎樣在時域內消除ISI的，這將顯著的簡化通道補償的任務。

二、正交頻分複用技術（OFDM）

OFDM通信系統並不受符號率（symbol rate）增加的影響，這樣有助於提升資料傳輸率以及控制ISI。OFDM系統將頻帶分為許多子載波（sub-carriers），並且將資料以平行束（parallel stream）的方式進行發射。每一個子載波都進行不同程度的QAM調制，例如QPSK、QAM、64QAM，甚至是更高階的調制，這根據信號品質的要求來決定。所以，OFDM符號其實是瞬態信號（instantaneous signal）在每個子載波上的線性合併。另外，由於信號是並行發射，而不是串列的傳輸，因此在同等的資料傳輸率下，OFDM所使用的符號（symbol）通常比單載波系統中的符號長。

OFDM具有兩個很明顯的特徵：第一，每一個符號的前端都有一個循環首碼（cyclic prefix，即CP），這個首碼用於消除ISI；第二，子載波的間隔非常窄以增加帶寬的利用效率，而且相鄰的子載波之間並不存在載波間干擾（ICI）。

同樣的，分析信號在時域和頻域的特徵將有助於理解OFDM是怎樣處理多徑干擾的。為了理解OFDM是怎樣處理由多路徑傳輸引起的ISI，下面將首先分析OFDM符號在時域的表現。通常OFDM符號包括兩部分：CP和TFFT，CP的持續時間由時延擴展的預處理程度決定。當信號經由兩個不同的路徑傳輸到接收端的時候，它們在時間上將按照圖5進行交叉錯列的分佈。

圖5. OFDM通過更長的符號週期和CP來消除ISI。

對於CP來說，有可能從前端符號（preceding symbol）就出現失真的情況。然而，如果CP的時間足夠長，前端符號並不會溢出到FFT時間；此時只存在由時間重疊而引起符號之間的干擾問題。一旦通道的激勵響應（impulse reponse）確定下來，可以用“subcarrier-by-subcarrier”的方式使振幅和相位產生偏移，以此來消除失真。值得注意的是，所有傳輸到接收端的資訊都與FFT時間有關。信號在被接收並且被數位化處理之後，接收端將簡單的消除CP。此時，每一個子載波內的方波脈衝就是FFT時間內的固定振幅。

這些方波脈衝的最大作用是在頻率上將子載波進行間隔並且不產生ICI。在時域的方波脈衝（即RECT函數）經過轉換後成為頻域的SINC函數（即sin（x）/x），見圖6。值得一提的是，它只是對載波間隔（1/Δf）進行簡單的轉換，頻域的SINC函數以15kHz為間隔並且具有零交越（zero-crossing）的特性，這恰好落在鄰近子載波的中心上。因此，就有可能在每一個子載波的中心頻率進行採樣，同時不用遭受鄰近子載波的干擾。

圖6. OFDM的字符經過基帶芯片的FFT處理後還原出子載波信息。

1、OFDM的缺點

如前所述，OFDM具有一些優異的地方，但它同樣存在著缺點。跟單載波系統相比，OFDM具有兩個致命的缺點：容易受到頻率偏移的影響，頻率產生偏移有可能是由本地振盪引起的，也可能是多普勒頻移（Doppler shifte）；除此之外，信號峰均功率比（PAPR）過大也是其中的一個缺點。

如果每一個子載波都能夠在它的中心頻率進行準確的採樣，那麼這樣的OFDM系統就可以實現零ICI。通過快速傅立葉變換（FFT）將時域採樣的OFDM信號轉換成頻域信號，這是一種有效的實現離散傅立葉變換（DFT）的方法，它形成一系列初始的離散頻率，這些頻率可以下列公式表達。

最終的頻譜具有離散的頻率K/NTs,K=0,1,…N-1，其中Ts表示時域的採樣間隔，N是採樣的數量，採樣數量是在FTT時間內定義的。因此，通過傅立葉變換來表示的信號頻率完全由採樣頻率1/Ts定義。

這裡以一個特殊的LTE為例，LTE將發射的帶寬定義在1.25MHz到20MHz之間。當帶寬為1.25MHz的時候，FFT的大小為128。換句話說，在FFT時間（66.67μs）內進行了128次的採樣，Ts=0.52086μs，接收信號可以表示為15kHz、30kHz、45kHz等等分量的函數。這些頻率恰好是子載波的中心頻率，除非在下變頻轉換的過程中出現錯誤。接收信號在RF載波頻率進行下變頻轉換後，然後在基帶頻率進行FFT。下變頻轉換通常是採用直接變頻的方法進行，即接收信號與本振頻率（LO）混合。在理想情況下，載波信號與接收端的LO是相同的，但在實際中這點很難做到。

發射端和接收端LO總是會產生偏移，因此必須採用更加有效的方法使它們同步。為了做到這一點，每一個基站週期性的發送同步信號，這些同步信號除了被用於LO的同步之外，還被用於初始的資料獲取和移交等其他任務。即便是這樣，其他的干擾源也可能會使信號出現不同步的問題，比如Doppler頻移和本振相位雜訊，這些干擾都有可能導致圖7中的ICI。出於上述這些原因，必須對信號的頻率進行持續的監視。任何偏移都必須在基帶處理的過程中被糾正以避免產生額外的ICI。

圖7. 頻率偏移導致載波間干擾（ICI）。

OFDM的另外一個最大的缺點是PAPR過大。對於一個單獨的OFDM符號來說，瞬態發射的RF功率可以發生明顯的改變，前面提到，OFDM符號是所有子載波的合併，子載波電壓可以在符號的任何位置上加入同位相，這將產生非常高的瞬態峰值功率。高PAPR要求A/D和D/A轉換的動態範圍增大，更重要的是，它同時減小了RF功率放大器的效率。有時候單載波系統使用固定的資料包調制方式，比如Gaussian最小移相鍵控（GMSK），或者移相鍵控技術（PSK）。當信號保持穩定的放大的時候，資料通過改變瞬態頻率或者相位進行傳輸。RFPA並不需要高度的線性，事實上，在驅動PA的時候可以將其信號“箝制”在最大值和最小值之間擺動。輸出濾波器可以消除由信號“箝制”引起的諧波失真。如果RFPA可以用這種方法實現，它們將達到70%的效率。

通過上述的比較可以看出，OFDM並不是一種完全採用資料包的調制方式。在每一個符號裡，子載波的幅度和相位是不變的，在對OFDM符號進行處理的過程中，有可能存在幾個的峰值。RFPA必須具備在沒有對信號進行“箝制”的前提下處理電壓擺動的問題，因此需要更大的放大器來應對功率