内容发布更新时间 : 2024/6/3 21:20:36星期一 下面是文章的全部内容请认真阅读。

理解LTE中的基本概念

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。

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。

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。