面向3G LTE基站设计的预处理解决方案

1. 引言

　　长期演进(LTE) [1]蜂窝标准是3GPP 3G演进的两个组成部分之一，另外一个是HSPA演进。如图1.0所示。

　　LTE有许多目标[2]，LTE的重点是在整个10年期间内超越UMTS而满足无线用户的各种需要。这包括降低无线用户以及网络运营商的成本;另一方面，以服务差异化的形式提供更佳的各种服务，同时提供更低的延时并提高数据速率。

　　以服务差异化的形式所提供的各种更佳服务可以通过基于QOS概念的链路自适应来实现。在LTE中，链路自适应超越HSDPA能够提供什么，尽管HSDPA能够在时域上提供链路自适应以响应不断变化的信道条件，但是，LTE也能够提供频率自适应。

　　在数据速率领域，LTE预期提供100Mbps的峰值下行链路(DL)速率以及50Mbps的峰值上行链路(UL)速率，分别提供5 bit/s/Hz和2.5 bit/s/Hz的频谱效率，这可以利用OFDM与补充的MIMO技术来实现。较低的延时通过扁平的网络架构来实现。所采用的网络架构基于IP (Internet Protocol)以及更短的PHY处理时间，如图2.0所示，另外还具有在LTE的eNodeB (eNB)中实现的各种更高层功能。与UMTS相比，LTE网络架构把沿着数据路径的节点数量从4减少至2。

　　

　　图1.0 3GPP向 UMTS的演化路线


　　图2.0 经演化的UTRAN 概观

　　2. LTE的关键要素

　　对于上行链路来说，LTE无线接入将基于单载波频分多址(SC-FDMA) [5]。SC-FDMA波形所具有的良好的峰值与平均功率比(PAPR)推动上行链路采用SC-FDMA。利用较低的PAPR，射频功率放大器(RFPA)的操作可以获得更高的效率，从而使手机的电池寿命更长。对于下行链路来说，可以采用经典的OFDMA方案。

　　除了调制之外，另外一个关键要素就是依赖于调度的信道条件的可用性。这容许在共享信道中的时频资源在用户 之间动态共享。调度间隔-正如间接提到的-是基于1ms的时分以及180KHz的频分。同样地，在MAC层的调度器的实现是确保下行链路性能的关键要素，因为它决定每一个链路所采用的速率。像存在于MAC层的HSDPA混合ARQ一样，要以多个并行停止和等待ARQ处理的形式采用软组合。混合ARQ方案是基于针对再次发射的增量冗余(IR)，除了上述关键要素之外，LTE将把多天线支持作为该规范不可分割的组成部分。接收和发射分集方案、波束形成以及空间复用都将得到支持。

　　LTE系统的目标之一就是，它需要允许从2G/3G向LTE的灵活升级。正因为如此，跨越1.25 MHz至20 MHz的灵活的频谱分配要可用，且LTE系统应该能够在450 MHz到2.6GHz之间工作。换言之，LTE规范的带宽是不可知的 (Bandwidth agnostic) 。

　　另一点值得一提的是，与UMTS不同，LTE提供FDD/TDD组合和TDD方案、基于单一OFDMA无线接入技术的。TDD方案被称为帧结构2，支持与TD-SCDMA的共存。

3. LTE 物理层的关键要素

　　LTE在利用通用无线接入技术的10ms无线帧的基础上提供两类帧结构。这两类帧结构分别是被称为类型1的FDD/半FDD以及被称为类型2的TDD，它们均基于10ms的无线帧，每一无线帧具有20个时隙，每个时隙占用0.5 ms。类型2帧结构被提供为与TD-SCDMA共存，如图3.0所示。注意，TD-SCDMA帧结构在5ms的子帧内具有10个时隙。这10个时隙当中的3个-DwPTS、GP和UpPTS-是专用时隙，它们在LTE帧结构类型2中被复制。

　　

　　图3.0 TDD 类型 2 帧结构

　　在时域和频域中提供链路自适应的LTE系统的核心能力就是针对下行链路采用OFDMA方案。这意味着下行链路物理资源是根据一个OFDM子载波以及一个OFDM符号周期来定义的，这就被称为资源要素(RE)。总数84个RE构成一个资源模块(RB)，这个资源模块由具有7个OFDM符号的一个时隙(0.5ms)周期上的12个子载波组成。正因为如此，下行链路传输信号根据如图4.0所描绘的资源栅格(RG)被定义为每一个用户拥有对应于两个时隙(1ms)的两个RE。

　　

　　图4.0用于LTE的下行链路资源栅格

　　表1.0所描述的关键物理层参数是所分配的频率带宽的函数。

　　

　　表1.0 DL物理层关键参数

4. LTE基带处理的重要特征

　　针对Tx和Rx的下行链路物理层如图3.0所示。注意，它可以被分解为两类处理，即符号率处理和采样率处理。从图3.0可见，与基于WCDMA的UMTS标准相比，符号率处理比较简单。

　　

　　图5.0 3GPP LTE 下行链路处理

　　正如在UMTS中一样，LTE基站设计所面临的挑战在于上行链路的处理。在LTE的情形下，这进一步结合了短的处理时间要求，以实现较低的延时，与此同时，在Node B具有较之于RNC更高层的功能。

　　在这一节我们将从微观和宏观两个方面回顾各种挑战以及解决方案。

　　在微观层面，特别是对于如图6.0所示的上行链路信号链来说，LTE延迟预算主要由HARQ往返的8ms延时来定义，也就是说，最初传输与再次传输之间的时间。要考虑两倍1ms的一次传输时间，刚好把6ms留给发送和接收数据。那意味着LTE上行链路处理必须在3ms 以内满足由下列功能提出的延迟预算。它们分别是：

　　• 信道估计延迟;

　　• 解调;

　　• 速率匹配和IR组合;

　　• 透平(Turbo)解码;

　　• MAC/RLC处理;

　　• UL/DL时间偏移量。

　　

　　图 6.0 LTE 上行链路信号链

　　假定需要短的处理时间，因此，至关重要的是诸如iDFT这样的、在SC-FDMA解调中所使用的重要模块，以及透平解码必须在尽可能最短的时间内完成。赛灵思提供IP核解决方案，使基站设计工程师能够达到iDFT以及透平解码(Turbo Decoding)应用的目标。

　　以如图7.0所示的iDFT处理为例，经过信道估值，在最坏情形下iDFT处理可用的最大处理时间是40us。赛灵思的iDFT解决方案使所有12的倍数的点长具有由2、3和5构成的素因子，能够满足处理时间的要求。除了FFT/iFFT之外-两个处理用DSP或FPGA均有效，在FPGA中做iDFT有明显的优势，因为DSP的比特反向寻址仅仅适合于基数2。类似地，为了有效地并行实现解码，赛灵思面向具有QPP交织器的LTE的透平解码IP核，利用400MHz的时钟速度对如图8.0所示的最大代码模块长度进行8次迭代的情形仅仅花40us的解码时间。

　　

　　图7.0 LTE 上行链路 iDFT处理要求

　　

　　图8.0赛灵思透平解码器的性能与模块大小及处理单元数量的比较