長期演進(LTE) [1]蜂窩標(biāo)準(zhǔn)是3GPP 3G演進的兩個組成部分之一，另外一個是HSPA演進。如圖1.0所示。LTE無線接入網(wǎng)絡(luò)(RAN)規(guī)范被安排在2008年初完成，隨后，一致性測試規(guī)范預(yù)計在2008年8月準(zhǔn)備就緒。 

      圖1.0 3GPP向 UMTS的演化路線

     

       LTE有許多目標(biāo)[2]，LTE的重點是在整個10年期間內(nèi)超越UMTS而滿足無線用戶的各種需要。這包括降低無線用戶以及網(wǎng)絡(luò)運營商的成本；另一方面，以服務(wù)差異化的形式提供更佳的各種服務(wù)，同時提供更低的延時并提高數(shù)據(jù)速率。

      以服務(wù)差異化的形式所提供的各種更佳服務(wù)可以通過基于QOS概念的鏈路自適應(yīng)來實現(xiàn)。在LTE中，鏈路自適應(yīng)超越HSDPA能夠提供什么，盡管HSDPA能夠在時域上提供鏈路自適應(yīng)以響應(yīng)不斷變化的信道條件，但是，LTE也能夠提供頻率自適應(yīng)。

      在數(shù)據(jù)速率領(lǐng)域，LTE預(yù)期提供100Mbps的峰值下行鏈路(DL)速率以及50Mbps的峰值上行鏈路(UL)速率，分別提供5 bit/s/Hz和2.5 bit/s/Hz的頻譜效率，這可以利用OFDM與補充的MIMO技術(shù)來實現(xiàn)。較低的延時通過扁平的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)來實現(xiàn)。所采用的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)基于IP (Internet Protocol)以及更短的PHY處理時間，如圖2.0所示，另外還具有在LTE的eNodeB (eNB)中實現(xiàn)的各種更高層功能。與UMTS相比，LTE網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)把沿著數(shù)據(jù)路徑的節(jié)點數(shù)量從4減少至2。

      

      圖2.0 經(jīng)演化的UTRAN 概觀

 

      2. LTE的關(guān)鍵要素

      對于上行鏈路來說，LTE無線接入將基于單載波頻分多址(SC-FDMA)[5]。SC-FDMA波形所具有的良好的峰值與平均功率比(PAPR)推動上行鏈路采用SC-FDMA。利用較低的PAPR，射頻功率放大器（RFPA）的操作可以獲得更高的效率，從而使手機的電池壽命更長。對于下行鏈路來說，可以采用經(jīng)典的OFDMA方案。

      除了調(diào)制之外，另外一個關(guān)鍵要素就是依賴于調(diào)度的信道條件的可用性。這容許在共享信道中的時頻資源在用戶之間動態(tài)共享。調(diào)度間隔—正如間接提到的—是基于1ms的時分以及180KHz的頻分。同樣地，在MAC層的調(diào)度器的實現(xiàn)是確保下行鏈路性能的關(guān)鍵要素，因為它決定每一個鏈路所采用的速率。像存在于MAC層的HSDPA混合ARQ一樣，要以多個并行停止和等待ARQ處理的形式采用軟組合?；旌螦RQ方案是基于針對再次發(fā)射的增量冗余(IR)，除了上述關(guān)鍵要素之外，LTE將把多天線支持作為該規(guī)范不可分割的組成部分。接收和發(fā)射分集方案、波束形成以及空間復(fù)用都將得到支持。

      LTE系統(tǒng)的目標(biāo)之一就是，它需要允許從2G/3G向LTE的靈活升級。正因為如此，跨越1.25 MHz至20
      MHz的靈活的頻譜分配要可用，且LTE系統(tǒng)應(yīng)該能夠在450 MHz到2.6GHz之間工作。換言之，LTE規(guī)范的帶寬是不可知的 (Bandwidth agnostic) 。

      另一點值得一提的是，與UMTS不同，LTE提供FDD/TDD組合和TDD方案、基于單一OFDMA無線接入技術(shù)的。TDD方案被稱為幀結(jié)構(gòu)2，支持與TD-SCDMA的共存。

      3. LTE 物理層的關(guān)鍵要素

      LTE在利用通用無線接入技術(shù)的10ms無線幀的基礎(chǔ)上提供兩類幀結(jié)構(gòu)。這兩類幀結(jié)構(gòu)分別是被稱為類型1的FDD/半FDD以及被稱為類型2的TDD，它們均基于10ms的無線幀，每一無線幀具有20個時隙，每個時隙占用0.5 ms。類型2幀結(jié)構(gòu)被提供為與TD-SCDMA共存，如圖3.0所示。注意，TD-SCDMA幀結(jié)構(gòu)在5ms的子幀內(nèi)具有10個時隙。這10個時隙當(dāng)中的3個—DwPTS、GP和UpPTS—是專用時隙，它們在LTE幀結(jié)構(gòu)類型2中被復(fù)制。

      圖3.0 TDD 類型 2 幀結(jié)構(gòu)

 

      在時域和頻域中提供鏈路自適應(yīng)的LTE系統(tǒng)的核心能力就是針對下行鏈路采用OFDMA方案。這意味著下行鏈路物理資源是根據(jù)一個OFDM子載波以及一個OFDM符號周期來定義的，這就被稱為資源要素(RE)?？倲?shù)84個RE構(gòu)成一個資源模塊(RB)，這個資源模塊由具有7個OFDM符號的一個時隙(0.5ms)周期上的12個子載波組成。正因為如此，下行鏈路傳輸信號根據(jù)如圖4.0所描繪的資源柵格(RG)被定義為每一個用戶擁有對應(yīng)于兩個時隙(1ms)的兩個RE。

      圖4.0用于LTE的下行鏈路資源柵格

      表1.0所描述的關(guān)鍵物理層參數(shù)是所分配的頻率帶寬的函數(shù)。

      表1.0 DL物理層關(guān)鍵參數(shù)
      
      4. LTE基帶處理的重要特征

      針對Tx和Rx的下行鏈路物理層如圖3.0所示。注意，它可以被分解為兩類處理，即符號率處理和采樣率處理。從圖3.0可見，與基于WCDMA的UMTS標(biāo)準(zhǔn)相比，符號率處理比較簡單。

 

      
      圖5.0 3GPP LTE 下行鏈路處理

      正如在UMTS中一樣，LTE基站設(shè)計所面臨的挑戰(zhàn)在于上行鏈路的處理。在LTE的情形下，這進一步結(jié)合了短的處理時間要求，以實現(xiàn)較低的延時，與此同時，在Node B具有較之于RNC更高層的功能。

      在這一節(jié)我們將從微觀和宏觀兩個方面回顧各種挑戰(zhàn)以及解決方案。

      在微觀層面，特別是對于如圖6.0所示的上行鏈路信號鏈來說，LTE延遲預(yù)算主要由HARQ往返的8ms延時來定義，也就是說，最初傳輸與再次傳輸之間的時間。要考慮兩倍1ms的一次傳輸時間，剛好把6ms留給發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。那意味著LTE上行鏈路處理必須在3 ms以內(nèi)滿足由下列功能提出的延遲預(yù)算。它們分別是：

      • 信道估計延遲；

      • 解調(diào)；

      • 速率匹配和IR組合；

      • 透平(Turbo)解碼；

      • MAC/RLC處理；

      • UL/DL時間偏移量。
      

      圖 6.0 LTE 上行鏈路信號鏈

      假定需要短的處理時間，因此，至關(guān)重要的是諸如iDFT這樣的、在SC-FDMA解調(diào)中所使用的重要模塊，以及透平解碼必須在盡可能最短的時間內(nèi)完成。賽靈思提供IP核解決方案，使基站設(shè)計工程師能夠達到iDFT以及透平解碼(Turbo Decoding)應(yīng)用的目標(biāo)。

      以如圖7.0所示的iDFT處理為例，經(jīng)過信道估值，在最壞情形下iDFT處理可用的最大處理時間是40us。賽靈思的iDFT解決方案使所有12的倍數(shù)的點長具有由2、3和5構(gòu)成的素因子，能夠滿足處理時間的要求。除了FFT/iFFT之外—兩個處理用DSP或FPGA均有效，在FPGA中做iDFT有明顯的優(yōu)勢，因為DSP的比特反向?qū)ぶ穬H僅適合于基數(shù)2。類似地，為了有效地并行實現(xiàn)解碼，賽靈思面向具有QPP交織器的LTE的透平解碼IP 核，利用400MHz的時鐘速度對如圖8.0所示的最大代碼模塊長度進行8次迭代的情形僅僅花40us的解碼時間。
      

      
      圖7.0 LTE 上行鏈路 iDFT處理要求

      
      圖8.0賽靈思透平解碼器的性能與模塊大小及處理單元數(shù)量的比較

      因為對滿足上行鏈路處理要求有著更大的影響，你必須考慮宏觀層面的基站設(shè)計，也就是說，如何對基站的基帶設(shè)計進行劃分。目前，基站供應(yīng)商可以采用FPGA作為協(xié)處理器以執(zhí)行透平編碼來滿足吞吐量要求。作為iDFT或RACH預(yù)檢測的其它相關(guān)模塊如圖9.0所示。
      

      
      圖9.0 FPGA 作為用于LTE的協(xié)處理器

      然而，在這里存在的挑戰(zhàn)在于因FPGA和DSP之間的互連引起的延遲。我們將采用一個基于常用的SRIO接口的上行鏈路例子來證明，這個例子具有下列參數(shù)：

      • 10 MHz帶寬、短CP、單一扇；

      • 無重發(fā)；

      • 4 HARQ處理；

      • 無空間復(fù)用；

      • 基于估計的透平解碼持續(xù)時間；

      • SRIO: 3.125 Gb、1x通道、8/10編碼、每個拾取器25比特開銷；

      • 針對DDR2存儲器、200 MHz、32比特只讀的傳輸時間。

      如表2.0中所示為對不同服務(wù)—遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于最壞的情形—進行計算的例子，其中，包括必須不超過1000us總時間的編碼時間以及sRIO傳輸?shù)难舆t。
      

      表2.0 上行鏈路處理時間例子

      從上表我們可以總結(jié)如下：

      • 在SRIO傳輸中發(fā)生了重大的延遲；

      • 需要并行實現(xiàn)透平編碼。

      這里的主要問題在于，延時和數(shù)據(jù)速率要求特別地給利用單一SRIO鏈路的協(xié)處理方法帶來了挑戰(zhàn)，因為對于20MHz帶寬的情形它招致高達400us的延遲，這已經(jīng)是可用處理時間的40%。

      為了解決延遲問題，最好采用基于FPGA的預(yù)處理方法來取代FPGA作為協(xié)處理器方法。這意味著需要在FPGA中實現(xiàn)完整的PHY層處理，而DSP處理器擔(dān)當(dāng)控制器并完成更高層的各種功能。如圖10.0所示。利用對DSP處理器的預(yù)處理方法，DSP處理器會取代網(wǎng)絡(luò)處理器或把網(wǎng)絡(luò)處理器功能減少至僅僅做集中的PDCP處理以及回程接口。采用這一方法的另一個優(yōu)勢就是FPGA可以被用于MAC加速功能以補償在DSP上存在的低控制代碼性能。另外的方法就是采用FPGA作為對網(wǎng)絡(luò)處理器的預(yù)處理器，如圖11.0所示。
      

      
      圖10.0 利用DSP架構(gòu)實現(xiàn)的FPGA預(yù)處理

      
      圖11.0 利用網(wǎng)絡(luò)處理器架構(gòu)實現(xiàn)的FPGA預(yù)處理

      總而言之，這兩種方法除了克服延遲問題之外，具有若干優(yōu)勢，如為將來規(guī)范的各種變化做好準(zhǔn)備。

      5. Xilinx LTE基帶參考解決方案

      賽靈思最近在巴塞羅納舉行的Mobile World Congress 2008上演示了面向PDSCH的、符合3GPP LTE
      標(biāo)準(zhǔn)的LTE基帶下行鏈路解決方案。

      該參考解決方案由各種相關(guān)的賽靈思LTE IP核組成，包括透平編碼/解碼、速率匹配、具有循環(huán)前綴插入以及QAM映射器和去映射器的FFT/iFFT。該參考解決方案的下行發(fā)送和接收鏈如圖5.0所示。這一參考解決方案也適合對面向LTE的、業(yè)已開發(fā)完成的各種IP核[3]提供系統(tǒng)級驗證。

      在高于10 MHz的帶寬上，賽靈思成功地演示了遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于100Mbps的視頻流。這一成功的演示所采用的面向視頻流的參考應(yīng)用，是基于運行在一臺個人電腦主機上的開放源視頻局域網(wǎng)服務(wù)器(VideoLan      Server)。LTE基帶參考解決方案位于兩個最近發(fā)布的ML507板上。每一塊板通過千兆位以太網(wǎng)鏈路與主PC通信。由主PC發(fā)出的UDP數(shù)據(jù)包首先由三態(tài)以太網(wǎng)MAC模塊(TEMAC)處理，隨后經(jīng)過輕量IP堆棧(LWIP)，才進入LTE基站參考解決方案的發(fā)射(TX)模塊。來自TX模塊的I/Q 數(shù)據(jù)通過用于處理的Aurora鏈路，被輸出至具有LTE接收(RX)功能鏈的另一塊ML507板上。

      圖12.0顯示了在MWC 2008上的設(shè)置，而圖13.0描繪了賽靈思LTE基帶參考設(shè)計演示平臺的各個模塊。
      

      圖12.0 賽靈思LTE基帶參考設(shè)計演示

      隨著LTE基帶參考設(shè)計的發(fā)布，賽靈思再次證明了在無線解決方案領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)地位，并進一步致力于支持基站供應(yīng)商開發(fā)滿足更高比特率、更低延遲以及更高靈活性（由于目前LTE標(biāo)準(zhǔn)的不斷演進，這一點特別重要）的LTE解決方案。
      

      
      圖13.0 賽靈思LTE基帶參考設(shè)計系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

      參考文獻

      [1] 3GPP TS 36.104 V8.0.0 (2007-12), E-UTRA Basestation Radio Transmission
      and Reception
      [2] “Technical Solutions for the 3G Long-Term Evolutions”, Hannes Ekstrom
      et al., IEEE Communication Magazine, March 2006
      [3] “Implementing the Next Generation of Wireless Standards using Virtex-5
      FXT”, Rob Payne, Xilinx Xcell magazine, 2008
      [4] “3G Evolution, HSPA and LTE for Mobile Broadband”, Erik Dahlman et
      al.,ELSEVIER, 2007
      [5] “Single Carrier FDMA for Uplink Wireless Transmission”, Hyung G. Myung
      et. Al., IEEE Vehicular Technology, Magazine, September 2006, page 30

      作者介紹：溫得敏博士，IEEE高級會員，賽靈思公司無線基礎(chǔ)設(shè)施垂直市場系統(tǒng)架構(gòu)師；Jorg Kohlschmidt, 賽靈思公司無線基礎(chǔ)設(shè)施垂直市場系統(tǒng)架構(gòu)師。