严秋实

（重庆邮电大学下一代网络应用技术研究所 重庆 400065）

现代移动通信使人们之间信息交流无比便利，基本实现了在任何时间，任何地点与任何人进行沟通的目标。一直以来，人们为提高移动通信的方方面面而不懈努力。就移动通信系统而言，要提高其性能主要有两个方面：一是提高其基带传输能力；二是通过无线资源的最优分配提高系统性能。上行接入是无线资源分配的一个重要层面，优秀的上行接入方案既能保证用户的QoS需求又能在有限的频谱上服务尽量多的用户。

LTE（Long Time Evolution，长期演进）是3GPP提出的3G网络长期演进标准，可以在3G网络的基础上进一步提高系统的频谱效率和数据传输速率，使其上、下行峰值速率分别达到50Mbit/s和100Mbit/s。LTE标准定义的上行接入中，引入了全新的接入技术和组网模式。

1 LTE上行接入技术标准化进展

目前，移动通信系统日益呈现出宽带化、IP化发展趋势，ITU（International Telecommunication Union，国际电信联盟）对此提出了新的更高要求——IMT-Advanced，也就是我们目前所说的4G技术。LTE是3GPP组织提出的3G网络长期演进标准也是4G技术的主流演进方向。

2004年12月，LTE可行性研究计划正式启动；2005年12月，LTE早期标准化工作确立了下行OFDMA（Orthogonal Frequency Division Multiplexing Access，正交频分多址）和上行SC-FDMA（Single Carrier- Frequency Division Multiplexing Access，单载波频分多址）的基本框架；2009年1月全球首个LTE商用网络在挪威首都奥斯陆部署。至此，LTE逐渐发展成熟，走向商用。

2 LTE上行接入关键技术

LTE上行接入的技术性能在3G的基础上有了很大的提高。20MHz频率带宽上可以提供50Mbit/s的上行峰值速率，是3G网络HSUPA技术的2～3倍；系统上行时延将得到很大改善，用户面单向时延可以控制在5ms以内，控制面时延也小于100ms；频谱灵活性大，支持成对或非成对频谱，并可配置1.25～20MHz多种带宽。

LTE上行接入主要关注SC-FDMA相关物理层链路自适应技术、MIMO（Multiple-Input Multiple-Output，多输入多输出）和上行分组调度。

2.1 链路自适应技术

LTE上行接入采用基于SC-FDMA的链路自适应技术，不仅能够实现频谱灵活性，同时也能满足有关吞吐量和频谱效率的苛刻指标。

LTE物理层使用1ms TTI（Transmit Time Interval，传输时间间隔）为其上的网络层提供共享信道。SCFDMA技术可以随时探测频率和时间域内的变化，结合UE速率请求和所处信道条件迅速适应各种信道变化。在不同信道条件下，使用AMC（Adaptive Modulation Coding，自适应调制编码）进行调制编码。带宽和发射功率一旦确定，AMC选择频谱利用率最高的方式进行调制编。LTE上行支持BPSK，QPSK，8PSK和16QAM多种调制方式，Turbo编码速率也可以在1/3，1/2，3/4和5/6中选择。

2.2 MIMO

MIMO技术是指在发射端和接收端分别使用多个发射天线和接收天线，信号通过发射端和接收端的多个天线传送和接收，从而提高传输速率，降低误码率，改善每个用户的服务质量。MIMO技术对于传统的单天线系统来说，能够大大提高频谱利用率，使得系统能在有限的无线频带下传输更高速率的数据业务。LTE上行接入多天线配置为2×2方式，可应用循环移位分集、时空/频块码、空分复用和预编码等分集技术。

LTE上行接入还支持一种被称为虚拟MIMO（Virtual MIMO）的技术。动态的将两个上行单天线发送的UE配成一对，实现虚拟多天线传输，使配对的UE共享时频资源。

2.3 上行分组调度

LTE上行接入在时域和频域上都可以区分用户，同时支持基于调度和基于竞争的资源分配方式。调度方式下，根据UE速率请求，用户QoS要求，信道质量和传输能力等指标综合权衡时频资源调配，最后通过下行调度指令指示UE使用选定的频带和传输格式进行数据传输。竞争方式下，UE允许在一些预先确定的时频资源上直接进行传输，用于实现用户的随机接入。

LTE上行分组调度技术要求频率资源的调配必须满足正交性原则，这样小区内用户间相互干扰理论上为0，可以最大限度的减少干扰，提高服务质量；使用SC-FDMA传输方式，小区内每个UE得到的传输频带必然是连续的，这种连续的带宽分配方式还可以获得额外的频率选择性分集增益。

3 LTE上行接入体系结构

LTE上行接入体系结构基于3G网络构架，但有很大的不同。

组网模式上，LTE在3G网络基础上做了重大调整。在无线接入网中去掉了RNC（Radio Network Controller，无线网络控制器）这个网元设备，由Node B构成单层网络结构，简化网络架构，降低时延。将RNC的功能分散到Node B和aGW（Access Gateway，接入网关）中。

承载上，LTE是一个全分组系统，没有支持传统的电路交换域的相关设备和协议。

图1显示了LTE上行接入的体系结构和各接口协议应用情况。从控制面来看，除了非接入层（NAS）协议之外，所有无线接口协议都终结于Node B，实现由Node B单层平滑组网。从用户面看，整个接入系统都统一于IP之下，实现了全分组接入,直接和核心网（CN）连接。

LTE上行接入所应用到的主要接口协议还有PDCP（分组数据融合协议）负责处理无线接口的报头压缩和安全功能；RLC（无线链路控制）协议主要负责确保数据的无损耗传输； MAC（媒体接入控制）协议负责处理接入调度；RRC（无线资源控制）协议负责处理无线承载的建立、激活模式的移动性管理以及系统信息的广播；PHY（物理接口收发）协议用于实现物理层连接。

图1 LTE上行接入体系结构及相关接口协议

4 总结

由于链路自适应技术的使用，LTE上行接入峰值速率在20MHz的频带上，可达到50Mbit/s，其吞吐率比3G网络提高接近20倍；MIMO和上行分组调度技术的使用使系统平均时延控制在极低的范围之内。这些性能的提升可通过大部分软件升级和部分硬件改造来获得。随着全球移动数据业务的迅猛发展，对上行链路的数据速率和时延性能的要求越来越高，LTE上行接入必然成为下一代网络技术演进的主要关注点。本文从LTE上行接入技术的标准化进展情况出发，通过对其关键技术细节（包括链路自适应技术，MIMO，上行分组调度），性能（包括峰值速率、时延等），对设备的改动等方面的研究，较为全面地对该技术进行了分析和介绍。

[1]3GPP TR 25.913 Requirements for Evolved UTRA (E-UTRA)and Evolved UTRAN (EUTRAN)

[2]3GPP TS 25.211 v7.0.0, Physical Channels and Mapping of Transport Channels onto Physical Channels

[3]3GPPT S2 5.212v 7.0.0 Multiplexing and Channel Coding

[4]Beming P, Frid L,et al. LTE architecture. Ericsson Review