2.5 LTE基本需求
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关于LTE系统需求的讨论促使3GPP创建了一个正式的“研究项目”,其目标是通过3GPP的无线接入技术演进来确保其在未来10年的竞争力。在该研究项目的支持下,LTE的需求得到了完善和细化。
具体需求可以归纳如下:
① 减少时延,包括连接建立和传输;
② 提高用户数据传输速率;
③ 为保证业务的一致性,提高小区边界的比特率;
④ 降低每比特成本,意味着提高频谱效率;
⑤ 实现对现有带宽和新增带宽中频谱的更灵活的使用;
⑥ 简化网络结构;
⑦ 无缝移动性,包括不同的无线接入技术之间;
⑧ 实现移动终端的合理功耗。
同时也必须注意,网络运营商对下一代移动通信系统的需求是由移动运营商所组成的下一代移动网络(Next Generation Mobile Network,NGMN)联盟来制定的。该需求可作为对LTE系统开发和评估的另一个参照。这种以运营商为驱动的需求也将指导LTE技术下一阶段的发展,即LTE-Advanced。
为实现这些目标,LTE系统设计涵盖了无线接口和无线网络架构两方面。本节将详细描述促使这些目标得以实现的具体技术问题。LTE的实现发展甚至超越了其最初版本的某些目标。
与现有系统相比,提高LTE系统性能是网络运营商的主要诉求,以确保LTE的竞争力从而引发市场兴趣。本节将重点强调在对LTE需求和性能评估定义时所使用的主要衡量指标。
表2-2概括了首次发布的LTE系统的主要性能需求。许多指标都是相对于UMTS最先进的可用版本性能。在定义LTE需求指标的同时,UMTS正在发布HSDPA/HSUPA的Release 6版本,所以在这里把它作为参考基准。目前,LTE正处于发展阶段,可以看出LTE的目标需求代表了对正在部署的第三代移动通信系统所能提供的容量和用户体验的重大推进。
表2-2 LTE主要性能需求
![](https://book.img.zhangyue01.com/group61/M00/37/CF/CmRaIV_DEKiEXlYlAAAAALZUGZ4694916775.jpg?v=UAr-uc0j&t=CmRaIV_DEKg.)
如前所述,HSPA技术也在持续发展以达到比预期参考基准更好的频谱效率。但LTE技术不必考虑对原有系统的后向兼容性,因此可以从中受益,在系统设计之初就采用先进的MIMO方案,并且通过新的多址接入技术,来高度灵活地使用频谱。
下面对表2-2中的需求进行详细的讨论和解释。
2.5.1 峰值速率和峰值频谱效率
出于市场因素的考虑,对不同无线接入技术进行比较的第一个参数往往就是每个用户所能达到的峰值数据速率。峰值数据速率通常正比于使用的总频谱,对于MIMO系统而言,则要依据接收和传输天线的最小数目而定。
峰值速率可定义为把整个带宽都分配给一个用户,并采用最高阶调制和编码方案以及最多天线数目前提下每个用户所能达到的最大吞吐量。在某个特定的操作点,也要顾及和考虑典型的空口开销(如控制信道、导频信号、保护间隔等)。对于TDD系统,下行和上行峰值传输速率通常分别计算,这才可能获得一个独立于上/下行比率的单一数值及透明于双工模式的公平系统比较。然后简单地用峰值传输速率除以频谱就可以得到最大频谱效率。
LTE系统在20MHz带宽内的上、下行峰值数据速率分别100Mbps和50Mbps,相应于频谱效率分别为5bps/Hz和2.5bps/Hz。这里的基本假设是终端具有两根接收天线和一根发射天线。对于网络运营商来说,基站的天线数目升级比较容易,因此LTE规范的最初版本设计支持下行MIMO操作最多4根发射和接收天线。
在比较不同无线通信技术性能时,通常非常强调峰值数据传输能力。虽然它是评估系统技术先进性的最重要指标之一,并且可以通过简单的计算获得,但在实际部署中对于移动通信系统的多种使用场景来说,峰值数据传输能力也许并不是一个关键因素。此外,设一个为基站附近用户提供高峰值数据速率的系统相对来说比较容易,因为基站附近来自其他小区的干扰比较低,而且先进技术如MIMO等可以最大限度地发挥作用。如何在兼顾良好覆盖范围和移动性的同时提供高数据速率则更具有挑战性。正是覆盖和移动性这两方面对用户的满意度影响最大。
2.5.2 小区吞吐量和频谱效率
小区性能是一个重要指标,因为它直接关系到运营商所需要的小区数量及部署整个系统的成本。对于LTE,选择满队列传输模型来评估小区性能(即假设只要用户获得机会就有数据进行传输)有相对较高的系统负荷,例如典型情况是每个小区10个用户。
小区级别的需求根据下面的指标来定义。
① 小区平均吞吐量(bps/cell)和频谱效率(bps/Hz/cell)。
② 用户平均吞吐量(bps/user)和频谱效率(bps/Hz/user)。
③ 小区边缘用户吞吐量(bps/user)和频谱效率(bps/Hz/user)。用来评估这一性能的指标是按百分比分布的5%用户吞吐量,具体数值由用户吞吐量的累积分布函数获得。
对于UMTS Release 6的参考基准,假设用户终端和基站都使用一根发射天线和两根接收天线;对于终端接收机,假定的性能相当于有两个分支的Rake接收机把两根天线接收的信号线性合并。
对于LTE系统,假设在基站使用两根发射天线和两根接收天线,而终端仍然使用两根接收天线和一根发射天线。上行和下行的接收机均为线性接收机,把各天线分支的接收信号进行最佳合并。对于上行而言,通过在终端使用同样多的发射天线可以实现更高的用户吞吐量。
对于小区指标最初需求仅仅表述为与Release 6版本参考基准的相对增益。表2-2提供的绝对值是基于对参考系统性能的评估,可以在参考文献[7]和[8]中分别找到下行和上行的数值。
2.5.3 语音容量
与典型的时延容忍及无需保证比特率传输模式下的满队列传输(如文件下载)不同,实时业务诸如VoIP等对时延有很高的要求。确定对于像VoIP这类业务的系统容量需求非常重要,尤其对于像LTE那样完全基于分组交换的系统而言这将是一个严峻挑战,这类系统很大程度上依赖于自适应调度策略。
这类系统容量需求的定义是在特定的传输模式和时延限制条件下,可以提供满意VoIP业务的用户数量。用来评估LTE传输模式的详细内容可以在参考文献[9]中找到。这里,对于一个VoIP用户,如果超过2%的VoIP的数据包在50ms内没有成功抵达接收机,这些数据包将被抛弃,该用户即被认为中断了(即不满意)。这里是假设整体端对端(移动终端到移动终端)时延在200ms以下。对于VoIP系统容量可以定义为当95%以上的用户都满意时每小区的用户数目。
NGMN组表示期望每兆赫兹可以同时支持60个满意的VoIP业务,也是Release 6版本通话数目的2~4倍。
2.5.4 移动性和小区范围
从移动性的角度考虑,LTE系统需要在移动端移动速度达到350km/h的情况下能支持通信,或根据使用的频段甚至在更高速如500km/h时仍能支持通信。如此高速情况的最初场景是高速火车,随着高速铁路线的增加,铁路运营商以向乘客提供具有吸引力的工作环境为目的,该最初场景在全球范围内的重要性正逐渐提升。这些需求意味着必须实现多小区间的无中断切换,换言之,就是实现无察觉时延和丢包的语音通信及可靠的数据业务传输。
这些目标在LTE系统中半径在5km以内的典型小区内都可以实现,但为了实现广域部署,对于覆盖半径达到100km的小区要求同样能实现。
2.5.5 广播模式性能
由于其他业务模式有较高的优先级,第一个版本不包括广播模式,但仍要求LTE集成一个支持有效、高速率的多媒体广播/多播业务(MBMS)的广播模式。这一模式无论是在与单播传输共享载波还是在专门的广播载频模式下都可以运行。为了确保高效的广播性能,在专用载波情况下定义了特定的需求。
在广播系统中,系统的吞吐量受限于最差条件下用户所能达到的吞吐量。因此广播性能需求根据在系统覆盖面积为其标称覆盖面积98%的情况下,所实现的系统吞吐量(bps)和频谱效率(bps/Hz)来定义。这意味着只有标称覆盖面积的2%处于中断状态,而对于广播业务,当收包错误率高于1%时,即被定义为中断状态。
广播模式频谱效率需求设定为1bps/Hz [10] 。
2.5.6 用户平面时延
用户平面时延对于实时业务和交互业务来说是一个非常重要的性能指标。在无线接口中,用户平面的最小时延可以通过无负载情况下的系统信号分析来计算。其被定义为从一个数据包首次发送直至收到物理层确认(ACK)的平均时间。计算时应该考虑典型的HARQ重传率(如0~30%)。因此该定义考虑的系统能力是没有被调度时延(通常出现在加载系统中)所影响的性能。往返时延可以简单地通过用户平面时延乘以2获得。
LTE系统还需要无线接入IP层的单向数据包延迟。最佳条件下,无线接入网络的时延要低至5ms。然而,在实际系统中实际时延依赖于系统负载情况和传输条件;例如,在通过增加时延频谱效率最大化时,HARQ起到了关键作用,然而这时会有重传发生;当需要满足最小时延条件时,最大化频谱效率就可能不重要了。
2.5.7 控制平面时延和容量
除了满足用户平面时延需求外,呼叫建立时延需要比现在的蜂窝系统明显降低。这不仅仅可以提供良好的用户体验,还会影响终端的电池寿命,因为允许从空闲状态快速过渡到激活状态的系统设计能使终端有更多的时间维持在低功耗的空闲状态。
控制平面时延由执行不同LTE状态间过渡所需要的时间来衡量。LTE主要基于两种状态,即“RRC_IDLE”和“RRC_CONNECTED”(即“激活状态”)。
LTE系统要求从空闲状态到激活状态的过渡时间小于100ms(不包括寻呼时延和非介入层信令时延)。
LTE系统的容量不仅取决于其支持的吞吐量,而且还取决于在同一小区内控制信令所能同时支持的用户数。对于后者,LTE系统需要在5MHz的频谱分配下,每个小区至少支持200个处于激活状态的用户,在更宽的频谱分配下,能够支持至少400个用户。依赖于诸如所传数据的有效性和无线信道条件等因素,这些用户中只有一个部分在特定的时间段内处于激活状态,接收和传输数据。更大量的非激活状态用户也可能存在于每个小区内,因此可以被寻呼或在低时延下传输数据。