后3G時代的LTE技術

隨著個人通信技術在20多年中不斷發(fā)展成熟，人們在生活中對無線通信的依賴越來越強，目前，全球的移動語音用戶已超過了18億戶[1]。同時，眾多的使用者也對個人通信技術的發(fā)展提出了新的要求：通信設備的微型化、低功耗、高帶寬、快速接入和多媒體化。而最關鍵的是能被廣大用戶負擔得起的廉價終端設備和網(wǎng)絡服務。

雖然3G網(wǎng)絡的無線性能已經(jīng)有了較大的提高，但由于IPR的制約，在應對市場挑戰(zhàn)和滿足用戶需求等方面還是有很多局限性；同時，昂貴的授權費用也制約了3G技術的發(fā)展，因而受到了技術簡單、價格低廉的WiFi和WiMAX的強烈挑戰(zhàn)。用戶的需求和市場的挑戰(zhàn)迫切需要傳輸速率更快、時延更短、頻帶更寬以及運營成本更少的網(wǎng)絡誕生。

二、LTE項目內容介紹

LTE（Long Term Evolution，長期演進）項目是3G的演進，它改進并增強了3G的空中接入技術，采用OFDM和MIMO作為其無線網(wǎng)絡演進的唯一標準。在 20MHz頻譜帶寬下能夠提供下行100 Mbit/s與上行50 Mbit/s的峰值速率，改善了小區(qū)邊緣用戶的性能，提高小區(qū)容量和降低系統(tǒng)延遲。

1.LTE 的主要技術特征

3GPP從系統(tǒng)性能要求、網(wǎng)絡的部署場景、網(wǎng)絡架構、業(yè)務支持能力等方面對LTE進行了詳細的描述。與3G相比，LTE具有如下技術特征[2，3]：

（1）通信速率有了提高，下行峰值速率為100 Mbit/s、上行為50 Mbit/s；

（2）提高了頻譜效率；

（3）以分組域業(yè)務為主要目標，系統(tǒng)在整體架構上將基于分組交換；

（4）QoS保證，通過系統(tǒng)設計和嚴格的QoS機制，保證實時業(yè)務（如VoIP）的服務質量；

（5）系統(tǒng)部署靈活，能夠支持1.25～20 MHz間的多種系統(tǒng)帶寬，并支持“Paired”和“Unpaired”的頻譜分配，保證了將來在系統(tǒng)部署上的靈活性；

（6）降低無線網(wǎng)絡時延：子幀長度0.5 ms和0.675 ms，解決了向下兼容的問題并降低了網(wǎng)絡時延，時延可達U-plan＜5 ms，C-plan＜100 ms；

（7）增加了小區(qū)邊界比特速率，在保持目前基站位置不變的情況下增加小區(qū)邊界比特速率；

（8）強調向下兼容，支持已有的3G系統(tǒng)和非3GPP規(guī)范系統(tǒng)的協(xié)同運作。

與3G相比，LTE更具技術優(yōu)勢，具體體現(xiàn)在高數(shù)據(jù)速率、分組傳送、延遲降低、廣域覆蓋和向下兼容。

2.LTE的網(wǎng)絡結構和核心技術

3GPP對LTE項目的工作大體分為兩個時間段：2005年3月到2006年6月為SI（Study Item）階段，完成可行性研究報告；2006年6月到2007年6月為WI（Work Item）階段，完成核心技術的規(guī)范工作。在2007年中期完成LTE相關標準制定（3GPP R7），在2008年或2009年推出商用產(chǎn)品。就目前的進展來看，發(fā)展比計劃滯后了大概3個月[1]，但經(jīng)過3GPP組織的努力，LTE的系統(tǒng)框架大部分已經(jīng)完成。

（1）LTE網(wǎng)絡結構和空中接口協(xié)議　LTE采用由Node B構成的單層結構。這種結構有利于簡化網(wǎng)絡和減小延遲，實現(xiàn)了低時延，低復雜度和低成本的要求。與傳統(tǒng)的3GPP接入網(wǎng)相比，LTE減少了RNC節(jié)點。名義上LTE是對3G的演進，但事實上它對3GPP的整個體系架構作了革命性的變革，逐步趨近于典型的IP寬帶網(wǎng)結構。

3GPP初步確定LTE的架構如圖1所示，也叫演進型UTRAN結構（E-UTRAN）[3]。接入網(wǎng)主要由演進型 Node B（eNB）和接入網(wǎng)關（aGW）兩部分構成。aGW是一個邊界節(jié)點，若將其視為核心網(wǎng)的一部分，則接入網(wǎng)主要由eNB一層構成。eNB不僅具有原來 Node B的功能外，還能完成原來RNC的大部分功能，包括物理層、MAC層、RRC、調度、接入控制、承載控制、接入移動性管理和Inter-cellRRM 等。Node B之間將采用網(wǎng)格（Mesh）方式直接互連，這也是對原有UTRAN結構的重大修改。

圖1　LTE網(wǎng)絡結構與協(xié)議結構

引入一個RRM Server進行集中式管理（圖1中結構1），還是采用完全分散的管理結構（圖1中結構2）來解決小區(qū)間干擾協(xié)調、負載控制等功能，目前還未確定[3]。另外，在空中接入技術方面，LTE的信道數(shù)量將比WCDMA系統(tǒng)有所減少。并取消了專用信道，不再保留廣播媒體控制層和UTRAN的公共業(yè)務信道，減少了 MAC層的實體類型。

（2）LTE核心技術　LTE不僅通過簡化結構，還采用以下幾個關鍵技術來實現(xiàn)其優(yōu)異性能：

a.傳輸技術與多址技術　3GPP選擇了大多數(shù)公司支持的方案，即下行OFDM，上行SC-FDMA。大多數(shù)公司支持采用“頻域”方法來生成上行SC-FDMA信號。這種技術是在OFDM的IFFT調制之前對信號進行DFT擴展。這樣，系統(tǒng)發(fā)射的是時域信號，從而可以避免OFDM系統(tǒng)發(fā)送頻域信號帶來的PAPR問題[4]。

b.宏分集　由于存在難以解決的“同步問題”，LTE對單播（uniCAst）業(yè)務不采用下行宏分集。至于對頻率要求稍低的多小區(qū)廣播業(yè)務，可采用較大的循環(huán)前綴（CP）來解決小區(qū)之間的同步問題?？紤]到實現(xiàn)網(wǎng)絡結構扁平化、分散化，LTE不采用上行宏分集技術[4]。

c.調制與編碼　LTE下行主要采用OPSK、16QAM、64QAM三種調制方式。上行主要采用位移BPSK、OPSK、8PSK和16QAM。信道編碼LTE主要考慮Turbo碼，但若能獲得明顯的增益，也將考慮其他編碼方式，如LDPC碼。

d.多天線技術　MIMO技術是LTE最核心的技術，它是提高傳輸率的主要手段，LTE系統(tǒng)將設計可以適應宏小區(qū)、微小區(qū)、熱點等各種環(huán)境的 MIMO技術。LTE已確定MIMO天線個數(shù)的基本配置是下行2