UMTS演進之路

摘要　UMTS是目前最具影響力的3G標準，文章介紹了UMTS的兩個演進版本——長期演進（LTE）和HSPA演進（HSPA+）的標準化現(xiàn)狀，展望了UMTS標準向更遠期的IMT-Advanced技術(shù)演進的可能路線，分析了多種演進路線，以及不同類型運營商可能的選擇。

1、UMTS演進之路

　　“第三代移動通信”（3G）技術(shù)是當前主流的無線通信技術(shù)。在諸多3G技術(shù)標準中，又以3GPP制定的UMTS技術(shù)標準最具影響力。3G正在全世界范圍逐步部署，增強型UMTS技術(shù)——高速下行分組接入（HSDPA）和高速上行分組接入（HSUPA）技術(shù)的標準化工作也接近完成。同時，為了使3GPP標準相對其他無線標準保持長期優(yōu)勢，UMTS技術(shù)的演進版本的標準化工作也正在緊鑼密鼓地進行。

　　為UMTS標準設(shè)計演進之路時，不同公司的考慮也不盡相同。在2004年WiMAX技術(shù)對UMTS技術(shù)（尤其是HSDPA技術(shù)）時，3GPP急于開發(fā)和WiMAX抗衡的以O(shè)FDM/FDMA為核心技術(shù)、支持20 MHz系統(tǒng)帶寬的、具有相似甚至更高性能的技術(shù)，此即長期演進（LTE）。

　　為了實現(xiàn)LTE所需的大系統(tǒng)帶寬，3GPP不得不選擇放棄長期采用的CDMA技術(shù)，選用新的核心傳輸技術(shù)，即OFDM/FDMA技術(shù)。在無線接入網(wǎng)（RAN）結(jié)構(gòu)層面，為了降低用戶面延遲，LTE取消了重要的網(wǎng)元——無線網(wǎng)絡(luò)控制器（RNC）。在核心網(wǎng)（CN）層面，和LTE相對應(yīng)的SAE（系統(tǒng)框架演進）項目正在大大改變系統(tǒng)框架。由LTE/SAE為標志的這次變革，與其說是Evolution（演進），不如說是Revolution（革命）。這場“革命”是系統(tǒng)不可避免的喪失了大部分后向兼容性，也就是說，從網(wǎng)絡(luò)側(cè)和終端側(cè)都要做大規(guī)模的更新?lián)Q代。因此很多公司實際上將LTE干脆看作B3G技術(shù)范疇。

　　由于LTE系統(tǒng)缺乏和3G系統(tǒng)的后向兼容性，因此LTE系統(tǒng)更適合于在較早階段（如2000年左右）部署了3G系統(tǒng)，在2010年左右希望大規(guī)模更新網(wǎng)絡(luò)的那些運營商。對于那些近幾年剛部署了3G系統(tǒng)，在2015年左右之前不希望進行“革命性”換代的運營商，LTE可能不是在近幾年內(nèi)保持市場競爭性的最佳選擇。因此3GPP又啟動了HSPA（包括HSDPA和HSUPA）的演進項目，又稱為“HSPA+”。HSPA+技術(shù)的宗旨是要保持和UMTS第6版本（Rel 6）的后向兼容性，同時在5MHz帶寬下要達到和LTE相仿的性能。這樣，希望在近期內(nèi)以較小的代價改進系統(tǒng)，提高系統(tǒng)性能的UMTS運營商就可以采用HSPA+技術(shù)進行演進。

　　從更長期的演進的角度，B3G技術(shù)的標準化工作，已經(jīng)“近在眼前”。最近，國際電信聯(lián)盟（ITU）將超3G（B3G）技術(shù)命名為IMT-Advanced技術(shù)，并初步?jīng)Q定在2008年2月開始IMT-Advanced的技術(shù)提案征集工作。從延續(xù)3GPP現(xiàn)有的市場地位的角度考慮，歐洲公司可能會在LTE標準基礎(chǔ)上，補充歐洲B3G研究項目（如WINNER項目）的研究成果，形成歐洲的IMT-Advanced提案，因此LTE技術(shù)和HSPA+技術(shù)的進一步演進版本很可能就是IMT-Advanced技術(shù)之一。

　　而對于尚未部署3G系統(tǒng)的2G運營商，由于IMT-Advanced系統(tǒng)大約在10年后就可以成熟并用于市場部署。在這10年的間隙內(nèi)或者部署3G系統(tǒng)（包括HSPA和HSPA+），或者部署LTE系統(tǒng)，兩者可擇其一。但在短短10年時間內(nèi)進行兩次大規(guī)模升級，先后部署3G和LTE系統(tǒng)，似乎代價過大，無法及時收回前一次升級的投資。

　　綜上所述，UMTS的演進之路將不是單一的演進方向，而是根據(jù)不同運營商的不同需求和系統(tǒng)部署時間表可以靈活選擇的多條演進路線。依筆者看來，運營商的演進路線可能分為如下4種情形：

　　◆最早部署了3G系統(tǒng)的UMTS運營商：3G→LTE→IMT-Advanced。

　　◆剛剛部署了3G系統(tǒng)的UMTS運營商：3G→HSPA+→IMT-Advanced。

　　◆近期即將部署3G系統(tǒng)的2G運營商：3G（包括HSPA+）→IMT-Advanced。

　　◆近期不會部署3G系統(tǒng)的2G運營商：2G→LTE→IMT-Advanced。

2、3GPP長期演進（LTE）標準化現(xiàn)狀

　　2.1　LTE系統(tǒng)需求

　　LTE項目首先從定義需求開始。主要需求指標包括：

　　◆支持1.25 MHz～20 MHz帶寬。

　　◆峰值數(shù)據(jù)率：上行50 Mb/s，下行100 Mb/s。頻譜效率達到3GPP R6的2～4倍。

　　◆提高小區(qū)邊緣的比特率。

　　◆用戶面延遲（單向）小于5 ms，控制面延遲小于100 ms。

　　◆支持與現(xiàn)有3GPP和非3GPP系統(tǒng)的互操作。

　　◆支持增強型的廣播多播業(yè)務(wù)。

　　◆降低建網(wǎng)成本，實現(xiàn)從R6的低成本演進。

　　◆實現(xiàn)合理的終端復(fù)雜度、成本和耗電。

　　◆支持增強的IMS（IP多媒體子系統(tǒng)）和核心網(wǎng)。

　　◆追求后向兼容，但應(yīng)該仔細考慮性能改進和向后兼容之間的平衡。

　　◆取消CS（電路交換）域，CS域業(yè)務(wù)在PS（包交換）域?qū)崿F(xiàn)，如采用VoIP。

　　◆對低速移動優(yōu)化系統(tǒng)，同時支持高速移動。

　　◆以盡可能相似的技術(shù)同時支持成對（Paired）和非成對（Unpaired）頻段。

　　◆盡可能支持簡單的臨頻共存。

　　3GPP毫不諱言LTE項目的啟動是為了應(yīng)對“其他無線通信標準”的競爭。針對WiMAX“低移動性寬帶IP接入”的定位，LTE提出了相對應(yīng)的需求，如相似的帶寬、數(shù)據(jù)率和頻譜效率指標、對低移動性進行優(yōu)化、只支持PS域，強調(diào)廣播多播業(yè)務(wù)等。同時，出于對VoIP和在線游戲的重視，LTE對用戶面延遲的要求近乎苛刻。關(guān)于向后兼容的要求似乎模棱兩可，從目前的情況看，由于選擇了大量的新技術(shù)，至少在物理層已難以保持從UMTS的平滑過渡。

　　另外，運營商還提出加強廣播業(yè)務(wù)的要求，增加了在單獨的下行載波部署移動電視（Mobile TV）系統(tǒng)的需求。

　　2.2　LTE物理層技術(shù)選擇

　　（1）基本傳輸技術(shù)和多址技術(shù)

　　3GPP成員在討論多址技術(shù)方案時，主要分兩個陣營：多數(shù)公司認為OFDM/FDMA技術(shù)與CDMA技術(shù)相比，可取得更高的頻譜效率；而少數(shù)公司認為OFDM系統(tǒng)和CDMA系統(tǒng)性能相當，出于后向兼容的考慮，應(yīng)該沿用CDMA技術(shù)。

　　持前一種看法的公司全部支持在下行采用OFDM技術(shù)，但在上行多址技術(shù)的選擇上又分為兩種觀點。大部分廠商因為對OFDM的上行峰平比PAPR（將影響手持終端的功放成本和電池壽命）有顧慮，主張采用具有較低PAPR的單載波技術(shù)。另一些公司（主要是積極參與WiMAX標準化的公司）建議在上行也采用OFDM技術(shù)，并用一些增強技術(shù)解決PAPR的問題。經(jīng)過激烈的討論和艱苦的融合，3GPP最終選擇了大多數(shù)公司支持的方案，即下行OFDM；上行SC（單載波）-FDMA。

　　SC-FDMA具體采用DFT-S-OFDM技術(shù)實現(xiàn)，這種技術(shù)是在OFDM的IFFT調(diào)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。

　　（2）“宏分集”之爭

　　是否采用宏分集技術(shù)，是LTE討論中的又一個焦點。這個問題看似是物理層技術(shù)的取舍，實則影響到網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的選擇，對LTE/SAE系統(tǒng)的發(fā)展方向有深選的影響。

　　3GPP內(nèi)部在下行宏分集問題上的看法比較一致。由于存在難以解決的“同步問題”，各公司很早就明確，對單播（unicast）業(yè)務(wù)不采用下行宏分集。只是在提供多小區(qū)廣播（broadcast）業(yè)務(wù)時，由于放松了對頻譜效率的要求，可以通過采用較大的循環(huán)前綴（CP），解決小區(qū)之間的同步問題，從而使下行宏分集成為可能。

　　與下行相比，3GPP對上行宏分集的取舍卻遲遲不決。宏分集的基礎(chǔ)是軟切換，這種CDMA系統(tǒng)的典型技術(shù)，在FDMA系統(tǒng)中卻可能“弊大于利”。更重要的是，軟切換需要一個“中心節(jié)點”（如RNC）來進行控制，這和大多數(shù)公司推崇的網(wǎng)絡(luò)“扁平化”、“分散化”網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)背道而馳。經(jīng)過激烈的爭論，3GPP最終決定LTE不考慮宏分集技術(shù)。

　?。?）其他技術(shù)選擇和系統(tǒng)設(shè)計

　　LTE在MIMO技術(shù)的討論上遇到了較大的困難。3GPP在MIMO技術(shù)的采用上一貫比較謹慎，在CDMA系統(tǒng)是否采用MIMO技術(shù)的問題上長期難以決定（近期才有所突破）。在LTE方面，雖然很早就明確了要采用MIMO技術(shù)，但在具體技術(shù)方案上分為兩個陣營，即基于預(yù)編碼（Precoding）技術(shù)的方案和基于每天線速率控制（PARC）技術(shù)的方案。雖然目前3GPP在此問題上的看法正在逐步收斂，但最后的技術(shù)選擇仍很艱難。

　　LTE在數(shù)據(jù)傳輸延遲方面的要求很高（單向延遲小于5ms），這要求LTE系統(tǒng)須采用很小的最小交織長度（TTI）。LTE采用了0.5ms的子幀長度和1ms的TTI（1個TTI包含2個子幀）。另外，為了解決TD-SCDMA系統(tǒng)和LTE TDD系統(tǒng)的“臨頻共址”共存問題，3GPP確定在考慮和LCR-TDD系統(tǒng)兼容時可以采用0.675ms子幀長度。

　　其他物理層技術(shù)細節(jié)，如系統(tǒng)參數(shù)、導(dǎo)頻結(jié)構(gòu)、時頻資源分配、控制信道復(fù)用、調(diào)制和編碼、鏈路自適應(yīng)、頻域調(diào)度、HARQ（混合自動重傳）、小區(qū)干擾抑制、小區(qū)搜索、隨機接入等已接近確定。

　　2.3　空中接口協(xié)議結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

　　傳統(tǒng)的3GPP接入網(wǎng)UTRAN由NodeB和RNC兩層節(jié)點構(gòu)成，但在考慮LTE技術(shù)時，大多數(shù)公司建議將RNC省去，采用由NodeB構(gòu)成的單層結(jié)構(gòu)，因為這樣的結(jié)構(gòu)有利于簡化網(wǎng)絡(luò)和減小延遲。但少數(shù)設(shè)備商和運營商建議保留原有的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，只做局部的修改。如果采用第一種（即“扁平”的）網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，則將對3GPP系統(tǒng)的整個體系架構(gòu)產(chǎn)生深遠的影響，實際上將逐步趨近于典型的IP寬帶網(wǎng)結(jié)構(gòu)。

　　在作出不采用宏分集的決定后，這個問題的焦點集中在上層ARQ（Outer ARQ）、無線資源控制（RRC）和小區(qū)間無線資源管理（Inter-cell RRM）功能塊的位置上。如果上述功能可以在Node B完成，則可以采用只由Node B構(gòu)成的“扁平”E-UTRAN結(jié)構(gòu)；如果上述功能無法在Node B內(nèi)完成，則必須保留所謂的“中心節(jié)點”（類似于RNC）來實現(xiàn)這些功能，也即需要采用兩層結(jié)構(gòu)的E-UTRAN。

　　最后由于絕大多數(shù)公司支持前一種方案，因此確定了由演進型Node B（eNB）和接入網(wǎng)關(guān)（aGW）構(gòu)成的接入網(wǎng)結(jié)構(gòu)。aGW實際上是一個邊界節(jié)點，如果將它看作核心網(wǎng)的一部分，則接入網(wǎng)主要由eNB一層構(gòu)成。LTE的eNB除了具有原來Node B的功能外，還承擔了原來RNC的大部分功能，包括物理層（包括HARQ）、MAC層（包括ARQ）、RRC（無線資源控制）、調(diào)度、無線接入許可、無線承載控制、接入移動性管理和小區(qū)間RRM（無線資源管理）等。對小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)、負載控制等功能，也采用完全分散的管理結(jié)構(gòu)。Node B和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(jié)構(gòu)的重大修改。

　　在傳輸信道的設(shè)計方面，LTE的信道數(shù)量將比WCDMA系統(tǒng)有所減少。最大的變化是將取消專用信道，在上行和下行都采用共享信道（SCH）。

　　2.4　LTE標準化現(xiàn)狀

　　LTE研究階段（SI）已經(jīng)于2006年9月結(jié)束。LTE的可行性研究得出了正面的結(jié)論，因此3GPP正式批準了LTE工作階段（WI），LTE標準的起草已正式開始。按照目前的工作計劃，3GPP將于2007年3月完成第2階段（Stage 2）的協(xié)議，于2007年9月最終完成第3階段（Stage 3）協(xié)議。

　　3GPP已經(jīng)將34系列的規(guī)范編號分配給了LTE。其中物理層將起草如下幾個LTE技術(shù)規(guī)范，如表1所示。

表1　物理層將起草的幾個LTE技術(shù)規(guī)范

3、HSPA演進技術(shù)

　　HSPA的進一步演進和增強（HSPA+）是3GPP RAN啟動一個新的研究項目。這個研究項目的目的是明確HSPA+將要達到的目標、包含的研究內(nèi)容及和現(xiàn)有研究項目和工作項目的關(guān)系，此項目僅針對FDD系統(tǒng)。目前對HSPA+項目的研究范疇還沒有形成完全一致的意見，但初步確定了一些HSPA+的基本需求：

　?。?）結(jié)構(gòu)方面需求

　　◆提供低復(fù)雜度、低成本的從HSPA向SAE/LTE平滑演進的路徑；

　　◆降低用戶面延遲（針對現(xiàn)有的和R7以后的終端）；

　　◆降低控制面延遲（對R7以后的終端，如果有成本的有效方法，也對現(xiàn)有終端）；

　　◆考慮簡化/減少節(jié)點數(shù)量；

　　◆考慮將HSPA+RAN連接到SAE CN上（用戶面和/或控制面）；

　　◆應(yīng)該考慮和非3GPP系統(tǒng)間的移動性；

　　◆考慮用CS域支持原有的CS業(yè)務(wù)；

　　◆考慮降低網(wǎng)絡(luò)成本。

　?。?）空口方面

　　◆考慮提高頻譜效率的方法；

　　◆降低用戶面延遲（針對現(xiàn)有的和R7以后的終端）；

　　◆降低控制面延遲（對R7以后的終端，如果有成本的有效方法，也對現(xiàn)有終端）；

　　◆保持和現(xiàn)有終端兼容的方式考慮如何提供高效的QoS支持；

　　◆需要考慮是否能現(xiàn)有終端或R7以后的終端帶來改進；

　　◆對終端的任何改變都應(yīng)該盡可能多地在原有的測試工作的基礎(chǔ)上發(fā)展。

　?。?）HSPA+系統(tǒng)需要滿足的限制

　　◆應(yīng)可以利用現(xiàn)有的R7 RAN結(jié)構(gòu)，但如果支持和R7結(jié)構(gòu)的完全互聯(lián)，應(yīng)考慮改變結(jié)構(gòu)的建議。

　　◆如果可以帶來顯著的性能增益并可以低復(fù)雜度的向SAE/LTE演進，可以重新考慮RAN和CN的功能劃分。

　　◆應(yīng)盡可能減小對NodeB的影響，允許簡單的升級和硬件的再利用。但不排除通過硬件升級支持額外的功能（如提高處理能力和RNC功能等）。

　　◆應(yīng)盡可能減小對UE的影響，尤其是控制復(fù)雜度。

　　◆R99和現(xiàn)有HSPA UE應(yīng)可以和HSPA+終端共享載波，且不帶來性能損失。

　　◆系統(tǒng)內(nèi)和系統(tǒng)間的移動性性能不應(yīng)比R7更差。

　　HSPA+的主要工作較多的集中在RAN2工作組。在物理層方面，主要將利用目前正在開展的幾項研究，如分組數(shù)據(jù)用戶的連續(xù)連接、MIMO等。另外，還可以考慮采用更高階的調(diào)制方式等技術(shù)提高系統(tǒng)性能。

4、3GPP的IMT-Advanced之路

　　3GPP是否會成為指定IMT-Advanced標準的標準化組織之一，尚不能確定。如果3GPP繼續(xù)承擔歐洲IMT-Advanced標準的制定任務(wù)，預(yù)計3GPP會基于LTE系統(tǒng)研發(fā)IMT-Advanced系統(tǒng)。由于LTE系統(tǒng)已經(jīng)具有B3G技術(shù)的很多主要特性，LTE的核心技術(shù)很能會被沿用到IMT-Advanced系統(tǒng)中，同時增加對超大系統(tǒng)帶寬（100 MHz）的支持，對多頻異構(gòu)系統(tǒng)的支持，采用中繼和頻譜共享等技術(shù)，形成和LTE系統(tǒng)后向兼容的IMT-Advanced技術(shù)方案。