LTE演進(jìn)及其標(biāo)準(zhǔn)化 - 全文

　　 前言

　　隨著移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的大量應(yīng)用以及新業(yè)務(wù)種類的出現(xiàn)，對移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)性能和質(zhì)量方面的要求越來越高。LTE就是面向長期演進(jìn)的體系和網(wǎng)絡(luò)，它實(shí)際上并不是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，但是它導(dǎo)致了3G標(biāo)準(zhǔn)的全面演進(jìn)。目前3G網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)普遍引入了HSDPA和HSUPA，下一步將面臨HSPA+與LTE演進(jìn)方向選擇的問題，分析LTE的演進(jìn)路線和標(biāo)準(zhǔn)化的過程以及它與HSPA+的異同，無疑有助于更深入地了解目前和未來網(wǎng)絡(luò)的演進(jìn)方向。

??????? 介紹了LTE技術(shù)的演進(jìn)過程和LTE標(biāo)準(zhǔn)的主要性能指標(biāo)。通過LTE技術(shù)與HSPA+技術(shù)的分析比較，闡述了LTE技術(shù)的性能和優(yōu)點(diǎn)。并在此基礎(chǔ)上，展望了LTE-A的4G演進(jìn)方向。

　　1 LTE標(biāo)準(zhǔn)演進(jìn)過程

　　GSM網(wǎng)絡(luò)是最早出現(xiàn)的數(shù)字移動(dòng)通信技術(shù)，它基于FDD和TDMA技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，由于TDMA的局限性，GSM網(wǎng)絡(luò)發(fā)展受到容量和服務(wù)質(zhì)量方面的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，從業(yè)務(wù)支持種類來看，雖然采用GPRS/EDGE引入了數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，但是由于采用的是GSM原有的空中接口，因此其帶寬受到限制，無法滿足數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)多樣性和實(shí)時(shí)性的需求。在技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展方面，針對GPRS提出了EDGE以及EDGE+的演進(jìn)方向，但是基于CDMA接入方式的3G標(biāo)準(zhǔn)的出現(xiàn)使得EDGE不再進(jìn)入人們的視線。

　　CDMA采用碼分復(fù)用方式，雖然2G時(shí)代的CDMA標(biāo)準(zhǔn)成熟較晚，但是它具有抗干擾能力強(qiáng)、頻譜效率高等技術(shù)優(yōu)勢，所以3G標(biāo)準(zhǔn)中的WCDMA、TD-SCDMA和CDMA2000都普遍采用了CDMA技術(shù)。

　　演進(jìn)到3G網(wǎng)絡(luò)時(shí)，GSM系統(tǒng)可以采用WCMDA或者TD-SCDMA的路線，而CDMA則使用CDMA2000的途徑。WCDMA和TD-SCDMA早期標(biāo)準(zhǔn)為R99，后來在R4版本中引入IMS，R5版本中引入HSDPA，R6版本中引入HSUPA，R7版本中引入HSPA+，R8版本則面向LTE，CDMA系列的演進(jìn)經(jīng)由CDMA2000到CDMA1x再到UWB的方向發(fā)展，演進(jìn)路徑如圖1所示。

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　　各版本中都通過使用新技術(shù)來提升網(wǎng)絡(luò)性能和服務(wù)質(zhì)量，采用吞吐量進(jìn)行對比，結(jié)果如表1所示。

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　　LTE是面向未來的移動(dòng)通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，早在2004年底，3GPP就啟動(dòng)了LTE技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化工作，并在2009年3月發(fā)布了R8版本的FDD-LTE和TDD-LTE標(biāo)準(zhǔn)，這標(biāo)志著LTE標(biāo)準(zhǔn)草案研究完成，LTE進(jìn)入實(shí)質(zhì)研發(fā)階段。R9版本中進(jìn)一步提出了LTE-advanced(LTE-A)的概念，LTE-A于2010 年6月通過ITU的評估，于2010年10月正式成為IMT-A的主要技術(shù)之一，它是在R8版本基礎(chǔ)上的演進(jìn)和增強(qiáng)。R10版本對其加以完善，是LTE-A的關(guān)鍵版本。

　　LTE采用正交頻分復(fù)用(OFDM)、多進(jìn)多出天線(MIMO)等物理層關(guān)鍵技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的調(diào)整獲得性能提升。LTE-A則引入了一些新的候選技術(shù)，如載波聚合技術(shù)、增強(qiáng)型多天線技術(shù)、無線網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)和無線網(wǎng)絡(luò)MIMO增強(qiáng)技術(shù)等，使性能指標(biāo)獲得更大改善。

　　2 LTE基本性能要求

　　在LTE系統(tǒng)設(shè)計(jì)之初，其目標(biāo)和需求就非常明確。作為后3G時(shí)代革命性的技術(shù)，LTE把降低時(shí)延、提高用戶傳輸數(shù)據(jù)速率、提高系統(tǒng)容量和覆蓋范圍作為主要目標(biāo)。具體性能要求如下：

　　a)支持1.4、3、5、10、15和20MHz帶寬，靈活使用已有或新增頻段;并以盡可能相似的技術(shù)支持“成對”頻段和非“成對”頻段，便于系統(tǒng)靈活部署。

　　b)20MHz帶寬條件下，峰值速率達(dá)到上行50Mbit/s(2×1天線)，下行100Mbit/s(2×2天線)。

　　c)在有負(fù)荷的網(wǎng)絡(luò)中，下行頻譜效率達(dá)到3GPP R6 HSDPA的2~4倍，上行頻譜效率達(dá)到R6 HSUPA的2~3倍。

　　d)在單用戶、單業(yè)務(wù)流以及小IP包條件下，用戶面單向延遲小于5ms。

　　e)從空閑狀態(tài)到激活狀態(tài)的轉(zhuǎn)換時(shí)間小于100ms，從休眠狀態(tài)到激活狀態(tài)的轉(zhuǎn)換時(shí)間小于50ms。

　　f)支持低速移動(dòng)和高速移動(dòng)。低速(0~15km/h)下性能較好，高速(15~120km/h)下性能最優(yōu)，較高速(350~500km/h)下的用戶能夠保持連接性。

　　除了性能指標(biāo)要求之外，在操作性、互聯(lián)互通性以及業(yè)務(wù)支持等方面，LTE技術(shù)都提出了具體要求，比如支持與現(xiàn)有3GPP和非3GPP系統(tǒng)的互操作;支持增強(qiáng)型的廣播和多播業(yè)務(wù);降低建網(wǎng)成本;支持增強(qiáng)的IMS和核心網(wǎng);取消電路域，所有業(yè)務(wù)都在分組域?qū)崿F(xiàn)，如采用VoIP，支持簡單的鄰頻共存;為不同類型服務(wù)提供QoS 機(jī)制，保證實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量;允許給UE分配非連續(xù)的頻譜;優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)移動(dòng)性等。因此，與其他無線技術(shù)相比，LTE具有更高的傳輸性能，且同時(shí)適合高速和低速移動(dòng)應(yīng)用場景。

　　3 LTE與HSPA+的性能比較

　　HSPA+作為HSPA技術(shù)的直接演進(jìn)，在R7版本中引入，與LTE共同經(jīng)歷了R8、R9版本的發(fā)展。HSPA+的出發(fā)點(diǎn)在于對投資成本及平滑演進(jìn)的考慮，因此具有一定的局限性，這種演進(jìn)只能算是一種技術(shù)“改良”。與之相比，LTE作為著眼于4G的主流演進(jìn)技術(shù)，可以稱得上是一種技術(shù)“革命”。 LTE與HSPA+的性能差異體現(xiàn)在吞吐量、時(shí)延、頻譜效率等方面。

　　3.1 吞吐量

　　吞吐量是指單位時(shí)間內(nèi)成功地傳送數(shù)據(jù)的數(shù)量，是衡量無線通信系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)。影響吞吐量的因素包括帶寬、調(diào)制方式、信號質(zhì)量、信道衰落、噪聲干擾、調(diào)度機(jī)制等。

　　考慮到向后兼容和升級成本，HSPA+的載波帶寬沿用了WCDMA以來的5MHz。采用2×2 MIMO配置和16QAM調(diào)制方式時(shí)，HSPA+峰值速率為28Mbit/s，采用2×2 MIMO配置和64QAM調(diào)制方式時(shí)，峰值速率為42Mbit/s。而LTE系統(tǒng)可以支持20MHz的帶寬，LTE-A可以支持100MHz的帶寬。更大的帶寬使LTE系統(tǒng)擁有比HSPA+更大的傳輸容量。

　　LTE系統(tǒng)下行支持SU-MIMO、MU-MIMO和基于參考信號的波束賦型等多種多天線陣列技術(shù)，支持8種不同的MIMO和波束成型模式，并且可以同時(shí)支持多個(gè)數(shù)據(jù)流的傳送。LTE中每個(gè)用戶下行可支持2個(gè)流，而LTE-A中下行可支持8個(gè)流，還可以采用4×4、8×8等類型的收發(fā)方式，而目前所定義的HSPA系統(tǒng)只支持發(fā)射分集和2×2 MIMO。MIMO技術(shù)應(yīng)用的豐富性和多樣性使LTE的吞吐量更優(yōu)。

　　LTE使用自然均衡器，如果RMS時(shí)延擴(kuò)展小于CP長度，就不會(huì)產(chǎn)生系統(tǒng)間干擾。而HSPA+使用Rake接收機(jī)，不能完全消除系統(tǒng)間干擾，因此多徑環(huán)境下性能會(huì)下降。LTE系統(tǒng)中，下行采用MLD+SIC接收機(jī)，上行采用SIC接收機(jī)，這些先進(jìn)的接收機(jī)技術(shù)能夠進(jìn)一步降低干擾。

　　另外，HSPA+不采用頻率選擇性調(diào)度，只在時(shí)域使用機(jī)會(huì)性調(diào)度。而LTE得益于頻率選擇性調(diào)度機(jī)制，在時(shí)域和頻域都可以進(jìn)行機(jī)會(huì)性調(diào)度，其容量增益約為10%~15%。對于PS域的典型語音應(yīng)用——VoIP來說，HSPA+中不再使用HS-SCCH，下行的容量得到改善，但上行仍然是限制因素。而LTE則采用半持續(xù)性調(diào)度和TTI綁定技術(shù)來降低控制信道開銷，極大地改善了VoIP容量。

　　LTE和HSPA+的理論最大傳輸速率如圖2所示。從圖2中可以直觀地看出，當(dāng)采用最大帶寬配置時(shí)，LTE的傳輸性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過HSPA+，其吞吐量約為后者的8倍。

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　　3.2 時(shí)延

　　時(shí)延是數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中傳送所需要的環(huán)回時(shí)間。無線通信技術(shù)發(fā)展至今，每次技術(shù)演進(jìn)都在努力降低時(shí)延。相比于 EDGE的150ms，HSDPA的時(shí)延小于70ms。而后HSUPA、HSPA+和LTE的時(shí)延則更低。HSPA+為了更好的兼容性，基本是沿襲了HSPA的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，而在LTE系統(tǒng)中，則有了全新的變化。首先是無線接入系統(tǒng)只有一種網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)，那就是eNodeB。eNodeB替代了3G網(wǎng)絡(luò)中的NodeB和RNC，主管無線接入功能。eNodeB和eNodeB之間引入了X2接口，一部分業(yè)務(wù)流量可直接在基站之間處理，而不用再發(fā)往核心網(wǎng)絡(luò)，大大提高了數(shù)據(jù)處理效率。LTE接入網(wǎng)的架構(gòu)演進(jìn)如圖3所示。

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　　在單元化接入網(wǎng)網(wǎng)元的同時(shí)，LTE的核心網(wǎng)節(jié)點(diǎn)也進(jìn)行了簡化，通過網(wǎng)絡(luò)扁平化進(jìn)一步提升網(wǎng)絡(luò)性能。采用LTE網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的最大好處就是通過減少節(jié)點(diǎn)減少時(shí)延，滿足LTE實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的低時(shí)延要求，另外減少網(wǎng)絡(luò)實(shí)體，也符合節(jié)省成本的需求。

　　圖4顯示了各系統(tǒng)的時(shí)延對比。設(shè)備商的性能各不相同，所以每種系統(tǒng)的時(shí)延都用最大值和最小值的區(qū)間來表示。可以看出，LTE的時(shí)延均小于20ms，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，相對于HSPA+也有一定的優(yōu)勢。

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　　3.3 頻譜效率

　　頻譜效率是指單位頻帶所支持的數(shù)據(jù)速率或者用戶數(shù)。在頻段、頻譜數(shù)量、小區(qū)位置等因素不變的情況下，頻譜效率意味著一定負(fù)荷條件下所支持的用戶數(shù)較多，或者說在用戶數(shù)目相同的條件下，單個(gè)用戶的吞吐量較高。LTE和HSPA+的頻譜效率差異是其各自采用的載波調(diào)制技術(shù)差異決定的。

　　傳統(tǒng)的多載波通信系統(tǒng)中，為了避免相互干擾，整個(gè)系統(tǒng)頻帶被劃分為若干個(gè)分離的子載波。各載波之間有一定的保護(hù)間隔，頻帶沒有重疊，接收端通過濾波器把各個(gè)子載波分離之后接收所需信息。設(shè)置保護(hù)頻帶雖然可以避免各子載波間的互相干擾，但卻需要以犧牲頻率效率為代價(jià)。而OFDM技術(shù)完全解決了子載波干擾的問題。

　　OFDM的基帶信號可以表示為

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　　式中：

　　i——子載波

　　d——系統(tǒng)輸入

　　T——信號周期

　　單路k子載波的解調(diào)結(jié)果為

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　　對于除k外的其他子載波來說，由于在積分間隔內(nèi)，頻率偏差是1/T的整數(shù)倍，所以積分結(jié)果為0。因此相鄰子載波雖然在頻域上重疊，但不會(huì)產(chǎn)生干擾。

　　從圖5中可以看出，由于OFDM技術(shù)的頻率特性，各子載波間的頻率響應(yīng)是正交的。子載波間隔大大減小，從而使頻率利用效率大大提高。LTE系統(tǒng)采用的各子載波間隔為15kHz，可以充分滿足奈奎斯特準(zhǔn)則。

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　　實(shí)際應(yīng)用場景中，無線網(wǎng)絡(luò)的頻譜效率受到很多因素的影響，如網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、傳播條件、用戶分布、業(yè)務(wù)特點(diǎn)等。在衡量和比較各個(gè)系統(tǒng)的頻譜效率時(shí)，必須考慮到系統(tǒng)的仿真條件。3GPP對系統(tǒng)的仿真條件做了簡單約定，常用的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)如表2所示。

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　　在上述仿真條件下，LTE的頻譜效率與HSPA+的對比結(jié)果如圖6所示。從圖6中可以看出，LTE的頻譜利用率要明顯高于HSPA+。

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　　4 LTE-A關(guān)鍵技術(shù)和性能要求

　　LTE-A作為LTE的演進(jìn)，是真正意義上的4G標(biāo)準(zhǔn)。LTE-A中，為了滿足更高的性能指標(biāo)，引入了一系列關(guān)鍵技術(shù)，包括上/下行MIMO擴(kuò)展、載波聚合(CA)技術(shù)、接力通信(relay)和協(xié)作的多點(diǎn)傳輸與接收(CoMP)技術(shù)。圖7列舉了LTE-A中各種技術(shù)手段和主要目的。

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　　LTE-A系統(tǒng)在關(guān)鍵技術(shù)方面有了很大的增強(qiáng)，其支持的系統(tǒng)帶寬最小為20MHz，最大帶寬達(dá)到100MHz。其各項(xiàng)性能指標(biāo)得到了很大改善，具體表現(xiàn)為：

　　a)使用4×4 MIMO且傳輸帶寬大于70MHz時(shí)，下行峰值速率為1G bit/s，上行峰值速率為500Mbit/s。

　　b)下行8×8天線配置時(shí)峰值頻譜效率為30bit/s/Hz，上行4×4天線配置時(shí)峰值頻譜效率為15bit/s/Hz。

　　c)下行4×4 MIMO配置下小區(qū)平均頻譜效率為3.7bit/s/Hz，上行2×4 MIMO配置下小區(qū)平均頻譜效率為2.0bit/s/Hz。

　　d)下行4×4 MIMO配置下小區(qū)邊緣頻譜效率為0.12bit/s/Hz，上行2×4 MIMO配置下小區(qū)邊緣頻譜效率為0.07bit/s/Hz。

　　e)在系統(tǒng)容量方面，LTE- A要求每5M帶寬內(nèi)支持200～300個(gè)并行的VoIP用戶。

　　f)LTE-A對時(shí)延的控制更加嚴(yán)格，具體為：控制層從空閑狀態(tài)轉(zhuǎn)換到連接狀態(tài)的時(shí)延低于50ms，從休眠狀態(tài)轉(zhuǎn)換到連接狀態(tài)的時(shí)延低于10ms;用戶層在FDD模式的時(shí)延小于5ms，在TDD模式的時(shí)延小于10ms。

　　5 結(jié)束語

　　對于目前運(yùn)營3G系統(tǒng)的運(yùn)營商來說，首先過渡到HSPA+是快速高效提升網(wǎng)絡(luò)性能的途徑，但是HSPA+在性能方面與LTE相比，還有一定的差距。就目前各運(yùn)營商的選擇情況看來，在均衡網(wǎng)絡(luò)發(fā)展方向和當(dāng)前運(yùn)營狀況的問題上，LTE與HSPA+勢必會(huì)有一定的較量。隨著LTE-A標(biāo)準(zhǔn)化的完成，移動(dòng)通信的“Long Term Evolution”之路無疑非LTE莫屬。