后3G时代的LTE技术
发布时间：2011-7-26 17:37
发布者：小可爱ing
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一、引言 随着个人通信技术在20多年中不断发展成熟，人们在生活中对无线通信的依赖越来越强，目前，全球的移动语音用户已超过了18亿户[1]。同时，众多的使用者也对个人通信技术的发展提出了新的要求：通信设备的微型化、低功耗、高带宽、快速接入和多媒体化。而最关键的是能被广大用户负担得起的廉价终端设备和网络服务。 虽然3G网络的无线性能已经有了较大的提高，但由于IPR的制约，在应对市场挑战和满足用户需求等方面还是有很多局限性；同时，昂贵的授权费用也制约了3G技术的发展，因而受到了技术简单、价格低廉的WiFi和WiMAX的强烈挑战。用户的需求和市场的挑战迫切需要传输速率更快、时延更短、频带更宽以及运营成本更少的网络诞生。 二、LTE项目内容介绍 LTE（Long Term Evolution，长期演进）项目是3G的演进，它改进并增强了3G的空中接入技术，采用OFDM和MIMO作为其无线网络演进的唯一标准。在 20MHz频谱带宽下能够提供下行100 Mbit/s与上行50 Mbit/s的峰值速率，改善了小区边缘用户的性能，提高小区容量和降低系统延迟。 1.LTE的主要技术特征 3GPP从系统性能要求、网络的部署场景、网络架构、业务支持能力等方面对LTE进行了详细的描述。与3G相比，LTE具有如下技术特征[2，3]： （1）通信速率有了提高，下行峰值速率为100 Mbit/s、上行为50 Mbit/s； （2）提高了频谱效率； （3）以分组域业务为主要目标，系统在整体架构上将基于分组交换； （4）QoS保证，通过系统设计和严格的QoS机制，保证实时业务（如VoIP）的服务质量； （5）系统部署灵活，能够支持1.25～20 MHz间的多种系统带宽，并支持“Paired”和“Unpaired”的频谱分配，保证了将来在系统部署上的灵活性； （6）降低无线网络时延：子帧长度0.5 ms和0.675 ms，解决了向下兼容的问题并降低了网络时延，时延可达U-plan＜5 ms，C-plan＜100 ms； （7）增加了小区边界比特速率，在保持目前基站位置不变的情况下增加小区边界比特速率； （8）强调向下兼容，支持已有的3G系统和非3GPP规范系统的协同运作。 与3G相比，LTE更具技术优势，具体体现在高数据速率、分组传送、延迟降低、广域覆盖和向下兼容。 2.LTE的网络结构和核心技术 3GPP对LTE项目的工作大体分为两个时间段：2005年3月到2006年6月为SI（Study Item）阶段，完成可行性研究报告；2006年6月到2007年6月为WI（Work Item）阶段，完成核心技术的规范工作。在2007年中期完成LTE相关标准制定（3GPP R7），在2008年或2009年推出商用产品。就目前的进展来看，发展比计划滞后了大概3个月[1]，但经过3GPP组织的努力，LTE的系统框架大部分已经完成。 （1）LTE网络结构和空中接口协议 LTE采用由Node B构成的单层结构。这种结构有利于简化网络和减小延迟，实现了低时延，低复杂度和低成本的要求。与传统的3GPP接入网相比，LTE减少了RNC节点。名义上LTE是对3G的演进，但事实上它对3GPP的整个体系架构作了革命性的变革，逐步趋近于典型的IP宽带网结构。 3GPP初步确定LTE的架构如图1所示，也叫演进型UTRAN结构（E-UTRAN）[3]。接入网主要由演进型 Node B（eNB）和接入网关（aGW）两部分构成。aGW是一个边界节点，若将其视为核心网的一部分，则接入网主要由eNB一层构成。eNB不仅具有原来 Node B的功能外，还能完成原来RNC的大部分功能，包括物理层、MAC层、RRC、调度、接入控制、承载控制、接入移动性管理和Inter-cellRRM 等。Node B之间将采用网格（Mesh）方式直接互连，这也是对原有UTRAN结构的重大修改。 
图1 LTE网络结构与协议结构 引入一个RRM Server进行集中式管理（图1中结构1），还是采用完全分散的管理结构（图1中结构2）来解决小区间干扰协调、负载控制等功能，目前还未确定[3]。另外，在空中接入技术方面，LTE的信道数量将比WCDMA系统有所减少。并取消了专用信道，不再保留广播媒体控制层和UTRAN的公共业务信道，减少了 MAC层的实体类型。 （2）LTE核心技术 LTE不仅通过简化结构，还采用以下几个关键技术来实现其优异性能： a.传输技术与多址技术 3GPP选择了大多数公司支持的方案，即下行OFDM，上行SC-FDMA。大多数公司支持采用“频域”方法来生成上行SC-FDMA信号。这种技术是在OFDM的IFFT调制之前对信号进行DFT扩展。这样，系统发射的是时域信号，从而可以避免OFDM系统发送频域信号带来的PAPR问题[4]。 b.宏分集 由于存在难以解决的“同步问题”，LTE对单播（uniCAst）业务不采用下行宏分集。至于对频率要求稍低的多小区广播业务，可采用较大的循环前缀（CP）来解决小区之间的同步问题。考虑到实现网络结构扁平化、分散化，LTE不采用上行宏分集技术[4]。 c.调制与编码 LTE下行主要采用OPSK、16QAM、64QAM三种调制方式。上行主要采用位移BPSK、OPSK、8PSK和16QAM。信道编码LTE主要考虑Turbo码，但若能获得明显的增益，也将考虑其他编码方式，如LDPC码。 d.多天线技术 MIMO技术是LTE最核心的技术，它是提高传输率的主要手段，LTE系统将设计可以适应宏小区、微小区、热点等各种环境的 MIMO技术。LTE已确定MIMO天线个数的基本配置是下行2×2、上行1×2，但也在考虑4×4的高阶天线配置。具体的MIMO技术尚未确定，目前正在考虑的方法包括空分复用（SDM）、空分多址（SDMA）、预编码、 秩自适应、智能天线等。上行单用户MIMO天线的基本配置，也是在LIE有两个发射天线，在基站有两个接收天线。通常是2×2的虚拟MIMO，两个UE各自有一个发射天线，并共享相同的时一频域资源[4]。 除上述技术以外，3GPP也对MBMS、同步、小区间干扰抑制、切换、小区搜索、空中接入等技术作了相应的规定。虽然这些规范还未最终确定，但经过仿真测量，目前这些基本概念可以满足或接近TR25.912中的系统需求。相信这些技术规范的最终确定指日可待。 三、LTE的技术优势 面对非传统运营商纷纷加入移动通信市场及“其他无线通信标准”的竞争，3GPP启动了LTE项目。针对WiMAX“低移动性宽带IP接入”的定位以及适用于在办公室和家庭中使用的短距离无线技术WiFi，LTE提出了相对应的需求，如相似的带宽、数据率，强调MBMS等[3]。LTE与WiMAX、WiFi在各方面的性能比较如表1所示。 表1 LTE、WiMAX、WiFi主要性能对照表 
LTE、WiMAX与WiFi都有各自的特点，或数据速率高，或费用成本低，或安全性高。它们的适用范围也各不相同，WiMAX解决的是无线城域网的问题，而WiFi解决的是无线局域网的接入问题。从表1中可看出，尽管LTE费用较高，但在灵活性、数据速率、稳定性方面它更具技术优势。 （1）灵活性 LTE能够支持1.25，1.6，2.5，5，10，15，20 MHz等多种系统带宽，WiMAX支持15～20 MHz的几种带宽，WiFi解决的是无线局域网问题，仅适用于有因特网的地区，因而在系统布署的灵活性上LTE更具优势。 （2）数据速率 LTE增强了3G的空中接入技术，信号的覆盖范围大幅延伸，在20 MHz的带宽下，能达到下行100 Mbit/s、上行50 Mbit/s的峰值速率；WiFi与WiMAX所能达到的最高速率仅为11 Mbit/s和75 Mbit/s，且WiFi采用的无线电信号易受环境影响[6]，可能一个用户与带宽为11 Mbit/s网络联网，但是其兑现的网速可能只有1 Mbit/s。 （3）稳定性 LTE能在350 km/h的高速移动的情况下达到良好的接收效果，WiMAX所能支持的最高移动速率只能达到120 km/h[5]，WiFi则仅限于局域网的低速率移动。与WiMAX和WiFi相比，在高速移动的环境下，LTE的信号更稳定。 四、LTE技术的市场前景与挑战 目前语音业务在移动通信市场取得了巨大的成功，但这种状况会随着数据业务和应用的重要性与日俱增而逐渐改变。除了现有GPRS及3G网络为用户带来的如IP电话、在线游戏、多媒体消息、移动电视等业务外，LTE还能为用户带来更丰富的服务。 LTE系统是在充分继承现有技术的基础上，综合了一部分4G核心技术而提出的。它不仅在技术方面极具优势，在时间段上也有一个很好的契机。一个新的空中接口的研发通常需要10年时间，后3G技术的研发已经进行了5年，而新的4G频谱计划于2007年的ITU世界无线会议（WRC）之后才分配，加上研究、标准化和设计产品的时间，4G最早也要在2015年左右才能正式商用。2008～2015年的这段时间，将是LTE产品在移动通信市场发展的春天。 虽然LTE在技术上取得了相当的进步，但是在一定程度上并未摆脱3G框架的束缚。去年3月启动的HSPA（HSPDA+HSUPA）的演进项目 E-HSPA（有的公司认为它在5 MHz带宽内能达到和LTE相似的性能）也为LTE带来了严峻的挑战。尽管LTE的性能可能比4G稍差，但是由于4G的不确定性、E-HSPA项目的启动滞后于LTE，因而LTE目前是机遇大于挑战，仍具有很强的竞争力，市场前景一片光明。 五、结束语 与现有技术相比，LTE系统在许多关键技术指标上有了很大程度的提高，完全能够满足对未来移动通信的数据业务的要求。虽然LTE的进展并非一帆风顺，并受到了4G与E-HSPA带来的挑战，但大多数公司仍对LTE项目投入了巨大的热情，相信LTE项目将会为广大移动通信用户带来更多丰富多彩的服务。 参考文献 [1] 胡海宁，林奇兵.下一代无线网络LTE介绍[J].电信网技术，2006（7）. [2] 胡耀，李光伟.LTE及其关键技术介绍[J].广东通信技术，2006（5）. [3] 沈嘉.3GPP核心技术及标准化进展[J].移动通信，2006（4）. [4] 关于3GPP LTE标准化进展-物理层[EB/OL].http：//www.gdbear.com.cn/2/lib/200612/28/200612280053.htm. [5] WiMAX宽带无线接入技术[EB/OL].http：//network.51cto.com/art/200604/25851.htm. [6] 美国西蒙公司.浅谈WiFi[J].智能建筑与城市信息，2006（4）. |
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