后3G時代的LTE技術介紹

    介紹了下一代無線網絡LTE（Long Term Evolution，長期演進）的背景和發展狀況。 

    分析了LTE的技術特征，闡述了LTE網絡結構與核心技術，并通過與WiFi（WirelessFidelity）及Wimax（World wide Inter operability for Microwave Access）的各項性能作比較，著重分析了LTE的技術優勢。最后，指出了LTE在個人通信市場所面臨的應用前景與挑戰。

　　1、引言

　　隨著個人通信技術在20多年中不斷發展成熟，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[1]。同時，眾多的使用者也對個人通信技術的發展提出了新的要求：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絡服務。

　　雖然3G網絡的無線性能已經得到了較大的提高，但由于IPR的制約，應對市場的挑戰和滿足用戶需求等領域還是有很多局限性。同時，昂貴的授權費用也制約了3G技術的發展，因而受到了技術簡單、價格低廉的WiFi和Wimax的強烈挑戰。用戶的需求和市場的挑  
戰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絡誕生。

　　2、LTE項目內容介紹

　　LTE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作為其無線網絡演進的唯一標準。在20MHz頻譜帶寬下能夠提供下行100Mbit/s與上行50Mbit/s的峰值速率。改善了小區邊緣用戶的性能，提高小區容量和降低系統延遲。

　　2.1　LTE的主要技術特征

　　3GPP從“系統性能要求”、“網絡的部署場景”、“網絡架構”、“業務支持能力”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100Mbps、上行為50Mbps。

　?。?）提高了頻譜效率，下行鏈路5（bit/s）/Hz，（3--4倍于R6 HSDPA）；上行鏈路2.5（bit/s）/Hz，是R6 HSU-PA2--3倍。

　?。?）以分組域業務為主要目標，系統在整體架構上將基于分組交換。

　　（4）QoS保證，通過系統設計和嚴格的QoS機制，保證實時業務（如VoIP）的服務質量。

　　（5）系統部署靈活，能夠支持1.25MHz-20MHz間的多種系統帶寬，并支持“paired”和“unpaired”的頻譜分配。保證了將來在系統部署上的靈活性。

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

　?。?）增加了小區邊界比特速率，在保持目前基站位置不變的情況下增加小區邊界比特速率。如MBMS（多媒體廣播和組播業務）在小區邊界可提供1bit/s/Hz的數據速率。

　?。?）強調向下兼容，支持已有的3G系統和非3GPP規范系統的協同運作。

　　與3G相比，LTE更具技術優勢，具體體現在：高數據速率、分組傳送、延遲降低、廣域覆蓋和向下兼容。

　　2.2　LTE的網絡結構和核心技術

　　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年推出商用產品。就目前的進展來看，發展比計劃滯后了大概3個月[1]，但經過3GPP組織的努力，LTE的系統框架大部分已經完成。

　　2.2.1　LTE網絡結構和空中接口協議

　　LTE采用由Node B構成的單層結構，這種結構有利于簡化網絡和減小延遲，實現了低時延，低復雜度和低成本的要求。與傳統的3GPP接入網相比，LTE減少了RNC節點。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]。接入網主要由演進型Node B（eNB）和接入網關（aGW）兩部分構成。aGW是一個邊界節點，若將其視為核心網的一部分，則接入網主要由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和Node B之間將采用網格（Mesh）方式直接互連，這也是對原有UTRAN結構的重大修改。



圖1 　LTE網絡結構與協議結構 

       引入一個RRM Server進行集中式管理（圖中結構1），還是采用完全分散的管理結構（圖中結構2）來解決小區間干擾協調、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的信道數量將比WCDMA系統有所減少。并取消了專用信道，不再保留廣播媒體控制層和UTRAN的公共業務信道，減少了MAC層的實體類型。

　　2.2.2　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其優異性能。

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

　?。?）宏分集：由于存在難以解決的“同步問題”，LTE對單播（uni-CAst）業務不采用下行宏分集。至于對頻率要求稍低的多小區廣播業務，可采用較大的循環前綴（CP）來解決小區之間的同步問題?？紤]到實現網絡結構“扁平  
化”、“分散化”，LTE不采用上行宏分集技術[4]。

　?。?）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。

　?。?）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系統將設計可以適應宏小區、微小區、熱點等各種環境的MIMO技術。LTE已確定MIMO天線個數的基本配置是下行2