后3G時(shí)代的LTE技術(shù)

隨著個(gè)人通信技術(shù)在20多年中不斷發(fā)展成熟，人們?cè)谏钪袑?duì)無(wú)線通信的依賴越來(lái)越強(qiáng)，目前，全球的移動(dòng)語(yǔ)音用戶已超過(guò)了18億戶[1]。同時(shí)，眾多的使用者也對(duì)個(gè)人通信技術(shù)的發(fā)展提出了新的要求：通信設(shè)備的微型化、低功耗、高帶寬、快速接入和多媒體化。而最關(guān)鍵的是能被廣大用戶負(fù)擔(dān)得起的廉價(jià)終端設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。

雖然3G網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線性能已經(jīng)有了較大的提高，但由于IPR的制約，在應(yīng)對(duì)市場(chǎng)挑戰(zhàn)和滿足用戶需求等方面還是有很多局限性；同時(shí)，昂貴的授權(quán)費(fèi)用也制約了3G技術(shù)的發(fā)展，因而受到了技術(shù)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉的WiFi和WiMAX的強(qiáng)烈挑戰(zhàn)。用戶的需求和市場(chǎng)的挑戰(zhàn)迫切需要傳輸速率更快、時(shí)延更短、頻帶更寬以及運(yùn)營(yíng)成本更少的網(wǎng)絡(luò)誕生。

二、LTE項(xiàng)目?jī)?nèi)容介紹

LTE（Long Term Evolution，長(zhǎng)期演進(jìn)）項(xiàng)目是3G的演進(jìn)，它改進(jìn)并增強(qiáng)了3G的空中接入技術(shù)，采用OFDM和MIMO作為其無(wú)線網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)的唯一標(biāo)準(zhǔn)。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(shù)特征

3GPP從系統(tǒng)性能要求、網(wǎng)絡(luò)的部署場(chǎng)景、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、業(yè)務(wù)支持能力等方面對(duì)LTE進(jìn)行了詳細(xì)的描述。與3G相比，LTE具有如下技術(shù)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(wù)為主要目標(biāo)，系統(tǒng)在整體架構(gòu)上將基于分組交換；

（4）QoS保證，通過(guò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和嚴(yán)格的QoS機(jī)制，保證實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)（如VoIP）的服務(wù)質(zhì)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(lái)在系統(tǒng)部署上的靈活性；

（6）降低無(wú)線網(wǎng)絡(luò)時(shí)延：子幀長(zhǎng)度0.5 ms和0.675 ms，解決了向下兼容的問(wèn)題并降低了網(wǎng)絡(luò)時(shí)延，時(shí)延可達(dá)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(qiáng)調(diào)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(yùn)作。

與3G相比，LTE更具技術(shù)優(yōu)勢(shì)，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(luò)結(jié)構(gòu)和核心技術(shù)

3GPP對(duì)LTE項(xiàng)目的工作大體分為兩個(gè)時(shí)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(bào)告；2006年6月到2007年6月為WI（Work Item）階段，完成核心技術(shù)的規(guī)范工作。在2007年中期完成LTE相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制定（3GPP R7），在2008年或2009年推出商用產(chǎn)品。就目前的進(jìn)展來(lái)看，發(fā)展比計(jì)劃滯后了大概3個(gè)月[1]，但經(jīng)過(guò)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(luò)結(jié)構(gòu)和空中接口協(xié)議　LTE采用由Node B構(gòu)成的單層結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)有利于簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)和減小延遲，實(shí)現(xiàn)了低時(shí)延，低復(fù)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(diǎn)。名義上LTE是對(duì)3G的演進(jìn)，但事實(shí)上它對(duì)3GPP的整個(gè)體系架構(gòu)作了革命性的變革，逐步趨近于典型的IP寬帶網(wǎng)結(jié)構(gòu)。

3GPP初步確定LTE的架構(gòu)如圖1所示，也叫演進(jìn)型UTRAN結(jié)構(gòu)（E-UTRAN）[3]。接入網(wǎng)主要由演進(jìn)型 Node B（eNB）和接入網(wǎng)關(guān)（aGW）兩部分構(gòu)成。aGW是一個(gè)邊界節(jié)點(diǎn)，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(gòu)成。eNB不僅具有原來(lái) Node B的功能外，還能完成原來(lái)RNC的大部分功能，包括物理層、MAC層、RRC、調(diào)度、接入控制、承載控制、接入移動(dòng)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(duì)原有UTRAN結(jié)構(gòu)的重大修改。

圖1　LTE網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與協(xié)議結(jié)構(gòu)

引入一個(gè)RRM Server進(jìn)行集中式管理（圖1中結(jié)構(gòu)1），還是采用完全分散的管理結(jié)構(gòu)（圖1中結(jié)構(gòu)2）來(lái)解決小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)、負(fù)載控制等功能，目前還未確定[3]。另外，在空中接入技術(shù)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(wù)信道，減少了 MAC層的實(shí)體類型。

（2）LTE核心技術(shù)　LTE不僅通過(guò)簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，還采用以下幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)其優(yōu)異性能：

a.傳輸技術(shù)與多址技術(shù)　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(lái)生成上行SC-FDMA信號(hào)。這種技術(shù)是在OFDM的IFFT調(diào)制之前對(duì)信號(hào)進(jìn)行DFT擴(kuò)展。這樣，系統(tǒng)發(fā)射的是時(shí)域信號(hào)，從而可以避免OFDM系統(tǒng)發(fā)送頻域信號(hào)帶來(lái)的PAPR問(wèn)題[4]。

b.宏分集　由于存在難以解決的“同步問(wèn)題”，LTE對(duì)單播（uniCAst）業(yè)務(wù)不采用下行宏分集。至于對(duì)頻率要求稍低的多小區(qū)廣播業(yè)務(wù)，可采用較大的循環(huán)前綴（CP）來(lái)解決小區(qū)之間的同步問(wèn)題。考慮到實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)扁平化、分散化，LTE不采用上行宏分集技術(shù)[4]。

c.調(diào)制與編碼　LTE下行主要采用OPSK、16QAM、64QAM三種調(diào)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(shù)　MIMO技術(shù)是LTE最核心的技術(shù)，它是提高傳輸率的主要手段，LTE系統(tǒng)將設(shè)計(jì)可以適應(yīng)宏小區(qū)、微小區(qū)、熱點(diǎn)等各種環(huán)境的 MIMO技術(shù)。LTE已確定MIMO天線個(gè)數(shù)的基本配置是下行2