后3G时代，LTE异军突起

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摘要　介绍了下一代无线网络LTE（Long Term Evolution，长期演进）的背景和发展状况。分析了LTE的技术特征，阐述了LTE网络结构与核心技术，并通过与WiFi（WirelessFidelity）及Wimax（World wide Inter operability for Microwave Access）的各项性能作比较，着重分析了LTE的技术优势。最后，指出了LTE在个人通信市场所面临的应用前景与挑战。
1、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[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得到了较大的提高，但由于IPR的制约，应对市场的挑战和满足用户需求等领域还是有很多局限性。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。
2、LTE项目内容介绍
LTE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100Mbit/s与上行50Mbit/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。
2.1　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100Mbps、上行为50Mbps。
（2）提高了频谱效率，下行链路5（bit/s）/Hz，（3--4倍于R6 HSDPA）；上行链路2.5（bit/s）/Hz，是R6 HSU-PA2--3倍。
（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1.25MHz-20MHz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0.5ms和0.675ms，解决了向下兼容的问题并降低了网络时延，时延可达U-plan＜5ms，C-plan＜100ms。
（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。如MBMS（多媒体广播和组播业务）在小区边界可提供1bit/s/Hz的数据速率。
（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。
2.2　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。
2.2.1　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和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（图中结构1），还是采用完全分散的管理结构（图中结构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。
2.2.2　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。
（1）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-FD-MA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]。
（2）宏分集：由于存在难以解决的“同步问题”，LTE对单播（uni-CAst）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]。
（3）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。
（4）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、自适应、智能天线等。上行单用户MIMO天线的基本配置，也是在UE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。
3、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Wi-Fi，他们都有各自的特点，或数据速率高、或费用成本低、或安全性高，他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Wi-Fi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和20MHz等多种系统带宽，Wimax支持15-20MHz的几种带宽，Wi-Fi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20MHz的带宽下，能达到下行100Mbps、上行50 Mbps的峰值速率；Wi-Fi与Wimax所能达到的最高速率仅为11 Mbps、75 Mbps，且Wi-Fi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 Mbps网络联网，但是其兑现的网速可能只有1 Mbps。
（3）稳定性
LTE能在350Km/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120Km/h[5]，Wi-Fi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。
4、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5MHz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。
5、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。尽管如此，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。

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