解析LTE/LTE-Advanced关键技术
1 引言 随着无线数据业务的迅速增长和新空口技术的不断引入，传统的网络架构在对实时数据业务和大数据量业务的支持方面面临挑战，需要不断演进。无线接入网向两个可能的方向演进：一是空口能力不断增强，但网络构架不变，继续维持RNC和NodeB的二层架构；二是RNC和NodeB功能合并为增强型NodeB，即eNodeB，UTRAN向扁平化方向发展。而在核心网方面，正朝着扁平化和全IP的方向演进。作为下一代移动通信系统当前主流的候选技术方案，LTE给业界留下了巨大的想象空间，全新的理念、网络架构、技术指标和技术方案将应用于这一面向未来的移动宽带通信系统中。 2 LTE/LTE-A需求 3GPP LTE项目的主要性能目标包括：在20MHz频谱带宽能够提供下行100Mbit/s，上行50Mbit/s的峰值速率；改善小区边缘用户的性能；提高小区容量；降低系统延迟，用户平面内部单向传输时延低于5ms，控制平面从睡眠状态到激活状态迁移时间低于50ms，从驻留状态到激活状态的迁移时间＜100ms；支持100km半径的小区覆盖；能够为350km/h高速移动用户提供＞100kbit/s的接入服务；支持成对或非成对频谱，并可灵活配置1.25~20MHz多种带宽。 IMT-Advanced要求未来的4G通信在满足高的峰值速率和大带宽之外还要保证用户在各个区域的体验。有统计表明，未来80%~90%的系统吞吐量将发生在室内和热点游牧场景，室内、低速、热点将可能成为移动互联网时代更重要的应用场景。因此，需要通过新技术增强传统蜂窝在未来热点场景的用户体验。3GPP认为，LTE本身已经可以作为满足IMT-Advanced需求的技术基础和核心，只是纯粹从指标上来讲，LTE较IMT-Advanced的要求还有一定差距。因此当将LTE升级到4G时，并不需要改变LTE标准的核心，只需在LTE基础上进行扩充、增强、完善，就可以满足IMT-Advanced的要求。出于这种考虑，LTE-Advanced应该会作为在LTE基础上的平滑演进，并且后向兼容LTE标准。由于LTE的大规模技术革新已经大量使用了近20年来学术界积累的先进信号处理技术，如OFDM，MIMO，自适应技术等，在继续完善技术应用的同时，LTE-Advanced的技术发展将更多地集中在RRM（无线资源管理）技术和网络层的优化方面。 3 LTE/LTE-A研究进展 2009年3月发布了LTE R8 版本的FDD-LTE 和TDD-LTE标准，原则上完成了LTE标准草案，LTE进入实质研发阶段。从主流设备厂家提供的产品路标来看，几乎所有的主流厂家都会在2010年的第一或第二季度推出LTE产品，但是真正可以商用的版本要2010年以后才能推出。从终端厂家反馈情况来看，2010年会有早期的商用终端，大规模的推出要在2011年底前后
。 关于LTE-A标准的制定在2008年3月的R9版本开始，并将在R10中完善，R10版本将成为LTE-A关键版本。可以预见的是，由于时间紧迫，R10也将是一个LTE-A的短版本。R10版本现在为Study阶段，整个版本制定预计持续一年时间，预计时间安排如下：2009年10月作为第一阶段评估并提交ITU；2010年9月提交全会讨论；2010年12月完成版本制定工作；2011年2月终结并提交。[NextPage] 目前，全球有超过18家运营商公布了自己的LTE部署计划，包括NTT DoCoMo，Telstra，eliaSonera，Verizon，Vodafone，AT&T等都明确表示将支持LTE，并且Verizon已经加速了LTE计划表，使得时间从原定的2010年提前至2009年。作为日本最大的运营商NTT DoComo也加紧“Super 3G”网络商用部署推进LTE进程，并公布了3G过渡到LTE的路线图，2010年初完成了对LTE技术的开发。 4 LTE/LTE-A关键技术 4.1 OFDM技术 OFDM由多载波调制(MCM)发展而来，OFDM技术是多载波传输方案的实现方式之一，它的调制和解调是分别基于快速傅立叶反变换（IFFT）和快速傅立叶变换（FFT）来实现的，是实现复杂度最低、应用最广的一种多载波传输方案。在传统的频分复用系统中，各载波上的信号频谱是没有重叠的，以便接收端利用传统的滤波器分离和提取不同载波上的信号。OFDM系统是将数据符号调制在传输速率相对较低的、相互之间具有正交性的多个并行子载波上进行传输。它允许子载波频谱部分重叠，接收端利用各子载波间的正交性恢复发送的数据。因此，OFDM系统具有更高的频谱利用率。同时，在OFDM符号之间插入循环前缀，可以消除由于多径效应而引起的符号间干扰，能避免在多径信道环境下因保护间隔的插入而影响子载波之间的正交性。这使得OFDM系统非常适用于多径无线信道环境。 OFDM的优点在于抗多径衰落的能力强，频谱效率高，OFDM将信道划分为若干子信道，而每个子信道内部都可以认为是平坦衰落的，可采用基于IFFT/FFT的OFDM快速实现方法，在频率选择性信道中，OFDM接收机的复杂度比带均衡器的单载波系统简单。与其它宽带接入技术不同，OFDM可运行在不连续的频带上，这将有利于多用户的分配和分集效果的应用等。但OFDM技术对频偏和相位噪声比较敏感，而且峰值平均功率比（PAPR）大。 4.2 MIMO技术 要达到LTE-A提出的目标数据传输速率，需要通过增加天线数量以提高峰值频谱效率，即多天线技术，包括Beam-forming和空间复用。多天线技术是一种有效的提高系统容量的方法。当前LTE应用基于码本预编码技术的下行4天线技术。峰值速率达到300Mbit/s。由于LTE-A的带宽高达100M，当前峰值速率可以达到下行1.5Gbit/s
。 4.3 载波聚合 当前LTE系统在频带利用率上已经接近Shannon极限。如果要提高系统吞吐量，就必须提高系统的带宽或者信噪比。 LTE-A通过“载波聚合”（Spectrum Aggregation）的方式进行带宽增强，即把几个基于20MHz的LTE设计捆绑在一起，通过提高可用带宽，LTE-A将带宽扩展到100M。但是实际上很可能没有一整块的空闲带宽，所以LTE-A允许离散频带的聚合。在具体应用中还面临很多问题，如载波聚合时多个可选载波是否需要划分可用集合和各种集合的等级划分；在切换中载波变化的通信问题；载波变化时的信令传输问题；各个载波的激活和去激活过程。这些问题都在3GPP会议中提出并存在多种方案。当前载波聚合作为LTE-A的重要组成部分和关注焦点，是R10制定中的重点。 4.4 无线中继 LTE系统容量要求很高，这样的容量需要较高的频段。为了满足下一代移动通信系统的高速率传输的要求，LTE-A技术引入了无线中继技术。用户终端可以通过中间接入点中继接入网络来获得带宽服务。减小无线链路的空间损耗，增大信噪比，进而提高边缘用户信道容量。无线中继技术包括Repeaters和Relay。 [NextPage] Repeaters是在接到母基站的射频信号后，在射频上直接转发，在终端和基站都是不可见，而且并不关心目的终端是否在其覆盖范围，因此它的作用只是放大器而已。它的作用仅限于增加覆盖，并不能提高容量。 Relay技术是在原有站点的基础上，通过增加一些新的Relay站（或称中继节点、中继站），加大站点和天线的分布密度。这些新增Relay节点和原有基站（母基站）都通过无线连接，和传输网络之间没有有线的连接，下行数据先到达母基站，然后再传给Relay节点，Relay节点再传输至终端用户，上行则反之。这种方法拉近了天线和终端用户的距离，可以改善终端的链路质量，从而提高系统的频谱效率和用户数据率。 4.5 多点协同 协同多点传输，即CoMP（Coordinated Multi-point Transmission）技术通过对空域的扩充提高系统容量减小用户间干扰，是LTE-Advanced对空域扩充的核心技术之一。CoMP技术利用光纤连接的天线站点协同在一起为用户服务，相邻的几个天线站或节点同时为一个用户服务，从而提高用户的数据率，提高小区边缘的通信质量。作为LTE-Advanced对空域扩充的两种核心技术，Relay和CoMP技术对LTE标准做出了很大的创新。 根据终端是否知道信号从多个天线站点发射，CoMP可以分为3类：终端不知道接收到的信号来自多个分布的天线，终端按照单基站方式接收；终端将接收到的所有信道测量反馈，但接收方式按照单基站方式接收，效果相
当于多径接收；终端将接收到的所有信号测量反馈，但是基站侧发送时，同时发送各个天线的发射信息，包括发射点和权重等。 4.6 自组织网络 为了通过有效的运维成本（OPEX）和LTE网络参数和结构复杂化的压力，3GPP借用自组织网络的概念，在R8提出一种新运维策略。该策略将eNodeB作为自组织网络节点，在其中添加自组织功能模块，完成蜂窝无线网络的自配置（Self-configuration）、自优化(Self-optimization)和自操作(Self-operation)。作为LTE的特性，SON已经在R8引入需求，R9完成自愈性、自优化能力的讨论。 LTE自组织网络与传统IP互联网自组织不同在于，LTE要求自组织节点可以互联之外，可以对网络进行自优化和自操作。 5 演进浅析 由于LTE重新定义了空中接口和核心网络，摒弃了CDMA技术而采用OFDM技术，只支持分组域，使得LTE与已有3GPP各版本标准不兼容，现有3G网络很难平滑演进到LTE，如果要部署LTE需要大规模的网络升级，部署成本比较高。从历史规律来看，从标准成熟到规模商用，一般要3~4年时间，2009年3月LTE标准冻结并批准，因此可以预计在2012~2013年以后LTE才具备规模商用的条件。从产业链的角度来看，目前LTE网络侧设备和终端尚未成熟，特别是终端方面可能成为LTE发展的瓶颈，支持LTE，WCDMA双模的终端预计在2012年才能推出。考虑到运营商投资和回报的平衡，无线接入网将会是EUTRAN和GERAN/UTRAN并存的场景，GERAN/UTRAN仍然保持二级架构，EUTRAN采用扁平化架构，随着多模基站的推出，LTE的eNodeB可以和NodeB，BTS采用共站址的方式。 6 结束语 从GSM到UMTS再到HSPA，空口技术不断演进，数据速率、小区吞吐量不断提高，但是无线网络基本保持了RNC+NodeB的二级架构。随着无线扁平化技术的出现与兴起，无线网络架构会发生什么样的变化成为了业界关注的焦点，网络发展到LTE阶段，EUTRAN中只含有eNodeB一个网元，不再有RNC，如何从UTRAN演进到EUTRAN需要特别关注。本文对LTE/LTE-A需求、研究进展以及关键技术进行了介绍。