后3G时代的LTE技术介绍

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