論LTE的技術特點及發展前景

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論LTE的技術特點及發展前景

　　0 LTE 產生的時代背景
　　
　　2004 年底，在WiMAX 技術迅猛崛起的同時， 3GPP（3rd Generation Partnership Project，第3 代合作伙伴計劃）啟動了UMTS 技術的長期演進LTE[1]（Long Term Evolution，長期演進）項目。在全球范圍內，3G 移動通信技術是當前無線通信技術的主流，在諸多3G 技術標準中，以3GPP 制定的UMTS[2]（Universal Mobile Telecommunications System，通用移動通信系統）技術標準最具有影響力。3G 系統正在全世界范圍逐步部署開來，增強型UMTS技術——高速下行分組接入(HSDPA)和高速上行分組接入(HSUPA)技術[3]的標準化工作也基本完成。就在3GPP 著手為2012 年開始的IMT-Advanced 技術 (俗稱4G 或B3G 技術)的標準化做準備的時候，基于OFDM 技術[4]的WiMAX[5]（World interoperability for MicrowaveAccess，全球微波接入互操作）標準的橫空出世，這給寬帶移動通信技術帶來了挑戰。
　　相對于其他無線標準，為了讓 3GPP 標準能夠長期保持在移動通信領域占據的優勢地位，能夠和支持20MHz 帶寬的WiMAX 技術相抗衡，3GPP 的移動通信廠商不得不快速跟進，投入UMTS 技術的演進版本——LTE 的標準化工作。3GPP 長期演進技術（3GPP LongTerm Evolution, LTE）為第三代合作伙伴計劃（3GPP）標準，使用OFDM（正交頻分復用）的射頻接收技術，以及2×2 和4×4 MIMO[6]的分集天線技術規格，同時支FDD（頻分雙工）和TDD（時分雙工）。
　　
　　1 LTE 技術特點
　　
　　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 具有如下關鍵技術特征：
　　(1)通信速率有了提高，下行峰值速率為100Mbps、上行為50Mbps。
　　(2)提高了頻譜效率，下行鏈路5(bit/s)/Hz，(3-4 倍于R6HSDPA);上行鏈路2.5(bit/s)/Hz，是R6HSU-PA2-3 倍[7]。
　　(3)簡單的網絡架構和軟件架構，以信道共用為基礎，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1.4～20MHz 間的多種系統帶寬，不必要分組殘片過濾技術可支持“paired”和“unpaired” [8]的頻譜分配。保證了將來在系統部署上的靈活性。
　　(6)非常低的線網絡時延：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。
　　(7)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，OFDM 支持的單頻率網絡技術可提供高效率的多播服務。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。
　　(8)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，支持自組網（Self-organising Network）操作。
　　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 LTE 系統的核心技術簡析
　　
　　2.1 LTE 系統架構
　　LTE 技術中的傳統語音通信只是網絡給終端用戶提供的服務之一，其關鍵的設計目標是實現網絡完全基于分組交換。在LTE 網絡中，不再采用2G 和3G 網絡中的雙核心網結構，即語音核心網(MSC/VLR)和分組核心網(SGSN/GGSN)，而是讓分組核心網成為管理UE 移動性和處理信令的唯一核心網，實現各種業務通過IP 多媒體系統[9] (IMS) 提供給終端用戶。
　　LTE 網絡節點主要包括增強型Node B(簡稱eNode B[10])和接入網關(MME/SAE GW)。LTE 中的eNode B 除了具有原Node B 的功能之外，還承擔了原來RNC 的大部分功能。eNodeB 的功能包括：無線資源管理、IP 頭壓縮和用戶數據流加密、選擇UE 附著的MME、選擇用戶面數據向S-GW 的路由、調度和發送從MME 發起的信息，還有移動性和調度的測量與上報配置。如所示，E-UTRAN[11]由eNode B 構成， eNode B 之間由X2 接口互聯，每個eNode B 又和演進型分組核心網（EPC）通過S1 接口相連。
　　與 2G 和3G 的無線網絡相比，LTE 網元省略RNC 節點，只是由若干eNode B 組成，這樣就省略了對接入點進行匯集，減少了網元數目，使網絡更加扁平化，部署簡單，容易維護。取消RNC 的集中控制，有利于避免單點故障，從而提高網絡穩定性。LTE 網絡中的eNodeB 直接鏈接MME 和服務SAE GW，有助于降低系統的整體時延，便于開展更多的業務。
　　
　　2.2 空中接口技術
　　空中接口是指終端和接入網之間的接口，一般稱為Uu 接口[12]。空中接口協議主要是用來建立、重配置和釋放各種無線承載業務。空中接口是一個完全開放的接口，只要遵守接口規范，不同的制造商上產的設備就能夠互相通信，完全開放的接口有利于不同廠家設備的兼容。
　　LTE 空中接口的用戶平面和控制平面功能由eNode B 統一進行管理和控制，包括完成基站之間的切換等。由于減少了一層節點，用戶平面的數據傳送和控制平面的無線資源控制變得更加方便、靈活。
　　LTE 空中接口協議與UTRAN（Universal Terrestrial Radio Access Network，通用地面無線接入網）相比，放棄專用傳輸信道，改用上下鏈路使用共享信道，可以是共享空中接口的無線資源；另外，MAC 子層的實體類型和RRC 層處理都相對于UTRAN[13]得到了簡化。
　　
　　3 LTE 和寬帶無線接入技術的對比
　　
　　就目前的通信技術的發展形式來看，寬帶無線接入技術和蜂窩移動通信技術已經呈現出相互融合的趨勢。基于IEEE802.16e 的移動性WiMAX 技術和以LTE 為代表的E3G[14]技術，無論在性能指標還是核心技術方面，都具有相當大的相似性。
　　下面以 IEEE802.16e 和3GPP LTE 分別作為寬帶無線接入和寬帶移動通信技術的代表技術，將其二者的性能指標歸納在中。
　　在移動性能方面，LTE 強調了在15km/h 以下低速場景優化系統，并要求在120km/h 一下只發生輕微的性能下降，同時也支持250km/h 的高速移動[15]，另外LTE 還要求在500km/h的告訴移動下保持連接。WiMAX 技術原本只用于120km/h 以下的中低車速移動，現在也邁向支持120km/h 以上移動速度。總的說來，寬帶移動通信和寬帶無線接入技術對移動性的要求已趨向一致。
　　網絡架構方面，寬帶移動通信和寬帶無線接入技術的核心網正在相互滲透，E3G 將基于全IP 的網絡架構，而WiMAX 網絡將支持IMS 網絡架構，兩者的RAN 結構都趨于扁平化和分散化[15]。WiMAX 和LTE 也都在考慮多種無線通信系統（如2.5G、3G、WiMAX、WLAN）之間的互操作和切換。
　　為滿足上述的系統需求，IEEE802.16e 和LTE 標準分別選擇適當的關鍵技術，如所示。
　　LTE 在上行采用了SC-FDMA[17]以降低信號峰平比（PAPR），但其只要的實現方式為離散傅立葉變換擴展OFDM 技術。LTE 出于對高移動性的考慮，采用了最大的子載波間隔15kHz。LTE 采用的是OFDM技術，WCDMA 中采用的是直接序列擴頻的CDMA技術。OFDM技術的頻譜效率明顯優于CDMA。
　　在小區干擾抑制方面，LTE 考慮了干擾協調技術，在上行支持基于干擾指示和過載只是的動態協調，在下行至支持半靜態協調，另外還采用加擾的方式進行干擾隨機化。相對而言，IEEE802.16e 對小區間干擾問題的重視程度較低，只采用跳頻技術[18]對干擾進行隨機化。
　　
　　4 總結
　　
　　綜上所述，LTE 技術改進并增強了3G 的空中接入技術，采用OFDM 和MIMO[21]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326Mbit/s 與上行86Mbit/s的峰值速率[22]。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。相對于目前3G 網絡的容量和速度，LTE 是它的100 余倍，且延遲性更低，并具有從1.25～20MHz 不等的靈活頻譜[23]。LTE 與WiMAX，以及3GPP2 的超行動寬帶[24]（Ultra Mobile Broadband，UMB）技術常一起被稱為4G，過去的3G 技術是指同一無線網絡提供語音和數據通訊，但到了4G 時代則變成為全數據網絡，LTE 估計最高下載速率100Mbps 與上傳50Mbps[25]以上，比WiMax 更快。
　　LTE 的基站測試工作正在各城市測試點部署開來，接下來LTE 將進入一個不斷成長、成熟的階段。韓國電子通訊研究院（ETRI）成功以時速120 公里的移動速度、在基地臺和終端設備樣品之間進行LTE 資料傳輸。諾基亞（Nokia）也已完成使用2.6GHz 頻段傳輸速率可達173Mbps 的LTE 技術現場測試，等等，其他國際大型通信公司或研究機構也已經啟動了相應的設計和實現技術方案，并對LTE 系統實現解決方案和關鍵技術進行了大量的測試和驗證。在國際移動通信巨頭機構的長期技術投入和主導下，未來的移動通信將無疑朝著LTE 和LTE-Advanced[26]的方向迅速發展。

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