LTE關(guān)鍵技術(shù)及其影響

1、LTE關(guān)鍵技術(shù)及其影響隨著11月19日三大運(yùn)營商的LTE頻率的正式分配，LTE的牌照發(fā)放也已提上日程，中國即將跨入4G的門檻。1. LTE簡介LTE（Long Term Evolution，長期演進(jìn))是由3GPP組織制定的UMTS技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的長期演進(jìn)，于2004年12月3GPP多倫多TSG RAN#26會議上正式立項(xiàng)并啟動(dòng)。LTE引入了OFDM和MIMO等關(guān)鍵傳輸技術(shù)，顯著增加了頻譜效率和數(shù)據(jù)傳輸速率，并支持多種帶寬分配：1.4MHz，3MHz，5MHz，10MHz，15MHz和20MHz等，頻譜分配更加靈活，系統(tǒng)容量和覆蓋顯著提升。LTE無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)更加扁平化，減小了系統(tǒng)時(shí)延，降低了建網(wǎng)成本和

2、維護(hù)成本，并支持與其他3GPP系統(tǒng)互操作。2. LTE的技術(shù)優(yōu)勢與3G相比，LTE更具技術(shù)優(yōu)勢，具體體現(xiàn)在： (1)通信速率顯著提高，下行峰值速率100Mbps、上行50Mbps。(2)提高了頻譜效率，下行鏈路5(bit/s)/Hz，(34倍于R6版本的HSDPA)；上行鏈路2.5(bit/s)/Hz，是R6版本HSUPA的23倍。(3)系統(tǒng)在整體架構(gòu)上基于分組交換。(4)通過系統(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1.25MHz20MHz間的多種系統(tǒng)帶寬，并支持“paired”和“unpaired”的頻譜分配，保證了在系統(tǒng)部署上的靈活性。

3、(6)降低無線網(wǎng)絡(luò)時(shí)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(wǎng)絡(luò)時(shí)延，時(shí)延可達(dá)U-plan5ms，C-plan100ms。(7)增加了小區(qū)邊界比特速率，在保持基站位置不變的情況下增加小區(qū)邊界比特速率。如MBMS(多媒體廣播和組播業(yè)務(wù))在小區(qū)邊界可提供1bit/s/Hz的數(shù)據(jù)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。3. LTE的關(guān)鍵技術(shù)1) LTE的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)LTE采用由E-Node B構(gòu)成的單層結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)有利于簡化網(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網(wǎng)絡(luò)RNC節(jié)點(diǎn)和Node B

4、節(jié)點(diǎn)合并，成為E-Node B，在基站側(cè)可以完成電路的交換。名義上LTE是對3G的演進(jìn)，但事實(shí)上它對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)，也叫演進(jìn)型UTRAN結(jié)構(gòu)(E-UTRAN)。接入網(wǎng)主要由演進(jìn)型Node B(E-Node B)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E-Node B一層構(gòu)成。E-Node B不僅具有原來Node B的功能外，還能完成原來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。

5、Node B和Node B之間將采用網(wǎng)格(Mesh)方式直接互連，這也是對原有UTRAN結(jié)構(gòu)的重大修改。圖1 LTE框架圖2) 傳輸方案LTE下行傳輸方案采用傳統(tǒng)的帶循環(huán)前綴（CP）的OFDM，每一個(gè)子載波占用15kHz，循環(huán)前綴的持續(xù)時(shí)間為4.7/16.7s，分別對應(yīng)短 CP和長CP。為了滿足數(shù)據(jù)傳輸延遲的要求（在輕負(fù)載情況下，用戶面延遲小于5ms），LTE系統(tǒng)必須采用很短的交織長度（TTI）和自動(dòng)重傳請求（ARQ）周期，因此，在3G中的10ms無線幀被分成20個(gè)同等大小的子幀，長度為0.5ms。下行數(shù)據(jù)的調(diào)制主要采用QPSK、16QAM和64QAM這3種方式。針對廣播業(yè)務(wù)，采用一種獨(dú)特的分

6、層調(diào)制（hierarchical modulation）方式。分層調(diào)制的思想是，在應(yīng)用層將一個(gè)邏輯業(yè)務(wù)分成兩個(gè)數(shù)據(jù)流，一個(gè)是高優(yōu)先級的基本層，另一個(gè)是低優(yōu)先級的增強(qiáng)層。在物理層，這兩個(gè)數(shù)據(jù)流分別映射到信號星座圖的不同層。由于基本層數(shù)據(jù)映射后的符號距離比增強(qiáng)層的符號距離大，因此，基本層的數(shù)據(jù)流可以被包括遠(yuǎn)離基站和靠近基站的用戶接收，而增強(qiáng)層的數(shù)據(jù)流只能被靠近基站的用戶接收。也就是說，同一個(gè)邏輯業(yè)務(wù)可以在網(wǎng)絡(luò)中根據(jù)信道條件的優(yōu)劣提供不同等級的服務(wù)。MIMO被認(rèn)為是LTE中達(dá)到用戶平均吞吐量和頻譜效率要求的最佳技術(shù)。下行MIMO天線的基本配置是，在基站設(shè)兩個(gè)發(fā)射天線，在UE設(shè)兩個(gè)接收天線，即2

7、15;2的天線配置。更高的下行配置，如4×4的MIMO也可以考慮。開環(huán)發(fā)射分集和開環(huán)MIMO在無反饋的傳輸中可以被應(yīng)用，如下行控制信道和增強(qiáng)的廣播多播業(yè)務(wù)。雖然宏分集技術(shù)在3G時(shí)代扮演了相當(dāng)重要的角色，但在HSDPA/HSUPA中已基本被摒棄。即便是在最初討論過的快速小區(qū)選擇（FCS）的宏分集，在實(shí)際規(guī)范中也沒有定義。LTE沿用了HSDPA/HSUPA思想，即只通過鏈路自適應(yīng)和快速重傳來獲得增益，而放棄了宏分集這種需要網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)支持的技術(shù)。但是對于多小區(qū)的廣播業(yè)務(wù)，需要通過無線鏈路的軟合并獲得高信噪比。在OFDM系統(tǒng)中，軟合并可以通過信號到達(dá)UE天線的時(shí)刻都處于CP窗之內(nèi)的RF合并來實(shí)

8、現(xiàn)，這種合并不需要UE有任何操作。上行傳輸方案采用帶循環(huán)前綴的SC-FDMA，使用DFT獲得頻域信號，然后插入零符號進(jìn)行擴(kuò)頻，擴(kuò)頻信號再通過IFFT。這個(gè)過程簡寫為DFT-SOFDM。這樣做的目的是，上行用戶間能在頻域相互正交，以及在接收機(jī)一側(cè)得到有效的頻域均衡。子載波映射決定了哪一部分頻譜資源被用來傳輸上行數(shù)據(jù)，而其他部分則被插入若干個(gè)零值。頻譜資源的分配有兩種方式：一是局部式傳輸，即DFT的輸出映射到連續(xù)的子載波上；另一個(gè)是分布式傳輸，即DFT的輸出映射到離散的子載波上。相對于前者，分布式傳輸可以獲得額外的頻率分集。上行調(diào)制主要采用/2 位移BPSK、QPSK、8PSK和16QAM。同下行

9、一樣，上行信道編碼還是沿用R6的Turbo編碼。其他方式的前向糾錯(cuò)編碼正在研究之中。上行單用戶MIMO天線的基本配置，也是在UE有兩個(gè)發(fā)射天線，在基站有兩個(gè)接收天線。在上行傳輸中，一種特殊的被稱為虛擬（Virtual） MIMO的技術(shù)在LTE中被采納。通常是2×2的虛擬MIMO，兩個(gè)UE各自有一個(gè)發(fā)射天線，并共享相同的時(shí)頻域資源。這些UE采用相互正交的參考信號圖譜，以簡化基站的處理。從UE的角度看，2×2虛擬MIMO與單天線傳輸?shù)牟煌?，僅僅在于參考信號圖譜的使用必須與其他UE配對。但從基站的角度看，確實(shí)是一個(gè)2×2的MIMO系統(tǒng)，接收機(jī)可以對這兩個(gè)UE發(fā)送的信

10、號進(jìn)行聯(lián)合檢測。3) 物理層在基本的物理層技術(shù)中，E-Node B調(diào)度、鏈路自適應(yīng)和混合ARQ（HARQ）繼承了HSDPA的策略，以適應(yīng)基于數(shù)據(jù)包的快速數(shù)據(jù)傳輸。對于下行的非MBMS業(yè)務(wù)，E-Node B調(diào)度器在特定時(shí)刻給特定UE動(dòng)態(tài)地分配特定的時(shí)頻域資源。下行控制信令通知分配給UE何種資源及其對應(yīng)的傳輸格式。調(diào)度器可以即時(shí)地從多個(gè)可選方案中選擇最好的復(fù)用策略，例如子載波資源的分配和復(fù)用。這種選擇資源塊和確定如何復(fù)用UE的靈活性，可以極大地影響可獲得的調(diào)度性能。調(diào)度和鏈路自適應(yīng)以及 HARQ的關(guān)系非常密切，因?yàn)檫@3者的操作是在一起進(jìn)行的。決定如何分配和復(fù)用方式的依據(jù)包括以下一些：QoS參數(shù)、在

11、E-Node B中準(zhǔn)備調(diào)度的數(shù)據(jù)量、UE報(bào)告的信道質(zhì)量指示（CQI）、UE能力、系統(tǒng)參數(shù)如帶寬和干擾水平，等等。鏈路自適應(yīng)即自適應(yīng)調(diào)制編碼，可以在共享信道上應(yīng)用不同的調(diào)制編碼方式適應(yīng)不同的信道變化，獲得最大的傳輸效率。將編碼和調(diào)制方式變化組合成一個(gè)列表，E-Node B根據(jù)UE的反饋和其他一些參考數(shù)據(jù)，在列表中選擇一個(gè)調(diào)制速率和編碼方式，應(yīng)用于層2的協(xié)議數(shù)據(jù)單元，并映射到調(diào)度分配的資源塊上。上行鏈路自適應(yīng)用于保證每個(gè)UE的最小傳輸性能，如數(shù)據(jù)速率、誤包率和響應(yīng)時(shí)間，而獲得最大化的系統(tǒng)吞吐量。上行鏈路自適應(yīng)可以結(jié)合自適應(yīng)傳輸帶寬、功率控制和自適應(yīng)調(diào)制編碼的應(yīng)用，分別對頻率資源、干擾水平和頻譜效率

12、這3個(gè)性能指標(biāo)做出最佳調(diào)整。為了獲得正確無誤的數(shù)據(jù)傳輸，LTE仍采用前向糾錯(cuò)編碼（FEC）和自動(dòng)重復(fù)請求（ARQ）結(jié)合的差錯(cuò)控制，即混合ARQ（HARQ）。HARQ應(yīng)用增量冗余（IR）的重傳策略，而chase合并（CC）實(shí)際上是IR的一種特例。為了易于實(shí)現(xiàn)和避免浪費(fèi)等待反饋消息的時(shí)間，LTE仍然選擇N進(jìn)程并行的停等協(xié)議（SAW），在接收端通過重排序功能對多個(gè)進(jìn)程接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理。HARQ在重傳時(shí)刻上可以分為同步HARQ和異步HARQ。同步HARQ意味著重傳數(shù)據(jù)必須在UE確知的時(shí)間即刻發(fā)送，這樣就不需要附帶HARQ處理序列號，比如子幀號。而異步HARQ則可以在任何時(shí)刻重傳數(shù)據(jù)塊。從是否改變傳輸

13、特征來分，HARQ又可以分為自適應(yīng)和非自適應(yīng)兩種。目前來看，LTE傾向于采用自適應(yīng)的、異步HARQ方案。與CDMA不同，OFDMA無法通過擴(kuò)頻方式消除小區(qū)間的干擾。為了提高頻譜效率，也不能簡單地采用如GSM中復(fù)用因子為3或7的頻率復(fù)用方式。因此，在LTE中，非常關(guān)注小區(qū)間干擾消減技術(shù)。小區(qū)間干擾消減途徑有3種，即干擾隨機(jī)化、干擾消除和干擾協(xié)調(diào)/避免。另外，在基站采用波束成形天線的解決方案也可以看成是下行小區(qū)間干擾消減的通用方法。干擾隨機(jī)化可以采用如小區(qū)專屬的加擾和小區(qū)專屬的交織，后者即為大家所知的交織多址（IDMA）；此外，還可采用跳頻方式。干擾消除則討論了采取如依靠UE多天線接收的空間抑制和

14、基于檢測/相減的消除方法。而干擾協(xié)調(diào)/避免則普遍采取一種在小區(qū)間以相互協(xié)調(diào)來限制下行資源的分配方法，如通過對相鄰小區(qū)的時(shí)頻域資源和發(fā)射功率分配的限制，獲得在信噪比、小區(qū)邊界數(shù)據(jù)速率和覆蓋方面的性能提升。4. LTE可能帶來的影響從2008年我國正式運(yùn)行TD-SCDMA網(wǎng)，進(jìn)入3G門檻開始，5年后的今天，LTE頻段已劃定，牌照頒發(fā)在即，相對于2G到3G的所花費(fèi)近20年的跨越時(shí)間，網(wǎng)絡(luò)更新速度明顯加快，這有技術(shù)發(fā)展加速的原因，也有企業(yè)競爭的原因，也有經(jīng)濟(jì)因素的原因，但總而言之，LTE來了，但它會給我?guī)硎裁从绊懩?？筆者覺得其積極意義和消極意義并存，按流行的說法叫“機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存”。1) 積極影響在

15、技術(shù)上來說，LTE具有高數(shù)據(jù)速率、分組傳輸、頻率效率提高、延遲降低、廣域覆蓋和向下兼容的優(yōu)勢。 對用戶而言，可能隨著頻率效率的提高和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的簡化而帶來資費(fèi)下降，但考慮到LTE頻率需要運(yùn)營商付費(fèi)使用，資費(fèi)政策還需進(jìn)一步觀察。對運(yùn)營商而言，LTE可能帶來新的業(yè)務(wù)增長點(diǎn)，并可能導(dǎo)致市場的重新劃分。對設(shè)備商而言，網(wǎng)絡(luò)的更新?lián)Q代預(yù)示著企業(yè)利潤增加。2) 可能的擔(dān)憂上述的積極影響應(yīng)該基本都能實(shí)現(xiàn)，這也許是網(wǎng)絡(luò)更新速度越來越快的原因，因?yàn)樗坪跽疹櫟搅烁鱾€(gè)層面的利益。但筆者認(rèn)為仍舊存在著以下的擔(dān)憂。（1）技術(shù)荒漠地域的出現(xiàn)根據(jù)3G網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)和實(shí)際運(yùn)營結(jié)果可以預(yù)見，LTE也不可能實(shí)現(xiàn)2G網(wǎng)絡(luò)那樣全國有人區(qū)域全覆蓋，且服務(wù)等級不隨用戶量少而降低的覆蓋效果，由于工程建設(shè)周期、運(yùn)營維護(hù)成本、投資匯報(bào)率等原因，LTE必然只是對核心區(qū)域和高業(yè)務(wù)量區(qū)域進(jìn)行覆蓋，而放棄人口稀少或業(yè)務(wù)量不大的區(qū)域，隨著技術(shù)的更新和網(wǎng)絡(luò)升級的進(jìn)一步加快，將放棄更多的區(qū)域，不再進(jìn)行覆蓋，而這些可能被放棄的地域?qū)⒊蔀長TE或再下一代移動(dòng)通信的技術(shù)荒漠，無法享受到更高速的移動(dòng)寬帶接入業(yè)務(wù)，這在一定程度上將加劇地域兩極分化，進(jìn)一步拉大城鄉(xiāng)差距。（2）TDD-LTE給中國移動(dòng)帶來的挑戰(zhàn)我們注意到，到了L