LTE演進(jìn)及其標(biāo)準(zhǔn)化

　　 前言

　　隨著移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的大量應(yīng)用以及新業(yè)務(wù)種類的出現(xiàn)，對(duì)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)性能和質(zhì)量方面的要求越來越高。LTE就是面向長(zhǎng)期演進(jìn)的體系和網(wǎng)絡(luò)，它實(shí)際上并不是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，但是它導(dǎo)致了3G標(biāo)準(zhǔn)的全面演進(jìn)。目前3G網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)普遍引入了HSDPA和HSUPA，下一步將面臨HSPA+與LTE演進(jìn)方向選擇的問題，分析LTE的演進(jìn)路線和標(biāo)準(zhǔn)化的過程以及它與HSPA+的異同，無疑有助于更深入地了解目前和未來網(wǎng)絡(luò)的演進(jìn)方向。

        介紹了LTE技術(shù)的演進(jìn)過程和LTE標(biāo)準(zhǔn)的主要性能指標(biāo)。通過LTE技術(shù)與HSPA+技術(shù)的分析比較，闡述了LTE技術(shù)的性能和優(yōu)點(diǎn)。并在此基礎(chǔ)上，展望了LTE-A的4G演進(jìn)方向。

　　1 LTE標(biāo)準(zhǔn)演進(jìn)過程

　　GSM網(wǎng)絡(luò)是最早出現(xiàn)的數(shù)字移動(dòng)通信技術(shù)，它基于FDD和TDMA技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，由于TDMA的局限性，GSM網(wǎng)絡(luò)發(fā)展受到容量和服務(wù)質(zhì)量方面的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，從業(yè)務(wù)支持種類來看，雖然采用GPRS/EDGE引入了數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，但是由于采用的是GSM原有的空中接口，因此其帶寬受到限制，無法滿足數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)多樣性和實(shí)時(shí)性的需求。在技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展方面，針對(duì)GPRS提出了EDGE以及EDGE+的演進(jìn)方向，但是基于CDMA接入方式的3G標(biāo)準(zhǔn)的出現(xiàn)使得EDGE不再進(jìn)入人們的視線。

　　CDMA采用碼分復(fù)用方式，雖然2G時(shí)代的CDMA標(biāo)準(zhǔn)成熟較晚，但是它具有抗干擾能力強(qiáng)、頻譜效率高等技術(shù)優(yōu)勢(shì)，所以3G標(biāo)準(zhǔn)中的WCDMA、TD-SCDMA和CDMA2000都普遍采用了CDMA技術(shù)。

　　演進(jìn)到3G網(wǎng)絡(luò)時(shí)，GSM系統(tǒng)可以采用WCMDA或者TD-SCDMA的路線，而CDMA則使用CDMA2000的途徑。WCDMA和TD-SCDMA早期標(biāo)準(zhǔn)為R99，后來在R4版本中引入IMS，R5版本中引入HSDPA，R6版本中引入HSUPA，R7版本中引入HSPA+，R8版本則面向LTE，CDMA系列的演進(jìn)經(jīng)由CDMA2000到CDMA1x再到UWB的方向發(fā)展，演進(jìn)路徑如圖1所示。

　　各版本中都通過使用新技術(shù)來提升網(wǎng)絡(luò)性能和服務(wù)質(zhì)量，采用吞吐量進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表1所示。

　　LTE是面向未來的移動(dòng)通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，早在2004年底，3GPP就啟動(dòng)了LTE技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化工作，并在2009年3月發(fā)布了R8版本的FDD-LTE和TDD-LTE標(biāo)準(zhǔn)，這標(biāo)志著LTE標(biāo)準(zhǔn)草案研究完成，LTE進(jìn)入實(shí)質(zhì)研發(fā)階段。R9版本中進(jìn)一步提出了LTE-advanced(LTE-A)的概念，LTE-A于2010 年6月通過ITU的評(píng)估，于2010年10月正式成為IMT-A的主要技術(shù)之一，它是在R8版本基礎(chǔ)上的演進(jìn)和增強(qiáng)。R10版本對(duì)其加以完善，是LTE-A的關(guān)鍵版本。

　　LTE采用正交頻分復(fù)用(OFDM)、多進(jìn)多出天線(MIMO)等物理層關(guān)鍵技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的調(diào)整獲得性能提升。LTE-A則引入了一些新的候選技術(shù)，如載波聚合技術(shù)、增強(qiáng)型多天線技術(shù)、無線網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)和無線網(wǎng)絡(luò)MIMO增強(qiáng)技術(shù)等，使性能指標(biāo)獲得更大改善。

　　2 LTE基本性能要求

　　在LTE系統(tǒng)設(shè)計(jì)之初，其目標(biāo)和需求就非常明確。作為后3G時(shí)代革命性的技術(shù)，LTE把降低時(shí)延、提高用戶傳輸數(shù)據(jù)速率、提高系統(tǒng)容量和覆蓋范圍作為主要目標(biāo)。具體性能要求如下：

　　a)支持1.4、3、5、10、15和20MHz帶寬，靈活使用已有或新增頻段;并以盡可能相似的技術(shù)支持“成對(duì)”頻段和非“成對(duì)”頻段，便于系統(tǒng)靈活部署。

　　b)20MHz帶寬條件下，峰值速率達(dá)到上行50Mbit/s(2&TImes;1天線)，下行100Mbit/s(2&TImes;2天線)。

　　c)在有負(fù)荷的網(wǎng)絡(luò)中，下行頻譜效率達(dá)到3GPP R6 HSDPA的2~4倍，上行頻譜效率達(dá)到R6 HSUPA的2~3倍。

　　d)在單用戶、單業(yè)務(wù)流以及小IP包條件下，用戶面單向延遲小于5ms。

　　e)從空閑狀態(tài)到激活狀態(tài)的轉(zhuǎn)換時(shí)間小于100ms，從休眠狀態(tài)到激活狀態(tài)的轉(zhuǎn)換時(shí)間小于50ms。

　　f)支持低速移動(dòng)和高速移動(dòng)。低速(0~15km/h)下性能較好，高速(15~120km/h)下性能最優(yōu)，較高速(350~500km/h)下的用戶能夠保持連接性。

　　除了性能指標(biāo)要求之外，在操作性、互聯(lián)互通性以及業(yè)務(wù)支持等方面，LTE技術(shù)都提出了具體要求，比如支持與現(xiàn)有3GPP和非3GPP系統(tǒng)的互操作;支持增強(qiáng)型的廣播和多播業(yè)務(wù);降低建網(wǎng)成本;支持增強(qiáng)的IMS和核心網(wǎng);取消電路域，所有業(yè)務(wù)都在分組域?qū)崿F(xiàn)，如采用VoIP，支持簡(jiǎn)單的鄰頻共存;為不同類型服務(wù)提供QoS 機(jī)制，保證實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量;允許給UE分配非連續(xù)的頻譜;優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)移動(dòng)性等。因此，與其他無線技術(shù)相比，LTE具有更高的傳輸性能，且同時(shí)適合高速和低速移動(dòng)應(yīng)用場(chǎng)景。

　　3 LTE與HSPA+的性能比較

　　HSPA+作為HSPA技術(shù)的直接演進(jìn)，在R7版本中引入，與LTE共同經(jīng)歷了R8、R9版本的發(fā)展。HSPA+的出發(fā)點(diǎn)在于對(duì)投資成本及平滑演進(jìn)的考慮，因此具有一定的局限性，這種演進(jìn)只能算是一種技術(shù)“改良”。與之相比，LTE作為著眼于4G的主流演進(jìn)技術(shù)，可以稱得上是一種技術(shù)“革命”。 LTE與HSPA+的性能差異體現(xiàn)在吞吐量、時(shí)延、頻譜效率等方面。

　　3.1 吞吐量

　　吞吐量是指單位時(shí)間內(nèi)成功地傳送數(shù)據(jù)的數(shù)量，是衡量無線通信系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)。影響吞吐量的因素包括帶寬、調(diào)制方式、信號(hào)質(zhì)量、信道衰落、噪聲干擾、調(diào)度機(jī)制等。

　　考慮到向后兼容和升級(jí)成本，HSPA+的載波帶寬沿用了WCDMA以來的5MHz。采用2&TImes;2 MIMO配置和16QAM調(diào)制方式時(shí)，HSPA+峰值速率為28Mbit/s，采用2&TImes;2 MIMO配置和64QAM調(diào)制方式時(shí)，峰值速率為42Mbit/s。而LTE系統(tǒng)可以支持20MHz的帶寬，LTE-A可以支持100MHz的帶寬。更大的帶寬使LTE系統(tǒng)擁有比HSPA+更大的傳輸容量。

　　LTE系統(tǒng)下行支持SU-MIMO、MU-MIMO和基于參考信號(hào)的波束賦型等多種多天線陣列技術(shù)，支持8種不同的MIMO和波束成型模式，并且可以同時(shí)支持多個(gè)數(shù)據(jù)流的傳送。LTE中每個(gè)用戶下行可支持2個(gè)流，而LTE-A中下行可支持8個(gè)流，還可以采用4×4、8×8等類型的收發(fā)方式，而目前所定義的HSPA系統(tǒng)只支持發(fā)射分集和2×2 MIMO。MIMO技術(shù)應(yīng)用的豐富性和多樣性使LTE的吞吐量更優(yōu)。

　　LTE使用自然均衡器，如果RMS時(shí)延擴(kuò)展小于CP長(zhǎng)度，就不會(huì)產(chǎn)生系統(tǒng)間干擾。而HSPA+使用Rake接收機(jī)，不能完全消除系統(tǒng)間干擾，因此多徑環(huán)境下性能會(huì)下降。LTE系統(tǒng)中，下行采用MLD+SIC接收機(jī)，上行采用SIC接收機(jī)，這些先進(jìn)的接收機(jī)技術(shù)能夠進(jìn)一步降低干擾。

　　另外，HSPA+不采用頻率選擇性調(diào)度，只在時(shí)域使用機(jī)會(huì)性調(diào)度。而LTE得益于頻率選擇性調(diào)度機(jī)制，在時(shí)域和頻域都可以進(jìn)行機(jī)會(huì)性調(diào)度，其容量增益約為10%~15%。對(duì)于PS域的典型語(yǔ)音應(yīng)用——VoIP來說，HSPA+中不再使用HS-SCCH，下行的容量得到改善，但上行仍然是限制因素。而LTE則采用半持續(xù)性調(diào)度和TTI綁定技術(shù)來降低控制信道開銷，極大地改善了VoIP容量。

　　LTE和HSPA+的理論最大傳輸速率如圖2所示。從圖2中可以直觀地看出，當(dāng)采用最大帶寬配置時(shí)，LTE的傳輸性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過HSPA+，其吞吐量約為后者的8倍。