3G演进LTE新兴技术全解析

在3GPP中,3G LTE的正式名称是3G Long Term Evolution(LTE),即3GPP长期演进(LTE)项目。

　　3GPP长期演进(LTE)项目是近两年来3GPP启动的最大的新技术研发项目，以OFDM/FDMA为核心的技术，与其说是3G技术的"演进"(evolution)，不如说是"革命"(revolution)。

　　这种技术和3GPP2AIE、WiMAX、以及最新出现的IEEE802.20MBFDD/MBTDD等，具有某些"4G"特征，被看作"准4G"技术。

　　在我国与LTE对应的计划被称为E3G，"863"计划中与B3G对应的Future计划被考虑用于发展E3G，参与LTE的发展工作。

　　3G LTE的由来

　　随着PDA和笔记本电脑的发展普及，用户希望能够随时随地上网，一个新的市场---"宽带无线移动接入"正在兴起。宽带无线接入技术面向一个固定和移动通信融合的新市场，它可提供与宽带有线固定接入并行的宽带无线接入业务，支持移动应用。

　　目前2.5G/3G手机移动数据业务和宽带无线接入业务是两个不同的市场段。宽带无线接入业务采用WiMAX(IEEE802.16d/e)固定/移动宽带无线城域网技术，核心网是标准的IP网，其无线链路的物理层和MAC层的设计考虑了突发型的分组数据业务的要求，能够自适应无线信道环境，速率可达几百kbit/s甚至几十Mbit/s。手机数据业务基本是一个蜂窝移动通信网，下载速率在100kbit/s以下。

　　作为手机数据业务的3G系统在支持IP数据业务时频谱效率低，其面向连接固定带宽的结构不适应突发式IP数据业务的需求。为此，3GPP和3GPP2都认识到目前的系统提供互联网接入业务的局限性，试图在原来的体系框架内，在下行链路中采用分组接入技术，大幅度提高IP数据下载和流媒体速率。3GPP在R5系统中增加了高速下行分组接入(HSDPA)(被称为3.5G)，速率可以达到10Mbit/s以上，随后进一步在R6中增加高速上行分组接入(HSUPA)，将解决上行链路分组化问题，提高上行速率，进一步引入自适应波束成形和MIMO等天线阵处理技术，可将下行峰值速率提高到30Mbit/s左右，核心网也在向全IP网演化。

　　HSDPA和HSUPA被称为3.5G技术，属于中期演化技术，受原体制束缚较大，性能不够理想。3GPP发现在HSDPA和ITU部署的B3G之间存在一个空档，这正是WiMAX的目标。在一段时间内的宽带无线接入市场上，HSDPA、HSUPA对WiMAX的竞争将处于劣势。

　　为了提高3G在新兴的宽带无线接入市场的竞争力，摆脱Qualcom的CDMA专利制约，需要发展LTE(longtermevolution)计划，以填补这一空档。为此，3GPP在2004年底发展了长期演化(LTE)计划，基本思想是采用过去为B3G或4G发展的技术来发展LTE，使用3G频段占有宽带无线接入市场。2004年12月3GPP雅典会议决定由3GPPRAN工作组负责开展LTE研究，将于2006年6月完成，2007年6月推出。

　　LTE概述

　　3GPP经过激烈的讨论和艰苦的融合，终于在2005年12月选定了LTE的基本传输技术，即下行OFDM;上行SC(单载波)-FDMA。

　　下行技术的选择没有经过很大的波澜。OFDM是公认的宽带无线通信的首选技术，虽然有个别公司仍试图坚持传统的CDMA技术，但绝大部分公司很早就在采用OFDM作为下行核心技术这一点上达成了共识。

　　上行传输技术的选择颇费了一番周折，大部分欧美设备商对OFDM的上行峰平比PAPR(将影响手持终端的功放成本和电池寿命)有顾虑，坚持采用单载波技术(具有较低的PAPR)。虽然一些公司(主要是积极参与WiMAX标准化的公司)认为可以采用某些方法解决OFDM的PAPR的问题，但并没有说服单载波阵营。

　　其间还经历了"WiBro/WiMAX试图成为LTETDD技术方案"的插曲，在这一努力宣告失败以后，3GPP基本确定了核心技术的选择---上行OFDM/下行SC-FDMA。

　　LTE讨论中的一个焦点是是否采用宏分集技术。这个问题看似是物理层技术的取舍，实则影响到网络架构的选择，对LTE/SAE系统的发展方向有深远的影响。宏分集的基础是软切换，这种CDMA系统的典型技术在FDMA系统中却引出了"弊大还是利大"的争论。3GPP在2005年12月进行了"示意性"的投票，最后决定LTE(至少在目前)不考虑宏分集技术。

　　LTE在数据传输延迟方面的要求很高(端到端延迟小于5ms)，这一指标要求LTE系统必须采用很小的交织长度(TTI)，因此大多数公司建议采用0.5ms的子帧长度。但是一些研发TDD技术的3GPP成员注意到这种子帧长度和UMTS中现有的两种TDD技术的时隙长度不匹配。例如TD-SCDMA的时隙长度为0.675ms，如果LTETDD系统的子帧长度为0.5ms，则新、老的系统的时隙无法对齐，使得TD-SCDMA系统和LTETDD系统难以"临频同址"共存。在中国公司的坚持下，3GPP在这个问题上达成一致：基本的子帧长度为0.5ms，但在考虑和TD-SCDMA系统兼容时可以采用0.675的子帧长度。

　　尽管LTE的研究工作取得了上述一系列重大的进展，但仍然明显滞后于原工作计划，原本2006年3月前应该完成但未按时完成的工作全部被推迟到6月前完成，致使所有遗留的研究问题都必须在今后三个月内解决。如果6月不能如期完成这些任务，则研究阶段(SI，原定6月结束)将被迫延长，工作阶段(WI，原定6月开始)---也即标准的制定---将被迫延后。与LTE相配合的SAE项目SI的截止日期已经推迟到9月。

LTE的框架

　　OFDM/SC-FDMA的基本设计参数初步确定。

　　OFDM和SC-FDMA(以DFT-S-OFDM为例)的子载波宽度为15kHz，OFDM循环前缀(CP)的长度有长短两种选择，短CP为基本选项，长CP可用于大范围小区或多小区广播。DFT-S-OFDM的一个子帧由长短两种数据块组成，长块主要用于传送数据，短块主要用于传送导频信号。

　　下行主要采用QPSK、16QAM、64QAM三种调制方式，上行主要采用位移BPSK(用于进一步降低DFT-S-OFDM的PAPR)、QPSK、8PSK和16QAM，另一个正在考虑的降PAPR技术是频域滤波。上下行的最小资源块大小为25个子载波，即375kHz。系统可以采用集中式(localized)或分散式(distributed)方式将数据映射到资源块上。

　　在信道编码方面，LTE主要考虑Turbo码，但也正在考虑其他编码方式，如LDPC码。在MIMO方面，LTE的基本MIMO模型是下行2×2、上行1×2个天线，但同时也正在考虑更多的天线配置(最多4×4)。正在被考虑的MIMO技术包括空间复用(SM)、空分多址(SDMA)、预编码(Pre-coding)、秩自适应(Rankadaptation)、以及开环发射分集(STTD，主要用于控制信令的传输)等。上行将采用一种特殊的SDMA技术，即已被WiMAX采用的虚拟(Virtual)MIMO技术。另外，LTE也正在考虑采用小区干扰抑制技术提高小区边缘的数据率和系统容量等。

　　在切换方面，除了LTE系统内的切换，也正在考虑不同频率之间和不同系统(如其他3GPP系统、WLAN系统等)的切换。

　　LTE的工作计划

　　自2004年11月启动LTE项目以来，3GPP以频繁的会议全力推进此项工作。仅半年就完成了需求(Requirement)的制定，计划在2006年中完成StudyItem的研究工作，2007年中完成标准的制定，预计2009年即可商用。

　　从时间上来看，3GPP的LTE工作计划可以分为StudyItem(SI)和WorkItem(WI)两个阶段。

　　第一阶段(SI阶段)：从2005年3月到2006年6月，完成3GPPLTE的可行性研究，形成研究报告。

　　在2006年3月已经完成或正在进行的相关内容有：RAN-CN功能的划分与调整;RAN体系结构的优化;无线接口协议的体系结构;物理层中多种接入方案、宏分集与射频部分的研究;状态与状态转移问题。

　　在2006年3月到6月将完成包括信道结构的研究、演进的MIMO机制、信令的流程与终端移动性问题等方面的研究。并且将在6月份提出WI阶段的工作时间计划。

　　第二阶段(WI阶段)从2006年6月到2007年6月，使用一年左右的时间完成核心的技术规范撰写工作。

　　在2007年年中完成相关标准制定工作后，预计在2008年或2009年将成熟的商用产品推向市场
LTE能带来什么

　　3GLTE着重考虑的方面主要包括降低时延、提高用户的数据率、增大系统容量和覆盖范围以及降低运营成本等。LTE的目标主要包括以下的内容：

　　●支持1.25MHz～20MHz带宽;

　　● 极大提高峰值数据速率(在20MHz带宽下支持下行100Mbps、上行50Mbps的峰值速率);

　　● 在保持现有基站位置的同时提高小区边缘比特速率;

　　● 有效提高频谱效率(3GPP版本6的2～4倍);

　　● 将接入网时延降低到10ms以下;将控制平面时延降低到100ms以内;

　　● 优化15km/h以下低速用户的性能，能为15-120km/h的移动用户提供高性能的服务，可以支持120-350km/h的用户;

　　● 吞吐量、频谱效率和移动性指标在5km半径的小区内将得到充分保证，当小区半径增大到30km时，只对以上指标带来轻微的弱化;

　　● 支持多种载波带宽，以满足配置系统时窄带频谱分配时的灵活性;

　　● 支持与现有的3G系统和非3GPP规范系统的协同工作：增强的MBMS(Multimedia Broadcast Multicast Service);降低CAPEX(资本支出，Capital Expenditure)和OPEX(运营支出，Operation Expenditure)的成本;

　　● 降低空中接口和网络架构的成本;

　　● 实现合理的终端复杂度、成本和耗电;

　　● 支持增强的IP多媒体子系统(IP Multimedia Sub-system，IMS)和核心网;尽可能保证后向兼容，有效地支持多种业务类型，尤其是分组域(PS-Domain)业务(如VoIP等);

　　● 优化系统为低移动速度终端提供服务，同时也应支持高移动速度终端;

　　● 支持增强型的广播多播业务;

　　● 系统应该能工作在对称和非对称频段;尽可能简化处于相邻频带运营商共存的问题。

　　为了实现3GLTE的设计目标，着重在空中接口传输技术和接入网结构上对现有3G系统进行改进。

　　在空中接口方面，一是在下行链路采用能够有效对抗多径衰落、提高频谱效率的OFDM技术;采用自适应链路技术使编码调制参数能够适应无线信道的变化，以提供更高的频谱效率和更可靠的传输性能;通过在发射端和接收端配置多个天线，从而提高系统的容量、改善系统性能;二是在上行链路采用峰均比(PAPR)较低的分布式或集中式单载波频分复用提供多址接入;在帧结构和频谱规划上，尽可能与现有3G标准相兼容，以方便终端在不同制式系统中的切换，减小未来升级带来的投入。

　　在接入网体系结构方面，设计的主要目标是减小时延和复杂度，使得协议能够有效支持新的物理层传输技术，从而提供更高的用户容量、系统吞吐量和端到端的服务质量保证。在3GLTE中，最终将要实现所有业务通过分组域传输，如何保证各种分组业务、特别是实时性要求较高的分组业务的服务质量，将成为一个关键的问题。

　　LTE还将发展新的网络结构。在原来的3G无线接入网之外，建立一个新的全IP化的RAN和与固网融合的纯IP的核心网，以满足宽带无线接入的需求，移动通信系统将不再自成系统，真正实现了固定网和移动网的融合。目前LTE工作组正在紧锣密鼓地从需求开始全面开展工作，由于在3GPP内部意见并没有完全统一，能否达到预定目标还存在一些问题。