4G LTE-Advanced技术解析

1 引言

LTE-Advanced指的是LTE在Release 10以及之后的技术版本。2004年底，在3GPP中开始进行LTE的标准化工作，与3G以CDMA技术为基础不同，根据无线通信向宽带化方向发展的趋势，LTE采用了OFDM技术为基础，结合多天线和快速分组调度等设计理念，形成了新的面向下一代移动通信系统的空中接口技术，又称为3G演进型系统（LTE，Long Term Evolation）。2008年初，完成了LTE第一个版本的系统技术规范，即Release 8。在此之后，3GPP中继续进行技术的完善与增强，刚刚完成了第二个技术版本（Release 9），目前正处于Release 10版本的研究过程中。

在3GPP中进行LTE技术研究的同时，国际电信联盟（ITU）一直在开展关于下一代移动通信系统的市场需求和频率规划等方面的调研工作，为制定4G技术的国际标准建议做准备。2008年3月，ITU开始了候选技术的征集和标准化进程，称为IMT-Advanced。响应ITU关于4G IMT-Advanced技术的征集，3GPP中将正在研究的LTE Release 10以及之后的技术版本称为LTE-Advanced，并且向ITU进行了候选技术的提交。

LTE支持FDD和TDD两种双工方式，在LTE Release 8版本中，采用20MHz的通信带宽，空中接口的下行峰值速率超过300Mbit/s上行方向的峰值速率也超过了80Mbit/s。而LTE Release 10版本（LTE-Advanced）将支持100MHz的通信带宽，空中接口的峰值速率超过1Gbit/s。值得一提的是，作为TD-SCDMA技术的后续演进，LTE的TDD模式又称为TD-LTE/TD-LTE-Advanced。出于对TD-SCDMA技术演进路线的关注，中国的成员单位在3GPP中深度参与了相关的系统设计过程，2009年10月，中国政府正式向ITU提交了TD-LTE-Advanced建议作为4G国际标准候选技术。

2 技术特点

2.1 多址方式与资源分配

LTE采用OFDM技术为基础，根据上行和下行链路各自的特点，分别采用单载波DFT-SOFDM和OFDMA作为两个方向上多址方式的具体实现。OFDM技术以子载波为单位进行频率资源的分配，LTE系统采用15kHz的子载波带宽，按照不同的子载波数目，可以支持1.4，3，5，10，15和20MHz各种不同的系统带宽。Release 10版本中将要引入的载波聚合技术，可以通过聚合5个20MHz的单元载波实现100MHz的全系统带宽（见图1）。

图1 载波聚合

2.2 快速的分组调度

无线衰落信道在时间上和频率上是变化的，在LTE中采用1ms时间长度的TTI（传输时间间隔）结合12个子载波（180KHz）频率宽度，形成PRB（物理资源块）。根据信道的变化情况，系统进行快速的调度，给用户分配最优的物理资源。在所选择的物理资源上，进一步利用AMC（自适应编码调制）技术，形成资源的最佳利用。这样的自适应调度，从整个系统的角度实现资源优化的分配和利用，提高全系统性能。同时，灵活的调度也可以根据业务特点为单个用户提供合理的QoS保证，相关的机制已经成为所有新一代移动通信系统设计中的一项基本技术。

2.3 多天线技术

多天线（MIMO）技术是LTE系统提高吞吐量的一项关键技术，根据天线部署形态和实际应用情况可以采用发射分集、空间复用和波束赋形3种不同的MIMO实现方案。例如，对于大间距非相关天线阵列可以采用空间复用方案同时传输多个数据流，实现很高的数据速率；对于小间距相关天线阵列，可以采用波束赋形技术，将天线波束指向用户，减少用户间干扰。对于控制信道等需要更好的保证接收正确性的场景，发射分集是一种合理的选择。

LTE Release 8版本支持下行最多4天线的发送，最大可以空间复用4个数据流的并行传输，在20MHz带宽的情况下，可以实现超过300Mbit/s的峰值速率。在Release 10中，下行支持的天线数目将扩展到8个。相应地，最大可以空间复用8个数据流的并行传输，峰值频谱效率提高一倍，达到30bit/s/Hz。同时，在上行也将引入MIMO的功能，支持最多4天线的发送，最大可以空间复用4个数据流，达到16bit/s/Hz的上行峰值频谱效率（见图2）。

图2 MIMO技术增强

2.4 中继技术

中继（Relay）技术是LTE将在Release 10版本中开始引入的另一项重要功能（见图3）。传统基站需要在站点上提供有线链路的连接以进行"回程传输"，而中继站通过无线链路进行网络端的回程传输，因此可以更方便地进行部署。根据使用场景的不同，LTE中的中继站可以用于对基站信号进行接力传输，从而扩展网络的覆盖范围；或者用于减小信号的传播距离，提高信号质量，从而提高热点地区的数据吞吐量。

图3 中继技术

2.5 性能评估情况

在作为4G候选提案的准备过程中，按照ITU规定的评估场景对LTE/LTE-Advanced的系统性能进行了全面的评估，包括频谱效率，VoIP容量，业务/切换时延等各