论LTE的技术特点及发展前景

论LTE的技术特点及发展前景

　　0 LTE 产生的时代背景
　　
　　2004 年底，在WiMAX 技术迅猛崛起的同时， 3GPP（3rd Generation Partnership Project，第3 代合作伙伴计划）启动了UMTS 技术的长期演进LTE[1]（Long Term Evolution，长期演进）项目。在全球范围内，3G 移动通信技术是当前无线通信技术的主流，在诸多3G 技术标准中，以3GPP 制定的UMTS[2]（Universal Mobile Telecommunications System，通用移动通信系统）技术标准最具有影响力。3G 系统正在全世界范围逐步部署开来，增强型UMTS技术——高速下行分组接入(HSDPA)和高速上行分组接入(HSUPA)技术[3]的标准化工作也基本完成。就在3GPP 着手为2012 年开始的IMT-Advanced 技术 (俗称4G 或B3G 技术)的标准化做准备的时候，基于OFDM 技术[4]的WiMAX[5]（World interoperability for MicrowaveAccess，全球微波接入互操作）标准的横空出世，这给宽带移动通信技术带来了挑战。
　　相对于其他无线标准，为了让 3GPP 标准能够长期保持在移动通信领域占据的优势地位，能够和支持20MHz 带宽的WiMAX 技术相抗衡，3GPP 的移动通信厂商不得不快速跟进，投入UMTS 技术的演进版本——LTE 的标准化工作。3GPP 长期演进技术（3GPP LongTerm Evolution, LTE）为第三代合作伙伴计划（3GPP）标准，使用OFDM（正交频分复用）的射频接收技术，以及2×2 和4×4 MIMO[6]的分集天线技术规格，同时支FDD（频分双工）和TDD（时分双工）。
　　
　　1 LTE 技术特点
　　
　　3GPP 从系统性能要求、网络的部署场景、网络架构、业务支持能力等方面对LTE 进行了详细的描述。与3G 相比，LTE 具有如下关键技术特征：
　　(1)通信速率有了提高，下行峰值速率为100Mbps、上行为50Mbps。
　　(2)提高了频谱效率，下行链路5(bit/s)/Hz，(3-4 倍于R6HSDPA);上行链路2.5(bit/s)/Hz，是R6HSU-PA2-3 倍[7]。
　　(3)简单的网络架构和软件架构，以信道共用为基础，以分组域业务为主要目标，系统在整体架构上将基于分组交换。
　　(4)QoS 保证，通过系统设计和严格的QoS 机制，保证实时业务(如VoIP)的服务质量。
　　(5)系统部署灵活，能够支持1.4～20MHz 间的多种系统带宽，不必要分组残片过滤技术可支持“paired”和“unpaired” [8]的频谱分配。保证了将来在系统部署上的灵活性。
　　(6)非常低的线网络时延：子帧长度0.5ms 和0.675ms，解决了向下兼容的问题并降低了网络时延，时延可达U-plan<5ms，C-plan<100ms。
　　(7)增加了小区边界比特速率，在保持目前基站位置不变的情况下增加小区边界比特速率，OFDM 支持的单频率网络技术可提供高效率的多播服务。如MBMS(多媒体广播和组播业务)在小区边界可提供1bit/s/Hz 的数据速率。
　　(8)强调向下兼容，支持已有的3G 系统和非3GPP 规范系统的协同运作，支持自组网（Self-organising Network）操作。
　　与 3G 相比，LTE 更具技术优势，具体体现在：高数据速率、分组传送、延迟降低、广域覆盖和向下兼容。
　　
　　2 LTE 系统的核心技术简析
　　
　　2.1 LTE 系统架构
　　LTE 技术中的传统语音通信只是网络给终端用户提供的服务之一，其关键的设计目标是实现网络完全基于分组交换。在LTE 网络中，不再采用2G 和3G 网络中的双核心网结构，即语音核心网(MSC/VLR)和分组核心网(SGSN/GGSN)，而是让分组核心网成为管理UE 移动性和处理信令的唯一核心网，实现各种业务通过IP 多媒体系统[9] (IMS) 提供给终端用户。
　　LTE 网络节点主要包括增强型Node B(简称eNode B[10])和接入网关(MME/SAE GW)。LTE 中的eNode B 除了具有原Node B 的功能之外，还承担了原来RNC 的大部分功能。eNodeB 的功能包括：无线资源管理、IP 头压缩和用户数据流加密、选择UE 附着的MME、选择用户面数据向S-GW 的路由、调度和发送从MME 发起的信息，还有移动性和调度的测量与上报配置。如所示，E-UTRAN[11]由eNode B 构成， eNode B 之间由X2 接口互联，每个eNode B 又和演进型分组核心网（EPC）通过S1 接口相连。
　　与 2G 和3G 的无线网络相比，LTE 网元省略RNC 节点，只是由若干eNode B 组成，这样就省略了对接入点进行汇集，减少了网元数目，使网络更加扁平化，部署简单，容易维护。取消RNC 的集中控制，有利于避免单点故障，从而提高网络稳定性。LTE 网络中的eNodeB 直接链接MME 和服务SAE GW，有助于降低系统的整体时延，便于开展更多的业务。
　　
　　2.2 空中接口技术
　　空中接口是指终端和接入网之间的接口，一般称为Uu 接口[12]。空中接口协议主要是用来建立、重配置和释放各种无线承载业务。空中接口是一个完全开放的接口，只要遵守接口规范，不同的制造商上产的设备就能够互相通信，完全开放的接口有利于不同厂家设备的兼容。
　　LTE 空中接口的用户平面和控制平面功能由eNode B 统一进行管理和控制，包括完成基站之间的切换等。由于减少了一层节点，用户平面的数据传送和控制平面的无线资源控制变得更加方便、灵活。
　　LTE 空中接口协议与UTRAN（Universal Terrestrial Radio Access Network，通用地面无线接入网）相比，放弃专用传输信道，改用上下链路使用共享信道，可以是共享空中接口的无线资源；另外，MAC 子层的实体类型和RRC 层处理都相对于UTRAN[13]得到了简化。
　　
　　3 LTE 和宽带无线接入技术的对比
　　
　　就目前的通信技术的发展形式来看，宽带无线接入技术和蜂窝移动通信技术已经呈现出相互融合的趋势。基于IEEE802.16e 的移动性WiMAX 技术和以LTE 为代表的E3G[14]技术，无论在性能指标还是核心技术方面，都具有相当大的相似性。
　　下面以 IEEE802.16e 和3GPP LTE 分别作为宽带无线接入和宽带移动通信技术的代表技术，将其二者的性能指标归纳在中。
　　在移动性能方面，LTE 强调了在15km/h 以下低速场景优化系统，并要求在120km/h 一下只发生轻微的性能下降，同时也支持250km/h 的高速移动[15]，另外LTE 还要求在500km/h的告诉移动下保持连接。WiMAX 技术原本只用于120km/h 以下的中低车速移动，现在也迈向支持120km/h 以上移动速度。总的说来，宽带移动通信和宽带无线接入技术对移动性的要求已趋向一致。
　　网络架构方面，宽带移动通信和宽带无线接入技术的核心网正在相互渗透，E3G 将基于全IP 的网络架构，而WiMAX 网络将支持IMS 网络架构，两者的RAN 结构都趋于扁平化和分散化[15]。WiMAX 和LTE 也都在考虑多种无线通信系统（如2.5G、3G、WiMAX、WLAN）之间的互操作和切换。
　　为满足上述的系统需求，IEEE802.16e 和LTE 标准分别选择适当的关键技术，如所示。
　　LTE 在上行采用了SC-FDMA[17]以降低信号峰平比（PAPR），但其只要的实现方式为离散傅立叶变换扩展OFDM 技术。LTE 出于对高移动性的考虑，采用了最大的子载波间隔15kHz。LTE 采用的是OFDM技术，WCDMA 中采用的是直接序列扩频的CDMA技术。OFDM技术的频谱效率明显优于CDMA。
　　在小区干扰抑制方面，LTE 考虑了干扰协调技术，在上行支持基于干扰指示和过载只是的动态协调，在下行至支持半静态协调，另外还采用加扰的方式进行干扰随机化。相对而言，IEEE802.16e 对小区间干扰问题的重视程度较低，只采用跳频技术[18]对干扰进行随机化。
　　
　　4 总结
　　
　　综上所述，LTE 技术改进并增强了3G 的空中接入技术，采用OFDM 和MIMO[21]作为其无线网络演进的唯一标准。在20MHz 频谱带宽下能够提供下行326Mbit/s 与上行86Mbit/s的峰值速率[22]。改善了小区边缘用户的性能，提高小区容量和降低系统延迟。相对于目前3G 网络的容量和速度，LTE 是它的100 余倍，且延迟性更低，并具有从1.25～20MHz 不等的灵活频谱[23]。LTE 与WiMAX，以及3GPP2 的超行动宽带[24]（Ultra Mobile Broadband，UMB）技术常一起被称为4G，过去的3G 技术是指同一无线网络提供语音和数据通讯，但到了4G 时代则变成为全数据网络，LTE 估计最高下载速率100Mbps 与上传50Mbps[25]以上，比WiMax 更快。
　　LTE 的基站测试工作正在各城市测试点部署开来，接下来LTE 将进入一个不断成长、成熟的阶段。韩国电子通讯研究院（ETRI）成功以时速120 公里的移动速度、在基地台和终端设备样品之间进行LTE 资料传输。诺基亚（Nokia）也已完成使用2.6GHz 频段传输速率可达173Mbps 的LTE 技术现场测试，等等，其他国际大型通信公司或研究机构也已经启动了相应的设计和实现技术方案，并对LTE 系统实现解决方案和关键技术进行了大量的测试和验证。在国际移动通信巨头机构的长期技术投入和主导下，未来的移动通信将无疑朝着LTE 和LTE-Advanced[26]的方向迅速发展。

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