LTE演進及其標準化

　　前言

　　隨著移動數據業務的大量應用以及新業務種類的出現，對移動通信網絡性能和質量方面的要求越來越高。LTE就是面向長期演進的體系和網絡，它實際上并不是一個標準，但是它導致了3G標準的全面演進。目前3G網絡已經普遍引入了HSDPA和HSUPA，下一步將面臨HSPA+與LTE演進方向選擇的問題，分析LTE的演進路線和標準化的過程以及它與HSPA+的異同，無疑有助于更深入地了解目前和未來網絡的演進方向。

??????? 介紹了LTE技術的演進過程和LTE標準的主要性能指標。通過LTE技術與HSPA+技術的分析比較，闡述了LTE技術的性能和優點。并在此基礎上，展望了LTE-A的4G演進方向。

　　1 LTE標準演進過程

　　GSM網絡是最早出現的數字移動通信技術，它基于FDD和TDMA技術來實現，由于TDMA的局限性，GSM網絡發展受到容量和服務質量方面的嚴峻挑戰，從業務支持種類來看，雖然采用GPRS/EDGE引入了數據業務，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，無法滿足數據業務多樣性和實時性的需求。在技術標準發展方面，針對GPRS提出了EDGE以及EDGE+的演進方向，但是基于CDMA接入方式的3G標準的出現使得EDGE不再進入人們的視線。

　　CDMA采用碼分復用方式，雖然2G時代的CDMA標準成熟較晚，但是它具有抗干擾能力強、頻譜效率高等技術優勢，所以3G標準中的WCDMA、TD-SCDMA和CDMA2000都普遍采用了CDMA技術。

　　演進到3G網絡時，GSM系統可以采用WCMDA或者TD-SCDMA的路線，而CDMA則使用CDMA2000的途徑。WCDMA和TD-SCDMA早期標準為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系列的演進經由CDMA2000到CDMA1x再到UWB的方向發展，演進路徑如圖1所示。

　　各版本中都通過使用新技術來提升網絡性能和服務質量，采用吞吐量進行對比，結果如表1所示。

　　LTE是面向未來的移動通信技術標準，早在2004年底，3GPP就啟動了LTE技術的標準化工作，并在2009年3月發布了R8版本的FDD-LTE和TDD-LTE標準，這標志著LTE標準草案研究完成，LTE進入實質研發階段。R9版本中進一步提出了LTE-advanced(LTE-A)的概念，LTE-A于2010 年6月通過ITU的評估，于2010年10月正式成為IMT-A的主要技術之一，它是在R8版本基礎上的演進和增強。R10版本對其加以完善，是LTE-A的關鍵版本。

　　LTE采用正交頻分復用(OFDM)、多進多出天線(MIMO)等物理層關鍵技術以及網絡結構的調整獲得性能提升。LTE-A則引入了一些新的候選技術，如載波聚合技術、增強型多天線技術、無線網絡編碼技術和無線網絡MIMO增強技術等，使性能指標獲得更大改善。

　　2 LTE基本性能要求

　　在LTE系統設計之初，其目標和需求就非常明確。作為后3G時代革命性的技術，LTE把降低時延、提高用戶傳輸數據速率、提高系統容量和覆蓋范圍作為主要目標。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支持“成對”頻段和非“成對”頻段，便于系統靈活部署。

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

　　c)在有負荷的網絡中，下行頻譜效率達到3GPP R6 HSDPA的2~4倍，上行頻譜效率達到R6 HSUPA的2~3倍。

　　d)在單用戶、單業務流以及小IP包條件下，用戶面單向延遲小于5ms。

　　e)從空閑狀態到激活狀態的轉換時間小于100ms，從休眠狀態到激活狀態的轉換時間小于50ms。

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

　　除了性能指標要求之外，在操作性、互聯互通性以及業務支持等方面，LTE技術都提出了具體要求，比如支持與現有3GPP和非3GPP系統的互操作;支持增強型的廣播和多播業務;降低建網成本;支持增強的IMS和核心網;取消電路域，所有業務都在分組域實現，如采用VoIP，支持簡單的鄰頻共存;為不同類型服務提供QoS 機制，保證實時業務的服務質量;允許給UE分配非連續的頻譜;優化網絡結構，增強移動性等。因此，與其他無線技術相比，LTE具有更高的傳輸性能，且同時適合高速和低速移動應用場景。

　　3 LTE與HSPA+的性能比較

　　HSPA+作為HSPA技術的直接演進，在R7版本中引入，與LTE共同經歷了R8、R9版本的發展。HSPA+的出發點在于對投資成本及平滑演進的考慮，因此具有一定的局限性，這種演進只能算是一種技術“改良”。與之相比，LTE作為著眼于4G的主流演進技術，可以稱得上是一種技術“革命”。 LTE與HSPA+的性能差異體現在吞吐量、時延、頻譜效率等方面。

　　3.1 吞吐量

　　吞吐量是指單位時間內成功地傳送數據的數量，是衡量無線通信系統性能的重要指標。影響吞吐量的因素包括帶寬、調制方式、信號質量、信道衰落、噪聲干擾、調度機制等。

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

　　LTE系統下行支持SU-MIMO、MU-MIMO和基于參考信號的波束賦型等多種多天線陣列技術，支持8種不同的MIMO和波束成型模式，并且可以同時支持多個數據流的傳送。LTE中每個用戶下行可支持2個流，而LTE-A中下行可支持8個流，還可以采用4×4、8×8等類型的收發方式，而目前所定義的HSPA系統只支持發射分集和2×2 MIMO。MIMO技術應用的豐富性和多樣性使LTE的吞吐量更優。

　　LTE使用自然均衡器，如果RMS時延擴展小于CP長度，就不會產生系統間干擾。而HSPA+使用Rake接收機，不能完全消除系統間干擾，因此多徑環境下性能會下降。LTE系統中，下行采用MLD+SIC接收機，上行采用SIC接收機，這些先進的接收機技術能夠進一步降低干擾。

　　另外，HSPA+不采用頻率選擇性調度，只在時域使用機會性調度。而LTE得益于頻率選擇性調度機制，在時域和頻域都可以進行機會性調度，其容量增益約為10%~15%。對于PS域的典型語音應用——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則采用半持續性調度和TTI綁定技術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，當采用最大帶寬配置時，LTE的傳輸性能遠遠超過HSPA+，其吞吐量約為后者的8倍。