HSPA+及LTE技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀研究

王志勤 徐 菲

編者按：

隨著3G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)全面鋪開及覆蓋越來越完善，3G數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)將會(huì)呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)的趨勢(shì)。因此，無線運(yùn)營(yíng)商需要順應(yīng)用戶需求，提高數(shù)據(jù)下載和上傳速率并降低單位比特成本。向HSPA+、CDMA 1x EV-DO和LTE長(zhǎng)期演進(jìn)，正好可以滿足這種需求。目前在我國(guó)，雖然3G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)仍處于初期，但是為適應(yīng)用戶的業(yè)務(wù)增長(zhǎng)需求，運(yùn)營(yíng)商和設(shè)備廠商對(duì)3G無線網(wǎng)絡(luò)的演進(jìn)技術(shù)已經(jīng)投入了大量的研究，產(chǎn)業(yè)化方面也取得了一定的進(jìn)展。為此，《移動(dòng)通信》特別推出“3G無線網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)”專題，全面介紹3G無線網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)的最新進(jìn)展，展示3G無線網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)的產(chǎn)業(yè)化研發(fā)現(xiàn)狀和成果，交流與探討3G無線網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)中可能遇到的困難和挑戰(zhàn)及應(yīng)對(duì)策略和方法。

[摘要]文章旨在闡述全球?qū)拵o線移動(dòng)通信HSPA及LTE產(chǎn)業(yè)發(fā)展?fàn)顩r，針對(duì)寬帶無線技術(shù)發(fā)展，重點(diǎn)就HSPA+、LTE及其LTE-Advanced關(guān)鍵技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)化現(xiàn)狀進(jìn)行了介紹。

[關(guān)鍵詞]HSPA LTE新一代寬帶無線技術(shù)

3G在全球已經(jīng)呈現(xiàn)普及之勢(shì)，特別是3G增強(qiáng)型技術(shù)的引入，提升了移動(dòng)用戶的體驗(yàn)，從而引發(fā)了3G數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)井噴式發(fā)展。隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的發(fā)展，寬帶無線移動(dòng)網(wǎng)也需要不斷提供高性價(jià)比的無線技術(shù)，為此，3G不斷向增強(qiáng)型HSPA+及LTE演進(jìn)，成為了新一代寬帶無線移動(dòng)技術(shù)與產(chǎn)

1HSPA及LTE的市場(chǎng)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展

根據(jù)GSA的統(tǒng)計(jì)，截至2009年7月，全球移動(dòng)用戶總量達(dá)43.9億，其中GSM、HSPA用戶為38.6億，占移動(dòng)通信市場(chǎng)份額的88％。整體陣營(yíng)市場(chǎng)份額仍在不斷上升。雖然2G用戶仍占主導(dǎo)地位，但由于75％的網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)升級(jí)到3G技術(shù)，全球3G用戶呈現(xiàn)普及之勢(shì)。3G用戶市場(chǎng)份額已突破12％，3G用戶超過5.3億。截至2009年7月。WCDMA商用網(wǎng)絡(luò)累計(jì)達(dá)到297張，HSDPA商用網(wǎng)絡(luò)總計(jì)達(dá)到275張，HSUPA商用網(wǎng)絡(luò)累計(jì)85張。HSPA+商用網(wǎng)絡(luò)達(dá)到25張。92.6％的WCDMA網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)升級(jí)到HSDPA。HSUPA網(wǎng)絡(luò)數(shù)量也在快速成長(zhǎng)，HSPA終端增長(zhǎng)迅速，成為新增市場(chǎng)中的主流。截至2009年6月，HSPA終端累計(jì)達(dá)1651款，HSUPA終端累計(jì)達(dá)242款。

隨著CDMA陣營(yíng)的UMB技術(shù)最終退出角逐，多年平行發(fā)展的兩大技術(shù)體系終于統(tǒng)一到LTE下。在中國(guó)主導(dǎo)下，2007年11月，LTE TDD融合為TD-LTE。至此，LTE成為寬帶移動(dòng)技術(shù)與產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向。由于經(jīng)濟(jì)危機(jī)等影響，全球大部分運(yùn)營(yíng)企業(yè)還是推遲了LTE的發(fā)展進(jìn)程。但部分運(yùn)營(yíng)企業(yè)由于面臨激烈的國(guó)內(nèi)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)壓力，開始快速部署LTE。2010年，日本NTT DoCoMo和美國(guó)Verizon都將開始LTE的商業(yè)部署。很多國(guó)家的政府也提前就寬帶無線的頻譜進(jìn)行規(guī)劃和拍賣。目前LTE的頻譜大部分在2.5GHz、2.3GHz及700MHz，并逐步向2G、3G已有頻譜延伸。在LTE產(chǎn)業(yè)發(fā)展過程中，采用多模多頻段的終端成為產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必然，這在一定程度上也增加了產(chǎn)品的復(fù)雜度。另外，如何從現(xiàn)有的2G、3G網(wǎng)絡(luò)向LTE發(fā)展演進(jìn)也是運(yùn)營(yíng)商需要深入研究的問題。

我國(guó)積極推進(jìn)TD-LTE研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化工作。到2009年8月完成了6個(gè)TD-LTE系統(tǒng)廠家的概念驗(yàn)證(PoC)，并于2009年7月2日在北京召開TD-LTE研究開發(fā)技術(shù)試驗(yàn)啟動(dòng)會(huì)，技術(shù)試驗(yàn)整體計(jì)劃是從2009年8月到201 O年8月。目前參與TD-LTE技術(shù)試驗(yàn)的系統(tǒng)設(shè)備廠家共10家，終端芯片9個(gè)廠家?，F(xiàn)階段已經(jīng)開始TD-LTE系統(tǒng)設(shè)備基本集的室內(nèi)測(cè)試工作。

2HSPA+的技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展

為了保護(hù)運(yùn)營(yíng)商在WCDMA上的投資，3GPP啟動(dòng)了對(duì)HSPA演進(jìn)技術(shù)的研究和標(biāo)準(zhǔn)制定工作。從無線技術(shù)發(fā)展階段來說，WCDMA的技術(shù)路線經(jīng)歷了R99、HSPA(HSDPA、HSUPA)、HSPA+，并在LTE之后進(jìn)入到新一代寬帶移動(dòng)通信。

WCDMA R99版本中，用戶的峰值速率上下行可以達(dá)到384kbps，HSPA的HSDPA將下行數(shù)據(jù)速率提高到14.4Mbps，HSUPA將最高上行數(shù)據(jù)速率提高到5.78Mbps。HSPA+是在HSPA之后，為了進(jìn)一步提高網(wǎng)絡(luò)性能，針對(duì)分組域推出的一項(xiàng)技術(shù)，是在不改變現(xiàn)有HSPA網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)前提下，通過采用MIMO、引入高階調(diào)制、增強(qiáng)Cell_FACH、CPC等主要無線增強(qiáng)技術(shù)，一方面提高小區(qū)容量與峰值速率，另一方面也增加了用戶容量、降低時(shí)延、降低終端耗電等，更好地支持了分組業(yè)務(wù)。

3GPP從R7版本開始研究制定HSPA+的規(guī)范，但主要側(cè)重于提高下行的速率和能力；R8版本更側(cè)重于提高上行的速率和能力。在R8版本中，以高通、愛立信等老牌制造商為主，還提出了多載波的概念，制定了Dual-CellHSDPA的要求，即UE可以同時(shí)在兩個(gè)小區(qū)接收下行信號(hào)，要求兩個(gè)小區(qū)的頻點(diǎn)屬于同一頻段的相鄰頻點(diǎn)。在R9中繼續(xù)研究和制定Dual-Cell HSUPA、不同頻段的Dual-Cell HSDPA，以及多載波和MIMO結(jié)合的規(guī)范。WCDMA的HSPA+包含了以下關(guān)鍵技術(shù)：

◆引入高階調(diào)制：下行引入64QAM調(diào)制后，WCDMA下行的峰值速率可以達(dá)到21Mbps。上行引入16QAM調(diào)制后的峰值速率可以達(dá)到11Mbps。

◆MIMO(多輸入、多輸出，Multiple Input/Multiple Output)技術(shù)：針對(duì)多徑無線信道來說的，是指在發(fā)射端和接收端分別使用多個(gè)發(fā)射天線和接收天線，從而提高數(shù)據(jù)速率，減少誤比特率，改善無線信號(hào)傳送質(zhì)量。

◆層二增強(qiáng)：由于層一新技術(shù)的引入極大地提高了下行的峰值速率，但是隨著上行和下行峰值速率卻在層二受到了限制，受限于RLC PDU的大小、RTT以及RLC窗尺寸。當(dāng)前的RLC PDU并不能滿足引，NMIMO、64QAM等技術(shù)后下行速率的要求。因此，需要對(duì)層二技術(shù)進(jìn)行增強(qiáng)。

◆增強(qiáng)CELL_FACH狀態(tài)：隨著“always-on”(如Pushemail以及VPN連接)業(yè)務(wù)的出現(xiàn)，CELL_FACH的應(yīng)用將越來越廣泛。對(duì)于某些類型的業(yè)務(wù)，例如一些傳輸頻繁但數(shù)據(jù)量較小的背景類業(yè)務(wù)，將UE保持在CELL_DCH狀態(tài)并不合適。而且使用HSPA技術(shù)，可以明顯減少PS域和CS域信令RB的延遲。基于此，可以考慮在CELL_FACH狀態(tài)使用HSPA技術(shù)提高數(shù)據(jù)速率、降低信令延遲；這一增強(qiáng)技術(shù)同樣可以考慮用于CELL_PCH和URA_PCH狀態(tài)。

◆CPC(連續(xù)性連接，Continuous Packet Connectivity)：以分組業(yè)務(wù)為導(dǎo)向的HSDPA/HSUPA技術(shù)能極大的提升用戶的傳輸速率，但潛在的傳輸間斷、連接終止及重連等不可保證的QoS機(jī)制也是它的確存在的不足

之處。CPC分組數(shù)據(jù)的連續(xù)傳輸正是基于此而提出的解決方案。CPC采用預(yù)留最小帶寬的方式改進(jìn)R5/R6的HSPA功能。使有連續(xù)連接需求的分組用戶可以避免在用戶無業(yè)務(wù)活動(dòng)時(shí)完全釋放專用信道導(dǎo)致的重建時(shí)延，減少控制信道開銷。從而提高用戶數(shù)量、提高VoIP用戶容量和系統(tǒng)效率的目的。

◆Dual-Cell HSDPA：為了進(jìn)一步提高UE的峰值速率，WCDMA在R8引入了多載波的概念。UE可以同時(shí)接收相鄰載波的兩個(gè)小區(qū)的HS-DSCH信道，從而達(dá)到提高速率、降低時(shí)延的目的。

3LTE及LTE-Advanced技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展

3GPP LTE設(shè)計(jì)目標(biāo)數(shù)據(jù)峰值速率為：在20M帶寬下，下行(DL)＞100Mbps／上行(UL)＞50Mbps。隨著3GPP標(biāo)準(zhǔn)的制訂，在4X4 MIMO條件下，可達(dá)到DL 326Mbps/UL 86Mbps的速率。LTE根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用需要，特別注重改善小區(qū)邊界用戶的吞吐量，可在5公里達(dá)到最優(yōu)。其無線頻譜效率提高為下行3-4倍于HSDPA，上行2-3倍于HSUPA，可適應(yīng)不同的頻譜帶寬，最高可達(dá)20M。

LTE無線接口下行采用OFDMA(正交頻分復(fù)用多址)?？筛纳祁l譜效率及容量，上行考慮到手持終端的耗電等問題，采用SC-FDMA(單載波的頻分多址)。LTE可支持FDD和TDD模式。這兩種模式主要區(qū)別在于幀和時(shí)隙結(jié)構(gòu)不同，在初始接入、切換、測(cè)量等程序方面也存在較大差異。由于采用OFDM的技術(shù)，無線接口設(shè)計(jì)中不需要再采用宏分集(軟切換)，在無線接口中也不再設(shè)計(jì)電路交換方式。

LTE無線網(wǎng)絡(luò)采用簡(jiǎn)化和扁平化的結(jié)構(gòu)。盡量減少節(jié)點(diǎn)。把原有RNC(無線網(wǎng)絡(luò)控制器)功能移到基站，并去掉了原有RNC。這就意味著基站直接與演進(jìn)的核心網(wǎng)絡(luò)連接，不同基站之間也有直連電路。

在我國(guó)的主導(dǎo)推動(dòng)下，將3GPP LTE標(biāo)準(zhǔn)中的兩種TDD方式融合形成統(tǒng)一的TD-LTE標(biāo)準(zhǔn)。3GPP R8標(biāo)準(zhǔn)作為L(zhǎng)TE基本版本已于2008年底完成，其R9增強(qiáng)版將在2009底完成，而向ITU提交的4G標(biāo)準(zhǔn)(LTE-Advanced)最終是作為3GPP R10版本。3GPP R9版本是R8版本的增強(qiáng)，主要是完善家庭基站、增強(qiáng)型波束賦形、增強(qiáng)自配置等功能。LTE-Advanced與LTE間是強(qiáng)兼容關(guān)系，它是LTE的演進(jìn)技術(shù)。LTE-Advanced(R10)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)在物理層采取了頻譜聚合、協(xié)同多點(diǎn)傳輸和接收、中繼功能，進(jìn)一步增強(qiáng)MBMS及移動(dòng)性等新技術(shù)。

采用新型OFDM技術(shù)的LTE向未來IMT-Advanced發(fā)展演進(jìn)，往往是在其現(xiàn)有的基礎(chǔ)上進(jìn)一步增強(qiáng)功能和業(yè)務(wù)，兩者是兼容和演進(jìn)關(guān)系。因此，原有LTE的所有需求／目標(biāo)也同樣適用于LTE-Advanced。LTE-Advanced網(wǎng)絡(luò)支持LTE終端接入，LTE-Advanced終端能在LTE網(wǎng)絡(luò)中使用。

此外，LTE-Advanced在以下方面進(jìn)行增強(qiáng)：

◆LTE-Advanced支持多種環(huán)境，包括宏蜂窩到室內(nèi)環(huán)境，重點(diǎn)解決低速移動(dòng)環(huán)境。

◆減少成本與復(fù)雜度，通過提供低成本的設(shè)施和終端，且提高功率有效性。減少中繼傳輸?shù)某杀荆档徒K端復(fù)雜度。

◆LTE-Advanced具有靈活的頻譜配置，其頻譜可擴(kuò)展到100MHz，并可將多個(gè)頻段進(jìn)行整合。

為了達(dá)到以上提出的目標(biāo)／需求，在物理層已開始研究LTE-Advanced技術(shù)增強(qiáng)的方案，主要包括：

◆支持更大帶寬，連續(xù)和非連續(xù)多頻譜整合，最大帶寬為100MHz。該技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)相鄰多頻帶的整合，離散多頻帶的整合。

◆上行傳輸方案／下行傳輸方案，例如采用擴(kuò)展多天線傳輸、混合多種接入方案，一些公司也提出在特定環(huán)境下上行是否可采用OFDMA的方式。

◆協(xié)同多點(diǎn)傳輸和接收，增強(qiáng)的干擾協(xié)調(diào)和協(xié)作MIMO。

◆中繼功能，如中繼器，轉(zhuǎn)發(fā)器及自組織中繼。中繼方式適用于高頻段改善覆蓋等方面的內(nèi)容。

◆進(jìn)一步增強(qiáng)MBMS及移動(dòng)性等功能。

在2009年10月的ITU-R會(huì)議上，LTE-Advanced(包括TD-LTE-Advanced和FDD-LTE-Advanced)及802 16m被提交作為IMT-Advanced(4G)的候選技術(shù)。我國(guó)政府提交了TD-LTE-Advanced。由于LTE及其演進(jìn)的LTE-Advanced陣營(yíng)在寬帶無線移動(dòng)產(chǎn)業(yè)中處于絕對(duì)優(yōu)勢(shì)地位。LTE及LTE-Advanced成為IMT-Advanced標(biāo)準(zhǔn)及產(chǎn)業(yè)未來發(fā)展主流方向已成為不爭(zhēng)的事實(shí)。