LTE-Advanced主導(dǎo)3G無線通信走向未來

粟 欣 吳 佳 曾 捷

[摘要]目前，LTE-Advanced的關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展得到學(xué)術(shù)和產(chǎn)業(yè)界的鼎力推動，其標(biāo)準(zhǔn)化也受到業(yè)界的廣泛關(guān)注，對3G無線通信的未來發(fā)展正發(fā)揮著越來越重要的主導(dǎo)作用。文章闡述了LTE-Advanced的產(chǎn)生和發(fā)展，對LTE-Advanced在向IMT-Advanced演進(jìn)過程中的兩種模式進(jìn)行了分析，并介紹了其關(guān)鍵技術(shù)，如頻譜利用率、數(shù)據(jù)傳輸速率、接八性能和時延表現(xiàn)上的顯著優(yōu)勢。

[關(guān)鍵詞]LTE-Advanced3GIMT-AdvancedLTE

1背景

伴隨著無線移動通信產(chǎn)業(yè)多年的發(fā)展。手機普及率不斷刷新著歷史記錄。據(jù)報道，全球手機用戶在2008年底突破了40億，移動通信網(wǎng)絡(luò)已覆蓋全球，把“在任何時間、任何地點和任何人通信”的人類夢想逐漸變成了現(xiàn)實。無線移動通信經(jīng)歷了從第一代模擬系統(tǒng)、第二代數(shù)字系統(tǒng)到第三代數(shù)字多媒體系統(tǒng)的演進(jìn)，并正向支持高速數(shù)字多媒體與數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的方向發(fā)展。這將不僅提高人們傳遞和獲取信息的能力，而且將促進(jìn)全球經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展。無線通信的發(fā)展歷程如圖1所示。

從無線通信的發(fā)展歷程中可以看出，未來無線通信將以高速數(shù)字多媒體業(yè)務(wù)為主。系統(tǒng)的傳輸速率和服務(wù)質(zhì)量都有較大幅度的提高。并有機地融合現(xiàn)在的互聯(lián)網(wǎng)、移動網(wǎng)和廣播網(wǎng)等，最終形成一個無所不在的移動通信網(wǎng)。為此，ITU展開了制定IMT-Advanced標(biāo)準(zhǔn)的工作，希望提高系統(tǒng)的頻譜利用率，將峰值速率提高到100Mbps(高速移動)、1Gbps(固定或低速移動)以上的水平，為未來的無線通信業(yè)務(wù)提供廣闊的應(yīng)用空間。

2LTE-Advanced向IMT-Advanced演進(jìn)

2-1LTE與IMT-Advanced的關(guān)系

2008年，ITU確定了IMT-Advanced具體的系統(tǒng)技術(shù)要求，并于3月正式在全世界范圍內(nèi)征集IMT-Advanced候選技術(shù)提案，候選技術(shù)方案的征集工作將于2009年10月結(jié)束。預(yù)計2010年中將完成候選方案的技術(shù)評估和融合，經(jīng)過最后的甄選和完善。正式的標(biāo)準(zhǔn)將會在2012年前后完成。

ITU對IMT-Advanced的技術(shù)要求如下：

◆在保持靈活支持廣泛的服務(wù)和應(yīng)用的基礎(chǔ)上，以符合成本效益的方式，達(dá)到全球范圍內(nèi)的高度通用性；

◆兼容IMT業(yè)務(wù)和固定網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)；

◆擁有與其它無線接入系統(tǒng)互通的能力；

◆高品質(zhì)的移動服務(wù)；

◆用戶終端適合全球使用；

◆方便使用的應(yīng)用、服務(wù)和設(shè)備：

◆全球漫游能力；

◆增強峰值速率以支持新型的業(yè)務(wù)和應(yīng)用(高速移動下達(dá)到100Mbps，低速移動下達(dá)到1Gbps)。

主流3G無線通信標(biāo)準(zhǔn)向IMT-Advanced演進(jìn)路線如圖2所示，候選方案包括3GPP的LTE、3GPP2的UMB和IEEE的WiMAX。WiMAX因其移動性較差和資費不合理等，未能得到移動通信運營商的廣泛支持；源于IPR方面的紛爭等問題，UMB的推進(jìn)也遭遇重大挫折，3GPP2的領(lǐng)袖企業(yè)高通及許多CDMA2000運營商都紛紛倒戈轉(zhuǎn)投LTE陣營；LTE因性能優(yōu)勢突出而得到大多數(shù)設(shè)備廠商和移動通信運營商的支持，成為3G無線通信向IMT-Advanced演進(jìn)道路上的最佳出發(fā)地。

LTE分為FDD和TDD兩種模式，F(xiàn)DD模式主要由WCDMA技術(shù)演進(jìn)而來，TDD模式主要由中國主導(dǎo)的TD-SCDMA技術(shù)演進(jìn)而來。在2007年11月舉行的無線接入網(wǎng)工作組會議上，中國促使3GPP將原有的兩種LTE TDD幀結(jié)構(gòu)合并為基于TD-SCDMA的融合幀結(jié)構(gòu)，并與FDD的幀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了統(tǒng)一，由此確定了TDD和FDD兩種模式在3GPP LTE框架下共同向IMT-Advanced演進(jìn)的方案。

2-2LTE-Advanced的產(chǎn)生和發(fā)展

成立于1998年12月的3GPP的成員，包括歐洲的ETSI、日本的ARIB和TTC、中國的CCSA、韓國的TTA和北美的ATIS，目標(biāo)是在ITU的IMT-2000計劃范圍內(nèi)制訂和實現(xiàn)全球性的3G移動電話系統(tǒng)規(guī)范。3GPP先后發(fā)布了R99、R4、R5、R6、R7、R8等系統(tǒng)版本技術(shù)規(guī)范。按照EDGE、WCDMA、HSDPA、HSUPA及LTE路線圖演進(jìn)，正在積極制定R9、R10版本標(biāo)準(zhǔn)。由此，以R10版本為基礎(chǔ)的LTE-Advanced將成為向ITU提交的IMT-Advanced候選技術(shù)。

2007年11月，3GPP在墨西哥組織的技術(shù)研討會初步討論IMT-Advanced的技術(shù)需求、標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程以及頻譜劃分等內(nèi)容。2008年4月至5月，3GPP分別在中國和捷克召開了兩次正式研討會，討論了LTE向IMT-Advanced的演進(jìn)問題，提出了LTE-Advanced(簡稱為“LTE-A”或者是“LTE-Adv”)的概念并明確了初步技術(shù)指標(biāo)。此后，3GPP的無線接入網(wǎng)工作組的歷次會議都開展了LTE-Advanced技術(shù)的專題討論。

圖3給出了LTE-Advanced向ITU提交草案和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化工作的時間計劃，從2008年3月到2010年3月是第一階段技術(shù)可行性的研究，其中于2009年10月將以LTE-Advanced為一個RIT(Radio Interface Technology，空中接口技術(shù))集合、分為FDD和TDD兩個RIT的原則，向ITU提交技術(shù)草案。預(yù)計于2010年12月完成第二階段標(biāo)準(zhǔn)化工作，并同時開啟第三階段的工作。

2.3LTE-Advanced兩種模式的演進(jìn)

3GPP認(rèn)為LTE-Advanced需要在LTE基礎(chǔ)上向IMT-Advanced進(jìn)行平滑演進(jìn)，LTE-Advanced主要的演進(jìn)目標(biāo)如下：

◆LTE-Advanced具有后向兼容性，其網(wǎng)絡(luò)能夠支持LTE終端，LTE-Advanced終端也能夠在LTE網(wǎng)絡(luò)中使用基本功能：

◆網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)和自優(yōu)化功能應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步加強，能夠支持從宏蜂窩到室內(nèi)環(huán)境的覆蓋，優(yōu)先考慮低速移動的用戶；

◆降低終端的復(fù)雜度，降低成本：

◆同時支持連續(xù)和不連續(xù)的頻譜，支持最大不超過100MHz的帶寬，支持ITU分配的無線頻段，能夠與LTE共享相同的頻段：

◆下行峰值速率能夠達(dá)到1Gbps，上行應(yīng)當(dāng)超過500Mbps；峰值頻譜效率達(dá)到下行30bps/Hz、上行15bps/Hz；平均頻譜效率達(dá)到下行3.2bps/Hz、上行2bps/Hz；邊緣頻譜效率達(dá)到下行0.1bps/Hz、上行0.05bps/Hz；最低天線配置要求為下行2×2、上行1×2，其他性能應(yīng)不低于LTE的標(biāo)準(zhǔn)。

LTE-Advanced FDD模式經(jīng)HSDPA、HSPA+演進(jìn)而來，采用了OFDM和MIM0技術(shù)，具有良好的技術(shù)性能。通

過適當(dāng)增強傳輸技術(shù)，加入載波聚合。并對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化，能夠滿足甚至超過IMT-Advanced的技術(shù)需求。

LTE-Advanced的TDD模式是由TD-SCDMA經(jīng)過基本版本、增強版本以及TD-LTE演進(jìn)而來，得到了中國企業(yè)的廣泛支持和推動，與LTE FDD良好融合，將采用OFDM、超寬帶、超窄帶、認(rèn)知無線電、網(wǎng)絡(luò)感知、多無線接入網(wǎng)融合和網(wǎng)絡(luò)協(xié)同等關(guān)鍵技術(shù)，其核心網(wǎng)是各種接入技術(shù)相互融合的全I(xiàn)Pv6網(wǎng)，極限速率約100Mbps到1Gbps。

3LTE-Advanced的關(guān)鍵技術(shù)

3.1統(tǒng)一的幀結(jié)構(gòu)

FDD和TDD模式融合后的LTE-Advanced的幀結(jié)構(gòu)如圖4所示。LTE-Advanced每個無線幀的長度為10ms，F(xiàn)DD模式包含20個時隙，每個時隙長為0.5ms，每兩個連續(xù)的時隙構(gòu)成一個子幀。TDD模式的無線幀包括兩個半幀，每個半幀長度為5ms，由8個長度為0.5ms的普通時隙和3個特殊時隙組成，每兩個普通時隙或者三個特殊時隙組成一個長度為1ms的子幀，TDD模式支持5ms和10ms周期的周期轉(zhuǎn)換點。幀結(jié)構(gòu)的統(tǒng)一，為LTE-Advanced向JMT-Advanced的推進(jìn)鋪平了道路。

3.2先進(jìn)的傳輸技術(shù)

LTE-Advanced匯集了多項先進(jìn)的傳輸技術(shù)，包括OFDM/QFDMA、MIMO和鏈路自適應(yīng)技術(shù)等，為了適應(yīng)IMT-Advanced更高傳輸速率的要求，還加入了載波聚合，上下行鏈路增強等技術(shù)。

(1)上下行多址技術(shù)

上下行多址技術(shù)是無線通信技術(shù)的基礎(chǔ)，而OFDM/OFDMA技術(shù)是LTE乃至IMT-Advanced能夠取得優(yōu)勢性能的關(guān)鍵。傳統(tǒng)頻分復(fù)用將頻帶分為若干不相交的子信道來傳輸并行的數(shù)據(jù)流，在接收端用濾波器進(jìn)行分離，這種方法需要在子信道間留有保護(hù)頻帶，頻譜利用率比較低。OFDM采擾，很好地對抗頻率選擇性衰落和窄帶干擾。并有效提升頻譜利用率，達(dá)到接近2Baud/Hz。OFDMA是OFDM技術(shù)的演進(jìn)，一組用戶可以同時接入同一信道，每個用戶選擇信道條件較好的部分子載波傳輸數(shù)據(jù)，而不用在整個頻帶內(nèi)進(jìn)行發(fā)送。這樣保證了各子載波都被信道條件較好的用戶使用。獲得了頻率上的多用戶分集增益。

LTE-Advanced將在下行采用OFDMA技術(shù)，上行選擇以DTF-S-OFDM技術(shù)為主，部分室內(nèi)、熱點覆蓋考慮使用OFDMA技術(shù)，將通過增加帶寬，子載波數(shù)，采用高階數(shù)字調(diào)制等方法來優(yōu)化傳輸，以滿足更高的傳輸速率和服務(wù)質(zhì)量要求。

(2)多天線技術(shù)

多天線技術(shù)是解決頻率資源匱乏的有效途徑，能夠提高系統(tǒng)容量和通信質(zhì)量，現(xiàn)階段主要的多天線技術(shù)包括智能天線技術(shù)，MIMO技術(shù)等。智能天線利用數(shù)字信號處理，合成天線陣列的輸入和輸出，以自適應(yīng)的方式發(fā)射和接收信號。采用先進(jìn)的波束轉(zhuǎn)換技術(shù)和自適應(yīng)空間數(shù)字處理技術(shù)，達(dá)到充分利用移動用戶信號并抑制甚至消除干擾信號的目的。MIMO技術(shù)通過在基站和終端使用多天線來抑制信道衰落。在不增加帶寬和天線發(fā)送功率的情況下，MIMO系統(tǒng)的信道容量隨著天線數(shù)量的增大而線性增大，頻譜利用率能夠得到成倍的提升。MIMO技術(shù)包括空間分集(SD，SpatialDiversity)、空間復(fù)用(SM，Spatial Multiplexing)、預(yù)編碼(Pre-coding)和波束賦形(Beam forming)等。

LTE-Advanced下行主要采用4×4MIMO，最多達(dá)到8×8或者8×4 MIMO，上行將采用2×4MIMO或者多用戶聯(lián)合的虛擬MIMO技術(shù)。

(3)鏈路自適應(yīng)技術(shù)

鏈路自適應(yīng)技術(shù)能夠動態(tài)跟蹤信道變化，根據(jù)信道情況確定當(dāng)前信道的容量，進(jìn)而確定傳輸?shù)男畔⒎査俾?、發(fā)送功率、編碼速率和編碼方式、調(diào)制的星座圖尺寸和調(diào)制方式等參數(shù)，因此可以最大限度地發(fā)送信息，實現(xiàn)更低的誤碼率，并保持恒定發(fā)射功率，以減輕對其它用戶的干擾，滿足不同業(yè)務(wù)的需求，提高系統(tǒng)的整體吞吐量。

鏈路自適應(yīng)雖然是對物理層的傳輸參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，但它不限于物理層，需要無線通信系統(tǒng)的各層之間緊密配合。鏈路自適應(yīng)需要物理層提供調(diào)制、編碼和發(fā)射功率等參數(shù)信息；需要鏈路層提供一條可靠的信令鏈路，以便在發(fā)射參數(shù)改變時通知接收機和發(fā)射機，以協(xié)調(diào)它們之間的工作。

鏈路自適應(yīng)主要涉及自適應(yīng)調(diào)制、自適應(yīng)信道編碼和混合自動重傳請求(HARQ)等關(guān)鍵技術(shù)。在3G及其LTE中已發(fā)揮了重要的作用，并仍將在LTE-Advanced中扮演關(guān)鍵角色。

(4)載波聚合

LTE目前最大支持20MHz的系統(tǒng)帶寬，IMT-Advanced需要支持高達(dá)1Gbps的傳輸速率，提出系統(tǒng)最大支持帶寬應(yīng)不小于40MHz，需要進(jìn)行系統(tǒng)帶寬的擴展。目前，3GPP確定將采用載波聚合的方式實現(xiàn)系統(tǒng)帶寬的擴展，最大能聚合帶寬可達(dá)100MHz，分為兩種方式：一種為連續(xù)頻段上的多個載波聚合，能夠保持系統(tǒng)的后向兼容性；另一種是非連續(xù)頻段上的多個載波聚合，提供了系統(tǒng)對分散的頻率資源進(jìn)行整合利用的解決方案。

在LTE-Advanced的關(guān)注范圍中，載波聚合的研究重點包括連續(xù)載波聚合的頻譜利用率提升，上下行非對稱的載波聚合場景的控制信道的設(shè)計等。目前，關(guān)于載波聚合的可行性研究工作已經(jīng)完成。

3.3網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化技術(shù)

LTE已經(jīng)采用了最先進(jìn)的傳輸技術(shù)，其后的LTE-Advanced在向IMT-Advanced的演進(jìn)過程中。很大程度上將依賴于對網(wǎng)絡(luò)覆蓋方式與核心架構(gòu)的優(yōu)化，以便達(dá)到期望的技術(shù)目標(biāo)要求。

(1)多點協(xié)作

多點協(xié)作(CoMP，Coordinative Multiple Point)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖6所示。1個基站通過光纖連接多個天線站點。所有的基帶處理仍集中在基站，形成集中的基帶處理單元州。分布式天線系統(tǒng)中的天線站點可以看作基站的多個扇區(qū)或1個扇區(qū)中的多個天線，可以很好地進(jìn)行天線站點之間的協(xié)同，明顯改進(jìn)上行和下行的系統(tǒng)性能。

在LTE-Advanced中，CoMP上下行采用的合作方式、反饋信道的設(shè)計和交互信令的設(shè)計等問題得到了高度關(guān)注，現(xiàn)在仍處于論證和細(xì)節(jié)確定階段，是國內(nèi)企業(yè)與高校合作并提交具有自主知識產(chǎn)權(quán)技術(shù)參與標(biāo)準(zhǔn)化的重要機會。

(2)Relay技術(shù)

Relay技術(shù)是LTE-Advanced加入的新功能，采用具備無線中繼功能的站點進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，對信號進(jìn)行必要的處理和選擇性放大，可以改善由無線信道環(huán)境導(dǎo)致的陰影衰落，擴大信號覆蓋范圍和提高系統(tǒng)的吞吐量，如圖7所示。Relay技術(shù)的研究內(nèi)容包括：基站與Relay站的通信采用基站與終端通信相同的頻段或者不同的頻段；Relay站是否會有自身標(biāo)

識或者廣播信道。Relay站有三種可能的工作方式：L1 Relay只進(jìn)行信號的直接放大轉(zhuǎn)發(fā)，類似于簡單的直放站；L2 Relay具有譯碼轉(zhuǎn)發(fā)功能和資源調(diào)度功能。類似簡單的基站；L3 Relay能夠支持無線回程，具有基站的全部功能。

LTE-Advanced討論了Relay的信道模型和仿真模型，明確了Relay部署方式以及主要技術(shù)特征。中國企業(yè)正積極參與并主導(dǎo)了Relay信道模型和站址仿真假設(shè)的相關(guān)討論。

(3)小區(qū)間干擾抑制

小區(qū)邊緣信道條件差，頻譜利用率低。傳輸速率低是一直困擾無線通信的難題，小區(qū)邊緣覆蓋的優(yōu)化能夠很好地提升系統(tǒng)性能。

LTE-Advanced提高小區(qū)邊緣性能的目標(biāo)將通過小區(qū)間干擾抑制技術(shù)(Inter-cell interference mitigation)實現(xiàn)。目前正在考慮的方案包括干擾隨機化(ICI randomization)、干擾協(xié)調(diào)(ICI coordination)、干擾消除(ICI cancellation)等。干擾隨機化可以采用小區(qū)加擾或交織多址(IDMA)實現(xiàn)；干擾協(xié)調(diào)可在小區(qū)邊緣采用小于1的頻率復(fù)用，從而避免強干擾；干擾消除可在接收機采用多用戶檢測消除相鄰小區(qū)的干擾。

(4)家庭基站

家庭基站(Home Node B)是一種很接近于WiFi無線接入設(shè)備的超小型基站設(shè)備，具有設(shè)備單元小、網(wǎng)絡(luò)效率高和功耗成本低的優(yōu)點，能夠改善室內(nèi)覆蓋，在網(wǎng)絡(luò)邊緣提供高質(zhì)量的覆蓋，適用于家庭及辦公室環(huán)境。

LTE-Advanced將進(jìn)一步對家庭基站進(jìn)行優(yōu)化，家庭基站的大規(guī)模密集部署會加大干擾控制和接入管理的難度，對現(xiàn)有的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)造成較大的沖擊，可能需要針對家庭基站采用相對獨立的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

4小結(jié)

LTE-Advanced作為最有競爭力的IMT-Advanced候選方案，不僅主導(dǎo)著3G無線通信健步走向未來，而且將在新一代無線通信的發(fā)展過程中占據(jù)非常重要的地位。隨著近年來中國對自主知識產(chǎn)權(quán)的日益重視，國內(nèi)企業(yè)與高校合作在國際通信標(biāo)準(zhǔn)的制訂中正發(fā)揮著越來越重要的作用。TD-SCDMA標(biāo)準(zhǔn)在3G時代的成功推出，曾一舉扭轉(zhuǎn)了中國在無線通信領(lǐng)域的被動局面；主要由中國企業(yè)推動的LTE-Advanced的TDD模式向IMT-Advanced的演進(jìn)，已經(jīng)為TD-SCDMA的后續(xù)發(fā)展奠定了堅實的基礎(chǔ)，必將打造出有利于中國的、具有全球影響力的寬帶移動無線通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)業(yè)。