LTE和LTE-Advanced關(guān)鍵技術(shù)探究

通信技術(shù)于80 年代開(kāi)始逐漸普及到人們的日常生活中，由于該項技術(shù)的許多優(yōu)越性，使其在短短幾十年內得到了很好的發(fā)展， 而移動(dòng)通信業(yè)務(wù)也產(chǎn)生了越來(lái)越高效和便于使用的技術(shù)。近年來(lái)，隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，人們對網(wǎng)絡(luò )的需求量與日俱增，這使得移動(dòng)通信業(yè)務(wù)得以廣泛發(fā)展， 為了滿(mǎn)足人們越來(lái)越高的要求，LTE 無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)(4G) 應運而生。聚合載波、MIMO、多點(diǎn)協(xié)作發(fā)送、中繼等新技術(shù)也隨之產(chǎn)生， 這滿(mǎn)足了人們對通信高效的數據業(yè)務(wù)的需求。而最為關(guān)鍵的LTE-Advanced 技術(shù)也成為尤為重要的4G 國際標準之一， 并得到了世界范圍內通信領(lǐng)域的研究人員的關(guān)注。相信在不久的將來(lái)，4G 網(wǎng)絡(luò )將普遍應用于所有用戶(hù)。

1 LTE-Advanced 技術(shù)概述及分析

1.1 發(fā)展背景

移動(dòng)通信業(yè)務(wù)的產(chǎn)生改變了人類(lèi)傳統的通訊方式，并很快取代了原始郵寄書(shū)信的通訊模式，這有效的改善了人們的生活，大大提高了生活效率，使得人們能夠更加容易的了解周?chē)l(fā)生的事情， 移動(dòng)通信業(yè)務(wù)的發(fā)展是人類(lèi)歷史上的一大進(jìn)步。

至今為止， 通信領(lǐng)域已經(jīng)經(jīng)歷了三個(gè)重要的發(fā)展階段，每一次的改善都是重大的進(jìn)步。第一代是模擬通信系統， 是由美國推出的一種高級移動(dòng)電話(huà)系統，通過(guò)頻分多址技術(shù)實(shí)現了全國范圍的語(yǔ)音通信。第二代通信系統源于美國的CDMAone 系統和歐洲的全球移動(dòng)通信系統，是數字通信系統的開(kāi)端，它在全球范圍內都取得了前所未有的成功，目前全球移動(dòng)通信系統仍然是通信領(lǐng)域的主要服務(wù)方式。隨著(zhù)科技的進(jìn)步，用戶(hù)對于數據傳輸的速率和質(zhì)量的要求越來(lái)越高，第二代數字通信系統的一些技術(shù)已無(wú)法滿(mǎn)足用戶(hù)日漸增長(cháng)的需求，這就推動(dòng)了第三代移動(dòng)通信系統的發(fā)展，3G 標準應運而生。它包括中國主導的同步碼分多址技術(shù)、全球微波互聯(lián)接入技術(shù)、美國的CDMA2000 以及歐洲和日本的寬帶碼分多址技術(shù)。3G 移動(dòng)通信系統是以CDMA 技術(shù)為基礎，在提高數據傳輸速率的同時(shí)還能支持多媒體業(yè)務(wù)。近兩年，3G 業(yè)務(wù)已經(jīng)廣泛的應用于全球范圍。

隨著(zhù)科技的發(fā)展及人類(lèi)的進(jìn)步，對于能夠提供更好的通話(huà)質(zhì)量、優(yōu)質(zhì)的媒體服務(wù)以及更加高效快捷的數據傳輸速率的要求，這就需要更加先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò )架構和空中接口技術(shù)，基于人們這樣的需求，LTE無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)應運而生，標志著(zhù)4G 時(shí)代的到來(lái)。

1.2 LTE-Advanced 技術(shù)分析

LTE 無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)是移動(dòng)通信產(chǎn)生以來(lái)經(jīng)歷的一次較大的變革和創(chuàng )新， 原始3G 時(shí)代的通信系統中的許多基礎技術(shù)被改進(jìn)或替換，這標志著(zhù)人類(lèi)社會(huì )更大的進(jìn)步。LTE 技術(shù)對于4G 通信系統有更高的要求，較大的帶寬、較高的峰值速率并保證用戶(hù)在各個(gè)區域的體驗。統計表明，未來(lái)系統的吞吐量有80%~90%將發(fā)生在室內和熱點(diǎn)場(chǎng)景，這些將成為4G 時(shí)代更為重要的應用。所以，要增強熱點(diǎn)場(chǎng)景的用戶(hù)體驗，新技術(shù)的產(chǎn)生是不可避免的。

2 LTE-Advanced 主要技術(shù)

為了滿(mǎn)足用戶(hù)更高的要求和適應未來(lái)無(wú)線(xiàn)通信市場(chǎng)的更多應用，LTE 無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)產(chǎn)生并引入了許多新技術(shù)，如上下行的多天線(xiàn)增強技術(shù)、聚合載波技術(shù)、中繼及多點(diǎn)協(xié)作傳輸技術(shù)等，更大幅度的提高了無(wú)線(xiàn)移動(dòng)通信系統的性能，更有利于用戶(hù)體驗。

2.1 聚合載波技術(shù)

聚合載波技術(shù)的提出是為了使LTE 網(wǎng)絡(luò )的系統帶寬達到相應的要求。聚合載波技術(shù)就是聚合兩個(gè)或兩個(gè)以上的成分載波，使其能夠接收更高頻率的成員載波， 并且使用了聚合載波技術(shù)的通信系統仍可接收其中的一個(gè)成員載波(聚合之前相應頻率的載波)。

載波的聚合分為連續的和非連續的兩種技術(shù)，如圖一、圖二所示。連續頻譜的載波聚合技術(shù)可以使基站和終端的配置更為簡(jiǎn)捷方便，適用于3.4GHZ～3.8GHZ 頻段的頻率范圍; 非連續頻譜的聚合載波具有更高的頻譜聚合的靈活性， 并需要確定頻譜聚合可支持的終端的能力， 以便設計出最低的成本和功率損耗。

LTE 網(wǎng)絡(luò )系統的多個(gè)成員載波的數據流之間的載波聚合方式有兩種：物理層聚合和MAC 層聚合。物理層聚合方式是指所有的成員載波之間使用相同的調制編碼方式，并且共享同一個(gè)HARQ 進(jìn)程和ACK/NACK 反饋。MAC 層載波聚合方式下，各個(gè)載波都有各自的傳輸塊， 每個(gè)成員載波使用各自獨立的鏈路自適應技術(shù)， 并可根據自身的鏈路情況來(lái)選擇相應的調制編碼方式， 各成員載波之間混合使用并能自動(dòng)重傳請求HARQ 進(jìn)程和ACK/NACK反饋。相比較而言，MAC 層載波聚合方要優(yōu)于物理層載波聚合方式.

2.2 MIMO 技術(shù)

LTE下行能夠支持4*4 的天線(xiàn)配置，其在MIMO技術(shù)中得到了進(jìn)一步的增強， 使其能夠滿(mǎn)足LTE提升平均譜效率和峰值譜效率的需求。在MIMO技術(shù)下，下行單用戶(hù)可支持擴展到8*8 配置的場(chǎng)景，最多可支持8 層傳輸;上行在MIMO 下最多可支持4*4 配置，最多支持4 層傳輸。

2.2.1 MIMO 的上行多線(xiàn)增強

LTE 的上行技術(shù)需要考慮很多需求，如上行的低峰值比、更多的天線(xiàn)配置以及每個(gè)載波的單載波傳輸等需求。

多天線(xiàn)技術(shù)使上行控制信道性能和覆蓋進(jìn)一步優(yōu)化，而發(fā)射分集的方式是決定這一性能的主要因素。據調查實(shí)踐評估，在MIMO 技術(shù)上對信號使用相互正交的碼序列進(jìn)行調制傳輸， 即用SORTD 的發(fā)射分集方式取代原來(lái)的碼分上行控制信道，更有利于性能的優(yōu)化。

提升容量，多天線(xiàn)技術(shù)空間復用的引入是上行業(yè)務(wù)信道的主要需求。與此同時(shí)，更為簡(jiǎn)單的開(kāi)環(huán)傳輸預編碼相較于發(fā)射分集更具有性能上的優(yōu)勢，所以最終確定對小區邊界的用戶(hù)直接采用開(kāi)環(huán)傳輸預編碼的方式來(lái)確定上行業(yè)務(wù)信道。

2.2.2 MIMO 的下行多線(xiàn)增強

對于LTE 的下行信號而言，采用專(zhuān)用參考信號進(jìn)行傳輸，所有上下行信號的發(fā)送在原則上采用基于碼本或非碼本均可。同時(shí)，對閉環(huán)MIMO 采用基于碼本的PMI 反饋方式以降低反饋開(kāi)銷(xiāo)。目前正在采用雙預編碼矩陣碼本結構設計8 天線(xiàn)碼本，即用兩個(gè)矩陣的乘積表示碼本矩陣，通常情況下一個(gè)是矩陣式基本碼，另一個(gè)是在基本碼的基礎長(cháng)根據信道特征對其的修正。此外，還要根據信道變化的快慢分別對其進(jìn)行長(cháng)周期(空間相關(guān)性)或短周期反饋(快衰因素)，以進(jìn)一步減少反饋開(kāi)銷(xiāo)。

LTE 技術(shù)對于業(yè)務(wù)信道的傳輸是采用用戶(hù)的專(zhuān)用參考信道，對于同一用戶(hù)來(lái)說(shuō)，其業(yè)務(wù)信道的不同層使用CDM+FDM 相互正交的信號作為參考信號。目前，LTE 網(wǎng)絡(luò )技術(shù)為了減少多用戶(hù)流之間的干擾，正在探討對MU-MIMO 技術(shù)進(jìn)一步增強，開(kāi)發(fā)聯(lián)合信號處理以及多用戶(hù)分集的增益，并且要在性能和鏈路復雜度之間做到較好的折中處理。

2.3 中繼(relay)技術(shù)

中繼技術(shù)通過(guò)在原有站點(diǎn)的基礎上增加新的站點(diǎn)來(lái)加大天線(xiàn)與站點(diǎn)之間的分布密度。原有基站(母基站)與傳輸網(wǎng)絡(luò )相連，新增的站點(diǎn)通過(guò)無(wú)線(xiàn)與母基站相連， 所以在新基站與傳輸網(wǎng)絡(luò )之間不存在有線(xiàn)的連接。下行數據的傳輸是先經(jīng)過(guò)母基站，然后通過(guò)母基站傳給中繼節點(diǎn)，最后傳輸給終端用戶(hù)，上行數據的傳輸則與下行相反。通過(guò)這種方法可以提高系統的用戶(hù)數據率和頻譜效率， 拉近了終端用戶(hù)與天線(xiàn)之間的距離，提高了終端鏈路的質(zhì)量。

為了滿(mǎn)足用戶(hù)對高效數據傳輸的要求，提出了中繼技術(shù)來(lái)提高小區邊緣用戶(hù)的數據傳輸速率和平均吞吐量。目前較為簡(jiǎn)單的中繼是兩跳中繼，即基站—中繼站和中繼站—基站這兩條鏈路，使用這種方式可將一條質(zhì)量較差的鏈路轉換為兩條質(zhì)量更好的鏈路結構，從而提高鏈路的容量和覆蓋。

目前中繼可分為兩種類(lèi)型，即Type1 中繼和Type2 中繼。Type1 中繼因其自身具有獨立的小區ID，所以它可以通過(guò)發(fā)送自己的同步和導頻信號來(lái)控制一個(gè)單獨的小區， 對其覆蓋范圍內的每個(gè)小區來(lái)說(shuō)都相當于有一個(gè)自己的主基站。而Type2 中繼不具備Type1 的擁有獨立小區ID 的性能， 因此不能夠形成新的小區并發(fā)送自己的同步和導頻信號，Type2 中繼主要用來(lái)增加頻譜效率和小區的吞吐量。表一為移動(dòng)端是否中繼的基站信息記錄。

2.4 多點(diǎn)協(xié)作技術(shù)(CoMP)

多點(diǎn)協(xié)作傳輸是一種較為廣泛的天線(xiàn)技術(shù)，主要采用分布式，即小區邊界區域的終端，其自身傳輸的信號能夠同時(shí)被多個(gè)小區接收，并且能夠同時(shí)接收來(lái)自多個(gè)小區的不同的請求信號，因此使得小區邊緣用戶(hù)的系統性能得以改善。下行傳輸時(shí)，通過(guò)協(xié)調多個(gè)小區之間的發(fā)射信號避免彼此間的干擾，能夠大幅度的提升下行傳輸的效率。上行數據傳輸時(shí)，也可協(xié)調抑制各小區之間的干擾情況，有多個(gè)小區同時(shí)聯(lián)合接收信號并合并，從而可提升接收信號的信噪比，達到更好的效果。

在采用傳統的傳輸方式時(shí)，小區之間存在干擾，這易導致邊緣用戶(hù)的性能下降，多點(diǎn)協(xié)作傳輸技術(shù)通過(guò)在各機基站之間共享信息，能夠有效的消除各小區之間的相互干擾。多點(diǎn)協(xié)作技術(shù)可根據各基站之間是否共享用戶(hù)信息分為聯(lián)合傳輸和協(xié)作調度/波束成形兩類(lèi)。

聯(lián)合處理或協(xié)作調度/ 波束成形這兩種方式均可提高系統的性能，但彼此之間各有各的優(yōu)缺點(diǎn)。聯(lián)合傳輸是指信號同時(shí)從兩個(gè)或兩個(gè)以上的基站傳輸，因此聯(lián)合傳輸相較于協(xié)調調度/ 波束成形方式能夠更好的改善用戶(hù)性能。但是在聯(lián)合傳輸模式下，每個(gè)小區用戶(hù)占用過(guò)多的資源，所以對于平均速率來(lái)說(shuō),聯(lián)合傳輸模式要低于協(xié)作調度/ 波束成形的方式，聯(lián)合傳輸對于單用戶(hù)來(lái)說(shuō)性能增益較小，而協(xié)作調度/ 波束成形的方式單用戶(hù)的性能增益較高。對于多用戶(hù)模式，用戶(hù)的平均速率和邊緣用戶(hù)的性能都有較大程度的改善。

3 結束語(yǔ)

新的事物象征著(zhù)發(fā)展，引入LTE 技術(shù)標志著(zhù)人類(lèi)在不斷的進(jìn)步，這滿(mǎn)足了人們對網(wǎng)絡(luò )更高的要求，從3G 到4G 時(shí)代的改變，將是人類(lèi)社會(huì )上又一項重要的進(jìn)步。小區吞吐量、數據傳輸速率及空間接口技術(shù)的不斷提高，使得無(wú)線(xiàn)扁平化技術(shù)興起，這是無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )架構史上的偉大進(jìn)步，LTE-Advanced 技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展勢不可擋，其發(fā)展標準甚至超過(guò)了原有的由ITU 制定的標準， 并且LTE-Advanced 技術(shù)能夠完全兼容LTE 無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)。本文對LTE-Advanced技術(shù)的發(fā)展及相關(guān)的主要技術(shù)進(jìn)行了介紹，并就其關(guān)鍵技術(shù)做出了探究?？梢灶A見(jiàn)，LTE-Advanced技術(shù)將在很長(cháng)一段時(shí)間內作為世界范圍移動(dòng)通信領(lǐng)域的熱點(diǎn)研究課題， 這將更有利于推動(dòng)第四代通信技術(shù)的發(fā)展，人類(lèi)進(jìn)入4G 時(shí)代不再遙遠。