后3G時(shí)代的LTE技術(shù)介紹
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分析了LTE的技術(shù)特征，闡述了LTE網(wǎng)絡(luò )結構與核心技術(shù)，并通過(guò)與WiFi（WirelessFidelity）及Wimax（World wide Inter operability for Microwave Access）的各項性能作比較，著(zhù)重分析了LTE的技術(shù)優(yōu)勢。最后，指出了LTE在個(gè)人通信市場(chǎng)所面臨的應用前景與挑戰。
1、引言
隨著(zhù)個(gè)人通信技術(shù)在20多年中不斷發(fā)展成熟，人們在生活中對無(wú)線(xiàn)通信的依賴(lài)越來(lái)越強，目前，全球的移動(dòng)語(yǔ)音用戶(hù)已超過(guò)了18億[1]。同時(shí)，眾多的使用者也對個(gè)人通信技術(shù)的發(fā)展提出了新的要求：通信設備的微型化、低功耗、高帶寬、快速接入和多媒體化。而最關(guān)鍵的是能被廣大用戶(hù)負擔得起的廉價(jià)終端設備和網(wǎng)絡(luò )服務(wù)。
雖然3G網(wǎng)絡(luò )的無(wú)線(xiàn)性能已經(jīng)得到了較大的提高，但由于IPR的制約，應對市場(chǎng)的挑戰和滿(mǎn)足用戶(hù)需求等領(lǐng)域還是有很多局限性。同時(shí)，昂貴的授權費用也制約了3G技術(shù)的發(fā)展，因而受到了技術(shù)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉的WiFi和Wimax的強烈挑戰。用戶(hù)的需求和市場(chǎng)的挑
戰迫切需要傳輸速率更快、時(shí)延更短、頻帶更寬以及運營(yíng)成本更少的網(wǎng)絡(luò )誕生。
2、LTE項目?jì)热萁榻B
LTE項目是3G的演進(jìn)，它改進(jìn)并增強了3G的空中接入技術(shù)，采用OFDM和MIMO作為其無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )演進(jìn)的唯一標準。在20MHz頻譜帶寬下能夠提供下行100Mbit/s與上行50Mbit/s的峰值速率。改善了小區邊緣用戶(hù)的性能，提高小區容量和降低系統延遲。
2.1 LTE的主要技術(shù)特征
3GPP從“系統性能要求”、“網(wǎng)絡(luò )的部署場(chǎng)景”、“網(wǎng)絡(luò )架構”、“業(yè)務(wù)支持能力”等方面對LTE進(jìn)行了詳細的描述。與3G相比，LTE具有如下技術(shù)特征[2][3]：
?。?）通信速率有了提高，下行峰值速率為100Mbps、上行為50Mbps。
?。?）提高了頻譜效率，下行鏈路5（bit/s）/Hz，（3--4倍于R6 HSDPA）；上行鏈路2.5（bit/s）/Hz，是R6 HSU-PA2--3倍。
?。?）以分組域業(yè)務(wù)為主要目標，系統在整體架構上將基于分組交換。
?。?）QoS保證，通過(guò)系統設計和嚴格的QoS機制，保證實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)（如VoIP）的服務(wù)質(zhì)量。
?。?）系統部署靈活，能夠支持1.25MHz-20MHz間的多種系統帶寬，并支持“paired”和“unpaired”的頻譜分配。保證了將來(lái)在系統部署上的靈活性。
?。?）降低無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )時(shí)延：子幀長(cháng)度0.5ms和0.675ms，解決了向下兼容的問(wèn)題并降低了網(wǎng)絡(luò )時(shí)延，時(shí)延可達U-plan＜5ms，C-plan＜100ms。
?。?）增加了小區邊界比特速率，在保持目前基站位置不變的情況下增加小區邊界比特速率。如MBMS（多媒體廣播和組播業(yè)務(wù)）在小區邊界可提供1bit/s/Hz的數據速率。
?。?）強調向下兼容，支持已有的3G系統和非3GPP規范系統的協(xié)同運作。
與3G相比，LTE更具技術(shù)優(yōu)勢，具體體現在：高數據速率、分組傳送、延遲降低、廣域覆蓋和向下兼容。
2.2 LTE的網(wǎng)絡(luò )結構和核心技術(shù)
3GPP對LTE項目的工作大體分為兩個(gè)時(shí)間段：2005年3月到2006年6月為SI（Study Item）階段，完成可行性研究報告；2006年6月到2007年6月為WI（Work Item）階段，完成核心技術(shù)的規范工作。在2007年中期完成LTE相關(guān)標準制定（3GPP R7），在2008年或2009年推出商用產(chǎn)品。就目前的進(jìn)展來(lái)看，發(fā)展比計劃滯后了大概3個(gè)月[1]，但經(jīng)過(guò)3GPP組織的努力，LTE的系統框架大部分已經(jīng)完成。
2.2.1 LTE網(wǎng)絡(luò )結構和空中接口協(xié)議
LTE采用由Node B構成的單層結構，這種結構有利于簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò )和減小延遲，實(shí)現了低時(shí)延，低復雜度和低成本的要求。與傳統的3GPP接入網(wǎng)相比，LTE減少了RNC節點(diǎn)。名義上LTE是對3G的演進(jìn)，但事實(shí)上它對3GPP的整個(gè)體系架構作了革命性的變革，逐步趨近于典型的IP寬帶網(wǎng)結構。
3GPP初步確定LTE的架構如圖1所示，也叫演進(jìn)型UTRAN結構（E-UTRAN）[3]。接入網(wǎng)主要由演進(jìn)型Node B（eNB）和接入網(wǎng)關(guān)（aGW）兩部分構成。aGW是一個(gè)邊界節點(diǎn)，若將其視為核心網(wǎng)的一部分，則接入網(wǎng)主要由eNB一層構成。eNB不僅具有原來(lái)Node B的功能外，還能完成原來(lái)RNC的大部分功能，包括物理層、MAC層、RRC、調度、接入控制、承載控制、接入移動(dòng)性管理和Inter-cellRRM 等。Node B和Node B之間將采用網(wǎng)格（Mesh）方式直接互連，這也是對原有UTRAN結構的重大修改。
圖1 LTE網(wǎng)絡(luò )結構與協(xié)議結構
引入一個(gè)RRM Server進(jìn)行集中式管理（圖中結構1），還是采用完全分散的管理結構（圖中結構2）來(lái)解決小區間干擾協(xié)調、負載控制等功能，目前還未確定[3]。另外，在空中接入技術(shù)方面，LTE的信道數量將比WCDMA系統有所減少。并取消了專(zhuān)用信道，不再保留廣播媒體控制層和UTRAN的公共業(yè)務(wù)信道，減少了MAC層的實(shí)體類(lèi)型。
2.2.2 LTE核心技術(shù)
LTE不僅通過(guò)簡(jiǎn)化結構，還采用以下幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)來(lái)實(shí)現其優(yōu)異性能。
?。?）傳輸技術(shù)與多址技術(shù)：3GPP選擇了大多數公司支持的方案，即下行OFDM，上行SC-FDMA。大多數公司支持采用“頻域”方法來(lái)生成上行SC-FD-MA信號。這種技術(shù)是在OFDM的IFFT調制之前對信號進(jìn)行DFT擴展，這樣系統發(fā)射的是時(shí)域信號，從而可以避免OFDM系統發(fā)送頻域信號帶來(lái)的PAPR問(wèn)題[4]。
?。?）宏分集：由于存在難以解決的“同步問(wèn)題”，LTE對單播（uni-CAst）業(yè)務(wù)不采用下行宏分集。至于對頻率要求稍低的多小區廣播業(yè)務(wù)，可采用較大的循環(huán)前綴（CP）來(lái)解決小區之間的同步問(wèn)題?？紤]到實(shí)現網(wǎng)絡(luò )結構“扁平
化”、“分散化”，LTE不采用上行宏分集技術(shù)[4]。
?。?）調制與編碼：LTE下行主要采用OPSK、16QAM、64QAM三種調制方式。上行主要采用位移BPSK、OPSK、8PSK和16QAM。信道編碼LTE主要考慮Turbo碼，但若能獲得明顯的增益，也將考慮其他編碼方式，如LDPC碼。
?。?）多天線(xiàn)技術(shù)：MIMO技術(shù)是LTE最核心的技術(shù)，它是提高傳輸率的主要手段，LTE系統將設計可以適應宏小區、微小區、熱點(diǎn)等各種環(huán)境的MIMO技術(shù)。LTE已確定MIMO天線(xiàn)個(gè)數的基本配置是下行2
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