3G演進(jìn)LTE新興技術(shù)全解析
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3GPP長(cháng)期演進(jìn)(LTE)項目是近兩年來(lái)3GPP啟動(dòng)的最大的新技術(shù)研發(fā)項目，以OFDM/FDMA為核心的技術(shù)，與其說(shuō)是3G技術(shù)的“演進(jìn)”(evolution)，不如說(shuō)是“革命”(revolution)。
這種技術(shù)和3GPP2AIE、WiMAX、以及最新出現的IEEE802.20MBFDD/MBTDD等，具有某些“4G”特征，被看作“準4G”技術(shù)。
在我國與LTE對應的計劃被稱(chēng)為E3G，“863”計劃中與B3G對應的Future計劃被考慮用于發(fā)展E3G，參與LTE的發(fā)展工作。
3G LTE的由來(lái)
隨著(zhù)PDA和筆記本電腦的發(fā)展普及，用戶(hù)希望能夠隨時(shí)隨地上網(wǎng)，一個(gè)新的市場(chǎng)---“寬帶無(wú)線(xiàn)移動(dòng)接入”正在興起。寬帶無(wú)線(xiàn)接入技術(shù)面向一個(gè)固定和移動(dòng)通信融合的新市場(chǎng)，它可提供與寬帶有線(xiàn)固定接入并行的寬帶無(wú)線(xiàn)接入業(yè)務(wù)，支持移動(dòng)應用。
目前2.5G/3G手機移動(dòng)數據業(yè)務(wù)和寬帶無(wú)線(xiàn)接入業(yè)務(wù)是兩個(gè)不同的市場(chǎng)段。寬帶無(wú)線(xiàn)接入業(yè)務(wù)采用WiMAX(IEEE802.16d/e)固定/移動(dòng)寬帶無(wú)線(xiàn)城域網(wǎng)技術(shù)，核心網(wǎng)是標準的IP網(wǎng)，其無(wú)線(xiàn)鏈路的物理層和MAC層的設計考慮了突發(fā)型的分組數據業(yè)務(wù)的要求，能夠自適應無(wú)線(xiàn)信道環(huán)境，速率可達幾百kbit/s甚至幾十Mbit/s。手機數據業(yè)務(wù)基本是一個(gè)蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)，下載速率在100kbit/s以下。
作為手機數據業(yè)務(wù)的3G系統在支持IP數據業(yè)務(wù)時(shí)頻譜效率低，其面向連接固定帶寬的結構不適應突發(fā)式IP數據業(yè)務(wù)的需求。為此，3GPP和3GPP2都認識到目前的系統提供互聯(lián)網(wǎng)接入業(yè)務(wù)的局限性，試圖在原來(lái)的體系框架內，在下行鏈路中采用分組接入技術(shù)，大幅度提高IP數據下載和流媒體速率。3GPP在R5系統中增加了高速下行分組接入(HSDPA)(被稱(chēng)為3.5G)，速率可以達到10Mbit/s以上，隨后進(jìn)一步在R6中增加高速上行分組接入(HSUPA)，將解決上行鏈路分組化問(wèn)題，提高上行速率，進(jìn)一步引入自適應波束成形和MIMO等天線(xiàn)陣處理技術(shù)，可將下行峰值速率提高到30Mbit/s左右，核心網(wǎng)也在向全IP網(wǎng)演化。
HSDPA和HSUPA被稱(chēng)為3.5G技術(shù)，屬于中期演化技術(shù)，受原體制束縛較大，性能不夠理想。3GPP發(fā)現在HSDPA和ITU部署的B3G之間存在一個(gè)空檔，這正是WiMAX的目標。在一段時(shí)間內的寬帶無(wú)線(xiàn)接入市場(chǎng)上，HSDPA、HSUPA對WiMAX的競爭將處于劣勢。
為了提高3G在新興的寬帶無(wú)線(xiàn)接入市場(chǎng)的競爭力，擺脫Qualcom的CDMA專(zhuān)利制約，需要發(fā)展LTE(longtermevolution)計劃，以填補這一空檔。為此，3GPP在2004年底發(fā)展了長(cháng)期演化(LTE)計劃，基本思想是采用過(guò)去為B3G或4G發(fā)展的技術(shù)來(lái)發(fā)展LTE，使用3G頻段占有寬帶無(wú)線(xiàn)接入市場(chǎng)。2004年12月3GPP雅典會(huì )議決定由3GPPRAN工作組負責開(kāi)展LTE研究，將于2006年6月完成，2007年6月推出。
LTE概述
3GPP經(jīng)過(guò)激烈的討論和艱苦的融合，終于在2005年12月選定了LTE的基本傳輸技術(shù)，即下行OFDM;上行SC(單載波)-FDMA。
下行技術(shù)的選擇沒(méi)有經(jīng)過(guò)很大的波瀾。OFDM是公認的寬帶無(wú)線(xiàn)通信的首選技術(shù)，雖然有個(gè)別公司仍試圖堅持傳統的CDMA技術(shù)，但絕大部分公司很早就在采用OFDM作為下行核心技術(shù)這一點(diǎn)上達成了共識。
上行傳輸技術(shù)的選擇頗費了一番周折，大部分歐美設備商對OFDM的上行峰平比PAPR(將影響手持終端的功放成本和電池壽命)有顧慮，堅持采用單載波技術(shù)(具有較低的PAPR)。雖然一些公司(主要是積極參與WiMAX標準化的公司)認為可以采用某些方法解決OFDM的PAPR的問(wèn)題，但并沒(méi)有說(shuō)服單載波陣營(yíng)。
其間還經(jīng)歷了“WiBro/WiMAX試圖成為L(cháng)TETDD技術(shù)方案”的插曲，在這一努力宣告失敗以后，3GPP基本確定了核心技術(shù)的選擇---上行OFDM/下行SC-FDMA。
LTE討論中的一個(gè)焦點(diǎn)是是否采用宏分集技術(shù)。這個(gè)問(wèn)題看似是物理層技術(shù)的取舍，實(shí)則影響到網(wǎng)絡(luò )架構的選擇，對LTE/SAE系統的發(fā)展方向有深遠的影響。宏分集的基礎是軟切換，這種CDMA系統的典型技術(shù)在FDMA系統中卻引出了“弊大還是利大”的爭論。3GPP在2005年12月進(jìn)行了“示意性”的投票，最后決定LTE(至少在目前)不考慮宏分集技術(shù)。
LTE在數據傳輸延遲方面的要求很高(端到端延遲小于5ms)，這一指標要求LTE系統必須采用很小的交織長(cháng)度(TTI)，因此大多數公司建議采用0.5ms的子幀長(cháng)度。但是一些研發(fā)TDD技術(shù)的3GPP成員注意到這種子幀長(cháng)度和UMTS中現有的兩種TDD技術(shù)的時(shí)隙長(cháng)度不匹配。例如TD-SCDMA的時(shí)隙長(cháng)度為0.675ms，如果LTETDD系統的子幀長(cháng)度為0.5ms，則新、老的系統的時(shí)隙無(wú)法對齊，使得TD-SCDMA系統和LTETDD系統難以“臨頻同址”共存。在中國公司的堅持下，3GPP在這個(gè)問(wèn)題上達成一致：基本的子幀長(cháng)度為0.5ms，但在考慮和TD-SCDMA系統兼容時(shí)可以采用0.675的子幀長(cháng)度。
盡管LTE的研究工作取得了上述一系列重大的進(jìn)展，但仍然明顯滯后于原工作計劃，原本2006年3月前應該完成但未按時(shí)完成的工作全部被推遲到6月前完成，致使所有遺留的研究問(wèn)題都必須在今后三個(gè)月內解決。如果6月不能如期完成這些任務(wù)，則研究階段(SI，原定6月結束)將被迫延長(cháng)，工作階段(WI，原定6月開(kāi)始)---也即標準的制定---將被迫延后。與LTE相配合的SAE項目SI的截止日期已經(jīng)推遲到9月。
LTE的框架
OFDM/SC-FDMA的基本設計參數初步確定。
OFDM和SC-FDMA(以DFT-S-OFDM為例)的子載波寬度為15kHz，OFDM循環(huán)前綴(CP)的長(cháng)度有長(cháng)短兩種選擇，短CP為基本選項，長(cháng)CP可用于大范圍小區或多小區廣播。DFT-S-OFDM的一個(gè)子幀由長(cháng)短兩種數據塊組成，長(cháng)塊主要用于傳送數據，短塊主要用于傳送導頻信號。
下行主要采用QPSK、16QAM、64QAM三種調制方式，上行主要采用位移BPSK(用于進(jìn)一步降低DFT-S-OFDM的PAPR)、QPSK、8PSK和16QAM，另一個(gè)正在考慮的降PAPR技術(shù)是頻域濾波。上下行的最小資源塊大小為25個(gè)子載波，即375kHz。系統可以采用集中式(localized)或分散式(distributed)方式將數據映射到資源塊上。在信道編碼方面，LTE主要考慮Turbo碼，但也正在考慮其他編碼方式，如LDPC碼。在MIMO方面，LTE的基本MIMO模型是下行2×2、上行1×2個(gè)天線(xiàn)，但同時(shí)也正在考慮更多的天線(xiàn)配置(最多4×4)。正在被考慮的MIMO技術(shù)包括空間復用(SM)、空分多址(SDMA)、預編碼(Pre-coding)、秩自適應(Rankadaptation)、以及開(kāi)環(huán)發(fā)射分集(STTD，主要用于控制信令的傳輸)等。上行將采用一種特殊的SDMA技術(shù)，即已被WiMAX采用的虛擬(Virtual)MIMO技術(shù)。另外，LTE也正在考慮采用小區干擾抑制技術(shù)提高小區邊緣的數據率和系統容量等。
在切換方面，除了LTE系統內的切換，也正在考慮不同頻率之間和不同系統(如其他3GPP系統、WLAN系統等)的切換。
LTE的工作計劃
自2004年11月啟動(dòng)LTE項目以來(lái)，3GPP以頻繁的會(huì )議全力推進(jìn)此項工作。僅半年就完成了需求(Requirement)的制定，計劃在2006年中完成StudyItem的研究工作，2007年中完成標準的制定，預計2009年即可商用。
從時(shí)間上來(lái)看，3GPP的LTE工作計劃可以分為StudyItem(SI)和WorkItem(WI)兩個(gè)階段。
第一階段(SI階段)：從2005年3月到2006年6月，完成3GPPLTE的可行性研究，形成研究報告。
在2006年3月已經(jīng)完成或正在進(jìn)行的相關(guān)內容有：RAN-CN功能的劃分與調整;RAN體系結構的優(yōu)化;無(wú)線(xiàn)接口協(xié)議的體系結構;物理層中多種接入方案、宏分集與射頻部分的研究;狀態(tài)與狀態(tài)轉移問(wèn)題。
在2006年3月到6月將完成包括信道結構的研究、演進(jìn)的MIMO機制、信令的流程與終端移動(dòng)性問(wèn)題等方面的研究。并且將在6月份提出WI階段的工作時(shí)間計劃。
第二階段(WI階段)從2006年6月到2007年6月，使用一年左右的時(shí)間完成核心的技術(shù)規范撰寫(xiě)工作。
在2007年年中完成相關(guān)標準制定工作后，預計在2008年或2009年將成熟的商用產(chǎn)品推向市場(chǎng)
LTE能帶來(lái)什么
3GLTE著(zhù)重考慮的方面主要包括降低時(shí)延、提高用戶(hù)的數據率、增大系統容量和覆蓋范圍以及降低運營(yíng)成本等。LTE的目標主要包括以下的內容：
支持1.25MHz～20MHz帶寬;
極大提高峰值數據速率(在20MHz帶寬下支持下行100Mbps、上行50Mbps的峰值速率);
在保持現有基站位置的同時(shí)提高小區邊緣比特速率;
有效提高頻譜效率(3GPP版本6的2～4倍);
將接入網(wǎng)時(shí)延降低到10ms以下;將控制平面時(shí)延降低到100ms以?xún)?
優(yōu)化15km/h以下低速用戶(hù)的性能，能為15-120km/h的移動(dòng)用戶(hù)提供高性能的服務(wù)，可以支持120-350km/h的用戶(hù);
吞吐量、頻譜效率和移動(dòng)性指標在5km半徑的小區內將得到充分保證，當小區半徑增大到30km時(shí)，只對以上指標帶來(lái)輕微的弱化;
支持多種載波帶寬，以滿(mǎn)足配置系統時(shí)窄帶頻譜分配時(shí)的靈活性;
支持與現有的3G系統和非3GPP規范系統的協(xié)同工作：增強的MBMS(Multimedia Broadcast Multicast Service);降低CAPEX(資本支出，Capital Expenditure)和OPEX(運營(yíng)支出，Operation Expenditure)的成本;
降低空中接口和網(wǎng)絡(luò )架構的成本;
實(shí)現合理的終端復雜度、成本和耗電;
支持增強的IP多媒體子系統(IP Multimedia Sub-system，IMS)和核心網(wǎng);盡可能保證后向兼容，有 效地支持多種業(yè)務(wù)類(lèi)型，尤其是分組域(PS-Domain)業(yè)務(wù)(如VoIP等);
優(yōu)化系統為低移動(dòng)速度終端提供服務(wù)，同時(shí)也應支持高移動(dòng)速度終端;
支持增強型的廣播多播業(yè)務(wù);
系統應該能工作在對稱(chēng)和非對稱(chēng)頻段;盡可能簡(jiǎn)化處于相鄰頻帶運營(yíng)商共存的問(wèn)題。
為了實(shí)現3GLTE的設計目標，著(zhù)重在空中接口傳輸技術(shù)和接入網(wǎng)結構上對現有3G系統進(jìn)行改進(jìn)。
在空中接口方面，一是在下行鏈路采用能夠有效對抗多徑衰落、提高頻譜效率的OFDM技術(shù);采用自適應鏈路技術(shù)使編碼調制參數能夠適應無(wú)線(xiàn)信道的變化，以提供更高的頻譜效率和更可靠的傳輸性能;通過(guò)在發(fā)射端和接收端配置多個(gè)天線(xiàn)，從而提高系統的容量、改善系統性能;二是在上行鏈路采用峰均比(PAPR)較低的分布式或集中式單載波頻分復用提供多址接入;在幀結構和頻譜規劃上，盡可能與現有3G標準相兼容，以方便終端在不同制式系統中的切換，減小未來(lái)升級帶來(lái)的投入。
在接入網(wǎng)體系結構方面，設計的主要目標是減小時(shí)延和復雜度，使得協(xié)議能夠有效支持新的物理層傳輸技術(shù)，從而提供更高的用戶(hù)容量、系統吞吐量和端到端的服務(wù)質(zhì)量保證。在3GLTE中，最終將要實(shí)現所有業(yè)務(wù)通過(guò)分組域傳輸，如何保證各種分組業(yè)務(wù)、特別是實(shí)時(shí)性要求較高的分組業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量，將成為一個(gè)關(guān)鍵的問(wèn)題。
LTE還將發(fā)展新的網(wǎng)絡(luò )結構。在原來(lái)的3G無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)之外，建立一個(gè)新的全IP化的RAN和與固網(wǎng)融合的純IP的核心網(wǎng)，以滿(mǎn)足寬帶無(wú)線(xiàn)接入的需求，移動(dòng)通信系統將不再自成系統，真正實(shí)現了固定網(wǎng)和移動(dòng)網(wǎng)的融合。目前LTE工作組正在緊鑼密鼓地從需求開(kāi)始全面開(kāi)展工作，由于在3GPP內部意見(jiàn)并沒(méi)有完全統一，能否達到預定目標還存在一些問(wèn)題。
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