3G后的LTE技术概述.docx

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3G后的LTE技术概述

3G后的LTE技术概述

暨南大学信息科学技术学院电子工程系

摘要：

无线通信的发展日新月异。

LTE也被通俗的称3.9G，这种以OFDM/FDMA为核心的技术

可以被看作“准4G”，其在20MHz频谱带宽能够提供下行100Mbps、上行50Mbps的峰值速率，被视作从3G向4G演进的主流技术。

文章阐述了LTE的技术特征、核心技术，并通过与3G技术及Wimax（WorldwideInteroperabilityforMicrowaveAccess）的各项性能作比较，着重分析了LTE的技术优势。

最后，指出了LTE在个人通信市场的应用前景与所面临的挑战。

关键词：

LTE、4G、3G、Wimax、LTEFDD、LTETDD.

Abstract：

ThedevelopmentofWirelessCommunicationissospeedythatitseemshavebeenchangingeveryday.Usually,LTEiscalledGenerationThreePointNine,also.Thistechnology,whotakesOFDMorFDMAasitscore,canbetreatedas4Goffuture.Whenthebandwidthof20M,LTEcanptovidetoprateof100Mpbsforloadingandtoprateof50Mpbsforuploading.Hence,LTEisseemedasthemaintechnologyfrom3Gto4G.ThispaperchieflyshowsusthecharactersofLTE,thenetworktopologyandcoretechnologyandanalysestheadvantagesofLTEbycomparingwith3GandWimax.Finally,thisarticlefingersouttheapplicationprospectandchallengeofLTEinindividualcommunicationmarket.

Keywords:

LTE、4G、3G、Wimax、LTEFDD、LTETDD.

一、引言

随着个人通信技术在20多年中不断发展成熟，人们在生活中对无线通信的依赖越来越强。

目前，全球的移动语音用户已超过了18亿，同时，众多的使用者也对个人通信技术的发展提出了新的要求：

通信设备的微型化、低功耗、高带宽、快速接入和多媒体化，而最关键的是能被广大用户负担得起的廉价终端设备和网络服务[1]。

目前，无线通信系统呈现出移动化、宽带化和IP化的的发展趋势。

虽然3G网络的无线性能已经得到了较大的提高，但应对市场的挑战和满足用户需求等领域还是有很多局限性。

同时，昂贵的授权费用也制约了3G技术的发展，因而受到了技术简单、价格低廉的WiFi和Wimax的强烈挑战。

用户的需求和市场的挑战迫切需要传输速率更快、时延更短、频带更宽以及运营成本更少的网络诞生。

在此形势下，国际电联（ITU）提出了更高的要求：

IMT-Advanced，也就是我们说的4G技术。

WiMAX、LTE和UMB是目前向4G演进的最主要标准。

LTE（LongTermEvolution）同时定义了LTEFDD（FrequencyDivisionDuplexing）和LTETDD（TimeDivisionDuplexing）两种方式，其中LTETDD作为TD-SCDMA向4G的演进方式，是中国移动必然的选择，引人注目。

本文阐述了LTE的技术特征、网络结构与核心技术，并通过与3G技术及Wimax（WorldwideInteroperabilityforMicrowaveAccess）的各项性能作比较，着重分析了LTE的技术优势。

最后，指出了LTE在个人通信市场的应用前景与所面临的挑战。

二、LTE技术介绍

1.LTE的定义

LTE（LongTermEvolution,长期演进）技术是第三代移动通信技术的演进，始于2004年3GPP（The3rdGenerationPartnershipProject，第三代合作伙伴计划）的多伦多会议。

LTE并非人们普遍误解的4G技术，而是3G与4G技术之间的一个过渡，是3.9G的全球标准。

2.LTE的性能目标[2]

LTE改进并增强了3G的空中接入技术，采用OFDM和MIMO作为其无线网络演进的唯一标准。

其主要性能目标包括：

Ø在20MHZ频谱带宽下能够提供下行100Mbit/s与上行50Mbit/s的峰值速率。

Ø改善了小区边缘用户的性能。

Ø提高小区容量和降低系统延迟（用户平面内部单向传输时延低5ms，控制平面从睡眠状态到激活状态迁移时间低于50ms，从驻留状态到激活状态的迁移时间小于100ms）。

Ø支持100Km半径的小区覆盖，能够为350Km/h高速移动用户提供大于100kbps的接入服务。

Ø支持成对或非成对频谱，并可灵活配置1.25MHz到20MHz的多种带宽。

3.LTE的关键技术[3]

LTE采用了以下几个关键技术来实现其优异性能。

（1）传输技术与多址技术

3GPP选择了大多数公司支持的方案，即下行OFDM，上行SC-FDMA。

大多数公司支持采用“频域”方法来生成上行SC-FD-MA信号。

这种技术是在OFDM的IFFT调制之前对信号进行DFT扩展，这样系统发射的是时域信号，从而可以避免OFDM系统发送频域信号带来的PAPR问题。

上行SC-FDMA信号可以用“频域”和“时域”两种方法生成，频域生成方法又称为DFT扩展OFDM（DFTS-OFDM）；时域生成方法又称为交织FDMA（IFDMA）。

采用哪种生成方法目前尚未确定，但大部分公司支持采用DFT-S-OFDM技术（如图1所示）。

这种技术是在OFDM的IFFT调制之前对信号进行DFT扩展，系统发射的是时域信号，从而可以避免OFDM系统发送频域信号带来的PAPR问题。

图1　DFT-S-OFDM发射机结构

（2）宏分集

在无线通信中，宏分集是指使用多个发送天线或者多个接收天线传送相同信号的情形，这些天线之间的距离比波长大得多。

在蜂窝网络或无线局域网中，这些天线可以位于不同的基站或接入点。

宏分集的目的是为了对抗衰落，增加接收信号强度。

当移动台处于两个（或三个）小区的交界处进行切换时，会有两个（或三个）基站在同时向它发送相同的信息，移动台搜索并解调这些信号，即可按一定的方式（如最大比方式）进行分集合并。

WCDMA采用软切换，实施软切换的核心就是宏分集。

TD-SCDMA采用接力切换，不采用宏分集。

LTE中由于存在难以解决的“同步问题”，对单播（Unicast）业务不采用下行宏分集。

只是在提供多小区广播（Broadcast）业务时，由于放松了对频谱效率的要求，可以通过采用较大的循环前缀（CP），解决小区之间的同步问题，从而使下行宏分集成为可能。

考虑到实现网络结构“扁平化”、“分散化”，LTE不采用上行宏分集技术。

在下行链路，通过不同基站或不同扇区的天线进行空间发射分集，会产生正交性更好的链路信号，从而在下行链路上会产生一定的宏分集增益；同时还能提供不失去链接的无缝切换，使切换中质量得到更好的保证。

（3）调制与编码

CDMA2000和WCDMA的数据调制方式为上行BPSK和下行QPSK。

TD-SCDMA系统的数据调制通常采用QPSK，在提供2Mbit/s业务时采用8PSK调制方式，在支持HSDPA时下行可以使用16QAM甚至64QAM方式调制。

LTE下行主要采用QPSK、16QAM、64QAM三种调制方式。

针对广播业务，一种独特的分层调制（hierarchicalmodulation）方式也考虑被采用。

分层调制的思想是，在应用层将一个逻辑业务分成两个数据流，一个是高优先级的基本层，另一个是低优先级的增强层。

在物理层，这两个数据流分别映射到信号星座图的不同层。

由于基本层数据映射后的符号距离比增强层的符号距离大，因此，基本层的数据流可以被包括远离基站和靠近基站的用户接收，而增强层的数据流只能被靠近基站的用户接收。

也就是说，同一个逻辑业务可以在网络中根据信道条件的优劣提供不同等级的服务。

上行主要采用位移BPSK（π/2-shiftBPSK，用于进一步降低DFT-S-OFDM的PAPR）、QPSK、8PSK和16QAM。

另一个正在考虑的降PAPR技术是频域滤波（SpectrumShaping）。

另外也已明确，CubicMetric是比PAPR更准确的衡量对功放非线性影响的指标。

在信道编码方面，主要还是沿用R6的Turbo编码作为LTE信道编码，例如在系统性能评估中。

但是，很多公司也在研究其他编码方式，并期望被引入LTE中，如低密度奇偶校验（LDPC）码。

在大数据量情况下，LDPC码可获得比Turbo码高的编码增益，在解码复杂度上也略有减小。

（4）多天线技术（MIMO技术）

MIMO技术是LTE最核心的技术，它是提高传输率的主要手段，LTE系统将设计可以适应宏小区、微小区、热点等各种环境的MIMO技术。

LTE已确定MIMO天线个数的基本配置是下行2。

MIMO技术是利用空间中增加的传输信道，在发射端和接收端分别使用了多个发射天线和接收天线，利用收发之间空间信道的传播特性来提高数据速率、减少误比特率，从而达到改善无线信号传送质量的目的。

由于各发射天线同时发送的信号占用同一个频带，所以能够成倍的提高系统得容量和频谱利用率。

MIMO技术主要包括发送分集技术和空间复用技术。

其中发送分集是指在不同的发送天线上发送包含相同信息的信号，利用空间信道的弱相关性，结合时间/频率上的选择性，提高信号传输的可靠性。

空间复用是指在不同的发送天线上发送不同的信息，利用空间信道的弱相关性，从而提高数据传输的峰值速率。

简化的MIMO系统结构如图2所示。

LTE系统基本MIMO模型是下行2×2、上行1×2个天线，但同时也正在考虑更多天线配置（最多4×4）的必要性和可行性。

具体的MIMO技术尚未确定，目前正在考虑的方法包括空间复用（SM）、空分多址（SDMA）、预编码（Pre-coding）、秩自适应（RankAdaptation）、智能天线以及开环发射分集（主要用于控制信令的传输，包括空时块码（STBC）和循环位移分集（CSD）等。

上行将采用一种特殊的SDMA技术，即已被WiMAX采用的虚拟（Virtual）MIMO技术。

此项技术可以动态的将两个单天线发送的UE配成一对，进行虚拟的MIMO发送，从而提高上行系统的容量。

MIMO多天线阵列技术在802.11n无线路由器上已有采用，通过这种多输入多输出体系，可以极大提升数据的吞吐和传送能力，并增强恶劣环境下的信号覆盖率。

（5）OFDM技术

LTE中采用OFDM技术，将信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到在每个子信道上进行传输。

正交信号可以通过在接收端采用相关技术来分开，这样可以减少子信道之间的相互干扰ICI。

每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，因此每个子信道上的可以看成平坦性衰落，从而可以消除符号间干扰，而且由于每个子信道的带宽仅仅是原信道带宽的一小部分，信道均衡变得相对容易。

由于无线信号在空中传输过程中会受到外界环境的反射和吸收，接受机接收到的无线信号是通过不同的直射、反射、折射等路径达到的，这会造成多路径衰减和干扰，对于高速移动过程中的通讯，还存在多普勒频移。

目前的3G所采用的CDMA技术本身就是一种自干扰体系，随着用户的增多和环境的变化，干扰会增加，造成数据速率难以提高。

OFDM是解决这些问题的理想途径，它使用的正交窄带信道可以有效抵抗频率选择性衰减，降低码间干扰和提高频谱利用率。

（6）载波聚合技术

载波聚合，即通过联合调度和使用多个成员载波上的资源，使得LTE一Advaneed系统可以支持最大100MHz的带宽，从而能够实现更高的系统峰值速率。

成员载波是指可配置的LTE系统载波，且每个成员载波的带宽都不大于LTE系统所支持的上限（20MHz）。

载波聚合有两种基本形式:

连续载波聚合和非连续载波聚合。

图3是对在频段上连续的多个载波进行聚合，在各个载波保持LTE后向兼容的同时，实现了LTE-Advanced全系统带宽的扩展。

图4是对频段上非连续的多个载波进行聚合的情况，由于频谱规划和分配的结果，一个运营商拥有的频率资源可能分散在各个非连续、离散的频段，非连续载波的聚合提供了一个系统对分散的频率资源进行整合利用的解决方案。

（7）AMC和HARQ

自适应调制编码（AdaptiveModulationandCoding，AMC）是链路自适应技术中的一种，移动通信系统可以采用AMC技术作为基本的链路自适应技术对调制编码方式以及数据速率进行粗略的选择。

自适应编码调制本质上是在保持误比特率（BitErrorRatio，BER）恒定的前提下，通过调整发射功率，选择调制模式;或者通过选择调制阶数，适应信噪比的动态变化。

AMC需要控制3个关键参数:

发射功率、调制阶数和信道编码速率。

为了克服无线移动信道时变和多径衰落对信号传输的影响，可以采用基于前向纠错编码（ForwardErrorRate，FEC）和自动重传技术（AutomaticRepeat-reQues，ARQ）等差错控制方法，来降低系统的BER以确保服务质量。

虽然FEC方案产生的时延较小，但存在的编码冗余却降低了系统吞吐量；ARQ在误码率不大时可以得到理想的吞吐量，但产生的时延较大，不宜于提供实时服务。

为了克服两者的缺点将这两种方法结合就产生了HARQ在ARQ系统中包含一个FEC子系统，当FEC的纠错能力可以纠正这些错误时，则不需要使用ARQ；只有当FEC无法正常纠错时，才通过ARQ反馈信道请求重发错误码组。

三、LTE的技术优势[4]

1.移动无线技术演进的主要标准

3G向4G的演进路径主要有3条:

（1）WiMAX从802.16e演进为802.16m的路线；

（2）WCDMA和TD－SCDMA，均从HSPA演进至HSPA＋，进而到LTE（分为FDD和TDD两种方式）；

（3）CDMA2000沿着1xEV－DORev.0、1xEV－DORev.A、1xEV－DORev.B，最终到UMB。

3G向4G的演进方式见下图：

WiMAX、LTE和UMB被认为是移动通信向4G演进的主要三种技术标准。

ITU对IMT-Advanced要求的峰值速率为：

（1）低速移动、热点覆盖场景下1Gbit/s以上。

（2）高速移动、广域覆盖场景下100Mbit/s。

目前这三种标准都未达到ITU为IMT-Advanced制订的目标，因此IEEE和3GPP等各大标准组织都在积极修订各自的标准，以符合ITU-R的建议。

WiMAX是由IEEE提出的宽带无线接入技术，受到英特尔、思科等IT厂商的支持。

由于没有原体制的束缚，最符合宽带接入市场的需求。

采用WiMAX的运营商主要是固网运营商和新运营商，然而，这些运营商可以利用VoIP等技术，通过WiMAX网络为用户提供与蜂窝网络相同的移动语音服务。

LTE（LongTermEvolution）是3GPP提出的演进标准，它定义了LTEFDD和LTETDD两种方式。

LTEFDD受到了传统移动运营商的支持，中国移动则是LTETDD的主要支持者。

随着LTETDD技术研究的深入，越来越多运营商和厂商加入到LTETDD队伍中来。

UMB（Ultra-MobileBroadband）是3GPP2提出的超移动宽带技术，主要由美国高通公司支持，是CDMA2000系列标准的演进升级版本，但目前还没有一家运营商宣布计划试验或者布署这项技术。

2.LTE与3G相比的技术优势

与3G相比，LTE具有如下主要技术优势：

（1）通信速率有了提高，下行峰值速率为100Mbps、上行为50Mbps。

CDMA2000理论上支持下行链路数据速率最高3.1Mbps和上行链路速率最高1.8Mbps；WCDMA支持384Kbps到2Mbps不等的数据传输速率，在高速移动的状态，可提供384Kbps的传输速率，在低速或是室内环境下，则可提供高达2Mbps的传输速率；TD-SCDMA传输速率最高为2.8mbps。

由于OFDM和MIMO技术的引进，LTE的传输速率提高到了下行峰值速率为100Mbps、上行为50Mbps。

其中MIMO技术是利用空间中增加的传输信道，在发射端和接收端分别使用了多个发射天线和接收天线，利用收发之间空间信道的传播特性（如弱相关性）来提高数据速率。

从而提高数据传输的峰值速率。

（2）提高了频谱效率，下行链路5（bit/s）/Hz，（3、4倍于R6 HSDPA），上行链路2.5（bit/s）/Hz，是R6 HSU-PA2的3倍。

载波聚合技术，AMC、HARQ以及OFDM技术的引入，使LTE的频谱效率相较于3G系统有了较大的改善。

由于采用了MIMO技术，各发射天线同时发送的信号占用同一个频带，所以能够成倍的提高系统容量和频谱效率。

LTE系统中，接收端进行信道测量，获得每个子载波的信道响应信息或信噪比（SignaltoNoiseRatio，SNR）估计，从而能够利用这些信道状态信息，对每个子载波进行调制模式选择并对信道编码进行码率调整，同时结合混合自动重传请求（HybridAutomaticRepeeat-reQuest，HARQ）技术，进一步对链路吞吐量进行精细调整。

因此与单载波相比，OFDM系统具有更多的自由度，能够根据信道响应，灵活选择调制模式、编码效率，并进行HARQ处理，从而能够显著提高链路频谱效率。

（3）以分组域业务为主要目标，系统在整体架构上将基于分组交换。

（4）QoS保证，通过系统设计和严格的QoS机制，保证实时业务（如VoIP）的服务质量。

（5）系统部署灵活，能够支持1.25MHz-20MHz间的多种系统带宽，并支持“paired”和“unpaired”的频谱分配，保证了将来在系统部署上的灵活性。

（6）降低无线网络时延：

子帧长度0.5ms和0.675ms，解决了向下兼容的问题并降低了网络时延，时延可达U-plan＜5ms，C-plan＜100ms。

（7）增加了小区边界比特速率，在保持目前基站位置不变的情况下增加小区边界比特速率。

如MBMS（多媒体广播和组播业务）在小区边界可提供1bit/s/Hz的数据速率。

LTE提高小区边缘数据率的目标将通过小区间干扰抑制技术实现。

目前正在考虑的方案包括干扰随机化、干扰协调、干扰消除和慢功控等。

（8）强调向下兼容，支持已有的3G系统和非3GPP规范系统的协同运作。

　LTE在上行和下行都没有采用宏分集合并技术。

也就是说，LTE将不采用软切换，而将采用快速小区选择（即快速硬切换）方法。

除了系统内的切换，LTE也正在考虑不同频率之间和不同系统（如其他3GPP系统、WLAN系统等）的切换。

3.三种主流标准的技术性能对比

（1）目前UMB仍然没有运营商宣布采用，事实上已经退出4G标准的竞争。

全球最大的CDMA运营商、美国第二大移动运营商VerizonWireless对外宣称其下一代网络将采取LTE技术，此举引得其他CDMA运营商纷纷效仿，他们分别投向了LTE和移动WiMAX。

以下将不再对UMB进行分析。

（2）LTEFDD无疑将是采用最多的4G标准，它从WCDMA演进而来，同时又吸收了CDMA2000标准，使之能够向下兼容WCDMA和CDMA2000技术标准，成为被广泛接受的标准。

（3）LTETDD在频率利用率上具有较大优势，可以使用LTEFDD系统不易使用的零散频段，也将成为4G的主流技术标准。

这两种方式各有优点，有互补性，可以共存。

（4）LTETDD和WiMAX具有比较大的相似度，可以融合。

虽然目前WiMAX（802.16e）已经商用，短时间内融合的可能性已经不存在，但在未来4G发展中，WiMAX仍可能与LTETDD标准融合。

目前我们可以把WiMAX可以看作是3G网络的一种补充。

下表是对目前三种主流标准的技术的对比，从主要技术性能进行评估。

（1）三种标准采用的技术相似度很高。

例如都使用了相同或者相近的频带宽度、编码方式，都采用了OFDMA、MIMO等技术，在未来有可能继续融合。

但不管如何融合，以上的技术必将成为未来4G标准的主流技术。

（2）兼容性方面，WiMax（802.16e）可以完全兼容WiMax（802.16d），在未来的4G中WiMax（802.16m）也可以完全兼容WiMax（802.16e），但对传统的3G网络无法支持。

目前可以开发传统手机与WiMax相结合的双模解决这个问题。

LTEFDD具有良好的向下兼容性，支持WCDMA/CDMA2000的演进，因此成为广受支持的标准。

相比之下，似乎LTETDD只支持TD-SCDMA演进。

但事实并非如此：

2008年2月13日爱立信首家演示了在同一系统和终端平台上同时支持LTEFDD和TD-LTE技术。

同时，沃达丰和中国移动宣布要求设备厂商同时支持LTEFDD和LTETDD方式。

未来两种方式共用平台将成为业界标准。

（3）频谱效率方面，LTETDD和WiMax都采用时分双工方式，不需要成对的频率，在频率资源紧张的今天，这种方式能够灵活配置频率，使用LTEFDD系统不易使用的零散频段。

这也成为LTETDD和WiMax最大的优势。

（4）从峰值速率看，LTETDD峰值速率会略低于LTEFDD。

这是由于LTETDD需要在同一个载频上保持一定的上下行时隙的比例和需要预留一定的时隙资源作为上下行时隙之间的保护，所以LTETDD的峰值速率低于LTEFDD。

但仍在可接受范围内。

（5）从标准成熟度看，WiMAX已经商用，目前向802.16m的演进标准征集也比较顺利。

而LTE预计2008年12月完成标准化工作第一版,最早商用也要等到2010年左右，大规模商用可能要在2012年后。

在这一点上，WiMAX显然领先一步。

综上所述，以上三种标准系统性能基本相当，各有优势。

在技术不分伯仲的前提下，运营商和厂商的支持力度将成为左右的标准前进方向的重要力量。

4、运营商支持度对4G技术的影响

运营商对通信标准的影响日益突出：

运营商具备明确的市场需求和详细的发展时间表；运营商处于产业链核心，连接了最终消费者和终端、设备、增值服务提供商以及研究院所，其角色正从2G、3G时代的技术选择者转变为产业主导者。

下表是目前主要运营商的演进方向。

注：

只有最后的一个CDMA大型市场没有明确下一步路线，即印度。

不过印度在通信技术的话语权微弱。

（1）全部WCDMA和TD-SCDMA运营商和大部分CDMA2000运营商都选择了LTE作为未来的网络演进方向，似乎LTE已经成为未来4G技术的默认标准。

（2）传统的CDMA2000运营商调转方向，除了美国SprintNextel和Clearwire采用WiMax标准作为下一代网络的演进方向，世界上其他主要的CDMA运营商都准备部署LTE。

如：

美国VerizonWireless、日本KDDI、韩国SK电讯和韩国电信（KTF）、加拿大Bell和Telus。

（3）固网运营商和新兴运营商对WiMax更感兴趣（如英国电信），传统移动运营商则更支持LTE的演进方向。

（4）沃达丰和AT&T在采用LTE部署下一代网络的同时，也采用了WiM