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論LTE的技術(shù)特點(diǎn)及發(fā)展前景
0 LTE 產(chǎn)生的時(shí)代背景
2004 年底，在WiMAX 技術(shù)迅猛崛起的同時(shí)， 3GPP（3rd Generation Partnership Project，第3 代合作伙伴計(jì)劃）啟動(dòng)了UMTS 技術(shù)的長(zhǎng)期演進(jìn)LTE[1]（Long Term Evolution，長(zhǎng)期演進(jìn)）項(xiàng)目。在全球范圍內(nèi)，3G 移動(dòng)通信技術(shù)是當(dāng)前無(wú)線通信技術(shù)的主流，在諸多3G 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中，以3GPP 制定的UMTS[2]（Universal Mobile Telecommunications System，通用移動(dòng)通信系統(tǒng)）技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)最具有影響力。3G 系統(tǒng)正在全世界范圍逐步部署開來(lái)，增強(qiáng)型UMTS技術(shù)——高速下行分組接入(HSDPA)和高速上行分組接入(HSUPA)技術(shù)[3]的標(biāo)準(zhǔn)化工作也基本完成。就在3GPP 著手為2012 年開始的IMT-Advanced 技術(shù) (俗稱4G 或B3G 技術(shù))的標(biāo)準(zhǔn)化做準(zhǔn)備的時(shí)候，基于OFDM 技術(shù)[4]的WiMAX[5]（World interoperability for MicrowaveAccess，全球微波接入互操作）標(biāo)準(zhǔn)的橫空出世，這給寬帶移動(dòng)通信技術(shù)帶來(lái)了挑戰(zhàn)。
相對(duì)于其他無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)，為了讓 3GPP 標(biāo)準(zhǔn)能夠長(zhǎng)期保持在移動(dòng)通信領(lǐng)域占據(jù)的優(yōu)勢(shì)地位，能夠和支持20MHz 帶寬的WiMAX 技術(shù)相抗衡，3GPP 的移動(dòng)通信廠商不得不快速跟進(jìn)，投入U(xiǎn)MTS 技術(shù)的演進(jìn)版本——LTE 的標(biāo)準(zhǔn)化工作。3GPP 長(zhǎng)期演進(jìn)技術(shù)（3GPP LongTerm Evolution, LTE）為第三代合作伙伴計(jì)劃（3GPP）標(biāo)準(zhǔn)，使用OFDM（正交頻分復(fù)用）的射頻接收技術(shù)，以及2×2 和4×4 MIMO[6]的分集天線技術(shù)規(guī)格，同時(shí)支FDD（頻分雙工）和TDD（時(shí)分雙工）。
1 LTE 技術(shù)特點(diǎn)
3GPP 從系統(tǒng)性能要求、網(wǎng)絡(luò)的部署場(chǎng)景、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、業(yè)務(wù)支持能力等方面對(duì)LTE 進(jìn)行了詳細(xì)的描述。與3G 相比，LTE 具有如下關(guān)鍵技術(shù)特征：
(1)通信速率有了提高，下行峰值速率為100Mbps、上行為50Mbps。
(2)提高了頻譜效率，下行鏈路5(bit/s)/Hz，(3-4 倍于R6HSDPA);上行鏈路2.5(bit/s)/Hz，是R6HSU-PA2-3 倍[7]。
(3)簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和軟件架構(gòu)，以信道共用為基礎(chǔ)，以分組域業(yè)務(wù)為主要目標(biāo)，系統(tǒng)在整體架構(gòu)上將基于分組交換。
(4)QoS 保證，通過(guò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和嚴(yán)格的QoS 機(jī)制，保證實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)(如VoIP)的服務(wù)質(zhì)量。
(5)系統(tǒng)部署靈活，能夠支持1.4～20MHz 間的多種系統(tǒng)帶寬，不必要分組殘片過(guò)濾技術(shù)可支持“paired”和“unpaired” [8]的頻譜分配。保證了將來(lái)在系統(tǒng)部署上的靈活性。
(6)非常低的線網(wǎng)絡(luò)時(shí)延：子幀長(zhǎng)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(dá)U-plan<5ms，C-plan<100ms。
(7)增加了小區(qū)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(qū)邊界比特速率，OFDM 支持的單頻率網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可提供高效率的多播服務(wù)。如MBMS(多媒體廣播和組播業(yè)務(wù))在小區(qū)邊界可提供1bit/s/Hz 的數(shù)據(jù)速率。
(8)強(qiáng)調(diào)向下兼容，支持已有的3G 系統(tǒng)和非3GPP 規(guī)范系統(tǒng)的協(xié)同運(yùn)作，支持自組網(wǎng)（Self-organising Network）操作。
與 3G 相比，LTE 更具技術(shù)優(yōu)勢(shì)，具體體現(xiàn)在：高數(shù)據(jù)速率、分組傳送、延遲降低、廣域覆蓋和向下兼容。
2 LTE 系統(tǒng)的核心技術(shù)簡(jiǎn)析
2.1 LTE 系統(tǒng)架構(gòu)
LTE 技術(shù)中的傳統(tǒng)語(yǔ)音通信只是網(wǎng)絡(luò)給終端用戶提供的服務(wù)之一，其關(guān)鍵的設(shè)計(jì)目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)完全基于分組交換。在LTE 網(wǎng)絡(luò)中，不再采用2G 和3G 網(wǎng)絡(luò)中的雙核心網(wǎng)結(jié)構(gòu)，即語(yǔ)音核心網(wǎng)(MSC/VLR)和分組核心網(wǎng)(SGSN/GGSN)，而是讓分組核心網(wǎng)成為管理UE 移動(dòng)性和處理信令的唯一核心網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)各種業(yè)務(wù)通過(guò)IP 多媒體系統(tǒng)[9] (IMS) 提供給終端用戶。
LTE 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)主要包括增強(qiáng)型Node B(簡(jiǎn)稱eNode B[10])和接入網(wǎng)關(guān)(MME/SAE GW)。LTE 中的eNode B 除了具有原Node B 的功能之外，還承擔(dān)了原來(lái)RNC 的大部分功能。eNodeB 的功能包括：無(wú)線資源管理、IP 頭壓縮和用戶數(shù)據(jù)流加密、選擇UE 附著的MME、選擇用戶面數(shù)據(jù)向S-GW 的路由、調(diào)度和發(fā)送從MME 發(fā)起的信息，還有移動(dòng)性和調(diào)度的測(cè)量與上報(bào)配置。如所示，E-UTRAN[11]由eNode B 構(gòu)成， eNode B 之間由X2 接口互聯(lián)，每個(gè)eNode B 又和演進(jìn)型分組核心網(wǎng)（EPC）通過(guò)S1 接口相連。
與 2G 和3G 的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)相比，LTE 網(wǎng)元省略RNC 節(jié)點(diǎn)，只是由若干eNode B 組成，這樣就省略了對(duì)接入點(diǎn)進(jìn)行匯集，減少了網(wǎng)元數(shù)目，使網(wǎng)絡(luò)更加扁平化，部署簡(jiǎn)單，容易維護(hù)。取消RNC 的集中控制，有利于避免單點(diǎn)故障，從而提高網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性。LTE 網(wǎng)絡(luò)中的eNodeB 直接鏈接MME 和服務(wù)SAE GW，有助于降低系統(tǒng)的整體時(shí)延，便于開展更多的業(yè)務(wù)。
2.2 空中接口技術(shù)
空中接口是指終端和接入網(wǎng)之間的接口，一般稱為Uu 接口[12]�？罩薪涌趨f(xié)議主要是用來(lái)建立、重配置和釋放各種無(wú)線承載業(yè)務(wù)�？罩薪涌谑且粋�(gè)完全開放的接口，只要遵守接口規(guī)范，不同的制造商上產(chǎn)的設(shè)備就能夠互相通信，完全開放的接口有利于不同廠家設(shè)備的兼容。
LTE 空中接口的用戶平面和控制平面功能由eNode B 統(tǒng)一進(jìn)行管理和控制，包括完成基站之間的切換等。由于減少了一層節(jié)點(diǎn)，用戶平面的數(shù)據(jù)傳送和控制平面的無(wú)線資源控制變得更加方便、靈活。
LTE 空中接口協(xié)議與UTRAN（Universal Terrestrial Radio Access Network，通用地面無(wú)線接入網(wǎng)）相比，放棄專用傳輸信道，改用上下鏈路使用共享信道，可以是共享空中接口的無(wú)線資源；另外，MAC 子層的實(shí)體類型和RRC 層處理都相對(duì)于UTRAN[13]得到了簡(jiǎn)化。
3 LTE 和寬帶無(wú)線接入技術(shù)的對(duì)比
就目前的通信技術(shù)的發(fā)展形式來(lái)看，寬帶無(wú)線接入技術(shù)和蜂窩移動(dòng)通信技術(shù)已經(jīng)呈現(xiàn)出相互融合的趨勢(shì)�；贗EEE802.16e 的移動(dòng)性WiMAX 技術(shù)和以LTE 為代表的E3G[14]技術(shù)，無(wú)論在性能指標(biāo)還是核心技術(shù)方面，都具有相當(dāng)大的相似性。
下面以 IEEE802.16e 和3GPP LTE 分別作為寬帶無(wú)線接入和寬帶移動(dòng)通信技術(shù)的代表技術(shù)，將其二者的性能指標(biāo)歸納在中。
在移動(dòng)性能方面，LTE 強(qiáng)調(diào)了在15km/h 以下低速場(chǎng)景優(yōu)化系統(tǒng)，并要求在120km/h 一下只發(fā)生輕微的性能下降，同時(shí)也支持250km/h 的高速移動(dòng)[15]，另外LTE 還要求在500km/h的告訴移動(dòng)下保持連接。WiMAX 技術(shù)原本只用于120km/h 以下的中低車速移動(dòng)，現(xiàn)在也邁向支持120km/h 以上移動(dòng)速度�？偟恼f(shuō)來(lái)，寬帶移動(dòng)通信和寬帶無(wú)線接入技術(shù)對(duì)移動(dòng)性的要求已趨向一致。
網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方面，寬帶移動(dòng)通信和寬帶無(wú)線接入技術(shù)的核心網(wǎng)正在相互滲透，E3G 將基于全I(xiàn)P 的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，而WiMAX 網(wǎng)絡(luò)將支持IMS 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，兩者的RAN 結(jié)構(gòu)都趨于扁平化和分散化[15]。WiMAX 和LTE 也都在考慮多種無(wú)線通信系統(tǒng)（如2.5G、3G、WiMAX、WLAN）之間的互操作和切換。
為滿足上述的系統(tǒng)需求，IEEE802.16e 和LTE 標(biāo)準(zhǔn)分別選擇適當(dāng)?shù)年P(guān)鍵技術(shù)，如所示。
LTE 在上行采用了SC-FDMA[17]以降低信號(hào)峰平比（PAPR），但其只要的實(shí)現(xiàn)方式為離散傅立葉變換擴(kuò)展OFDM 技術(shù)。LTE 出于對(duì)高移動(dòng)性的考慮，采用了最大的子載波間隔15kHz。LTE 采用的是OFDM技術(shù)，WCDMA 中采用的是直接序列擴(kuò)頻的CDMA技術(shù)。OFDM技術(shù)的頻譜效率明顯優(yōu)于CDMA。
在小區(qū)干擾抑制方面，LTE 考慮了干擾協(xié)調(diào)技術(shù)，在上行支持基于干擾指示和過(guò)載只是的動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)，在下行至支持半靜態(tài)協(xié)調(diào)，另外還采用加擾的方式進(jìn)行干擾隨機(jī)化。相對(duì)而言，IEEE802.16e 對(duì)小區(qū)間干擾問(wèn)題的重視程度較低，只采用跳頻技術(shù)[18]對(duì)干擾進(jìn)行隨機(jī)化。
4 總結(jié)
綜上所述，LTE 技術(shù)改進(jìn)并增強(qiáng)了3G 的空中接入技術(shù)，采用OFDM 和MIMO[21]作為其無(wú)線網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)的唯一標(biāo)準(zhǔn)。在20MHz 頻譜帶寬下能夠提供下行326Mbit/s 與上行86Mbit/s的峰值速率[22]。改善了小區(qū)邊緣用戶的性能，提高小區(qū)容量和降低系統(tǒng)延遲。相對(duì)于目前3G 網(wǎng)絡(luò)的容量和速度，LTE 是它的100 余倍，且延遲性更低，并具有從1.25～20MHz 不等的靈活頻譜[23]。LTE 與WiMAX，以及3GPP2 的超行動(dòng)寬帶[24]（Ultra Mobile Broadband，UMB）技術(shù)常一起被稱為4G，過(guò)去的3G 技術(shù)是指同一無(wú)線網(wǎng)絡(luò)提供語(yǔ)音和數(shù)據(jù)通訊，但到了4G 時(shí)代則變成為全數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，LTE 估計(jì)最高下載速率100Mbps 與上傳50Mbps[25]以上，比WiMax 更快。
LTE 的基站測(cè)試工作正在各城市測(cè)試點(diǎn)部署開來(lái)，接下來(lái)LTE 將進(jìn)入一個(gè)不斷成長(zhǎng)、成熟的階段。韓國(guó)電子通訊研究院（ETRI）成功以時(shí)速120 公里的移動(dòng)速度、在基地臺(tái)和終端設(shè)備樣品之間進(jìn)行LTE 資料傳輸。諾基亞（Nokia）也已完成使用2.6GHz 頻段傳輸速率可達(dá)173Mbps 的LTE 技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，等等，其他國(guó)際大型通信公司或研究機(jī)構(gòu)也已經(jīng)啟動(dòng)了相應(yīng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)技術(shù)方案，并對(duì)LTE 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)解決方案和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了大量的測(cè)試和驗(yàn)證。在國(guó)際移動(dòng)通信巨頭機(jī)構(gòu)的長(zhǎng)期技術(shù)投入和主導(dǎo)下，未來(lái)的移動(dòng)通信將無(wú)疑朝著LTE 和LTE-Advanced[26]的方向迅速發(fā)展。
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