LTE演进及其标准化(一)

前言

　　随着移动数据业务的大量应用以及新业务种类的出现，对移动通信网络性能和质量方面的要求越来越高。LTE就是面向长期演进的体系和网络，它实际上并不是一个标准，但是它导致了3G标准的全面演进。目前3G网络已经普遍引入了HSDPA和HSUPA，下一步将面临HSPA+与LTE演进方向选择的问题，分析LTE的演进路线和标准化的过程以及它与HSPA+的异同，无疑有助于更深入地了解目前和未来网络的演进方向。

        介绍了LTE技术的演进过程和LTE标准的主要性能指标。通过LTE技术与HSPA+技术的分析比较，阐述了LTE技术的性能和优点。并在此基础上，展望了LTE-A的4G演进方向。

　　1 LTE标准演进过程

　　GSM网络是最早出现的数字移动通信技术，它基于FDD和TDMA技术来实现，由于TDMA的局限性，GSM网络发展受到容量和服务质量方面的严峻挑战，从业务支持种类来看，虽然采用GPRS/EDGE引入了数据业务，但是由于采用的是GSM原有的空中接口，因此其带宽受到限制，无法满足数据业务多样性和实时性的需求。在技术标准发展方面，针对GPRS提出了EDGE以及EDGE+的演进方向，但是基于CDMA接入方式的3G标准的出现使得EDGE不再进入人们的视线。

　　CDMA采用码分复用方式，虽然2G时代的CDMA标准成熟较晚，但是它具有抗干扰能力强、频谱效率高等技术优势，所以3G标准中的WCDMA、TD-SCDMA和CDMA2000都普遍采用了CDMA技术。

　　演进到3G网络时，GSM系统可以采用WCMDA或者TD-SCDMA的路线，而CDMA则使用CDMA2000的途径。WCDMA和TD-SCDMA早期标准为R99，后来在R4版本中引入IMS，R5版本中引入HSDPA，R6版本中引入HSUPA，R7版本中引入HSPA+，R8版本则面向LTE，CDMA系列的演进经由CDMA2000到CDMA1x再到UWB的方向发展，演进路径如图1所示。

　　各版本中都通过使用新技术来提升网络性能和服务质量，采用吞吐量进行对比，结果如表1所示。

　　LTE是面向未来的移动通信技术标准，早在2004年底，3GPP就启动了LTE技术的标准化工作，并在2009年3月发布了R8版本的FDD-LTE和TDD-LTE标准，这标志着LTE标准草案研究完成，LTE进入实质研发阶段。R9版本中进一步提出了LTE-advanced(LTE-A)的概念，LTE-A于2010 年6月通过ITU的评估，于2010年10月正式成为IMT-A的主要技术之一，它是在R8版本基础上的演进和增强。R10版本对其加以完善，是LTE-A的关键版本。

　　LTE采用正交频分复用(OFDM)、多进多出天线(MIMO)等物理层关键技术以及网络结构的调整获得性能提升。LTE-A则引入了一些新的候选技术，如载波聚合技术、增强型多天线技术、无线网络编码技术和无线网络MIMO增强技术等，使性能指标获得更大改善。

　　2 LTE基本性能要求

　　在LTE系统设计之初，其目标和需求就非常明确。作为后3G时代革命性的技术，LTE把降低时延、提高用户传输数据速率、提高系统容量和覆盖范围作为主要目标。具体性能要求如下：

　　a)支持1.4、3、5、10、15和20MHz带宽，灵活使用已有或新增频段;并以尽可能相似的技术支持“成对”频段和非“成对”频段，便于系统灵活部署。

　　b)20MHz带宽条件下，峰值速率达到上行50Mbit/s(2×1天线)，下行100Mbit/s(2×2天线)。

　　c)在有负荷的网络中，下行频谱效率达到3GPP R6 HSDPA的2~4倍，上行频谱效率达到R6 HSUPA的2~3倍。

　　d)在单用户、单业务流以及小IP包条件下，用户面单向延迟小于5ms。

　　e)从空闲状态到激活状态的转换时间小于100ms，从休眠状态到激活状态的转换时间小于50ms。

　　f)支持低速移动和高速移动。低速(0~15km/h)下性能较好，高速(15~120km/h)下性能最优，较高速(350~500km/h)下的用户能够保持连接性。

　　除了性能指标要求之外，在操作性、互联互通性以及业务支持等方面，LTE技术都提出了具体要求，比如支持与现有3GPP和非3GPP系统的互操作;支持增强型的广播和多播业务;降低建网成本;支持增强的IMS和核心网;取消电路域，所有业务都在分组域实现，如采用VoIP，支持简单的邻频共存;为不同类型服务提供QoS 机制，保证实时业务的服务质量;允许给UE分配非连续的频谱;优化网络结构，增强移动性等。因此，与其他无线技术相比，LTE具有更高的传输性能，且同时适合高速和低速移动应用场景。

　　3 LTE与HSPA+的性能比较

　　HSPA+作为HSPA技术的直接演进，在R7版本中引入，与LTE共同经历了R8、R9版本的发展。HSPA+的出发点在于对投资成本及平滑演进的考虑，因此具有一定的局限性，这种演进只能算是一种技术“改良”。与之相比，LTE作为着眼于4G的主流演进技术，可以称得上是一种技术“革命”。 LTE与HSPA+的性能差异体现在吞吐量、时延、频谱效率等方面。

　　3.1 吞吐量

　　吞吐量是指单位时间内成功地传送数据的数量，是衡量无线通信系统性能的重要指标。影响吞吐量的因素包括带宽、调制方式、信号质量、信道衰落、噪声干扰、调度机制等。

　　考虑到向后兼容和升级成本，HSPA+的载波带宽沿用了WCDMA以来的5MHz。采用2×2 MIMO配置和16QAM调制方式时，HSPA+峰值速率为28Mbit/s，采用2×2 MIMO配置和64QAM调制方式时，峰值速率为42Mbit/s。而LTE系统可以支持20MHz的带宽，LTE-A可以支持100MHz的带宽。更大的带宽使LTE系统拥有比HSPA+更大的传输容量。

　　LTE系统下行支持SU-MIMO、MU-MIMO和基于参考信号的波束赋型等多种多天线阵列技术，支持8种不同的MIMO和波束成型模式，并且可以同时支持多个数据流的传送。LTE中每个用户下行可支持2个流，而LTE-A中下行可支持8个流，还可以采用4×4、8×8等类型的收发方式，而目前所定义的HSPA系统只支持发射分集和2×2 MIMO。MIMO技术应用的丰富性和多样性使LTE的吞吐量更优。

　　LTE使用自然均衡器，如果RMS时延扩展小于CP长度，就不会产生系统间干扰。而HSPA+使用Rake接收机，不能完全消除系统间干扰，因此多径环境下性能会下降。LTE系统中，下行采用MLD+SIC接收机，上行采用SIC接收机，这些先进的接收机技术能够进一步降低干扰。

　　另外，HSPA+不采用频率选择性调度，只在时域使用机会性调度。而LTE得益于频率选择性调度机制，在时域和频域都可以进行机会性调度，其容量增益约为10%~15%。对于PS域的典型语音应用——VoIP来说，HSPA+中不再使用HS-SCCH，下行的容量得到改善，但上行仍然是限制因素。而LTE则采用半持续性调度和TTI绑定技术来降低控制信道开销，极大地改善了VoIP容量。

　　LTE和HSPA+的理论最大传输速率如图2所示。从图2中可以直观地看出，当采用最大带宽配置时，LTE的传输性能远远超过HSPA+，其吞吐量约为后者的8倍。