4G LTE-Advanced技术标准

      1  引言

      LTE-Advanced指的是LTE在Release 10以及之后的技术版本。2004年底，在3GPP中开始进行LTE的标准化工作，与3G以CDMA技术为基础不同，根据无线通信向宽带化方向发展的趋势，LTE采用了OFDM技术为基础，结合多天线和快速分组调度等设计理念，形成了新的面向下一代移动通信系统的空中接口技术，又称为3G演进型系统（LTE，Long Term Evolation）。2008年初，完成了LTE第一个版本的系统技术规范，即Release 8。在此之后，3GPP中继续进行技术的完善与增强，刚刚完成了第二个技术版本（Release 9），目前正处于Release 10版本的研究过程中。

      在3GPP中进行LTE技术研究的同时，国际电信联盟（ITU）一直在开展关于下一代移动通信系统的市场需求和频率规划等方面的调研工作，为制定4G技术的国际标准建议做准备。2008年3月，ITU开始了候选技术的征集和标准化进程，称为IMT-Advanced。响应ITU关于4G IMT-Advanced技术的征集，3GPP中将正在研究的LTE Release 10以及之后的技术版本称为LTE-Advanced，并且向ITU进行了候选技术的提交。

      LTE支持FDD和TDD两种双工方式，在LTE Release 8版本中，采用20MHz的通信带宽，空中接口的下行峰值速率超过300Mbit/s上行方向的峰值速率也超过了80Mbit/s。而LTE Release 10版本（LTE-Advanced）将支持100MHz的通信带宽，空中接口的峰值速率超过1Gbit/s。值得一提的是，作为TD-SCDMA技术的后续演进，LTE的TDD模式又称为TD-LTE/TD-LTE-Advanced。出于对TD-SCDMA技术演进路线的关注，中国的成员单位在3GPP中深度参与了相关的系统设计过程，2009年10月，中国政府正式向ITU提交了TD-LTE-Advanced建议作为4G国际标准候选技术。

      2  技术特点

      2.1  多址方式与资源分配

      LTE采用OFDM技术为基础，根据上行和下行链路各自的特点，分别采用单载波DFT-SOFDM和OFDMA作为两个方向上多址方式的具体实现。OFDM技术以子载波为单位进行频率资源的分配，LTE系统采用15kHz的子载波带宽，按照不同的子载波数目，可以支持1.4，3，5，10，15和20MHz各种不同的系统带宽。Release 10版本中将要引入的载波聚合技术，可以通过聚合5个20MHz的单元载波实现100MHz的全系统带宽（见图1）。

      图1  载波聚合

      2.2  快速的分组调度

      无线衰落信道在时间上和频率上是变化的，在LTE中采用1ms时间长度的TTI（传输时间间隔）结合12个子载波（180KHz）频率宽度，形成PRB（物理资源块）。根据信道的变化情况，系统进行快速的调度，给用户分配最优的物理资源。在所选择的物理资源上，进一步利用AMC（自适应编码调制）技术，形成资源的最佳利用。这样的自适应调度，从整个系统的角度实现资源优化的分配和利用，提高全系统性能。同时，灵活的调度也可以根据业务特点为单个用户提供合理的QoS保证，相关的机制已经成为所有新一代移动通信系统设计中的一项基本技术。

      2.3  多天线技术

      多天线（MIMO）技术是LTE系统提高吞吐量的一项关键技术，根据天线部署形态和实际应用情况可以采用发射分集、空间复用和波束赋形3种不同的MIMO实现方案。例如，对于大间距非相关天线阵列可以采用空间复用方案同时传输多个数据流，实现很高的数据速率；对于小间距相关天线阵列，可以采用波束赋形技术，将天线波束指向用户，减少用户间干扰。对于控制信道等需要更好的保证接收正确性的场景，发射分集是一种合理的选择。

      LTE Release 8版本支持下行最多4天线的发送，最大可以空间复用4个数据流的并行传输，在20MHz带宽的情况下，可以实现超过300Mbit/s的峰值速率。在Release 10中，下行支持的天线数目将扩展到8个。相应地，最大可以空间复用8个数据流的并行传输，峰值频谱效率提高一倍，达到30bit/s/Hz。同时，在上行也将引入MIMO的功能，支持最多4天线的发送，最大可以空间复用4个数据流，达到16bit/s/Hz的上行峰值频谱效率（见图2）。

      图2  MIMO技术增强

      2.4  中继技术

      中继（Relay）技术是LTE将在Release 10版本中开始引入的另一项重要功能（见图3）。传统基站需要在站点上提供有线链路的连接以进行“回程传输”，而中继站通过无线链路进行网络端的回程传输，因此可以更方便地进行部署。根据使用场景的不同，LTE中的中继站可以用于对基站信号进行接力传输，从而扩展网络的覆盖范围；或者用于减小信号的传播距离，提高信号质量，从而提高热点地区的数据吞吐量。

      图3  中继技术 [page]

      2.5  性能评估情况

      在作为4G候选提案的准备过程中，按照ITU规定的评估场景对LTE/LTE-Advanced的系统性能进行了全面的评估，包括频谱效率，VoIP容量，业务/切换时延等各项关键指标均达到或者超过了ITU IMT-Advanced技术要求。图4是在4种场景下对于LTE系统平均频谱效率的评估情况。

      图4  LTE/LTE-Advanced性能评估

      3  标准发展情况

      LTE（Long Term Evolution）是3G之后新的系统设计，3GPP在2004年底开始技术研究与系统的标准化工作。到2008年初，完成了第一个版本Release 8的系统技术规范，形成了面向下一代移动通信系统的、以OFDM/MIMO技术为基础的全新的技术架构。LTE Release 8版本实现了100Mbit/s吞吐量的设计目标，在此基础上，3GPP在后续的版本中不断进行系统的完善与技术增强。

      截至2010年3月，LTE Release 9的各个标准化项目都已经完成，系统新增的功能包括用户定位、多播/广播功能、双流波束赋型，家庭基站和自组织网络等。虽然并没有增加系统的峰值吞吐量，但是这些功能进一步完善了系统，在前一版本形成新的系统框架的基础上，LTE Release 9版本丰富了系统的业务能力。

      目前，正在进行研究工作的是LTE Release 10版本，已经确定的研究内容包括前面介绍的载波聚合、MIMO技术增强、中继Relay技术以及异构网络等。载波聚合技术和MIMO技术的进一步增强将显著提升系统的吞吐量能力，实现超过下一代移动通信系统1Gbit/s的性能目标。LTE Release 10计划的完成时间是2011年初，届时LTE的系统性能将得到一次显著的增强和完善。图5所示的是LTE的技术发展情况。

      图5  LTE技术发展

      LTE是3G之后，下一代移动通信系统一个最重要的发展方向，国内各个单位在相关技术研究和国际标准化领域进行了很大的投入。据统计，至今中国公司在3GPP共提交LTE方面的文稿大约5000篇，占相关总文稿数目的约14%。随着LTE标准的不断发展，国内公司的参与力度在不断加强，文稿占总数的比例也在逐年上升，到2009年下半年已经达到了20%以上。对于我们重点关注的TD-LTE的系统设计，中国公司提交的文稿数目更是接近总数的50%。

      4  结束语

      3GPP LTE以OFDM/MIMO作为基本技术，大量采用了目前移动通信领域最先进的技术和设计理念，从Release 8版本开始，LTE已经完成了Release 9版本，目前正处于Release 10版本的研究过程中。为了响应ITU关于IMT-Advanced国际建议的工作，将LTE Release 10以及后续版本又称为LTE-Advanced，是移动通信系统在4G阶段一个最重要的发展方向。LTE-Advanced的TDD模式又称为TD-LTE-Advanced，它是3G TD-SCDMA在下一代移动通信系统4G上的技术演进。按照ITU规定的评估场景所进行的性能仿真评估结果显示，LTE-Advanced/TD-LTE-Advanced的各项系统性能指标均达到或者超过了ITU IMT-Advanced技术要求。

      中国公司在LTE的国际标准化工作中进行了很大的投入，并且随着LTE标准的发展不断加大参与的力度。在近期LTE Release 10阶段的标准化工作中，中国公司提交的文稿数量已经达到会议总文稿数量的20%以上（见图6），在全面参与LTE技术国际标准化的同时，有效引导了TD-LTE技术的发展方向。

      图6  中国公司文稿占3GPP LTE总文稿数的比例