LTE标准化及其演进路线[图]

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。

3.2 时延

时延是数据在网络中传送所需要的环回时间。无线通信技术发展至今，每次技术演进都在努力降低时延。相比于 EDGE的150ms，HSDPA的时延小于70ms。而后HSUPA、HSPA+和LTE的时延则更低。HSPA+为了更好的兼容性，基本是沿袭了HSPA的网络架构，而在LTE系统中，则有了全新的变化。首先是无线接入系统只有一种网络结点，那就是eNodeB。eNodeB替代了3G网络中的NodeB和RNC，主管无线接入功能。eNodeB和eNodeB之间引入了X2接口，一部分业务流量可直接在基站之间处理，而不用再发往核心网络，大大提高了数据处理效率。LTE接入网的架构演进如图3所示。

在单元化接入网网元的同时，LTE的核心网节点也进行了简化，通过网络扁平化进一步提升网络性能。采用LTE网络架构的最大好处就是通过减少节点减少时延，满足LTE实时业务的低时延要求，另外减少网络实体，也符合节省成本的需求。

图4显示了各系统的时延对比。设备商的性能各不相同，所以每种系统的时延都用最大值和最小值的区间来表示。可以看出，LTE的时延均小于20ms，满足系统设计要求，相对于HSPA+也有一定的优势。

3.3 频谱效率

频谱效率是指单位频带所支持的数据速率或者用户数。在频段、频谱数量、小区位置等因素不变的情况下，频谱效率意味着一定负荷条件下所支持的用户数较多，或者说在用户数目相同的条件下，单个用户的吞吐量较高。LTE和HSPA+的频谱效率差异是其各自采用的载波调制技术差异决定的。

传统的多载波通信系统中，为了避免相互干扰，整个系统频带被划分为若干个分离的子载波。各载波之间有一定的保护间隔，频带没有重叠，接收端通过滤波器把各个子载波分离之后接收所需信息。设置保护频带虽然可以避免各子载波间的互相干扰，但却需要以牺牲频率效率为代价。而OFDM技术完全解决了子载波干扰的问题。

OFDM的基带信号可以表示为

式中：

i——子载波

d——系统输入

T——信号周期

单路k子载波的解调结果为

对于除k外的其他子载波来说，由于在积分间隔内，频率偏差是1/T的整数倍，所以积分结果为0。因此相邻子载波虽然在频域上重叠，但不会产生干扰。

从图5中可以看出，由于OFDM技术的频率特性，各子载波间的频率响应是正交的。子载波间隔大大减小，从而使频率利用效率大大提高。LTE系统采用的各子载波间隔为15kHz，可以充分满足奈奎斯特准则。

实际应用场景中，无线网络的频谱效率受到很多因素的影响，如网络拓扑、传播条件、用户分布、业务特点等。在衡量和比较各个系统的频谱效率时，必须考虑到系统的仿真条件。3GPP对系统的仿真条件做了简单约定，常用的网络参数如表2所示。

在上述仿真条件下，LTE的频谱效率与HSPA+的对比结果如图6所示。从图6中可以看出，LTE的频谱利用率要明显高于HSPA+。

4 LTE-A关键技术和性能要求

LTE-A作为LTE的演进，是真正意义上的4G标准。LTE-A中，为了满足更高的性能指标，引入了一系列关键技术，包括上/下行MIMO扩展、载波聚合(CA)技术、接力通信(relay)和协作的多点传输与接收(CoMP)技术。图7列举了LTE-A中各种技术手段和主要目的。

LTE-A系统在关键技术方面有了很大的增强，其支持的系统带宽最小为20MHz，最大带宽达到100MHz。其各项性能指标得到了很大改善，具体表现为：

a)使用4×4 MIMO且传输带宽大于70MHz时，下行峰值速率为1G bit/s，上行峰值速率为500Mbit/s。

b)下行8×8天线配置时峰值频谱效率为30bit/s/Hz，上行4×4天线配置时峰值频谱效率为15bit/s/Hz。

c)下行4×4 MIMO配置下小区平均频谱效率为3.7bit/s/Hz，上行2×4 MIMO配置下小区平均频谱效率为2.0bit/s/Hz。

d)下行4×4 MIMO配置下小区边缘频谱效率为0.12bit/s/Hz，上行2×4 MIMO配置下小区边缘频谱效率为0.07bit/s/Hz。

e)在系统容量方面，LTE- A要求每5M带宽内支持200～300个并行的VoIP用户。

f)LTE-A对时延的控制更加严格，具体为：控制层从空闲状态转换到连接状态的时延低于50ms，从休眠状态转换到连接状态的时延低于10ms；用户层在FDD模式的时延小于5ms，在TDD模式的时延小于10ms。

5 结束语

LTE通过引入OFDM、MIMO和网络扁平化等多种关键技术和方法，带来了系统和业务性能的大量提升和改善，并且在传输速率、系统时延和频谱利用率等方面体现出很大优势，因此应该是未来无线技术的发展方向。对于目前运营3G系统的运营商来说，首先过渡到HSPA+是快速高效提升网络性能的途径，但是HSPA+在性能方面与LTE相比，还有一定的差距。就目前各运营商的选择情况看来，在均衡网络发展方向和当前运营状况的问题上，LTE与HSPA+势必会有一定的较量。随着LTE-A标准化的完成，移动通信的“Long Term Evolution”之路无疑非LTE莫属。

参考文献：

[1] Erik Dahlman，Stefan Parkvall，Johan Skold. 4G LTE/LTE-Advanced for MobileBroadband[M]. Academic Press，2011.

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[7] 3GPP TS 36.211 V10.3.0 physical channel and modulation[S/OL].[2011-11-12].http://www.quintillion.co.jp/3GPP/Specs/36211-860.pdf.