LTE和LTE-Advanced關(guān)鍵技術(shù)探究

通信技術(shù)于80 年代開始逐漸普及到人們的日常生活中，由于該項(xiàng)技術(shù)的許多優(yōu)越性，使其在短短幾十年內(nèi)得到了很好的發(fā)展， 而移動通信業(yè)務(wù)也產(chǎn)生了越來越高效和便于使用的技術(shù)。近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，人們對網(wǎng)絡(luò)的需求量與日俱增，這使得移動通信業(yè)務(wù)得以廣泛發(fā)展， 為了滿足人們越來越高的要求，LTE 無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)(4G) 應(yīng)運(yùn)而生。聚合載波、MIMO、多點(diǎn)協(xié)作發(fā)送、中繼等新技術(shù)也隨之產(chǎn)生， 這滿足了人們對通信高效的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的需求。而最為關(guān)鍵的LTE-Advanced 技術(shù)也成為尤為重要的4G 國際標(biāo)準(zhǔn)之一， 并得到了世界范圍內(nèi)通信領(lǐng)域的研究人員的關(guān)注。相信在不久的將來，4G 網(wǎng)絡(luò)將普遍應(yīng)用于所有用戶。

1 LTE-Advanced 技術(shù)概述及分析

1.1 發(fā)展背景

移動通信業(yè)務(wù)的產(chǎn)生改變了人類傳統(tǒng)的通訊方式，并很快取代了原始郵寄書信的通訊模式，這有效的改善了人們的生活，大大提高了生活效率，使得人們能夠更加容易的了解周圍發(fā)生的事情， 移動通信業(yè)務(wù)的發(fā)展是人類歷史上的一大進(jìn)步。

至今為止， 通信領(lǐng)域已經(jīng)經(jīng)歷了三個重要的發(fā)展階段，每一次的改善都是重大的進(jìn)步。第一代是模擬通信系統(tǒng)， 是由美國推出的一種高級移動電話系統(tǒng)，通過頻分多址技術(shù)實(shí)現(xiàn)了全國范圍的語音通信。第二代通信系統(tǒng)源于美國的CDMAone 系統(tǒng)和歐洲的全球移動通信系統(tǒng)，是數(shù)字通信系統(tǒng)的開端，它在全球范圍內(nèi)都取得了前所未有的成功，目前全球移動通信系統(tǒng)仍然是通信領(lǐng)域的主要服務(wù)方式。隨著科技的進(jìn)步，用戶對于數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾屎唾|(zhì)量的要求越來越高，第二代數(shù)字通信系統(tǒng)的一些技術(shù)已無法滿足用戶日漸增長的需求，這就推動了第三代移動通信系統(tǒng)的發(fā)展，3G 標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)運(yùn)而生。它包括中國主導(dǎo)的同步碼分多址技術(shù)、全球微波互聯(lián)接入技術(shù)、美國的CDMA2000 以及歐洲和日本的寬帶碼分多址技術(shù)。3G 移動通信系統(tǒng)是以CDMA 技術(shù)為基礎(chǔ)，在提高數(shù)據(jù)傳輸速率的同時(shí)還能支持多媒體業(yè)務(wù)。近兩年，3G 業(yè)務(wù)已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于全球范圍。

隨著科技的發(fā)展及人類的進(jìn)步，對于能夠提供更好的通話質(zhì)量、優(yōu)質(zhì)的媒體服務(wù)以及更加高效快捷的數(shù)據(jù)傳輸速率的要求，這就需要更加先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和空中接口技術(shù)，基于人們這樣的需求，LTE無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，標(biāo)志著4G 時(shí)代的到來。

1.2 LTE-Advanced 技術(shù)分析

LTE 無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是移動通信產(chǎn)生以來經(jīng)歷的一次較大的變革和創(chuàng)新， 原始3G 時(shí)代的通信系統(tǒng)中的許多基礎(chǔ)技術(shù)被改進(jìn)或替換，這標(biāo)志著人類社會更大的進(jìn)步。LTE 技術(shù)對于4G 通信系統(tǒng)有更高的要求，較大的帶寬、較高的峰值速率并保證用戶在各個區(qū)域的體驗(yàn)。統(tǒng)計(jì)表明，未來系統(tǒng)的吞吐量有80%~90%將發(fā)生在室內(nèi)和熱點(diǎn)場景，這些將成為4G 時(shí)代更為重要的應(yīng)用。所以，要增強(qiáng)熱點(diǎn)場景的用戶體驗(yàn)，新技術(shù)的產(chǎn)生是不可避免的。

2 LTE-Advanced 主要技術(shù)

為了滿足用戶更高的要求和適應(yīng)未來無線通信市場的更多應(yīng)用，LTE 無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)產(chǎn)生并引入了許多新技術(shù)，如上下行的多天線增強(qiáng)技術(shù)、聚合載波技術(shù)、中繼及多點(diǎn)協(xié)作傳輸技術(shù)等，更大幅度的提高了無線移動通信系統(tǒng)的性能，更有利于用戶體驗(yàn)。

2.1 聚合載波技術(shù)

聚合載波技術(shù)的提出是為了使LTE 網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)帶寬達(dá)到相應(yīng)的要求。聚合載波技術(shù)就是聚合兩個或兩個以上的成分載波，使其能夠接收更高頻率的成員載波， 并且使用了聚合載波技術(shù)的通信系統(tǒng)仍可接收其中的一個成員載波(聚合之前相應(yīng)頻率的載波)。

載波的聚合分為連續(xù)的和非連續(xù)的兩種技術(shù)，如圖一、圖二所示。連續(xù)頻譜的載波聚合技術(shù)可以使基站和終端的配置更為簡捷方便，適用于3.4GHZ～3.8GHZ 頻段的頻率范圍; 非連續(xù)頻譜的聚合載波具有更高的頻譜聚合的靈活性， 并需要確定頻譜聚合可支持的終端的能力， 以便設(shè)計(jì)出最低的成本和功率損耗。

LTE 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的多個成員載波的數(shù)據(jù)流之間的載波聚合方式有兩種：物理層聚合和MAC 層聚合。物理層聚合方式是指所有的成員載波之間使用相同的調(diào)制編碼方式，并且共享同一個HARQ 進(jìn)程和ACK/NACK 反饋。MAC 層載波聚合方式下，各個載波都有各自的傳輸塊， 每個成員載波使用各自獨(dú)立的鏈路自適應(yīng)技術(shù)， 并可根據(jù)自身的鏈路情況來選擇相應(yīng)的調(diào)制編碼方式， 各成員載波之間混合使用并能自動重傳請求HARQ 進(jìn)程和ACK/NACK反饋。相比較而言，MAC 層載波聚合方要優(yōu)于物理層載波聚合方式.

2.2 MIMO 技術(shù)

LTE下行能夠支持4*4 的天線配置，其在MIMO技術(shù)中得到了進(jìn)一步的增強(qiáng)， 使其能夠滿足LTE提升平均譜效率和峰值譜效率的需求。在MIMO技術(shù)下，下行單用戶可支持?jǐn)U展到8*8 配置的場景，最多可支持8 層傳輸;上行在MIMO 下最多可支持4*4 配置，最多支持4 層傳輸。

2.2.1 MIMO 的上行多線增強(qiáng)

LTE 的上行技術(shù)需要考慮很多需求，如上行的低峰值比、更多的天線配置以及每個載波的單載波傳輸?shù)刃枨蟆?/p>

多天線技術(shù)使上行控制信道性能和覆蓋進(jìn)一步優(yōu)化，而發(fā)射分集的方式是決定這一性能的主要因素。據(jù)調(diào)查實(shí)踐評估，在MIMO 技術(shù)上對信號使用相互正交的碼序列進(jìn)行調(diào)制傳輸， 即用SORTD 的發(fā)射分集方式取代原來的碼分上行控制信道，更有利于性能的優(yōu)化。

提升容量，多天線技術(shù)空間復(fù)用的引入是上行業(yè)務(wù)信道的主要需求。與此同時(shí)，更為簡單的開環(huán)傳輸預(yù)編碼相較于發(fā)射分集更具有性能上的優(yōu)勢，所以最終確定對小區(qū)邊界的用戶直接采用開環(huán)傳輸預(yù)編碼的方式來確定上行業(yè)務(wù)信道。

2.2.2 MIMO 的下行多線增強(qiáng)

對于LTE 的下行信號而言，采用專用參考信號進(jìn)行傳輸，所有上下行信號的發(fā)送在原則上采用基于碼本或非碼本均可。同時(shí)，對閉環(huán)MIMO 采用基于碼本的PMI 反饋方式以降低反饋開銷。目前正在采用雙預(yù)編碼矩陣碼本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)8 天線碼本，即用兩個矩陣的乘積表示碼本矩陣，通常情況下一個是矩陣式基本碼，另一個是在基本碼的基礎(chǔ)長根據(jù)信道特征對其的修正。此外，還要根據(jù)信道變化的快慢分別對其進(jìn)行長周期(空間相關(guān)性)或短周期反饋(快衰因素)，以進(jìn)一步減少反饋開銷。

LTE 技術(shù)對于業(yè)務(wù)信道的傳輸是采用用戶的專用參考信道，對于同一用戶來說，其業(yè)務(wù)信道的不同層使用CDM+FDM 相互正交的信號作為參考信號。目前，LTE 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為了減少多用戶流之間的干擾，正在探討對MU-MIMO 技術(shù)進(jìn)一步增強(qiáng)，開發(fā)聯(lián)合信號處理以及多用戶分集的增益，并且要在性能和鏈路復(fù)雜度之間做到較好的折中處理。

2.3 中繼(relay)技術(shù)

中繼技術(shù)通過在原有站點(diǎn)的基礎(chǔ)上增加新的站點(diǎn)來加大天線與站點(diǎn)之間的分布密度。原有基站(母基站)與傳輸網(wǎng)絡(luò)相連，新增的站點(diǎn)通過無線與母基站相連， 所以在新基站與傳輸網(wǎng)絡(luò)之間不存在有線的連接。下行數(shù)據(jù)的傳輸是先經(jīng)過母基站，然后通過母基站傳給中繼節(jié)點(diǎn)，最后傳輸給終端用戶，上行數(shù)據(jù)的傳輸則與下行相反。通過這種方法可以提高系統(tǒng)的用戶數(shù)據(jù)率和頻譜效率， 拉近了終端用戶與天線之間的距離，提高了終端鏈路的質(zhì)量。

為了滿足用戶對高效數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?，提出了中繼技術(shù)來提高小區(qū)邊緣用戶的數(shù)據(jù)傳輸速率和平均吞吐量。目前較為簡單的中繼是兩跳中繼，即基站—中繼站和中繼站—基站這兩條鏈路，使用這種方式可將一條質(zhì)量較差的鏈路轉(zhuǎn)換為兩條質(zhì)量更好的鏈路結(jié)構(gòu)，從而提高鏈路的容量和覆蓋。

目前中繼可分為兩種類型，即Type1 中繼和Type2 中繼。Type1 中繼因其自身具有獨(dú)立的小區(qū)ID，所以它可以通過發(fā)送自己的同步和導(dǎo)頻信號來控制一個單獨(dú)的小區(qū)， 對其覆蓋范圍內(nèi)的每個小區(qū)來說都相當(dāng)于有一個自己的主基站。而Type2 中繼不具備Type1 的擁有獨(dú)立小區(qū)ID 的性能， 因此不能夠形成新的小區(qū)并發(fā)送自己的同步和導(dǎo)頻信號，Type2 中繼主要用來增加頻譜效率和小區(qū)的吞吐量。表一為移動端是否中繼的基站信息記錄。

2.4 多點(diǎn)協(xié)作技術(shù)(CoMP)

多點(diǎn)協(xié)作傳輸是一種較為廣泛的天線技術(shù)，主要采用分布式，即小區(qū)邊界區(qū)域的終端，其自身傳輸?shù)男盘柲軌蛲瑫r(shí)被多個小區(qū)接收，并且能夠同時(shí)接收來自多個小區(qū)的不同的請求信號，因此使得小區(qū)邊緣用戶的系統(tǒng)性能得以改善。下行傳輸時(shí)，通過協(xié)調(diào)多個小區(qū)之間的發(fā)射信號避免彼此間的干擾，能夠大幅度的提升下行傳輸?shù)男?。上行?shù)據(jù)傳輸時(shí)，也可協(xié)調(diào)抑制各小區(qū)之間的干擾情況，有多個小區(qū)同時(shí)聯(lián)合接收信號并合并，從而可提升接收信號的信噪比，達(dá)到更好的效果。

在采用傳統(tǒng)的傳輸方式時(shí)，小區(qū)之間存在干擾，這易導(dǎo)致邊緣用戶的性能下降，多點(diǎn)協(xié)作傳輸技術(shù)通過在各機(jī)基站之間共享信息，能夠有效的消除各小區(qū)之間的相互干擾。多點(diǎn)協(xié)作技術(shù)可根據(jù)各基站之間是否共享用戶信息分為聯(lián)合傳輸和協(xié)作調(diào)度/波束成形兩類。

聯(lián)合處理或協(xié)作調(diào)度/ 波束成形這兩種方式均可提高系統(tǒng)的性能，但彼此之間各有各的優(yōu)缺點(diǎn)。聯(lián)合傳輸是指信號同時(shí)從兩個或兩個以上的基站傳輸，因此聯(lián)合傳輸相較于協(xié)調(diào)調(diào)度/ 波束成形方式能夠更好的改善用戶性能。但是在聯(lián)合傳輸模式下，每個小區(qū)用戶占用過多的資源，所以對于平均速率來說,聯(lián)合傳輸模式要低于協(xié)作調(diào)度/ 波束成形的方式，聯(lián)合傳輸對于單用戶來說性能增益較小，而協(xié)作調(diào)度/ 波束成形的方式單用戶的性能增益較高。對于多用戶模式，用戶的平均速率和邊緣用戶的性能都有較大程度的改善。

3 結(jié)束語

新的事物象征著發(fā)展，引入LTE 技術(shù)標(biāo)志著人類在不斷的進(jìn)步，這滿足了人們對網(wǎng)絡(luò)更高的要求，從3G 到4G 時(shí)代的改變，將是人類社會上又一項(xiàng)重要的進(jìn)步。小區(qū)吞吐量、數(shù)據(jù)傳輸速率及空間接口技術(shù)的不斷提高，使得無線扁平化技術(shù)興起，這是無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)史上的偉大進(jìn)步，LTE-Advanced 技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展勢不可擋，其發(fā)展標(biāo)準(zhǔn)甚至超過了原有的由ITU 制定的標(biāo)準(zhǔn)， 并且LTE-Advanced 技術(shù)能夠完全兼容LTE 無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。本文對LTE-Advanced技術(shù)的發(fā)展及相關(guān)的主要技術(shù)進(jìn)行了介紹，并就其關(guān)鍵技術(shù)做出了探究?？梢灶A(yù)見，LTE-Advanced技術(shù)將在很長一段時(shí)間內(nèi)作為世界范圍移動通信領(lǐng)域的熱點(diǎn)研究課題， 這將更有利于推動第四代通信技術(shù)的發(fā)展，人類進(jìn)入4G 時(shí)代不再遙遠(yuǎn)。