3G演進LTE新興技術(shù)全解析
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3GPP長期演進(LTE)項目是近兩年來3GPP啟動的最大的新技術(shù)研發(fā)項目，以OFDM/FDMA為核心的技術(shù)，與其說是3G技術(shù)的“演進”(evolution)，不如說是“革命”(revolution)。
這種技術(shù)和3GPP2AIE、WiMAX、以及最新出現(xiàn)的IEEE802.20MBFDD/MBTDD等，具有某些“4G”特征，被看作“準4G”技術(shù)。
在我國與LTE對應(yīng)的計劃被稱為E3G，“863”計劃中與B3G對應(yīng)的Future計劃被考慮用于發(fā)展E3G，參與LTE的發(fā)展工作。
3G LTE的由來
隨著PDA和筆記本電腦的發(fā)展普及，用戶希望能夠隨時隨地上網(wǎng)，一個新的市場---“寬帶無線移動接入”正在興起。寬帶無線接入技術(shù)面向一個固定和移動通信融合的新市場，它可提供與寬帶有線固定接入并行的寬帶無線接入業(yè)務(wù)，支持移動應(yīng)用。
目前2.5G/3G手機移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和寬帶無線接入業(yè)務(wù)是兩個不同的市場段。寬帶無線接入業(yè)務(wù)采用WiMAX(IEEE802.16d/e)固定/移動寬帶無線城域網(wǎng)技術(shù)，核心網(wǎng)是標準的IP網(wǎng)，其無線鏈路的物理層和MAC層的設(shè)計考慮了突發(fā)型的分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的要求，能夠自適應(yīng)無線信道環(huán)境，速率可達幾百kbit/s甚至幾十Mbit/s。手機數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)基本是一個蜂窩移動通信網(wǎng)，下載速率在100kbit/s以下。
作為手機數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的3G系統(tǒng)在支持IP數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)時頻譜效率低，其面向連接固定帶寬的結(jié)構(gòu)不適應(yīng)突發(fā)式IP數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的需求。為此，3GPP和3GPP2都認識到目前的系統(tǒng)提供互聯(lián)網(wǎng)接入業(yè)務(wù)的局限性，試圖在原來的體系框架內(nèi)，在下行鏈路中采用分組接入技術(shù)，大幅度提高IP數(shù)據(jù)下載和流媒體速率。3GPP在R5系統(tǒng)中增加了高速下行分組接入(HSDPA)(被稱為3.5G)，速率可以達到10Mbit/s以上，隨后進一步在R6中增加高速上行分組接入(HSUPA)，將解決上行鏈路分組化問題，提高上行速率，進一步引入自適應(yīng)波束成形和MIMO等天線陣處理技術(shù)，可將下行峰值速率提高到30Mbit/s左右，核心網(wǎng)也在向全IP網(wǎng)演化。
HSDPA和HSUPA被稱為3.5G技術(shù)，屬于中期演化技術(shù)，受原體制束縛較大，性能不夠理想。3GPP發(fā)現(xiàn)在HSDPA和ITU部署的B3G之間存在一個空檔，這正是WiMAX的目標。在一段時間內(nèi)的寬帶無線接入市場上，HSDPA、HSUPA對WiMAX的競爭將處于劣勢。
為了提高3G在新興的寬帶無線接入市場的競爭力，擺脫Qualcom的CDMA專利制約，需要發(fā)展LTE(longtermevolution)計劃，以填補這一空檔。為此，3GPP在2004年底發(fā)展了長期演化(LTE)計劃，基本思想是采用過去為B3G或4G發(fā)展的技術(shù)來發(fā)展LTE，使用3G頻段占有寬帶無線接入市場。2004年12月3GPP雅典會議決定由3GPPRAN工作組負責(zé)開展LTE研究，將于2006年6月完成，2007年6月推出。
LTE概述
3GPP經(jīng)過激烈的討論和艱苦的融合，終于在2005年12月選定了LTE的基本傳輸技術(shù)，即下行OFDM;上行SC(單載波)-FDMA。
下行技術(shù)的選擇沒有經(jīng)過很大的波瀾。OFDM是公認的寬帶無線通信的首選技術(shù)，雖然有個別公司仍試圖堅持傳統(tǒng)的CDMA技術(shù)，但絕大部分公司很早就在采用OFDM作為下行核心技術(shù)這一點上達成了共識。
上行傳輸技術(shù)的選擇頗費了一番周折，大部分歐美設(shè)備商對OFDM的上行峰平比PAPR(將影響手持終端的功放成本和電池壽命)有顧慮，堅持采用單載波技術(shù)(具有較低的PAPR)。雖然一些公司(主要是積極參與WiMAX標準化的公司)認為可以采用某些方法解決OFDM的PAPR的問題，但并沒有說服單載波陣營。
其間還經(jīng)歷了“WiBro/WiMAX試圖成為LTETDD技術(shù)方案”的插曲，在這一努力宣告失敗以后，3GPP基本確定了核心技術(shù)的選擇---上行OFDM/下行SC-FDMA。
LTE討論中的一個焦點是是否采用宏分集技術(shù)。這個問題看似是物理層技術(shù)的取舍，實則影響到網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的選擇，對LTE/SAE系統(tǒng)的發(fā)展方向有深遠的影響。宏分集的基礎(chǔ)是軟切換，這種CDMA系統(tǒng)的典型技術(shù)在FDMA系統(tǒng)中卻引出了“弊大還是利大”的爭論。3GPP在2005年12月進行了“示意性”的投票，最后決定LTE(至少在目前)不考慮宏分集技術(shù)。
LTE在數(shù)據(jù)傳輸延遲方面的要求很高(端到端延遲小于5ms)，這一指標要求LTE系統(tǒng)必須采用很小的交織長度(TTI)，因此大多數(shù)公司建議采用0.5ms的子幀長度。但是一些研發(fā)TDD技術(shù)的3GPP成員注意到這種子幀長度和UMTS中現(xiàn)有的兩種TDD技術(shù)的時隙長度不匹配。例如TD-SCDMA的時隙長度為0.675ms，如果LTETDD系統(tǒng)的子幀長度為0.5ms，則新、老的系統(tǒng)的時隙無法對齊，使得TD-SCDMA系統(tǒng)和LTETDD系統(tǒng)難以“臨頻同址”共存。在中國公司的堅持下，3GPP在這個問題上達成一致：基本的子幀長度為0.5ms，但在考慮和TD-SCDMA系統(tǒng)兼容時可以采用0.675的子幀長度。
盡管LTE的研究工作取得了上述一系列重大的進展，但仍然明顯滯后于原工作計劃，原本2006年3月前應(yīng)該完成但未按時完成的工作全部被推遲到6月前完成，致使所有遺留的研究問題都必須在今后三個月內(nèi)解決。如果6月不能如期完成這些任務(wù)，則研究階段(SI，原定6月結(jié)束)將被迫延長，工作階段(WI，原定6月開始)---也即標準的制定---將被迫延后。與LTE相配合的SAE項目SI的截止日期已經(jīng)推遲到9月。
LTE的框架
OFDM/SC-FDMA的基本設(shè)計參數(shù)初步確定。
OFDM和SC-FDMA(以DFT-S-OFDM為例)的子載波寬度為15kHz，OFDM循環(huán)前綴(CP)的長度有長短兩種選擇，短CP為基本選項，長CP可用于大范圍小區(qū)或多小區(qū)廣播。DFT-S-OFDM的一個子幀由長短兩種數(shù)據(jù)塊組成，長塊主要用于傳送數(shù)據(jù)，短塊主要用于傳送導(dǎo)頻信號。
下行主要采用QPSK、16QAM、64QAM三種調(diào)制方式，上行主要采用位移BPSK(用于進一步降低DFT-S-OFDM的PAPR)、QPSK、8PSK和16QAM，另一個正在考慮的降PAPR技術(shù)是頻域濾波。上下行的最小資源塊大小為25個子載波，即375kHz。系統(tǒng)可以采用集中式(localized)或分散式(distributed)方式將數(shù)據(jù)映射到資源塊上。在信道編碼方面，LTE主要考慮Turbo碼，但也正在考慮其他編碼方式，如LDPC碼。在MIMO方面，LTE的基本MIMO模型是下行2×2、上行1×2個天線，但同時也正在考慮更多的天線配置(最多4×4)。正在被考慮的MIMO技術(shù)包括空間復(fù)用(SM)、空分多址(SDMA)、預(yù)編碼(Pre-coding)、秩自適應(yīng)(Rankadaptation)、以及開環(huán)發(fā)射分集(STTD，主要用于控制信令的傳輸)等。上行將采用一種特殊的SDMA技術(shù)，即已被WiMAX采用的虛擬(Virtual)MIMO技術(shù)。另外，LTE也正在考慮采用小區(qū)干擾抑制技術(shù)提高小區(qū)邊緣的數(shù)據(jù)率和系統(tǒng)容量等。
在切換方面，除了LTE系統(tǒng)內(nèi)的切換，也正在考慮不同頻率之間和不同系統(tǒng)(如其他3GPP系統(tǒng)、WLAN系統(tǒng)等)的切換。
LTE的工作計劃
自2004年11月啟動LTE項目以來，3GPP以頻繁的會議全力推進此項工作。僅半年就完成了需求(Requirement)的制定，計劃在2006年中完成StudyItem的研究工作，2007年中完成標準的制定，預(yù)計2009年即可商用。
從時間上來看，3GPP的LTE工作計劃可以分為StudyItem(SI)和WorkItem(WI)兩個階段。
第一階段(SI階段)：從2005年3月到2006年6月，完成3GPPLTE的可行性研究，形成研究報告。
在2006年3月已經(jīng)完成或正在進行的相關(guān)內(nèi)容有：RAN-CN功能的劃分與調(diào)整;RAN體系結(jié)構(gòu)的優(yōu)化;無線接口協(xié)議的體系結(jié)構(gòu);物理層中多種接入方案、宏分集與射頻部分的研究;狀態(tài)與狀態(tài)轉(zhuǎn)移問題。
在2006年3月到6月將完成包括信道結(jié)構(gòu)的研究、演進的MIMO機制、信令的流程與終端移動性問題等方面的研究。并且將在6月份提出WI階段的工作時間計劃。
第二階段(WI階段)從2006年6月到2007年6月，使用一年左右的時間完成核心的技術(shù)規(guī)范撰寫工作。
在2007年年中完成相關(guān)標準制定工作后，預(yù)計在2008年或2009年將成熟的商用產(chǎn)品推向市場
LTE能帶來什么
3GLTE著重考慮的方面主要包括降低時延、提高用戶的數(shù)據(jù)率、增大系統(tǒng)容量和覆蓋范圍以及降低運營成本等。LTE的目標主要包括以下的內(nèi)容：
支持1.25MHz～20MHz帶寬;
極大提高峰值數(shù)據(jù)速率(在20MHz帶寬下支持下行100Mbps、上行50Mbps的峰值速率);
在保持現(xiàn)有基站位置的同時提高小區(qū)邊緣比特速率;
有效提高頻譜效率(3GPP版本6的2～4倍);
將接入網(wǎng)時延降低到10ms以下;將控制平面時延降低到100ms以內(nèi);
優(yōu)化15km/h以下低速用戶的性能，能為15-120km/h的移動用戶提供高性能的服務(wù)，可以支持120-350km/h的用戶;
吞吐量、頻譜效率和移動性指標在5km半徑的小區(qū)內(nèi)將得到充分保證，當小區(qū)半徑增大到30km時，只對以上指標帶來輕微的弱化;
支持多種載波帶寬，以滿足配置系統(tǒng)時窄帶頻譜分配時的靈活性;
支持與現(xiàn)有的3G系統(tǒng)和非3GPP規(guī)范系統(tǒng)的協(xié)同工作：增強的MBMS(Multimedia Broadcast Multicast Service);降低CAPEX(資本支出，Capital Expenditure)和OPEX(運營支出，Operation Expenditure)的成本;
降低空中接口和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的成本;
實現(xiàn)合理的終端復(fù)雜度、成本和耗電;
支持增強的IP多媒體子系統(tǒng)(IP Multimedia Sub-system，IMS)和核心網(wǎng);盡可能保證后向兼容，有 效地支持多種業(yè)務(wù)類型，尤其是分組域(PS-Domain)業(yè)務(wù)(如VoIP等);
優(yōu)化系統(tǒng)為低移動速度終端提供服務(wù)，同時也應(yīng)支持高移動速度終端;
支持增強型的廣播多播業(yè)務(wù);
系統(tǒng)應(yīng)該能工作在對稱和非對稱頻段;盡可能簡化處于相鄰頻帶運營商共存的問題。
為了實現(xiàn)3GLTE的設(shè)計目標，著重在空中接口傳輸技術(shù)和接入網(wǎng)結(jié)構(gòu)上對現(xiàn)有3G系統(tǒng)進行改進。
在空中接口方面，一是在下行鏈路采用能夠有效對抗多徑衰落、提高頻譜效率的OFDM技術(shù);采用自適應(yīng)鏈路技術(shù)使編碼調(diào)制參數(shù)能夠適應(yīng)無線信道的變化，以提供更高的頻譜效率和更可靠的傳輸性能;通過在發(fā)射端和接收端配置多個天線，從而提高系統(tǒng)的容量、改善系統(tǒng)性能;二是在上行鏈路采用峰均比(PAPR)較低的分布式或集中式單載波頻分復(fù)用提供多址接入;在幀結(jié)構(gòu)和頻譜規(guī)劃上，盡可能與現(xiàn)有3G標準相兼容，以方便終端在不同制式系統(tǒng)中的切換，減小未來升級帶來的投入。
在接入網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)方面，設(shè)計的主要目標是減小時延和復(fù)雜度，使得協(xié)議能夠有效支持新的物理層傳輸技術(shù)，從而提供更高的用戶容量、系統(tǒng)吞吐量和端到端的服務(wù)質(zhì)量保證。在3GLTE中，最終將要實現(xiàn)所有業(yè)務(wù)通過分組域傳輸，如何保證各種分組業(yè)務(wù)、特別是實時性要求較高的分組業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量，將成為一個關(guān)鍵的問題。
LTE還將發(fā)展新的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。在原來的3G無線接入網(wǎng)之外，建立一個新的全IP化的RAN和與固網(wǎng)融合的純IP的核心網(wǎng)，以滿足寬帶無線接入的需求，移動通信系統(tǒng)將不再自成系統(tǒng)，真正實現(xiàn)了固定網(wǎng)和移動網(wǎng)的融合。目前LTE工作組正在緊鑼密鼓地從需求開始全面開展工作，由于在3GPP內(nèi)部意見并沒有完全統(tǒng)一，能否達到預(yù)定目標還存在一些問題。
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