爱华网LTE产生背景与技术研究发展
一 LTE市场背景和技术背景介绍
伴随GSM等移动网络在过去的二十年中的广泛普及，全球语音通信业务获得了巨大的成功。目前，全球的移动语音用户已超过了18亿。同时，我们的通信习惯也从以往的点到点（Place to Place）演进到人与人。
个人通信的迅猛发展极大地促使了个人通信设备的微型化和多样化，结合多媒体消息、在线游戏、视频点播、音乐下载和移动电视等数据业务的能力，大大满足了个人通信和娱乐的需求。
另外，尽量利用网络来提供计算和存储能力，通过低成本的宽带无线传送到终端，将有利于个人通信娱乐设备的微型化和普及。GSM网络演进到GPRS/EDGE和WCDMA/HSDPA网络以提供更多样化的通信和娱乐业务，降低无线数据网络的运营成本，已成为GSM移动运营商的必经之路。但这也仅仅是往宽带无线技术演进的一个开始。WCDMA/ HSDPA与GPRS/EDGE相比，虽然无线性能大大提高，但是，在IPR的制肘、应对市场挑战和满足用户需求等领域，还是有很多局限。
由于CDMA通信系统形成的特定历史背景，3G所涉及的核心专利被少数公司持有，在IPR上形成了一家独大的局面。专利授权费用已成为厂家承重负担。可以说，3G厂商和运营商在专利问题上处处受到制肘，业界迫切需要改变这种不利局面。
面对高速发展的移动通信市场的巨大诱惑和大量低成本，高带宽的无线技术快速普及，众多非传统移动运营商也纷纷加入了移动通信市场，并引进了新的商业运营模式。例如，Google与互联网业务提供商（ISP）Earthlink合作，已在美国旧金山全市提供免费的无线接入服务，双方共享广告收入，并将广告收入作为其主要盈利途径，Google更将这种新的运营模式申请了专利。另外，大量的酒店、度假村、咖啡厅和饭馆等，由于本身业务激烈竞争的原因，提供免费WiFi无线接入方式，通过因特网可以轻易的查询到这类信息。最近，网络服务提供商“SKYPE”更在这些免费的无线宽带接入基础上，新增了几乎免费的语音及视频通信业务。这些新兴力量给传统移动运营商带来了前所未有的挑战，加快现有网络演进，满足用户需求，提供新型业务成为在激烈的竞争中处于不败之地的唯一选择。
与此同时，用户期望运营商提供任何时间任何地点不低于1Mbps的无线接入速度，小于20ms的低系统传输延迟，在高移动速率环境下的全网无缝覆盖。而最重要的一点是能被广大用户负担得起的廉价终端设备和网络服务。
这些要求已远远超出了现有网络的能力，寻找突破性的空中接口技术和网络结构看来是势在必行。与WiFi和WiMAX等无线接入方案相比，WCDMA/HSDPA空中接口和网络结构过于复杂，虽然在支持移动性和QoS方面有较大优势，但在每比特成本、无线频谱利用率和传输时延等能力方面明显落后。根据3GPP标准组织原先的时间表，4G最早要在2015年才能正式商用，在这期间传统电信设备商和运营商将面临前所未有的挑战。用户的需求、市场的挑战和IPR的制肘共同推动了3GPP组织在4G出现之前加速制定新的空中接口和无线接入网络标准。2004年11月，3GPP加拿大多伦多“UTRAN演进”会议收集了无线接入网R6版本之后的演进意见，在随后的全体会议上，“UTRA和UTRAN演进”研究项目得到了二十六个组织的支持，并最终获得通过。这也表明了3GPP组织运营商和设备商成员共同研究3G技术演进版本的强烈愿望。
二 LTE项目计划和主要性能目标
3GPP组织在LTE项目的工作，基本可以分为两个阶段：2005年3月到2006年6月为SI （Study Item）阶段，完成可行性研究报告；2006年6月到2007年6月为WI（Work It
em）阶段，完成核心技术的规范工作。在2007年中期完成LTE相关标准制定（3GPP R7），在2008年或2009年推出商用产品。到目前为止，LTE项目的研究工作取得了一系列的重大进展，截至到2006年3月已完成或正在进行的内容包括：物理层接入方案、无线接口协议体系结构，RAN-CN功能划分与调整，及宏分集、射频的相关研究。虽然如此，原计划于2006年3月完成的部分工作被推迟到6月才可以完成，从目前来看，仍滞后于既定的工作计划。
3GPP LTE项目的主要性能目标包括：在20MHz频谱带宽能够提供下行100Mbps、上行50Mbps的峰值速率；改善小区边缘用户的性能；提高小区容量；降低系统延迟，用户平面内部单向传输时延低于5ms，控制平面从睡眠状态到激活状态迁移时间低于50ms，从驻留状态到激活状态的迁移时间小于100ms；支持100Km半径的小区覆盖；能够为350Km/h高速移动用户提供>100kbps的接入服务；支持成对或非成对频谱，并可灵活配置1.25 MHz到20MHz多种带宽。
为了实现3G LTE系统的上述目标性能，需要改进与增强现有3G系统的空中接口技术和网络结构。3GPP标准化组织经过激烈的讨论于2005年12月，批准采用由北电等的厂家提出的OFDM和MIMO方案作为其无线网络演进（LTE）的唯一标准，这也表明3GPP 标准的演进方向与北电的多年来技术发展方向完全一致。同时LTE系统核心网采用两层扁平网络架构，由WCDMA/HSDPA阶段的NodeB、RNC、SGSN、GGSN四个主要网元，演进为eNodeB（eNB）和接入网关（aGW）两个主要网元。核心网同时采用全IP分布式结构，支持IMS、VoIP、 SIP、Mobile IP等各种先进技术。
三 LTE关键技术及进展情况
空中接口物理层技术是无线通信系统的基础与标志，3GPP组织就LTE系统物理层下行传输方案很快达成一致，采用先进成熟的OFDMA技术；但上行传输方案却争论不断，很大部分设备商考虑到OFDM较高的峰均比会增加终端的功放成本和功率消耗，限制终端的使用时间，坚持采用峰均比较低的单载波方案SC-FDMA，但一些积极参与WiMAX标准组织的公司却认为可以采用滤波、循环削峰等方法有效降低OFDM峰均比。双方各执己见，一度僵持不下，经过多次会议的艰苦协商，最后上行方案还是选择了单载波SC-FDMA.这样LTE系统传输方案最终确定为下行OFDMA和上行SC-FDMA.同时在是否采用宏分集问题上也产生了激烈的争论，最终考虑到网络结构扁平化，分散化的发展趋势，3GPP组织在2005年12月经过“示意性”的投票，决定LTE系统暂不考虑宏分集技术。
OFDM技术是LTE系统的技术基础与主要特点，OFDM系统参数设定对整个系统的性能会产生决定性的影响，其中载波间隔又是OFDM系统的最基本参数，经过理论分析与仿真比较最终确定为15kHz.上下行的最小资源块为375kHz，也就是25个子载波宽度，数据到资源块的映射方式可采用集中（localized）方式或离散（distributed）方式。循环前缀Cyclic Prefix（CP）的长度决定了OFDM系统的抗多径能力和覆盖能力。长CP利于克服多径干扰，支持大范围覆盖，但系统开销也会相应增加，导致数据传输能力下降。为了达到小区半径100Km的覆盖要求，LTE系统采用长短两套循环前缀方案，根据具体场景进行选择：短CP方案为基本选项，长CP方案用于支持LTE大范围小区覆盖和多小区广播业务。
MIMO作为提高系统输率的最主要手段，也受到了各方代表的广泛关注。LTE已确定MIMO天线个数的基本配置是下行2×2、上行1×2，但也在考虑4×4的高阶天线配置。北电的专利技术虚拟MIMO也被LTE采纳作为提高小区边缘数据速率和系统性能的主要手段。另外，LTE也正在考虑采用小区干扰抑制技术来改善小区边缘的数据速率和系统容量。下行方向MIMO方案相对较多，根据2006年3月雅典会议报告，LTE MIMO下行方案可分为两大类：发射分集和空间复用两大类。目前，考虑采用的发射分集方案包括块状编码传送分集（STBC， SFBC），时间（频率）转换发射分集（TSTD，FSTD），包括循环延迟分集（CDD）在内的延
迟分集（作为广播信道的基本方案），基于预编码向量选择的预编码技术。其中预编码技术已被确定为多用户MIMO场景的传送方案。5月的上海会议将对MIMO技术做进一步的讨论。最终会为下行数据信道确定唯一的分集传送方案。
高峰值传送输率是LTE下行链路需要解决的主要问题。为了实现系统下行100Mbps峰值速率的目标，在3G原有的QPSK、16QAM基础上，LTE系统增加了64QAM高阶调制。LTE上行方向关注的首要问题是控制峰均比，降低终端成本及功耗，目前主要考虑采用位移BPSK和频域滤波两种方案进一步降低上行SC-FDMA的峰均比。LTE除了继续采用成熟的Turbo信道编码外，还在考虑使用先进的低密度奇偶校验（LDPC）码。
3GPP LTE接入网在能够有效支持新的物理层传输技术的同时，还需要满足低时延、低复杂度、低成本的要求。原有的网络结构显然已无法满足要求，需要进行调整与演进。2006年3月的会议上，3GPP确定了E-UTRAN的结构，接入网主要由演进型eNodeB（eNB）和接入网关（aGW）构成，这种结构类似于典型的IP宽带网络结构，采用这种结构将对3GPP系统的体系架构产生深远的影响。eNodeB是在NodeB原有功能基础上，增加了RNC的物理层、MAC层、RRC、调度、接入控制、承载控制、移动性管理和inter-cell RRM等功能。aGW可以看作是一个边界节点，作为核心网的一部分。但在如何处理小区间干扰协调、负载控制等问题上各成员还存在分歧，是采用RRM Server进行集中式管理，还是采用分散管理，尚未达成一致。
LTE的研究，包含了一些普遍认为很重要的部分，如等待时间的减少、更高的用户数据速率、系统容量和覆盖的改善以及运营成本的降低。
为了达到这些目标，无线接口和无线网络架构的演进同样重要。考虑到需要提供比3G更高的数据速率，和未来可能分配的频谱，LTE需要支持高于5MHz的传输带宽。 E-UTRA和E-UTRAN要求
UTRA和UTRAN演进的目标，是建立一个能获得高传输速率、低等待时间、基于包优化的可演进的无线接入架构。3GPPLTE正在制定的无线接口和无线接入网架构演进技术主要包括如下内容：
（1）明显增加峰值数据速率。如在20MHz带宽上达到100Mbit/s的下行传输速率（5bit/s/Hz）、50Mbit/s的上行传输速率（2.5bit/s/Hz）。
（2）在保持目前基站位置不变的情况下增加小区边界比特速率。如MBMS（多媒体广播和组播业务）在小区边界可提供1bit/s/Hz的数据速率。
（3）明显提高频谱效率。如2~4倍的R6频谱效率。
（4）无线接入网（UE到E-NodeB用户面）延迟时间低于10ms。
（5）明显降低控制面等待时间，低于100ms。
（6）带宽等级为：a）5、10、20MHz和可能取的15MHz；b）1.25、1.6和2.5MHz，以适应窄带频谱的分配。
（7）支持与已有的3G系统和非3GPP规范系统的协同运作。
（8）支持进一步增强的MBMS。
上述演进目标涉及到系统的能力和系统的性能，是LTE研究中最重要的部分，也是E-UTRA和E-UTRAN保持最强竞争力的根本。
在LTE中，还规范了一些其他要求，如与配置相关的要求、E-UTRAN架构和移植要求、无线资源管理要求、复杂性要求、成本相关要求和业务相关要求。
与其他无线接入方式相比，高频谱效率、广域覆盖和支持用户高速移动是E-UTRAN系统的主要特点。在E-UTRAN中，当移动速率为15~120km/h时，能获得最高的数据传输性能。E-UTRAN支持在蜂窝之间120~350km/h甚至高达500km/h的移动速率。在整个速率范围内，R6中CS域的语音和其他实时业务在E-UTRAN中通过PS域来支持，并要求
至少获得与UTRAN相同的性能。
LTE物理层方案和技术
在LTE层1方案征集过程中，有6个选项在3GPPRAN1工作组中被评估。它们是：
（1）FDD，上行采用单载波FDMA（SC-FDMA），下行采用OFDMA。
（2）FDD，上行下行都采用OFDMA。
（3）FDD，上行下行都采用多载波WCDMA（MC-WCDMA）。
（4）TDD，上行下行都采用多载波时分同步CDMA（MC-TD-SCDMA）。
（5）TDD，上行下行都采用OFDMA。
（6）TDD，上行采用单载波FDMA（SC-FDMA），下行采用OFDMA。
在上述方案中，按照双工方式可分为频分双工（FDD）和时分双工（TDD）两类；按照无线链路多址方式主要可分为码分多址（CDMA）和正交频分多址（OFDMA）两类。 针对5MHz频谱做系统级的初步评估，采用CDMA的系统与采用OFDM的系统，在提升频谱效率方面表现相似。如果采用CDMA演进途径，则有利于系统从前期UTRA版本平滑升级，可以广泛地重用物理层。如果采用OFDMA，一个完全脱离以往设计约束的全新层1结构，则有利于系统在设计参量上做出灵活和自由的选择，更容易实现E-UTRA定义的一些目标，如等待时间、最小带宽间隔以及在不同双工模式下的公平性等；同时，对于用户接收机来说，针对OFDMA空中接口的处理相对简单，在更大带宽和高阶多输入多输出（MIMO）配置情况下可以降低终端的复杂性。
综合上述因素，当然也经过激烈的讨论和艰苦的融合，在2005年12月召开的TSGRAN第30次全会上，最终决定LTE可行性研究将集中在下行OFDMA和上行SC-FDMA上。这也意味着OFDM技术在3GPPLTE中获得了胜利。这一结果一方面出于纯技术的考虑，即在下行链路采用频谱效率很高的OFDMA作为调制方式，在上行链路采用SC-FDMA，可以降低发射终端的峰均功率比，减小终端的体积和成本；另一方面也是为了摆脱自3G以来高通公司独掌CDMA核心专利的制约。
基本物理层传输方案
LTE下行传输方案采用传统的带循环前缀（CP）的OFDM，每一个子载波占用15kHz，循环前缀的持续时间为4.7/16.7μs，分别对应短CP和长CP。为了满足数据传输延迟的要求（在轻负载情况下，用户面延迟小于5ms），LTE系统必须采用很短的交织长度（TTI）和自动重传请求（ARQ）周期，因此，在3G中的10ms无线帧被分成20个同等大小的子帧，长度为0.5ms。
下行数据的调制主要采用QPSK、16QAM和64QAM这3种方式。针对广播业务，一种独特的分层调制（hierarchicalmodulation）方式也考虑被采用。分层调制的思想是，在应用层将一个逻辑业务分成两个数据流，一个是高优先级的基本层，另一个是低优先级的增强层。在物理层，这两个数据流分别映射到信号星座图的不同层。由于基本层数据映射后的符号距离比增强层的符号距离大，因此，基本层的数据流可以被包括远离基站和靠近基站的用户接收，而增强层的数据流只能被靠近基站的用户接收。也就是说，同一个逻辑业务可以在网络中根据信道条件的优劣提供不同等级的服务。
在目前的研究阶段，主要还是沿用R6的Turbo编码作为LTE信道编码，例如在系统性能评估中。但是，很多公司也在研究其他编码方式，并期望被引入LTE中，如低密度奇偶校验（LDPC）码。在大数据量情况下，LDPC码可获得比Turbo码高的编码增益，在解码复杂度上也略有减小。
MIMO技术在R7中已经被引入，是WCDMA增强的一个重要特性。而在LTE中，MIMO被认为是达到用户平均吞吐量和频谱效率要求的最佳技术。下行MIMO天线的基本配置是，在基站设两个发射天线，在UE设两个接收天线，即2×2的天线配置。更高的下行
配置，如4×4的MIMO也可以考虑。开环发射分集和开环MIMO在无反馈的传输中可以被应用，如下行控制信道和增强的广播多播业务。
虽然宏分集技术在3G时代扮演了相当重要的角色，但在HSDPA/HSUPA中已基本被摒弃。即便是在最初讨论过的快速小区选择（FCS）的宏分集，在实际规范中也没有定义。LTE沿用了HSDPA/HSUPA思想，即只通过链路自适应和快速重传来获得增益，而放弃了宏分集这种需要网络架构支持的技术。在2006年3月的RAN总会上，确认了E-UTRAN中不再包含RNC节点，因而，除广播业务外，需要“中心节点”（如RNC）进行控制的宏分集技术在LTE中不再考虑。但是对于多小区的广播业务，需要通过无线链路的软合并获得高信噪比。在OFDM系统中，软合并可以通过信号到达UE天线的时刻都处于CP窗之内的RF合并来实现，这种合并不需要UE有任何操作。
上行传输方案采用带循环前缀的SC-FDMA，使用DFT获得频域信号，然后插入零符号进行扩频，扩频信号再通过IFFT。这个过程简写为DFT-SOFDM。这样做的目的是，上行用户间能在频域相互正交，以及在接收机一侧得到有效的频域均衡。
子载波映射决定了哪一部分频谱资源被用来传输上行数据，而其他部分则被插入若干个零值。频谱资源的分配有两种方式：一是局部式传输，即DFT的输出映射到连续的子载波上；另一个是分布式传输，即DFT的输出映射到离散的子载波上。相对于前者，分布式传输可以获得额外的频率分集。上行调制主要采用π/2位移BPSK、QPSK、8PSK和16QAM。同下行一样，上行信道编码还是沿用R6的Turbo编码。其他方式的前向纠错编码正在研究之中。
上行单用户MIMO天线的基本配置，也是在UE有两个发射天线，在基站有两个接收天线。在上行传输中，一种特殊的被称为虚拟（Virtual）MIMO的技术在LTE中被采纳。通常是2×2的虚拟MIMO，两个UE各自有一个发射天线，并共享相同的时—频域资源。这些UE采用相互正交的参考信号图谱，以简化基站的处理。从UE的角度看，2×2虚拟MIMO与单天线传输的不同之处，仅仅在于参考信号图谱的使用必须与其他UE配对。但从基站的角度看，确实是一个2×2的MIMO系统，接收机可以对这两个UE发送的信号进行联合检测。
基本物理层技术
在基本的物理层技术中，E-NodeB调度、链路自适应和混合ARQ（HARQ）继承了HSDPA的策略，以适应基于数据包的快速数据传输。
对于下行的非MBMS业务，E-NodeB调度器在特定时刻给特定UE动态地分配特定的时—频域资源。下行控制信令通知分配给UE何种资源及其对应的传输格式。调度器可以即时地从多个可选方案中选择最好的复用策略，例如子载波资源的分配和复用。这种选择资源块和确定如何复用UE的灵活性，可以极大地影响可获得的调度性能。调度和链路自适应以及HARQ的关系非常密切，因为这3者的操作是在一起进行的。决定如何分配和复用方式的依据包括以下一些：QoS参数、在E-NodeB中准备调度的数据量、UE报告的信道质量指示（CQI）、UE能力、系统参数如带宽和干扰水平，等等。
链路自适应即自适应调制编码，可以在共享信道上应用不同的调制编码方式适应不同的信道变化，获得最大的传输效率。将编码和调制方式变化组合成一个列表，E-NodeB根据UE的反馈和其他一些参考数据，在列表中选择一个调制速率和编码方式，应用于层2的协议数据单元，并映射到调度分配的资源块上。上行链路自适应用于保证每个UE的最小传输性能，如数据速率、误包率和响应时间，而获得最大化的系统吞吐量。上行链路自适应可以结合自适应传输带宽、功率控制和自适应调制编码的应用，分别对频率资源、干扰水平和频谱效率这3个性能指标做出最佳调整。
为了获得正确无误的数据传输，LTE仍采用前向纠错编码（FEC）和自动重复请求（A
RQ）结合的差错控制，即混合ARQ（HARQ）。HARQ应用增量冗余（IR）的重传策略，而chase合并（CC）实际上是IR的一种特例。为了易于实现和避免浪费等待反馈消息的时间，LTE仍然选择N进程并行的停等协议（SAW），在接收端通过重排序功能对多个进程接收的数据进行整理。HARQ在重传时刻上可以分为同步HARQ和异步HARQ。同步HARQ意味着重传数据必须在UE确知的时间即刻发送，这样就不需要附带HARQ处理序列号，比如子帧号。而异步HARQ则可以在任何时刻重传数据块。从是否改变传输特征来分，HARQ又可以分为自适应和非自适应两种。目前来看，LTE倾向于采用自适应的、异步HARQ方案。
与CDMA不同，OFDMA无法通过扩频方式消除小区间的干扰。为了提高频谱效率，也不能简单地采用如GSM中复用因子为3或7的频率复用方式。因此，在LTE中，非常关注小区间干扰消减技术。小区间干扰消减途径有3种，即干扰随机化、干扰消除和干扰协调/避免。另外，在基站采用波束成形天线的解决方案也可以看成是下行小区间干扰消减的通用方法。干扰随机化可以采用如小区专属的加扰和小区专属的交织，后者即为大家所知的交织多址（IDMA）；此外，还可采用跳频方式。干扰消除则讨论了采取如依靠UE多天线接收的空间抑制和基于检测/相减的消除方法。而干扰协调/避免则普遍采取一种在小区间以相互协调来限制下行资源的分配方法，如通过对相邻小区的时—频域资源和发射功率分配的限制，获得在信噪比、小区边界数据速率和覆盖方面的性能提升。 E-UTRAN架构
E-UTRAN与UTRAN架构完全不同，去掉了RNC这个网络设备，只保留了NodeB网元，目的是简化网络架构和降低时延。RNC功能被分散到了演进的NodeB（E-NodeB）和接入网关（aGW）中。目前并没有说明aGW是位于E-UTRAN还是SAE（系统架构演进）中。但从LTE设计初衷来看，应该只采用由E-Node B构成的单层结构，而aGW因为包含了原SGSN功能，还是归属为SAE的边界节点，只不过与E-UTRA相关的部分用户面和控制面的功能在LTE中定义。
E-UTRAN结构中包含了若干个E-NodeB（eNB），提供了终止于UE的E-UTRA用户面（PHY/MAC）和控制面（RRC）协议。E-NodeB之间采用网格（mesh）方式互连，E-NodeB与aGW之间的接口称为S1接口。
E-UTRAN的协议栈结构还是与URTAN一样分为用户面和控制面，但简化了很多。比如去掉了RLC层，该实体功能被并入MAC层，PDCP功能在网络侧被移到了aGW中。控制面RRC功能移入E-NodeB中，并在网络侧终止于E-NodeB。
与UTRAN相比，E-UTRAN在信道结构上做了很大的简化，虽然还没有最终确定，但从目前讨论的结果来看，传输信道将从原来的9个减为现在的5个，逻辑信道从原来的10个减为现在的7个。上/下行共享信道（DL/UL-SCH）用于承载用户的控制信令和业务数据，取代了R6中的DCH、FACH、HS-DSCH和E-DCH信道。MCH只给多小区广播/多播业务提供数据承载，而单小区的广播/多播业务数据则在SCH信道上承载。在现阶段，LTE尚未决定是否单独定义映射多播业务的逻辑信道，如继承R6中单独的MCCH和MTCH。 无线资源控制（RRC）状态在LTE中也简化了许多，将UTMS中的RRC状态和PMM状态合并为一个状态集，并且只包含RRC_IDLE、RRC_ACTIVE和RRC_DETACHED这3种状态。在aGW网元中，UE的上下文必须区分这3种状态。而在E-NodeB中只保留RRC_ACTIVE状态的UE上下文，即合并了原先的CELL_DCH、CELL_FACH、CELL_PCH和URA_PCH多种状态。
结束语
除了对无线接入网演进的研究，3GPP还正在进行系统架构方面的演进工作，并将其定义为SAE。目前，一些发起并参与LTE/SAE标准制定和技术研究工作的3GPP成员，比
如ALCATEL等设备厂商，正在积极研究和开发符合3GLTE/SAE技术标准的系统和设备，目标是在保证技术和系统性能领先的同时，最大程度地利用并兼容现有的系统平台，保持系统的平滑演进，以提供最优的无线通信解决方案。
作者简介：
辛飞翔，QQ：414011407电子邮箱：mobile79@126.com主要从事射频模块和整机系统研发，2006年10月整理，在整理区间感谢北电，华为，中兴等企业的大力支持，以表谢意。
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