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論LTE的技術(shù)特點及發(fā)展前景
0 LTE 產(chǎn)生的時代背景
2004 年底，在WiMAX 技術(shù)迅猛崛起的同時， 3GPP（3rd Generation Partnership Project，第3 代合作伙伴計劃）啟動了UMTS 技術(shù)的長期演進LTE[1]（Long Term Evolution，長期演進）項目。在全球范圍內(nèi)，3G 移動通信技術(shù)是當(dāng)前無線通信技術(shù)的主流，在諸多3G 技術(shù)標準中，以3GPP 制定的UMTS[2]（Universal Mobile Telecommunications System，通用移動通信系統(tǒng)）技術(shù)標準最具有影響力。3G 系統(tǒng)正在全世界范圍逐步部署開來，增強型UMTS技術(shù)——高速下行分組接入(HSDPA)和高速上行分組接入(HSUPA)技術(shù)[3]的標準化工作也基本完成。就在3GPP 著手為2012 年開始的IMT-Advanced 技術(shù) (俗稱4G 或B3G 技術(shù))的標準化做準備的時候，基于OFDM 技術(shù)[4]的WiMAX[5]（World interoperability for MicrowaveAccess，全球微波接入互操作）標準的橫空出世，這給寬帶移動通信技術(shù)帶來了挑戰(zhàn)。
相對于其他無線標準，為了讓 3GPP 標準能夠長期保持在移動通信領(lǐng)域占據(jù)的優(yōu)勢地位，能夠和支持20MHz 帶寬的WiMAX 技術(shù)相抗衡，3GPP 的移動通信廠商不得不快速跟進，投入UMTS 技術(shù)的演進版本——LTE 的標準化工作。3GPP 長期演進技術(shù)（3GPP LongTerm Evolution, LTE）為第三代合作伙伴計劃（3GPP）標準，使用OFDM（正交頻分復(fù)用）的射頻接收技術(shù)，以及2×2 和4×4 MIMO[6]的分集天線技術(shù)規(guī)格，同時支FDD（頻分雙工）和TDD（時分雙工）。
1 LTE 技術(shù)特點
3GPP 從系統(tǒng)性能要求、網(wǎng)絡(luò)的部署場景、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、業(yè)務(wù)支持能力等方面對LTE 進行了詳細的描述。與3G 相比，LTE 具有如下關(guān)鍵技術(shù)特征：
(1)通信速率有了提高，下行峰值速率為100Mbps、上行為50Mbps。
(2)提高了頻譜效率，下行鏈路5(bit/s)/Hz，(3-4 倍于R6HSDPA);上行鏈路2.5(bit/s)/Hz，是R6HSU-PA2-3 倍[7]。
(3)簡單的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和軟件架構(gòu)，以信道共用為基礎(chǔ)，以分組域業(yè)務(wù)為主要目標，系統(tǒng)在整體架構(gòu)上將基于分組交換。
(4)QoS 保證，通過系統(tǒng)設(shè)計和嚴格的QoS 機制，保證實時業(yè)務(wù)(如VoIP)的服務(wù)質(zhì)量。
(5)系統(tǒng)部署靈活，能夠支持1.4～20MHz 間的多種系統(tǒng)帶寬，不必要分組殘片過濾技術(shù)可支持“paired”和“unpaired” [8]的頻譜分配。保證了將來在系統(tǒng)部署上的靈活性。
(6)非常低的線網(wǎng)絡(luò)時延：子幀長度0.5ms 和0.675ms，解決了向下兼容的問題并降低了網(wǎng)絡(luò)時延，時延可達U-plan<5ms，C-plan<100ms。
(7)增加了小區(qū)邊界比特速率，在保持目前基站位置不變的情況下增加小區(qū)邊界比特速率，OFDM 支持的單頻率網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可提供高效率的多播服務(wù)。如MBMS(多媒體廣播和組播業(yè)務(wù))在小區(qū)邊界可提供1bit/s/Hz 的數(shù)據(jù)速率。
(8)強調(diào)向下兼容，支持已有的3G 系統(tǒng)和非3GPP 規(guī)范系統(tǒng)的協(xié)同運作，支持自組網(wǎng)（Self-organising Network）操作。
與 3G 相比，LTE 更具技術(shù)優(yōu)勢，具體體現(xiàn)在：高數(shù)據(jù)速率、分組傳送、延遲降低、廣域覆蓋和向下兼容。
2 LTE 系統(tǒng)的核心技術(shù)簡析
2.1 LTE 系統(tǒng)架構(gòu)
LTE 技術(shù)中的傳統(tǒng)語音通信只是網(wǎng)絡(luò)給終端用戶提供的服務(wù)之一，其關(guān)鍵的設(shè)計目標是實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)完全基于分組交換。在LTE 網(wǎng)絡(luò)中，不再采用2G 和3G 網(wǎng)絡(luò)中的雙核心網(wǎng)結(jié)構(gòu)，即語音核心網(wǎng)(MSC/VLR)和分組核心網(wǎng)(SGSN/GGSN)，而是讓分組核心網(wǎng)成為管理UE 移動性和處理信令的唯一核心網(wǎng)，實現(xiàn)各種業(yè)務(wù)通過IP 多媒體系統(tǒng)[9] (IMS) 提供給終端用戶。
LTE 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點主要包括增強型Node B(簡稱eNode B[10])和接入網(wǎng)關(guān)(MME/SAE GW)。LTE 中的eNode B 除了具有原Node B 的功能之外，還承擔(dān)了原來RNC 的大部分功能。eNodeB 的功能包括：無線資源管理、IP 頭壓縮和用戶數(shù)據(jù)流加密、選擇UE 附著的MME、選擇用戶面數(shù)據(jù)向S-GW 的路由、調(diào)度和發(fā)送從MME 發(fā)起的信息，還有移動性和調(diào)度的測量與上報配置。如所示，E-UTRAN[11]由eNode B 構(gòu)成， eNode B 之間由X2 接口互聯(lián)，每個eNode B 又和演進型分組核心網(wǎng)（EPC）通過S1 接口相連。
與 2G 和3G 的無線網(wǎng)絡(luò)相比，LTE 網(wǎng)元省略RNC 節(jié)點，只是由若干eNode B 組成，這樣就省略了對接入點進行匯集，減少了網(wǎng)元數(shù)目，使網(wǎng)絡(luò)更加扁平化，部署簡單，容易維護。取消RNC 的集中控制，有利于避免單點故障，從而提高網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性。LTE 網(wǎng)絡(luò)中的eNodeB 直接鏈接MME 和服務(wù)SAE GW，有助于降低系統(tǒng)的整體時延，便于開展更多的業(yè)務(wù)。
2.2 空中接口技術(shù)
空中接口是指終端和接入網(wǎng)之間的接口，一般稱為Uu 接口[12]�？罩薪涌趨f(xié)議主要是用來建立、重配置和釋放各種無線承載業(yè)務(wù)�？罩薪涌谑且粋�完全開放的接口，只要遵守接口規(guī)范，不同的制造商上產(chǎn)的設(shè)備就能夠互相通信，完全開放的接口有利于不同廠家設(shè)備的兼容。
LTE 空中接口的用戶平面和控制平面功能由eNode B 統(tǒng)一進行管理和控制，包括完成基站之間的切換等。由于減少了一層節(jié)點，用戶平面的數(shù)據(jù)傳送和控制平面的無線資源控制變得更加方便、靈活。
LTE 空中接口協(xié)議與UTRAN（Universal Terrestrial Radio Access Network，通用地面無線接入網(wǎng)）相比，放棄專用傳輸信道，改用上下鏈路使用共享信道，可以是共享空中接口的無線資源；另外，MAC 子層的實體類型和RRC 層處理都相對于UTRAN[13]得到了簡化。
3 LTE 和寬帶無線接入技術(shù)的對比
就目前的通信技術(shù)的發(fā)展形式來看，寬帶無線接入技術(shù)和蜂窩移動通信技術(shù)已經(jīng)呈現(xiàn)出相互融合的趨勢�；贗EEE802.16e 的移動性WiMAX 技術(shù)和以LTE 為代表的E3G[14]技術(shù)，無論在性能指標還是核心技術(shù)方面，都具有相當(dāng)大的相似性。
下面以 IEEE802.16e 和3GPP LTE 分別作為寬帶無線接入和寬帶移動通信技術(shù)的代表技術(shù)，將其二者的性能指標歸納在中。
在移動性能方面，LTE 強調(diào)了在15km/h 以下低速場景優(yōu)化系統(tǒng)，并要求在120km/h 一下只發(fā)生輕微的性能下降，同時也支持250km/h 的高速移動[15]，另外LTE 還要求在500km/h的告訴移動下保持連接。WiMAX 技術(shù)原本只用于120km/h 以下的中低車速移動，現(xiàn)在也邁向支持120km/h 以上移動速度�？偟恼f來，寬帶移動通信和寬帶無線接入技術(shù)對移動性的要求已趨向一致。
網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方面，寬帶移動通信和寬帶無線接入技術(shù)的核心網(wǎng)正在相互滲透，E3G 將基于全IP 的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，而WiMAX 網(wǎng)絡(luò)將支持IMS 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，兩者的RAN 結(jié)構(gòu)都趨于扁平化和分散化[15]。WiMAX 和LTE 也都在考慮多種無線通信系統(tǒng)（如2.5G、3G、WiMAX、WLAN）之間的互操作和切換。
為滿足上述的系統(tǒng)需求，IEEE802.16e 和LTE 標準分別選擇適當(dāng)?shù)年P(guān)鍵技術(shù)，如所示。
LTE 在上行采用了SC-FDMA[17]以降低信號峰平比（PAPR），但其只要的實現(xiàn)方式為離散傅立葉變換擴展OFDM 技術(shù)。LTE 出于對高移動性的考慮，采用了最大的子載波間隔15kHz。LTE 采用的是OFDM技術(shù)，WCDMA 中采用的是直接序列擴頻的CDMA技術(shù)。OFDM技術(shù)的頻譜效率明顯優(yōu)于CDMA。
在小區(qū)干擾抑制方面，LTE 考慮了干擾協(xié)調(diào)技術(shù)，在上行支持基于干擾指示和過載只是的動態(tài)協(xié)調(diào)，在下行至支持半靜態(tài)協(xié)調(diào)，另外還采用加擾的方式進行干擾隨機化。相對而言，IEEE802.16e 對小區(qū)間干擾問題的重視程度較低，只采用跳頻技術(shù)[18]對干擾進行隨機化。
4 總結(jié)
綜上所述，LTE 技術(shù)改進并增強了3G 的空中接入技術(shù)，采用OFDM 和MIMO[21]作為其無線網(wǎng)絡(luò)演進的唯一標準。在20MHz 頻譜帶寬下能夠提供下行326Mbit/s 與上行86Mbit/s的峰值速率[22]。改善了小區(qū)邊緣用戶的性能，提高小區(qū)容量和降低系統(tǒng)延遲。相對于目前3G 網(wǎng)絡(luò)的容量和速度，LTE 是它的100 余倍，且延遲性更低，并具有從1.25～20MHz 不等的靈活頻譜[23]。LTE 與WiMAX，以及3GPP2 的超行動寬帶[24]（Ultra Mobile Broadband，UMB）技術(shù)常一起被稱為4G，過去的3G 技術(shù)是指同一無線網(wǎng)絡(luò)提供語音和數(shù)據(jù)通訊，但到了4G 時代則變成為全數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，LTE 估計最高下載速率100Mbps 與上傳50Mbps[25]以上，比WiMax 更快。
LTE 的基站測試工作正在各城市測試點部署開來，接下來LTE 將進入一個不斷成長、成熟的階段。韓國電子通訊研究院（ETRI）成功以時速120 公里的移動速度、在基地臺和終端設(shè)備樣品之間進行LTE 資料傳輸。諾基亞（Nokia）也已完成使用2.6GHz 頻段傳輸速率可達173Mbps 的LTE 技術(shù)現(xiàn)場測試，等等，其他國際大型通信公司或研究機構(gòu)也已經(jīng)啟動了相應(yīng)的設(shè)計和實現(xiàn)技術(shù)方案，并對LTE 系統(tǒng)實現(xiàn)解決方案和關(guān)鍵技術(shù)進行了大量的測試和驗證。在國際移動通信巨頭機構(gòu)的長期技術(shù)投入和主導(dǎo)下，未來的移動通信將無疑朝著LTE 和LTE-Advanced[26]的方向迅速發(fā)展。
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