淺談UMTS演進之路

　　1、UMTS演進之路

　　“第三代移動通信”（3G）技術是當前主流的無線通信技術。在諸多3G技術標準中，又以3GPP制定的UMTS技術標準最具影響力。3G正在全世界范圍逐步部署，增強型UMTS技術——高速下行分組接入（HSDPA）和高速上行分組接入（HSUPA）技術的標準化工作也接近完成。同時，為了使3GPP標準相對其他無線標準保持長期優(yōu)勢，UMTS技術的演進版本的標準化工作也正在緊鑼密鼓地進行。

　　為UMTS標準設計演進之路時，不同公司的考慮也不盡相同。在2004年WiMAX技術對UMTS技術（尤其是HSDPA技術）時，3GPP急于開發(fā)和WiMAX抗衡的以OFDM/FDMA為核心技術、支持20 MHz系統(tǒng)帶寬的、具有相似甚至更高性能的技術，此即長期演進（LTE）。

　　為了實現(xiàn)LTE所需的大系統(tǒng)帶寬，3GPP不得不選擇放棄長期采用的CDMA技術，選用新的核心傳輸技術，即OFDM/FDMA技術。在無線接入網（RAN）結構層面，為了降低用戶面延遲，LTE取消了重要的網元——無線網絡控制器（RNC）。在核心網（CN）層面，和LTE相對應的SAE（系統(tǒng)框架演進）項目正在大大改變系統(tǒng)框架。由LTE/SAE為標志的這次變革，與其說是Evolution（演進），不如說是Revolution（革命）。這場“革命”是系統(tǒng)不可避免的喪失了大部分后向兼容性，也就是說，從網絡側和終端側都要做大規(guī)模的更新?lián)Q代。因此很多公司實際上將LTE干脆看作B3G技術范疇。

　　由于LTE系統(tǒng)缺乏和3G系統(tǒng)的后向兼容性，因此LTE系統(tǒng)更適合于在較早階段（如2000年左右）部署了3G系統(tǒng)，在2010年左右希望大規(guī)模更新網絡的那些運營商。對于那些近幾年剛部署了3G系統(tǒng)，在2015年左右之前不希望進行“革命性”換代的運營商，LTE可能不是在近幾年內保持市場競爭性的最佳選擇。因此3GPP又啟動了HSPA（包括HSDPA和HSUPA）的演進項目，又稱為“HSPA+”。HSPA+技術的宗旨是要保持和UMTS第6版本（Rel 6）的后向兼容性，同時在5MHz帶寬下要達到和LTE相仿的性能。這樣，希望在近期內以較小的代價改進系統(tǒng)，提高系統(tǒng)性能的UMTS運營商就可以采用HSPA+技術進行演進。

　　從更長期的演進的角度，B3G技術的標準化工作，已經“近在眼前”。最近，國際電信聯(lián)盟（ITU）將超3G（B3G）技術命名為IMT-Advanced技術，并初步決定在2008年2月開始IMT-Advanced的技術提案征集工作。從延續(xù)3GPP現(xiàn)有的市場地位的角度考慮，歐洲公司可能會在LTE標準基礎上，補充歐洲B3G研究項目（如WINNER項目）的研究成果，形成歐洲的IMT-Advanced提案，因此LTE技術和HSPA+技術的進一步演進版本很可能就是IMT-Advanced技術之一。

　　而對于尚未部署3G系統(tǒng)的2G運營商，由于IMT-Advanced系統(tǒng)大約在10年后就可以成熟并用于市場部署。在這10年的間隙內或者部署3G系統(tǒng)（包括HSPA和HSPA+），或者部署LTE系統(tǒng)，兩者可擇其一。但在短短10年時間內進行兩次大規(guī)模升級，先后部署3G和LTE系統(tǒng)，似乎代價過大，無法及時收回前一次升級的投資。

　　綜上所述，UMTS的演進之路將不是單一的演進方向，而是根據不同運營商的不同需求和系統(tǒng)部署時間表可以靈活選擇的多條演進路線。依筆者看來，運營商的演進路線可能分為如下4種情形：

　　◆　最早部署了3G系統(tǒng)的UMTS運營商：3G→LTE→IMT-Advanced。

　　◆　剛剛部署了3G系統(tǒng)的UMTS運營商：3G→HSPA+→IMT-Advanced。

　　◆　近期即將部署3G系統(tǒng)的2G運營商：3G（包括HSPA+）→IMT-Advanced。

　　◆　近期不會部署3G系統(tǒng)的2G運營商：2G→LTE→IMT-Advanced。

　　2、3GPP長期演進（LTE）標準化現(xiàn)狀

　　2.1　LTE系統(tǒng)需求

　　LTE項目首先從定義需求開始。主要需求指標包括：

　　◆　支持1.25 MHz～20 MHz帶寬。

　　◆　峰值數據率：上行50 Mb/s，下行100 Mb/s。頻譜效率達到3GPP R6的2～4倍。

　　◆　提高小區(qū)邊緣的比特率。

　　◆　用戶面延遲（單向）小于5 ms，控制面延遲小于100 ms。

　　◆　支持與現(xiàn)有3GPP和非3GPP系統(tǒng)的互操作。

　　◆　支持增強型的廣播多播業(yè)務。

　　◆　降低建網成本，實現(xiàn)從R6的低成本演進。

　　◆　實現(xiàn)合理的終端復雜度、成本和耗電。

　　◆　支持增強的IMS（IP多媒體子系統(tǒng)）和核心網。

　　◆　追求后向兼容，但應該仔細考慮性能改進和向后兼容之間的平衡。

　　◆　取消CS（電路交換）域，CS域業(yè)務在PS（包交換）域實現(xiàn)，如采用VoIP。

　　◆　對低速移動優(yōu)化系統(tǒng)，同時支持高速移動。

　　◆　以盡可能相似的技術同時支持成對（Paired）和非成對（Unpaired）頻段。

　　◆　盡可能支持簡單的臨頻共存。

　　3GPP毫不諱言LTE項目的啟動是為了應對“其他無線通信標準”的競爭。針對WiMAX“低移動性寬帶IP接入”的定位，LTE提出了相對應的需求，如相似的帶寬、數據率和頻譜效率指標、對低移動性進行優(yōu)化、只支持PS域，強調廣播多播業(yè)務等。同時，出于對VoIP和在線游戲的重視，LTE對用戶面延遲的要求近乎苛刻。關于向后兼容的要求似乎模棱兩可，從目前的情況看，由于選擇了大量的新技術，至少在物理層已難以保持從UMTS的平滑過渡。

　　另外，運營商還提出加強廣播業(yè)務的要求，增加了在單獨的下行載波部署移動電視（Mobile TV）系統(tǒng)的需求。

　　2.2　LTE物理層技術選擇

　?。?）基本傳輸技術和多址技術

　　3GPP成員在討論多址技術方案時，主要分兩個陣營：多數公司認為OFDM/FDMA技術與CDMA技術相比，可取得更高的頻譜效率；而少數公司認為OFDM系統(tǒng)和CDMA系統(tǒng)性能相當，出于后向兼容的考慮，應該沿用CDMA技術。

　　持前一種看法的公司全部支持在下行采用OFDM技術，但在上行多址技術的選擇上又分為兩種觀點。大部分廠商因為對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，主張采用具有較低PAPR的單載波技術。另一些公司（主要是積極參與WiMAX標準化的公司）建議在上行也采用OFDM技術，并用一些增強技術解決PAPR的問題。經過激烈的討論和艱苦的融合，3GPP最終選擇了大多數公司支持的方案，即下行OFDM；上行SC（單載波）-FDMA。

　　SC-FDMA具體采用DFT-S-OFDM技術實現(xiàn)，這種技術是在OFDM的IFFT調制之前對信號進行DFT擴展，這樣系統(tǒng)發(fā)射的是時域信號，從而可以避免OFDM系統(tǒng)發(fā)送頻域信號帶來的PAPR問題。

　?。?）“宏分集”之爭

　　是否采用宏分集技術，是LTE討論中的又一個焦點。這個問題看似是物理層技術的取舍，實則影響到網絡架構的選擇，對LTE/SAE系統(tǒng)的發(fā)展方向有深選的影響。

　　3GPP內部在下行宏分集問題上的看法比較一致。由于存在難以解決的“同步問題”，各公司很早就明確，對單播（unicast）業(yè)務不采用下行宏分集。只是在提供多小區(qū)廣播（broadcast）業(yè)務時，由于放松了對頻譜效率的要求，可以通過采用較大的循環(huán)前綴（CP），解決小區(qū)之間的同步問題，從而使下行宏分集成為可能。

　　與下行相比，3GPP對上行宏分集的取舍卻遲遲不決。宏分集的基礎是軟切換，這種CDMA系統(tǒng)的典型技術，在FDMA系統(tǒng)中卻可能“弊大于利”。更重要的是，軟切換需要一個“中心節(jié)點”（如RNC）來進行控制，這和大多數公司推崇的網絡“扁平化”、“分散化”網絡結構背道而馳。經過激烈的爭論，3GPP最終決定LTE不考慮宏分集技術。

　?。?）其他技術選擇和系統(tǒng)設計

　　LTE在MIMO技術的討論上遇到了較大的困難。3GPP在MIMO技術的采用上一貫比較謹慎，在CDMA系統(tǒng)是否采用MIMO技術的問題上長期難以決定（近期才有所突破）。在LTE方面，雖然很早就明確了要采用MIMO技術，但在具體技術方案上分為兩個陣營，即基于預編碼（Precoding）技術的方案和基于每天線速率控制（PARC）技術的方案。雖然目前3GPP在此問題上的看法正在逐步收斂，但最后的技術選擇仍很艱難。

　　LTE在數據傳輸延遲方面的要求很高（單向延遲小于5ms），這要求LTE系統(tǒng)須采用很小的最小交織長度（TTI）。LTE采用了0.5ms的子幀長度和1ms的TTI（1個TTI包含2個子幀）。另外，為了解決TD-SCDMA系統(tǒng)和LTE TDD系統(tǒng)的“臨頻共址”共存問題，3GPP確定在考慮和LCR-TDD系統(tǒng)兼容時可以采用0.675ms子幀長度。

　　其他物理層技術細節(jié)，如系統(tǒng)參數、導頻結構、時頻資源分配、控制信道復用、調制和編碼、鏈路自適應、頻域調度、HARQ（混合自動重傳）、小區(qū)干擾抑制、小區(qū)搜索、隨機接入等已接近確定。

　　2.3　空中接口協(xié)議結構和網絡架構

　　傳統(tǒng)的3GPP接入網UTRAN由NodeB和RNC兩層節(jié)點構成，但在考慮LTE技術時，大多數公司建議將RNC省去，采用由NodeB構成的單層結構，因為這樣的結構有利于簡化網絡和減小延遲。但少數設備商和運營商建議保留原有的網絡架構，只做局部的修改。如果采用第一種（即“扁平”的）網絡架構，則將對3GPP系統(tǒng)的整個體系架構產生深遠的影響，實際上將逐步趨近于典型的IP寬帶網結構。

　　在作出不采用宏分集的決定后，這個問題的焦點集中在上層ARQ（Outer ARQ）、無線資源控制（RRC）和小區(qū)間無線資源管理（Inter-cell RRM）功能塊的位置上。如果上述功能可以在Node B完成，則可以采用只由Node B構成的“扁平”E-UTRAN結構；如果上述功能無法在Node B內完成，則必須保留所謂的“中心節(jié)點”（類似于RNC）來實現(xiàn)這些功能，也即需要采用兩層結構的E-UTRAN。

　　最后由于絕大多數公司支持前一種方案，因此確定了由演進型Node B（eNB）和接入網關（aGW）構成的接入網結構。aGW實際上是一個邊界節(jié)點，如果將它看作核心網的一部分，則接入網主要由eNB一層構成。LTE的eNB除了具有原來Node B的功能外，還承擔了原來RNC的大部分功能，包括物理層（包括HARQ）、MAC層（包括ARQ）、RRC（無線資源控制）、調度、無線接入許可、無線承載控制、接入移動性管理和小區(qū)間RRM（無線資源管理）等。對小區(qū)間干擾協(xié)調、負載控制等功能，也采用完全分散的管理結構。Node B和Node B之間將采用網格（Mesh）方式直接互連，這也是對原有UTRAN結構的重大修改。

　　在傳輸信道的設計方面，LTE的信道數量將比WCDMA系統(tǒng)有所減少。最大的變化是將取消專用信道，在上行和下行都采用共享信道（SCH）。

　　2.4　LTE標準化現(xiàn)狀

　　LTE研究階段（SI）已經于2006年9月結束。LTE的可行性研究得出了正面的結論，因此3GPP正式批準了LTE工作階段（WI），LTE標準的起草已正式開始。按照目前的工作計劃，3GPP將于2007年3月完成第2階段（Stage 2）的協(xié)議，于2007年9月最終完成第3階段（Stage 3）協(xié)議。

　　3GPP已經將34系列的規(guī)范編號分配給了LTE。其中物理層將起草如下幾個LTE技術規(guī)范，如表1所示。

　　　　　　　　　　　
表1　物理層將起草的幾個LTE技術規(guī)范

　　3、HSPA演進技術

　　HSPA的進一步演進和增強（HSPA+）是3GPP RAN啟動一個新的研究項目。這個研究項目的目的是明確HSPA+將要達到的目標、包含的研究內容及和現(xiàn)有研究項目和工作項目的關系，此項目僅針對FDD系統(tǒng)。目前對HSPA+項目的研究范疇還沒有形成完全一致的意見，但初步確定了一些HSPA+的基本需求：

　　（1）結構方面需求

　　◆　提供低復雜度、低成本的從HSPA向SAE/LTE平滑演進的路徑；

　　◆　降低用戶面延遲（針對現(xiàn)有的和R7以后的終端）；

　　◆　降低控制面延遲（對R7以后的終端，如果有成本的有效方法，也對現(xiàn)有終端）；

　　◆　考慮簡化/減少節(jié)點數量；

　　◆　考慮將HSPA+RAN連接到SAE CN上（用戶面和/或控制面）；

　　◆　應該考慮和非3GPP系統(tǒng)間的移動性；

　　◆　考慮用CS域支持原有的CS業(yè)務；

　　◆　考慮降低網絡成本。

　　（2）空口方面

　　◆　考慮提高頻譜效率的方法；

　　◆　降低用戶面延遲（針對現(xiàn)有的和R7以后的終端）；

　　◆　降低控制面延遲（對R7以后的終端，如果有成本的有效方法，也對現(xiàn)有終端）；

　　◆　保持和現(xiàn)有終端兼容的方式考慮如何提供高效的QoS支持；

　　◆　需要考慮是否能現(xiàn)有終端或R7以后的終端帶來改進；

　　◆　對終端的任何改變都應該盡可能多地在原有的測試工作的基礎上發(fā)展。

　?。?）HSPA+系統(tǒng)需要滿足的限制

　　◆　應可以利用現(xiàn)有的R7 RAN結構，但如果支持和R7結構的完全互聯(lián)，應考慮改變結構的建議。

　　◆　如果可以帶來顯著的性能增益并可以低復雜度的向SAE/LTE演進，可以重新考慮RAN和CN的功能劃分。

　　◆　應盡可能減小對NodeB的影響，允許簡單的升級和硬件的再利用。但不排除通過硬件升級支持額外的功能（如提高處理能力和RNC功能等）。

　　◆　應盡可能減小對UE的影響，尤其是控制復雜度。

　　◆　R99和現(xiàn)有HSPA UE應可以和HSPA+終端共享載波，且不帶來性能損失。

　　◆　系統(tǒng)內和系統(tǒng)間的移動性性能不應比R7更差。

　　HSPA+的主要工作較多的集中在RAN2工作組。在物理層方面，主要將利用目前正在開展的幾項研究，如分組數據用戶的連續(xù)連接、MIMO等。另外，還可以考慮采用更高階的調制方式等技術提高系統(tǒng)性能。

　　4、3GPP的IMT-Advanced之路

　　3GPP是否會成為指定IMT-Advanced標準的標準化組織之一，尚不能確定。如果3GPP繼續(xù)承擔歐洲IMT-Advanced標準的制定任務，預計3GPP會基于LTE系統(tǒng)研發(fā)IMT-Advanced系統(tǒng)。由于LTE系統(tǒng)已經具有B3G技術的很多主要特性，LTE的核心技術很能會被沿用到IMT-Advanced系統(tǒng)中，同時增加對超大系統(tǒng)帶寬（100 MHz）的支持，對多頻異構系統(tǒng)的支持，采用中繼和頻譜共享等技術，形成和LTE系統(tǒng)后向兼容的IMT-Advanced技術方案。