4G LTE-Advanced技術(shù)特點(diǎn)及標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展情況分析

1 引言

LTE-Advanced是LTE的演進(jìn)，正式名稱為 Further Advancements for E-UTRA，2008年3月開始，2008年5月確定需求。它滿足ITU-R 的IMT-Advanced技術(shù)征集的需求，不僅是3GPP形成歐洲IMT-Advanced技術(shù)提案的一個(gè)重要，還是一個(gè)后向兼容的技術(shù)，完全兼容LTE，是演進(jìn)而不是革命。2008年初，完成了LTE第一個(gè)版本的系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范，即Release 8。在此之后，3GPP中繼續(xù)進(jìn)行技術(shù)的完善與增強(qiáng)，剛剛完成了第二個(gè)技術(shù)版本（Release 9），目前正處于Release 10版本的研究過程中。

在3GPP中進(jìn)行LTE技術(shù)研究的同時(shí)，國際電信聯(lián)盟（ITU）一直在開展關(guān)于下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)的市場(chǎng)需求和頻率規(guī)劃等方面的調(diào)研工作，為制定4G技術(shù)的國際標(biāo)準(zhǔn)建議做準(zhǔn)備。2008年3月，ITU開始了候選技術(shù)的征集和標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程，稱為IMT-Advanced。響應(yīng)ITU關(guān)于4G IMT-Advanced技術(shù)的征集，3GPP中將正在研究的LTE Release 10以及之后的技術(shù)版本稱為LTE-Advanced，并且向ITU進(jìn)行了候選技術(shù)的提交。

LTE支持FDD和TDD兩種雙工方式，在LTE Release 8版本中，采用20MHz的通信帶寬，空中接口的下行峰值速率超過300Mbit/s上行方向的峰值速率也超過了80Mbit/s。而LTE Release 10版本（LTE-Advanced）將支持100MHz的通信帶寬，空中接口的峰值速率超過1Gbit/s。值得一提的是，作為TD-SCDMA技術(shù)的后續(xù)演進(jìn)，LTE的TDD模式又稱為TD-LTE/TD-LTE-Advanced。出于對(duì)TD-SCDMA技術(shù)演進(jìn)路線的關(guān)注，中國的成員單位在3GPP中深度參與了相關(guān)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程，2009年10月，中國政府正式向ITU提交了TD-LTE-Advanced建議作為4G國際標(biāo)準(zhǔn)候選技術(shù)。

2 技術(shù)特點(diǎn)

2.1 多址方式與資源分配

LTE采用OFDM技術(shù)為基礎(chǔ)，根據(jù)上行和下行鏈路各自的特點(diǎn)，分別采用單載波DFT-SOFDM和OFDMA作為兩個(gè)方向上多址方式的具體實(shí)現(xiàn)。OFDM技術(shù)以子載波為單位進(jìn)行頻率資源的分配，LTE系統(tǒng)采用15kHz的子載波帶寬，按照不同的子載波數(shù)目，可以支持1.4，3，5，10，15和20MHz各種不同的系統(tǒng)帶寬。Release 10版本中將要引入的載波聚合技術(shù)，可以通過聚合5個(gè)20MHz的單元載波實(shí)現(xiàn)100MHz的全系統(tǒng)帶寬（見圖1）。

圖1 載波聚合

2.2 快速的分組調(diào)度

無線衰落信道在時(shí)間上和頻率上是變化的，在LTE中采用1ms時(shí)間長度的TTI（傳輸時(shí)間間隔）結(jié)合12個(gè)子載波（180KHz）頻率寬度，形成PRB（物理資源塊）。根據(jù)信道的變化情況，系統(tǒng)進(jìn)行快速的調(diào)度，給用戶分配最優(yōu)的物理資源。在所選擇的物理資源上，進(jìn)一步利用AMC（自適應(yīng)編碼調(diào)制）技術(shù)，形成資源的最佳利用。這樣的自適應(yīng)調(diào)度，從整個(gè)系統(tǒng)的角度實(shí)現(xiàn)資源優(yōu)化的分配和利用，提高全系統(tǒng)性能。同時(shí)，靈活的調(diào)度也可以根據(jù)業(yè)務(wù)特點(diǎn)為單個(gè)用戶提供合理的QoS保證，相關(guān)的機(jī)制已經(jīng)成為所有新一代移動(dòng)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的一項(xiàng)基本技術(shù)。

2.3 多天線技術(shù)

多天線（MIMO）技術(shù)是LTE系統(tǒng)提高吞吐量的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，根據(jù)天線部署形態(tài)和實(shí)際應(yīng)用情況可以采用發(fā)射分集、空間復(fù)用和波束賦形3種不同的MIMO實(shí)現(xiàn)方案。例如，對(duì)于大間距非相關(guān)天線陣列可以采用空間復(fù)用方案同時(shí)傳輸多個(gè)數(shù)據(jù)流，實(shí)現(xiàn)很高的數(shù)據(jù)速率；對(duì)于小間距相關(guān)天線陣列，可以采用波束賦形技術(shù)，將天線波束指向用戶，減少用戶間干擾。對(duì)于控制信道等需要更好的保證接收正確性的場(chǎng)景，發(fā)射分集是一種合理的選擇。

LTE Release 8版本支持下行最多4天線的發(fā)送，最大可以空間復(fù)用4個(gè)數(shù)據(jù)流的并行傳輸，在20MHz帶寬的情況下，可以實(shí)現(xiàn)超過300Mbit/s的峰值速率。在Release 10中，下行支持的天線數(shù)目將擴(kuò)展到8個(gè)。相應(yīng)地，最大可以空間復(fù)用8個(gè)數(shù)據(jù)流的并行傳輸，峰值頻譜效率提高一倍，達(dá)到30bit/s/Hz。同時(shí)，在上行也將引入MIMO的功能，支持最多4天線的發(fā)送，最大可以空間復(fù)用4個(gè)數(shù)據(jù)流，達(dá)到16bit/s/Hz的上行峰值頻譜效率（見圖2）。

圖2 MIMO技術(shù)增強(qiáng)

2.4 中繼技術(shù)

中繼（Relay）技術(shù)是LTE將在Release 10版本中開始引入的另一項(xiàng)重要功能（見圖3）。傳統(tǒng)基站需要在站點(diǎn)上提供有線鏈路的連接以進(jìn)行“回程傳輸”，而中繼站通過無線鏈路進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)端的回程傳輸，因此可以更方便地進(jìn)行部署。根據(jù)使用場(chǎng)景的不同，LTE中的中繼站可以用于對(duì)基站信號(hào)進(jìn)行接力傳輸，從而擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍；或者用于減小信號(hào)的傳播距離，提高信號(hào)質(zhì)量，從而提高熱點(diǎn)地區(qū)的數(shù)據(jù)吞吐量。

圖3 中繼技術(shù)

2.5 性能評(píng)估情況

在作為4G候選提案的準(zhǔn)備過程中，按照ITU規(guī)定的評(píng)估場(chǎng)景對(duì)LTE/LTE-Advanced的系統(tǒng)性能進(jìn)行了全面的評(píng)估，包括頻譜效率，VoIP容量，業(yè)務(wù)/切換時(shí)延等各項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)均達(dá)到或者超過了ITU

IMT-Advanced技術(shù)要求。圖4是在4種場(chǎng)景下對(duì)于LTE系統(tǒng)平均頻譜效率的評(píng)估情況。

圖4 LTE/LTE-Advanced性能評(píng)估

3 標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展情況

LTE（Long Term Evolution）是3G之后新的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，3GPP在2004年底開始技術(shù)研究與系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化工作。到2008年初，完成了第一個(gè)版本Release 8的系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范，形成了面向下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)的、以O(shè)FDM/MIMO技術(shù)為基礎(chǔ)的全新的技術(shù)架構(gòu)。LTE Release 8版本實(shí)現(xiàn)了100Mbit/s吞吐量的設(shè)計(jì)目標(biāo)，在此基礎(chǔ)上，3GPP在后續(xù)的版本中不斷進(jìn)行系統(tǒng)的完善與技術(shù)增強(qiáng)。

截至2010年3月，LTE Release 9的各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化項(xiàng)目都已經(jīng)完成，系統(tǒng)新增的功能包括用戶定位、多播/廣播功能、雙流波束賦型，家庭基站和自組織網(wǎng)絡(luò)等。雖然并沒有增加系統(tǒng)的峰值吞吐量，但是這些功能進(jìn)一步完善了系統(tǒng)，在前一版本形成新的系統(tǒng)框架的基礎(chǔ)上，LTE Release 9版本豐富了系統(tǒng)的業(yè)務(wù)能力。

目前，正在進(jìn)行研究工作的是LTE Release 10版本，已經(jīng)確定的研究內(nèi)容包括前面介紹的載波聚合、MIMO技術(shù)增強(qiáng)、中繼Relay技術(shù)以及異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)等。載波聚合技術(shù)和MIMO技術(shù)的進(jìn)一步增強(qiáng)將顯著提升系統(tǒng)的吞吐量能力，實(shí)現(xiàn)超過下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)1Gbit/s的性能目標(biāo)。LTE Release 10計(jì)劃的完成時(shí)間是2011年初，屆時(shí)LTE的系統(tǒng)性能將得到一次顯著的增強(qiáng)和完善。圖5所示的是LTE的技術(shù)發(fā)展情況。

圖5 LTE技術(shù)發(fā)展

LTE是3G之后，下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)一個(gè)最重要的發(fā)展方向，國內(nèi)各個(gè)單位在相關(guān)技術(shù)研究和國際標(biāo)準(zhǔn)化領(lǐng)域進(jìn)行了很大的投入。據(jù)統(tǒng)計(jì)，至今中國公司在3GPP共提交LTE方面的文稿大約5000篇，占相關(guān)總文稿數(shù)目的約14%。隨著LTE標(biāo)準(zhǔn)的不斷發(fā)展，國內(nèi)公司的參與力度在不斷加強(qiáng)，文稿占總數(shù)的比例也在逐年上升，到2009年下半年已經(jīng)達(dá)到了20%以上。對(duì)于我們重點(diǎn)關(guān)注的TD-LTE的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，中國公司提交的文稿數(shù)目更是接近總數(shù)的50%。

4 結(jié)束語

3GPP LTE以O(shè)FDM/MIMO作為基本技術(shù)，大量采用了目前移動(dòng)通信領(lǐng)域最先進(jìn)的技術(shù)和設(shè)計(jì)理念，從Release 8版本開始，LTE已經(jīng)完成了Release 9版本，目前正處于Release 10版本的研究過程中。為了響應(yīng)ITU關(guān)于IMT-Advanced國際建議的工作，將LTE Release 10以及后續(xù)版本又稱為LTE-Advanced，是移動(dòng)通信系統(tǒng)在4G階段一個(gè)最重要的發(fā)展方向。LTE-Advanced的TDD模式又稱為TD-LTE-Advanced，它是3G TD-SCDMA在下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)4G上的技術(shù)演進(jìn)。按照ITU規(guī)定的評(píng)估場(chǎng)景所進(jìn)行的性能仿真評(píng)估結(jié)果顯示，LTE-Advanced/TD-LTE-Advanced的各項(xiàng)系統(tǒng)性能指標(biāo)均達(dá)到或者超過了ITU IMT-Advanced技術(shù)要求。

中國公司在LTE的國際標(biāo)準(zhǔn)化工作中進(jìn)行了很大的投入，并且隨著LTE標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展不斷加大參與的力度。在近期LTE Release 10階段的標(biāo)準(zhǔn)化工作中，中國公司提交的文稿數(shù)量已經(jīng)達(dá)到會(huì)議總文稿數(shù)量的20%以上（見圖6），在全面參與LTE技術(shù)國際標(biāo)準(zhǔn)化的同時(shí)，有效引導(dǎo)了TD-LTE技術(shù)的發(fā)展方向。

圖6 中國公司文稿占3GPP LTE總文稿數(shù)的比例