LTE-Advanced主導3G無線通信走向未來

粟 欣 吳 佳 曾 捷

[摘要]目前，LTE-Advanced的關鍵技術發展得到學術和產業界的鼎力推動，其標準化也受到業界的廣泛關注，對3G無線通信的未來發展正發揮著越來越重要的主導作用。文章闡述了LTE-Advanced的產生和發展，對LTE-Advanced在向IMT-Advanced演進過程中的兩種模式進行了分析，并介紹了其關鍵技術，如頻譜利用率、數據傳輸速率、接八性能和時延表現上的顯著優勢。

[關鍵詞]LTE-Advanced3GIMT-AdvancedLTE

1背景

伴隨著無線移動通信產業多年的發展。手機普及率不斷刷新著歷史記錄。據報道，全球手機用戶在2008年底突破了40億，移動通信網絡已覆蓋全球，把“在任何時間、任何地點和任何人通信”的人類夢想逐漸變成了現實。無線移動通信經歷了從第一代模擬系統、第二代數字系統到第三代數字多媒體系統的演進，并正向支持高速數字多媒體與數據業務的方向發展。這將不僅提高人們傳遞和獲取信息的能力，而且將促進全球經濟的高速發展。無線通信的發展歷程如圖1所示。

從無線通信的發展歷程中可以看出，未來無線通信將以高速數字多媒體業務為主。系統的傳輸速率和服務質量都有較大幅度的提高。并有機地融合現在的互聯網、移動網和廣播網等，最終形成一個無所不在的移動通信網。為此，ITU展開了制定IMT-Advanced標準的工作，希望提高系統的頻譜利用率，將峰值速率提高到100Mbps(高速移動)、1Gbps(固定或低速移動)以上的水平，為未來的無線通信業務提供廣闊的應用空間。

2LTE-Advanced向IMT-Advanced演進

2-1LTE與IMT-Advanced的關系

2008年，ITU確定了IMT-Advanced具體的系統技術要求，并于3月正式在全世界范圍內征集IMT-Advanced候選技術提案，候選技術方案的征集工作將于2009年10月結束。預計2010年中將完成候選方案的技術評估和融合，經過最后的甄選和完善。正式的標準將會在2012年前后完成。

ITU對IMT-Advanced的技術要求如下：

◆在保持靈活支持廣泛的服務和應用的基礎上，以符合成本效益的方式，達到全球范圍內的高度通用性；

◆兼容IMT業務和固定網絡業務；

◆擁有與其它無線接入系統互通的能力；

◆高品質的移動服務；

◆用戶終端適合全球使用；

◆方便使用的應用、服務和設備：

◆全球漫游能力；

◆增強峰值速率以支持新型的業務和應用(高速移動下達到100Mbps，低速移動下達到1Gbps)。

主流3G無線通信標準向IMT-Advanced演進路線如圖2所示，候選方案包括3GPP的LTE、3GPP2的UMB和IEEE的WiMAX。WiMAX因其移動性較差和資費不合理等，未能得到移動通信運營商的廣泛支持；源于IPR方面的紛爭等問題，UMB的推進也遭遇重大挫折，3GPP2的領袖企業高通及許多CDMA2000運營商都紛紛倒戈轉投LTE陣營；LTE因性能優勢突出而得到大多數設備廠商和移動通信運營商的支持，成為3G無線通信向IMT-Advanced演進道路上的最佳出發地。

LTE分為FDD和TDD兩種模式，FDD模式主要由WCDMA技術演進而來，TDD模式主要由中國主導的TD-SCDMA技術演進而來。在2007年11月舉行的無線接入網工作組會議上，中國促使3GPP將原有的兩種LTE TDD幀結構合并為基于TD-SCDMA的融合幀結構，并與FDD的幀結構進行了統一，由此確定了TDD和FDD兩種模式在3GPP LTE框架下共同向IMT-Advanced演進的方案。

2-2LTE-Advanced的產生和發展

成立于1998年12月的3GPP的成員，包括歐洲的ETSI、日本的ARIB和TTC、中國的CCSA、韓國的TTA和北美的ATIS，目標是在ITU的IMT-2000計劃范圍內制訂和實現全球性的3G移動電話系統規范。3GPP先后發布了R99、R4、R5、R6、R7、R8等系統版本技術規范。按照EDGE、WCDMA、HSDPA、HSUPA及LTE路線圖演進，正在積極制定R9、R10版本標準。由此，以R10版本為基礎的LTE-Advanced將成為向ITU提交的IMT-Advanced候選技術。

2007年11月，3GPP在墨西哥組織的技術研討會初步討論IMT-Advanced的技術需求、標準化進程以及頻譜劃分等內容。2008年4月至5月，3GPP分別在中國和捷克召開了兩次正式研討會，討論了LTE向IMT-Advanced的演進問題，提出了LTE-Advanced(簡稱為“LTE-A”或者是“LTE-Adv”)的概念并明確了初步技術指標。此后，3GPP的無線接入網工作組的歷次會議都開展了LTE-Advanced技術的專題討論。

圖3給出了LTE-Advanced向ITU提交草案和相關標準化工作的時間計劃，從2008年3月到2010年3月是第一階段技術可行性的研究，其中于2009年10月將以LTE-Advanced為一個RIT(Radio Interface Technology，空中接口技術)集合、分為FDD和TDD兩個RIT的原則，向ITU提交技術草案。預計于2010年12月完成第二階段標準化工作，并同時開啟第三階段的工作。

2.3LTE-Advanced兩種模式的演進

3GPP認為LTE-Advanced需要在LTE基礎上向IMT-Advanced進行平滑演進，LTE-Advanced主要的演進目標如下：

◆LTE-Advanced具有后向兼容性，其網絡能夠支持LTE終端，LTE-Advanced終端也能夠在LTE網絡中使用基本功能：

◆網絡自適應和自優化功能應當進一步加強，能夠支持從宏蜂窩到室內環境的覆蓋，優先考慮低速移動的用戶；

◆降低終端的復雜度，降低成本：

◆同時支持連續和不連續的頻譜，支持最大不超過100MHz的帶寬，支持ITU分配的無線頻段，能夠與LTE共享相同的頻段：

◆下行峰值速率能夠達到1Gbps，上行應當超過500Mbps；峰值頻譜效率達到下行30bps/Hz、上行15bps/Hz；平均頻譜效率達到下行3.2bps/Hz、上行2bps/Hz；邊緣頻譜效率達到下行0.1bps/Hz、上行0.05bps/Hz；最低天線配置要求為下行2×2、上行1×2，其他性能應不低于LTE的標準。

LTE-Advanced FDD模式經HSDPA、HSPA+演進而來，采用了OFDM和MIM0技術，具有良好的技術性能。通

過適當增強傳輸技術，加入載波聚合。并對網絡進行優化，能夠滿足甚至超過IMT-Advanced的技術需求。

LTE-Advanced的TDD模式是由TD-SCDMA經過基本版本、增強版本以及TD-LTE演進而來，得到了中國企業的廣泛支持和推動，與LTE FDD良好融合，將采用OFDM、超寬帶、超窄帶、認知無線電、網絡感知、多無線接入網融合和網絡協同等關鍵技術，其核心網是各種接入技術相互融合的全IPv6網，極限速率約100Mbps到1Gbps。

3LTE-Advanced的關鍵技術

3.1統一的幀結構

FDD和TDD模式融合后的LTE-Advanced的幀結構如圖4所示。LTE-Advanced每個無線幀的長度為10ms，FDD模式包含20個時隙，每個時隙長為0.5ms，每兩個連續的時隙構成一個子幀。TDD模式的無線幀包括兩個半幀，每個半幀長度為5ms，由8個長度為0.5ms的普通時隙和3個特殊時隙組成，每兩個普通時隙或者三個特殊時隙組成一個長度為1ms的子幀，TDD模式支持5ms和10ms周期的周期轉換點。幀結構的統一，為LTE-Advanced向JMT-Advanced的推進鋪平了道路。

3.2先進的傳輸技術

LTE-Advanced匯集了多項先進的傳輸技術，包括OFDM/QFDMA、MIMO和鏈路自適應技術等，為了適應IMT-Advanced更高傳輸速率的要求，還加入了載波聚合，上下行鏈路增強等技術。

(1)上下行多址技術

上下行多址技術是無線通信技術的基礎，而OFDM/OFDMA技術是LTE乃至IMT-Advanced能夠取得優勢性能的關鍵。傳統頻分復用將頻帶分為若干不相交的子信道來傳輸并行的數據流，在接收端用濾波器進行分離，這種方法需要在子信道間留有保護頻帶，頻譜利用率比較低。OFDM采擾，很好地對抗頻率選擇性衰落和窄帶干擾。并有效提升頻譜利用率，達到接近2Baud/Hz。OFDMA是OFDM技術的演進，一組用戶可以同時接入同一信道，每個用戶選擇信道條件較好的部分子載波傳輸數據，而不用在整個頻帶內進行發送。這樣保證了各子載波都被信道條件較好的用戶使用。獲得了頻率上的多用戶分集增益。

LTE-Advanced將在下行采用OFDMA技術，上行選擇以DTF-S-OFDM技術為主，部分室內、熱點覆蓋考慮使用OFDMA技術，將通過增加帶寬，子載波數，采用高階數字調制等方法來優化傳輸，以滿足更高的傳輸速率和服務質量要求。

(2)多天線技術

多天線技術是解決頻率資源匱乏的有效途徑，能夠提高系統容量和通信質量，現階段主要的多天線技術包括智能天線技術，MIMO技術等。智能天線利用數字信號處理，合成天線陣列的輸入和輸出，以自適應的方式發射和接收信號。采用先進的波束轉換技術和自適應空間數字處理技術，達到充分利用移動用戶信號并抑制甚至消除干擾信號的目的。MIMO技術通過在基站和終端使用多天線來抑制信道衰落。在不增加帶寬和天線發送功率的情況下，MIMO系統的信道容量隨著天線數量的增大而線性增大，頻譜利用率能夠得到成倍的提升。MIMO技術包括空間分集(SD，SpatialDiversity)、空間復用(SM，Spatial Multiplexing)、預編碼(Pre-coding)和波束賦形(Beam forming)等。

LTE-Advanced下行主要采用4×4MIMO，最多達到8×8或者8×4 MIMO，上行將采用2×4MIMO或者多用戶聯合的虛擬MIMO技術。

(3)鏈路自適應技術

鏈路自適應技術能夠動態跟蹤信道變化，根據信道情況確定當前信道的容量，進而確定傳輸的信息符號速率、發送功率、編碼速率和編碼方式、調制的星座圖尺寸和調制方式等參數，因此可以最大限度地發送信息，實現更低的誤碼率，并保持恒定發射功率，以減輕對其它用戶的干擾，滿足不同業務的需求，提高系統的整體吞吐量。

鏈路自適應雖然是對物理層的傳輸參數進行調整，但它不限于物理層，需要無線通信系統的各層之間緊密配合。鏈路自適應需要物理層提供調制、編碼和發射功率等參數信息；需要鏈路層提供一條可靠的信令鏈路，以便在發射參數改變時通知接收機和發射機，以協調它們之間的工作。

鏈路自適應主要涉及自適應調制、自適應信道編碼和混合自動重傳請求(HARQ)等關鍵技術。在3G及其LTE中已發揮了重要的作用，并仍將在LTE-Advanced中扮演關鍵角色。

(4)載波聚合

LTE目前最大支持20MHz的系統帶寬，IMT-Advanced需要支持高達1Gbps的傳輸速率，提出系統最大支持帶寬應不小于40MHz，需要進行系統帶寬的擴展。目前，3GPP確定將采用載波聚合的方式實現系統帶寬的擴展，最大能聚合帶寬可達100MHz，分為兩種方式：一種為連續頻段上的多個載波聚合，能夠保持系統的后向兼容性；另一種是非連續頻段上的多個載波聚合，提供了系統對分散的頻率資源進行整合利用的解決方案。

在LTE-Advanced的關注范圍中，載波聚合的研究重點包括連續載波聚合的頻譜利用率提升，上下行非對稱的載波聚合場景的控制信道的設計等。目前，關于載波聚合的可行性研究工作已經完成。

3.3網絡優化技術

LTE已經采用了最先進的傳輸技術，其后的LTE-Advanced在向IMT-Advanced的演進過程中。很大程度上將依賴于對網絡覆蓋方式與核心架構的優化，以便達到期望的技術目標要求。

(1)多點協作

多點協作(CoMP，Coordinative Multiple Point)的網絡結構如圖6所示。1個基站通過光纖連接多個天線站點。所有的基帶處理仍集中在基站，形成集中的基帶處理單元州。分布式天線系統中的天線站點可以看作基站的多個扇區或1個扇區中的多個天線，可以很好地進行天線站點之間的協同，明顯改進上行和下行的系統性能。

在LTE-Advanced中，CoMP上下行采用的合作方式、反饋信道的設計和交互信令的設計等問題得到了高度關注，現在仍處于論證和細節確定階段，是國內企業與高校合作并提交具有自主知識產權技術參與標準化的重要機會。

(2)Relay技術

Relay技術是LTE-Advanced加入的新功能，采用具備無線中繼功能的站點進行轉發，對信號進行必要的處理和選擇性放大，可以改善由無線信道環境導致的陰影衰落，擴大信號覆蓋范圍和提高系統的吞吐量，如圖7所示。Relay技術的研究內容包括：基站與Relay站的通信采用基站與終端通信相同的頻段或者不同的頻段；Relay站是否會有自身標

識或者廣播信道。Relay站有三種可能的工作方式：L1 Relay只進行信號的直接放大轉發，類似于簡單的直放站；L2 Relay具有譯碼轉發功能和資源調度功能。類似簡單的基站；L3 Relay能夠支持無線回程，具有基站的全部功能。

LTE-Advanced討論了Relay的信道模型和仿真模型，明確了Relay部署方式以及主要技術特征。中國企業正積極參與并主導了Relay信道模型和站址仿真假設的相關討論。

(3)小區間干擾抑制

小區邊緣信道條件差，頻譜利用率低。傳輸速率低是一直困擾無線通信的難題，小區邊緣覆蓋的優化能夠很好地提升系統性能。

LTE-Advanced提高小區邊緣性能的目標將通過小區間干擾抑制技術(Inter-cell interference mitigation)實現。目前正在考慮的方案包括干擾隨機化(ICI randomization)、干擾協調(ICI coordination)、干擾消除(ICI cancellation)等。干擾隨機化可以采用小區加擾或交織多址(IDMA)實現；干擾協調可在小區邊緣采用小于1的頻率復用，從而避免強干擾；干擾消除可在接收機采用多用戶檢測消除相鄰小區的干擾。

(4)家庭基站

家庭基站(Home Node B)是一種很接近于WiFi無線接入設備的超小型基站設備，具有設備單元小、網絡效率高和功耗成本低的優點，能夠改善室內覆蓋，在網絡邊緣提供高質量的覆蓋，適用于家庭及辦公室環境。

LTE-Advanced將進一步對家庭基站進行優化，家庭基站的大規模密集部署會加大干擾控制和接入管理的難度，對現有的系統網絡架構造成較大的沖擊，可能需要針對家庭基站采用相對獨立的網絡結構。

4小結

LTE-Advanced作為最有競爭力的IMT-Advanced候選方案，不僅主導著3G無線通信健步走向未來，而且將在新一代無線通信的發展過程中占據非常重要的地位。隨著近年來中國對自主知識產權的日益重視，國內企業與高校合作在國際通信標準的制訂中正發揮著越來越重要的作用。TD-SCDMA標準在3G時代的成功推出，曾一舉扭轉了中國在無線通信領域的被動局面；主要由中國企業推動的LTE-Advanced的TDD模式向IMT-Advanced的演進，已經為TD-SCDMA的后續發展奠定了堅實的基礎，必將打造出有利于中國的、具有全球影響力的寬帶移動無線通信技術標準和產業。