淺析移動通信中LTE關鍵技術及進展情況

徐鵬/黑龍江省信息中心

淺析移動通信中LTE關鍵技術及進展情況

徐鵬/黑龍江省信息中心

LTE(Long Term Evolution,長期演進)項目是3G的演進，LTE并非人們普遍誤解的4G技術，而是3G與4G技術之間的一個過渡，是3.9G的全球標準,采用OFDM和MIMO作為其無線網絡演進的唯一標準，改進并增強了3G的空中接入技術，這種以OFDM/FDMA為核心的技術可以被看作“準4G”技術，該技術改善了小區邊緣用戶的性能，提高小區容量和降低系統延遲。在本文中重點介紹了LTE的背景和關鍵技術。

LTE,OFDM；MIMO；4G；3GPP

一、LTE簡介

LTE（Long Term Evolution，長期演進)是由3GPP（The 3rd Generation Partnership Project，第三代合作伙伴計劃）組織制定的UMTS（Universal Mobile Telecommunications System，通用移動通信系統）技術標準的長期演進，于2004年12月在3GPP多倫多TSGRAN#26會議上正式立項并啟動。LTE系統引入了OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交頻分復用）和MIMO（Multi-input Multi-output，多輸入多輸出）等關鍵傳輸技術，顯著增加了頻譜效率和數據傳輸速率，并支持多種帶寬分配，且支持全球主流2G/3G頻段和一些新增頻段。LTE系統網絡架構更加扁平化簡單化，減少了網絡節點和系統復雜度，從而減小了系統時延，也降低了網絡部署和維護成本。LTE系統支持與其他3GPP系統互操作。LTE系統有兩種制式：FDD-LTE和TDD-LTE，即頻分雙工LTE系統和時分雙工LTE系統，二者技術的主要區別在于空中接口的物理層上（像幀結構、時分設計、同步等）。FDD-LTE系統空口上下行傳輸采用一對對稱的頻段接收和發送數據，而TDD-LTE系統上下行則使用相同的頻段在不同的時隙上傳輸，相對于FDD雙工方式，TDD有著較高的頻譜利用率。

二、LTE關鍵技術介紹及進展情況

1.空中接口物理層技術是無線通信系統的基礎與標志，3GPP組織就LTE系統物理層下行傳輸方案很快達成一致，采用先進成熟的OFDMA技術；但上行傳輸方案卻爭論不斷，很大部分設備商考慮到OFDM較高的峰均比會增加終端的功放成本和功率消耗，限制終端的使用時間，堅持采用峰均比較低的單載波方案SC-FDMA，但一些積極參與WiMAX標準組織的公司卻認為可以采用濾波、循環削峰等方法有效降低OFDM峰均比。上行方案選擇單載波SC-FDMA。這樣LTE系統傳輸方案最終確定為下行OFDMA和上行SC-FDMA，同時在是否采用宏分集問題上也產生了激烈的爭論，最終考慮到網絡結構扁平化，分散化的發展趨勢，3GPP組織在2005年12月經過“示意性”的投票，決定LTE系統暫不考慮宏分集技術。

2.OFDM技術是LTE系統的技術基礎與主要特點，OFDM系統參數設定對整個系統的性能會產生決定性的影響，其中載波間隔又是OFDM系統的最基本參數，經過理論分析與仿真比較最終確定為15kHz.上下行的最小資源塊為375kHz，也就是25個子載波寬度，數據到資源塊的映射方式可采用集中（localized）方式或離散（distributed）方式。循環前綴Cyclic Prefix（CP）的長度決定了OFDM系統的抗多徑能力和覆蓋能力。長CP利于克服多徑干擾，支持大范圍覆蓋，但系統開銷也會相應增加，導致數據傳輸能力下降。為了達到小區半徑100K m的覆蓋要求，LTE系統采用長短兩套循環前綴方案，根據具體場景進行選擇：短CP方案為基本選項，長CP方案用于支持LTE大范圍小區覆蓋和多小區廣播業務。

3.MIMO作為提高系統輸率的最主要手段，也受到了各方代表的廣泛關注。LTE已確定MIMO天線個數的基本配置是下行2×2、上行1×2，但也在考慮4×4的高階天線配置。北電的專利技術虛擬MIMO也被LTE采納作為提高小區邊緣數據速率和系統性能的主要手段。另外，LTE也正在考慮采用小區干擾抑制技術來改善小區邊緣的數據速率和系統容量。下行方向MIMO方案相對較多，根據2006年3月雅典會議報告，LTE MIMO下行方案可分為兩大類：發射分集和空間復用兩大類。目前，考慮采用的發射分集方案包括塊狀編碼傳送分集（STBC，SFBC），時間（頻率）轉換發射分集（TSTD，FSTD），包括循環延遲分集（CDD）在內的延遲分集（作為廣播信道的基本方案），基于預編碼向量選擇的預編碼技術。其中預編碼技術已被確定為多用戶MIMO場景的傳送方案。5月的上海會議將對MIMO技術做進一步的討論。最終會為下行數據信道確定唯一的分集傳送方案。

4.高峰值傳送輸率是LTE下行鏈路需要解決的主要問題。為了實現系統下行100Mbps峰值速率的目標，在3G原有的QPSK、16QAM基礎上，LTE系統增加了64QAM高階調制。LTE上行方向關注的首要問題是控制峰均比，降低終端成本及功耗，目前主要考慮采用位移BPSK和頻域濾波兩種方案進一步降低上行SC-FDMA的峰均比。LTE除了繼續采用成熟的Turbo信道編碼外，還使用先進的低密度奇偶校驗（LDPC）碼。

3GPP LTE接入網在能夠有效支持新的物理層傳輸技術的同時，還需要滿足低時延、低復雜度、低成本的要求。原有的網絡結構顯然已無法滿足要求，需要進行調整與演進。2006年3月的會議上，3GPP確定了E-UTRAN的結構，接入網主要由演進型eNodeB（eNB）和接入網關（aGW）構成，這種結構類似于典型的IP寬帶網絡結構，采用這種結構將對3GPP系統的體系架構產生深遠的影響。eNodeB是在NodeB原有功能基礎上，增加了RNC的物理層、MAC層、RRC、調度、接入控制、承載控制、移動性管理和inter-cell RRM等功能。aGW可以看作是一個邊界節點，作為核心網的一部分。

三、總結

我國主要仍采用2G和3G通信技術，與發達國家存在一定差距。LTE是中國縮短同國際通信產業差距的一個機會，引入LTE要求運營商從語音服務轉向以信息服務為主，豐富的個人通信需求將推動LTE技術的引進開發和4G網絡建設的啟動，而新技術、新網絡的發展將為通信網絡建設技術服務提供商提供更多的業務機會。目前，中國已經發放TDD-LTE的牌照，相信通過市場需求的推動，LTE技術能夠得到更加長足的發展。