LTE关键技术及其影响

1、LTE 关键技术及其影响随着11月19日三大运营商的LTE频率的正式分配，LTE的牌照 发放也已提上日程，中国即将跨入4G的门槛。1. LTE 简介LTE (Long Term Evolution，长期演进)是由3GPP组织制定的UMTS技术标准的长期演进，于2004年12月3GPP多伦多TSG RAN#26 会议上正式立项并启动。LTE引入了 OFDM和MIM0等关键传输技术， 显著增加了频谱效率和数据传输速率，并支持多种带宽分配：1.4MHz, 3MHz， 5MHz， 10MHz， 15MHz 和 20MHz 等，频谱分配更加灵活，系统 容量和覆盖显著提升。LTE无线网络架构更加扁平化，减小了系统时 延，降低了建网成本和维护成本，并支持与其他3GPP系统互操作。2. LTE的技术优势与3G相比，LTE更具技术优势，具体体现在：(1) 通信速率显著提高，下行峰值速率100Mbps、上行50Mbps。(2) 提高了频谱效率，下行链路5(bit/s)/Hz, (34倍于R6版 本的HSDPA)；上行链路2.5(bit/s)/Hz,是R6版本HSUPA的23倍。(3) 系统在整体架构上基于

2、分组交换。(4) 通过系统设计和严格的QoS机制，保证实时业务(如VoIP)的 服务质量。(5) 系统部署灵活，能够支持 1.25MHz20MHz 间的多种系统带 宽，并支持“paired”和“unpaired”的频谱分配，保证了在系统部 署上的灵活性。(6) 降低无线网络时延：子帧长度0.5ms和0.675ms，解决了向 下兼容的问题并降低了网络时延，时延可达U-planV5ms, C-planV 100ms。(7) 增加了小区边界比特速率，在保持基站位置不变的情况下增 加小区边界比特速率。如 MBMS (多媒体广播和组播业务)在小区边界 可提供 1bit/s/Hz 的数据速率。(8) 强调向下兼容，支持已有的 3G 系统和非 3GPP 规范系统的协 同运作。3. LTE的关键技术1) LTE 的网络结构LTE 采用由 E-Node B 构成的单层结构，这种结构有利于简化网 络和减小延迟，实现了低时延，低复杂度和低成本的要求。与传统的 3GPP 接入网相比， LTE 网络 RNC 节点和 NodeB 节点合并，成为 E-Node B,在基站侧可以完成电路的交换。名义上LTE是对3G的

3、演进，但事 实上它对 3GPP 的整个体系架构作了革命性的变革，逐步趋近于典型 的 IP 宽带网结构。3GPP初步确定LTE的架构，也叫演进型UTRAN结构(E-UTRAN)。 接入网主要由演进型Node B(E-Node B)和接入网关(aGW)两部分构成。 aGW 是一个边界节点，若将其视为核心网的一部分，则接入网主要由 E-Node B一层构成。E-Node B不仅具有原来Node B的功能外，还能 完成原来RNC的大部分功能，包括物理层、MAC层、RRC、调度、接 入控制、承载控制、接入移动性管理和 Inter-cellRRM 等。 Node B和Node B之间将采用网格（Mesh）方式直接互连，这也是对原有UTRAN结构的重大修改。2）传输方案LTE下行传输方案采用传统的带循环前缀（CP）的OFDM，每一个 子载波占用15kHz，循环前缀的持续时间为4.7/16.7“ s,分别对应 短CP和长CP。为了满足数据传输延迟的要求（在轻负载情况下，用 户面延迟小于5ms），LTE系统必须采用很短的交织长度（TTI）和自 动重传请求（ARQ）周期，因此，在3G中的10ms无线帧被分

4、成20个 同等大小的子帧，长度为 0.5ms。下行数据的调制主要采用QPSK、16QAM和64QAM这3种方式。针 对广播业务，采用一种独特的分层调制（hierarchical modulation） 方式。分层调制的思想是，在应用层将一个逻辑业务分成两个数据流， 一个是高优先级的基本层，另一个是低优先级的增强层。在物理层， 这两个数据流分别映射到信号星座图的不同层。由于基本层数据映射 后的符号距离比增强层的符号距离大，因此，基本层的数据流可以被 包括远离基站和靠近基站的用户接收，而增强层的数据流只能被靠近 基站的用户接收。也就是说，同一个逻辑业务可以在网络中根据信道 条件的优劣提供不同等级的服务。MIMO 被认为是 LTE 中达到用户平均吞吐量和频谱效率要求的最 佳技术。下行 MIMO 天线的基本配置是，在基站设两个发射天线，在 UE设两个接收天线，即2X2的天线配置。更高的下行配置，如4X4 的 MIMO 也可以考虑。开环发射分集和开环 MIMO 在无反馈的传输中可 以被应用，如下行控制信道和增强的广播多播业务。虽然宏分集技术在 3G 时代扮演了相当重要的角色，但在 HSDPA/H

5、SUPA 中已基本被摒弃。即便是在最初讨论过的快速小区选择(FCS)的宏分集，在实际规范中也没有定义oLTE沿用了 HSDPA/HSUPA 思想，即只通过链路自适应和快速重传来获得增益，而放弃了宏分集 这种需要网络架构支持的技术。但是对于多小区的广播业务，需要通 过无线链路的软合并获得高信噪比。在 OFDM 系统中，软合并可以通 过信号到达UE天线的时刻都处于CP窗之内的RF合并来实现，这种 合并不需要UE有任何操作。上行传输方案采用带循环前缀的SC-FDMA，使用DFT获得频域信 号，然后插入零符号进行扩频，扩频信号再通过IFFT。这个过程简 写为DFT-SOFDM。这样做的目的是，上行用户间能在频域相互正交， 以及在接收机一侧得到有效的频域均衡。子载波映射决定了哪一部分频谱资源被用来传输上行数据，而其 他部分则被插入若干个零值。频谱资源的分配有两种方式：一是局部 式传输，即 DFT 的输出映射到连续的子载波上；另一个是分布式传输， 即 DFT 的输出映射到离散的子载波上。相对于前者，分布式传输可以 获得额外的频率分集。上行调制主要采用n /2位移BPSK、QPSK、8PSK 和16

6、QAM。同下行一样，上行信道编码还是沿用R6的Turbo编码。 其他方式的前向纠错编码正在研究之中。上行单用户MIM0天线的基本配置，也是在UE有两个发射天线， 在基站有两个接收天线。在上行传输中，一种特殊的被称为虚拟(Virtual) MIM0的技术在LTE中被采纳。通常是2X2的虚拟MIM0, 两个UE各自有一个发射天线，并共享相同的时一频域资源。这些UE 采用相互正交的参考信号图谱，以简化基站的处理。从 UE 的角度看， 2X2 虚拟 MIMO 与单天线传输的不同之处，仅仅在于参考信号图谱的 使用必须与其他 UE 配对。但从基站的角度看，确实是一个 2X2 的 MIMO 系统，接收机可以对这两个 UE 发送的信号进行联合检测。3) 物理层在基本的物理层技术中，E-NodeB调度、链路自适应和混合ARQ (HARQ)继承了 HSDPA的策略，以适应基于数据包的快速数据传输。对于下行的非MBMS业务，E-Node B调度器在特定时刻给特定UE 动态地分配特定的时频域资源。下行控制信令通知分配给 UE 何种 资源及其对应的传输格式。调度器可以即时地从多个可选方案中选择 最好的复用策略，

7、例如子载波资源的分配和复用。这种选择资源块和 确定如何复用 UE 的灵活性，可以极大地影响可获得的调度性能。调 度和链路自适应以及 HARQ 的关系非常密切，因为这3 者的操作是在 一起进行的。决定如何分配和复用方式的依据包括以下一些：QoS参 数、在E-Node B中准备调度的数据量、UE报告的信道质量指示（CQI）、 UE 能力、系统参数如带宽和干扰水平，等等。链路自适应即自适应调制编码，可以在共享信道上应用不同的调 制编码方式适应不同的信道变化，获得最大的传输效率。将编码和调 制方式变化组合成一个列表，E-Node B根据UE的反馈和其他一些参 考数据，在列表中选择一个调制速率和编码方式，应用于层 2 的协议 数据单元，并映射到调度分配的资源块上。上行链路自适应用于保证 每个 UE 的最小传输性能，如数据速率、误包率和响应时间，而获得 最大化的系统吞吐量。上行链路自适应可以结合自适应传输带宽、功 率控制和自适应调制编码的应用，分别对频率资源、干扰水平和频谱 效率这 3 个性能指标做出最佳调整。为了获得正确无误的数据传输，LTE仍采用前向纠错编码（FEC） 和自动重复请求（ARQ）

8、结合的差错控制，即混合ARQ （HARQ）。HARQ 应用增量冗余（IR）的重传策略，而chase合并（CC）实际上是IR 的一种特例。为了易于实现和避免浪费等待反馈消息的时间，LTE仍 然选择N进程并行的停等协议（SAW），在接收端通过重排序功能对多 个进程接收的数据进行整理。 HARQ 在重传时刻上可以分为同步 HARQ 和异步HARQ。同步HARQ意味着重传数据必须在UE确知的时间即刻 发送，这样就不需要附带HARQ处理序列号，比如子帧号。而异步HARQ 则可以在任何时刻重传数据块。从是否改变传输特征来分， HARQ 又 可以分为自适应和非自适应两种。目前来看，LTE倾向于采用自适应 的、异步 HARQ 方案。与 CDMA 不同， OFDMA 无法通过扩频方式消除小区间的干扰。为 了提高频谱效率，也不能简单地采用如GSM中复用因子为3或7的频 率复用方式。因此，在LTE中，非常关注小区间干扰消减技术。小区 间干扰消减途径有 3 种，即干扰随机化、干扰消除和干扰协调/避免。 另外，在基站采用波束成形天线的解决方案也可以看成是下行小区间 干扰消减的通用方法。干扰随机化可以采用如小区专

9、属的加扰和小区 专属的交织，后者即为大家所知的交织多址（IDMA）；此外，还可采 用跳频方式。干扰消除则讨论了采取如依靠 UE 多天线接收的空间抑 制和基于检测/相减的消除方法。而干扰协调/避免则普遍采取一种在 小区间以相互协调来限制下行资源的分配方法，如通过对相邻小区的 时频域资源和发射功率分配的限制，获得在信噪比、小区边界数据 速率和覆盖方面的性能提升。4. LTE可能带来的影响从 2008 年我国正式运行 TD-SCDMA 网，进入 3G 门槛开始， 5 年 后的今天，LTE频段已划定，牌照颁发在即，相对于2G到3G的所花 费近 20 年的跨越时间，网络更新速度明显加快，这有技术发展加速 的原因，也有企业竞争的原因，也有经济因素的原因，但总而言之， LTE 来了，但它会给我带来什么影响呢？笔者觉得其积极意义和消极 意义并存，按流行的说法叫“机遇与挑战并存”。1) 积极影响在技术上来说，LTE具有高数据速率、分组传输、频率效率提高、延迟降低、广域覆盖和向下兼容的优势。对用户而言，可能随着频率效率的提高和网络结构的简化而带来 资费下降，但考虑到LTE频率需要运营商付费使用，资费政策还需进 一步观察。对运营商而言， LTE 可能带来新的业务增长点，并可能导致市场 的重新划分。对设备商而言，网络的更新换代预示着企业利润增加。2) 可能的担忧上述的积极影响应该基本都能实现，这也许是网络更新速度越来 越快的原因，因为似乎照顾到了各个层面的利益。但笔者认为仍旧存 在着以下的担忧。(1)技术荒漠地域的出现根据 3G 网络的建设经验和实际运营结果可以预见， LTE 也不可 能实现 2G 网络那样全国有人区域全覆盖，且服务等级不随用户量少 而降低的覆盖效果，由于工程建设周期、运营维护成本、投资汇报率 等原因， LTE 必然只是对核心区域和高业务量区域进行覆盖，而放弃 人口稀少或业务量不大的区域，随着技术的更新和网络升级的进一步 加快，将放弃更多的区域，不再进行覆盖，而这些可能被放弃的地域 将成为LTE或再下一代移动通信的技术荒漠，无法享受到更高速的移 动宽带接入业务，这在一定

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