浅论LTE技术及发展前景

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一、3GPP LTE项目的主要性能目标包括：
在20MHz频谱带宽能够提供下行326Mbps、上行86Mbps的峰值速率；改善小区边缘用户的性能；提高小区容量；降低系统延迟，用户平面内部单向传输时延低于5ms，控制平面从睡眠状态到激活状态迁移时间低于50ms，从驻留状态到激活状态的迁移时间小于100ms；支撑100Km半径的小区覆盖；能够为350Km/h高速移动用户提供>100kbps的接入服务；支撑成对或非成对频谱，并可灵活配置1.25 MHz到20MHz多种带宽。
二、LTE的主要技术特征：
3GPP 从系统性能要求、网络的部署场景、网络架构、业务支撑能力等方面对LTE 进行了详细的描述.与3G 相比，LTE 具有如下关键技术特征：
（1）通信速率有了提高，下行峰值速率为100Mbps、上行为50Mbps。 　　
（2）提高了频谱效率，下行链路5(bit/s)/Hz，(3--4倍于R6版本的HSDPA)；上行链路                           
    2.5(bit/s)/Hz，是R6版本HSU-PA的2--3倍。 　　
（3）以分组域业务为主要目标，系统在整体架构上将基于分组交换。 　　
（4）QoS保证，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，能够支撑1.25MHz-20MHz间的多种系统带宽，并支撑“paired”和
    “unpaired”的频谱分配。保证了将来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-plan<5ms，C-plan<100ms。 　　
（7）增加了小区边界比特速率，在保持目前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，支撑已有的3G系统和非3GPP规范系统的协同运作。 　　
    与 3G 相比，LTE 更具技术优势，具体体现在:高数据速率、分组传送、延迟降低、广域覆盖和向下兼容。
三、LTE的关键技术：
    LTE的关键技术主要还是物理层的关键技术，LTE在物理层采用了OFDM和MIMO等技术，极大地提高了系统的系统和吞吐量。
1、LTE网络结构和核心技术：
LTE采用由NodeB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减少了RNC节点。名义上LTE是对3G的演进，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NodeB(eNB)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eNB一层构成。eNB不仅具有原来NodeB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。NodeB和NodeB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、基本的传输技术和多址技术：
LTE多址技术的要求：
a.更大的带宽和带宽灵活性：
    随着带宽的增加，OFDMA信号仍将保持正交，而CDMA 的性能会受到多径的影响。
    在同一个系统，使用OFDMA可以灵活处理多个系统带宽。
b.扁平化架构：
当分组调度的功能位于基站时，可以利用快速调度、包括频域调度来提高小区容量。频 域。调度可通过OFDMA实现，而CDMA无法实现。
c.便于上行功放的实现：
SC-FDMA相比较OFDMA可以实现更低的峰均比，有利于终端采用更高效率的功放。
d.简化多天线操作：
OFDMA相比较CDMA实现MIMO容易。
    3GPP RAN1工作组，它是专门负责物理层传输技术的甄选、评估和标准制定的。在对各企业提交的候选方案进行征集后，确定了以OFDM为物理层基本传输技术方案。实际上在确定这个方案的时候，3GPP内部分为两大阵营：支撑OFDM的和支撑CDMA的。支撑CDMA的企业主要考虑的是后向兼容性，支撑OFDM的企业主要是考虑到某些企业对于CDMA技术的垄断性把持。在选择OFDM作为物理层基本传输技术的同时，大家对OFDM的具体实现上还存在分歧：一部分企业认为上行的峰平比较大，对终端的寿命和耗电量有很高的需求，由此建议上行采用低峰平比的单载波技术；另一部分企业则认为在上行也可采用滤波、循环削峰等方法有效降低OFDM峰均比。
    最后，经过激烈的讨论的艰苦的融合，3GPP最终选择了大多数企业支撑的方案，下行OFDM；上行SC-FDMA。
    下行用OFDM是大家没有意见的，下面大家来聊聊上行。上行SC-FDMA信号可以用“频域”和“时域”两种方法生成，频域生成方法又称为DFT扩展OFDM（DFT-S-OFDM）；时域生成方法又称为交织FDMA（IFDMA）。DFT-S-OFDM技术技术是在OFDM的IFFT调制之前对信号进行DFT扩展，这样系统发射的是时域信号，从而可以避免OFDM系统发送频域信号带来的PAPR问题。
    另外在是否采用宏分集问题上也产生了激烈的争论。由于同步方面的问题，对于LTE的单播业务将不采用下行宏分集，但是在多小区广播业务的时候，可以通过采用较大的循环前缀，解决小区间的同步问题，实现下行宏分集。对于上行宏分集的看法，大家却有分歧。这是缘于宏分集是和软切换在一起考虑的，大家知道OFDM是实际上可以看作是FDMA的方式，而软切换对于CDMA来说是利大于弊，但是对于FDMA系统来说呢，很多人认为是弊大于利。另外软切换也需要一个中心节点来控制，考虑到网络结构扁平化，分散化的发展趋势，3GPP组织在2005年12月经过“示意性”的投票，决定LTE系统暂不考虑宏分集技术。
3、物理层技术：
    OFDM技术是LTE系统的技术基础与主要特点，OFDM系统参数设定对整个系统的性能会产生决定性的影响，其中载波间隔又是OFDM系统的最基本参数，经过理论分析与仿真比较最终确定为15kHz。上下行的最小资源块为375kHz，也就是25个子载波宽度，数据到资源块的映射方式可采用集中（localized）方式或离散（distributed）方式。循环前缀Cyclic Prefix（CP）的长度决定了OFDM系统的抗多径能力和覆盖能力。长CP利于克服多径干扰，支撑大范围覆盖，但系统开销也会相应增加，导致数据传输能力下降。为了达到小区半径100Km的覆盖要求，LTE系统采用长短两套循环前缀方案，根据具体场景进行选择：短CP方案为基本选项，长CP方案用于支撑LTE大范围小区覆盖和多小区广播业务。
    MIMO作为提高系统输率的最主要手段，也受到了各方代表的广泛关注。LTE已确定MIMO天线个数的基本配置是下行2×2、上行1×2，但也在考虑4×4的高阶天线配置。另外，LTE也正在考虑采用小区干扰抑制技术来改善小区边缘的数据速率和系统容量。下行方向MIMO方案相对较多，根据2006年3月雅典会议报告，LTE MIMO下行方案可分为两大类：发射分集和空间复用两大类。目前，考虑采用的发射分集方案包括块状编码传送分集（STBC, SFBC），时间（频率）转换发射分集（TSTD，FSTD），包括循环延迟分集（CDD）在内的延迟分集（作为广播信道的基本方案），基于预编码向量选择的预编码技术。其中预编码技术已被确定为多用户MIMO场景的传送方案。
    高峰值传送输率是LTE下行链路需要解决的主要问题。为了实现系统下行100Mbps峰值速率的目标，在3G原有的QPSK、16QAM基础上，LTE系统增加了64QAM高阶调制。LTE上行方向关注的首要问题是控制峰均比，降低终端成本及功耗，目前主要考虑采用位移BPSK和频域滤波两种方案进一步降低上行SC-FDMA的峰均比。LTE除了继续采用成熟的Turbo信道编码外，还在考虑使用先进的低密度奇偶校验（LDPC）码。
4、高阶调制技术：
LTE在下行方向采用QPSK、16QAM和64QAM，在上行方向采用QPSK和16删。高峰值传送速率是LTE下行链路需要解决的主要问题。为了实现系统下行100Mb／s峰值速率的目标，在3G原有的QPSK、16QAM基础上，LTE系统增加了64删高阶调制。64QAM的频谱利用率高，但是其归一化比特信噪比与QPSK相比降低了很多，即频谱利用率的提高是在牺牲信噪比和可靠性的前提下获得的。采用64QAM从信道利用率的角度看，可以将信道利用率提高60％，在以高速数据传输为主要目的LTE中，是一个很好的解决方案。不过，64QAM频谱利用率的提高势必要损失一些抗干扰能力，为达到相同的误码性能需要增加归一化信噪比，设备复杂性和设备成本有所增加。LTE在上行方向采用QPSK和16洲。
5、几个重要技术的进一步先容：
(1)SC一FDMA技术
SC一FDMA技术是一种单载波多用户接入技术，它的实现比OFDM/OFDMA简单，但性能逊于OFDM／OFDMA。相对于OFDM/OFDMA，SC-FDMA具有较低的PAPR。发射机效率较高，能提高小区边缘的网络性能。最大的好处是降低了发射终端的峰均功率比、减小了终端的体积和成本，这是选择SC一FDMA作为LTE上行信号接人方式的一个主要原因。其特点还包括频谱带宽分配灵活、子载波序列固定、采用循环前缀对抗多径衰落和可变的传输时间间隔等。SC一FDMA有两种子载波映射方式：集中式和离散式。集中式每用户在频域集中传输，传辅带宽是可变的；离散式每用户分配在频域，采用IFDMA方式，根据IFDMA的循环因数，子载波数量是可变的。
(2)OFDM技术
    OFDM是LTE系统的主要特点，它的基本思想是把高速数据流分散到多个正交的子载波上传输，从而使子载波上的符号速率降低，符号持续时间加长，因而对时延扩展有较强的抵抗力，减小了符号间干扰的影响。通常在OFDM符号前加入保护间隔，只要保护问隔大于信道的时延扩展则可以完全消除符号间干扰ISI。OFDM参数设定对整个系统的性能会产生决定性的影响，如循环前缀(Cyclic Prefix，CP)。它主要用于有效地消除符号间干扰，其长度决定了ⅨDM系统的抗多径能力和覆盖能力。长CP利于克服多径干扰、支撑大范围覆盖，但系统开销也会相应增加，导致数据传输能力下降。为了达到小区半径lOOKm的覆盖要求，LTE系统采用长短两套循环前缀方案，根据具体场景进行选择：短CP方案为基本选项，长CP方案用于支撑LTE大范围小区覆盖和多小区广播业务。
(3)MIMO技术：
MIMO作为提高系统传输率的最主要手段，也受到了广泛关注。由于OFDM的子载波衰落情况相对平坦，十分适合与MIMO技术相结合，提高系统性能。MIMO系统在发射端和接收端均采用多天线(或阵判天线)和多通道。多天线接收机利用空时编码处理能够分开并解码数据子流，从而实现最佳的处理。若各发射接收天线间的通道响应独立，则多人多出系统可以创造多个并行空间信道。通过这些并行空问信道独立地传输信息，数据速率必然可以提高。MIMO将多径无线信道与发射、接收视为一个整体进行优化，从而实现高的通信容量和频谱利用率。这是一种近于最优的空域时域联合的分集和干扰对消处理。当功率和带宽固定时，多入多出系统的最大容量或容量上限随最小天线数的增加而线性增加。而在同样条件下，在接收端或发射端采用多天线或天线阵列的普通智能天线系统，其容量仅随天线数的对数增加而增加。LTE的基本MIMO模型是下行2×2、上行1×2个天线，但同时也正在考虑更多的天线配置(最多4X4)。LTE在上行还采用了虚拟MIMO以增大容量，被考虑的技术还包括空间复用、空分多址、预编码、秩自适应、以及开环发射分集等。
四、LTE的技术优势：
1、LTE将提升用户对移动通信业务的体验。
    由于具有更高的传输速率、更低的延迟率和更好的移动性等优势，LTE能够大幅度提升用户对新业务的体验，同时帮助运营商提供更多的、对用户更具有吸引力的业务。
2、LTE为运营商带来更大的技术优势和成本优势。
    LTE技术可以为运营商带来更大的技术优势和经济优势。LTE可以通过更加灵活的频谱配置方案(1．25-一20MHz)来提升网络效率和单个基站效率，还可以通过弱化基站控制器设备实体、采用公共无线资源管理控制基站来简化系统结构，减少网络节点，从而更加有效地提供服务。同时，LTE技术也可以大幅度降低用户每兆流量的成本，如在网页浏览、JAVA游戏、音乐下载、视频片段的业务测试中，HSDPA的传输成本最低为0．02美金／MB，而LTE的传输成本最低可达到0．005美金／MB。这就提升了运营商的利润空间。
3、LTE将会巩固蜂窝移动技术的主导地位。
    LTE技术使得传统的蜂窝移动技术在未来相当长的时间之内都可以保持对其他无线通信技术的优势，维护其在移动通信技术体系中的主导地位。而借助于LTE的技术优势，在蜂窝移动通信领域占强势地位的传统移动通信运营商可以在技术上保持领先的地位，把握市场竞争的主动权。
4、LYE有助于改善目前通信业务的IPR格局。
    由于LTE引人了OFDM、MIMO等新技术，它的快速发展使得以美国高通企业为首的传统通信技术企业掌握核心专利的CDMA技术将逐步被淘汰，通信产业的IPR格局迎来了一次重新进行调整的机会。随着LTE标准制订工作的不断推进，已经越来越多的通信企业带着自己的专利技术参与到LTE技术的标准制订中来。LTE标准的制订将会有助于改善目前通信产业中IPR格局失衡的局面，有助于整个通信产业的健康稳定发展。
五、拓展常识---LTE手机的优点：
1、整体设备和网络性能：
    假设你位于问问通LTE覆盖良好的地区，你很快会发现连接LTE所能获得的整体网络和设备性能。更快的数据传输速度意味着你的设备可以更快更有效地连接网络以及不同在线服务。并且你的整体设备性能也会有所提高，因为你的手机不需要费劲地发送数据到附近发射塔或者从其接收数据。
根据J.D.Power and Associates的最新研究显示，使用LTE设备的用户会发现与较慢数据速度相关的网络和问问通设备问题显著减少，LTE用户比所有其他受访者看到的问题要少5%，而比使用HSPA+设备的用户要少8%。
    然而，J.D.Power表示，你需要为这种数据传输速度和增强的设备性能支付更多费用。平均每月的LTE-无线费用要比所有其他智能手机用户高出6美金，即131美金比125美金。与较慢网络相比，你还可能会使用问问通更多数据，你可能会出现超支，并需要相应地升级你的数据计划，这也将花费更多钱。
2、流媒体：
    随着越来越多的用户将其数字媒体库转移到云环境，LTE的好处将更加明显。对于HSPA+或者较慢的网络，加载高品质音乐或者高清视频文件简直是噩梦，尤其是当你在开车或者旅游途中，无线覆盖不稳定的时候。在你旅游途中，你可能偶尔也会失去LTE连接，但你可以更快速地传输文件和下载流媒体，所以当网络断开时，你的播放也不会受影响。
3、通过移动热点分享LTE连接问问通：
    笔者多年来一直在使用多种智能手机上的移动热点功能，直到使用LTE手机，笔者才意识到移动热点的真正价值。其LTE移动热点要快于家庭办公室的无线网络。因为他住在LTE覆盖良好的地区，几乎在任何位置都能获得类似无线连接那样的速度。这意味着他可以携带笔记本和LTE设备区工作，而不会受到任何中断或者缓慢数据传输带来的困扰。
在过去，当笔者使用具有移动热点的HSPA+设备在路上发布博客内容和上传图像和视频时，经常不得不因为信号覆盖不足或者数据速度而停止操作。但当使用LTE移动热点时，基本没有出现网络连接速度慢的情况。
    移动热点功能是一个附加功能，你需要为这种便利支付更多费用。并且，当你连接到热点时，你将使用更多的数据，可能需要支付更多费用。
4、通过LTE的视频会议：
    移动视频会议并不是新鲜事，多年来，Skype都提供移动视频会议功能，并且，苹果企业也为广大苹果用户带来了FaceTime。
    但真正让智能手机视频会议实现的是LTE，并且运作良好。如果你曾经尝试使用HSPA+或者较慢的网络来进行视频会议，你会知道这是很糟糕的体验。不仅视频质量差，而且音频或视频并不连贯。当你的网络不够快，你将很难提供无缝的视频和音频体验。LTE速度提供了视频会议需要的速度。使用问问通LTE手机进行视频会议绝对要比使用较慢无线网络进行视频会议更加享受。
    底线：如果你居住的地区LTE覆盖并不好或者不存在，你没必要急于升级到兼容设备和无线服务计划。但如果你住在问问通LTE覆盖良好的地区，并且想要充分利用你的智能手机的功能，就可以选择LTE。
六、LTE技术未来发展趋势展望：
1、LTE是现有3G技术向B3G／4G演进的必经之路。
    LTE是现有3G移动通信技术在4G应用前的最终版本，采用了很多原计划用于B3G／4G的技术如OFDM、MIMO等，在一定程度上可以说是4G技术在3G频段上的应用。和现有3G及3G+技术相比，LTE除了具有技术上的优越性之外，也提供了更加接近4G的一个台阶，使得向未来4G的演迸相对平滑，是现有3G技术向B3G／4G演进的必经之路。现在一些运营商提出的绕开LTE直接进入4G的方式会有很大的不确定性和风险，不建议考虑。
2、LTE将在与WiMAX等其他无线技术的竞争中发展。
LTE在WiMAX的竞争中产生，也将在与WiMAX的竞争中向前发展，而且这种竞争的强度还会不断加大。目前，WiMAX的802．16e标准正在积极申请加入3G标准，希望以此获得全球统一的频率使用权。802．16m技术更是成为IMT Ad—vanced的候选技术之一，并计划保持与802.16e技术的向后兼容性。未来的移动通信市场中，WiMAX技术将会是LTE的一个强劲的竞争对手，LTE将会在与wiMAX技术的直接竞争中逐步发展。
七、结束语：
    总之未来移动通信技术的需求发展方向是随时随地接入互联网，而LTE技术在3G技术的基础上做了重大改进，使许多潜在的服务成为可能。并且TD-LTE新技术在2010年上海世博会场馆中的实际建设和应用情况证明，随着LTE技术的不断发展、产业链的不断成熟，LTE技术必然会在未来的无线通信技术中处于主导地位，更能够加速4G无线网络应用的。相信未来几年内世界移动通信技术领域将会是由LTE主导下的天下，更相信TD-LTE会让中国的在国际通信产业上拥有更多的话语权和举足轻重的地位。作为通工的学生尤其是有志于搞移动通信的学生在今后的学习中大家更要花大量的时间和精力去认识和研究LTE技术，相信在以后的学习和工作中会对大家有很大的帮助。