1 引言
隨著無線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的迅速增長和新空口技術(shù)的不斷引入，傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)在對實時數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和大數(shù)據(jù)量業(yè)務(wù)的支持方面面臨挑戰(zhàn)，需要不斷演進(jìn)。無線接入網(wǎng)向兩個可能的方向演進(jìn)：一是空口能力不斷增強，但網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架不變，繼續(xù)維持RNC和NodeB的二層架構(gòu)；二是RNC和NodeB功能合并為增強型NodeB，即eNodeB，UTRAN向扁平化方向發(fā)展。而在核心網(wǎng)方面，正朝著扁平化和全I(xiàn)P的方向演進(jìn)。作為下一代移動通信系統(tǒng)當(dāng)前主流的候選技術(shù)方案，LTE給業(yè)界留下了巨大的想象空間，全新的理念、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、技術(shù)指標(biāo)和技術(shù)方案將應(yīng)用于這一面向未來的移動寬帶通信系統(tǒng)中。
2 LTE/LTE-A需求
3GPP LTE項目的主要性能目標(biāo)包括：在20MHz頻譜帶寬能夠提供下行100Mbit/s，上行50Mbit/s的峰值速率；改善小區(qū)邊緣用戶的性能；提高小區(qū)容量；降低系統(tǒng)延遲，用戶平面內(nèi)部單向傳輸時延低于5ms，控制平面從睡眠狀態(tài)到激活狀態(tài)遷移時間低于50ms，從駐留狀態(tài)到激活狀態(tài)的遷移時間＜100ms；支持100km半徑的小區(qū)覆蓋；能夠為350km/h高速移動用戶提供＞100kbit/s的接入服務(wù)；支持成對或非成對頻譜，并可靈活配置1.25~20MHz多種帶寬。
IMT-Advanced要求未來的4G通信在滿足高的峰值速率和大帶寬之外還要保證用戶在各個區(qū)域的體驗。有統(tǒng)計表明，未來80%~90%的系統(tǒng)吞吐量將發(fā)生在室內(nèi)和熱點游牧場景，室內(nèi)、低速、熱點將可能成為移動互聯(lián)網(wǎng)時代更重要的應(yīng)用場景。因此，需要通過新技術(shù)增強傳統(tǒng)蜂窩在未來熱點場景的用戶體驗。3GPP認(rèn)為，LTE本身已經(jīng)可以作為滿足IMT-Advanced需求的技術(shù)基礎(chǔ)和核心，只是純粹從指標(biāo)上來講，LTE較IMT-Advanced的要求還有一定差距。因此當(dāng)將LTE升級到4G時，并不需要改變LTE標(biāo)準(zhǔn)的核心，只需在LTE基礎(chǔ)上進(jìn)行擴充、增強、完善，就可以滿足IMT-Advanced的要求。出于這種考慮，LTE-Advanced應(yīng)該會作為在LTE基礎(chǔ)上的平滑演進(jìn)，并且后向兼容LTE標(biāo)準(zhǔn)。由于LTE的大規(guī)模技術(shù)革新已經(jīng)大量使用了近20年來學(xué)術(shù)界積累的先進(jìn)信號處理技術(shù)，如OFDM，MIMO，自適應(yīng)技術(shù)等，在繼續(xù)完善技術(shù)應(yīng)用的同時，LTE-Advanced的技術(shù)發(fā)展將更多地集中在RRM（無線資源管理）技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)層的優(yōu)化方面。
3 LTE/LTE-A研究進(jìn)展
2009年3月發(fā)布了LTE R8 版本的FDD-LTE 和TDD-LTE標(biāo)準(zhǔn)，原則上完成了LTE標(biāo)準(zhǔn)草案，LTE進(jìn)入實質(zhì)研發(fā)階段。從主流設(shè)備廠家提供的產(chǎn)品路標(biāo)來看，幾乎所有的主流廠家都會在2010年的第一或第二季度推出LTE產(chǎn)品，但是真正可以商用的版本要2010年以后才能推出。從終端廠家反饋情況來看，2010年會有早期的商用終端，大規(guī)模的推出要在2011年底前后。
關(guān)于LTE-A標(biāo)準(zhǔn)的制定在2008年3月的R9版本開始，并將在R10中完善，R10版本將成為LTE-A關(guān)鍵版本。可以預(yù)見的是，由于時間緊迫，R10也將是一個LTE-A的短版本。R10版本現(xiàn)在為Study階段，整個版本制定預(yù)計持續(xù)一年時間，預(yù)計時間安排如下：2009年10月作為第一階段評估并提交ITU；2010年9月提交全會討論；2010年12月完成版本制定工作；2011年2月終結(jié)并提交。
目前，全球有超過18家運營商公布了自己的LTE部署計劃，包括NTT DoCoMo，Telstra，eliaSonera，Verizon，Vodafone，AT&T等都明確表示將支持LTE，并且Verizon已經(jīng)加速了LTE計劃表，使得時間從原定的2010年提前至2009年。作為日本最大的運營商NTT DoComo也加緊“Super 3G”網(wǎng)絡(luò)商用部署推進(jìn)LTE進(jìn)程，并公布了3G過渡到LTE的路線圖，2010年初完成了對LTE技術(shù)的開發(fā)。
4 LTE/LTE-A關(guān)鍵技術(shù)
4.1 OFDM技術(shù)
OFDM由多載波調(diào)制(MCM)發(fā)展而來，OFDM技術(shù)是多載波傳輸方案的實現(xiàn)方式之一，它的調(diào)制和解調(diào)是分別基于快速傅立葉反變換（IFFT）和快速傅立葉變換（FFT）來實現(xiàn)的，是實現(xiàn)復(fù)雜度最低、應(yīng)用最廣的一種多載波傳輸方案。在傳統(tǒng)的頻分復(fù)用系統(tǒng)中，各載波上的信號頻譜是沒有重疊的，以便接收端利用傳統(tǒng)的濾波器分離和提取不同載波上的信號。OFDM系統(tǒng)是將數(shù)據(jù)符號調(diào)制在傳輸速率相對較低的、相互之間具有正交性的多個并行子載波上進(jìn)行傳輸。它允許子載波頻譜部分重疊，接收端利用各子載波間的正交性恢復(fù)發(fā)送的數(shù)據(jù)。因此，OFDM系統(tǒng)具有更高的頻譜利用率。同時，在OFDM符號之間插入循環(huán)前綴，可以消除由于多徑效應(yīng)而引起的符號間干擾，能避免在多徑信道環(huán)境下因保護(hù)間隔的插入而影響子載波之間的正交性。這使得OFDM系統(tǒng)非常適用于多徑無線信道環(huán)境。
OFDM的優(yōu)點在于抗多徑衰落的能力強，頻譜效率高，OFDM將信道劃分為若干子信道，而每個子信道內(nèi)部都可以認(rèn)為是平坦衰落的，可采用基于IFFT/FFT的OFDM快速實現(xiàn)方法，在頻率選擇性信道中，OFDM接收機的復(fù)雜度比帶均衡器的單載波系統(tǒng)簡單。與其它寬帶接入技術(shù)不同，OFDM可運行在不連續(xù)的頻帶上，這將有利于多用戶的分配和分集效果的應(yīng)用等。但OFDM技術(shù)對頻偏和相位噪聲比較敏感，而且峰值平均功率比（PAPR）大。
4.2 MIMO技術(shù)
要達(dá)到LTE-A提出的目標(biāo)數(shù)據(jù)傳輸速率，需要通過增加天線數(shù)量以提高峰值頻譜效率，即多天線技術(shù)，包括Beam-forming和空間復(fù)用。多天線技術(shù)是一種有效的提高系統(tǒng)容量的方法。當(dāng)前LTE應(yīng)用基于碼本預(yù)編碼技術(shù)的下行4天線技術(shù)。峰值速率達(dá)到300Mbit/s。由于LTE-A的帶寬高達(dá)100M，當(dāng)前峰值速率可以達(dá)到下行1.5Gbit/s。
4.3 載波聚合
當(dāng)前LTE系統(tǒng)在頻帶利用率上已經(jīng)接近Shannon極限。如果要提高系統(tǒng)吞吐量，就必須提高系統(tǒng)的帶寬或者信噪比。
LTE-A通過“載波聚合”（Spectrum Aggregation）的方式進(jìn)行帶寬增強，即把幾個基于20MHz的LTE設(shè)計捆綁在一起，通過提高可用帶寬，LTE-A將帶寬擴展到100M。但是實際上很可能沒有一整塊的空閑帶寬，所以LTE-A允許離散頻帶的聚合。在具體應(yīng)用中還面臨很多問題，如載波聚合時多個可選載波是否需要劃分可用集合和各種集合的等級劃分；在切換中載波變化的通信問題；載波變化時的信令傳輸問題；各個載波的激活和去激活過程。這些問題都在3GPP會議中提出并存在多種方案。當(dāng)前載波聚合作為LTE-A的重要組成部分和關(guān)注焦點，是R10制定中的重點。
4.4 無線中繼
LTE系統(tǒng)容量要求很高，這樣的容量需要較高的頻段。為了滿足下一代移動通信系統(tǒng)的高速率傳輸?shù)囊螅琇TE-A技術(shù)引入了無線中繼技術(shù)。用戶終端可以通過中間接入點中繼接入網(wǎng)絡(luò)來獲得帶寬服務(wù)。減小無線鏈路的空間損耗，增大信噪比，進(jìn)而提高邊緣用戶信道容量。無線中繼技術(shù)包括Repeaters和Relay。
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Repeaters是在接到母基站的射頻信號后，在射頻上直接轉(zhuǎn)發(fā)，在終端和基站都是不可見，而且并不關(guān)心目的終端是否在其覆蓋范圍，因此它的作用只是放大器而已。它的作用僅限于增加覆蓋，并不能提高容量。
4.5 多點協(xié)同
協(xié)同多點傳輸，即CoMP（Coordinated Multi-point Transmission）技術(shù)通過對空域的擴充提高系統(tǒng)容量減小用戶間干擾，是LTE-Advanced對空域擴充的核心技術(shù)之一。CoMP技術(shù)利用光纖連接的天線站點協(xié)同在一起為用戶服務(wù)，相鄰的幾個天線站或節(jié)點同時為一個用戶服務(wù)，從而提高用戶的數(shù)據(jù)率，提高小區(qū)邊緣的通信質(zhì)量。作為LTE-Advanced對空域擴充的兩種核心技術(shù)，Relay和CoMP技術(shù)對LTE標(biāo)準(zhǔn)做出了很大的創(chuàng)新。
根據(jù)終端是否知道信號從多個天線站點發(fā)射，CoMP可以分為3類：終端不知道接收到的信號來自多個分布的天線，終端按照單基站方式接收；終端將接收到的所有信道測量反饋，但接收方式按照單基站方式接收，效果相當(dāng)于多徑接收；終端將接收到的所有信號測量反饋，但是基站側(cè)發(fā)送時，同時發(fā)送各個天線的發(fā)射信息，包括發(fā)射點和權(quán)重等。
4.6 自組織網(wǎng)絡(luò)
為了通過有效的運維成本（OPEX）和LTE網(wǎng)絡(luò)參數(shù)和結(jié)構(gòu)復(fù)雜化的壓力，3GPP借用自組織網(wǎng)絡(luò)的概念，在R8提出一種新運維策略。該策略將eNodeB作為自組織網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，在其中添加自組織功能模塊，完成蜂窩無線網(wǎng)絡(luò)的自配置（Self-configuration）、自優(yōu)化(Self-optimization)和自操作(Self-operation)。作為LTE的特性，SON已經(jīng)在R8引入需求，R9完成自愈性、自優(yōu)化能力的討論。
LTE自組織網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)IP互聯(lián)網(wǎng)自組織不同在于，LTE要求自組織節(jié)點可以互聯(lián)之外，可以對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行自優(yōu)化和自操作。
5 演進(jìn)淺析
由于LTE重新定義了空中接口和核心網(wǎng)絡(luò)，摒棄了CDMA技術(shù)而采用OFDM技術(shù)，只支持分組域，使得LTE與已有3GPP各版本標(biāo)準(zhǔn)不兼容，現(xiàn)有3G網(wǎng)絡(luò)很難平滑演進(jìn)到LTE，如果要部署LTE需要大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)升級，部署成本比較高。從歷史規(guī)律來看，從標(biāo)準(zhǔn)成熟到規(guī)模商用，一般要3~4年時間，2009年3月LTE標(biāo)準(zhǔn)凍結(jié)并批準(zhǔn)，因此可以預(yù)計在2012~2013年以后LTE才具備規(guī)模商用的條件。從產(chǎn)業(yè)鏈的角度來看，目前LTE網(wǎng)絡(luò)側(cè)設(shè)備和終端尚未成熟，特別是終端方面可能成為LTE發(fā)展的瓶頸，支持LTE，WCDMA雙模的終端預(yù)計在2012年才能推出。考慮到運營商投資和回報的平衡，無線接入網(wǎng)將會是EUTRAN和GERAN/UTRAN并存的場景，GERAN/UTRAN仍然保持二級架構(gòu)，EUTRAN采用扁平化架構(gòu)，隨著多模基站的推出，LTE的eNodeB可以和NodeB，BTS采用共站址的方式。
6 結(jié)束語
從GSM到UMTS再到HSPA，空口技術(shù)不斷演進(jìn)，數(shù)據(jù)速率、小區(qū)吞吐量不斷提高，但是無線網(wǎng)絡(luò)基本保持了RNC+NodeB的二級架構(gòu)。隨著無線扁平化技術(shù)的出現(xiàn)與興起，無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)會發(fā)生什么樣的變化成為了業(yè)界關(guān)注的焦點，網(wǎng)絡(luò)發(fā)展到LTE階段，EUTRAN中只含有eNodeB一個網(wǎng)元，不再有RNC，如何從UTRAN演進(jìn)到EUTRAN需要特別關(guān)注。本文對LTE/LTE-A需求、研究進(jìn)展以及關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了介紹。