0 前言

隨著3G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)在全球的大規(guī)模建設(shè)，市場(chǎng)對(duì)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的需求也在急劇上升，移動(dòng)寬帶技術(shù)的發(fā)展越來越快。這些技術(shù)主要集中在2個(gè)方面，一是3G技術(shù)的演進(jìn)——HSPA+，一是4G技術(shù)的出現(xiàn)——LTE。對(duì)于HSPA+，通過不斷引入高階調(diào)制、多入多出、雙載波等技術(shù)，提高峰值速率；對(duì)于LTE，則采用頻率效率更高的OFDM技術(shù)，從而達(dá)到5 bit/Hz以上的高效編碼效率。

目前HSPA+網(wǎng)絡(luò)在全球已經(jīng)得到了大范圍的部署。截至2010年底，全球已經(jīng)有67個(gè)國家的148個(gè)HSPA+商用網(wǎng)絡(luò)的演進(jìn)計(jì)劃，其中103張網(wǎng)絡(luò)已完成在57個(gè)國家的商用部署（包括13個(gè)雙載波42 Mbit/s HSPA+，11個(gè)MIMO 28 Mbit/s HSPA+，79個(gè)64QAM 21 Mbit/s HSPA+）；支持HSPA+的終端已達(dá)到63款，支持HSPA-LTE的雙模終端達(dá)到27款。

LTE網(wǎng)絡(luò)部署也初現(xiàn)端倪，其發(fā)展勢(shì)頭，大有后來居上之勢(shì)。截至2011年1月，全球范圍內(nèi)共有17個(gè)正式商用的LTE網(wǎng)絡(luò)，分布于15個(gè)國家和地區(qū)，還有52個(gè)預(yù)商用LTE試驗(yàn)網(wǎng)，有128個(gè)LTE 商用承諾，分布于52個(gè)國家。預(yù)計(jì)到2012年全球范圍內(nèi)將至少有64個(gè)商用的LTE網(wǎng)絡(luò)。目前已有26家廠商可以提供47款LTE商用終端，其中包括4款手機(jī)。

HSPA+與LTE在許多關(guān)鍵技術(shù)方面都存在著大量的異同點(diǎn)，本文針對(duì)這些關(guān)鍵技術(shù)的異同點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比分析。

1 由分層向扁平化演進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

HSPA+采用的是與WCDMA相同的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，是基于多個(gè)不同節(jié)點(diǎn)和接口的分層架構(gòu)。Node B負(fù)責(zé)糾錯(cuò)、調(diào)制、擴(kuò)頻以及從基帶到天線發(fā)送的射頻信號(hào)的轉(zhuǎn)換等物理層處理。RNC通過Iub接口控制著多個(gè)Node B，管理呼叫建立、業(yè)務(wù)質(zhì)量處理和小區(qū)的無線資源管理等功能，并通過Iu接口，連接到核心網(wǎng)。RNC間采用Iur接口連接，實(shí)現(xiàn)跨RNC的切換。分層方法的好處在于，它提供了整體處理的特定結(jié)構(gòu)，使得每一層都負(fù)責(zé)無線接入功能的不同部分。

在確定了LTE不需要支持上下鏈路宏分集功能之后，遵循最小化網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)原則，LTE采用了單節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。扁平化架構(gòu)帶來的直接好處就是減少了網(wǎng)絡(luò)實(shí)體的個(gè)數(shù)從而縮短了信令和數(shù)據(jù)傳送的時(shí)間并改善了傳輸效率。LTE將WCDMA的RNC和Node B合二為一，產(chǎn)生一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)（eNode B），它負(fù)責(zé)管理一系列小區(qū)。由于eNode B繼承了RNC的大部分功能，因此它比Node B更為復(fù)雜，它負(fù)責(zé)單小區(qū)RRM、切換、小區(qū)中用戶調(diào)度等。eNode B采用S1接口與核心網(wǎng)相連，S1與Iu接口類似。eNode B間采用X2接口連接，主要用于支持激活模式的移動(dòng)性，只用于相鄰小區(qū)的eNode B間。圖1示出的是WCDMA/HSPA與LTE網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

2 無線接入技術(shù)

WCDMA/HSPA采用基于CDMA的碼分多址無線接入技術(shù)，在較寬的頻譜上進(jìn)行直接序列擴(kuò)頻。WCDMA技術(shù)使用正交可變長度擴(kuò)頻碼（OVSF）進(jìn)行擴(kuò)頻，對(duì)于不同業(yè)務(wù)承載帶寬不同，則獲得的處理增益不同。在下行方向，碼片速率同為3.84 Mchip/s的OVSF碼和擾碼疊加，起擴(kuò)頻碼的作用。前者用于區(qū)分同一小區(qū)下不同信道或用戶，實(shí)現(xiàn)碼分多址接入；后者用于區(qū)分小區(qū)。在上行方向，擴(kuò)頻碼也是碼片速率為3.84 Mchip/s的OVSF碼和另一個(gè)擾碼的疊加，而這時(shí)OVSF碼因?yàn)椴煌?，不再用于區(qū)分用戶，區(qū)分用戶功能靠擾碼來完成，每一個(gè)UE都使用自己的擾碼。HSDPA引入HS-DSCH后，為了有效降低數(shù)據(jù)傳輸所需的網(wǎng)絡(luò)側(cè)與UE側(cè)的工程實(shí)現(xiàn)復(fù)雜程度，采用固定因子的擴(kuò)頻碼，即SF=16。對(duì)不同傳輸速率的支持可通過多碼傳輸來實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)通過給用戶動(dòng)態(tài)分配OVSF序列數(shù)目來滿足傳輸速率的要求，3GPP規(guī)定最多有15個(gè)SF=16的碼字可以用于HS-DSCH。HSUPA引入E-DPDCH后，采用擴(kuò)頻因子為64~2的OVSF碼，實(shí)現(xiàn)較高的上行接入速率帶寬。

LTE采用基于OFDM的正交頻分復(fù)用的無線接入技術(shù)，OFDM支持基站同時(shí)與多個(gè)移動(dòng)終端通信，每個(gè)移動(dòng)終端占用不同的頻率。LTE下行鏈路采用OFDM多址接入方案是因?yàn)镺FDM具有的特點(diǎn)滿足了LTE設(shè)計(jì)的初衷：帶有循環(huán)前綴的OFDM符號(hào)具有相對(duì)較長的時(shí)間尺度，因此OFDM提供了很高的穩(wěn)定性來對(duì)抗信道頻率選擇性；OFDM提供了頻域的多址接入；靈活的傳輸帶寬可以支持不同大小頻譜分配操作；可以從多個(gè)基站傳輸相同的信息實(shí)現(xiàn)廣播和多播傳輸。LTE上行鏈路采用DFT擴(kuò)展OFDM（DFTS-OFDM）技術(shù)，是因?yàn)镈FTS-OFDM可以實(shí)現(xiàn)發(fā)射信號(hào)的瞬時(shí)功率變化?。▎屋d波性質(zhì)）、能在頻域使用低復(fù)雜度高質(zhì)量的均衡、能使用具備靈活帶寬分配的FDMA。圖2示出的是CDMA與OFDMA多址方式。

3 支持的調(diào)制方式

為了提高頻譜資源利用率，在R7版本中HSPA+下行鏈路引入64QAM高階調(diào)制技術(shù)，上行鏈路增加16QAM。HSPA+下行鏈路支持的調(diào)制方式有QPSK、16QAM和64QAM，上行鏈路支持的調(diào)制方式有BPSK、QPSK和16QAM。

LTE下行鏈路與HSPA+一樣，可以支持QPSK、16QAM和64QAM調(diào)制方式。對(duì)于上行鏈路，考慮到終端在發(fā)射功率和能耗方面的限制，現(xiàn)有的移動(dòng)通信系統(tǒng)一般不采用64QAM，而LTE更為重視熱點(diǎn)覆蓋和微小區(qū)覆蓋，在最終決定LTE中暫不實(shí)現(xiàn)上行單用戶MIMO技術(shù)后，經(jīng)過討論確定要支持上行64QAM調(diào)制方式，因此LTE上行鏈路與下行鏈路一樣，支持QPSK、16QAM和64QAM調(diào)制方式（見圖3）。

4 信道共享與速率適配

HSPA的一個(gè)關(guān)鍵特性就是共享信道發(fā)送。HSPA下行信道的信道化碼和發(fā)射功率可以在小區(qū)內(nèi)的用戶間動(dòng)態(tài)共享，這種共享主要是在時(shí)域上進(jìn)行。HSPA采用動(dòng)態(tài)速率控制的鏈路自適應(yīng)技術(shù)，通過動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)速率可補(bǔ)償動(dòng)態(tài)的信道變化。無線鏈路數(shù)據(jù)通過調(diào)整每一個(gè)TTI（2 ms）內(nèi)所采用的調(diào)制方式、傳輸塊的大小和分配給UE的信道化碼集合來實(shí)現(xiàn)速率調(diào)整。速率控制通常取決于瞬時(shí)信道條件，最典型的是通過CQI來獲得的。

LTE也可以實(shí)現(xiàn)共享信道傳輸，但與HSPA不同的是，LTE共享資源為時(shí)間和頻率。共享信道傳輸?shù)膽?yīng)用可以很好地匹配分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)提出的快速變化資源需求。LTE采用調(diào)度器來決定每條鏈路上所用的數(shù)據(jù)速率。與HSPA不同的是，LTE終端只服從服務(wù)小區(qū)的調(diào)度命令。下行鏈路調(diào)度器基于信道狀態(tài)報(bào)告分配下行傳輸資源，被調(diào)度終端可以在每個(gè)1 ms的調(diào)度間隔內(nèi)被分配以180 kHz寬的資源塊的任意組合。上行鏈路調(diào)度器基于不同上行鏈路傳輸?shù)恼环指?，可以? ms執(zhí)行1次，控制在給定時(shí)間間隔內(nèi)允許哪些移動(dòng)終端在小區(qū)內(nèi)采用何種頻率、數(shù)據(jù)速率進(jìn)行傳輸。

5 帶寬與頻譜效率

WCDMA/HSPA經(jīng)過擴(kuò)頻調(diào)制后的碼片速率為3.84 Mchip/s，在進(jìn)行脈沖整形時(shí)，要盡量壓縮旁瓣，使99%的能力集中在主瓣上。旁瓣能量的集中程度體現(xiàn)在滾降系數(shù)上，目前在WCDMA中統(tǒng)一選擇α＝0.22，對(duì)應(yīng)的帶寬＝（1＋α）×速率＝（1＋0.22）×3.84＝4.75 MHz，取5 MHz，所以WCDMA/HSPA系統(tǒng)信道占用帶寬為固定值5MHz。在5　MHz頻帶寬度內(nèi)，R99達(dá)到的下載速率為3.84 Mbit/s，HSDPA為14.4 Mbit/s，HSPA+ 64QAM為21 Mbit/s，HSPA+ 64QAM+MIMO可以達(dá)到42 Mbit/s，HSPA+64QAM+MIMO+DC可以達(dá)到84 Mbit/s，因此對(duì)于WCDMA/HSPA系統(tǒng)而言，根據(jù)其采用的技術(shù)不同，頻譜效率也相差甚大（見表1）。

LTE在下行鏈路上使用了OFDMA的多址技術(shù)，將帶寬分成若干個(gè)子載波，所以相對(duì)HSPA+具有靈活的帶寬，目前可實(shí)現(xiàn)1.4、3、5、10、15、20 MHz等6種信道帶寬。較低的頻帶（1.4~3 MHz）被選擇用來克服在CDMA2000處LTE頻譜融合的困難，同時(shí)幫助GSM和TD-SCDMA向LTE演進(jìn)。LTE的設(shè)計(jì)目標(biāo)是在20 MHz頻譜范圍內(nèi)，下行鏈路達(dá)到100 Mbit/s，上行鏈路達(dá)到50 Mbit/s。而實(shí)際LTE能達(dá)到的峰值速率已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過這個(gè)目標(biāo)。對(duì)于20 MHz帶寬，LTE上下行速率分別可以達(dá)到172和60 Mbit/s。

從表1可以看出，在采用了高階調(diào)制和多入多出等技術(shù)后，HSPA+的頻譜效率已經(jīng)接近LTE技術(shù)。

6 帶有軟合并的HARQ和MIMO

HSPA與LTE也采用了許多相同的關(guān)鍵技術(shù)，如帶有軟合并的HARQ和MIMO技術(shù)。

帶有軟合并的HARQ技術(shù)允許終端對(duì)接收到的錯(cuò)誤傳輸塊請(qǐng)求重傳，微調(diào)有效的編碼速率和補(bǔ)償由于鏈路適應(yīng)機(jī)制帶來的錯(cuò)誤。終端嘗試解碼每一個(gè)接收到的傳輸塊，并在接收到傳輸塊5 ms后報(bào)告基站接收是成功還是失敗。沒有成功接收到的數(shù)據(jù)將會(huì)得到快速重傳，對(duì)比R99明顯減少了重傳的時(shí)延。

MIMO技術(shù)是HSPA+ R7版本中主要的新特征之一，它通過多個(gè)流的傳輸增加數(shù)據(jù)的峰值速率。通過在發(fā)射端和接收端使用多根天線，獲得分集增益，進(jìn)而增加接收機(jī)的載干比。對(duì)于HSPA+而言，MIMO是系統(tǒng)能力增強(qiáng)技術(shù)之一，可以選用也可以不選用。而對(duì)于LTE而言，MIMO技術(shù)是一個(gè)必需內(nèi)容，多根天線的應(yīng)用是達(dá)到激進(jìn)的LTE性能目標(biāo)的關(guān)鍵技術(shù)。

7 大規(guī)模引入需要關(guān)注的問題

HSPA+分別在R7、R8版本提出了MIMO和DC技術(shù)。其中MIMO要求多套天饋系統(tǒng)，DC要求雙載波。不同的國家和地區(qū)對(duì)這2種技術(shù)采取了截然不同的態(tài)度。歐洲地區(qū)由于頻率資源緊張，很難找出更多的載頻來實(shí)施DC，因此當(dāng)?shù)氐倪\(yùn)營商更多的是關(guān)注MIMO技術(shù)的應(yīng)用；而中國，頻率資源屬于國家統(tǒng)一指配，對(duì)于運(yùn)營商而言，較容易獲得。目前在中國運(yùn)營著多種技術(shù)制式的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，在城區(qū)基站眾多，屋頂天線林立，若再增加天饋系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)MIMO則非常困難，因此對(duì)中國而言，則更多傾向于DC技術(shù)。

LTE的建設(shè)首先要解決其頻點(diǎn)使用問題。LTE的具體頻段還未最終確定，其可使用的頻段涵蓋了IMT-2000的整個(gè)頻段范圍，目前業(yè)界主流頻譜集中在800 MHz、1.8 GHz和2.6 GHz。頻段范圍的差別，決定了LTE布網(wǎng)成本高低。其次是網(wǎng)絡(luò)定位問題，LTE定位于超寬帶無線接入業(yè)務(wù)，覆蓋區(qū)域的選擇考慮以優(yōu)先熱點(diǎn)覆蓋為主，后續(xù)連續(xù)覆蓋的策略。在LTE建設(shè)的初期，要準(zhǔn)確定位，能夠提供差異化服務(wù)，避免產(chǎn)生與現(xiàn)有移動(dòng)技術(shù)重復(fù)建設(shè)的問題。

8 結(jié)束語

HSPA+是WCDMA的后續(xù)演進(jìn)技術(shù)，它在標(biāo)準(zhǔn)制定之初就考慮到最大后向兼容問題，因此可以在現(xiàn)有3G網(wǎng)絡(luò)基站上平滑升級(jí)來建設(shè)HSPA+網(wǎng)絡(luò)。LTE技術(shù)的定位是能將電信產(chǎn)業(yè)帶入2020年的無線通信系統(tǒng)，在最初設(shè)計(jì)時(shí)就不考慮早先的終端，不受現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)技術(shù)影響，因此LTE具有更高的頻譜效率，可變的帶寬等特性，但對(duì)現(xiàn)有設(shè)備存在兼容問題，網(wǎng)絡(luò)改造量較大。這2種技術(shù)各有優(yōu)缺點(diǎn)，其最終的發(fā)展，還在于市場(chǎng)的需求。