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(shí)時(shí)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(gè)可能的方向演進(jìn)：一是空口能力不斷增強(qiáng)，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(qiáng)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(xiàng)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(shí)延低于5ms，控制平面從睡眠狀態(tài)到激活狀態(tài)遷移時(shí)間低于50ms，從駐留狀態(tài)到激活狀態(tài)的遷移時(shí)間＜100ms；支持100km半徑的小區(qū)覆蓋；能夠?yàn)?50km/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(gè)區(qū)域的體驗(yàn)。有統(tǒng)計(jì)表明，未來80%~90%的系統(tǒng)吞吐量將發(fā)生在室內(nèi)和熱點(diǎn)游牧場景，室內(nèi)、低速、熱點(diǎn)將可能成為移動互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代更重要的應(yīng)用場景。因此，需要通過新技術(shù)增強(qiáng)傳統(tǒng)蜂窩在未來熱點(diǎn)場景的用戶體驗(yàn)。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(shí)，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(kuò)充、增強(qiáng)、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(shí)，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(shí)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?？梢灶A(yù)見的是，由于時(shí)間緊迫，R10也將是一個(gè)LTE-A的短版本。R10版本現(xiàn)在為Study階段，整個(gè)版本制定預(yù)計(jì)持續(xù)一年時(shí)間，預(yù)計(jì)時(shí)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(yùn)營商公布了自己的LTE部署計(jì)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(jì)劃表，使得時(shí)間從原定的2010年提前至2009年。作為日本最大的運(yùn)營商N(yùn)TT 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(shí)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(shí)現(xiàn)的，是實(shí)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(gè)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(shí)，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(diǎn)在于抗多徑衰落的能力強(qiáng)，頻譜效率高，OFDM將信道劃分為若干子信道，而每個(gè)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(shí)現(xiàn)方法，在頻率選擇性信道中，OFDM接收機(jī)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(yùn)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(qiáng)，即把幾個(gè)基于20MHz的LTE設(shè)計(jì)捆綁在一起，通過提高可用帶寬，LTE-A將帶寬擴(kuò)展到100M。但是實(shí)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(shí)多個(gè)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(shí)的信令傳輸問題；各個(gè)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(diǎn)，是R10制定中的重點(diǎn)。
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(diǎn)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(diǎn)協(xié)同
協(xié)同多點(diǎn)傳輸，即CoMP（Coordinated Multi-point Transmission）技術(shù)通過對空域的擴(kuò)充提高系統(tǒng)容量減小用戶間干擾，是LTE-Advanced對空域擴(kuò)充的核心技術(shù)之一。CoMP技術(shù)利用光纖連接的天線站點(diǎn)協(xié)同在一起為用戶服務(wù)，相鄰的幾個(gè)天線站或節(jié)點(diǎn)同時(shí)為一個(gè)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(kuò)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(gè)天線站點(diǎn)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(gè)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(shí)，同時(shí)發(fā)送各個(gè)天線的發(fā)射信息，包括發(fā)射點(diǎn)和權(quán)重等。
4.6 自組織網(wǎng)絡(luò)
為了通過有效的運(yùn)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(yùn)維策略。該策略將eNodeB作為自組織網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，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(diǎn)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(shí)間，2009年3月LTE標(biāo)準(zhǔn)凍結(jié)并批準(zhǔn)，因此可以預(yù)計(jì)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(jì)在2012年才能推出?？紤]到運(yùn)營商投資和回報(bào)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?；镜耐瞥?，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(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)發(fā)展到LTE階段，EUTRAN中只含有eNodeB一個(gè)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。