无线网络LTE关键技术以及市场背景

    一LTE市场背景和技术背景介绍

    伴随GSM等移动网络在过去的二十年中的广泛普及，全球语音通信业务获得了巨大的成功。 目前，全球的移动语音用户已超过了18亿。

    同时，我们的通信习惯也从以往的点到点(Place to Place)演进到人与人。个人通信的迅猛发展极大地促使了个人通信设备的微型化和多样化，结合多媒体消息、在线游戏、视频点播、音乐下载和移动电视等数据业务的能力，大大满足了个人通信和娱乐的需求。

    另外，尽量利用网络来提供计算和存储能力，通过低成本的宽带无线传送到终端，将有利于个人通信娱乐设备的微型化和普及。GSM网络演进到GPRS/EDGE和WCDMA/HSDPA网络以提供更多样化的通信和娱乐业务，降低无线数据网络的运营成本，已成为GSM移动运营商的必经之路。但这也仅仅是往宽带无线技术演进的一个开始。WCDMA/ HSDPA与GPRS/EDGE相比，虽然无线性能大大提高，但是，在IPR的制肘、应对市场挑战和满足用户需求等领域，还是有很多局限。

    由于CDMA通信系统形成的特定历史背景，3G所涉及的核心专利被少数公司持有，在IPR上形成了一家独大的局面。专利授权费用已成为厂家承重负担。可以说，3G厂商和运营商在专利问题上处处受到制肘，业界迫切需要改变这种不利局面。

    面对高速发展的移动通信市场的巨大诱惑和大量低成本，高带宽的无线技术快速普及，众多非传统移动运营商也纷纷加入了移动通信市场，并引进了新的商业运营模式。例如，Google与互联网业务提供商(ISP)Earthlink合作，已在美国旧金山全市提供免费的无线接入服务，双方共享广告收入，并将广告收入作为其主要盈利途径，Google更将这种新的运营模式申请了专利。另外，大量的酒店、度假村、咖啡厅和饭馆等，由于本身业务激烈竞争的原因，提供免费WiFi无线接入方式，通过因特网可以轻易的查询到这类信息。最近，网络服务提供商“SKYPE”更在这些免费的无线宽带接入基础上，新增了几乎免费的语音及视频通信业务。这些新兴力量给传统移动运营商带来了前所未有的挑战，加快现有网络演进，满足用户需求，提供新型业务成为在激烈的竞争中处于不败之地的唯一选择。

    与此同时，用户期望运营商提供任何时间任何地点不低于1Mbps的无线接入速度，小于20ms的低系统传输延迟，在高移动速率环境下的全网无缝覆盖。而最重要的一点是能被广大用户负担得起的廉价终端设备和网络服务。

    这些要求已远远超出了现有网络的能力，寻找突破性的空中接口技术和网络结构看来是势在必行。与WiFi和WiMAX等无线接入方案相比，WCDMA/HSDPA空中接口和网络结构过于复杂，虽然在支持移动性和QoS方面有较大优势，但在每比特成本、无线频谱利用率和传输时延等能力方面明显落后。根据3GPP标准组织原先的时间表，4G最早要在2015年才能正式商用，在这期间传统电信设备商和运营商将面临前所未有的挑战。用户的需求、市场的挑战和IPR的制肘共同推动了3GPP组织在4G出现之前加速制定新的空中接口和无线接入网络标准。2004年11月，3GPP加拿大多伦多“UTRAN演进”会议收集了无线接入网R6版本之后的演进意见，在随后的全体会议上，“UTRA和UTRAN演进”研究项目得到了二十六个组织的支持，并最终获得通过。这也表明了3GPP组织运营商和设备商成员共同研究3G技术演进版本的强烈愿望。

    二LTE项目计划和主要性能目标

    3GPP组织在LTE项目的工作，基本可以分为两个阶段：2005年3月到2006年6月为SI (Study Item)阶段，完成可行性研究报告;2006年6月到2007年6月为WI(Work Item)阶段，完成核心技术的规范工作。

    在2007年中期完成LTE相关标准制定(3GPP R7)，在2008年或2009年推出商用产品。到目前为止，LTE项目的研究工作取得了一系列的重大进展，截至到2006年3月已完成或正在进行的内容包括：物理层接入方案、无线接口协议体系结构，RAN-CN功能划分与调整，及宏分集、射频的相关研究。虽然如此，原计划于2006年3月完成的部分工作被推迟到6月才可以完成，从目前来看，仍滞后于既定的工作计划。

    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100Mbps、上行50Mbps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;支持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;支持成对或非成对频谱，并可灵活配置1.25 MHz到20MHz多种带宽。

    为了实现3G LTE系统的上述目标性能，需要改进与增强现有3G系统的空中接口技术和网络结构。3GPP标准化组织经过激烈的讨论于2005年12月，批准采用由北电等的厂家提出的OFDM和MIMO方案作为其无线网络演进(LTE)的唯一标准，这也表明3GPP 标准的演进方向与北电的多年来技术发展方向完全一致。同时LTE系统核心网采用两层扁平网络架构，由WCDMA/HSDPA阶段的NodeB、RNC、SGSN、GGSN四个主要网元，演进为eNodeB(eNB)和接入网关(aGW)两个主要网元。核心网同时采用全IP分布式结构，支持IMS、VoIP、 SIP、Mobile IP等各种先进技术。

    三LTE关键技术及进展情况

    空中接口物理层技术是无线通信系统的基础与标志，3GPP组织就LTE系统物理层下行传输方案很快达成一致，采用先进成熟的OFDMA技术;但上行传输方案却争论不断，很大部分设备商考虑到OFDM较高的峰均比会增加终端的功放成本和功率消耗，限制终端的使用时间，坚持采用峰均比较低的单载波方案SC-FDMA，但一些积极参与WiMAX标准组织的公司却认为可以采用滤波、循环削峰等方法有效降低OFDM峰均比。双方各执己见，一度僵持不下，经过多次会议的艰苦协商，最后上行方案还是选择了单载波SC-FDMA。这样LTE系统传输方案最终确定为下行OFDMA和上行SC-FDMA。同时在是否采用宏分集问题上也产生了激烈的争论，最终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。

    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，支持大范围覆盖，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方案用于支持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。北电的专利技术虚拟MIMO也被LTE采纳作为提高小区边缘数据速率和系统性能的主要手段。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。5月的上海会议将对MIMO技术做进一步的讨论。最终会为下行数据信道确定唯一的分集传送方案。

    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。

    3GPP LTE接入网在能够有效支持新的物理层传输技术的同时，还需要满足低时延、低复杂度、低成本的要求。原有的网络结构显然已无法满足要求，需要进行调整与演进。2006年3月的会议上，3GPP确定了E-UTRAN的结构，接入网主要由演进型eNodeB(eNB)和接入网关(aGW)构成，这种结构类似于典型的IP宽带网络结构，采用这种结构将对3GPP系统的体?础上，增加了RNC的物理层、MAC层、RRC、调度、接入控制、承载控制、移动性管理和inter-cell RRM等功能。aGW可以看作是一个边界节点，作为核心网的一部分。但在如何处理小区间干扰协调、负载控制等问题上各成员还存在分歧，是采用RRM Server进行集中式管理，还是采用分散管理，尚未达成一致。