LTE-Advanced主导3G无线通信走向未来

粟 欣 吴 佳 曾 捷

[摘要]目前，LTE-Advanced的关键技术发展得到学术和产业界的鼎力推动，其标准化也受到业界的广泛关注，对3G无线通信的未来发展正发挥着越来越重要的主导作用。文章阐述了LTE-Advanced的产生和发展，对LTE-Advanced在向IMT-Advanced演进过程中的两种模式进行了分析，并介绍了其关键技术，如频谱利用率、数据传输速率、接八性能和时延表现上的显著优势。

[关键词]LTE-Advanced3GIMT-AdvancedLTE

1背景

伴随着无线移动通信产业多年的发展。手机普及率不断刷新着历史记录。据报道，全球手机用户在2008年底突破了40亿，移动通信网络已覆盖全球，把“在任何时间、任何地点和任何人通信”的人类梦想逐渐变成了现实。无线移动通信经历了从第一代模拟系统、第二代数字系统到第三代数字多媒体系统的演进，并正向支持高速数字多媒体与数据业务的方向发展。这将不仅提高人们传递和获取信息的能力，而且将促进全球经济的高速发展。无线通信的发展历程如图1所示。

从无线通信的发展历程中可以看出，未来无线通信将以高速数字多媒体业务为主。系统的传输速率和服务质量都有较大幅度的提高。并有机地融合现在的互联网、移动网和广播网等，最终形成一个无所不在的移动通信网。为此，ITU展开了制定IMT-Advanced标准的工作，希望提高系统的频谱利用率，将峰值速率提高到100Mbps(高速移动)、1Gbps(固定或低速移动)以上的水平，为未来的无线通信业务提供广阔的应用空间。

2LTE-Advanced向IMT-Advanced演进

2-1LTE与IMT-Advanced的关系

2008年，ITU确定了IMT-Advanced具体的系统技术要求，并于3月正式在全世界范围内征集IMT-Advanced候选技术提案，候选技术方案的征集工作将于2009年10月结束。预计2010年中将完成候选方案的技术评估和融合，经过最后的甄选和完善。正式的标准将会在2012年前后完成。

ITU对IMT-Advanced的技术要求如下：

◆在保持灵活支持广泛的服务和应用的基础上，以符合成本效益的方式，达到全球范围内的高度通用性；

◆兼容IMT业务和固定网络业务；

◆拥有与其它无线接入系统互通的能力；

◆高品质的移动服务；

◆用户终端适合全球使用；

◆方便使用的应用、服务和设备：

◆全球漫游能力；

◆增强峰值速率以支持新型的业务和应用(高速移动下达到100Mbps，低速移动下达到1Gbps)。

主流3G无线通信标准向IMT-Advanced演进路线如图2所示，候选方案包括3GPP的LTE、3GPP2的UMB和IEEE的WiMAX。WiMAX因其移动性较差和资费不合理等，未能得到移动通信运营商的广泛支持；源于IPR方面的纷争等问题，UMB的推进也遭遇重大挫折，3GPP2的领袖企业高通及许多CDMA2000运营商都纷纷倒戈转投LTE阵营；LTE因性能优势突出而得到大多数设备厂商和移动通信运营商的支持，成为3G无线通信向IMT-Advanced演进道路上的最佳出发地。

LTE分为FDD和TDD两种模式，FDD模式主要由WCDMA技术演进而来，TDD模式主要由中国主导的TD-SCDMA技术演进而来。在2007年11月举行的无线接入网工作组会议上，中国促使3GPP将原有的两种LTE TDD帧结构合并为基于TD-SCDMA的融合帧结构，并与FDD的帧结构进行了统一，由此确定了TDD和FDD两种模式在3GPP LTE框架下共同向IMT-Advanced演进的方案。

2-2LTE-Advanced的产生和发展

成立于1998年12月的3GPP的成员，包括欧洲的ETSI、日本的ARIB和TTC、中国的CCSA、韩国的TTA和北美的ATIS，目标是在ITU的IMT-2000计划范围内制订和实现全球性的3G移动电话系统规范。3GPP先后发布了R99、R4、R5、R6、R7、R8等系统版本技术规范。按照EDGE、WCDMA、HSDPA、HSUPA及LTE路线图演进，正在积极制定R9、R10版本标准。由此，以R10版本为基础的LTE-Advanced将成为向ITU提交的IMT-Advanced候选技术。

2007年11月，3GPP在墨西哥组织的技术研讨会初步讨论IMT-Advanced的技术需求、标准化进程以及频谱划分等内容。2008年4月至5月，3GPP分别在中国和捷克召开了两次正式研讨会，讨论了LTE向IMT-Advanced的演进问题，提出了LTE-Advanced(简称为“LTE-A”或者是“LTE-Adv”)的概念并明确了初步技术指标。此后，3GPP的无线接入网工作组的历次会议都开展了LTE-Advanced技术的专题讨论。

图3给出了LTE-Advanced向ITU提交草案和相关标准化工作的时间计划，从2008年3月到2010年3月是第一阶段技术可行性的研究，其中于2009年10月将以LTE-Advanced为一个RIT(Radio Interface Technology，空中接口技术)集合、分为FDD和TDD两个RIT的原则，向ITU提交技术草案。预计于2010年12月完成第二阶段标准化工作，并同时开启第三阶段的工作。

2.3LTE-Advanced两种模式的演进

3GPP认为LTE-Advanced需要在LTE基础上向IMT-Advanced进行平滑演进，LTE-Advanced主要的演进目标如下：

◆LTE-Advanced具有后向兼容性，其网络能够支持LTE终端，LTE-Advanced终端也能够在LTE网络中使用基本功能：

◆网络自适应和自优化功能应当进一步加强，能够支持从宏蜂窝到室内环境的覆盖，优先考虑低速移动的用户；

◆降低终端的复杂度，降低成本：

◆同时支持连续和不连续的频谱，支持最大不超过100MHz的带宽，支持ITU分配的无线频段，能够与LTE共享相同的频段：

◆下行峰值速率能够达到1Gbps，上行应当超过500Mbps；峰值频谱效率达到下行30bps/Hz、上行15bps/Hz；平均频谱效率达到下行3.2bps/Hz、上行2bps/Hz；边缘频谱效率达到下行0.1bps/Hz、上行0.05bps/Hz；最低天线配置要求为下行2×2、上行1×2，其他性能应不低于LTE的标准。

LTE-Advanced FDD模式经HSDPA、HSPA+演进而来，采用了OFDM和MIM0技术，具有良好的技术性能。通

过适当增强传输技术，加入载波聚合。并对网络进行优化，能够满足甚至超过IMT-Advanced的技术需求。

LTE-Advanced的TDD模式是由TD-SCDMA经过基本版本、增强版本以及TD-LTE演进而来，得到了中国企业的广泛支持和推动，与LTE FDD良好融合，将采用OFDM、超宽带、超窄带、认知无线电、网络感知、多无线接入网融合和网络协同等关键技术，其核心网是各种接入技术相互融合的全IPv6网，极限速率约100Mbps到1Gbps。

3LTE-Advanced的关键技术

3.1统一的帧结构

FDD和TDD模式融合后的LTE-Advanced的帧结构如图4所示。LTE-Advanced每个无线帧的长度为10ms，FDD模式包含20个时隙，每个时隙长为0.5ms，每两个连续的时隙构成一个子帧。TDD模式的无线帧包括两个半帧，每个半帧长度为5ms，由8个长度为0.5ms的普通时隙和3个特殊时隙组成，每两个普通时隙或者三个特殊时隙组成一个长度为1ms的子帧，TDD模式支持5ms和10ms周期的周期转换点。帧结构的统一，为LTE-Advanced向JMT-Advanced的推进铺平了道路。

3.2先进的传输技术

LTE-Advanced汇集了多项先进的传输技术，包括OFDM/QFDMA、MIMO和链路自适应技术等，为了适应IMT-Advanced更高传输速率的要求，还加入了载波聚合，上下行链路增强等技术。

(1)上下行多址技术

上下行多址技术是无线通信技术的基础，而OFDM/OFDMA技术是LTE乃至IMT-Advanced能够取得优势性能的关键。传统频分复用将频带分为若干不相交的子信道来传输并行的数据流，在接收端用滤波器进行分离，这种方法需要在子信道间留有保护频带，频谱利用率比较低。OFDM采扰，很好地对抗频率选择性衰落和窄带干扰。并有效提升频谱利用率，达到接近2Baud/Hz。OFDMA是OFDM技术的演进，一组用户可以同时接入同一信道，每个用户选择信道条件较好的部分子载波传输数据，而不用在整个频带内进行发送。这样保证了各子载波都被信道条件较好的用户使用。获得了频率上的多用户分集增益。

LTE-Advanced将在下行采用OFDMA技术，上行选择以DTF-S-OFDM技术为主，部分室内、热点覆盖考虑使用OFDMA技术，将通过增加带宽，子载波数，采用高阶数字调制等方法来优化传输，以满足更高的传输速率和服务质量要求。

(2)多天线技术

多天线技术是解决频率资源匮乏的有效途径，能够提高系统容量和通信质量，现阶段主要的多天线技术包括智能天线技术，MIMO技术等。智能天线利用数字信号处理，合成天线阵列的输入和输出，以自适应的方式发射和接收信号。采用先进的波束转换技术和自适应空间数字处理技术，达到充分利用移动用户信号并抑制甚至消除干扰信号的目的。MIMO技术通过在基站和终端使用多天线来抑制信道衰落。在不增加带宽和天线发送功率的情况下，MIMO系统的信道容量随着天线数量的增大而线性增大，频谱利用率能够得到成倍的提升。MIMO技术包括空间分集(SD，SpatialDiversity)、空间复用(SM，Spatial Multiplexing)、预编码(Pre-coding)和波束赋形(Beam forming)等。

LTE-Advanced下行主要采用4×4MIMO，最多达到8×8或者8×4 MIMO，上行将采用2×4MIMO或者多用户联合的虚拟MIMO技术。

(3)链路自适应技术

链路自适应技术能够动态跟踪信道变化，根据信道情况确定当前信道的容量，进而确定传输的信息符号速率、发送功率、编码速率和编码方式、调制的星座图尺寸和调制方式等参数，因此可以最大限度地发送信息，实现更低的误码率，并保持恒定发射功率，以减轻对其它用户的干扰，满足不同业务的需求，提高系统的整体吞吐量。

链路自适应虽然是对物理层的传输参数进行调整，但它不限于物理层，需要无线通信系统的各层之间紧密配合。链路自适应需要物理层提供调制、编码和发射功率等参数信息；需要链路层提供一条可靠的信令链路，以便在发射参数改变时通知接收机和发射机，以协调它们之间的工作。

链路自适应主要涉及自适应调制、自适应信道编码和混合自动重传请求(HARQ)等关键技术。在3G及其LTE中已发挥了重要的作用，并仍将在LTE-Advanced中扮演关键角色。

(4)载波聚合

LTE目前最大支持20MHz的系统带宽，IMT-Advanced需要支持高达1Gbps的传输速率，提出系统最大支持带宽应不小于40MHz，需要进行系统带宽的扩展。目前，3GPP确定将采用载波聚合的方式实现系统带宽的扩展，最大能聚合带宽可达100MHz，分为两种方式：一种为连续频段上的多个载波聚合，能够保持系统的后向兼容性；另一种是非连续频段上的多个载波聚合，提供了系统对分散的频率资源进行整合利用的解决方案。

在LTE-Advanced的关注范围中，载波聚合的研究重点包括连续载波聚合的频谱利用率提升，上下行非对称的载波聚合场景的控制信道的设计等。目前，关于载波聚合的可行性研究工作已经完成。

3.3网络优化技术

LTE已经采用了最先进的传输技术，其后的LTE-Advanced在向IMT-Advanced的演进过程中。很大程度上将依赖于对网络覆盖方式与核心架构的优化，以便达到期望的技术目标要求。

(1)多点协作

多点协作(CoMP，Coordinative Multiple Point)的网络结构如图6所示。1个基站通过光纤连接多个天线站点。所有的基带处理仍集中在基站，形成集中的基带处理单元州。分布式天线系统中的天线站点可以看作基站的多个扇区或1个扇区中的多个天线，可以很好地进行天线站点之间的协同，明显改进上行和下行的系统性能。

在LTE-Advanced中，CoMP上下行采用的合作方式、反馈信道的设计和交互信令的设计等问题得到了高度关注，现在仍处于论证和细节确定阶段，是国内企业与高校合作并提交具有自主知识产权技术参与标准化的重要机会。

(2)Relay技术

Relay技术是LTE-Advanced加入的新功能，采用具备无线中继功能的站点进行转发，对信号进行必要的处理和选择性放大，可以改善由无线信道环境导致的阴影衰落，扩大信号覆盖范围和提高系统的吞吐量，如图7所示。Relay技术的研究内容包括：基站与Relay站的通信采用基站与终端通信相同的频段或者不同的频段；Relay站是否会有自身标

识或者广播信道。Relay站有三种可能的工作方式：L1 Relay只进行信号的直接放大转发，类似于简单的直放站；L2 Relay具有译码转发功能和资源调度功能。类似简单的基站；L3 Relay能够支持无线回程，具有基站的全部功能。

LTE-Advanced讨论了Relay的信道模型和仿真模型，明确了Relay部署方式以及主要技术特征。中国企业正积极参与并主导了Relay信道模型和站址仿真假设的相关讨论。

(3)小区间干扰抑制

小区边缘信道条件差，频谱利用率低。传输速率低是一直困扰无线通信的难题，小区边缘覆盖的优化能够很好地提升系统性能。

LTE-Advanced提高小区边缘性能的目标将通过小区间干扰抑制技术(Inter-cell interference mitigation)实现。目前正在考虑的方案包括干扰随机化(ICI randomization)、干扰协调(ICI coordination)、干扰消除(ICI cancellation)等。干扰随机化可以采用小区加扰或交织多址(IDMA)实现；干扰协调可在小区边缘采用小于1的频率复用，从而避免强干扰；干扰消除可在接收机采用多用户检测消除相邻小区的干扰。

(4)家庭基站

家庭基站(Home Node B)是一种很接近于WiFi无线接入设备的超小型基站设备，具有设备单元小、网络效率高和功耗成本低的优点，能够改善室内覆盖，在网络边缘提供高质量的覆盖，适用于家庭及办公室环境。

LTE-Advanced将进一步对家庭基站进行优化，家庭基站的大规模密集部署会加大干扰控制和接入管理的难度，对现有的系统网络架构造成较大的冲击，可能需要针对家庭基站采用相对独立的网络结构。

4小结

LTE-Advanced作为最有竞争力的IMT-Advanced候选方案，不仅主导着3G无线通信健步走向未来，而且将在新一代无线通信的发展过程中占据非常重要的地位。随着近年来中国对自主知识产权的日益重视，国内企业与高校合作在国际通信标准的制订中正发挥着越来越重要的作用。TD-SCDMA标准在3G时代的成功推出，曾一举扭转了中国在无线通信领域的被动局面；主要由中国企业推动的LTE-Advanced的TDD模式向IMT-Advanced的演进，已经为TD-SCDMA的后续发展奠定了坚实的基础，必将打造出有利于中国的、具有全球影响力的宽带移动无线通信技术标准和产业。