1、无线网络 LTE 的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
2、 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
3、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
4、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。
5、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
6、 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
7、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
8、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、M
9、obile 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
10、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
11、）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 22、上行 12，但也在考虑 44 的高阶天线配置。北电的专利技术虚拟 MIMO 也被 LTE
12、 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
13、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
14、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 系统的体系架构产生深远的影响。eNodeB 是在 NodeB 原有功能基础上，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
15、RRM Server 进行集中式管理，还是采用分散管理，尚未达成一致。四 北电 LTE 项目研究情况和解决方案北电自 1998 年以来就一直致力于 OFDM 和 MIMO 技术的研究与开发，拥有近八年的经验，持有 120 多项相关专利，并已为世界上 100 多个客户成功演示，充分展示了该技术的可行性及商业前景。北电是 3GPP LTE 标准化的领先企业之一。2003 年北电在业界率先倡导 3GPP OFDM SI 预研，并担任研究报告主编，奠定了 LTE 先声。在 3GPP LTE 的 171 个研究主题中，北电完成了其中的 78 个。早在 2001 年，北电 OFDM/MIMO 系统就进行了
16、 5MHz 带宽10Mbps 的高速数据传输演示，2002 年传输速率提升到 18.4Mbps，2004 年更是达到了37Mbps。目前北电正在开发的新模型使用 MIMO 64 QAM 4/5 码率，实现了 20MHz 带宽300Mbps 的高传输速率。北电 LTE 解决方案建立在北电 UMTS 解决方案基础之上，采取平滑演进的策略。北电解决方案的设计思想是充分利用 UMTS 现有基站站址，透过叠加微型化和模块化的 LTE设备，最大地节省运营商的设备投资，精简网络结构，减少网元数量，优化系统性能。为了能够从原有网络高效快速的演进到 LTE 网络，运营商在 UMTS 建网时，就应有所考虑，如采用集成度高基站或 GSM/UMTS 双模机站，有利于解决向 LTE 演进时解决站址紧张的问题。目前，北电已经推出 GSM UMTS 双模机站，根据市场需求，计划于 2008 年推出LTE 相关产品，以满足在 2010 年前后，大规模商业部署 LTE 网络的需要。
