一、標(biāo)準(zhǔn)化組織

無(wú)線通信技術(shù)的演進(jìn)離不開(kāi)一些標(biāo)準(zhǔn)化組織。

1、ITU(International Telecommunication Union)

國(guó)際電信聯(lián)盟，主要任務(wù)是制定標(biāo)準(zhǔn)，分配無(wú)線頻譜資源，組織各個(gè)國(guó)家之間的國(guó)際長(zhǎng)途互連方案，成立于1865年5月17日，是世界上最悠久的國(guó)際組織。

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2、3GPP(3rd Generation Partnership Project)

第三代合作伙伴計(jì)劃，成立于1998年12月，目標(biāo)是在ITU的IMT-2000計(jì)劃范圍內(nèi)制訂和實(shí)現(xiàn)全球性的第三代移動(dòng)電話系統(tǒng)規(guī)范。它致力于GSM到WCDMA的演化，雖然GSM到WCDMA空中接口差別很大，但是其核心網(wǎng)采用了GPRS的框架，因此仍然保持一定的延續(xù)性。3GPP基本每一年出臺(tái)一個(gè)版本(Release)，目前***的版本是Release 13。歐洲ETSI、美國(guó)ATIS、日本TTC和ARIB、韓國(guó)TTA以及我國(guó)CCSA是3GPP的6個(gè)組織伙伴。

 

3、3GPP2(3rd Generation Partnership Project 2)

第三代合作伙伴計(jì)劃2，與3GPP幾乎同時(shí)成立，由美國(guó)TIA、日本的ARIB、日本的TTC、韓國(guó)的TTA四個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化組織發(fā)起，中國(guó)無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)研究組(CWTS)于1999年6月在韓國(guó)正式簽字加入3GPP2。其主要致力于從2G的IS-95到3G的CDMA2000標(biāo)準(zhǔn)體系演進(jìn)，得到擁有多項(xiàng)CDMA關(guān)鍵技術(shù)專利的高通公司的較多支持。

3GPP和3GPP2兩者實(shí)際上存在一定競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，3GPP2致力于以IS-95(在北美和韓國(guó)應(yīng)用廣泛的CDMA標(biāo)準(zhǔn))向3G過(guò)渡，和高通公司關(guān)系更加緊密。與之對(duì)應(yīng)的3GPP致力于從GSM向WCDMA過(guò)渡，因此兩個(gè)機(jī)構(gòu)存在一定競(jìng)爭(zhēng)。

4、IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers)

電氣電子工程師學(xué)會(huì)，作為IT領(lǐng)域?qū)W術(shù)界的老大，在無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)方面主要制訂了大名鼎鼎的WiFi協(xié)議以及WiMAX協(xié)議，并力推WiMAX作為3G標(biāo)準(zhǔn)。

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各個(gè)組織的關(guān)系可以概括為：

在ITU協(xié)調(diào)下，滿足一定需求的移動(dòng)通信技術(shù)統(tǒng)稱為“IMT家族”(International Mobile Telecommunications Family)，ITU為這些技術(shù)分配相應(yīng)的頻譜資源。從技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)的角度看，后面三個(gè)組織負(fù)責(zé)標(biāo)準(zhǔn)制定，來(lái)滿足IMT的需求，不斷地對(duì)無(wú)線通信系統(tǒng)進(jìn)行完善。如下圖所示。

 

就中國(guó)來(lái)說(shuō)，圖中3GPP的演進(jìn)路線包括了移動(dòng)和聯(lián)通從2G、3G到4G的演進(jìn)過(guò)程，而3GPP2則代表了電信的演進(jìn)過(guò)程。

在3GPP標(biāo)準(zhǔn)的演進(jìn)過(guò)程中，2G時(shí)代的GSM/GPRS/EDGE主要基于時(shí)分多址(TDMA)和頻分多址(FDMA)接入技術(shù);3G時(shí)代主要是碼分多址接入(CDMA)技術(shù);***，LTE采用了正交頻分復(fù)用多址接入(OFDMA)技術(shù)。目前，OFDM在無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)的演進(jìn)中已經(jīng)起到主導(dǎo)作用。

二、LTE基本需求

LTE標(biāo)準(zhǔn)化流程始于2004年11月在多倫多召開(kāi)的一次研討會(huì)上，當(dāng)時(shí)參與移動(dòng)通信業(yè)務(wù)開(kāi)發(fā)的許多公司，都闡述了他們關(guān)于3GPP所推進(jìn)的技術(shù)規(guī)范未來(lái)演進(jìn)的設(shè)想，主要包括基本需求和滿足需求的適當(dāng)技術(shù)。

具體需求可概括為：

減少時(shí)延，包括連接建立和傳輸兩個(gè)方面;

提高用戶數(shù)據(jù)傳輸速率;

為保證業(yè)務(wù)的一致性，提高小區(qū)邊緣用戶的比特率;

降低每比特成本，提高頻譜效率;

提高頻譜使用的靈活性;

簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu);

無(wú)縫移動(dòng)性，包括不同的無(wú)線接入技術(shù)之間;

實(shí)現(xiàn)移動(dòng)終端的合理功耗。

為了滿足這些需求，LTE系統(tǒng)設(shè)計(jì)涵蓋了無(wú)線接口和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)兩個(gè)方面。

在LTE的***個(gè)版本也就是Release 8中，對(duì)這些需求進(jìn)行了定性的描述，比如下行峰值速率100 Mbit/s，上行峰值速率50 Mbit/s，下行峰值頻譜效率5 bit/s/Hz，上行峰值頻譜效率5 bit/s/Hz等。具體的性能見(jiàn)下表：

 

需要說(shuō)明的是，峰值速率也許并不是一個(gè)關(guān)鍵的因素，只是一個(gè)理論上的值，實(shí)際中僅僅是運(yùn)營(yíng)商宣傳的噱頭。

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理論上，峰值速率定義為：把整個(gè)帶寬都分配給一個(gè)用戶，并采用***階調(diào)制和編碼方案以及最多天線數(shù)目前提下每個(gè)用戶所能達(dá)到的***吞吐量。在Release 8中對(duì)天線數(shù)的基本假設(shè)是終端具有兩根接收天線和一根發(fā)射天線。所有這些條件對(duì)于一個(gè)用戶來(lái)說(shuō)幾乎不可能同時(shí)滿足，峰值速率也就沒(méi)有太大的實(shí)際意義了。

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三、LTE關(guān)鍵技術(shù)

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OFDM

OFDM之于LTE就像是CDMA之于三大3G標(biāo)準(zhǔn)，是LTE系統(tǒng)的基礎(chǔ)和核心。除了技術(shù)演進(jìn)的需求之外，LTE之所以會(huì)選擇OFDM的另一個(gè)原因在于3GPP想避開(kāi)高通公司高昂的CDMA專利費(fèi)用，且已經(jīng)有IEEE的WiMAX作為OFDM的***者。

 

OFDM系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的性能會(huì)產(chǎn)生決定性的影響，其中載波間隔又是OFDM系統(tǒng)的最基本參數(shù)，經(jīng)過(guò)理論分析與仿真比較最終確定為15kHz。循環(huán)前綴(CP)的長(zhǎng)度決定了OFDM系統(tǒng)的抗多徑能力和覆蓋能力。長(zhǎng)CP利于克服多徑干擾，支持大范圍覆蓋，但系統(tǒng)開(kāi)銷也會(huì)相應(yīng)增加，導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸能力下降。為了達(dá)到小區(qū)半徑100Km的覆蓋要求，LTE系統(tǒng)采用長(zhǎng)短兩套循環(huán)前綴方案，根據(jù)具體場(chǎng)景進(jìn)行選擇：短CP方案為基本選項(xiàng)，長(zhǎng)CP方案用于支持LTE大范圍小區(qū)覆蓋和多小區(qū)廣播業(yè)務(wù)。

MIMO

使用多天線技術(shù)，可以把空間域作為另一個(gè)新資源。在追求更高的頻譜效率的要求下，多天線技術(shù)已經(jīng)成為最基本的解決方案之一。

 

多天線技術(shù)可以帶來(lái)下圖所示的三種基本增益：

 

(a) 分集增益：利用多天線帶來(lái)的空間分集來(lái)改善多徑衰落情況下傳輸?shù)慕研浴?/p>

(b) 陣列增益：通過(guò)預(yù)編碼或者波束成形使能量集中在一個(gè)或者多個(gè)方向。

(c) 空間復(fù)用增益：在可用天線組合所建立的多重空間層上，將多個(gè)信號(hào)流傳輸給單個(gè)用戶。

LTE已確定MIMO天線個(gè)數(shù)的基本配置是下行2×2、上行1×2，但也在考慮4×4的高階天線配置。另外，LTE也采用小區(qū)干擾抑制技術(shù)來(lái)改善小區(qū)邊緣的數(shù)據(jù)速率和系統(tǒng)容量。下行方向MIMO方案相對(duì)較多，根據(jù)2006年3月雅典會(huì)議報(bào)告，LTE-MIMO下行方案可分為兩大類：發(fā)射分集和空間復(fù)用兩大類。目前，考慮采用的發(fā)射分集方案包括塊狀編碼傳送分集(STBC,SFBC)，時(shí)間(頻率)轉(zhuǎn)換發(fā)射分集(TSTD，F(xiàn)STD)，包括循環(huán)延遲分集(CDD)在內(nèi)的延遲分集(作為廣播信道的基本方案)，基于預(yù)編碼向量選擇的預(yù)編碼技術(shù)。其中預(yù)編碼技術(shù)已被確定為多用戶MIMO場(chǎng)景的傳送方案。

四、LTE演進(jìn)過(guò)程

LTE的***個(gè)版本(Release 8)在2007年12月完成，***個(gè)商用網(wǎng)絡(luò)于2009年在北歐部署。目前為止，3GPP共發(fā)布了6個(gè)版本，分別為Release 8到Release 13，

 

Release 8 - LTE 初出茅廬

LTE最初為3GPP R8，R8主要定義了以下內(nèi)容：

1)高峰值數(shù)據(jù)速率：下行100 Mbps，上行50 Mbps;

2)高頻譜效率;

3)靈活帶寬：1.4 MHz, 3 MHz, 5 MHz, 10 MHz, 15 MHz and 20 MHz;

4)IP數(shù)據(jù)包在理想無(wú)線條件下時(shí)延為5毫秒;

5)簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu);

6)OFDMA下行和SC-FDMA上行;

7)全I(xiàn)P網(wǎng)絡(luò);

8)MIMO多天線方案;

9)成對(duì)(FDD)和非成對(duì)頻譜(TDD)。

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Release 9 - 增強(qiáng)型LTE

R9是最初的LTE增強(qiáng)版，只是對(duì)R8做了一些補(bǔ)充，以及基于R8做了一些小小的改進(jìn)。主要內(nèi)容包括：

1)PWS(Public Warning System，公共預(yù)警系統(tǒng))： 在自然災(zāi)害或其它危急情況下，公眾應(yīng)該能及時(shí)收到準(zhǔn)確的警報(bào)。加上R8引入的EWTS(地震海嘯預(yù)警系統(tǒng))，R9引入了CMAS(商用手機(jī)預(yù)警系統(tǒng))，以便在災(zāi)后電視、廣播信號(hào)和電力等中斷的情況，該預(yù)警系統(tǒng)仍能夠以短信的方式及時(shí)向居民通報(bào)情況。

2)Femto Cell： Femto Cell基本上用于辦公室或家中，并通過(guò)固話寬帶連接連接到運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)。3G Femto Cell被部署于世界各地，為了讓LTE用戶也能用上Femto Cell，R9引入了Femto Cell。

3)MIMO波束賦型：在eNB估算位置，直接將波束指向UE，波束賦形可以提升小區(qū)邊緣吞吐率，在R8，LTE只支持單層波束賦形，R9將之?dāng)U展至多層波束賦形。

4)自組織網(wǎng)絡(luò)(SON)： 為了減少人力成本，SON的意思是，網(wǎng)絡(luò)自安裝、自優(yōu)化、自修復(fù)。SON的概念在R8就引入，不過(guò)，當(dāng)時(shí)主要是針對(duì)eNB自配置，到了R9，根據(jù)需求增加了自優(yōu)化部分。

5)EMBMS：有了多媒體廣播多播業(yè)務(wù)(MBMS)，運(yùn)營(yíng)商可以通過(guò)LTE網(wǎng)絡(luò)提供廣播服務(wù)。雖然這一想法并不新穎，廣播服務(wù)早已運(yùn)用于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，但LTE中的MBMS信道是從數(shù)據(jù)速率和容量的角度發(fā)展而來(lái)。R8完成了在物理層對(duì)MBMS的定義，R9完成了更高層的定義。

6)LTE定位： R9定義了三種LTE定位方法，即A-GPS(輔助GPS)、OTDOA(到達(dá)時(shí)間差定位法)和E-CID(增強(qiáng)型小區(qū)ID)。主要目的是為了在緊急情況下，且用戶無(wú)法確定自己位置的情況下，提升用戶位置信息的準(zhǔn)確性。

Release 10 - LTE Advanced

R10屬于LTE-A標(biāo)準(zhǔn)。由于ITU IMT-Advanced提出了R8無(wú)法實(shí)現(xiàn)的更高速率要求，為此，R10提出了很多重要的功能和提升。

ITU IMT-Advanced提出的主要需求包括：

1 Gbps DL / 500 Mbps UL 吞吐率

高頻譜效率

全球漫游

R10主要新增內(nèi)容包括：

1)增強(qiáng)型上行鏈路多址(Enhanced Uplink multiple access)： R10引入了分簇單載波頻分多址(clustered SC-FDMA)。R8的SC-FDMA只允許頻譜連續(xù)塊，而R10允許頻率選擇性調(diào)度。

2)MIMO增強(qiáng)： LTE_A允許下行高達(dá)8×8 MIMO，在UE側(cè)，它允許上行4X4MIMO。

3)中繼節(jié)點(diǎn)(Relay Nodes)： 在弱覆蓋環(huán)境下，Relay Nodes或低功率enb擴(kuò)展了主eNB的覆蓋范圍，Relay Nodes通過(guò)Un接口連接到Donor eNB (DeNB)。

4)增強(qiáng)型小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)(eICIC)：eICIC主要應(yīng)付異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)(HetNet)下的干擾問(wèn)題， eICIC使用功率、頻率或時(shí)域來(lái)減小HetNet下的頻率干擾。

5)載波聚合(CA)：對(duì)于運(yùn)營(yíng)商來(lái)說(shuō)，載波聚合是***成本的辦法去利用他們手上的碎片頻譜資源來(lái)提升終端用戶速率。通過(guò)合并5個(gè)20MHz載波，LTE-A支持***100MHz載波聚合。

6)支持異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)(HetNet)： 宏蜂窩小區(qū)和small cell結(jié)合而組成異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。

7)增強(qiáng)型SON： 針對(duì)網(wǎng)絡(luò)自修復(fù)流程，R10提出了增強(qiáng)型SON。

Release 11 - 增強(qiáng)型 LTE Advanced

R11主要內(nèi)容包括：

1)增強(qiáng)型載波聚合：

多時(shí)間提前量(TAS)用于上行鏈路載波聚合

非連續(xù)的帶內(nèi)載波聚合

為支持TDD LTE載波聚合，物理層的變化

2)協(xié)作多點(diǎn)傳輸(COMP)：是指地理位置上分離的多個(gè)傳輸點(diǎn)，協(xié)同參與為一個(gè)終端的數(shù)據(jù)(PDSCH)傳輸或者聯(lián)合接收一個(gè)終端發(fā)送的數(shù)據(jù)(PUSCH)。

3)ePDCCH： 為了提升控制信道容量，R11引入了ePDCCH。ePDCCH使用PDSCH資源傳送控制信息，而不像R8的PDCCH只能使用子幀的控制區(qū)。

4)基于網(wǎng)絡(luò)的定位： 這是一種上行定位技術(shù)，其原理是基于eNB測(cè)量的參考信號(hào)的時(shí)間差來(lái)實(shí)現(xiàn)。

5)最小化路測(cè)(MDT)： 路測(cè)費(fèi)用是昂貴的。為了減少對(duì)路測(cè)的依賴，R11推出了新的解決方案，它是獨(dú)立于SON，MDT基本上依賴于UE提供的信息。

6)機(jī)對(duì)機(jī)通信的Ran過(guò)載控制(Ran overload control for Machine type communication)：當(dāng)過(guò)多設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)時(shí)，網(wǎng)絡(luò)可以禁止一些設(shè)備向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送連接請(qǐng)求。

7)In Device Co Existence：移動(dòng)終端設(shè)備通常有多個(gè)射頻通路，比如LTE，3G，藍(lán)牙，WLAN等， 為了減輕多路并存帶來(lái)的干擾，R11提出了如下解決方案：

基于DRX時(shí)域解決方案

頻域解決方案

UE自主否認(rèn)

8)智能手機(jī)電池節(jié)能技術(shù)： UE可以通知網(wǎng)絡(luò)是否需要進(jìn)入省電模式或普通模式，根據(jù)UE的請(qǐng)求，網(wǎng)絡(luò)可以修改DRX參數(shù)。

Release 12 - 更強(qiáng)的增強(qiáng)型 LTE Advanced

1)增強(qiáng)型small cell： 主要內(nèi)容包括密集區(qū)域部署small cell，宏小區(qū)和small cell之間的載波聚合等。

2)增強(qiáng)型載波聚合： R12允許TDD和FDD之間載波聚合，還允許3載波聚合。

3)機(jī)器對(duì)機(jī)器通信(MTC)：未來(lái)幾年內(nèi)，機(jī)器對(duì)機(jī)器通信可能會(huì)爆發(fā)性增長(zhǎng)，很可能會(huì)引起網(wǎng)絡(luò)信令、容量不足的問(wèn)題。為了應(yīng)付這種情況，新的UE category被定義，作為對(duì)MTC的進(jìn)一步優(yōu)化。

4)WiFi和LTE融合： LTE和WiFi之間融合，運(yùn)營(yíng)商可以更好管理WiFi。在R12中，提出了LTE和WIFI之間的流量轉(zhuǎn)移和網(wǎng)絡(luò)選擇機(jī)制。

5)LTE未授權(quán)頻譜(LTE-U)： 豐富的未授權(quán)頻譜資源，可以增加運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)容量和性能。

Release 13 - 滿足不斷增長(zhǎng)的流量需求

1)增強(qiáng)型載波聚合： R13的目標(biāo)是支持32 CC 載波聚合，而在R10中，僅支持5 CC。

2)增強(qiáng)型機(jī)對(duì)機(jī)通信(MTC)： 更低的UE category，進(jìn)一步減少物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備使用帶寬、能耗，延長(zhǎng)設(shè)備電池使用時(shí)間。

3)增強(qiáng)型LTE-U： 為了面向高增長(zhǎng)的流量需求，R13的目標(biāo)是，主小區(qū)使用授權(quán)頻譜，從小區(qū)使用未授權(quán)頻譜。

4)室內(nèi)定位： R13將致力于提升現(xiàn)有的室內(nèi)定位技術(shù)，也探索新的定位方法，提高室內(nèi)定位的準(zhǔn)確性

5)增強(qiáng)的多用戶傳輸技術(shù)： R13將采用疊加編碼來(lái)提升下行多用戶傳輸技術(shù)。

6)增強(qiáng)型MIMO： R13將致力于多達(dá)64天線端口的更高階MIMO系統(tǒng)。