LTE-ADVANCED中关键技术及其发展的探讨

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本帖转自《信息通信》2012年03期。

【作者】 万友辉；

【机构】 重庆市通信产业服务有限公司渝北分公司；

【摘要】 中首先回顾了商用移动通信系统的发展历程,简单介绍了LTE和LTE-Advanced技术标准,然后重点研究了LTE-Advanced技术标准中几项关键技术,最后总结了LTE-Advanced技术标准的发展趋势。

【关键词】 LTE-Advanced； 关键技术； 发展；

移动通信技术在20世纪80年代开始进入民众的视野，经过短短几十年的发展，移动通信技术已使人们对其越来越依赖，而移动通信技术也成为所有通信技术中覆盖面最大、被人们最看好的一个。当今世界移动通信技术的发展已经步入了4G时代，而LTE-Advanced技术标准作为热门的4G标准之一，引起了世界范围内移动通信技术领域研宄人员的关注。

1 LTE-ADVANCED的发展背景

1.1 长期演进(LTE)介绍

移动通信技术的发展深刻地改变着人类传统的生活方式。从第一个商用移动通信系统的部署开始，移动通信系统的发展已经历了三个重要的阶段。第一代（1st Generation，1G）移动通信系统在未被人们熟知之前就已退出了舞台，第一代模拟移动通信系统主要以美国推出的高级移动电话系统(Advanced Mobile Phone System，AMPS)代表，利用频分多址（Frequency Division Multiple Access,FDMA)技术得以实现全国范围内的语音通信业务。第二代(2nd Generation，2G）数字移动通信系统的出现将整个移动通信技术的商用化进程推向了高潮，第二代数字移动通信系统以源于欧洲的全球移动通信系统(Global System for Mobile Communication，GSM)和美国的CDMA One(即IS-95)系统为代表，可以说是在整个世界范围内取得了前所未有的成功，直到现在GSM系统仍然为整个商用移动通信中的主要服务方式。随着移动通信用户对于数据接入速率和质量要求的不断提高，第二代数字移动通信系统和基于其的演进技术通用无线分组业务(General Packet Radio Service，GPRS)和增强型数据速率GSM演进(Enhanced Datarate GSM Evolution，EDGE)也无法满足日益增长的需求，第三代移动通信系统(3rd Generation，3G）应运而生，被国际电信联盟(International Tele communication Union,ITU)认可的3G标准四大3G标准包括由中国主导的时分同步码分多址（Time Division Synchronous CDMA，TD-SCDMA)、由欧洲和日本共同主导的宽带码分多址(Wideband CDMA，WCDMA)以及美国主导的码分多址2000(CDMA2000)、全球微波互联接入(World interoperability for Microwave Access，WiMAX)。3G系统主要以CDMA技术为基础，重点是支持多媒体业务，同时能提高相对较高的数据速率，一般在室内的数据速率能够达到2Mbps，在步行情况下为384Kbps，在车速情况下为144Kbps。从2000年开始，3G系统已经在全世界范围内得到了广泛的应用。但是，对于可以提供更佳语音通话质量、更高传输数据速率以及优质的多媒体服务的要求，也超出了3G系统的指标要求，这就需要发展全新的空中接口技术和网络架构，正是基于这样的背景，ITU提出了移动通信系统的进一步演进计划。2005年，ITU将其正式命名为IMT-Advanced。在ITU的标准化框架下，来自全球的通信标准化组织开始研宄制定各自的演进方案，这其中最为关注的是由第三代合作伙伴计划(3rd Generation Partnership Project，3GPP)提出的长期演进(LTE)和第三代合作伙伴计划2(3rd Generation Partnership Project，3GPP2)提出的超移动宽带（Ultra Mobile Broadband，UMB)这三种技术被统称为演进型3G（E3G）技术。其中LTE是关注度最高也是被寄予厚望的演进方案，LTE项目在2004年正式开始，标准化进程速度惊人，在2008年便已经结项，同时发布了R8(Release8)版本。LTE是移动通信技术经历的又一次较大的创新和变革，通用移动通信系统(Universal Mobile Telecommunications System，UMTS)中的一些基础的技术中的大多数被替换或改进，，LTE主要基于正交频分多址（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)技术和多输入多输出(Multiple Input Multiple Output，MIMO)技术，而LTE的性能指标主要如下：（1)提供增强型的IP多媒体子系统(IP Multimedia Subsystem，IMS)以及核心网服务，同时支持增强型的多媒体广播和多播业务(Multimedia Broadcast and Multicast Service，MBMS);(2)力求降低移动网络建设成本、系统的维护成本和功耗，同时提供简易的系统和终端配置；（3)提高频谱的利用效率；（4)就对称频谱、非对称频谱操作和可扩展带宽技术提供支持；(5)提高与现有3GPP和非3GPP移动通信系统的兼容性，支持从R6版本提供的无线接口和架构的低成本演进，折中考虑系统的兼容性与性能改进，应能够在不同的移动通信运营商间实现简单的邻频共存以及邻区共存；（6)降低系统的时延，强调实时业务；（7)整个系统对低速移动的用户能够提供优质的服务，也支持高速移动用户的服务；（8)整个系统给的下行速率达到100Mbit/s，上行速率达到50Mbit/s。

1.2 LTE-Advanced介绍

LTE-Advanced是对于LTE的进一步演进，正式名称为FurtherAdvancementsforE-UTRA，3GPP在2008年开始对LTE-Advanced的研宄工作，LTE-Advanced是3GPP提出的欧洲IMT-Advanced提案的一项重要组成部分，其作为候选技术之一参加ITUIMT-Advanced的国际标准化工作，并成为ITUIMT-Advanced的国际标准之一。LTE-Advanced移动通信系统的功能技术指标要求主要如下：1)可以实现频谱资源的配置，实际系统中频谱能够扩展到100MHz，同时支持将多个频段进行整合，此外还可以支持连续的、不连续的频谱，能够实现与LTE系统共享同一频段，实现加强型的网络自适应、自优化功能;(2)提升系统的整体性能，较优的系统延时，下行峰值速率可以达到1Gbit/s，上行峰值速率可以达到500Mbit/s;⑶LTE-Ad-vanced与LTE相比，对若干个方面的功能技术进行了增强，同时注重与LTE的前后向兼容性，支持原LTE的全部功能，最终LTE终端能够接入LTE-Advanced移动通信系统，而LTE-Ad-vanced终端也可以接入LTE移动通信系统；（4)可以在不同环境下工作，提供从宏蜂窝到市内环境等场景的无缝覆盖。

2 LTE-ADVANCED中的关键技术

2.1中继(Relay)技术

作为LTE-Advanced移动通信系统中的候选技术之一的中继技术，为改善系统覆盖问题提供了很好的一个解决方案。在LTE-Advanced系统中，对于系统容量要求较高，为了解决高容量要求需要很高的带宽频谱，但这只能使系统工作在较高频段处，而工作在如此高的频段，路径损耗和穿透损耗可能相对比较大，从而增大了实现较好覆盖的难度。

中继技术具体的实现方案是在固有基站站点的基础上，增加一些站点作为中继站(Relay Station)，从而达到增加站点、天线分布密度的目的，它们和固有的基站实现无线连接。中继技术和传统中使用的直放站接力不同，直放站获取原有基站发射的射频信号后，直接在射频端进行转发，只是扮演放大器的角色。但是这种放大器只在一些特定的情况下发挥作用，同时放大器只能用于改善系统的覆盖，并不能提高系统的容量。在固有基站和终端之间插入直放站，并不能直放站其和用户端之间的距离，也就无法优化信号的传输格式和资源分配，提高整个系统的传输效率，优化系统的传输设置。此外，虽然使用直放站可以增大系统覆盖，但是直放站的引入也会带来很多问题，比如干扰问题。干扰如果能够得到很好的控制，直放站便能达到增加系统覆盖的目的，但若不能很好地控制干扰，反而会恶化整个系统所提供的服务。

在传送数据的过程中，下行（上行过程完全相反）数据首先送到固有基站处，然后传给中继站，最终由中继站传送到用户端。使用中继技术通过缩短天线和用户的距离来改善终端的链路质量，这样便可以在很大程度上提升整个系统的频谱利用效率和数据速率。同时，在原有小区的覆盖范围内放置中继站，在理论上还能达到提高系统容量的目的。

2.2载波聚合(CA)技术

在LTE标准中提出系统支持上限为20MHz的带宽频谱资源实现通信，但在LTE-Advanced中提出系统要提供对于更宽带宽业务的支持（带宽可达100MHz)LTE-Advanced中的空中接口技术的框架是由灵活频谱的使用、宽带宽以及非连续频谱分布共同决定。但是在LTE标准中所支持的频谱资源中无法提供一部分超宽带的频谱支持LTE-Advanced应用。在这种情况下，第三代合作伙伴计划提出了频谱聚合技术的概念，这样可以实现多个不同频段的整合使用，从而将LTE系统中连续、非连续频谱资源中把带宽扩展到LTE-Advanced所提出的100MHz。对于实现聚合后载波而言，LTE系统能够接入其中的一个载波单元，同时LTE-Advanced系统能够一起接入多个载波单元，从而达到了兼容LTE系统和LTE-Advanced系统频谱的目的，还能在降低比特开销的基础上实现大于1Gbit/s的峰值数据速率要求，很好地体现了LTE向LTE-Advanced进行演进过程。

载波聚合技术一般分为连续载波聚合以及离散载波聚合两种形式。如图l所示，连续载波聚合具体指的是频域上连续的多个载波频段聚合在一起，5个带宽20MHz的载波分量聚合为100MHz的带宽。因为载波信号在频域中的频谱是连续的，所以连续载波聚合在通信系统中较易实现，同时信令的开销和UE需检测的频点也较少。与离散载波聚合方式相比，连续载波聚合能够简化基站和终端的配置，且可应用于如3.4GHz-3.8GHz频段的频率分配。此外，连续载波聚合可以比较简单地实现系统的后向兼容，从而标准修改会比较小，这种聚合方式是未来宽带移动通信系统研究的重点。

为了更好地利用离散分布的频谱碎片，载波聚合技术可以非连续频谱的形式实现，如图2所示，2个带宽为20MHz的离散的载波分量聚合为40MHz的带宽。从移动通信运营商的角度出发考虑，离散载波聚合方式更适合在实际的通信网络中使用，因为在实际情况中，想要得到足够大的连续频带很困难，如果将大量的连续频谱资源分配给个别用户，整个无线通信网络的公平性以及有效性会被打乱，同时离散载波聚合方式使得系统的频谱聚合更加灵活。但需要注意的一个问题是，离散频谱的分布位置以及大小的变化给聚合工作的进行引入一定的不确定性。离散载波聚合方式需要对路径损耗模型、多普勒频移和功率控制算法需要重新检验，同时资源分配算法也要根据频谱衰落特性进行调整。采用离散载波聚合方式很难用一个射频接收机和一次FFT运算就实现对于不同频带的支持，所以UE需要有多个射频接收机和进行多次FFT运算。离散载波聚合的可行性取决于频谱的位置和大小，通常的方法是RANI中对连续和离散聚合采用不可知结构，而在RAN4中定义可能的非连续操作。

载波聚合技术的实现在无需对LTE中的物理层进行较大改动的基础上增加对现有通信系统再利用性，从而很大程度上可以缩短LTE-Advanced系统的商用化过程的推进时间。

2.3高阶多输入多输出(MIMO)技术

为了达到对于峰值频谱效率的要求’LTE-Advanced系统引入了高阶多输入多输出(MultipleInputandMultipleOutput，MIMO)技术。LTE-Advanced系统中的MIMO技术核心是用发射天线来实现分集技术以及空间复用技术，该技术也是LTE-Advanced系统中的重点研宄内容。MIMO技术利用多根发射天线和多根接收天线实现无线通信，把收发端天线上的信号最后合并。通常情况下多天线带来的多径传播效应会恶化无线通信的质量，但MIMO技术正是利用多径传播来改善无线通信的传输。MIMO中的分集技术利用空间信道的弱相关性，同时考虑时间/频率选择性，从而为信号的传输提供更多的副本提高通信的可靠性，改善接收机断信号的信噪比。而空间复用技术也是利用空间信道的弱相关性，在多个相互独立的信道上传输不同的数据流，达到提高数据传输峰值速率的目的。

MIMO技术的引入会大幅提升频谱效率，降低每比特成本。进而优化服务质量，改善系统覆盖，优化小区边缘用户的吞吐率，降低基站建设和维护成本。

3 LTE-ADVANCED的发展趋势

第三代合作伙伴计划提出LTE-Advanced为了实现基于LTE向IMT-Advanced的顺利演进，研宄制定了LTE-Advanced主要的演进目标如下：①下行峰值速率可达lGb/S，上行峰值速率不小于500Mb/s，同时峰值频谱效率要达到下行30bps/Hz、上行15bps/Hz，基于MIMO技术的最低天线配置为下行2x2、上行1x2;②LTE-Advanced系统应当有后向兼容性，也就是指其网络可以支持LTE标准的终端，而LTE-Advanced标准的终端同样可以在LTE网络中实现基本功能的正常进行；③网络自适应、自动优化功能应得到加强，通信系统首先应该考虑低速移动的网络用户，同时也要注意避免通信终端的复杂化，降低成本;④能够同时满足连续和不连续的频谱的需求，支持带宽上限为100MHz，对ITU所分配的无线频段提供支持，也可以和LTE共享相同的频段。

LTER10(Release10)，也就是LTE-Advanced最终被ITU确定成为第四代移动通信(4th Generation,4G)技术的标准之一，而LTER11(Release11)的有关研宄工作也已经在2011年3月开始，初步预计于今年年底完成，LTER11中的新增了对于LTE-Advanced通信系统中MIMO技术、异构网络干扰消除、上行传输以及载波聚合技术的相关研宄工作的进一步深入和优化，除此之外，同时提出了多小区协作技术、LTE-TDD在上下行链路中的干扰管理以及流量自适应等技术。

4 结语

IMT-Advanced标准中的技术要求从性能、系统容量等方面来看比当今的移动通信系统有着显著的提高，而LTE-Ad-vanced标准的发展目标是达到甚至超过由ITU所制定的IMT-Advanced标准的需求，可以预见的是LTE-Advanced会成为未来一段时间世界范围内移动通信领域的热点研究方向之一，同时也会推动第四代移动通信技术的深入发展。

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作者简介：万友辉（1975-)，男，四川邛崃人，通信工程师，研究方向为无线电通信。