LTE标准化及其演进路线

邮电设计技术/2012/01 ——————————————————— 收稿日期：2011-11-25 赵 然（华为技术有限公司，北京 100140） Zhao Ran（Huawei Technologies. Co.，Ltd.，Beijing 100140，China） LTE化及其演进路线 关键词： LTE；演进过程；主要性能指标；LTE- A 中图分类号：TN929.5 文献标识码：A 文章编号：1007- 3043（2012）01- 0005- 05 摘 要： 介绍了 LTE技术的演进过程和 LTE标准的主要性能指标。通过 LTE技术与 HSPA+ 技术的分析比较，阐述了 LTE技术的性能和优点。并在此基础上，展望了 LTE- A的 4G演进方向。 Abstract： It describes the evolution process of LTE and main performance index of LTE standard. On the bas is of comparing LTE and HSPA+, it expounds the performance and advantages of LTE. Finally it prospects the 4G evolution direction of LTE- A. Keywords： LTE; Evolution process ; KPI; LTE- A 0 前言 随着移动数据业务的大量应用以及新业务种类 的出现，对移动通信网络性能和质量方面的要求越来 越高。 中国移动通信运营商从 2001年左右启动 GPRS 数据网络的部署工作，经过了短短 10 年左右的时间， 移动通信就迅速从 2G 商用进入 4G 试验网建设阶段。 对移动通信用户来讲，这意味着网络性能的提高和质 量的改善，而对运营商来讲，则意味着面临网络演进 方向的选择以及网络运营和融合方面的挑战。 数据业务的演进一直朝着业务速率增加、时延降 低以及 QoS 提升的方向迈进。 为了实现这些目标，一 系列新的技术和手段都逐步被引入到通信系统中，如 高阶调制、多天线技术、新的无线接入方式等，也正是 这些新的技术点带来了通信标准的迅速发展，LTE 就 是面向长期演进的体系和网络， 它实际上并不是一个 标准，但是它导致了 3G 标准的全面演进。 目前 3G 网 络已经普遍引入了 HSDPA 和 HSUPA， 下一步将面临 HSPA+与 LTE 演进方向选择的问，分析 LTE 的演进 路线和标准化的过程以及它与 HSPA+的异同，无疑有 助于更深入地了解目前和未来网络的演进方向。 1 LTE 标准演进过程 GSM 网络是最早出现的数字移动通信技术，它基 于 FDD 和 TDMA 技术来实现，由于 TDMA 的局限性， GSM 网络发展受到容量和服务质量方面的严峻挑战， 从业务支持种类来看， 虽然采用 GPRS/EDGE 引入了 数据业务， 但是由于采用的是 GSM 原有的空中接口， 因此其带宽受到限制， 无法满足数据业务多样性和实 时性的需求。在技术标准发展方面，针对 GPRS提出了 赵 然 LTE标准化及其演进路线 Standardization of LTE and Its Evolution Route 本期关注 Monthly Focus 5 2012/01/DTPT 项 目 下行理论峰值速率 上行理论峰值速率 GPRS（CS1~2，MS 最大 8 时隙） 107.2 kbit/s 107.2 kbit/s GPRS（CS1~4，MS 最大 8 时隙） 171.2 kbit/s 171.2 kbit/s EDGE（MCS1~9，MS 最大 8 时隙） 473.6 kbit/s 473.6 kbit/s E-EDGE（MS 最大 8 时隙） 1 305.6 kbit/s 652.8 kbit/s UMTS WCDMA R99 2.048 Mbit/s 768 kbit/s HSDPA 14.4 Mbit/s 5.76 Mbit/s HSPA+（2×2 MIMO，16QAM） 28 Mbit/s 11.5 Mbit/s LTE（20MHz） 100 Mbit/s（2×2 天线） 50 Mbit/s（2×1 天线） CDMA2000 1X RTT 307 kbit/s 307 kbit/s CDMA2000 EV-DO Rev0 2.4 Mbit/s 307 kbit/s CDMA2000 EV-DO RevA 3.1 Mbit/s 1.8 Mbit/s CDMA2000 EV-DO RevB（15 个无线信道） 73.5 Mbit/s 27 Mbit/s CDMA2000 EV-DO RevC 100 Mbit/s 50 Mbit/s 802.16e WiMAX（10MHz TDD DL/UL=3，1×2 SIMO） 23 Mbit/s 4 Mbit/s 802.16e WiMAX（10MHz TDD DL/UL=3，2×2 MIMO） 46 Mbit/s 4 Mbit/s Evolved EDGEGSM UMTS 1X-RTT EV-DORO EV-DO Rev A R99 GPRS/ EDGE UMB HSDPA/ HSUPA LTE CDMA WiMAX 16mWiMAX EDGE 以及 EDGE+的演进方向，但是基于 CDMA 接入 方式的 3G 标准的出现使得 EDGE 不再进入人们的视 线。 CDMA 采用码分复用方式， 虽然 2G 时代的 CD- MA 标准成熟较晚，但是它具有抗干扰能力强、频谱效 率高等技术优势， 所以 3G 标准中的 WCDMA、TD- SCDMA 和 CDMA2000 都普遍采用了 CDMA 技术。 演进到 3G 网络时，GSM 系统可以采用 WCMDA 或者 TD -SCDMA 的路线 ， 而 CDMA 则使用 CD- MA2000 的途径。 WCDMA 和 TD-SCDMA 早期标准为 R99，后来在 R4 版本中引入 IMS，R5 版本中引入 HS- DPA，R6 版本中引入 HSUPA，R7 版本中引入 HSPA+， R8 版本则面向 LTE，CDMA 系列的演进经由 CD- MA2000 到 CDMA1x 再到 UWB 的方向发展，演进路径 如图 1所示。 各版本中都通过使用新技术来提升网络性能和服 务质量，采用吞吐量进行对比，结果如 1所示。 LTE 是面向未来的移动通信技术标准，早在 2004 年底，3GPP 就启动了 LTE 技术的 标准化工作， 并在 2009 年 3 月发 布 了 R8 版 本 的 FDD -LTE 和 TDD-LTE 标准， 这标志着 LTE 标 准草案研究完成，LTE 进入实质研 发阶段。 R9 版本中进一步提出了 LTE-advanced （LTE-A） 的概念， LTE-A 于 2010 年 6 月通过 ITU 的 评估， 于 2010 年 10 月正式成为 IMT-A 的主要技术之一， 它是在 R8版本基础上的演进和增强。 R10 版本对其加以完善，是 LTE-A 的关 键版本。 LTE 采 用 正 交 频 分 复 用 （OFDM）、多进多出天线（MIMO）等 物理层关键技术以及网络结构的 调整获得性能提升。 LTE-A 则引入了一些新的候选技 术，如载波聚合技术、增强型多天线技术、无线网络编 码技术和无线网络 MIMO 增强技术等，使性能指标获 得更大改善。 2 LTE 基本性能要求 在 LTE 系统设计之初， 其目标和需求就非常明 确。 作为后 3G 时代革命性的技术，LTE 把降低时延、 提高用户传输数据速率、 提高系统容量和覆盖范围作 为主要目标。 具体性能要求如下： a） 支持 1.4、3、5、10、15 和 20 MHz 带宽， 灵活使 用已有或新增频段； 并以尽可能相似的技术支持 “成 对”频段和非“成对”频段，便于系统灵活部署。 b） 20 MHz 带宽条件下， 峰值速率达到上行 50 Mbit/s（2×1天线），下行 100 Mbit/s（2×2天线）。 c） 在有负荷的网络中， 下行频谱效率达到 3GPP R6 HSDPA 的 2~4 倍， 上行频谱效率达到 R6 HSUPA 的 2~3倍。 d） 在单用户、单业务流以及小 IP 包条件下，用户 面单向延迟小于 5 ms。 e） 从空闲状态到激活状态的转换时间小于 100 ms，从休眠状态到激活状态的转换时间小于 50 ms。 f）支持低速移动和高速移动。低速（0~15 km/h）下 性能较好 ，高速 （15~120 km/h）下性能最优 ，较高速 （350~500 km/h）下的用户能够保持连接性。 除了性能指标要求之外，在操作性、互联互通性以 图 1 移动通信协议演进的路径 表 1 GPRS/CDMA/HSPA/LTE 峰值速率对比 赵 然 LTE标准化及其演进路线 本期关注 Monthly Focus 6 邮电设计技术/2012/01 300 Downlink Uplink 50 100 150 200 250 350 0 最 大 传 输 速 率 （ M bi t/s ） HS PA + （2× 2 M IM O） HS PA R6 LT E 2 ×2 0 M Hz （4× 4 M IM O 和 64 QA M） LT E 2 ×2 0 M Hz （2× 2 M IM O） LT E 2 ×1 0 M Hz （2× 2 M IM O） 图 2 系统最大吞吐量 及业务支持等方面，LTE技术都提出了具体要求，比如 支持与现有 3GPP和非 3GPP系统的互操作；支持增强 型的广播和多播业务；降低建网成本；支持增强的 IMS 和核心网；取消域，所有业务都在分组域实现，如 采用 VoIP，支持简单的邻频共存；为不同类型服务提 供 QoS机制，保证实时业务的服务质量；允许给 UE 分 配非连续的频谱；优化网络结构，增强移动性等。因此， 与其他无线技术相比，LTE具有更高的传输性能，且同 时适合高速和低速移动应用场景。 3 LTE 与 HSPA+的性能比较 HSPA+作为 HSPA 技术的直接演进， 在 R7 版本 中引入 ， 与 LTE 共同经历了 R8、R9 版本的发展 。 HSPA+的出发点在于对投资成本及平滑演进的考虑， 因此具有一定的局限性， 这种演进只能算是一种技术 “改良”。 与之相比，LTE作为着眼于 4G的主流演进技 术，可以称得上是一种技术“革命”。 LTE 与 HSPA+的 性能差异体现在吞吐量、时延、频谱效率等方面。 3.1 吞吐量 吞吐量是指单位时间内成功地传送数据的数量， 是衡量无线通信系统性能的重要指标。 影响吞吐量的 因素包括带宽、调制方式、信号质量、信道衰落、噪声干 扰、调度机制等。 考虑到向后兼容和升级成本，HSPA+的载波带宽 沿用了 WCDMA 以来的 5 MHz。 采用 2×2 MIMO 配置 和 16QAM 调制方式时，HSPA+峰值速率为 28 Mbit/s， 采用 2×2 MIMO 配置和 64QAM调制方式时，峰值速率 为 42 Mbit/s。 而 LTE 系统可以支持 20 MHz 的带宽， LTE-A 可以支持 100 MHz 的带宽。 更大的带宽使 LTE 系统拥有比 HSPA+更大的传输容量。 LTE 系统下行支持 SU-MIMO、MU-MIMO 和基于 参考信号的波束赋型等多种多天线阵列技术， 支持 8 种不同的 MIMO 和波束成型模式，并且可以同时支持 多个数据流的传送。 LTE中每个用户下行可支持 2 个 流，而 LTE-A 中下行可支持 8 个流，还可以采用 4×4、 8×8 等类型的收发方式， 而目前所定义的 HSPA 系统 只支持发射分集和 2×2 MIMO。MIMO 技术应用的丰富 性和多样性使 LTE的吞吐量更优。 LTE 使用自然均衡器， 如果 RMS 时延扩展小于 CP长度，就不会产生系统间干扰。而 HSPA+使用 Rake 接收机，不能完全消除系统间干扰，因此多径环境下性 能会下降。LTE系统中，下行采用 MLD+SIC接收机，上 行采用 SIC接收机， 这些先进的接收机技术能够进一 步降低干扰。 另外，HSPA+不采用频率选择性调度，只在时域使 用机会性调度。 而 LTE 得益于频率选择性调度机制， 在时域和频域都可以进行机会性调度， 其容量增益约 为 10%~15%。对于 PS域的典型语音应用 ———VoIP来 说，HSPA+中不再使用 HS-SCCH， 下行的容量得到改 善，但上行仍然是限制因素。 而 LTE 则采用半持续性 调度和 TTI 绑定技术来降低控制信道开销， 极大地改 善了 VoIP容量。 LTE 和 HSPA+的理论最大传输速率如图 2 所示。 从图 2 中可以直观地看出， 当采用最大带宽配置时， LTE 的传输性能远远超过 HSPA+，其吞吐量约为后者 的 8倍。 3.2 时延 时延是数据在网络中传送所需要的环回时间。 无 线通信技术发展至今， 每次技术演进都在努力降低时 延。 相比于 EDGE 的 150 ms，HSDPA 的时延小于 70 ms。 而后 HSUPA、HSPA +和 LTE 的时延则更低 。 HSPA+为了更好的兼容性， 基本是沿袭了 HSPA 的网 络架构，而在 LTE系统中，则有了全新的变化。 首先是 无线接入系统只有一种网络结点， 那就是 eNodeB。 eNodeB替代了 3G 网络中的 NodeB 和 RNC，主管无线 接入功能。 eNodeB和 eNodeB之间引入了 X2接口，一 部分业务流量可直接在基站之间处理， 而不用再发往 核心网络，大大提高了数据处理效率。LTE接入网的架 构演进如图 3所示。 在单元化接入网网元的同时，LTE 的核心网节点 也进行了简化，通过网络扁平化进一步提升网络性能。 赵 然 LTE标准化及其演进路线 本期关注 Monthly Focus 7 2012/01/DTPT 载波频率/ GHz 基站间距/m 系统带宽/ MHz 穿透损耗/ dB 移动速度/ （km/h） 2.0 1 732 10 20 3 表 2 频谱效率仿真配置条件 时延/ms GSM/EDGE HSPA+（R8） LTE HSPA（R6） 20080 100 120 140 160 1806040200 min max 图 4 系统时延对比 RNC 的大部分功能 下放到 eNode B eNode B eNode B X2 eNode B E-UTRAN UTRAN RNC2 RNC1Iub Iu-ps Iu-cs Iur SGSN MSC S1 Evolved Packet Core Network Circuit Switch Core Network Packet Switch Core Network 采用 LTE 网络架构的最大好处就是通过减少节点减 少时延，满足 LTE 实时业务的低时延要求，另外减少 网络实体，也符合节省成本的需求。 图 4显示了各系统的时延对比。 设备商的性能各 不相同， 所以每种系统的时延都用最大值和最小值的 区间来表示。 可以看出，LTE 的时延均小于 20 ms，满 足系统设计要求，相对于 HSPA+也有一定的优势。 3.3 频谱效率 频谱效率是指单位频带所支持的数据速率或者用 户数。 在频段、频谱数量、小区位置等因素不变的情况 下， 频谱效率意味着一定负荷条件下所支持的用户数 较多，或者说在用户数目相同的条件下，单个用户的吞 吐量较高。 LTE和 HSPA+的频谱效率差异是其各自采 用的载波调制技术差异决定的。 传统的多载波通信系统中，为了避免相互干扰，整 个系统频带被划分为若干个分离的子载波。 各载波之 间有一定的保护间隔，频带没有重叠，接收端通过滤波 器把各个子载波分离之后接收所需信息。 设置保护频 带虽然可以避免各子载波间的互相干扰， 但却需要以 牺牲频率效率为代价。 而 OFDM技术完全解决了子载 波干扰的问题。 OFDM的基带信号可以表示为 x（t）= N 2 -1 i=- N2 Σd exp j2π iTΣ Σt （1）i+ N2 式中： i———子载波 d———系统输入 T———信号周期 单路 k子载波的解调结果为 τ+T τ乙 exp j2π kT乙 乙t N 2 -1 i=- N2 Σd exp j2π iT乙 乙t dt=d Tk+ N2 （2）i+ N2 对于除 k外的其他子载波来说， 由于在积分间隔 内，频率偏差是 1/T 的整数倍，所以积分结果为 0。 因 此相邻子载波虽然在频域上重叠，但不会产生干扰。 从图 5 中可以看出， 由于 OFDM 技术的频率特 性，各子载波间的频率响应是正交的。子载波间隔大大 减小，从而使频率利用效率大大提高。LTE系统采用的 各子载波间隔为 15 kHz， 可以充分满足奈奎斯特准 则。 实际应用场景中， 无线网络的频谱效率受到很多 因素的影响，如网络拓扑、传播条件、用户分布、业务特 点等。在衡量和比较各个系统的频谱效率时，必须考虑 到系统的仿真条件。3GPP对系统的仿真条件做了简单 约定，常用的网络参数如表 2所示。 在上述仿真条件下，LTE 的频谱效率与 HSPA+的 对比结果如图 6所示。从图 6中可以看出，LTE的频谱 利用率要明显高于 HSPA+。 图 3 LTE 接入网络示意图 图 5 OFDM频谱特性 5 个子载波的 OFDM 信号频谱 子载波 间隔 占用带宽 OFDM 子带频谱 赵 然 LTE标准化及其演进路线 本期关注 Monthly Focus 8 邮电设计技术/2012/01 作者简介： 赵然，毕业于北京邮电大学，硕士，主要从事华为中国区无线 产品管理方面的工作。 图 7 LTE-A 主要技术手段 图 6 频谱效率对比 3.0 LTE （2×2 MIMO） 1.0 1.5 2.0 2.5 0.5 0 HSPA （4×4 MIMO） HSPA（R6） HSPA+（R8） Downlink Uplink 4 LTE- A关键技术和性能要求 LTE-A 作为 LTE 的演进，是真正意义上的 4G 标 准。 LTE-A中，为了满足更高的性能指标，引入了一系 列关键技术，包括上/下行 MIMO 扩展、载波聚合（CA） 技术、 接力通信 （relay） 和协作的多点传输与接收 （CoMP）技术。 图 7 列举了 LTE-A 中各种技术手段和 主要目的。 LTE-A 系统在关键技术方面有了很大的增强，其 支持的系统带宽最小为 20 MHz， 最大带宽达到 100 MHz。 其各项性能指标得到了很大改善，具体表现为： a） 使用 4×4 MIMO 且传输带宽大于 70 MHz 时， 下行峰值速率为 1G bit/s，上行峰值速率为 500 Mbit/s。 b） 下行 8×8 天线配置时峰值频谱效率为 30 bit/s/ Hz，上行 4×4天线配置时峰值频谱效率为 15 bit/s/Hz。 c） 下行 4×4 MIMO 配置下小区平均频谱效率为 3.7 bit/s/Hz，上行 2×4 MIMO 配置下小区平均频谱效率 为 2.0 bit/s/Hz。 d） 下行 4×4 MIMO 配置下小区边缘频谱效率为 0.12 bit/s/Hz， 上行 2×4 MIMO 配置下小区边缘频谱效 率为 0.07 bit/s/Hz。 e）在系统容量方面，LTE- A 要求每 5M 带宽内支 持 200～300个并行的 VoIP用户。 f） LTE-A 对时延的控制更加严格，具体为：控制 层从空闲状态转换到连接状态的时延低于 50 ms，从 休眠状态转换到连接状态的时延低于 10 ms； 用户层 在 FDD 模式的时延小于 5 ms， 在 TDD 模式的时延小 于 10 ms。 5 结束语 LTE 通过引入 OFDM、MIMO 和网络扁平化等多 种关键技术和， 带来了系统和业务性能的大量提 升和改善，并且在传输速率、系统时延和频谱利用率等 方面体现出很大优势， 因此应该是未来无线技术的发 展方向。 对于目前运营 3G系统的运营商来说，首先过 渡到 HSPA+是快速高效提升网络性能的途径， 但是 HSPA+在性能方面与 LTE 相比，还有一定的差距。 就 目前各运营商的选择情况看来， 在均衡网络发展方向 和当前运营状况的问题上，LTE 与 HSPA+势必会有一 定的较量。 随着 LTE-A 标准化的完成， 移动通信的 “Long Term Evolution”之路无疑非 LTE莫属。 参考文献： ［1］ Erik Dahlman，Stefan Parkvall，Johan Skold. 4G LTE/LTE -Advanced for Mobile Broadband［M］. 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