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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。
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演进方向选择的问题，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CDMA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CDMA2000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HSDPA，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CDMA2000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，结果如表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20MHz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)20MHz带宽条件下，峰值速率达到上行50Mbit/s(2×1天线)，下行100Mbit/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5ms。
e)从空闲状态到激活状态的转换时间小于100ms，从休眠状态到激活状态的转换时间小于50ms。
f)支持低速移动和高速移动。低速(0~15km/h)下性能较好，高速(15~120km/h)下性能最优，较高速(350~500km/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；取消电路域，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5MHz。采用2×2 MIMO配置和16QAM调制方式时，HSPA+峰值速率为28Mbit/s，采用2×2 MIMO配置和64QAM调制方式时，峰值速率为42Mbit/s。而LTE系统可以支持20MHz的带宽，LTE-A可以支持100MHz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150ms，HSDPA的时延小于70ms。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。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20ms，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
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
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15kHz，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+。
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20MHz，最大带宽达到100MHz。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70MHz时，下行峰值速率为1G bit/s，上行峰值速率为500Mbit/s。
b)下行8×8天线配置时峰值频谱效率为30bit/s/Hz，上行4×4天线配置时峰值频谱效率为15bit/s/Hz。
c)下行4×4 MIMO配置下小区平均频谱效率为3.7bit/s/Hz，上行2×4 MIMO配置下小区平均频谱效率为2.0bit/s/Hz。
d)下行4×4 MIMO配置下小区边缘频谱效率为0.12bit/s/Hz，上行2×4 MIMO配置下小区边缘频谱效率为0.07bit/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50ms，从休眠状态转换到连接状态的时延低于10ms；用户层在FDD模式的时延小于5ms，在TDD模式的时延小于10ms。
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方法，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]. Academic Press，2011.
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[4] Erik Dahlman，Stefan Parkvall，Johan Skold，et al. 3G Evolution HSPA and LTE for Mobile Broadband[M].Academic Press，2008.
[5] 3GPP TS 36.213 V10.3.0 Physical layer procedures[S/OL].[2011-11-12].http://www.quintillion.co.jp/3GPP/Specs/36213-920.pdf.
[6] 3GPP TS 36.212 V10.3.0 Multiplexing and Channel Coding[S/OL].[2011-11-12].http://wenku.baidu.com/view/3e33238271fe910ef12df 859.html.
[7] 3GPP TS 36.211 V10.3.0 physical channel and modulation[S/OL].[2011-11-12].http://www.quintillion.co.jp/3GPP/Specs/36211-860.pdf.
作者：赵然 来源：邮电设计技术
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