下一代无线网络LTE介绍

     北电网络（中国）有限公司  胡海宁  林奇兵

    LTE市场背景和技术背景介绍

    面对高速发展的移动通信市场的巨大诱惑和大量低成本、高带宽的无线技术的快速普及，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地查询到这类信息。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1Mbit/s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。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26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。

    LTE项目计划和主要性能目标

    3GPP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（StudyItem）阶段，完成可行性研究报告；2006年6月到2007年6月为WI（WorkItem）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。

    3GPPLTE项目的主要性能目标包括：在20MHz频谱带宽能够提供下行100Mbit/s、上行50Mbit/s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>100kbit/s的接入服务；支持成对或非成对频谱，并可灵活配置1.25MHz到20MHz多种带宽。

    为了实现3GLTE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厂家提出的OFDM和MIMO方案作为其无线网络演进（LTE）的惟一标准，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。

    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，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，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。

    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。北电的专利技术虚拟MIMO也被LTE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，LTEMIMO下行方案可分为两大类：发射分集和空间复用。5月的上海会议将对MIMO技术做进一步的讨论。最终会为下行数据信道确定惟一的分集传送方案。

    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100Mbit/s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。

    3GPPLTE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。在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。

    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8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3GPPLTE标准化的领先企业之一。2003年北电在业界率先倡导3GPPOFDMSI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5MHz带宽10Mbit/s的高速数据传输演示，2002年传输速率提升到18.4Mbit/s，2004年更是达到了37Mbit/s。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300Mbit/s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地演进到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GSMUMTS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。