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一、标准化组织

无线通信技术的演进离不开一些标准化组织。

1、ITU(International Telecommunication Union)

国际电信联盟,主要任务是制定标准,分配无线频谱资源,组织各个国家之间的国际长途互连方案,成立于1865年5月17日,是世界上最悠久的国际组织。

2、3GPP(3rd Generation Partnership Project)

第三代合作伙伴计划,成立于1998年12月,目标是在ITU的IMT-2000计划范围内制订和实现全球性的第三代移动电话系统规范。它致力于GSM到WCDMA的演化,虽然GSM到WCDMA空中接口差别很大,但是其核心网采用了GPRS的框架,因此仍然保持一定的延续性。3GPP基本每一年出台一个版本(Release),目前最新的版本是Release 13。欧洲ETSI、美国ATIS、日本TTC和ARIB、韩国TTA以及我国CCSA是3GPP的6个组织伙伴。

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

第三代合作伙伴计划2,与3GPP几乎同时成立,由美国TIA、日本的ARIB、日本的TTC、韩国的TTA四个标准化组织发起,中国无线通信标准研究组(CWTS)于1999年6月在韩国正式签字加入3GPP2。其主要致力于从2G的IS-95到3G的CDMA2000标准体系演进,得到拥有多项CDMA关键技术专利的高通公司的较多支持。

3GPP和3GPP2两者实际上存在一定竞争关系,3GPP2致力于以IS-95(在北美和韩国应用广泛的CDMA标准)向3G过渡,和高通公司关系更加紧密。与之对应的3GPP致力于从GSM向WCDMA过渡,因此两个机构存在一定竞争。

4、IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers)

电气电子工程师学会,作为IT领域学术界的老大,在无线通信标准方面主要制订了大名鼎鼎的WiFi协议以及WiMAX协议,并力推WiMAX作为3G标准。

各个组织的关系可以概括为

在ITU协调下,满足一定需求的移动通信技术统称为“IMT家族”(International Mobile Telecommunications Family),ITU为这些技术分配相应的频谱资源。从技术和标准的角度看,后面三个组织负责标准制定,来满足IMT的需求,不断地对无线通信系统进行完善。如下图所示。

就中国来说,图中3GPP的演进路线包括了移动和联通从2G、3G到4G的演进过程,而3GPP2则代表了电信的演进过程。

在3GPP标准的演进过程中,2G时代的GSM/GPRS/EDGE主要基于时分多址(TDMA)和频分多址(FDMA)接入技术;3G时代主要是码分多址接入(CDMA)技术;最后,LTE采用了正交频分复用多址接入(OFDMA)技术。目前,OFDM在无线通信标准的演进中已经起到主导作用。

二、LTE基本需求

LTE标准化流程始于2004年11月在多伦多召开的一次研讨会上,当时参与移动通信业务开发的许多公司,都阐述了他们关于3GPP所推进的技术规范未来演进的设想,主要包括基本需求和满足需求的适当技术。

具体需求可概括为:

  • 减少时延,包括连接建立和传输两个方面;
  • 提高用户数据传输速率;
  • 为保证业务的一致性,提高小区边缘用户的比特率;
  • 降低每比特成本,提高频谱效率;
  • 提高频谱使用的灵活性;
  • 简化网络结构;
  • 无缝移动性,包括不同的无线接入技术之间;
  • 实现移动终端的合理功耗。

为了满足这些需求,LTE系统设计涵盖了无线接口和无线网络架构两个方面。

在LTE的第一个版本也就是Release 8中,对这些需求进行了定性的描述,比如下行峰值速率100 Mbit/s,上行峰值速率50 Mbit/s,下行峰值频谱效率5 bit/s/Hz,上行峰值频谱效率5 bit/s/Hz等。具体的性能见下表:

需要说明的是,峰值速率也许并不是一个关键的因素,只是一个理论上的值,实际中仅仅是运营商宣传的噱头。

理论上,峰值速率定义为:把整个带宽都分配给一个用户,并采用最高阶调制和编码方案以及最多天线数目前提下每个用户所能达到的最大吞吐量。在Release 8中对天线数的基本假设是终端具有两根接收天线和一根发射天线。所有这些条件对于一个用户来说几乎不可能同时满足,峰值速率也就没有太大的实际意义了。

三、LTE关键技术

OFDM

OFDM之于LTE就像是CDMA之于三大3G标准,是LTE系统的基础和核心。除了技术演进的需求之外,LTE之所以会选择OFDM的另一个原因在于3GPP想避开高通公司高昂的CDMA专利费用,且已经有IEEE的WiMAX作为OFDM的领航者。

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。循环前缀(CP)的长度决定了OFDM系统的抗多径能力和覆盖能力。长CP利于克服多径干扰,支持大范围覆盖,但系统开销也会相应增加,导致数据传输能力下降。为了达到小区半径100Km的覆盖要求,LTE系统采用长短两套循环前缀方案,根据具体场景进行选择:短CP方案为基本选项,长CP方案用于支持LTE大范围小区覆盖和多小区广播业务。

MIMO

使用多天线技术,可以把空间域作为另一个新资源。在追求更高的频谱效率的要求下,多天线技术已经成为最基本的解决方案之一。

多天线技术可以带来下图所示的三种基本增益:

  • (a) 分集增益:利用多天线带来的空间分集来改善多径衰落情况下传输的健壮性。
  • (b) 阵列增益:通过预编码或者波束成形使能量集中在一个或者多个方向。
  • (c) 空间复用增益:在可用天线组合所建立的多重空间层上,将多个信号流传输给单个用户。

LTE已确定MIMO天线个数的基本配置是下行2×2、上行1×2,但也在考虑4×4的高阶天线配置。另外,LTE也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,LTE-MIMO下行方案可分为两大类:发射分集和空间复用两大类。目前,考虑采用的发射分集方案包括块状编码传送分集(STBC,SFBC),时间(频率)转换发射分集(TSTD,FSTD),包括循环延迟分集(CDD)在内的延迟分集(作为广播信道的基本方案),基于预编码向量选择的预编码技术。其中预编码技术已被确定为多用户MIMO场景的传送方案。

四、LTE演进过程

LTE的第一个版本(Release 8)在2007年12月完成,第一个商用网络于2009年在北欧部署。目前为止,3GPP共发布了6个版本,分别为Release 8到Release 13,

Release 8 - LTE 初出茅庐

LTE最初为3GPP R8,R8主要定义了以下内容:

1)高峰值数据速率:下行100 Mbps,上行50 Mbps;
2)高频谱效率;
3)灵活带宽:1.4 MHz, 3 MHz, 5 MHz, 10 MHz, 15 MHz and 20 MHz;
4)IP数据包在理想无线条件下时延为5毫秒;
5)简化网络架构;
6)OFDMA下行和SC-FDMA上行;
7)全IP网络;
8)MIMO多天线方案;
9)成对(FDD)和非成对频谱(TDD)。

Release 9 - 增强型LTE

R9是最初的LTE增强版,只是对R8做了一些补充,以及基于R8做了一些小小的改进。主要内容包括:

1)PWS(Public Warning System,公共预警系统): 在自然灾害或其它危急情况下,公众应该能及时收到准确的警报。加上R8引入的EWTS(地震海啸预警系统),R9引入了CMAS(商用手机预警系统),以便在灾后电视、广播信号和电力等中断的情况,该预警系统仍能够以短信的方式及时向居民通报情况。

2)Femto Cell: Femto Cell基本上用于办公室或家中,并通过固话宽带连接连接到运营商网络。3G Femto Cell被部署于世界各地,为了让LTE用户也能用上Femto Cell,R9引入了Femto Cell。

3)MIMO波束赋型:在eNB估算位置,直接将波束指向UE,波束赋形可以提升小区边缘吞吐率,在R8,LTE只支持单层波束赋形,R9将之扩展至多层波束赋形。

4)自组织网络(SON): 为了减少人力成本,SON的意思是,网络自安装、自优化、自修复。SON的概念在R8就引入,不过,当时主要是针对eNB自配置,到了R9,根据需求增加了自优化部分。

5)EMBMS:有了多媒体广播多播业务(MBMS),运营商可以通过LTE网络提供广播服务。虽然这一想法并不新颖,广播服务早已运用于传统网络,但LTE中的MBMS信道是从数据速率和容量的角度发展而来。R8完成了在物理层对MBMS的定义,R9完成了更高层的定义。

6)LTE定位: R9定义了三种LTE定位方法,即A-GPS(辅助GPS)、OTDOA(到达时间差定位法)和E-CID(增强型小区ID)。主要目的是为了在紧急情况下,且用户无法确定自己位置的情况下,提升用户位置信息的准确性。

Release 10 - LTE Advanced

R10属于LTE-A标准。由于ITU IMT-Advanced提出了R8无法实现的更高速率要求,为此,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
  • 高频谱效率
  • 全球漫游

R10主要新增内容包括:

1)增强型上行链路多址(Enhanced Uplink multiple access): R10引入了分簇单载波频分多址(clustered SC-FDMA)。R8的SC-FDMA只允许频谱连续块,而R10允许频率选择性调度。

2)MIMO增强: LTE_A允许下行高达8×8 MIMO,在UE侧,它允许上行4X4MIMO。

3)中继节点(Relay Nodes): 在弱覆盖环境下,Relay Nodes或低功率enb扩展了主eNB的覆盖范围,Relay Nodes通过Un接口连接到Donor eNB (DeNB)。

4)增强型小区间干扰协调(eICIC):eICIC主要应付异构网络(HetNet)下的干扰问题, eICIC使用功率、频率或时域来减小HetNet下的频率干扰。

5)载波聚合(CA):对于运营商来说,载波聚合是最低成本的办法去利用他们手上的碎片频谱资源来提升终端用户速率。通过合并5个20MHz载波,LTE-A支持最高100MHz载波聚合。

6)支持异构网络(HetNet): 宏蜂窝小区和small cell结合而组成异构网络。

7)增强型SON: 针对网络自修复流程,R10提出了增强型SON。

Release 11 - 增强型 LTE Advanced

R11主要内容包括:

1)增强型载波聚合:

  • 多时间提前量(TAS)用于上行链路载波聚合
  • 非连续的带内载波聚合
  • 为支持TDD LTE载波聚合,物理层的变化

2)协作多点传输(COMP):是指地理位置上分离的多个传输点,协同参与为一个终端的数据(PDSCH)传输或者联合接收一个终端发送的数据(PUSCH)。

3)ePDCCH: 为了提升控制信道容量,R11引入了ePDCCH。ePDCCH使用PDSCH资源传送控制信息,而不像R8的PDCCH只能使用子帧的控制区。

4)基于网络的定位: 这是一种上行定位技术,其原理是基于eNB测量的参考信号的时间差来实现。

5)最小化路测(MDT): 路测费用是昂贵的。为了减少对路测的依赖,R11推出了新的解决方案,它是独立于SON,MDT基本上依赖于UE提供的信息。

6)机对机通信的Ran过载控制(Ran overload control for Machine type communication):当过多设备接入网络时,网络可以禁止一些设备向网络发送连接请求。

7)In Device Co Existence:移动终端设备通常有多个射频通路,比如LTE,3G,蓝牙,WLAN等, 为了减轻多路并存带来的干扰,R11提出了如下解决方案:

  • 基于DRX时域解决方案
  • 频域解决方案
  • UE自主否认

8)智能手机电池节能技术: UE可以通知网络是否需要进入省电模式或普通模式,根据UE的请求,网络可以修改DRX参数。

Release 12 - 更强的增强型 LTE Advanced

1)增强型small cell: 主要内容包括密集区域部署small cell,宏小区和small cell之间的载波聚合等。

2)增强型载波聚合: R12允许TDD和FDD之间载波聚合,还允许3载波聚合。

3)机器对机器通信(MTC):未来几年内,机器对机器通信可能会爆发性增长,很可能会引起网络信令、容量不足的问题。为了应付这种情况,新的UE category被定义,作为对MTC的进一步优化。

4)WiFi和LTE融合: LTE和WiFi之间融合,运营商可以更好管理WiFi。在R12中,提出了LTE和WIFI之间的流量转移和网络选择机制。

5)LTE未授权频谱(LTE-U): 丰富的未授权频谱资源,可以增加运营商网络容量和性能。

Release 13 - 满足不断增长的流量需求

1)增强型载波聚合: R13的目标是支持32 CC 载波聚合,而在R10中,仅支持5 CC。

2)增强型机对机通信(MTC): 更低的UE category,进一步减少物联网设备使用带宽、能耗,延长设备电池使用时间。

3)增强型LTE-U: 为了面向高增长的流量需求,R13的目标是,主小区使用授权频谱,从小区使用未授权频谱。

4)室内定位: R13将致力于提升现有的室内定位技术,也探索新的定位方法,提高室内定位的准确性

5)增强的多用户传输技术: R13将采用叠加编码来提升下行多用户传输技术。

6)增强型MIMO: R13将致力于多达64天线端口的更高阶MIMO系统。

(完)