第四代移动通信系统的优越性和应用

移动用户对高速率的数据业务的需求，促进移动通信系统往更高速率支持方向发展。同时，新型无线宽带接入系统，如Wi Max的出现，给3G 系统的设备商和运营商造成了很大的压力。因此，3GPP组织于2004年底启动了长期演进（LTE，Long Term Evolution）项目，以确保UMTS（Universal Mobile Telecommunication System）技术的“长期竞争力”。这项技术名为“演进”，实则是一场技术“革命”，该标准以正交频分复用（OFDM，Orthogonal Frequency Division Multiplexing）为基础，引入了若干新技术，使得3G 演进系统能够提供数倍于3G 系统的峰值速率。

2007年底，国际电信联盟（ITU）为第四代蜂窝移动（4G）通信系统分配了无线频段，并给第四代蜂窝移动通信系统取了一个名称IMT-Advanced。2009年10月20日，ITU 共收到6个技术提案作为4G 的候选技术。在这6个技术提案中最受关注的两个提案是3GPP组织提交的LTE-Advanced提案和IEEE组织提交的802.16m。由于有大量移动运营商和设备厂商的支持，又有广泛布设的GSM/WCDMA/HSPA 系统作为基础，LTE-Advanced成为IMTAdvanced技术提案的实际标准。

下面简单介绍一下LTE和LTE-Advanced的技术目标和关键技术。

1.第三代移动通信系统的长期演进（LTE）

LTE重点考虑的方面包括降低传输时延、提高用户数据速率、增大系统容量和覆盖范围以及降低运营成本等。其需求指标主要包括：灵活支持1.25～20 MHz可变带宽；峰值数据率达到上行50 Mbit/s、下行100 Mbit/s，频谱效率达到3GPP R6的2～4倍；提高小区边缘用户的数据传输速率；用户面延迟（单向）小于5 ms，控制面延迟小于100 ms；支持与现有3GPP和非3GPP系统的互操作；支持增强型的多媒体广播和组播业务（MBMS）；降低建网成本，实现从R6的低成本演进；实现合理的终端复杂度、成本和耗电；支持增强的IMS和核心网；追求后向兼容，但应该仔细考虑性能改进和后向兼容之间的平衡；取消CS（电路交换）域，CS域业务在PS（包交换）域实现，如采用VoIP；优化低速移动用户性能，同时支持高速移动；以尽可能相似的技术支持成对和非成对频段；尽可能支持简单的临频共存。

以下简单介绍LTE物理层方面的关键技术和其在网络架构方面的改进。

（1）关键技术

1）多址技术

LTE选择OFDMA 作为下行多址技术。OFDMA 是指以OFDM 技术为基础，以二维时频格为资源单元，通过给用户分配不同的载波组作为多址接入的方式。在上行多址技术的选择上长期存在两种观点。大部分厂商考虑上行应用多载波OFDMA 时带来的较高的峰均比（PAPR，Peak Average Power Rate）会影响手持终端的功放成本和电池寿命，主张采用具有较低PAPR 的SC（单载波）-FDMA 技术。另一些公司（主要是积极参与Wi Max标准化的公司）建议在上行也采用多载波的OFDMA 技术，并用一些增强技术解决PAPR 的问题。经过激烈的讨论和艰苦的融合，LTE最终选择了SC-FDMA 作为上行多址技术。

2）多天线技术

①下行MIMO

下行MIMO 的基本配置是2×2，支持4天线基站。

下行MIMO 采用的传输技术主要包括空分复用（SDM，Spatial Division Multiplexing）、预编码（Pre-coding）、波束赋形（Beamforming）及开环发射分集（主要用于控制信令的传输），其中发射分集方案包括空时/空频块码（STBC/SFBC，Space-Time/Space-Frequency Block Code）、循环位移分集（CDD，Cyclic Delay Diversity）、天线切换分集及其相互组合等。

SDM 可以分为多码字SDM 和单码字SDM（单码字可以看作多码字的特例）。在多码字SDM 中，多个码流可以独立进行信道编码和CRC校验，也可以独立进行链路自适应（PARC，Per-Antenna Rate Control）。对于SDM，LTE既支持开环方式的空间复用，也支持闭环方式的空间复用，即预编码技术，其通过对发射矢量乘以适当的预编码矩阵从而进一步提高用户吞吐量。预编码矩阵可以基于非码本方式，也可以基于码本方式。

根据TR 25.814的定义，如果复用的数据流都发给一个UE，则称为单用户（SU）-MIMO，如果是发给多个UE，则称为多用户（MU）-MIMO。

②上行MIMO

上行MIMO 的基本配置是1×2天线。即便是双天线UE，也只有一套射频发射系统，但可以采用天线选择技术。

上行MIMO 还采用一种特殊的MU-MIMO 技术，即虚拟的MIMO 技术。此项技术可以动态地将两个单天线发送的UE配对，进行虚拟的MIMO 发送，这样2个具有较好正交性信道的UE可以共享相同的时/频资源，从而提高上行系统的容量。但需要UE发送相互正交的参考符号，以支持MIMO 信道估计。

3）链路自适应

链路自适应的核心技术是自适应调制和编码（AMC，Adaptive Modulation and Coding）。LTE 对下行AMC 技术的争论主要集中在是否对一个用户的不同频率资源块采用不同的AMC（RB-specific AMC）。理论上说，由于频率选择性衰落的影响，这样做可以比在所有频率资源上采用相同的AMC配置（RB-common AMC）取得更佳的性能。但大部分公司在仿真中发现这种方法带来的增益并不明显，反而会带来额外的信令开销，因此最终决定采用RB-common AMC。也就是说，对每用户的单个数据流，在一个TTI内，每个来自层2的协议数据单元（PDU，Protocol Data Unit）只采用一种调制编码组合（MCS），但对于SDM 的不同流之间可以采用不同的MCS。上行链路自适应比下行包含更多的内容，除了AMC 外，还包括传输带宽的自适应调整和发射功率的自适应调整。

4）宏分集

下行宏分集，即多个基站对用户发送相同的信息但传输形式可以不同，用户接收合并来自不同路径的信号从而获得分集增益。由于存在难以解决的“同步问题”，对单播（Unicast）业务不采用宏分集。在提供多小区广播（Broadcast）业务时，可以通过采用较大的循环前缀（CP，Cyclic Prefix）来解决小区之间的同步问题，从而使宏分集方案得以采用。而上行宏分集是指UE发送的上行信号被多个eNode B接收到进行选择性合并或软合并，其基础是软切换，这是CDMA 系统的典型技术，但需要一个中心节点（如RNC）来进行控制和合并，与扁平化的网络结构目标相背，因而没有被采用。

5)MBMS

LTE的多媒体广播和组播业务（MBMS）系统可以采用两种方法实现：多小区发送和单小区发送。对于单小区发送，MBMS业务信道映射到下行共享信道（DL-SCH，DL Shared Data Channel）；对于多小区发送，多个同步的小区在同一个频率上共同发送MBMS信号，因此也成为单频网（SFN，Single Frequency Network），这时帧结构需要采用长CP，UE只需按照接收单播信号的方法接收即可。

6）功率控制

由于在小区内不存在CDMA 系统中的“用户间干扰”，3G LTE系统可以在每个子频带内分别进行“慢功控”。但在上行，如果对小区边缘用户进行完全的功控，可能导致出现增加小区间干扰的问题。因此目前正在考虑对边缘用户只“部分”地补偿路损和阴影衰落，从而避免产生较强的小区干扰，以获得更大的系统容量。当考虑对其他小区干扰时，小区边缘UE 的“目标信号干扰噪声比（SINR，Signal to Interference Noise Ratio）”需要定得比小区中心UE 的“目标SINR”小，当然同时要考虑UE之间的公平性问题。

7）同步

除了考虑基本的UE和eNode B之间的同步外，基于OFDM 的LTE 系统还需要考虑另外两种同步操作：一是上行同步（又称时间控制），即为了保证上行多用户之间的正交性，要求各用户的信号同时到达eNode B，误差在CP以内，因此需要根据用户距eNode B远近调整它们的发射时间；另一个是e Node B 之间的同步，这可以使MBMS业务获得更好的性能。但3GPP系统传统上不像3GPP2系统那样依靠外部时钟（如GPS）取得同步，因此除了考虑采用外部时钟提供系统同步外，还需要e Node B借助小区内各UE 的报告和相邻eNode B作同步校准，使全系统逐步和参考基站取得同步。

8）小区间干扰抑制

LTE要实现频率复用因子为1，不可避免地在小区边缘就会产生较强的干扰。以下主要讨论采用干扰随机化、干扰消除和干扰协调等手段来进行干扰抑制。

干扰随机化是将小区间的干扰随机化为白噪声，因此又称为干扰白化。主要考虑采用小区加扰来实现干扰随机化，该方法可以取得最基本的小区间干扰抑制效果。

干扰消除技术可以将干扰小区的信号解调、解码，然后复制、减去来自该小区的干扰。以基于IDMA（Interleaved Division Multiple Access）的干扰消除技术为例，可以通过伪随机交织器产生不同的交织图案，并分配给不同的小区。接收机采用不同的交织图案解交织，就可以将目标信号和干扰信号分别解出，然后进行干扰消除。但由于这一技术对LTE系统的其他方面提出了更高的要求，最终并没有被LTE所采用。

干扰协调是对下行资源管理设置一定的限制，以协调多个小区的操作。主要采用软频率复用的方法，即在小区中心的用户可采用全部的频率资源，而在小区边缘的用户可按一定的规则采用部分的频率资源，从而避免强干扰。虽然最初仿真显示干扰协调可以显著提高小区边缘性能，但随着研究的深入，在实际系统场景下的仿真表明性能增益并不大。因而最终只在上行采用基于高干扰指示和过载指示信息的干扰协调方式。

（2）网络架构

为了达到低系统时延要求的目的，LTE对3GPP R6的网络架构进行了较大的改进，仅由E-UTRAN 基站（eNode B）和接入网关（aGW，access GateWay）组成。相对于R6中给出的网络结构，最突出的两点变化是：①没有了RNC，空中接口的用户平面和控制平面的功能由eNode B进行管理和控制；少了一层节点，用户面的数据传送和无线资源的控制变得更加快速；②aGW 承担了接入网用户数据的分组数据汇聚子层的功能，也承担了部分核心网功能，从整体网络结构的角度看，接入网和核心网的界限开始变得模糊。

图10.32给出了LTE的网络架构，其中eNode B（eNB）之间底层采用IP传输，构成Mesh型网络。这样的网络结构设计，主要用于支持UE在整个网络内的移动性，保证用户的无缝切换。而每个eNode B均是通过Mesh或部分Mesh型的连接形式与接入网关（aGW）连接。一个e Node B可以和多个aGW 互联，反之亦然。

图10.32　LTE的网络架构

2.第四代移动通信系统（IMT-Advanced）

IMT-ADvanced的标准化于2007年11月开始，最终在2009年9月形成了向ITU 提交的标准技术提案。相比LTE系统，LTE-Advanced系统的目标如下。

①LTE-Advanced将基于LTE 平滑演进。LTE-Advanced网络应当能够支持LTE 终端，反之，LTE-Advanced终端也应当能够在LTE网络中使用基本功能。

②能够支持从宏蜂窝到室内环境（如家庭网络）的覆盖。

③优先考虑低速移动的用户。

④网络自适应和自优化功能应当进一步加强。

⑤在3GPP之前的各个版本支持的功能都应当在LTE-Advanced系统中有所体现，包括与其他类型接入网的切换、网络共享等。

⑥降低成本，包括网络建设、终端、功率使用效率以及骨干网的支撑等。

⑦降低终端的复杂度。

⑧频谱方面：应当同时支持连续和不连续的频谱，能够支持不超过100 MHz的带宽；支持ITU 分配的无线频段，能够与LTE共享相同的频段。

⑨系统性能方面：在规定时间内满足ITU 对IMT-Advanced技术的所有要求；下行峰值速率能够达到1 Gbit/s，上行应当超过500 Mbit/s；峰值频谱效率达到下行30 bit/s/Hz、上行15 bit/s/Hz，平均频谱效率达到下行3.2 bit/s/Hz、上行2 bit/s/Hz，边缘频谱效率达到下行0.1 bit/s/Hz、上行0.05 bit/s/Hz；最低天线配置要求为下行2×2、上行1×2；其他性能应不低于LTE的标准。

（1）关键技术

为了实现以上目标，LTE-Advanced采用了如下主要的关键技术。

1）载波聚合技术

在LTE-A 中，要求支持比LTE 更宽的传输带宽，而且为了与LTE 兼容，还必须可以支持LTE系统中的移动终端。为了达到上述要求，提出了两种方法：一种是定义新的、更宽的带宽，另一种就是载波聚合技术。

载波聚合是指LTE-A 中的传输带宽可以是由两个或两个以上的载波单元聚合而成的，这样LTE-A 就可以看作是LTE中多载波的一种扩展。在LTE-A 中，载波的聚合不仅应该包含聚合相邻的载波，还应该可以聚合不相邻的载波，而且在聚合的载波单元中，至少有一个是符合LTE中载波的要求的，这样可以保证与LTE终端的兼容性。对于其他的聚合单元，分三种情况：与LTE中的载波要求完全一致、与LTE 中的载波要求部分兼容和与LTE 中的载波要求完全不兼容。在前两种情况下，不需要引入新的信道，而对于后一种情况，是要引入新的信道的，如新的PDCCH 模式等。

2）增强的多天线传输技术

移动通信环境中的多径传播严重影响了通信的有效性和可靠性。而多天线技术在链路的两端使用多根天线，这相当于频带资源重复利用，使频谱利用率和链路可靠性得到极大的提高。在多天线技术的基础上，LTE-A 提出了增强的多天线技术。

在下行链路，引入8×8 天线配置，使峰值频谱利用率可以达到30 bit/s/Hz，这样在40 MHz带宽上即可提供超过1 Gbit/s的峰值速率。这需要引入额外的参考信号（小区专有的参考信号或用户专有的参考信号），除了用于信道估计外，还帮助进行信道质量的测量，这样才可以进行自适应多天线传输。

在上行方向上，将引入4×4的天线配置并允许进行空分复用，峰值频谱利用率可达到15 bit/s/Hz。在下行链路中使用的很多空分复用技术都将被引入上行链路，如基于码书的适应信道的预编码，以提高峰值速率和小区边缘传输速率。

3）协作多点传输技术

LTE-A 中提出的协作式多点传输技术（Co MP，Coordinated Multi-Point transmission and reception），可分为分布式天线系统（DAS，Distributed Antenna System）和协作式MIMO 两大类。

DAS一改传统蜂窝系统中集中式天线系统的风格，将天线分散安装，再用光纤或是电缆将它们连接到一个中央处理单元进行统一的收发信号处理。这不仅使得发送功率得以降低，提高了整个系统的功率使用效率，降低了小区间的干扰，而且可以优化资源的使用、提高资源管理的灵活性和频谱效率等。

协作MIMO 是对传统的基于单基站的MIMO 技术的补充，它通过基站间协作的MIMO传输来达到减小小区间干扰、提高系统容量、改善小区边缘的覆盖和用户数据速率的目的。若干小区的基站使用光纤或电缆连接，通过协作通信与用户形成虚拟MIMO 系统。各基站由中央处理单元进行统一的调度或联合的信号处理。该技术仅需有限的基站间信息交互，具有实现简单、系统需求较低等优势。

4）中继技术

所谓中继技术，以较简单的两跳中继为例，就是将一条基站-移动台链路分割为基站-中继站和中继站-移动台两条链路，从而有机会将一条质量较差的链路替换为两条质量较好的链路，以获得更高的链路容量和更好的覆盖。中继可以分为两种基本类型：放大转发中继方式和解码转发中继方式。

放大转发中继（A&F）中的中继节点实际上就是个直放站，它只是将接收到的信号简单地进行放大之后转发，对基站和终端来说它都是透明的，即不知道它的存在。所有的无线资源管理功能、重传功能和移动性管理功能仍然由基站处理。这种方式获得的增益小，但时延小，设备简单。

解码转发中继（D&F）中的中继节点对接收到的信号进行解码，之后重新编码进行转发。这种方式的时延较大（大于1 ms），但是优点是噪声和干扰信号不会被转发，增益较大，并且可以根据链路的情况引入链路自适应技术。

（2）LTE-A 的网络体系架构

如图10.33所示，LTE-A的网络体系架构主要包含两个部分：其一是无线接入网（RAN），其二是核心网（CN）。

图10.33　LTE-A 网络体系架构

核心网中包含移动管理实体（MME，Mobility Management Entity）、手机归属服务节点（HSS，Home Subscriber Service node）、服务网关（S-GW，Serving GateWay）和数据报网络网关（P-GW，Packet data network GateWay）。

MME是LTE-A 网络的用户控制平面节点，处理移动终端与接入网之间的操作，包括建立/释放终端的承载信道、终端从空闲到激活的转换以及密钥管理等。MME 处理的功能往往被称为是非接入层（NAS，Non-Access Stratum）的功能，以区别于在RAN 中处理的接入层（AS，Access Stratum）功能。

HSS是手机用户的归属服务节点，是记录手机用户信息的数据库系统。S-GW 是LTE-A 网络的用户平面节点，起到连接核心网与RAN 的作用。S-GW 可以看成是用户的移动性锚点，可支持用户在不同的eNodeB中移动，同时也可以支持连接其他3GPP的无线接入网，如GSM/GPRS/HSPA等。S-GW 除了提供移动性锚点外，也承担业务信息收集和统计处理的功能。

P-GW 是连接核心网与Internet的网关，负责处理移动终端与IP网的连接功能，包括IP地址的分配、根据用户等级的增强服务质量管理等。P-GW 也作为其他非3GPP无线接入网接入核心网的移动性锚点，如CDMA2000。

LTE-A 中的无线接入网包括不同的eNodeB节点，这些e NodeB节点之间X2接口互联，形成一种扁平的网络结构。一个eNodeB节点负责一个或多个覆盖小区的无线相关功能，注意e NodeB是一个逻辑功能节点而非物理实体，常见的实现方式是一个eNodeB基站管理三扇区的小区。一个eNodeB节点可以与多个MME/S-GW 相连，以支持多小区无线资源管理、干扰消除、负载均衡等功能。