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LTE 的关键技术及其演进标准The key technology and its evolution of LTE standard学生姓名王鹏学号20140045专业通信与信息系统指导教师陶智勇武汉邮电科学研究院研究生部摘要随着通信市场的发展以及通信技术的进步，LTE 作为移动宽带的网络标准逐渐成为 3GPP R8 的正是标准。随着中国市场的发展，LTE 必然会在国内得到广泛的应用。本文主要对LTE 相关的知识进行简单地介绍，让读者更好地了解这种新型的移动宽带无线接入技术。同时对一些相关的问题进行一些分析和研究，寻求LTE 更大的发展空间，使其成为应用更加广泛的通信。本论文首先讲述了LTE 的技术特征和部分关键技术。然后介绍了LTE 技术的演进过程。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。关键词： LTE ；关键技术；演进； LTE-A ；武汉邮电科学研究院研究生部AbstractWith the development of the communications market and the progress of communication technology, LTE which as gradually become standard for mobile broadband network is the standard of 3 GPP R8. With the development of the Chinese market, LTE is bound to be widely used in China. This article mainly introduces simple knowledge related to LTE, let the reader a better understanding of this new type of mobile broadband wireless access technology. At the same time some analysis and research on some related problems, seek LTE larger development space, make its application more widely.This paper firstly introduces the characteristics of LTE technology and some key technology.Then it introduces the process of the LTE evolution. Through the analysis of LTE and HSPA+ technology comparison, this paper expounds the performance and advantages of the technology of LTE. And, looking forward to the 4G LTE - A evolution direction on this basisKey words: LTE; key technology; evolution; LTE-A;武汉邮电科学研究院研究生部目录第 1章 绪论.11.1LTE 的发展背景和方向 .11.2 本论文的研究内容 .1第 2章 LTE 性能要求及关键技术 .22.1 LTE 技术特征 .22.2 LTE 中部分关键技术 .32.2.1LTE 物理层方案和技术 .32.2.2基本物理层传输方案 .42.2.3基本物理层技术 .62.2.4E-UTRAN 架构 .7第 3章 LTE 技术标准的演进 .93.1 LTE 标准演进过程 .93.2 LTE-A 关键技术和性能要求 .11第 4章 结语.13武汉邮电科学研究院研究生部第1章绪论1.1LTE的发展背景和方向移动通信是一种有空中接口并允许用户在一定的范围内移动使用的无线通信方式，具有特有的技术手段和使用优势。投入使用的移动通讯技术在发展中已经经历了从 1G 到 3G 的多次换代，不仅能够满足人们基本的通话需要，而且还能够在很大程度上提高数据的传输能力；同时，新型的超3G 技术正在研发中，相信很快就会投入市场， 引发新一轮的通讯提速狂潮。人们早已对个人通讯充满期待，心中都有着同样的美好前景， 3G 业务的推广和超3G 的提出就是人们的殷切期盼。但由于超 3G 的研发需要一段时间，所以人们又提出了一种增强型的3G 标准。该技术能够实现更快速的传输速度，引入了 OFDM 、MIMO 等技术进行调整和补充，进一步提高了 3G 业务的技术水平，基本满足了市场的需要。这种既与超3G 想接轨又对 3G 补充的新技术还会有更广泛的应用。1.2 本论文的研究内容本文介绍了3G 演进技术，首先分析了LTE 技术的重要特征，高频谱效率和宽带化是其标志性特点；接着对LTE 中部分关键技术进行了详细的研究，突出了LTE 的技术创新处；最后给出了目前两种不同制式的LTE 演进路线图，并重点讨论了 TD-LTE 的发展现状。1武汉邮电科学研究院研究生部第 2 章 LTE 性能要求及关键技术2.1 LTE 技术特征LTE 的研究，包含了一些普遍认为很重要的部分，如等待时间的减少、更高的用户数据速率、系统容量和覆盖的改善以及运营成本的降低。为了达到这些目标，无线接口和无线网络架构的演进同样重要。 考虑到需要提供比 3G 更高的数据速率，和未来可能分配的频谱， LTE 需要支持高于 5MHz 的传输带宽。 UTRA 和 UTRAN 演进的目标，是建立一个能获得高传输速率、低等待时间、基于包优化的可演进的无线接入架构。 3GPP LTE 正在制定的无线接口和无线接入网架构演进技术主要包括如下内容：（1）明显增加峰值数据速率。 如在 20MHz 带宽上达到 100Mbit/s 的下行传输速率（ 5bit/s/Hz）、50Mbit/s 的上行传输速率（ 2.5bit/s/Hz）。（ 2）在保持目前基站位置不变的情况下增加小区边界比特速率。如 MBMS（多媒体广播和组播业务）在小区边界可提供1bit/s/Hz 的数据速率。（3）明显提高频谱效率。如24 倍的 R6 频谱效率。（4）无线接入网（ UE 到 E-Node B 用户面）延迟时间低于10ms。（5）明显降低控制面等待时间，低于100ms。（6）带宽等级为： a）5、10、 20MHz 和可能取的 15MHz ；b）1.25、 1.6 和 2.5MHz ，以适应窄带频谱的分配。（7）支持与已有的3G 系统和非 3GPP规范系统的协同运作。（8）支持进一步增强的MBMS 。上述演进目标涉及到系统的能力和系统的性能，是LTE 研究中最重要的部分，也是 E-UTRA 和 E-UTRAN 保持最强竞争力的根本。2武汉邮电科学研究院研究生部2.2 LTE 中部分关键技术在 LTE 中，还规范了一些其他要求， 如与配置相关的要求、 E-UTRAN 架构和移植要求、无线资源管理要求、复杂性要求、成本相关要求和业务相关要求。与其他无线接入方式相比，高频谱效率、广域覆盖和支持用户高速移动是E-UTRAN系统的主要特点。在 E-UTRAN 中，当移动速率为 15120km/h 时，能获得最高的数据传输性能。 E-UTRAN 支持在蜂窝之间 120350km/h 甚至高达 500km/h 的移动速率。在整个速率范围内， R6 中 CS 域的语音和其他实时业务在 E-UTRAN 中通过 PS 域来支持，并要求至少获得与 UTRAN 相同的性能。物理层方案和技术在 LTE 层 1 方案征集过程中， 有 6 个选项在 3GPP RAN1 工作组中被评估。 它们是：（ 1） FDD，上行采用单载波 FDMA （SC-FDMA ），下行采用 OFDMA 。（ 2） FDD，上行下行都采用 OFDMA 。（ 3） FDD，上行下行都采用多载波 WCDMA （ MC-WCDMA ）。（ 4） TDD ，上行下行都采用多载波时分同步CDMA （ MC-TD-SCDMA ）。（ 5） TDD ，上行下行都采用 OFDMA 。（ 6） TDD ，上行采用单载波 FDMA （SC-FDMA ），下行采用 OFDMA 。在上述方案中，按照双工方式可分为频分双工（FDD ）和时分双工（ TDD ）两类；按照无线链路多址方式主要可分为码分多址（CDMA ）和正交频分多址（OFDMA ）两类。针对 5MHz 频谱做系统级的初步评估，采用CDMA 的系统与采用OFDM 的系统，在提升频谱效率方面表现相似。如果采用CDMA 演进途径，则有利于系统从前期 UTRA 版本平滑升级，可以广泛地重用物理层。如果采用OFDMA ，一个完全脱离以往设计约束的全新层1 结构，则有利于系统在设计参量上做出灵活和自由的选择，更容易实现E-UTRA 定义的一些目标，如等待时间、最小带宽间隔3武汉邮电科学研究院研究生部以及在不同双工模式下的公平性等；同时，对于用户接收机来说，针对OFDMA空中接口的处理相对简单， 在更大带宽和高阶多输入多输出（ MIMO ）配置情况下可以降低终端的复杂性。综合上述因素，当然也经过激烈的讨论和艰苦的融合，在2005 年 12 月召开的 TSG RAN 第 30 次全会上，最终决定 LTE 可行性研究将集中在下行OFDMA 和上行 SC-FDMA 上。这也意味着OFDM 技术在 3GPP LTE 中获得了胜利。这一结果一方面出于纯技术的考虑，即在下行链路采用频谱效率很高的OFDMA 作为调制方式，在上行链路采用SC-FDMA ，可以降低发射终端的峰均功率比，减小终端的体积和成本；另一方面也是为了摆脱自3G 以来高通公司独掌CDMA 核心专利的制约。基本物理层传输方案LTE 下行传输方案采用传统的带循环前缀（CP）的 OFDM ，每一个子载波占用 15kHz，循环前缀的持续时间为4.7/16.7s，分别对应短CP 和长 CP。为了满足数据传输延迟的要求（在轻负载情况下，用户面延迟小于5ms），LTE 系统必须采用很短的交织长度 （ TTI ）和自动重传请求（ ARQ ）周期，因此，在 3G 中的 10ms 无线帧被分成 20 个同等大小的子帧，长度为 0.5ms。下行数据的调制主要采用 QPSK、 16QAM 和 64QAM 这 3 种方式。针对广播业务，一种独特的分层调制（ hierarchical modulation）方式也考虑被采用。分层调制的思想是，在应用层将一个逻辑业务分成两个数据流，一个是高优先级的基本层，另一个是低优先级的增强层。在物理层，这两个数据流分别映射到信号星座图的不同层。由于基本层数据映射后的符号距离比增强层的符号距离大，因此，基本层的数据流可以被包括远离基站和靠近基站的用户接收，而增强层的数据流只能被靠近基站的用户接收。也就是说，同一个逻辑业务可以在网络中根据信道条件的优劣提供不同等级的服务。在目前的研究阶段， 主要还是沿用 R6 的 Turbo 编码作为 LTE 信道编码，例如在系统性能评估中。但是，很多公司也在研究其他编码方式，并期望被引入LTE4武汉邮电科学研究院研究生部中，如低密度奇偶校验（ LDPC）码。在大数据量情况下， LDPC 码可获得比 Turbo码高的编码增益，在解码复杂度上也略有减小。MIMO 技术在 R7 中已经被引入，是 WCDMA 增强的一个重要特性。 而在 LTE中，MIMO 被认为是达到用户平均吞吐量和频谱效率要求的最佳技术。下行 MIMO天线的基本配置是，在基站设两个发射天线，在UE 设两个接收天线，即22 的天线配置。更高的下行配置， 如 44 的 MIMO 也可以考虑。 开环发射分集和开环MIMO 在无反馈的传输中可以被应用，如下行控制信道和增强的广播多播业务。虽然宏分集技术在3G 时代扮演了相当重要的角色， 但在 HSDPA/HSUPA 中已基本被摒弃。即便是在最初讨论过的快速小区选择（FCS）的宏分集，在实际规范中也没有定义。 LTE 沿用了 HSDPA/HSUPA 思想，即只通过链路自适应和快速重传来获得增益，而放弃了宏分集这种需要网络架构支持的技术。在2006 年 3 月的RAN 总会上，确认了 E-UTRAN 中不再包含 RNC 节点，因而，除广播业务外，需要“中心节点”（如 RNC）进行控制的宏分集技术在 LTE 中不再考虑。但是对于多小区的广播业务， 需要通过无线链路的软合并获得高信噪比。 在 OFDM 系统中，软合并可以通过信号到达 UE 天线的时刻都处于 CP 窗之内的 RF 合并来实现，这种合并不需要 UE 有任何操作。上行传输方案采用带循环前缀的SC-FDMA ，使用 DFT 获得频域信号，然后插入零符号进行扩频，扩频信号再通过IFFT。这个过程简写为DFT-SOFDM 。这样做的目的是，上行用户间能在频域相互正交，以及在接收机一侧得到有效的频域均衡。子载波映射决定了哪一部分频谱资源被用来传输上行数据，而其他部分则被插入若干个零值。频谱资源的分配有两种方式：一是局部式传输，即DFT 的输出映射到连续的子载波上；另一个是分布式传输，即DFT 的输出映射到离散的子载波上。相对于前者，分布式传输可以获得额外的频率分集。上行调制主要采用/2位移 BPSK、QPSK、8PSK 和 16QAM 。同下行一样，上行信道编码还是沿用R6的 Turbo 编码。其他方式的前向纠错编码正在研究之中。上行单用户 MIMO 天线的基本配置，也是在UE 有两个发射天线，在基站有5武汉邮电科学研究院研究生部两个接收天线。在上行传输中，一种特殊的被称为虚拟（Virtual ）MIMO 的技术在LTE 中被采纳。通常是22 的虚拟 MIMO ，两个 UE 各自有一个发射天线，并共享相同的时频域资源。 这些 UE 采用相互正交的参考信号图谱， 以简化基站的处理。从 UE 的角度看， 2 2 虚拟 MIMO 与单天线传输的不同之处，仅仅在于参考信号图谱的使用必须与其他 UE 配对。但从基站的角度看，确实是一个 2 2 的 MIMO 系统，接收机可以对这两个 UE 发送的信号进行联合检测。基本物理层技术在基本的物理层技术中，E-Node B 调度、链路自适应和混合ARQ （HARQ ）继承了 HSDPA 的策略，以适应基于数据包的快速数据传输。对于下行的非MBMS 业务，E-Node B 调度器在特定时刻给特定UE 动态地分配特定的时频域资源。 下行控制信令通知分配给UE 何种资源及其对应的传输格式。调度器可以即时地从多个可选方案中选择最好的复用策略，例如子载波资源的分配和复用。 这种选择资源块和确定如何复用UE 的灵活性，可以极大地影响可获得的调度性能。调度和链路自适应以及HARQ 的关系非常密切，因为这3 者的操作是在一起进行的。决定如何分配和复用方式的依据包括以下一些：QoS 参数、在 E-Node B 中准备调度的数据量、 UE 报告的信道质量指示（ CQI）、UE 能力、系统参数如带宽和干扰水平，等等。链路自适应即自适应调制编码，可以在共享信道上应用不同的调制编码方式适应不同的信道变化，获得最大的传输效率。将编码和调制方式变化组合成一个列表， E-Node B 根据 UE 的反馈和其他一些参考数据，在列表中选择一个调制速率和编码方式，应用于层 2 的协议数据单元，并映射到调度分配的资源块上。上行链路自适应用于保证每个 UE 的最小传输性能，如数据速率、误包率和响应时间，而获得最大化的系统吞吐量。上行链路自适应可以结合自适应传输带宽、功率控制和自适应调制编码的应用，分别对频率资源、干扰水平和频谱效率这3 个性能指标做出最佳调整。为了获得正确无误的数据传输，LTE 仍采用前向纠错编码 （FEC）和自动重复6武汉邮电科学研究院研究生部请求（ARQ ）结合的差错控制， 即混合 ARQ（ HARQ ）。HARQ 应用增量冗余 （IR ）的重传策略，而 chase合并（ CC）实际上是 IR 的一种特例。为了易于实现和避免浪费等待反馈消息的时间， LTE 仍然选择 N 进程并行的停等协议 （ SAW），在接收端通过重排序功能对多个进程接收的数据进行整理。 HARQ 在重传时刻上可以分为同步 HARQ 和异步 HARQ 。同步 HARQ 意味着重传数据必须在 UE 确知的时间即刻发送，这样就不需要附带 HARQ 处理序列号，比如子帧号。而异步 HARQ 则可以在任何时刻重传数据块。从是否改变传输特征来分， HARQ 又可以分为自适应和非自适应两种。目前来看， LTE 倾向于采用自适应的、异步 HARQ 方案。与 CDMA 不同， OFDMA 无法通过扩频方式消除小区间的干扰。为了提高频谱效率，也不能简单地采用如 GSM 中复用因子为 3 或 7 的频率复用方式。因此，在 LTE 中，非常关注小区间干扰消减技术。小区间干扰消减途径有3 种，即干扰随机化、干扰消除和干扰协调 /避免。另外，在基站采用波束成形天线的解决方案也可以看成是下行小区间干扰消减的通用方法。干扰随机化可以采用如小区专属的加扰和小区专属的交织，后者即为大家所知的交织多址（IDMA ）；此外，还可采用跳频方式。干扰消除则讨论了采取如依靠UE 多天线接收的空间抑制和基于检测/相减的消除方法。而干扰协调 /避免则普遍采取一种在小区间以相互协调来限制下行资源的分配方法，如通过对相邻小区的时频域资源和发射功率分配的限制，获得在信噪比、小区边界数据速率和覆盖方面的性能提升。架构E-UTRAN 与 UTRAN 架构完全不同，去掉了 RNC 这个网络设备，只保留了 Node B 网元，目的是简化网络架构和降低时延。 RNC 功能被分散到了演进的 Node B（E-Node B）和接入网关（ aGW）中。目前并没有说明 aGW 是位于 E-UTRAN还是 SAE（系统架构演进）中。但从 LTE 设计初衷来看，应该只采用由 E-Node B 构成的单层结构，而 aGW 因为包含了原 SGSN 功能，还是归属为 SAE 的边界节点，只不过与 E-UTRA 相关的部分用户面和控制面的功能在 LTE 中定义。E-UTRAN 结构中包含了若干个E-Node B（eNB），提供了终止于 UE 的 E-UTRA7武汉邮电科学研究院研究生部用户面（ PHY/MAC ）和控制面（ RRC）协议。 E-Node B 之间采用网格（ mesh）方式互连， E-Node B 与 aGW 之间的接口称为 S1 接口。E-UTRAN 的协议栈结构还是与URTAN 一样分为用户面和控制面，但简化了很多。比如去掉了RLC 层，该实体功能被并入MAC 层， PDCP 功能在网络侧被移到了 aGW 中。控制面 RRC 功能移入 E-Node B 中，并在网络侧终止于 E-Node B。与 UTRAN 相比， E-UTRAN 在信道结构上做了很大的简化，虽然还没有最终确定，但从目前讨论的结果来看，传输信道将从原来的9 个减为现在的5 个，逻辑信道从原来的 10 个减为现在的 7 个。上 /下行共享信道（ DL/UL-SCH ）用于承载用户的控制信令和业务数据， 取代了 R6 中的 DCH 、FACH、HS-DSCH 和 E-DCH 信道。 MCH 只给多小区广播 /多播业务提供数据承载，而单小区的广播 /多播业务数据则在 SCH 信道上承载。在现阶段， LTE 尚未决定是否单独定义映射多播业务的逻辑信道，如继承 R6 中单独的 MCCH 和 MTCH 。无线资源控制（ RRC）状态在 LTE 中也简化了许多，将 UTMS 中的 RRC 状态和 PMM 状态合并为一个状态集，并且只包含 RRC_IDLE 、RRC_ACTIVE 和 RRC_DETACHED 这 3 种状态。在 aGW 网元中， UE 的上下文必须区分这 3 种状态。而在 E-Node B 中只保留 RRC_ACTIVE 状态的 UE 上下文，即合并了原先的 CELL_DCH 、 CELL_FACH 、CELL_PCH 和 URA_PCH 多种状态。8武汉邮电科学研究院研究生部第 3 章 LTE 技术标准的演进本章介绍了 LTE 技术的演进过程。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。3.1 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 3.1 所示。9武汉邮电科学研究院研究生部图 3.1移动通信协议演进的路径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 3.1 所示。表 3.1 GPRS/CDMA/HSPA/LTE峰值速率对比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，10武汉邮电科学研究院研究生部使性能指标获得更大改善。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。3.2 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 3.2 列举了 LTE-A 中各种技术手段和主要目的。图 3.2 LTE-A 主要技术手段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 44 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 88 天线配置时峰值频谱效率为30bit/s/Hz，上行 44 天线配置时峰值频谱效率为 15bit/s/Hz。11武汉邮电科学研究院研究生部c)下行 44 MIMO 配置下小区平均频谱效率为3.7bit/s/Hz，上行 24 MIMO配置下小区平均频谱效率为2.0bit/s/Hz。d)下行 44 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 200300 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。12武汉邮电科学研究院研究生部第4章结语对于目前运营 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。13