LTE标准化及其演进路线
邮电设计技术/2012/01
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收稿日期:2011-11-25
赵 然(华为技术有限公司,北京 100140)
Zhao Ran(Huawei Technologies. Co.,Ltd.,Beijing 100140,China)
LTE标准化及其演进路线
关键词:
LTE;演进过程;主要性能指标;LTE- A
中图分类号:TN929.5
文献标识码:A
文章编号:1007- 3043(2012)01- 0005- 05
摘 要:
介绍了 LTE技术的演进过程和 LTE标准的...
邮电设计技术/2012/01
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收稿日期:2011-11-25
赵 然(华为技术有限公司,北京 100140)
Zhao Ran(Huawei Technologies. Co.,Ltd.,Beijing 100140,China)
LTE标准化及其演进路线
关键词:
LTE;演进过程;主要性能指标;LTE- A
中图分类号:TN929.5
文献标识码:A
文章编号:1007- 3043(2012)01- 0005- 05
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。
Abstract:
It describes the evolution process of LTE and main performance index of LTE standard. On the bas is of comparing LTE and
HSPA+, it expounds the performance and advantages of LTE. Finally it prospects the 4G evolution direction of LTE- A.
Keywords:
LTE; Evolution process ; KPI; LTE- A
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
赵 然
LTE标准化及其演进路线
Standardization of LTE and Its Evolution Route
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2012/01/DTPT
项 目 下行理论峰值速率 上行理论峰值速率
GPRS(CS1~2,MS 最大 8 时隙) 107.2 kbit/s 107.2 kbit/s
GPRS(CS1~4,MS 最大 8 时隙) 171.2 kbit/s 171.2 kbit/s
EDGE(MCS1~9,MS 最大 8 时隙) 473.6 kbit/s 473.6 kbit/s
E-EDGE(MS 最大 8 时隙) 1 305.6 kbit/s 652.8 kbit/s
UMTS WCDMA R99 2.048 Mbit/s 768 kbit/s
HSDPA 14.4 Mbit/s 5.76 Mbit/s
HSPA+(2×2 MIMO,16QAM) 28 Mbit/s 11.5 Mbit/s
LTE(20MHz) 100 Mbit/s(2×2 天线) 50 Mbit/s(2×1 天线)
CDMA2000 1X RTT 307 kbit/s 307 kbit/s
CDMA2000 EV-DO Rev0 2.4 Mbit/s 307 kbit/s
CDMA2000 EV-DO RevA 3.1 Mbit/s 1.8 Mbit/s
CDMA2000 EV-DO RevB(15 个无线信道) 73.5 Mbit/s 27 Mbit/s
CDMA2000 EV-DO RevC 100 Mbit/s 50 Mbit/s
802.16e WiMAX(10MHz TDD DL/UL=3,1×2 SIMO) 23 Mbit/s 4 Mbit/s
802.16e WiMAX(10MHz TDD DL/UL=3,2×2 MIMO) 46 Mbit/s 4 Mbit/s
Evolved
EDGEGSM
UMTS
1X-RTT EV-DORO
EV-DO
Rev A
R99
GPRS/
EDGE
UMB
HSDPA/
HSUPA LTE
CDMA
WiMAX 16mWiMAX
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 CD-
MA 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 CD-
MA2000 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 HS-
DPA,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 CD-
MA2000 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 20 MHz 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) 20 MHz 带宽条件下, 峰值速率达到上行 50
Mbit/s(2×1天线),下行 100 Mbit/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 5 ms。
e) 从空闲状态到激活状态的转换时间小于 100
ms,从休眠状态到激活状态的转换时间小于 50 ms。
f)支持低速移动和高速移动。低速(0~15 km/h)下
性能较好 ,高速 (15~120 km/h)下性能最优 ,较高速
(350~500 km/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
图 1 移动通信
演进的路径
表 1 GPRS/CDMA/HSPA/LTE 峰值速率对比
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300 Downlink Uplink
50
100
150
200
250
350
0
最
大
传
输
速
率
( M
bi
t/s
)
HS
PA
+
(2×
2 M
IM
O)
HS
PA
R6
LT
E 2
×2
0 M
Hz
(4×
4 M
IM
O
和
64
QA
M)
LT
E 2
×2
0 M
Hz
(2×
2 M
IM
O)
LT
E 2
×1
0 M
Hz
(2×
2 M
IM
O)
图 2 系统最大吞吐量
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 5 MHz。 采用 2×2 MIMO 配置
和 16QAM 调制方式时,HSPA+峰值速率为 28 Mbit/s,
采用 2×2 MIMO 配置和 64QAM调制方式时,峰值速率
为 42 Mbit/s。 而 LTE 系统可以支持 20 MHz 的带宽,
LTE-A 可以支持 100 MHz 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 150 ms,HSDPA 的时延小于 70
ms。 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。
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载波频率/
GHz 基站间距/m
系统带宽/
MHz
穿透损耗/
dB
移动速度/
(km/h)
2.0 1 732 10 20 3
表 2 频谱效率仿真配置条件
时延/ms
GSM/EDGE
HSPA+(R8)
LTE
HSPA(R6)
20080 100 120 140 160 1806040200
min max
图 4 系统时延对比
RNC 的大部分功能
下放到 eNode B
eNode B
eNode B
X2
eNode B
E-UTRAN
UTRAN
RNC2
RNC1Iub Iu-ps
Iu-cs
Iur
SGSN
MSC
S1
Evolved Packet
Core Network
Circuit Switch
Core Network
Packet Switch
Core Network
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 20 ms,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
x(t)=
N
2 -1
i=- N2
Σd exp j2π iTΣ Σt (1)i+ N2
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
τ+T
τ乙 exp j2π kT乙 乙t
N
2 -1
i=- N2
Σd exp j2π iT乙 乙t dt=d Tk+ N2 (2)i+ N2
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 15 kHz, 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+。
图 3 LTE 接入网络示意图
图 5 OFDM频谱特性
5 个子载波的 OFDM 信号频谱
子载波
间隔
占用带宽
OFDM 子带频谱
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作者简介:
赵然,毕业于北京邮电大学,硕士,主要从事华为中国区无线
产品管理方面的工作。
图 7 LTE-A 主要技术手段
图 6 频谱效率对比
3.0
LTE
(2×2 MIMO)
1.0
1.5
2.0
2.5
0.5
0
HSPA
(4×4 MIMO)
HSPA(R6) HSPA+(R8)
Downlink Uplink
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 20 MHz, 最大带宽达到 100
MHz。 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 70 MHz 时,
下行峰值速率为 1G bit/s,上行峰值速率为 500 Mbit/s。
b) 下行 8×8 天线配置时峰值频谱效率为 30 bit/s/
Hz,上行 4×4天线配置时峰值频谱效率为 15 bit/s/Hz。
c) 下行 4×4 MIMO 配置下小区平均频谱效率为
3.7 bit/s/Hz,上行 2×4 MIMO 配置下小区平均频谱效率
为 2.0 bit/s/Hz。
d) 下行 4×4 MIMO 配置下小区边缘频谱效率为
0.12 bit/s/Hz, 上行 2×4 MIMO 配置下小区边缘频谱效
率为 0.07 bit/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 50 ms,从
休眠状态转换到连接状态的时延低于 10 ms; 用户层
在 FDD 模式的时延小于 5 ms, 在 TDD 模式的时延小
于 10 ms。
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:
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for Mobile Broadband[M]. Academic Press,2011.
[2] Farooq Khan. LTE For 4G Mobile Broadband[M]. Cambridge Universi-
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[3] Stefania Sesia,Issam Toufik,Matthew Baker Stefania Sesia,et al. LTE-
The UMTS Long Term Evolution[M]. Wiley,2009.
[4] Erik Dahlman,Stefan Parkvall,Johan Skold,et al. 3G Evolution HSPA
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[6] 3GPP TS 36.212 V10.3.0 Multiplexing and Channel Coding [S/OL].
[2011-11-12]. http://wenku.baidu.com/view/3e33238271fe910ef12df
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[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.
UL OFDMA/SC-FDMA
更好的频谱利用率
增强的调度能力
Relay/Mesh/Ad hoc
SIMO/波束赋形
更高的 VoIP 容量
峰值速率改善
UL/DL 性能改善
更好的覆盖
CA
SDMA
CoMP
持续调度
宽带 20 MHz
UL SC-FDMA
UL-SIMO
MIMO
单跳网络
UL-SU-SIMO
宽带 10 MHz
LTE-A能力增强LTE
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