下一代無線網(wǎng)絡(luò)LTE市場和技術(shù)背景介紹

一 LTE市場背景和技術(shù)背景介紹

　　伴隨GSM等移動網(wǎng)絡(luò)在過去的二十年中的廣泛普及，全球語音通信業(yè)務(wù)獲得了巨大的成功。目前，全球的移動語音用戶已超過了18億。同時，我們的通信習(xí)慣也從以往的點到點（Place to Place）演進(jìn)到人與人。個人通信的迅猛發(fā)展極大地促使了個人通信設(shè)備的微型化和多樣化，結(jié)合多媒體消息、在線游戲、視頻點播、音樂下載和移動電視等數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的能力，大大滿足了個人通信和娛樂的需求。

　　另外，盡量利用網(wǎng)絡(luò)來提供計算和存儲能力，通過低成本的寬帶無線傳送到終端，將有利于個人通信娛樂設(shè)備的微型化和普及。GSM網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)到GPRS/EDGE和WCDMA/HSDPA網(wǎng)絡(luò)以提供更多樣化的通信和娛樂業(yè)務(wù)，降低無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)營成本，已成為GSM移動運(yùn)營商的必經(jīng)之路。但這也僅僅是往寬帶無線技術(shù)演進(jìn)的一個開始。WCDMA/ HSDPA與GPRS/EDGE相比，雖然無線性能大大提高，但是，在IPR的制肘、應(yīng)對市場挑戰(zhàn)和滿足用戶需求等領(lǐng)域，還是有很多局限。

　　由于CDMA通信系統(tǒng)形成的特定歷史背景，3G所涉及的核心專利被少數(shù)公司持有，在IPR上形成了一家獨大的局面。專利授權(quán)費用已成為廠家承重負(fù)擔(dān)。可以說，3G廠商和運(yùn)營商在專利問題上處處受到制肘，業(yè)界迫切需要改變這種不利局面。

　　面對高速發(fā)展的移動通信市場的巨大誘惑和大量低成本，高帶寬的無線技術(shù)快速普及，眾多非傳統(tǒng)移動運(yùn)營商也紛紛加入了移動通信市場，并引進(jìn)了新的商業(yè)運(yùn)營模式。例如，Google與互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)提供商（ISP）Earthlink合作，已在美國舊金山全市提供免費的無線接入服務(wù)，雙方共享廣告收入，并將廣告收入作為其主要盈利途徑，Google更將這種新的運(yùn)營模式申請了專利。另外，大量的酒店、度假村、咖啡廳和飯館等，由于本身業(yè)務(wù)激烈競爭的原因，提供免費WiFi無線接入方式，通過因特網(wǎng)可以輕易的查詢到這類信息。最近，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)提供商“SKYPE”更在這些免費的無線寬帶接入基礎(chǔ)上，新增了幾乎免費的語音及視頻通信業(yè)務(wù)。這些新興力量給傳統(tǒng)移動運(yùn)營商帶來了前所未有的挑戰(zhàn)，加快現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)，滿足用戶需求，提供新型業(yè)務(wù)成為在激烈的競爭中處于不敗之地的唯一選擇。

　　與此同時，用戶期望運(yùn)營商提供任何時間任何地點不低于1Mbps的無線接入速度，小于20ms的低系統(tǒng)傳輸延遲，在高移動速率環(huán)境下的全網(wǎng)無縫覆蓋。而最重要的一點是能被廣大用戶負(fù)擔(dān)得起的廉價終端設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。

　　這些要求已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的能力，尋找突破性的空中接口技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)看來是勢在必行。與WiFi和WiMAX等無線接入方案相比，WCDMA/HSDPA空中接口和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，雖然在支持移動性和QoS方面有較大優(yōu)勢，但在每比特成本、無線頻譜利用率和傳輸時延等能力方面明顯落后。根據(jù)3GPP標(biāo)準(zhǔn)組織原先的時間表，4G最早要在2015年才能正式商用，在這期間傳統(tǒng)電信設(shè)備商和運(yùn)營商將面臨前所未有的挑戰(zhàn)。用戶的需求、市場的挑戰(zhàn)和IPR的制肘共同推動了3GPP組織在4G出現(xiàn)之前加速制定新的空中接口和無線接入網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)。2004年11月，3GPP加拿大多倫多“UTRAN演進(jìn)”會議收集了無線接入網(wǎng)R6版本之后的演進(jìn)意見，在隨后的全體會議上，“UTRA和UTRAN演進(jìn)”研究項目得到了二十六個組織的支持，并最終獲得通過。這也表明了3GPP組織運(yùn)營商和設(shè)備商成員共同研究3G技術(shù)演進(jìn)版本的強(qiáng)烈愿望。

二 LTE項目計劃和主要性能目標(biāo)

　　3GPP組織在LTE項目的工作，基本可以分為兩個階段：2005年3月到2006年6月為SI （Study Item）階段，完成可行性研究報告；2006年6月到2007年6月為WI（Work Item）階段，完成核心技術(shù)的規(guī)范工作。在2007年中期完成LTE相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制定（3GPP R7），在2008年或2009年推出商用產(chǎn)品。到目前為止，LTE項目的研究工作取得了一系列的重大進(jìn)展，截至到2006年3月已完成或正在進(jìn)行的內(nèi)容包括：物理層接入方案、無線接口協(xié)議體系結(jié)構(gòu)，RAN-CN功能劃分與調(diào)整，及宏分集、射頻的相關(guān)研究。雖然如此，原計劃于2006年3月完成的部分工作被推遲到6月才可以完成，從目前來看，仍滯后于既定的工作計劃。

　　3GPP LTE項目的主要性能目標(biāo)包括：在20MHz頻譜帶寬能夠提供下行100Mbps、上行50Mbps的峰值速率；改善小區(qū)邊緣用戶的性能；提高小區(qū)容量；降低系統(tǒng)延遲，用戶平面內(nèi)部單向傳輸時延低于5ms，控制平面從睡眠狀態(tài)到激活狀態(tài)遷移時間低于50ms，從駐留狀態(tài)到激活狀態(tài)的遷移時間小于100ms；支持100Km半徑的小區(qū)覆蓋；能夠為350Km/h高速移動用戶提供>100kbps的接入服務(wù)；支持成對或非成對頻譜，并可靈活配置1.25 MHz到20MHz多種帶寬。

　　為了實現(xiàn)3G LTE系統(tǒng)的上述目標(biāo)性能，需要改進(jìn)與增強(qiáng)現(xiàn)有3G系統(tǒng)的空中接口技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。3GPP標(biāo)準(zhǔn)化組織經(jīng)過激烈的討論于2005年12月，批準(zhǔn)采用由北電等的廠家提出的OFDM和MIMO方案作為其無線網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)（LTE）的唯一標(biāo)準(zhǔn)，這也表明3GPP 標(biāo)準(zhǔn)的演進(jìn)方向與北電的多年來技術(shù)發(fā)展方向完全一致。同時LTE系統(tǒng)核心網(wǎng)采用兩層扁平網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，由WCDMA/HSDPA階段的NodeB、RNC、SGSN、GGSN四個主要網(wǎng)元，演進(jìn)為eNodeB（eNB）和接入網(wǎng)關(guān)（aGW）兩個主要網(wǎng)元。核心網(wǎng)同時采用全I(xiàn)P分布式結(jié)構(gòu)，支持IMS、VoIP、 SIP、Mobile IP等各種先進(jìn)技術(shù)。

三 LTE關(guān)鍵技術(shù)及進(jìn)展情況

　　空中接口物理層技術(shù)是無線通信系統(tǒng)的基礎(chǔ)與標(biāo)志，3GPP組織就LTE系統(tǒng)物理層下行傳輸方案很快達(dá)成一致，采用先進(jìn)成熟的OFDMA技術(shù)；但上行傳輸方案卻爭論不斷，很大部分設(shè)備商考慮到OFDM較高的峰均比會增加終端的功放成本和功率消耗，限制終端的使用時間，堅持采用峰均比較低的單載波方案SC-FDMA，但一些積極參與WiMAX標(biāo)準(zhǔn)組織的公司卻認(rèn)為可以采用濾波、循環(huán)削峰等方法有效降低OFDM峰均比。雙方各執(zhí)己見，一度僵持不下，經(jīng)過多次會議的艱苦協(xié)商，最后上行方案還是選擇了單載波SC-FDMA。這樣LTE系統(tǒng)傳輸方案最終確定為下行OFDMA和上行SC-FDMA。同時在是否采用宏分集問題上也產(chǎn)生了激烈的爭論，最終考慮到網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)扁平化，分散化的發(fā)展趨勢，3GPP組織在2005年12月經(jīng)過“示意性”的投票，決定LTE系統(tǒng)暫不考慮宏分集技術(shù)。

　　OFDM技術(shù)是LTE系統(tǒng)的技術(shù)基礎(chǔ)與主要特點，OFDM系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定對整個系統(tǒng)的性能會產(chǎn)生決定性的影響，其中載波間隔又是OFDM系統(tǒng)的最基本參數(shù)，經(jīng)過理論分析與仿真比較最終確定為15kHz。上下行的最小資源塊為375kHz，也就是25個子載波寬度，數(shù)據(jù)到資源塊的映射方式可采用集中（localized）方式或離散（distributed）方式。循環(huán)前綴Cyclic Prefix（CP）的長度決定了OFDM系統(tǒng)的抗多徑能力和覆蓋能力。長CP利于克服多徑干擾，支持大范圍覆蓋，但系統(tǒng)開銷也會相應(yīng)增加，導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸能力下降。為了達(dá)到小區(qū)半徑100Km的覆蓋要求，LTE系統(tǒng)采用長短兩套循環(huán)前綴方案，根據(jù)具體場景進(jìn)行選擇：短CP方案為基本選項，長CP方案用于支持LTE大范圍小區(qū)覆蓋和多小區(qū)廣播業(yè)務(wù)。

　　MIMO作為提高系統(tǒng)輸率的最主要手段，也受到了各方代表的廣泛關(guān)注。LTE已確定MIMO天線個數(shù)的基本配置是下行2×2、上行1×2，但也在考慮4×4的高階天線配置。北電的專利技術(shù)虛擬MIMO也被LTE采納作為提高小區(qū)邊緣數(shù)據(jù)速率和系統(tǒng)性能的主要手段。另外，LTE也正在考慮采用小區(qū)干擾抑制技術(shù)來改善小區(qū)邊緣的數(shù)據(jù)速率和系統(tǒng)容量。下行方向MIMO方案相對較多，根據(jù)2006年3月雅典會議報告，LTE MIMO下行方案可分為兩大類：發(fā)射分集和空間復(fù)用兩大類。目前，考慮采用的發(fā)射分集方案包括塊狀編碼傳送分集（STBC, SFBC），時間（頻率）轉(zhuǎn)換發(fā)射分集（TSTD，F(xiàn)STD），包括循環(huán)延遲分集（CDD）在內(nèi)的延遲分集（作為廣播信道的基本方案），基于預(yù)編碼向量選擇的預(yù)編碼技術(shù)。其中預(yù)編碼技術(shù)已被確定為多用戶MIMO場景的傳送方案。5月的上海會議將對MIMO技術(shù)做進(jìn)一步的討論。最終會為下行數(shù)據(jù)信道確定唯一的分集傳送方案。

　　高峰值傳送輸率是LTE下行鏈路需要解決的主要問題。為了實現(xiàn)系統(tǒng)下行100Mbps峰值速率的目標(biāo)，在3G原有的QPSK、16QAM基礎(chǔ)上，LTE系統(tǒng)增加了64QAM高階調(diào)制。LTE上行方向關(guān)注的首要問題是控制峰均比，降低終端成本及功耗，目前主要考慮采用位移BPSK和頻域濾波兩種方案進(jìn)一步降低上行SC-FDMA的峰均比。LTE除了繼續(xù)采用成熟的Turbo信道編碼外，還在考慮使用先進(jìn)的低密度奇偶校驗（LDPC）碼。

　　3GPP LTE接入網(wǎng)在能夠有效支持新的物理層傳輸技術(shù)的同時，還需要滿足低時延、低復(fù)雜度、低成本的要求。原有的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)顯然已無法滿足要求，需要進(jìn)行調(diào)整與演進(jìn)。2006年3月的會議上，3GPP確定了E-UTRAN的結(jié)構(gòu)，接入網(wǎng)主要由演進(jìn)型eNodeB（eNB）和接入網(wǎng)關(guān)（aGW）構(gòu)成，這種結(jié)構(gòu)類似于典型的IP寬帶網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，采用這種結(jié)構(gòu)將對3GPP系統(tǒng)的體系架構(gòu)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。eNodeB是在NodeB原有功能基礎(chǔ)上，增加了RNC的物理層、MAC層、RRC、調(diào)度、接入控制、承載控制、移動性管理和inter-cell RRM等功能。aGW可以看作是一個邊界節(jié)點，作為核心網(wǎng)的一部分。但在如何處理小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)、負(fù)載控制等問題上各成員還存在分歧，是采用RRM Server進(jìn)行集中式管理，還是采用分散管理，尚未達(dá)成一致。

四 北電LTE項目研究情況和解決方案

　　北電自1998年以來就一直致力于OFDM和MIMO技術(shù)的研究與開發(fā)，擁有近八年的經(jīng)驗，持有120多項相關(guān)專利，并已為世界上100多個客戶成功演示，充分展示了該技術(shù)的可行性及商業(yè)前景。北電是3GPP LTE標(biāo)準(zhǔn)化的領(lǐng)先企業(yè)之一。2003年北電在業(yè)界率先倡導(dǎo)3GPP OFDM SI 預(yù)研，并擔(dān)任研究報告主編，奠定了LTE先聲。在3GPP LTE的171個研究主題中，北電完成了其中的78個。早在2001年，北電OFDM/MIMO系統(tǒng)就進(jìn)行了5MHz帶寬10Mbps的高速數(shù)據(jù)傳輸演示，2002年傳輸速率提升到18.4Mbps，2004年更是達(dá)到了37Mbps。目前北電正在開發(fā)的新模型使用MIMO 64 QAM 4/5 碼率，實現(xiàn)了20MHz帶寬300Mbps的高傳輸速率。

　　北電LTE解決方案建立在北電UMTS解決方案基礎(chǔ)之上，采取平滑演進(jìn)的策略。北電解決方案的設(shè)計思想是充分利用UMTS現(xiàn)有基站站址，透過疊加微型化和模塊化的LTE設(shè)備，最大地節(jié)省運(yùn)營商的設(shè)備投資，精簡網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，減少網(wǎng)元數(shù)量，優(yōu)化系統(tǒng)性能。為了能夠從原有網(wǎng)絡(luò)高效快速的演進(jìn)到LTE網(wǎng)絡(luò)，運(yùn)營商在UMTS建網(wǎng)時，就應(yīng)有所考慮，如采用集成度高基站或GSM/UMTS雙模機(jī)站，有利于解決向 LTE演進(jìn)時解決站址緊張的問題。目前，北電已經(jīng)推出GSM UMTS雙模機(jī)站，根據(jù)市場需求，計劃于2008年推出LTE相關(guān)產(chǎn)品，以滿足在2010年前后，大規(guī)模商業(yè)部署LTE網(wǎng)絡(luò)的需要。