LTE现状及未来发展综述

1电信工程技术与标准化·2010年第11期·专家视点SPECIALISTSTANDPOINTLTE现状及未来发展综述张同须（中国移动通信集团设计院有限公司北京100080）摘　要　后3G时代的LTE是全球移动通信产业的主流演进方向。本文详细论述了LTE的发展状况、LTE的技术特点以及未来LTE的演进技术。同时特别针对TD-LTE的发展提出了一些建议。关键词　LTEOFDMMIMO张同须　教授级高级工程师，现任中国移动通信集团设计院副院长兼总工程师。北京邮电大学兼职教授，工业和信息化部通信科学技术委员会委员。多年来一直从事大型电信网络的工程设计工作，现致力于IP及宽带移动通信网络的设计和研究工作。曾组织并承担CHINANET等大型全国性IP骨干网络的工程设计，并编写了有关的技术体制和设计规范，获多个国家及部级奖项，发表数十篇论文，出版两本专著。2001年享受国务院政府特殊津贴。1LTE发展状况LTE（LongTermEvolution）是3GPP于2004年11月启动的UMTS技术长期演进项目。LTE分为FDD方式的LTE和TDD方式的LTE，其中TDD方式的LTE又由于演进路线的不同分为LTETDD1和LTETDD2。我国从2005年开始推动LTE的TDD方案即LTETDD2方式的研究并被3GPP接受，之后由我国大力推动并通过多方努力，目前两种TDD方式已经融合为一种即TD-LTE。TD－LTE也被同时确定为TD-SCDMA标准的后续演进技术。1.1标准进展LTE标准制定工作进展很快。尤其是最近几年，3GPP加快了LTE的标准化工作。一方面是由于无线新技术的逐步完善已基本可以实用化，更主要的是由于现有的包括3G在内的移动通信网络已经逐渐不能满足用户的需求。3GPP于2009年3月发布第一版（Release8），R8版本为LTE标准的基础版本；于2010年3月发布第二版（Release9），R9版本为LTE的增强版本，主要增加了支持多流Beamforming、eMBMS、SON、HomeeNB等新功能。预计2011年3月将完成包括FDD和TDD在内的LTE又一个新版本Release10即LTE-Advanced（LTE-A），该版本主要增加了增强的上下行MIMO（支持最高下行8流/上行4流传输）、载波聚合（CarrierAggregation）、无线中继（Relay）、增强的小区间干扰协调等新功能。从目前标准进展情况来看，3GPPTD-LTE和FDDLTE标准制定进度一致。1.2系统设备进展在核心网侧，2009年底已具备满足商用网络基本要求的核心网设备，并在第一个FDD-LTE商用网络中成专家视点SPECIALISTSTANDPOINTTELECOMENGINEERINGTECHNICSANDSTANDARDIZATION·2010年第11期·2功应用。在无线侧，2009年底，部分系统设备厂商已经可以提供基于R8版本的LTE-FDD商用设备，预计到2010年底，系统设备厂商将推出基于R9版本的设备。TDD与FDD系统设备产品基本同步开发，但商用进程TDD要比FDD晚约一年多的时间。2010年三季度前，大部分厂家可推出基于R8版本TD-LTE的8通道测试设备，R9版本（即支持双流波束赋形）产品预计在2011年第一季度支持。该版本的系统可通过对R8版本设备软件升级实现，不需要硬件改造。1.3终端进展从终端成熟进度来看，FDD双模数据卡在2010年可以实现商用，双模手机将在2011年推出。TDD与之相差一年左右，预计2011年，单模、多模的LTE数据卡、CPE、MIFI、数据终端可预商用或商用，并可进行业务和应用及终端测试，满足友好用户发放、用户体验评估与试商用需求。2012年，多模双待手机具备商用能力，2013年后，多模单待手机可商用。1.4LTE在全球商用化情况2009年底，Teliasonera在斯德哥尔摩、奥斯陆中心城区部署了LTE网络，该网络成为第一个商用的LTE网络。根据全球移动设备供应商协会（GlobalmobileSuppliersAssociation，GSA）2010年6月7日发布的《EvolutiontoLTEreport》报告显示，至2010年6月，已有33个国家和地区的80个运营商承诺部署LTE网络。预计2010年底将有22个LTE网络开通，2012年底将有45个LTE网络开通。这些数据一方面说明全球移动通信领域的竞争已经开始向下一代网络技术转移，另一方面也说明全球LTE发展进程正在加速，越来越多的运营商开始关注与布局移动通信网络的技术演进。2TD-LTE发展状况2.1TD-LTE发展历程作为TD-SCDMA的演进技术，TD-LTE继承了TD-SCDMA技术优势和产业基础，是我国新时期科技创新的又一重大成果，确立了中国在新一轮信息产业国际标准和产业竞争中的重要地位，得到了中国政府及国内外产业的广泛支持。2007年，工业和信息化部正式将LTETDD命名为TD-LTE，并推动TD-LTE成为了国际主流标准。2008年初，工业和信息化部TD-LTE工作组成立，开始启动并初步形成了端到端的产业链。2008年中至2009年初，产业开始加速发展，融合发展FDD/TDD芯片成为产业共识，产业链初步形成概念验证。2009年中至2010年中，工业和信息化部在北京怀柔和顺义建设完成多厂家、多基站的技术验证外场，并进行了较为完备的外场测试。中国移动建设完成TD-LTE世博示范网，初步展示了TD-LTE端到端解决方案。2010年底至2011年，根据国家“新一代宽带无线移动通信网”重大专项实施计划的安排，2010年底将在国内选择几个大中城市进行规模试验网建设，进行试验测试工作。2.2TD-LTE世博示范网中国移动于4月15日在上海世博园开通了TD-LTE示范网，是上海世博会上的最大科技亮点之一。该示范网共建设了将近20个宏蜂窝基站，覆盖了5.28km2的世博园全园，同时在中国馆、演艺中心、美国馆、芬兰馆、瑞典馆等重要场馆建设了室内覆盖站。示范网采用CPE、数据卡等单模演示终端提供即摄即传、移动高清会议、TD-LTE高速上网卡、天线海宝等多项最前沿的信息化应用。TD-LTE世博示范网表明，TD-LTE产业链初步具备了端到端产品能力。2.3TD-LTE北京技术试验外场情况2009年底，工业和信息化部组织、北京移动承建的TD-LTE北京技术试验外场在怀柔和顺义建设完成。该技术试验外场为9个厂家提供外场试验环境，目前已经完成7个厂家的测试任务。初步测试结果与理论计算和网络设计指标基本吻合。虽然该外场试验的每个厂家测试站点数量相对较少，还不能完全反映实际网络的干扰3电信工程技术与标准化·2010年第11期·专家视点SPECIALISTSTANDPOINT水平，同时网络设备和终端芯片功能有待完善、性能有待进一步优化，但TD-LTE技术已经初步具备了规模试验组网的条件。2.4TD-LTE规模试验网情况“新一代宽带无线移动通信网”重大专项由工信部统一部署，其主要目的是推进TD-LTE的研发和产业化，对TD-LTE的相关技术进行验证，根据验证结果推动和促进TD-LTE技术的完善和发展，为TD-LTE网络商用部署提供试验经验。规模试验网将根据重大专项的任务安排，分为两个阶段进行。第一个阶段基于R8版本进行建设，主要验证TD-LTE网络基本性能、关键技术、规划优化及组网技术；第二阶段升级到R9版本，测试验证异厂家互通、端到端的业务体验、LTE与2G/TD的互操作、网管、计费等功能要求，并适时发放友好用户，评估用户体验。3LTE技术特点3.1LTE主要目标无论是FDDLTE还是TD-LTE，其基本需求和架构均大致相同，采用的关键技术也基本相同，所不同的是双工方式，一个是时分的，一个时频分的。目前几乎所有的厂家都采用同一个平台设计。LTE要达到的目标已经大大高于目前UMTS所能实现的各项指标，它通过引入OFDM、多天线MIMO、64QAM、全IP扁平的网络结构、优化的帧结构、简化的LTE状态以及小区间干扰协调等新技术，实现了更高的带宽，更大的容量、更高的数据传输速率和更低的传输时延的效果。LTE实现的主要目标如下：目标峰值速率：下行链路100Mbit/s，上行链路50Mbit/s；适用于不同的带宽：1.25～20MHz；支持“paired”和“unpaired”的频谱分配。以分组域业务为主要目标；降低无线网络时延：U-plan10ms，C-plan100ms；频谱效率达到3GPPRelease6的2～4倍；强调后向兼容，同时也考虑与系统性能的折衷；提高小区边缘的用户吞吐量；支持增强的IMS(IP多媒体子系统)核心网等。表1是LTE引入的关键技术所实现的效果。3.2采用的关键技术在LTE采用的各种技术中，最核心的技术是OFDM和MIMO,这两种技术是今后无线通信技术的核心技术，将会得到快速发展和大量采用。3.2.1OFDM技术对于无线移动通信来说，选择适当的调制和多址接入方式以实现良好的系统性能至关重要。在2G通信系统，主要采用的是频分复用和时分复用，3G通信系统则引入了码分复用。LTE则采用了OFDM（OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing，正交频分多路复用）技术。OFDM作为多载波调制(MCM)的一种，其核心能力就是将信道分成许多正交子信道，在每个子信道上进行窄带调制和传输，这样既减少了子信道之间的相互干扰，同时又提高了频谱利用率。与传统的多载波调制（MCM）相比，OFDM调制的各个子载波间可相互重叠，并且能够保持各个子载波之间的正交性。通过添加循环前缀，能够克服多径时延带来的符号间干扰。通过将宽带信道划分为多个窄带的子载波（子载波宽度主要技术实现效果OFDMA/SC-FDMA更高的频谱利用率更灵活、更大的传输带宽多天线（多流多用户BF/MIMO）更高的传输速率64QAM基于分组域，全IP更加高效的资源利用，更适合承载数据业务扁平的网络结构，无RNC更小的传输时延优化的帧结构简化的LTE状态小区间干扰协调降低系统内干扰，更高的边缘速率表1LTE引入的关键技术及实现效果专家视点SPECIALISTSTANDPOINTTELECOMENGINEERINGTECHNICSANDSTANDARDIZATION·2010年第11期·4小于信道相干带宽），可以较为有效的对抗信道的频率选择性衰落，有利于简化信道估计，并且不需要复杂的信道均衡，特别适合5MHz以上的宽带移动通信系统。由于OFDM的子载波衰落情况相对平坦，十分适合与MIMO技术相结合，极大的提高了系统性能。当然OFDMA技术也存在PAPR高、时间和频率同步敏感的技术局限。3.2.2MIMO技术MIMO（多入多出技术，Multiple-InputMultiple-Output），最早是由Marconi于1908年提出的，它利用多天线来抑制信道衰落。MIMO技术是指在发射端和接收端分别设置多副发射天线和接收天线，其出发点是将多发送天线与多接收天线相结合以改善每个用户的通信质量（如差错率）或提高通信效率（如数据速率）。MIMO技术实质上是为系统提供空间复用增益和空间分集增益，空间复用技术可以大大提高信道容量，而空间分集则可以提高信道的可靠性，降低信道误码率。MIMO技术有效地利用随机衰落和可能存在的多径传播来成倍地提高业务传输速率，因此它能够在不增加所占用的信号带宽和传输功率的前提下使无线通信的性能改善几个数量级。MIMO有多种具体工作方式。通常终端的能力将成为限制MIMO使用的主要瓶颈，例如接收天线数目。同时MIMO的多种工作模式会根据适合的应用情况，完成相互间的转换。但考虑到信道开销的问题，应控制转换频率。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。在未来的宽带无线通信系统中存在两个最严峻的挑战：多径衰落信道和带宽效率。将MIMO与OFDM技术相结合形成MIMO-OFDM系统，这样可以充分利用二者的