4G LTE-Advanced技术特点及发展分析

1导言

LTE-Advanced指的是第10版之后的LTE技术版。2004年底，3GPP开始了LTE的标准化。与基于CDMA技术的3G不同，根据无线通信向宽带发展的趋势，LTE采用正交频分复用技术为基础，结合多天线和快速分组调度的设计理念，形成了下一代移动通信系统的新的空中接口技术，也称为3G(Long Term Evolution)。2008年初，第一版LTE即Release 8的系统技术规范完成。之后3GPP继续对技术进行改进和提升，刚刚完成第二次技术发布(Release 9)，目前正在研究Release 10。

在3GPP研究LTE技术的同时，国际电信联盟(ITU)一直在对下一代移动通信系统的市场需求和频率规划进行研究，为4G技术国际标准建议的制定做准备。2008年3月，国际电联开始收集和标准化候选技术，称为IMT-Advanced。为响应国际电联对4G IMT-Advanced技术的招标，LTE Release 10及其正在研究的后续技术版本在3GPP中被称为LTE-Advanced，候选技术已提交给国际电联。

LTE支持FDD和TDD双工模式。在LTE Release 8中，通信带宽为20MHz，空中接口下行峰值速率超过300兆位/秒，上行峰值速率也超过80兆位/秒.LTE Release 10 (LTE-Advanced)将支持100MHz的通信带宽，空中接口峰值速率将超过1Gbit.值得一提的是，作为TD-SCDMA技术的后续演进，LTE的TDD模式也被称为TD-LTE/TD-LTE-Advanced。出于对TD-SCDMA技术演进路线的关注，中国的成员单位在3GPP中深入参与了相关的系统设计过程。2009年10月，中国政府正式向国际电联提交TD-LTE-Advanced方案，作为4G国际标准的候选技术。

2技术特征

2.1多路访问和资源分配

LTE是基于OFDM技术的。根据上下行链路的特点，采用单载波DFT-SOFDM和OFDMA作为双向多址接入的具体实现。正交频分复用技术以子载波为单位分配频率资源，LTE系统采用15kHz子载波带宽，可以根据不同的子载波数量支持1.4、3、5、10、15、20MHz不同的系统带宽。第10版即将推出的载波聚合技术，通过聚合5个20兆赫兹的单位载波，可以实现100兆赫兹的整个系统带宽(见图1)。

图1载波聚合

2.2快速分组调度

无线衰落信道随时间和频率而变化。在长期演进中，时间长度为1毫秒的TTI(传输时间间隔)与12个子载波(180千赫)的频率宽度相结合，以形成PRB(物理资源块)。根据信道的变化，系统可以快速调度，为用户分配最优的物理资源。在选定的物理资源上，进一步利用自适应编码调制技术来形成资源的最佳利用。这种自适应调度可以从整个系统的角度优化资源的分配和利用，提高整个系统的性能。同时，灵活的调度也可以根据业务特性为单个用户提供合理的QoS保证，相关机制已经成为所有新一代移动通信系统设计中的一项基础技术。

2.3多天线技术

多天线技术是提高LTE系统吞吐量的关键技术。根据天线部署和实际应用，可以采用发射分集、空间复用和波束形成三种不同的MIMO实现方案。例如，空间复用方案可用于大距离不相关天线阵列同时传输多个数据流，以实现高数据速率；对于密集的天线阵列，波束形成技术可用于将天线波束指向用户，并减少用户之间的干扰。发射分集对于控制信道和其他需要确保更好的接收精度的场景是一个合理的选择。

LTE Release 8支持多达4个天线的下行传输，并且可以空间复用多达4个数据流的并行传输。在20兆赫兹带宽的条件下，它可以达到300兆比特/秒以上的峰值速率.在版本10中，下行链路支持的天线数量将扩展到8个。因此，8个数据流的并行传输可以被空间复用到最大，并且峰值频谱效率被加倍到30比特/秒/赫兹。与此同时，上行链路也将引入多输入多输出，支持多达4个天线进行传输，并可以在空间上多路复用多达4个数据流，实现16位/秒/赫兹的上行链路峰值频谱效率(见图2)。

图2多输入多输出技术增强

2.4继电器技术

p>中继（Relay）技术是LTE将在Release 10版本中开始引入的另一项重要功能（见图3）。传统基站需要在站点上提供有线链路的连接以进行“回程传输”，而中继站通过无线链路进行网络端的回程传输，因此可以更方便地进行部署。根据使用场景的不同，LTE中的中继站可以用于对基站信号进行接力传输，从而扩展网络的覆盖范围；或者用于减小信号的传播距离，提高信号质量，从而提高热点地区的数据吞吐量。

图3 中继技术

2.5 性能评估情况

在作为4G候选提案的准备过程中，按照ITU规定的评估场景对LTE/LTE-Advanced的系统性能进行了全面的评估，包括频谱效率，VoIP容量，业务/切换时延等各项关键指标均达到或者超过了ITU IMT-Advanced技术要求。图4是在4种场景下对于LTE系统平均频谱效率的评估情况。

图4 LTE/LTE-Advanced性能评估

3 标准发展情况

LTE（Long Term Evolution）是3G之后新的系统设计，3GPP在2004年底开始技术研究与系统的标准化工作。到2008年初，完成了第一个版本Release 8的系统技术规范，形成了面向下一代移动通信系统的、以OFDM/MIMO技术为基础的全新的技术架构。LTE Release 8版本实现了100Mbit/s吞吐量的设计目标，在此基础上，3GPP在后续的版本中不断进行系统的完善与技术增强。

截至2010年3月，LTE Release 9的各个标准化项目都已经完成，系统新增的功能包括用户定位、多播/广播功能、双流波束赋型，家庭基站和自组织网络等。虽然并没有增加系统的峰值吞吐量，但是这些功能进一步完善了系统，在前一版本形成新的系统框架的基础上，LTE Release 9版本丰富了系统的业务能力。

目前，正在进行研究工作的是LTE Release 10版本，已经确定的研究内容包括前面介绍的载波聚合、MIMO技术增强、中继Relay技术以及异构网络等。载波聚合技术和MIMO技术的进一步增强将显著提升系统的吞吐量能力，实现超过下一代移动通信系统1Gbit/s的性能目标。LTE Release 10计划的完成时间是2011年初，届时LTE的系统性能将得到一次显著的增强和完善。图5所示的是LTE的技术发展情况。

图5 LTE技术发展

LTE是3G之后，下一代移动通信系统一个最重要的发展方向，国内各个单位在相关技术研究和国际标准化领域进行了很大的投入。据统计，至今中国公司在3GPP共提交LTE方面的文稿大约5000篇，占相关总文稿数目的约14%。随着LTE标准的不断发展，国内公司的参与力度在不断加强，文稿占总数的比例也在逐年上升，到2009年下半年已经达到了20%以上。对于我们重点关注的TD-LTE的系统设计，中国公司提交的文稿数目更是接近总数的50%。

4 结束语

3GPP LTE以OFDM/MIMO作为基本技术，大量采用了目前移动通信领域最先进的技术和设计理念，从Release 8版本开始，LTE已经完成了Release 9版本，目前正处于Release 10版本的研究过程中。为了响应ITU关于IMT-Advanced国际建议的工作，将LTE Release 10以及后续版本又称为LTE-Advanced，是移动通信系统在4G阶段一个最重要的发展方向。LTE-Advanced的TDD模式又称为TD-LTE-Advanced，它是3G TD-SCDMA在下一代移动通信系统4G上的技术演进。按照ITU规定的评估场景所进行的性能仿真评估结果显示，LTE-Advanced/TD-LTE-Advanced的各项系统性能指标均达到或者超过了ITU IMT-Advanced技术要求。

中国公司在LTE的国际标准化工作中进行了很大的投入，并且随着LTE标准的发展不断加大参与的力度。在近期LTE Release 10阶段的标准化工作中，中国公司提交的文稿数量已经达到会议总文稿数量的20%以上（见图6），在全面参与LTE技术国际标准化的同时，有效引导了TD-LTE技术的发展方向。

图6 中国公司文稿占3GPP LTE总文稿数的比例

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