LTE演进及其标准化(一)

2013-09-22 09:09:00来源: 互联网

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。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。

        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。

  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20MHz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)20MHz带宽条件下,峰值速率达到上行50Mbit/s(2×1天线),下行100Mbit/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5ms。

  e)从空闲状态到激活状态的转换时间小于100ms,从休眠状态到激活状态的转换时间小于50ms。

  f)支持低速移动和高速移动。低速(0~15km/h)下性能较好,高速(15~120km/h)下性能最优,较高速(350~500km/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5MHz。采用2×2 MIMO配置和16QAM调制方式时,HSPA+峰值速率为28Mbit/s,采用2×2 MIMO配置和64QAM调制方式时,峰值速率为42Mbit/s。而LTE系统可以支持20MHz的带宽,LTE-A可以支持100MHz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。

  

LTE和HSPA+的理论最大传输速率

关键字:LTE  演进  标准化

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2013/0922/article_19346.html
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