3GLTE

為了達到這些目標，無線介面和無線網路架構的演進同樣重要。考慮到需要提供比3G更高的數據速率，和未來可能分配的頻譜，LTE需要支持高於5MHz的傳輸帶寬。

E-UTRA和E-UTRAN要求

UTRA和UTRAN演進的目標，是建立一個能獲得高傳輸速率、低等待時間、基於包優化的可演進的無線接入架構。3GPP LTE正在制定的無線介面和無線接入網架構演進技術主要包括如下內容：

（1）明顯增加峰值數據速率。如在20MHz帶寬上達到100Mbit/s的下行傳輸速率（5bit/s/Hz）、50Mbit/s的上行傳輸速率（2.5bit/s/Hz）。

（2）在保持目前基站位置不變的情況下增加小區邊界比特速率。如MBMS（多媒體廣播和組播業務）在小區邊界可提供1bit/s/Hz的數據速率。

（3）明顯提高頻譜效率。如2~4倍的R6頻譜效率。

（4）無線接入網（UE到E-Node B用戶面）延遲時間低於10ms。

（5）明顯降低控制面等待時間，低於100ms。

（6）帶寬等級為：a）5、10、20MHz和可能取的15MHz；b）1.25、1.6和2.5MHz，以適應窄帶頻譜的分配。

（7）支持與已有的3G系統和非3GPP規範系統的協同運作。

（8）支持進一步增強的MBMS。

上述演進目標涉及到系統的能力和系統的性能，是LTE研究中最重要的部分，也是E-UTRA和E-UTRAN保持最強競爭力的根本。

在LTE中，還規範了一些其他要求，如與配置相關的要求、E-UTRAN架構和移植要求、無線資源管理要求、複雜性要求、成本相關要求和業務相關要求。

與其他無線接入方式相比，高頻譜效率、廣域覆蓋和支持用戶高速移動是E-UTRAN系統的主要特點。在E-UTRAN中，當移動速率為15~120km/h時，能獲得最高的數據傳輸性能。E-UTRAN支持在蜂窩之間120~350km/h甚至高達500km/h的移動速率。在整個速率範圍內，R6中CS域的語音和其他實時業務在E-UTRAN中通過PS域來支持，並要求至少獲得與UTRAN相同的性能。

LTE物理層方案和技術

在LTE層1方案徵集過程中，有6個選項在3GPP RAN1工作組中被評估。它們是：

（1）FDD，上行採用單載波FDMA（SC-FDMA），下行採用OFDMA。

（2）FDD，上行下行都採用OFDMA。

（3）FDD，上行下行都採用多載波WCDMA（MC-WCDMA）。

（4）TDD，上行下行都採用多載波時分同步CDMA（MC-TD-SCDMA）。

（5）TDD，上行下行都採用OFDMA。

（6）TDD，上行採用單載波FDMA（SC-FDMA），下行採用OFDMA。

在上述方案中，按照雙工方式可分為頻分雙工（FDD）和時分雙工（TDD）兩類；按照無線鏈路多址方式主要可分為碼分多址（CDMA）和正交頻分多址（OFDMA）兩類。

針對5MHz頻譜做系統級的初步評估，採用CDMA的系統與採用OFDM的系統，在提升頻譜效率方面表現相似。如果採用CDMA演進途徑，則有利於系統從前期UTRA版本平滑升級，可以廣泛地重用物理層。如果採用OFDMA，一個完全脫離以往設計約束的全新層1結構，則有利於系統在設計參量上做出靈活和自由的選擇，更容易實現E-UTRA定義的一些目標，如等待時間、最小帶寬間隔以及在不同雙工模式下的公平性等；同時，對於用戶接收機來說，針對OFDMA空中介面的處理相對簡單，在更大帶寬和高階多輸入多輸出（MIMO）配置情況下可以降低終端的複雜性。

綜合上述因素，當然也經過激烈的討論和艱苦的融合，在2005年12月召開的TSG RAN第30次全會上，最終決定LTE可行性研究將集中在下行OFDMA和上行SC-FDMA上。這也意味著OFDM技術在3GPP LTE中獲得了勝利。這一結果一方面出於純技術的考慮，即在下行鏈路採用頻譜效率很高的OFDMA作為調製方式，在上行鏈路採用SC-FDMA，可以降低發射終端的峰均功率比，減小終端的體積和成本；另一方面也是為了擺脫自3G以來高通公司獨掌CDMA核心專利的制約。

基本物理層傳輸方案

LTE下行傳輸方案採用傳統的帶循環前綴（CP）的OFDM，每一個子載波佔用15kHz，循環前綴的持續時間為4.7/16.7μs，分別對應短CP和長CP。為了滿足數據傳輸延遲的要求（在輕負載情況下，用戶面延遲小於5ms），LTE系統必須採用很短的交織長度（TTI）和自動重傳請求（ARQ）周期，因此，在3G中的10ms無線幀被分成20個同等大小的子幀，長度為0.5ms。

下行數據的調製主要採用QPSK、16QAM和64QAM這3種方式。針對廣播業務，一種獨特的分層調製（hierarchical modulation）方式也考慮被採用。分層調製的思想是，在應用層將一個邏輯業務分成兩個數據流，一個是高優先順序的基本層，另一個是低優先順序的增強層。在物理層，這兩個數據流分別映射到信號星座圖的不同層。由於基本層數據映射后的符號距離比增強層的符號距離大，因此，基本層的數據流可以被包括遠離基站和靠近基站的用戶接收，而增強層的數據流只能被靠近基站的用戶接收。也就是說，同一個邏輯業務可以在網路中根據通道條件的優劣提供不同等級的服務。

在目前的研究階段，主要還是沿用R6的Turbo編碼作為LTE通道編碼，例如在系統性能評估中。但是，很多公司也在研究其他編碼方式，並期望被引入LTE中，如低密度奇偶校驗（LDPC）碼。在大數據量情況下，LDPC碼可獲得比Turbo碼高的編碼增益，在解碼複雜度上也略有減小。

MIMO技術在R7中已經被引入，是WCDMA增強的一個重要特性。而在LTE中，MIMO被認為是達到用戶平均吞吐量和頻譜效率要求的最佳技術。下行MIMO天線的基本配置是，在基站設兩個發射天線，在UE設兩個接收天線，即2×2的天線配置。更高的下行配置，如4×4的MIMO也可以考慮。開環發射分集和開環MIMO在無反饋的傳輸中可以被應用，如下行控制通道和增強的廣播多播業務。

雖然宏分集技術在3G時代扮演了相當重要的角色，但在HSDPA/HSUPA中已基本被摒棄。即便是在最初討論過的快速小區選擇（FCS）的宏分集，在實際規範中也沒有定義。LTE沿用了HSDPA/HSUPA思想，即只通過鏈路自適應和快速重傳來獲得增益，而放棄了宏分集這種需要網路架構支持的技術。在2006年3月的RAN總會上，確認了E-UTRAN中不再包含RNC節點，因而，除廣播業務外，需要“中心節點”（如RNC）進行控制的宏分集技術在LTE中不再考慮。但是對於多小區的廣播業務，需要通過無線鏈路的軟合併獲得高信噪比。在OFDM系統中，軟合併可以通過信號到達UE天線的時刻都處於CP窗之內的RF合併來實現，這種合併不需要UE有任何操作。

上行傳輸方案採用帶循環前綴的SC-FDMA，使用DFT獲得頻域信號，然後插入零符號進行擴頻，擴頻信號再通過IFFT。這個過程簡寫為DFT-SOFDM。這樣做的目的是，上行用戶間能在頻域相互正交，以及在接收機一側得到有效的頻域均衡。

子載波映射決定了哪一部分頻譜資源被用來傳輸上行數據，而其他部分則被插入若干個零值。頻譜資源的分配有兩種方式：一是局部式傳輸，即DFT的輸出映射到連續的子載波上；另一個是分散式傳輸，即DFT的輸出映射到離散的子載波上。相對於前者，分散式傳輸可以獲得額外的頻率分集。上行調製主要採用π/2位移BPSK、QPSK、8PSK和16QAM。同下行一樣，上行通道編碼還是沿用R6的Turbo編碼。其他方式的前向糾錯編碼正在研究之中。

上行單用戶MIMO天線的基本配置，也是在UE有兩個發射天線，在基站有兩個接收天線。在上行傳輸中，一種特殊的被稱為虛擬（Virtual）MIMO的技術在LTE中被採納。通常是2×2的虛擬MIMO，兩個UE各自有一個發射天線，並共享相同的時—頻域資源。這些UE採用相互正交的參考信號圖譜，以簡化基站的處理。從UE的角度看，2×2虛擬MIMO與單天線傳輸的不同之處，僅僅在於參考信號圖譜的使用必須與其他UE配對。但從基站的角度看，確實是一個2×2的MIMO系統，接收機可以對這兩個UE發送的信號進行聯合檢測。

基本物理層技術

在基本的物理層技術中，E-Node B調度、鏈路自適應和混合ARQ（HARQ）繼承了HSDPA的策略，以適應基於數據包的快速數據傳輸。

對於下行的非MBMS業務，E-Node B調度器在特定時刻給特定UE動態地分配特定的時—頻域資源。下行控制信令通知分配給UE何種資源及其對應的傳輸格式。調度器可以即時地從多個可選方案中選擇最好的復用策略，例如子載波資源的分配和復用。這種選擇資源塊和確定如何復用UE的靈活性，可以極大地影響可獲得的調度性能。調度和鏈路自適應以及HARQ的關係非常密切，因為這3者的操作是在一起進行的。決定如何分配和復用方式的依據包括以下一些：QoS參數、在E-Node B中準備調度的數據量、UE報告的通道質量指示（CQI）、UE能力、系統參數如帶寬和干擾水平，等等。

鏈路自適應即自適應調製編碼，可以在共享通道上應用不同的調製編碼方式適應不同的通道變化，獲得最大的傳輸效率。將編碼和調製方式變化組合成一個列表，E-Node B根據UE的反饋和其他一些參考數據，在列表中選擇一個調製速率和編碼方式，應用於層2的協議數據單元，並映射到調度分配的資源塊上。上行鏈路自適應用於保證每個UE的最小傳輸性能，如數據速率、誤包率和響應時間，而獲得最大化的系統吞吐量。上行鏈路自適應可以結合自適應傳輸帶寬、功率控制和自適應調製編碼的應用，分別對頻率資源、干擾水平和頻譜效率這3個性能指標做出最佳調整。

為了獲得正確無誤的數據傳輸，LTE仍採用前向糾錯編碼（FEC）和自動重複請求（ARQ）結合的差錯控制，即混合ARQ（HARQ）。HARQ應用增量冗餘（IR）的重傳策略，而chase合併（CC）實際上是IR的一種特例。為了易於實現和避免浪費等待反饋消息的時間，LTE仍然選擇N進程并行的停等協議（SAW），在接收端通過重排序功能對多個進程接收的數據進行整理。HARQ在重傳時刻上可以分為同步HARQ和非同步HARQ。同步HARQ意味著重傳數據必須在UE確知的時間即刻發送，這樣就不需要附帶HARQ處理序列號，比如子幀號。而非同步HARQ則可以在任何時刻重傳數據塊。從是否改變傳輸特徵來分，HARQ又可以分為自適應和非自適應兩種。目前來看，LTE傾向於採用自適應的、非同步HARQ方案。

與CDMA不同，OFDMA無法通過擴頻方式消除小區間的干擾。為了提高頻譜效率，也不能簡單地採用如GSM中復用因子為3或7的頻率復用方式。因此，在LTE中，非常關注小區間干擾消減技術。小區間干擾消減途徑有3種，即干擾隨機化、干擾消除和干擾協調/避免。另外，在基站採用波束成形天線的解決方案也可以看成是下行小區間干擾消減的通用方法。干擾隨機化可以採用如小區專屬的加擾和小區專屬的交織，後者即為大家所知的交織多址（IDMA）；此外，還可採用跳頻方式。干擾消除則討論了採取如依靠UE多天線接收的空間抑制和基於檢測/相減的消除方法。而干擾協調/避免則普遍採取一種在小區間以相互協調來限制下行資源的分配方法，如通過對相鄰小區的時—頻域資源和發射功率分配的限制，獲得在信噪比、小區邊界數據速率和覆蓋方面的性能提升。

E-UTRAN架構

E-UTRAN與UTRAN架構完全不同，去掉了RNC這個網路設備，只保留了Node B網元，目的是簡化網路架構和降低時延。RNC功能被分散到了演進的Node B（E-Node B）和接入網關（aGW）中。目前並沒有說明aGW是位於E-UTRAN還是SAE（系統架構演進）中。但從LTE設計初衷來看，應該只採用由E-Node B構成的單層結構，而aGW因為包含了原SGSN功能，還是歸屬為SAE的邊界節點，只不過與E-UTRA相關的部分用戶面和控制面的功能在LTE中定義。

E-UTRAN結構中包含了若干個E-Node B（eNB），提供了終止於UE的E-UTRA用戶面（PHY/MAC）和控制面（RRC）協議。E-Node B之間採用網格（mesh）方式互連，E-Node B與aGW之間的介面稱為S1介面。

E-UTRAN的協議棧結構還是與URTAN一樣分為用戶面和控制面，但簡化了很多。比如去掉了RLC層，該實體功能被併入MAC層，PDCP功能在網路側被移到了aGW中。控制面RRC功能移入E-Node B中，並在網路側終止於E-Node B。

與UTRAN相比，E-UTRAN在通道結構上做了很大的簡化，雖然還沒有最終確定，但從目前討論的結果來看，傳輸通道將從原來的9個減為現在的5個，邏輯通道從原來的10個減為現在的7個。上/下行共享通道（DL/UL-SCH）用於承載用戶的控制信令和業務數據，取代了R6中的DCH、FACH、HS-DSCH和E-DCH通道。MCH只給多小區廣播/多播業務提供數據承載，而單小區的廣播/多播業務數據則在SCH通道上承載。在現階段，LTE尚未決定是否單獨定義映射多播業務的邏輯通道，如繼承R6中單獨的MCCH和MTCH。

無線資源控制（RRC）狀態在LTE中也簡化了許多，將UTMS中的RRC狀態和PMM狀態合併為一個狀態集，並且只包含RRC_IDLE、RRC_ACTIVE和RRC_DETACHED這3種狀態。在aGW網元中，UE的上下文必須區分這3種狀態。而在E-Node B中只保留RRC_ACTIVE狀態的UE上下文，即合併了原先的CELL_DCH、CELL_FACH、CELL_PCH和URA_PCH多種狀態。

結束語

除了對無線接入網演進的研究，3GPP還正在進行系統架構方面的演進工作，並將其定義為SAE。目前，一些發起並參與LTE/SAE標準制定和技術研究工作的3GPP成員，比如ALCATEL等設備廠商，正在積極研究和開發符合3G LTE/SAE技術標準的系統和設備，目標是在保證技術和系統性能領先的同時，最大程度地利用併兼容現有的系統平台，保持系統的平滑演進，以提供最優的無線通信解決方案。