北電網絡有限公司 胡海寧 林奇兵

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    一 LTE市場背景和技術背景介紹

    伴隨GSM等移動網絡在過去的二十年中的廣泛普及，全球語音通信業務獲得了巨大的成功。

    目前，全球的移動語音用戶已超過了18億。

    同時，我們的通信習慣也從以往的點到點（PlacetoPlace）演進到人與人。個人通信的迅猛發展極大地促使了個人通信設備的微型化和多樣化，結合多媒體消息、在線游戲、視頻點播、音樂下載和移動電視等數據業務的能力，大大滿足了個人通信和娛樂的需求。

    另外，盡量利用網絡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備的微型化和普及。GSM網絡演進到GPRS/EDGE和WCDMA/HSDPA網絡以提供更多樣化的通信和娛樂業務，降低無線數據網絡的運營成本，已成為GSM移動運營商的必經之路。但這也僅僅是往寬帶無線技術演進的一個開始。WCDMA/HSDPA與GPRS/EDGE相比，雖然無線性能大大提高，但是，在IPR的制肘、應對市場挑戰和滿足用戶需求等領域，還是有很多局限。

    由于CDMA通信系統形成的特定歷史背景，3G所涉及的核心專利被少數公司持有，在IPR上形成了一家獨大的局面。專利授權費用已成為廠家承重負擔?？梢哉f，3G廠商和運營商在專利問題上處處受到制肘，業界迫切需要改變這種不利局面。

    面對高速發展的移動通信市場的巨大誘惑和大量低成本，高帶寬的無線技術快速普及，眾多非傳統移動運營商也紛紛加入了移動通信市場，并引進了新的商業運營模式。例如，Google與互聯網業務提供商（ISP）Earthlink合作，已在美國舊金山全市提供免費的無線接入服務，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，由于本身業務激烈競爭的原因，提供免費WiFi無線接入方式，通過因特網可以輕易的查詢到這類信息。最近，網絡服務提供商“Skype”更在這些免費的無線寬帶接入基礎上，新增了幾乎免費的語音及視頻通信業務。這些新興力量給傳統移動運營商帶來了前所未有的挑戰，加快現有網絡演進，滿足用戶需求，提供新型業務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的低系統傳輸延遲，在高移動速率環境下的全網無縫覆蓋。而最重要的一點是能被廣大用戶負擔得起的廉價終端設備和網絡服務。

    這些要求已遠遠超出了現有網絡的能力，尋找突破性的空中接口技術和網絡結構看來是勢在必行。與WiFi和WiMAX等無線接入方案相比，WCDMA/HSDPA空中接口和網絡結構過于復雜，雖然在支持移動性和QoS方面有較大優勢，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3GPP標準組織原先的時間表，4G最早要在2015年才能正式商用，在這期間傳統電信設備商和運營商將面臨前所未有的挑戰。用戶的需求、市場的挑戰和IPR的制肘共同推動了3GPP組織在4G出現之前加速制定新的空中接口和無線接入網絡標準。2004年11月，3GPP加拿大多倫多“UTRAN演進”會議收集了無線接入網R6版本之后的演進意見，在隨后的全體會議上，“UTRA和UTRAN演進”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組織運營商和設備商成員共同研究3G技術演進版本的強烈愿望。

    二 LTE項目計劃和主要性能目標

    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（StudyItem）階段，完成可行性研究報告；2006年6月到2007年6月為WI（WorkItem）階段，完成核心技術的規范工作。

    在2007年中期完成LTE相關標準制定（3GPPR7），在2008年或2009年推出商用產品。到目前為止，LTE項目的研究工作取得了一系列的重大進展，截至到2006年3月已完成或正在進行的內容包括：物理層接入方案、無線接口協議體系結構，RAN-CN功能劃分與調整，及宏分集、射頻的相關研究。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。

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

    為了實現3GLTE系統的上述目標性能，需要改進與增強現有3G系統的空中接口技術和網絡結構。3GPP標準化組織經過激烈的討論于2005年12月，批準采用由北電等的廠家提出的OFDM和MIMO方案作為其無線網絡演進（LTE）的唯一標準，這也表明3GPP標準的演進方向與北電的多年來技術發展方向完全一致。同時LTE系統核心網采用兩層扁平網絡架構，由WCDMA/HSDPA階段的NodeB、RNC、SGSN、GGSN四個主要網元，演進為eNodeB（eNB）和接入網關（aGW）兩個主要網元。核心網同時采用全IP分布式結構，支持IMS、VoIP、SIP、Mobile IP等各種先進技術。

    三 LTE要害技術及進展情況

    空中接口物理層技術是無線通信系統的基礎與標志，3GPP組織就LTE系統物理層下行傳輸方案很快達成一致，采用先進成熟的OFDMA技術；但上行傳輸方案卻爭論不斷，很大部分設備商考慮到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標準組織的公司卻認為可以采用濾波、循環削峰等方法有效降低OFDM峰均比。雙方各執己見，一度僵持不下，經過多次會議的艱苦協商，最后上行方案還是選擇了單載波SC-FDMA。這樣LTE系統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生了激烈的爭論，最終考慮到網絡結構扁平化，分散化的發展趨勢，3GPP組織在2005年12月經過“示意性”的投票，決定LTE系統暫不考慮宏分集技術。

    OFDM技術是LTE系統的技術基礎與主要特點，OFDM系統參數設定對整個系統的性能會產生決定性的影響，其中載波間隔又是OFDM系統的最基本參數，經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，數據到資源塊的映射方式可采用集中（localized）方式或離散（distributed）方式。循環前綴CyclicPrefix（CP）的長度決定了OFDM系統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，但系統開銷也會相應增加，導致數據傳輸能力下降。為了達到小區半徑100Km的覆蓋要求，LTE系統采用長短兩套循環前綴方案，根據具體場景進行選擇：短CP方案為基本選項，長CP方案用于支持LTE大范圍小區覆蓋和多小區廣播業務。

    MIMO作為提高系統輸率的最主要手段，也受到了各方代表的廣泛關注。LTE已確定MIMO天線個數的基本配置是下行2×2、上行1×2，但也在考慮4×4的高階天線配置。北電的專利技術虛擬MIMO也被LTE采納作為提高小區邊緣數據速率和系統性能的主要手段。另外，LTE也正在考慮采用小區干擾抑制技術來改善小區邊緣的數據速率和系統容量。下行方向MIMO方案相對較多，根據2006年3月雅典會議報告，LTEMIMO下行方案可分為兩大類：發射分集和空間復用兩大類。目前，考慮采用的發射分集方案包括塊狀編碼傳送分集（STBC,SFBC），時間（頻率）轉換發射分集（TSTD，FSTD），包括循環延遲分集（CDD）在內的延遲分集（作為廣播信道的基本方案），基于預編碼向量選擇的預編碼技術。其中預編碼技術已被確定為多用戶MIMO場景的傳送方案。5月的上海會議將對MIMO技術做進一步的討論。最終會為下行數據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。為了實現系統下行100Mbps峰值速率的目標，在3G原有的QPSK、16QAM基礎上，LTE系統增加了64QAM高階調制。LTE上行方向關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一步降低上行SC-FDMA的峰均比。LTE除了繼續采用成熟的Turbo信道編碼外，還在考慮使用先進的低密度奇偶校驗（LDPC）碼。

    3GPPLTE接入網在能夠有效支持新的物理層傳輸技術的同時，還需要滿足低時延、低復雜度、低成本的要求。原有的網絡結構顯然已無法滿足要求，需要進行調整與演進。2006年3月的會議上，3GPP確定了E-UTRAN的結構，接入網主要由演進型eNodeB（eNB）和接入網關（aGW）構成，這種結構類似于典型的IP寬帶網絡結構，采用這種結構將對3GPP系統的體系架構產生深遠的影響。eNodeB是在NodeB原有功能基礎上，增加了RNC的物理層、MAC層、RRC、調度、接入控制、承載控制、移動性治理和inter-cellRRM等功能。aGW可以看作是一個邊界節點，作為核心網的一部分。但在如何處理小區間干擾協調、負載控制等問題上各成員還存在分歧，是采用RRMServer進行集中式治理，還是采用分散治理，尚未達成一致。

    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技術的研究與開發，擁有近八年的經驗，持有120多項相關專利，并已為世界上100多個客戶成功演示，充分展示了該技術的可行性及商業前景。

    北電是3GPPLTE標準化的領先企業之一。2003年北電在業界率先倡導3GPPOFDMSI 預研，并擔任研究報告主編，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系統就進行了5MHz帶寬10Mbps的高速數據傳輸演示，2002年傳輸速率提升到18.4Mbps，2004年更是達到了37Mbps。目前北電正在開發的新模型使用MIMO 64 QAM 4/5 碼率，實現了20MHz帶寬300Mbps的高傳輸速率。

    北電LTE解決方案建立在北電UMTS解決方案基礎之上，采取平滑演進的策略。北電解決方案的設計思想是充分利用UMTS現有基站站址，透過疊加微型化和模塊化的LTE設備，最大地節省運營商的設備投資，精簡網絡結構，減少網元數量，優化系統性能。為了能夠從原有網絡高效快速的演進到LTE網絡，運營商在UMTS建網時，就應有所考慮，如采用集成度高基站或GSM/UMTS雙模機站，有利于解決向LTE演進時解決站址緊張的問題。目前，北電已經推出GSMUMTS雙模機站，根據市場需求，計劃于2008年推出LTE相關產品，以滿足在2010年前后，大規模商業部署LTE網絡的需要。（寧一編輯）