通信技術：淺談UMTS演進之路

2019-11-05 02:58:35

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供稿：網友

　　摘要　UMTS是目前最具影響力的3G標準，文章介紹了UMTS的兩個演進版本——長期演進（LTE）和HSPA演進（HSPA+）的標準化現狀，展望了UMTS標準向更遠期的IMT-Advanced技術演進的可能路線，分析了多種演進路線，以及不同類型運營商可能的選擇。

　　1、UMTS演進之路

　　“第三代移動通信”（3G）技術是當前主流的無線通信技術。在諸多3G技術標準中，又以3GPP制定的UMTS技術標準最具影響力。3G正在全世界范圍逐步部署，增強型UMTS技術——高速下行分組接入（HSDPA）和高速上行分組接入（HSUPA）技術的標準化工作也接近完成。同時，為了使3GPP標準相對其他無線標準保持長期優勢，UMTS技術的演進版本的標準化工作也正在緊鑼密鼓地進行。

　　為UMTS標準設計演進之路時，不同公司的考慮也不盡相同。在2004年WiMAX技術對UMTS技術（尤其是HSDPA技術）時，3GPP急于開發和WiMAX抗衡的以OFDM/FDMA為核心技術、支持20 MHz系統帶寬的、具有相似甚至更高性能的技術，此即長期演進（LTE）。

　　為了實現LTE所需的大系統帶寬，3GPP不得不選擇放棄長期采用的CDMA技術，選用新的核心傳輸技術，即OFDM/FDMA技術。在無線接入網（RAN）結構層面，為了降低用戶面延遲，LTE取消了重要的網元——無線網絡控制器（RNC）。在核心網（CN）層面，和LTE相對應的SAE（系統框架演進）項目正在大大改變系統框架。由LTE/SAE為標志的這次變革，與其說是Evolution（演進），不如說是Revolution（革命）。這場“革命”是系統不可避免的喪失了大部分后向兼容性，也就是說，從網絡側和終端側都要做大規模的更新換代。因此很多公司實際上將LTE干脆看作B3G技術范疇。

　　由于LTE系統缺乏和3G系統的后向兼容性，因此LTE系統更適合于在較早階段（如2000年左右）部署了3G系統，在2010年左右希望大規模更新網絡的那些運營商。對于那些近幾年剛部署了3G系統，在2015年左右之前不希望進行“革命性”換代的運營商，LTE可能不是在近幾年內保持市場競爭性的最佳選擇。因此3GPP又啟動了HSPA（包括HSDPA和HSUPA）的演進項目，又稱為“HSPA+”。HSPA+技術的宗旨是要保持和UMTS第6版本（Rel 6）的后向兼容性，同時在5MHz帶寬下要達到和LTE相仿的性能。這樣，希望在近期內以較小的代價改進系統，提高系統性能的UMTS運營商就可以采用HSPA+技術進行演進。

　　從更長期的演進的角度，B3G技術的標準化工作，已經“近在眼前”。最近，國際電信聯盟（ITU）將超3G（B3G）技術命名為IMT-Advanced技術，并初步決定在2008年2月開始IMT-Advanced的技術提案征集工作。從延續3GPP現有的市場地位的角度考慮，歐洲公司可能會在LTE標準基礎上，補充歐洲B3G研究項目（如WINNER項目）的研究成果，形成歐洲的IMT-Advanced提案，因此LTE技術和HSPA+技術的進一步演進版本很可能就是IMT-Advanced技術之一。

　　而對于尚未部署3G系統的2G運營商，由于IMT-Advanced系統大約在10年后就可以成熟并用于市場部署。在這10年的間隙內或者部署3G系統（包括HSPA和HSPA+），或者部署LTE系統，兩者可擇其一。但在短短10年時間內進行兩次大規模升級，先后部署3G和LTE系統，似乎代價過大，無法及時收回前一次升級的投資。

　　綜上所述，UMTS的演進之路將不是單一的演進方向，而是根據不同運營商的不同需求和系統部署時間表可以靈活選擇的多條演進路線。依筆者看來，運營商的演進路線可能分為如下4種情形：

　　◆最早部署了3G系統的UMTS運營商：3G→LTE→IMT-Advanced。

　　◆剛剛部署了3G系統的UMTS運營商：3G→HSPA+→IMT-Advanced。

　　◆近期即將部署3G系統的2G運營商：3G（包括HSPA+）→IMT-Advanced。

　　◆近期不會部署3G系統的2G運營商：2G→LTE→IMT-Advanced。

　　2、3GPP長期演進（LTE）標準化現狀

　　2.1　LTE系統需求

　　LTE項目首先從定義需求開始。主要需求指標包括：

　　◆支持1.25 MHz～20 MHz帶寬。

　　◆峰值數據率：上行50 Mb/s，下行100 Mb/s。頻譜效率達到3GPP R6的2～4倍。

　　◆提高小區邊緣的比特率。

　　◆用戶面延遲（單向）小于5 ms，控制面延遲小于100 ms。

　　◆支持與現有3GPP和非3GPP系統的互操作。

　　◆支持增強型的廣播多播業務。

　　◆降低建網成本，實現從R6的低成本演進。

　　◆實現合理的終端復雜度、成本和耗電。

　　◆支持增強的IMS（ip多媒體子系統）和核心網。

　　◆追求后向兼容，但應該仔細考慮性能改進和向后兼容之間的平衡。

　　◆取消CS（電路交換）域，CS域業務在PS（包交換）域實現，如采用VoIP。

　　◆對低速移動優化系統，同時支持高速移動。

　　◆以盡可能相似的技術同時支持成對（Paired）和非成對（Unpaired）頻段。

　　◆盡可能支持簡單的臨頻共存。

　　3GPP毫不諱言LTE項目的啟動是為了應對“其他無線通信標準”的競爭。針對WiMAX“低移動性寬帶IP接入”的定位，LTE提出了相對應的需求，如相似的帶寬、數據率和頻譜效率指標、對低移動性進行優化、只支持PS域，強調廣播多播業務等。同時，出于對VoIP和在線游戲的重視，LTE對用戶面延遲的要求近乎苛刻。關于向后兼容的要求似乎模棱兩可，從目前的情況看，由于選擇了大量的新技術，至少在物理層已難以保持從UMTS的平滑過渡。

　　另外，運營商還提出加強廣播業務的要求，增加了在單獨的下行載波部署移動電視（Mobile TV）系統的需求。

　　2.2　LTE物理層技術選擇

　?。?）基本傳輸技術和多址技術

　　3GPP成員在討論多址技術方案時，主要分兩個陣營：多數公司認為OFDM/FDMA技術與CDMA技術相比，可取得更高的頻譜效率；而少數公司認為OFDM系統和CDMA系統性能相當，出于后向兼容的考慮，應該沿用CDMA技術。

　　持前一種看法的公司全部支持在下行采用OFDM技術，但在上行多址技術的選擇上又分為兩種觀點。大部分廠商因為對OFDM的上行峰平比PAPR（將影響手持終端的功放成本和電池壽命）有顧慮，主張采用具有較低PAPR的單載波技術。另一些公司（主要是積極參與WiMAX標準化的公司）建議在上行也采用OFDM技術，并用一些增強技術解決PAPR的問題。經過激烈的討論和艱苦的融合，3GPP最終選擇了大多數公司支持的方案，即下行OFDM；上行SC（單載波）-FDMA。

　　SC-FDMA具體采用DFT-S-OFDM技術實現，這種技術是在OFDM的IFFT調制之前對信號進行DFT擴展，這樣系統發射的是時域信號，從而可以避免OFDM系統發送頻域信號帶來的PAPR問題。

　?。?）“宏分集”之爭

　　是否采用宏分集技術，是LTE討論中的又一個焦點。這個問題看似是物理層技術的取舍，實則影響到網絡架構的選擇，對LTE/SAE系統的發展方向有深選的影響。

　　3GPP內部在下行宏分集問題上的看法比較一致。由于存在難以解決的“同步問題”，各公司很早就明確，對單播（unicast）業務不采用下行宏分集。只是在提供多小區廣播（broadcast）業務時，由于放松了對頻譜效率的要求，可以通過采用較大的循環前綴（CP），解決小區之間的同步問題，從而使下行宏分集成為可能。

　　與下行相比，3GPP對上行宏分集的取舍卻遲遲不決。宏分集的基礎是軟切換，這種CDMA系統的典型技術，在FDMA系統中卻可能“弊大于利”。更重要的是，軟切換需要一個“中心節點”（如RNC）來進行控制，這和大多數公司推崇的網絡“扁平化”、“分散化”網絡結構背道而馳。經過激烈的爭論，3GPP最終決定LTE不考慮宏分集技術。

進入討論組討論。

　?。?）其他技術選擇和系統設計

　　LTE在MIMO技術的討論上碰到了較大的困難。3GPP在MIMO技術的采用上一貫比較謹慎，在CDMA系統是否采用MIMO技術的問題上長期難以決定（近期才有所突破）。

在LTE方面，雖然很早就明確了要采用MIMO技術，但在具體技術方案上分為兩個陣營，即基于預編碼（Precoding）技術的方案和基于天天線速率控制（PARC）技術的方案。雖然目前3GPP在此問題上的看法正在逐步收斂，但最后的技術選擇仍很艱難。

　　LTE在數據傳輸延遲方面的要求很高（單向延遲小于5ms），這要求LTE系統須采用很小的最小交織長度（TTI）。LTE采用了0.5ms的子幀長度和1ms的TTI（1個TTI包含2個子幀）。另外，為了解決TD-SCDMA系統和LTE TDD系統的“臨頻共址”共存問題，3GPP確定在考慮和LCR-TDD系統兼容時可以采用0.675ms子幀長度。

　　其他物理層技術細節，如系統參數、導頻結構、時頻資源分配、控制信道復用、調制和編碼、鏈路自適應、頻域調度、HARQ（混合自動重傳）、小區干擾抑制、小區搜索、隨機接入等已接近確定。

　　2.3　空中接口協議結構和網絡架構

　　傳統的3GPP接入網UTRAN由NodeB和RNC兩層節點構成，但在考慮LTE技術時，大多數公司建議將RNC省去，采用由NodeB構成的單層結構，因為這樣的結構有利于簡化網絡和減小延遲。但少數設備商和運營商建議保留原有的網絡架構，只做局部的修改。假如采用第一種（即“扁平”的）網絡架構，則將對3GPP系統的整個體系架構產生深遠的影響，實際上將逐步趨近于典型的IP寬帶網結構。

　　在作出不采用宏分集的決定后，這個問題的焦點集中在上層ARQ（Outer ARQ）、無線資源控制（RRC）和小區間無線資源治理（Inter-cell RRM）功能塊的位置上。假如上述功能可以在Node B完成，則可以采用只由Node B構成的“扁平”E-UTRAN結構；假如上述功能無法在Node B內完成，則必須保留所謂的“中心節點”（類似于RNC）來實現這些功能，也即需要采用兩層結構的E-UTRAN。

　　最后由于絕大多數公司支持前一種方案，因此確定了由演進型Node B（eNB）和接入網關（aGW）構成的接入網結構。aGW實際上是一個邊界節點，假如將它看作核心網的一部分，則接入網主要由eNB一層構成。LTE的eNB除了具有原來Node B的功能外，還承擔了原來RNC的大部分功能，包括物理層（包括HARQ）、MAC層（包括ARQ）、RRC（無線資源控制）、調度、無線接入許可、無線承載控制、接入移動性治理和小區間RRM（無線資源治理）等。對小區間干擾協調、負載控制等功能，也采用完全分散的治理結構。Node B和Node B之間將采用網格（Mesh）方式直接互連，這也是對原有UTRAN結構的重大修改。

　　在傳輸信道的設計方面，LTE的信道數量將比WCDMA系統有所減少。最大的變化是將取消專用信道，在上行和下行都采用共享信道（SCH）。

　　2.4　LTE標準化現狀

　　LTE研究階段（SI）已經于2006年9月結束。LTE的可行性研究得出了正面的結論，因此3GPP正式批準了LTE工作階段（WI），LTE標準的起草已正式開始。按照目前的工作計劃，3GPP將于2007年3月完成第2階段（Stage 2）的協議，于2007年9月最終完成第3階段（Stage 3）協議。

　　3GPP已經將34系列的規范編號分配給了LTE。其中物理層將起草如下幾個LTE技術規范，如表1所示。

　　　　　　　　　　　表1　物理層將起草的幾個LTE技術規范

通信技術：淺談UMTS演進之路

　　3、HSPA演進技術

　　HSPA的進一步演進和增強（HSPA+）是3GPP RAN啟動一個新的研究項目。這個研究項目的目的是明確HSPA+將要達到的目標、包含的研究內容及和現有研究項目和工作項目的關系，此項目僅針對FDD系統。目前對HSPA+項目的研究范疇還沒有形成完全一致的意見，但初步確定了一些HSPA+的基本需求：

　?。?）結構方面需求

　　◆提供低復雜度、低成本的從HSPA向SAE/LTE平滑演進的路徑；

　　◆降低用戶面延遲（針對現有的和R7以后的終端）；

　　◆降低控制面延遲（對R7以后的終端，假如有成本的有效方法，也對現有終端）；

　　◆考慮簡化/減少節點數量；

　　◆考慮將HSPA+RAN連接到SAE CN上（用戶面和/或控制面）；

　　◆應該考慮和非3GPP系統間的移動性；

　　◆考慮用CS域支持原有的CS業務；

　　◆考慮降低網絡成本。

　?。?）空口方面

　　◆考慮提高頻譜效率的方法；

　　◆降低用戶面延遲（針對現有的和R7以后的終端）；

　　◆降低控制面延遲（對R7以后的終端，假如有成本的有效方法，也對現有終端）；

　　◆保持和現有終端兼容的方式考慮如何提供高效的QoS支持；

　　◆需要考慮是否能現有終端或R7以后的終端帶來改進；

　　◆對終端的任何改變都應該盡可能多地在原有的測試工作的基礎上發展。

　　（3）HSPA+系統需要滿足的限制

　　◆應可以利用現有的R7 RAN結構，但假如支持和R7結構的完全互聯，應考慮改變結構的建議。

　　◆假如可以帶來顯著的性能增益并可以低復雜度的向SAE/LTE演進，可以重新考慮RAN和CN的功能劃分。

　　◆應盡可能減小對NodeB的影響，答應簡單的升級和硬件的再利用。但不排除通過硬件升級支持額外的功能（如提高處理能力和RNC功能等）。

　　◆應盡可能減小對UE的影響，尤其是控制復雜度。

　　◆R99和現有HSPA UE應可以和HSPA+終端共享載波，且不帶來性能損失。

　　◆系統內和系統間的移動性性能不應比R7更差。

　　HSPA+的主要工作較多的集中在RAN2工作組。在物理層方面，主要將利用目前正在開展的幾項研究，如分組數據用戶的連續連接、MIMO等。另外，還可以考慮采用更高階的調制方式等技術提高系統性能。

　　4、3GPP的IMT-Advanced之路

　　3GPP是否會成為指定IMT-Advanced標準的標準化組織之一，尚不能確定。假如3GPP繼續承擔歐洲IMT-Advanced標準的制定任務，預計3GPP會基于LTE系統研發IMT-Advanced系統。由于LTE系統已經具有B3G技術的很多主要特性，LTE的核心技術很能會被沿用到IMT-Advanced系統中，同時增加對超大系統帶寬（100 MHz）的支持，對多頻異構系統的支持，采用中繼和頻譜共享等技術，形成和LTE系統后向兼容的IMT-Advanced技術方案。