1.2 LTE标准化

LTE（Long Term Evolution，长期演进）是3GPP主导制定的无线通信技术，关注的核心是无线接口和无线组网架构的技术演进问题。LTE不等于4G，人们更愿意称它为“准4G”或者叫“3.9G”，更愿意相信它是3G与4G之间的一个过渡，这样就给未来的4G技术更大的想象空间。

但是，LTE技术与其说是“Evolution”（演进），不如说是“Revolution”（革命）。无论在无线接口技术上还是在组网架构上，LTE相对于以往的无线制式都发生了革命性的变化。

既然是“长期”演进，那LTE一定是志存高远。3GPP的目标是使下一代的无线通信系统能够雄踞在现有无线制式能力之上，全面掌控无线制式性能的制高点，“确保在未来10年内领先”（协议上原话）。

如何确保新制定的无线制式在未来的10年内领先呢？有以下几个技术目标：

（1）带宽灵活配置：支持1.4MHz、3MHz、5MHz、10MHz、15MHz、20MHz的带宽。

（2）峰值速率更高：下行100Mbps，上行50Mbps。

（3）时延更小：控制面小于100ms，用户面小于5ms。

（4）支持高速：速度大于350km/h的用户支持最少100kbps的业务接入。

（5）简化结构：取消电路（CS）域，取消无线网络控制（RNC）节点。

在实现以上系统高目标的同时，降低系统复杂性和组网成本。有点又让马儿跑得快，又让马儿不吃草的味道。在降低系统复杂性这一条里，在LTE的需求里提出了“最小化可选项、没有冗余的强制特性”的要求。这一点是一个典型的运营商主导的需求。为了说明这个要求，先举个例子。

某美容院推出免费做脸部美容的活动。你的女友挺感兴趣，进去了。美容院的服务员告诉你的女友，免费的护肤品是最低档的，有几种非常适合她皮肤的护肤品，可以选择一下（见图1-3）。可选项太多（最小化可选项多么必要），你的女友选择了最贵的；如此多个回合。最后，美容院又说，为了效果好，必须买一种神仙水天天保养（这就叫做强制特性）。从美容院里出来，你的女友已经花了你1000元钱。

看来运营商对这种减少配置低价吸引客户，然后通过增加可选项，增加新特性来扩大销售的营销策略是有所提防的。

1.2.1 LTE标准化进程

高速业务需求迅速增多的牵引力、移动宽带化和宽带无线化技术共同发展的合力、IEEE WiMAX的压力共“三力”一起催生了LTE标准化项目的启动。

在2004年12月召开的多伦多3GPP会议上，LTE的概念被正式提出。之后，启动了3GPP LTE的相关研究工作。为了保证竞争优势，计划用两年左右的时间完成LTE标准的制定。实际上，由于物理层技术确定过程的复杂性，标准制定过程被拖延了很长时间。

LTE标准的制定分为三个阶段，如图1-4所示：需求讨论阶段、标准研究阶段、标准制定阶段。

从2004年12月到2005年6月，是LTE项目需求讨论阶段。

先定需求，再选用满足需求的可应用技术，这是LTE标准制定的一个特点。根据需求选取技术，不只看技术的先进性，还须考虑器件芯片的成熟程度、技术实现的复杂度和实现成本、理论及实测效果等多方面的因素。

以往的无线制式多是先看成熟的技术有哪些，再看能满足什么样的需求，而且在LTE的需求讨论中，有很多强势的运营商参与进去，如日本的NTT Docomo、欧洲的沃达丰（Vodafone）等。中国移动在2007年以一个较高的姿态参与进去，目的是把TDD双工方式写入LTE。

以前的无线制式制定，则主要是各设备厂家的事情，运营商很少参与。这就决定着LTE是更加贴近用户需求的技术。这一阶段的主要输出为：LTE需求报告（TR25.913）。

从2005年6月到2006年9月，是LTE标准研究阶段，即SI阶段（Study Item Stage）。

SI阶段原定于2006年6月完成，实际拖延了3个月，到2006年9月才完成可行性研究。这是因为在2006年6月完成的可行性报告里，LTE的频谱效率没有达到运营商的要求。直到把MIMO（Multiple Input Multiple Output，多入多出）天线技术的天线配置数目从2×2（输入×输出）提高到4×4，才达到了运营商的频谱效率要求。

在SI阶段输出的是TR25.xxx系列的文档，其中TR是Technical Report，属于研究报告类型，如LTE可行性研究报告（TR25.912）、LTE物理层研究报告（TR25.814）、LTE无线接口研究报告（TR25.813）等。

从2006年9月到2008年12月，是LTE标准制定阶段，即WI阶段（Work Item Stage）。

2006年9月正式开始WI阶段，由于SI阶段推迟了3个月，于是修改了计划完成日期。原定于2007年9月完成LTE的第一个商用标准版本，结果延期了一年多，到2008年年底才推出首个商用协议版本。

延期的主要原因是对物理层技术的选用存在很大的争议。有些技术在理论上很好，但实测或者仿真性能不理想；有些技术在理论和实测上都还可以，但设备实现的复杂度很大。延期的另一个原因是LTE的帧结构确定不下来，虽然后来帧结构确定以后，没有大家想象得那么复杂。经济基础决定上层建筑，物理层协议出不来，层二、层三的标准制定工作就会白费。最终选择的技术不一定是理论上最先进的，但一定是可实现的和满足需求的。

LTE主要涉及TS36.xxx系列协议，其中TS是Technical Specification，属于技术协议细则类型，如LTE系统整体描述报告（TS36.300）。

当然，现在LTE标准还在不断完善更新之中，还会不断出现各种新标准、新技术，如LTE Advanced、IMT-advanced。有兴趣的读者可以登录http://www.3gpp.org/网站，查看动态信息。

1.2.2 LTE的设计目标

对LTE所有的需求概括一句话：网络性能更好，网络成本更低（当然相对3G系统来说），如图1-5所示。

网络性能更好包括更广的覆盖范围、更大的系统容量、更高的用户速率、更高的频谱效率、更短的等待时间、较高的移动速度、更丰富的业务种类、更佳的业务质量；网络成本的降低是指更低的部署成本和运营成本。

为了这样的需求，就需要明确LTE在无线接口和网络架构方面演进的设计目标。先从覆盖、容量、吞吐率、频谱效率、时延、移动性、业务支持等方面谈一下网络性能方面的功能设计目标。

（1）覆盖（Coverage）

在5km范围内，能够满足LTE相关协议定义的吞吐率、频谱效率以及移动性需求；在30km范围内，保证移动性需求的情况下，用户吞吐率允许轻微下降，频谱效率可以有明显的下降。100km的覆盖范围不排除支持。

在覆盖上的需求，LTE技术如果能够满足的话，可以极大地降低建网成本和部署成本。但这将对LTE的发射功率和功放效率提出比较大的挑战。尤其是上行方向，手机如何实现，对终端和芯片、器件厂家的考验无疑是很大的。

（2）容量（Capacity）

在5MHz带宽内，LTE要支持200个激活用户；带宽在5MHz到20MHz范围内，要支持400个激活用户。

（3）吞吐率（Throughput）及频谱效率（Spectrum Effectiveness）

在20MHz的带宽时，下行峰值数据速率（Peak Data Rate）达到100Mbps（频率效率：5bs-1/Hz）；上行峰值数据速率达到50Mbps（频率效率：2.5bs-1/Hz）。

LTE在MIMO 2×2配置下，下行小区边缘用户吞吐率是R6 HSDPA的2～3倍；平均用户吞吐率是R6 HSDPA的3～4倍；LTE的频谱效率是R6 HSDPA的3～4倍；上行小区边缘用户吞吐率是R6 HSUPA的2～3倍；平均用户吞吐率是R6 HSUPA的2～3倍；频谱效率是R6 HSUPA的2～3倍。

LTE实现吞吐率和频率利用效率大幅提升最给力的技术有OFDM、MIMO、高阶调制技术64QAM。OFDM、MIMO这两个物理层技术的选用并不是LTE的首创，在IEEE标准的WLAN、WiMAX制式里，已经选用了这两项技术。

（4）时延（Latency）

无线接入网UE到eNodeB用户面的延迟时间低于10ms，控制面延迟时间低于100ms。注意，这里的时延不是端到端时延，而是无线接入侧的时延。即使如此，这个时延要求也是非常苛刻的。网络架构扁平化、调度粒度细微化是LTE实现低时延的主要手段。

（5）移动性（Mobility）

用户的移动速度在15km/h以内时，保持最优的业务性能；在15～120km/h范围内，能够有较高的业务性能；120～500km/h范围内，提供与3GPP R6质量相等或者更优的业务。LTE技术对移动性的要求并不苛刻，主要考虑到选用的OFDM技术对多普勒频移较为敏感。

LTE不仅支持大范围移动条件下的业务使用，更注重低速条件下的使用效果，像WLAN一样，支持对便携式终端话务的吸收，支持热点区域的小范围高质量的覆盖，如世博会。

（6）业务支持

LTE需要有效地支持多种业务，除了现有网页浏览、FTP、视频流、VoIP业务之外，还需支持实时视频、Push-to-X（X代表各种应用：Push-to-Talk，一键语音通话；Push-to-View，一键视频通话；Push-to-Share，一键文件共享）等业务，支持增强型MBMS（Multimedia Broadcast Multicast Service，多媒体广播和组播业务）。

为了支持上面的网络性能需求目标，LTE网络的技术基础设计目标有：一个扁平化的网络架构、两个物理层关键技术（OFDM、MIMO），带宽灵活配置，各种无线资源算法。这些内容将在后面的章节中分别介绍。

为了降低建网成本，首先，从降低网络复杂性开始，要求接入网的网元种类减少，接口简单，单个网元功能增强，减少基站规模；其次，降低功能复杂性，严格禁止冗余的强制功能特性、可选特性最少化；再次，要求LTE支持和2G、3G无线制式共站址建设，降低建站成本；最后，要求LTE和其他制式能够互操作，实现多制式网络资源的共享。

为了降低运营成本，运营商要求LTE具备自组织网络（Self Organization Network，SON）功能，即要求LTE网络具有自规划（Self-Planning）、自配置（Self-Configuration）、自优化（Self-Optimization）、自维护（Self-Maintenance）的能力。这是典型的、运营商站在自己的利益角度提出的组网功能需求，目的是减少规划、优化、维护的成本，降低运营成本。

另外，LTE在设计过程中，不强制要求网络同步（Network Synchronization），也就是说不用依赖美国的GPS进行同步，这一点非常类似于WCDMA（软同步），有别于对同步要求相当严格的TD-SCDMA系统（硬同步）。

这里需要指出的是，严格地说，任何无线系统都需要同步，否则系统无法正常有序地工作，只不过同步实现的途径不同。

1.2.3 EDGE+、HSPA+、LTE标准的比较

LTE标准问世并开始逐渐成熟以后，很多运营商一方面在展望LTE带来的技术竞争力，另一方面却担心在已有无线制式2G/3G上投资浪费的问题。

LTE毕竟是一个“革命性”的技术，在网络架构和无线空中接口上，都有很大的变化。那么人们自然会想，在LTE没有大规模部署之前，是否可以在网络架构和无线空中接口不做根本性变化的前提下，进一步挖掘已建无线网络（如WCDMA/TD-SCDMA，GSM等制式）的潜力，使之在业务速率上更上一层楼，做到物尽其用呢？

其实类似的问题在3G标准出来后也存在过。当时人们在问，WCDMA/TD-SCDMA规模使用之前，能否进一步挖掘GSM的潜力？于是EDGE（GPRS增强版）技术产生了。也就是说，先有WCDMA的R99协议版本，后有GSM的EDGE技术。EDGE技术在不改变已有无线接口的前提上，进一步提升了GSM的业务速率。

多址技术是不同于无线制式的重要区别之一。多址技术的不一样会使无线接口做重大改变。在多址技术方面，LTE主要是OFDMA；WCDMA主要是宽带CDMA（码分多址）。TD-SCDMA主要是SDMA（智能天线空分多址）、TDMA、CDMA、FDMA；GSM则主要是TDMA、FDMA。也就是说，要进一步增强WCDMA、TD-SCDMA、GSM，它们已使用的多址技术不能变，即LTE的OFDMA不能在WCDMA、TD-SCDMA、GSM上使用，否则已有的无线制式的空中接口改变太大及设备射频部分变化太大，将无法做到尽量利用已有投资的目的。

那么，LTE中的其他业务速率增强技术可否用来增强WCDMA、TD-SCDMA和GSM的容量特性呢？

于是人们想在不改变已有的时隙帧结构、信道结构的前提下，把多天线技术、高阶的调制技术用在已有的3G或2G网络，做到后向兼容。于是，出台了HSPA+、EDGE+标准。也就是说，先有LTE标准，然后才有HSPA+、EDGE+，它们的出现完全是为了尽量保护运营商的已有投资（见图1-6）。

LTE与HSPA+、EDGE+技术特性对比如表1-1所示。在组网架构和多址技术方面，已有无线制式的增强型版本和其派生母体保持一致。

表1-1 EDGE+、HSPA+、LTE技术特性对比

LTE为三层的扁平化组网架构，但HSPA+、EDGE+仍然保持3G、2G制式的四层架构；LTE采用新的多址技术和新的空中接口技术（新的信道结构、时隙帧结构），而HSPA+、EDGE+仍然沿用3G、2G制式原有的空中接口技术（旧的信道结构、时隙帧结构）。

高阶调制的信号峰均比更高，对功放功率回退的要求和接收机灵敏度的要求更加严格。由于高阶调制信号需要较多的功率回退，所以采用高阶调制的信号覆盖范围会变小。LTE和HSPA+可以使用64QAM的高阶调制技术，可选的还有QPSK、16QAM的调制方式；而EDGE+则只做到32QAM，可选的调制方式还有GMSK、QPSK、8PSK、16QAM。

LTE使用的是可变带宽，而HSPA+、EDGE+使用的是固定带宽。在HSPA+和LTE都使用5MHz带宽的时候，业务性能是差不多的。LTE和HSPA+可以使用MIMO技术，EDGE+使用的是智能天线和接收分集的天线技术。

在时延、峰值速率等性能指标方面，HSPA+、EDGE+虽然无法超越LTE，但已经达到了该制式在目前技术条件下的极致水平。

实现HSPA+、EDGE+，终端比基站侧做的改动要大。支持HSPA+的终端一定能够在HSPA、R5网络上使用，支持EDGE+的终端一定能够在GSM、GPRS/EDGE网络上使用，这就是所谓的后向兼容性问题。但LTE的终端，和以往无线制式都不会兼容，需要等待产业链的进一步成熟。