1.4 第三代移动通信演进（4G）

1.4.1 第三代移动通信的演进路径

1.第三代移动通信的演进路径

第三代移动通信（3G）网络的首次商用成功是在2001年10月，日本运营商NTT DoCoMo的WCDMA正式投产运营。目前经常提到的3G标准也不是特指1999年11月在芬兰赫尔辛基召开的ITU TG8/1第18次会议上最终确定的WCDMA、cdma2000和TD-SCDMA标准。由于3G技术的不断演进、不断完善和不断创新，3G标准表现出不确定性。WCDMA已经演进到WCDMA HSPA（HSDPA/HSUPA）；而cdma2000也已经演进到cdma2000 1xEV-DO/EV-DV；中国拥有自主知识产权的TD-SCDMA标准，也演进到了TDD HSDPA/HSUPA的技术标准方案。

宽带无线接入技术是指以无线传输方式向用户提供接入固定宽带网络的接入技术，其中WiMAX技术作为支持固定和一定移动性的城域宽带无线接入技术。与WiMAX有关的IEEE 802.16标准包括IEEE 802.16d（IEEE 802.16-2004）和IEEE 802.16e（IEEE 802.16-2005）两个空中接口规范。IEEE 802.16d是固定宽带无线接入系统空中接口规范，2004年7月通过，不支持移动环境。IEEE 802.16e 是固定和移动宽带无线接入系统空中接口规范，2005年 12月通过，支持固定、便携和移动环境。

WiMAX 应用了高阶调制、混合自动重传、自适应编码调制、信道质量反馈和快速分组调度等关键技术。另外，由于WiMAX系统的研发相对较晚，WiMAX更加充分地利用了自己的后发优势，及时引入了先进的天线技术，如自适应天线系统（AAS）和多输入多输出（MIMO）技术。这些先进的天线技术可以极大地提高无线通信系统的频谱利用率。而且，WiMAX继承了大量的互联网元素，能够更好地与IP化的互联网相融合。这使得WiMAX系统相对3G及其增强技术（如WCDMA HSPA）具有了一定的技术优势。原来两种不同定位、处于不同领域的技术开始出现交叠和竞争。

按照3GPP组织的工作流程，3GPP LTE标准化项目基本上可以分为2个阶段，2004年12月到2006年9月为研究项目（Study Item，SI）阶段，进行技术可行性研究，并提交各种可行性研究报告。2006年9月到2007年9月为工作项目（Work Item，WI）阶段，进行系统技术标准的具体制定和编写，完成核心技术的规范工作，并提交具体的技术规范。

3GPP LTE地面无线接入网络技术规范被纳入3GPP R8版本中。为了实现LTE所需的大系统带宽，3GPP 不得不选择放弃长期采用的CDMA 技术，选用新的核心传输技术，即OFDM/FDMA技术。在无线接入网（RAN）结构层面，为了降低用户面延迟，LTE取消了重要的网元——无线网络控制器（RNC）。在核心网（CN）层面，和LTE相对应的SAE（系统框架演进）项目正在大大改变系统框架。由LTE/SAE为标志的这次变革，与其说是Evolution（演进），不如说是Revolution（革命）。这场“革命”是系统不可避免的丧失了大部分后向兼容性，也就是说，从网络侧和终端侧都要做大规模的更新换代。3G LTE的研究工作主要集中在物理层、空中接口协议和网络架构等方面。

无论是WiMAX还是LTE，核心技术都是基于OFDM和MIMO，只是由于不同组织的主要成员和产业背景不同，在系统设计某些细节上各有侧重。WiMAX 最初提供固定宽带无线接入，随着众多移动通信企业的加盟，WiMAX 技术在固定宽带无线接入基础上进一步增强，支持中低速移动用户，峰值速率达到70Mbit/s。LTE标准在设计多址方案时，3GPP内大部分成员认为上行链路 OFDM 技术峰均比过高会影响终端的功放成本和电池寿命，因此LTE 下行采用 OFDMA，上行采用较低峰均比 DFTS-OFDM。WiMAX802.16m 标准则面向IMT-Advanced（4G），欲与3G演进的LTE争雄。3G的演进如图1-6所示。

一是以 3GPP 为基础的技术轨迹，即从第二代的GSM，2.5 代的GPRS 到第三代的WCDMA/TD-SCDMA、第三代增强型的HSDPA/HSUPA，以及 LTE 发展路线，最后演进到IMT-Advanced，即4G。二是以3GPP2为基础的技术路线，即从第二代的cdma2000到2.75代cdma2000 1x，再到第三代的cdma2000 1xEV-DO/DV，3GPP2与3GPP紧密合作，LTE提供了与3GPP2 开发系统的互操作功能，允许使用3GPP2系统的网络运营商平滑向LTE演进。这也是占世界绝大多数移动通信市场的路线。三是以WiMAX为基础的技术路线，是宽带无线接入技术向着高移动性、高服务质量的方向演进的结果。

LTE和移动WiMAX虽然各有差别，但是它们也有一些共同之处，都采用OFDM和MIMO技术以提供更高的频谱利用率。在未来的发展演进过程中，哪一种技术路线胜出，将是各国政治、经济、科技与技术力量博弈的结果。但是LTE、移动WiMAX严格来说并不属于第四代移动通信技术。

2.LTE移动通信系统

3GPP R8版本在2007年12月接近完成，第一个LTE商用系统于2009年在北欧部署。R8版本的LTE关键性能指标见表1-3。

从网络结构上来看，整个网络结构向着扁平化的方向发展，取消了原来的基站控制器的功能实体，整个网络只包括接入网和核心网2层结构。

R9 版本进一步完善了 LTE 标准。增强对不同市场和部署的适应性，支持基于单频网传输的广播模式，进一步发展了MIMO模式，将R8的波束赋形扩展为支持将两个正交的空间层传递给单个或多个用户。定义了特定的部署场景，对于毫微基站、家庭基站的需求。加强了对自优化网络的支持。

1.4.2 IMT-Advanced（4G）

1.ITU-Advanced的标准化进程

第一版本的IMT-2000标准M.1457完成后，2000年3月，ITU-R WP8F组在日内瓦正式成立，平始考虑IMT-2000的未来发展和后续演进问题（QUESTION ITU-R 229-1/8），随后开始了相关工作。这些工作分为 2 部分，即对 IMT-2000的未来发展（Future Development of IMT-2000）及IMT-2000后续系统（System Beyond IMT-2000）的研究。2003年，WP8F完成了IMT.TREND技术报告和M.1645技术报告，对IMT-2000演进的技术趋势以及IMT-2000未来发展和后续演进的框架和目标进行了初步定义。

2003年后，WP8F开始了E3G和B3G频率需求和频段候选的工作，在2005年10月18日结束的ITU-R WP8F第17次会议上，ITU给了超3G技术一个正式的名称IMT-Advanced。按照ITU的定义，IMT-2000技术和IMT-Advanced技术拥有一个共同的前缀“IMT”，表示移动通信；当前的WCDMA，cdma2000，TD-SCDMA及其增强型技术统称为IMT-2000技术；未来的新的空中接口技术，叫作IMT-Advanced技术。根据ITU的工作计划，从2008年年初开始公开征集下一代通信技术 IMT-Advanced 标准，并开始对候选技术和系统作出评估，最终选定相关技术作为4G标准。

关于IMT-Advanced系统的特征，ITU认为，IMT-Advanced是具有超过IMT-2000能力的新的移动通信系统，能够提供广泛的电信业务，包括由移动和固定网络支持的日益增加的基于分组传输的先进移动业务；系统应支持从低速到高速的移动性应用以及宽范围的数据速率，满足多种用户环境下用户和业务的需求。IMT-Advanced系统还具有在广泛服务和平台下提供显著提升服务质量（Quality of Service，QoS）的高质量多媒体应用的能力。

IMT-Advanced的关键特性包括：在保持成本效率的条件下，在支持灵活广泛的服务和应用的基础上，达到世界范围内的高度通用性；支持IMT业务和固定网络业务的能力；高质量的移动服务；用户终端适合全球使用；友好的应用、服务和设备；具有世界范围内的漫游能力；增强的峰值速率以支持新的业务和应用，高移动性下可支持100Mbit/s，低移动性下支持1Gbit/s。

WRC-07为4G分配频谱频段为3.4～3.6GHz，200MHz；2.3～2.4GHz，100MHz；698～806MHz，108MHz；450～470MHz，20MHz。

3GPP R10之后的版本，习惯上称为LTE-Advanced，设计目标用来满足移动运营商对于LTE演进的需求，部分超过IMT-Advanced的需求。R10版本中LTE-Advanced关键性能指标见表1-4。

2.LTE-Advanced主要目标

R10版本通过载波聚合增强了LTE的频谱灵活性，进一步扩展了多天线传输方案，引入了对中继的支持，并且提供了对异构网络部署下小区协调方面的改进。R11版本在R10版本基础上进一步支持了协作多点传输CoMP技术，通过同小区不同扇区间协调调度或多个扇区协同传输提高系统吞吐量，特别是小区边缘用户的吞吐量。R12版本针对室内外热点等场景进行了优化，称为Small Cell，国内称为LTE-Hi或小小区增强。进一步优化了多天线技术，包括下行四天线传输技术增强、小区间多点协作技术增强等，并研究了二维多天线的传播信道模型，为后续垂直赋形和全维 MIMO 传输技术研究做了准备。R12 还支持了终端间直接通信。R13版本刚刚启动，将继续向提升网络容量、增强业务能力、更灵活使用频谱等方面发展。

LTE-A系统的几个主要目标如下。

① 在LTE系统设计的基础上进行平滑演进，使LTE与LTE-A之间实现两者的相互兼容。任何1个系统的用户都能够在这2个系统接入使用。

② 进一步增强系统性能。LTE-A系统能够全面满足ITU提出的IMT-Advanced的技术性能要求，提供更快的峰值速率和更高的频谱效率，同时显著提升小区边缘性能。

③ 可以灵活配置系统使用的频谱和带宽，充分利用现有的离散频谱，将其整合为最大100MHz的带宽供系统使用。这些整合的离散频谱可以在1个频带内连续或者不连续，甚至是频带间的频段，这些频段的带宽同时也是LTE系统支持的传输带宽。

④ 网络自动化、自组织能力功能需要进一步加强。