1.2　LTE及其演进

LTE（Long Term Evolution，长期演进）是由3GPP（The 3rd Generation Partnership Project，第三代合作伙伴计划）组织制定的UMTS（Universal Mobile Telecommunications System，通用移动通信系统）技术标准的长期演进，于2004年12月在3GPP多伦多TSG RAN#26会议上正式立项并启动。LTE系统引入了OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交频分复用）和MIMO（Multiple-Input Multiple-Output，多输入多输出）等关键传输技术，显著提高了频谱效率和数据传输速率（20MHz带宽，2×2 MIMO，在64QAM情况下，理论下行最大传输速率为201Mbit/s，除去信令开销后约为140Mbit/s，但根据实际组网情况以及终端能力限制，一般认为下行峰值速率为100Mbit/s，上行峰值速率为50Mbit/s）；支持多种带宽分配：1.4MHz、3MHz、5MHz、10MHz、15MHz和20MHz等；支持全球主流2G/3G频段和一些新增频段，因而频谱分配更加灵活，系统容量和覆盖也显著提升。LTE系统网络架构更加扁平化、简单化，减少了网络节点和系统复杂度，从而减小了系统时延，也降低了网络部署和维护成本。LTE系统支持与其他3GPP系统互操作。LTE系统有两种制式：LTE FDD和TD-LTE，即频分双工LTE系统和时分双工LTE系统，两者的主要区别在于空中接口（以下简称“空口”）的物理层（如帧结构、时分设计、同步等）。LTE FDD系统的空口上下行传输采用一对对称的频段接收和发送数据，而TD-LTE系统上下行则使用相同的频段在不同的时隙上传输，相对于FDD双工方式，TDD有着较高的频谱利用率。

LTE的核心技术主要包括OFDM、MIMO、调制与编码技术、高性能接收机、智能天线技术、软件无线电技术、基于IP的核心网和多用户检测技术等。

（1）OFDM

OFDM是一种无线环境下的高速传输技术，其主要思想是在频域内将给定信道分成许多正交子信道，在每个子信道上使用一个子载波进行调制，各子载波并行传输。尽管总的信道是非平坦的，即具有频率选择性，但是每个子信道是相对平坦的，在每个子信道上进行的是窄带传输，信号带宽小于信道的相应带宽。OFDM技术的优点是可以消除或减小信号波形间的干扰，对多径衰落和多普勒频移不敏感，提高了频谱利用率，可实现低成本的单波段接收机。OFDM的主要缺点是功率效率不高。

（2）MIMO

MIMO技术是指利用多发射、多接收天线进行空间分集的技术，它采用的是分立式多天线，能够有效地将通信链路分解成为许多并行的子信道，从而大大提高容量。信息论已经证明，当不同的接收天线和不同的发射天线之间互不相关时，MIMO系统能够很好地提高系统的抗衰落和噪声性能，从而获得巨大的容量。例如，当接收天线和发射天线数目都为8根，且平均信噪比为20dB时，链路容量可以高达42bit/s/Hz，这是单天线系统所能达到容量的40多倍。因此，在功率带宽受限的无线信道中，MIMO技术是实现高数据速率、提高系统容量、提高传输质量的空间分集复用技术。在无线频谱资源相对匮乏的今天，MIMO系统已经体现出其优越性，也会在4G中继续应用。

（3）调制与编码技术

4G采用新的调制技术，如多载波正交频分复用调制技术以及单载波自适应均衡技术等调制方式，以保证频谱利用率和延长用户终端电池的寿命。4G移动通信系统采用更高级的信道编码方案（如Turbo码、级联码和LDPC等）、自动重发请求（ARQ）技术和分集接收技术等，从而在低E_b/N₀条件下保证系统足够的性能。

（4）高性能接收机

4G移动通信系统对接收机提出了很高的要求。香农定理给出了在带宽为BW的信道中实现容量为C的可靠传输所需要的最小SNR。按照香农定理，根据相关计算，对于3G系统，如果信道带宽为5MHz，数据速率为2Mbit/s，所需的SNR为1.2dB；而对于4G系统，要在5MHz的带宽上传输20Mbit/s的数据，则所需要的SNR为12dB。由此可见，对于4G系统，由于速率很高，对接收机的性能要求也高得多。

（5）智能天线技术

智能天线具有抑制信号干扰、自动跟踪以及数字波束调节等智能功能，被认为是未来移动通信的关键技术。智能天线应用数字信号处理技术，产生空间定向波束，使天线主波束对准用户信号到达方向，旁瓣或零陷对准干扰信号到达方向，达到充分利用移动用户信号并消除或抑制干扰信号的目的。这种技术既能改善信号质量又能增加传输容量。

（6）软件无线电技术

软件无线电是将标准化、模块化的硬件功能单元经过一个通用硬件平台，利用软件加载方式来实现各种类型的无线电通信系统的一种具有开放式结构的技术。软件无线电的核心思想是在尽可能靠近天线的地方使用宽带模/数（A/D）和数/模（D/A）转换器，并尽可能多地用软件来定义无线功能，各种功能和信号处理都尽可能用软件来实现。其软件系统包括各类无线信令规则与处理软件、信号流变换软件、信源编码软件、信道纠错编码软件、调制解调算法软件等。软件无线电使得系统具有灵活性和适应性，能够适应不同的网络和空中接口。软件无线电技术支持采用不同空中接口的多模式手机和基站，能实现各种应用的可变QoS。

（7）基于IP（国际协议）的核心网

移动通信系统的核心网是一个基于全IP的网络，同已有的移动网络相比具有根本性的优点，即：可以实现不同网络间的无缝互联。核心网独立于各种具体的无线接入方案，能提供端到端的IP业务，能同已有的核心网和PSTN兼容。核心网具有开放的结构，允许各种空口接入核心网；同时，核心网能把业务、控制和传输等分开。采用IP后，所采用的无线接入方式和协议与核心网协议、链路层是分离的。IP与多种无线接入协议相兼容，因此在设计核心网时具有很大的灵活性，不需要考虑无线接入究竟采用何种方式和协议。

（8）多用户检测技术

多用户检测是宽带通信系统中抗干扰的关键技术。在实际的CDMA通信系统中，各个用户信号之间存在一定的相关性，这就是多址干扰存在的根源。由个别用户产生的多址干扰固然很小，可是随着用户数的增加或信号功率的增大，多址干扰就成为宽带CDMA通信系统的一个主要干扰。传统的检测技术完全按照经典的直接序列扩频理论对每个用户的信号分别进行扩频码匹配处理，因而抗多址干扰能力较差；多用户检测技术在传统检测技术的基础上，充分利用造成多址干扰的所有用户信号信息对单个用户的信号进行检测，从而具有优良的抗干扰性能，解决了远近效应问题，降低了系统对功率控制精度的要求，因此可以更加有效地利用链路频谱资源，显著提高系统容量。随着多用户检测技术的不断发展，各种高性能又不是特别复杂的多用户检测器算法被不断提出，在4G实际系统中采用多用户检测技术将是切实可行的。

LTE从2007年开始升温，2009年12月TeliaSonera在瑞典和挪威推出了全球首张LTE商用网，2010年美国最大运营商Verizon的LTE正式商用，开始了LTE的快速发展进程，日本和韩国在之后陆续商用LTE，中国也开始大规模部署LTE网络。

LTE的演进可分为LTE、LTE-A、LTE-B和LTE-C这4个阶段，分别对应3GPP标准的R8～R14，如图1-2所示。目前的移动通信网络正处于LTE阶段，即运营商的主推业务4G，但实际上并未被3GPP认可为国际电信联盟所描述的下一代无线通信标准IMT-Advanced，因此在严格意义上其还未达到4G的标准，准确来说应该称为3.9G，只有升级版的LTE-Advanced（LTE-A）才满足国际电信联盟对4G的要求，是真正的4G阶段，也是后4G网络演进阶段。