LTE权威指南——第1章　蜂窝技术演进

1.1　概述 过去25年以来，无线通信业务在全球范围内得到了长足的发展。直到1983年年末，美国才出现首个商用蜂窝电话系统，该系统由美国科技公司（Ameritech）部署在芝加哥地区，提供模拟业务，被称作AMPS（Advanced Mobile Phone System，高级移动电话系统）。而今，数字蜂窝电话业务已遍及全球，不管是在实用性还是用户数方面，都已远超固定电话业务。实际上，到2010年3月，世界上共有48亿多手机用户，是固定电话用户的两倍多，普及率超过60%。与固定业务相比，无线业务的应用在发展中国家更为突出，如在印度，无线业务的普及率是固定电话业务的4倍多。 全球手机用户数从零到突破10亿只用了不到20年的时间。这种惊人的增长速度不仅表明世界各地的人们强烈希望在移动时也能彼此连接并获得信息，也表明技术所带来的强大的推动力能够实现并进一步刺激这种愿望。射频（RF）电路制作、高级数字信号处理和几种微型化技术的发展，使得部署和发展无线通信业务成为可能，即便在今天看来，这些业务不管从规模还是范围上都极其令人惊叹。 目前我们正处在另一场重大无线革命的开始。尽管移动语音技术过去曾推动无线系统的发展，现在也仍旧是它的一种主要应用，但很明显，推动它未来发展的会是无线数据应用。在过去的二十年间，因特网从一种新奇的学术工具变成不可或缺的全球信息网络，提供了从电子邮件到社交网络、从电子商务到娱乐等大量服务。如图1-1所示，在刚刚过去的十年里，世界无线业务与因特网用户的数量并行增长。而今世界上有超过15亿人使用因特网，有5亿多人订购因特网接入业务，其中4亿多人能用宽带或高速连接接入因特网。在美国，60%以上的家庭拥有接入到因特网的宽带。 世界各地的用户发现，拥有能接入因特网的宽带极大程度上改变了我们的信息共享、交易管理及娱乐搜寻方式。宽带连接不仅加快了网上冲浪和下载的速度，而且提供了几种多媒体应用，如实时音视频流、多媒体会议和互动游戏。那些已经在家或办公室通过宽带业务体验过网络应用的丰富性和多样性的人，现在则渴望无论身处何地以及是否移动，他们都能拥有同样的体验。为移动用户提供真正的宽带体验是无线下一步的新领域。本书讨论的主题LTE正是一种发展移动宽带的关键技术引擎。 本章我们将概述移动通信系统的演进。首先从无线通信的简史开始，回顾蜂窝系统及标准从早期开发演进到现代高端技术的轨迹。接着指出LTE的市场驱动力及为推进其发展所提出的主要技术需求。接下来的一节，描述使LTE具备高性能的几种关键的组成技术。接着简单介绍LTE体系结构，讨论运营商在部署LTE时感兴趣的频谱选择和迁移策略问题。本章最后，简单展望未来LTE会有的改进。 图1-1　1998～2009年间全球手机、因特网、宽带及固定电话业务用户的增长[1] 1.2　移动宽带演进 在开始讨论现代的移动宽带系统前，简单回顾一下移动无线通信的历史是很有意义的，我们可以此领会它取得的巨大成就，因为正是这些成就产生了我们今天享用的无线业务。 一般来说，无线电通信的起源可以追溯到古列尔莫•马可尼（Guglielmo Marconi）身上，他一般被认为是无线电通信的发明者，并于1897年因发明了一种无线电报系统而获得专利。大约在同一时期，尼古拉•特斯拉（Nikola Tesla）、贾格迪什•博斯（Jagadish Bose）和亚历山大•波波夫（Alexander Popov）也对无线通信进行了演示。为此，谁才是无线电的真正发明人尚存有争议。20世纪早期，几位科学家和工程师用无线电做了几个开拓性的实验并取得了巨大的成就。第一次确实可信的跨大西洋无线电传输于1902年进行，而语音信号第一次传输到太平洋彼岸则是在1915年。接下来的几十年里，短波无线电、频率调制及其他关键技术均得到发展，从而促成了第一个移动通信系统的开发。 早期无线通信系统的一种应用是在公共安全领域。20世纪30年代，美国的几个市政当局开始着手部署此类系统。1946年，AT&T公司在密苏里州的圣路易斯市第一次引入移动电话业务，这是一个人工系统，其容量最大能支持3路电话同时呼叫。到1948年，AT&T把该业务扩展到100个城市，拥有5000多个用户，其中多数是公共事业公司、卡车司机和记者。 早期移动电话系统采用几个基站，内有高功率放大器和高塔，以便覆盖大范围的地区。每个基站均独立于其他基站，占用能获得的所有频道。为避免干扰，在地理上，各基站也是相互分离的。早期无线电话的例子包括：在40 MHz频段上工作的MTS（Mobile Telephone System，移动电话系统）以及在150 MHz和450 MHz频段上工作的IMTS（Improved Mobile Telephone Service，改进的移动电话业务）。这些系统的容量都极其有限。如1976年，在纽约市部署的IMTS系统有12个信道，只能支持1000平方公里范围内的2000个订户。即使用户这么少，在打电话时他们也经常需要先等上30min。移动业务需求的不断增长，迫使人们必须要找到一种支持更多用户的方法。政府简单地对频谱进行分配这一做法已经跟不上移动业务不断增长的需求了。 解决容量有限问题的突破性方法是蜂窝概念，即用几个低功率发射器代替单个的高功率发射器，每个低功率发射器使用总频谱的一部分，覆盖业务区中的一小块地区。这样，只要使用同样频率的基站彼此离得足够远，频率就可以复用。虽然贝尔实验室（Bell Labs）早在1947年就提出了这个构想，但直到20世纪70年代才解决了如何实施蜂窝概念的技术难题。1971年，AT&T公司向联邦通信委员会（Federal Communications Commission，FCC）提交了一份关于蜂窝移动概念的提案。经过十年多的仔细研究，1983年，FCC把800 MHz频段上的40 MHz宽的频谱分配给他们，这样就促成了第一代商用蜂窝系统的部署（见表1-1）。 表1-1　历史上向移动宽带发展过程中的一些重要里程碑 年　　份 重要里程碑 1892年前 尼古拉•特斯拉发现无线电通信的理论基础，并演示了无线电传输 1897 古列尔莫•马可尼演示无线电通信并获得此项专利 1902 可被证实的第一个跨大西洋无线电传输（电报）在一艘意大利巡洋舰上实施，舰上载有马可尼，使用272 kHz的信号 1906 雷金纳德•费森登（Reginald Fessendon）在北大西洋第一次成功实现了双向传输，演示了使用调幅的语音传输 1915 第一个跨大西洋的语音无线传输，从弗吉尼亚州的阿灵顿发送到法国巴黎 1921 开发出短波无线电（高频无线电：2.3～25.82 MHz） 1934 美国194个市政当局把AM无线电系统用于公共安全 1935 埃德温•阿姆斯特朗（Edwin Armstrong）演示调频 1946 AT&T公司在密苏里州的圣路易斯市引入第一个无线电话业务 1948 克劳德•香农（Claude Shannon）发表其关于信道容量的开创性理论： 1956 爱立信（Ericsson）开发出第一台自动移动电话，称之为移动电话A（Mobile Telephone A，重40 kg） 1960～1970 贝尔实验室提出蜂窝概念 1971 AT&T公司向FCC提交了一份关于蜂窝移动概念的提案 1979 日本的NTT（日本电报电话公司）部署第一个商用蜂窝系统 1983 FCC把800 MHz频段上的40 MHz宽的频谱分配给AMPS 1983 AMPS在芝加哥投入使用 1989 高通公司（Qualcomm）建议把CDMA作为一种更有效的无线语音技术 1991 欧洲（芬兰）部署了第一个商用GSM系统 1995 第一个CDMA（IS-95）业务由香港Hutchinson Telecom公司投入商业使用 1995 美国拍卖1800/1900 MHz频段上的PCS（Personal Communications Service，个人通信业务）许可证 2001 NTT DoCoMo 公司开始第一个应用UMTS WCDMA的商业3G业务 2002 韩国电信公司（South Korea Telecom）投入使用第一个CDMA2000 EV-DO网络 2005 AT&T公司向16个主要市场投放UMTS/HSDPA 2005 完成并通过IEEE 802.16e标准——移动WiMAX的空中接口 2006 WiBro（采用IEEE 802.16e空中接口）商用业务在韩国投入运行 2007 苹果公司iPhone手机发布，推动移动数据消费的迅猛发展 2009 完成3GPP Release 8 LTE/SAE规范 1.2.1　第一代蜂窝系统 美国、日本和部分欧洲国家促进了第一代蜂窝无线系统的产生。第一代系统的特点是使用无线模拟调制方案，主要用于传送语音。它们与之前的移动通信系统的不同之处在于采用了蜂窝概念，提供自动交换，以及移交正在进行的通话。1979年，日本电报电话公司（Nippon Telegraph And Telephone，NTT）实施了世界上第一个商用蜂窝系统。1981年欧洲部署了北欧移动电话（Nordic Mobile Telephone，NMT-400）系统，这是第一个支持自动移交和国际漫游的系统。NMT-400部署在丹麦、芬兰、瑞典、挪威、奥地利和西班牙。多数NMT-400的用户使用车载电话，最高发射功率为15 W。 一代系统中更成功的是美国的AMPS及其在欧洲和日本的变型TACS（Total Access Communication System，全接入通信系统）ETASS和NTACS。从无线电角度看，这些系统几乎相同，主要的不同点在于信道带宽。AMPS系统建立在30 kHz信道宽度上，而ETACS和NTACS则分别使用25 kHz和12.5 kHz带宽。表1-2给出了第一代蜂窝系统的简单小结。 表1-2　主要的第一代蜂窝系统 AMPS ETACS NTACS NMT-450/NMT-900 引入年份 1983 1985 1988 1981 频段 D/L：869～894MHz U/L：824～849MHz D/L：916～949MHz U/L：871～904MHz D/L：860～870MHz U/L：915～925MHz NMT-450：450～470MHz NMT-900：890～960MHz 信道带宽 30kHz 25kHz 12.5kHz NMT-450：25kHz NMT-900：12.5kHz 多址接入 FDMA FDMA FDMA FDMA 双工 FDD FDD FDD FDD 语音调制 FM FM FM FM 信道数 832 1240 400 NMT-450：200 NMT-900：1999 AMPS 20世纪70年代末，AT&T公司的贝尔实验室开发出AMPS，并于1983年在芝加哥及其近郊第一次进行商业部署。第一个系统的小区面积较大，采用全向基站天线。系统覆盖2100平方英里 ，只需要10个基站，每个基站的天线塔高在150～550英尺 。为获得让人满意的通话质量，多数早期系统载干比（Carrier-to-Interference Ratio，CIR）被设计为18 dB，在7-小区频率复用模式下进行部署，其中每个小区又分成3个扇区。 除了美国之外，南美、亚洲和北美也有几个国家部署了AMPS系统。在美国，针对每个市场，FCC会把频谱分配给两家运营商，一家是主导电信运营商，另一家是新的非主导运营商。每家被分配有20 MHz的频谱，用以支持每个市场中的全部416个AMPS信道。在这416个信道中，21个信道用于传输控制信息，剩下的395个信道携带语音业务数据。AMPS系统采用FM（Frequency Modulation，调频）传输模拟语音信号，FSK（Frequency Shift Keying，频移键控）传输控制信道信号。甚至在第二代系统部署完毕后，北美的运营商依然把AMPS系统作为一项能在整个地区通用的备用业务。另外，当出现不同运营商网络部署的2G系统不兼容的情况时，也用它来提供彼此间的漫游服务。 1.2.2　2G数字蜂窝系统 随着时间的推移，硬件平台的处理能力得到了提高，从而使得2G无线系统的开发成为可能。设计时2G系统也主要瞄准语音市场，但与第一代系统不同，它采用数字调制。从模拟到数字的转变能从几个方面提高系统的性能。系统容量的提高则通过以下措施实现：(1)使用频谱效率更高的数字编码技术；(2)通过时分或码分复用技术把几个用户复用到同一频道上；(3)数字调制、编码及均衡技术有较好的误差性能，可以把载干比从18 dB降低到只有几dB，因此能更好地重复使用频率。通过使用优质的语音编解码器和健壮链路层信号处理技术，通话质量也能得到提高。2G系统也使用简单的加密技术，提供一种对抗偷听和欺诈问题的安全测量手段，该问题曾是第一代模拟系统担心的主要地方。 2G数字蜂窝系统的例子包括GSM（Global System for Mobile Communications，全球移动通信系统）、IS-95 CDMA及IS-136 TDMA系统。目前为止，GSM是这些系统里部署最广泛的系统；北美和部分亚洲地区部署了IS-95；IS-54（之后升级为IS-136）起初在北美得到部署，但之后中断，大部分为GSM取代。IS-136是一种基于TDMA的系统，被设计作为AMPS的数字演进，使用30 kHz的信道。中国、日本、中国台湾和其他一些亚洲国家或地区部署的PHS（Personal Handyphone System，个人手持式电话系统）通常也被认为是一种2G系统。PHS是一种与DECT（Digital Enhanced Cordless Telephone，数字增强型无绳电话）系统类似的无绳电话系统，但它具有从一个小区向另一个小区的切换能力，在1880～1930 MHz频段上运行。表1-3简单概括了不同2G数字蜂窝系统的区别。 表1-3　主要的2G蜂窝系统 GSM IS-95 IS-54/IS-136 引入年份 1990 1993 1991 频段 850/900MHz， 1.8/1.9GHz 850MHz/1.9GHz 850MHz/1.9GHz 信道带宽 200 kHz 1.25MHz 30kHz 多址接入 TDMA/FDMA CDMA TDMA/FDMA 双工 FDD FDD FDD 语音调制 GMSK DS-SS：BPSK，QPSK π/4QPSK 数据演进 GPRS，EDGE IS-95-B CDPD 峰值数据速率 GPRS：107kbps； EDGE：384kbps IS-95-B：115kbps 约12kbps 典型用户速率 GPRS：20～40kbps； EDGE：80～120kbps IS-95B：＜64kbps； 9.6kbps 用户面延时 600～700ms ＞600ms ＞600ms 2G系统不仅能提供更高的通话质量、容量和安全性，还能提供新的应用。其中主要是SMS（Short Messaging Service，短信业务）。SMS首先于1991年在欧洲部署，之后迅速成为非常受年轻手机用户欢迎的交流工具。仅在美国，每天就有超过25亿条短信发送。该服务已用于递送新闻更新、业务流程警报、手机支付、投票、微博以及其他诸如此类的应用。 除了SMS之外，2G系统也支持低速无线数据应用。起初2G系统支持电路交换数据业务（其概念与拨号上网调制解调器类似），接着演进成也能支持分组数据业务。早期的无线数据业务包括信息服务如新闻、股票报价、天气及指南等的投递。手持设备中数据速率及可用空间的限制意味着需要开发特定技术如WAP（Wireless Acess Protocol，无线接入协议），用于为手持设备订制和投递因特网内容。 1. GSM及其演进 1982年，许多欧洲国家在CEPT（Conference of European Posts and Telegraphs，欧洲邮电大会）的支持下走到一起，共同开发一个用于规范移动业务的泛欧洲系统并制定其标准。为此组成一个名为GSM（Groupe Special Mobile，移动特别小组）的小组，他们的主要职能即是开发一种系统，该系统能以较低的成本提供无线语音业务，能够在整个欧洲无缝工作。在GSM出现前，欧洲的蜂窝市场被分割成很多彼此不兼容的系统，由不同的国家进行部署：斯堪的纳维亚地区的国家部署有NMT-400和NMT-900，德国有C-450，英国有TACS，法国有Radiocom。 1989年，ETSI（European Telecommunications Standards Institute，欧洲电信标准协会）着手制定GSM标准，并于1990年发布第1版，即GSM PhaseⅠ。不久，欧洲的几个运营商开始部署GSM。很快，GSM也为欧洲之外的地区所接受，名字也相应改为全球移动通信系统（Global System for Mobile Communications）。据行业分析公司电信与媒体信息公司（Informa Telecoms and Media）的分析，目前GSM及其后续技术已遍及220个国家，占全球市场份额的90%，拥有42亿用户。GSM在世界范围内的广泛应用使得国际无缝漫游成为现实。 GSM的空中接口基于TDMA方案，8个用户中的每一个都被分配到不同的时隙，从而被复用到同一个200 kHz的频道上。GSM使用的调制技术是FSK的一个变型，即GMSK（Guassian Minimum Shift Keying，高斯最小频移键控）。之所以选择GMSK，是因为它具有包络恒定的性质，能提供良好的功率和频谱效率特性。 除了语音和SMS，GSM起初还支持速率为9.6 kbps的电路交换数据。20世纪90年代中期，ETSI把GPRS （GSM Packet Radio System，GSM分组无线系统）作为GSM的一种演进系统而引入，它向更高速数据传输的方向发展。GPRS和GSM共享同一频段、时隙和信令链路。GPRS定义了4种不同的信道编码方案，支持每时隙8～20 kbps的数据速率。在较好的信道状况下，可以采用比较高的20 kbps的数据速率，如果GSM TDM帧内所有的8个时隙均用于数据传输，理论上GPRS能提供160 kbps的最大数据速率。GPRS的典型用户速率是20～40 kbps。 图1-2给出了GSM/GPRS网络的高层体系结构。因为它是后来3G及LTE演进的基础，所以有必要回顾一下。早期的GSM有以下两个组成部分。 基站子系统——由BTS（Base-Station Transceiver，基站收发信台）单元和BSC（Base Station Controller，基站控制器）组成。BTS把MS（Mobile Station，移动站）通过空中接口连接起来。BSC管理和集中来自几个BTS的业务数据，以便将其传送到交换中心，对直接连接到BTS的移动性进行管理。GSM演进为3G后，BSC演进为RNC（Radio Network Controller，无线网络控制器）。 网络交换子系统——由MSC（Mobile Switching Center，移动交换中心）和用户数据库组成。MSC提供所需要的交换，为主叫用户和被叫用户建立连接，并和PSTN （Public Switched Telephone Network，公共交换电话网）互连。为实现呼叫控制，MSC利用HLR（Home Location Register，归属位置寄存器）和VLR（Visitor Location Register，访问位置寄存器）确定移动用户的位置。 图1-2　GSM 网络体系结构 如图1-2所示，通过引入SGSN（Service GPRS Supporting Node ，GPRS业务支持节点）和GGSN（Gateway GPRS Support Node ，GPRS 网关支持节点）等新元素，以及升级现有的网络元素（比如给BTS加一个分组控制单元以处理数据），GSM系统可以升级为GPRS系统。SGSN提供位置和移动性管理，可以认为是MSC的分组数据等效。GGSN提供IP接入路由器功能，把GPRS网络和因特网及其他IP网络相连。 1997年年初，EDGE（Enhanced Data rate for GSM Evolution，数据速率增强型GSM演进）系统的引入使GSM标准的数据处理能力得到进一步的增强。为提高数据速率，EDGE增加了对8PSK调制的支持。允许的最大每时隙数据速率为59.2 kbps，是GPRS速度的3倍。典型用户速率范围为80～120 kbps。 2. CDMA（IS-95）及其演进 1989年，高通，加利福尼亚州圣地亚哥市的一个当时还名不见经传的新兴公司提出了CDMA（Code Division Multiple Access，码分多址），将其作为一种更有效、品质更高的无线技术，并且用一个系统对它进行了验证。1993年，高通公司取得了非凡的成功，使TIA（Telecommunications Industry Association，电信工业协会）采纳他们的提议，将之作为IS-95标准，以替代早前作为AMPS数字演进的IS-54 TDMA标准。与GSM等其他数字无线系统不同，在IS-95 CDMA系统内，多个用户在同一时间共享同一个频道。它不再采用在给定的频道内对多个用户的时间进行分片的技术，而是给每个用户分配一个不同的正交扩频码，以便接收器用此来做信号区分。速率高很多的码序列可以扩展所占用的带宽，将其与用户数据符号相乘来应用正交扩频码。IS-95 CDMA使用1.25 MHz带宽，传输9.2 kbps或速率更低的语音信号。将信号扩展到更高的带宽上能更好地避免多径衰落及干扰。 据称IS-95 CDMA系统用于语音业务比TDMA系统具有更多优势。首先，它能重复使用整个频率，即每个小区都可以使用同一频道，这样可以简化频率规划，增加容量。其次，它使用耙式（RAKE）接收器，能把多径信号有效地合成为一个较强的信号，从而降低所需的发射功率。再次，依靠软切换提高了切换性能，使手机在中断与当前基站的连接以前，就能建立与新基站的连接。由于各基站使用的频率相同，这是能够实现的。最后，它应用语音激活检测技术，在静默期关掉传输，从而减小干扰电平总值，增加系统容量。所有的这些特点都使得CDMA系统比GSM的语音容量更大。然而，应该注意到的是，通过应用慢跳频技术，GSM比CDMA有更多的频率复用优势。为了抑制干扰，提高系统容量，IS-95使用快速（上行链路800 Hz）有效的功率控制机制，这在当时是个巨大的挑战。 在数字蜂窝技术的早期，TDMA和CDMA的支持者之间曾爆发了一场激烈的争论，内容是关于哪种技术能提供更大的容量和覆盖范围。实际的部署常常表明IS-95 CDMA技术能提供更大的覆盖范围和容量。然而，更进一步的证据是，即便是TDMA的支持者也把基于CDMA的技术作为他们的3G演进计划中的一部分。但是IS-95 CDMA系统的使用并不像GSM那样几乎遍布全球。截至2009年，IS-95及其演进系统约有4.8亿用户，大多数位于北美、韩国、巴西和印度。 早期的系统（IS-95A）除了支持语音业务外，还支持速率为9.6 kbps的一条专用数据信道。为提高效率，稍后的演进系统内，IS-95B引入突发或分组模式传输。该系统也定义了一种新的SCH（Supplemental Code Channel，补充编码信道），它能支持14.4 kbps的数据速率，允许7条SCH相结合，支持115.2 kbps的峰值速率。 CDMA界提出3G演进计划，并野心勃勃地进行部署，远远走在那些正为GSM运营商所获得的同类系统的前面。他们能够获得3G速率，而不必改变1.25 MHz的信道带宽或者放弃后向兼容性，这样对运营商来说迁移更容易。当GSM运营商还在寻找更多通过GPRS和EDGE逐步演进到3G的技术时，CDMA运营商已快速地部署他们的3G网络：CDMA2000-1X和EV-DO。 1.2.3　3G宽带无线系统 2G数字蜂窝系统在提高语音容量、改进通话质量方面明显有了长足的进步，它也开始支持数据应用如因特网接入。不过这些系统建立在电路交换模式基础上，这使2G系统在数据方面的效率很低，只能支持低速数据——常见的速度是每秒数万比特，而且容量也有限。 第三代（3G）系统是2G系统的一个重大飞跃，提供较高的数据速率，大大增加了语音容量，支持包括多媒体在内的高级业务和应用。3G工作开始于20世纪90年代初，那时ITU（International Telecommunication Union，国际电信联盟）着手征集3G系统的提案（称为IMT-2000），并开始为它确定频谱。ITU的目标是创建一个全球统一的移动通信标准，该标准能提高全球互相协作的能力，并通过增大规模来降低成本。ITU列出以下数据速率需求作为IMT-2000的标准：  在固定或建筑环境下，数据速率为2 Mbps；   在步行或城市环境下，数据速率为384 kbps；   在广阔的车载环境下，数据速率为144 kbps。  除了高数据速率外，3G系统还预期能为大量应用量身定做更好的QoS（Quality of Service，服务质量）控制，这些应用从语音电话和互动游戏到Web浏览、电子邮件及流多媒体应用等。 过去的10～15年内，有许多提案提交到ITU，目前已有6个被接受。这些3G提案的一个有趣之处在于，大多数3G系统选择CDMA作为优先接入技术。不仅IS-95阵营提出向一种称为CDMA2000的基于CDMA 的3G 技术演进，就连GSM阵营也提出自己的CDMA版本，称为宽带CDMA（W-CDMA）。目前，ITU已接受并通过IMT-2000的下列陆地无线接口。  IMT-DS（IMT-2000 CDMA Direct Spread，IMT-2000直接扩频 CDMA）。该标准更广为人知的名称是W-CDMA，是UMTS（Universal Mobile Telephone Service，全球移动电话服务）的空中接口解决方案，由3GPP（the 3rd Generation Partnership Project，第三代合作伙伴计划）提出，作为GSM系统的演进。   IMT-MC（IMT-2000 CDMA Multi-Carrier，IMT-2000多载波CDMA）。该标准由3GPP2组织提出，代表IS-95系统的一个演进。其更广为人知的名称是IX-EV-DO。   IMT-TC（IMT-2000 CDMA TDD，IMT-2000 时分复用CDMA）。该标准也由3GPP提出，运行在使用时分复用技术的非成对频谱内。它也被称为UMTS-TDD 或TD-SCDMA（时分同步CDMA），主要在中国使用。   IMT-SC （IMT-2000 CDMA Single Carrier，IMT-2000单载波CDMA）。该标准由美国的全球无线联盟 （Universal Wireless Consortium）提出，作为一种低成本演进至3G的技术。也称为UWC-136，本质上是3GPP开发的EDGE标准。   IMT-FT（IMT-2000 FDMA/TDMA）。DECT（Digital European Cordless Telephone，数字欧洲无线电话）标准也被作为IMT-2000的一个空中接口，主要用于室内和微小蜂窝。   IMT-2000 IP-OFDMA。该标准更广为人知的名字是WiMAX或IEEE 802.16e，2007年被ITU接纳，成为第6个空中接口。  表1-4简单总结了主要3G系统的特性。对四种主要的3G技术的更详细讨论见以下几个小节。 表1-4　主要3G标准一览 W-CDMA CDMA2000 1X EV-DO HSPA 标准 3GPP Release 99 3GPP2 3GPP2 3GPP Release 5/6 频段 850/900MHz， 1.8/1.9/2.1GHz 450/850MHz 1.7/1.9/2.1GHz 450/850MHz 1.7/1.9/2.1GHz 850/900MHz， 1.8/1.9/2.1GHz 信道带宽 5MHz 1.25MHz 1.25MHz 5MHz 峰值数据速率 384～2048kbps 307kbps DL：2.4～4.9Mbps UL：800～1800kbps DL：3.6～14.4Mbps UL：2.3～5kbps 典型用户速率 150～300kbps 120～200kbps 400～600kbps 500～700kbps 用户面延时 100～200ms 500～600ms 50～200ms 70～90ms 多址接入 CDMA CDMA CDMA/TDMA CDMA/TDMA 双工 FDD FDD FDD FDD 数据调制 DS-SS：QPSK DS-SS：BPSK，QPSK DS-SS：QPSK， 8PSK和16 QAM DS-SS：QPSK， 16QAM和64QAM 1. CDMA 2000 和EV-DO IS-95 标准的3G演进被CDMA界称为CDMA 2000。尽管它的大部分早期工作由高通公司和CDMA开发小组完成，其官方标准化的进程却于1999年被移交给一个合作标准机构——3GPP2。CDMA 2000-1X是IS-95朝3G迈进的第一次演进，被作为IMT-2000的一个接口。1X项表示它使用与IS-95相同的带宽（1.25 MHz）。通过增加独立的逻辑信道即补充信道（supplemental channel）来增加数据容量。每条链路均能支持一个基本信道（速度为9.6 kbps）和多个补充信道（最高至307 kbps）。严格来说，这比3G要求的要低，因此，人们也可以把CDMA 2000-1X当做2.5G系统。在CDMA 2000-3X内，通过使用多载波技术，数据速率能达到2 Mbps。从理论上来说，通过在前向链路上再增加64个业务信道，CDMA 2000-1X可以将容量增加到IS-95的两倍，这些新增的业务信道与之前已有的64个信道正交。上行链路通过采用相干调制进行改进，下行链路通过采用快速（800 Hz）功率控制和上行链路匹配。通过发射分集选项和补充波束指向控制选项，高级天线能力也被集成到新标准中。这些升级的关键在于它们都是后向兼容的。CDMA 2000 和IS-95A/B可以在同一个载波上进行部署，这就可以实现平滑迁移。 为获得更高的数据速率（最高至2 Mbps），提高整个系统在分组数据场景时的吞吐量，CDMA 2000-1X也演进为CDMA 2000-1X-EVDO（EVolution，Data Only，仅数据演进）。顾名思义，该标准仅适用于数据业务，不支持语音或其他实时业务。虽然它使用一个1.25 MHz的信道带宽并具有与IS-95相同的无线特性，但它不能部署在和CDMA 2000-1X RTT或IS-95相同的载波上。为部署数据，需要服务提供商提供一个专用于数据业务的载波。 高通公司最初开发EV-DO作为HDR（High-Data Rate，高数据速率）的一种解决方案，用在满足IMT-2000的2 Mbps低移动性要求的固定和移动应用中。不过后来它升级到满足全移动性要求，名副其实地成为第一个真正给移动用户提供和宽带相似速度的系统。实际上第一个EV-DO的部署是在2002年，整整比另一个由GSM运营商部署的类似系统HSDPA早3年。据CDMA开发小组所言，到2009年7月，EV-DO已拥有超过1.2亿用户。 EV-DO被设计成一种非对称系统，其下行速率可高至2.4 Mbps，上行速率最高为153 kbps。下行链路实际上是一个TDMA链，多个用户在不同时段被复接。系统支持QPSK和16QAM调制，编码率从1/5到1/3。根据所选择的调制和编码方式不同，用户速率可能在38.4 kbps和2457.6 kbps之间变化。EV-DO具有根据链路状态自适应地改变调制和编码的能力。 EV-DO Rev. A 增强了EV-DO，它在提供一条更加对称的链路的同时，把下行链路和上行链路的峰值用户速率分别增加到3.07 Mbps和1.8 Mbps。在商业部署中，Rev.A在前向链路获得450～800 kbps的平均吞吐量，反向链路获得300～400 kbps的平均吞吐量。 2. UMTS WCDMA UMTS最初由ETSI开发，作为IMT-2000的一个基于GSM演进的3G系统。1998年，随着GSM走向全球，全世界6个地区的电信标准机构联合起来组成3GPP，继续开发UMTS及继承GSM的一些其他标准。1999年，3GPP完成并发布了第一个3G UMTS标准，该标准通常被称为UMTS Release 99。UMTS Release 99被广泛地部署在世界各地，取得了广阔的成功。根据商业团体3G Americas和UMTS Forum的说法，到2010年5月，UMTS已经被346个运营商在超过148个国家[2]进行部署，已有4.5亿个用户[3]。 UMTS包括一个提供交换、路由和用户管理的核心网络（CN）、UTRAN（UMTS Terrestrial Radio Access Network，UMTS陆地无线接入网络）和UE（User Equipment，用户设备）。其基本的体系结构建立在图1-2给出的GSM/GPRS体系结构基础上，并与它们后向兼容，不过它的每个网元都为获得3G能力进行了升级。BTS成为Node-B，BSC成为RNC（Radio Network Controller，无线网络控制器），NSS成为CN，MS则被称为UE。 尽管UMTS仍保留着GSM/GPRS的基本体系结构，但其中被称为W-CDMA （Wind-band CDMA，宽带CDMA）的3G空中接口却彻底脱离了2G空中接口。W-CDMA受到IS-95成功的启发，建立在它的基本功能基础上。W-CDMA是一种直接序列扩频（Direct Sequence Spread Spectrum）CDMA系统，其中的用户数据和伪随机码相乘，该伪随机码提供信道化、同步和加扰。W-CDMA指定为FDD和TDD运行，不过目前FDD是部署最广泛的。系统运行在比较大的5 MHz带宽上，能够同时支持100多个语音呼叫，所提供的峰值数据速率为384～2048 kbps。比起CDMA2000，除了信道带宽，W-CDMA具有的显著优点还包括：(1) 为增加数据速率，支持单个用户使用多码；(2) 扩频因子和数据速率的选择更多；(3) 使用Alamouti空时编码以实现发射分集。 3. HSPA HSPA（High-Speed Packet Access，高速分组接入）这个术语是3GPP提出的，指UMTS-WCDMA的两种主要改进技术的结合：(1) 2002年在Release 5内引入的HSDPA（High-Speed Downlink Packet Access，高速下行分组接入）和(2) 2004年在Release 6内引入的HSUPA（High-Speed Uplink Packet Access，高速上行分组接入）。2005年年末，HSDPA首先由AT&T公司部署，很快就遍及全球。到2010年2月，HSPA已由303家运营商在130个国家部署，还有许多正在计划中。[2] 其中大部分HSPA都是现存UMTS系统的一种软件升级。 20世纪90年代末，因特网的应用模式表明大多数应用在下行链路要求较高的吞吐量，于是3GPP UMTS的演进一开始将重点放在了改进下行链路上。HSDPA定义了一种新的下行传输信道，理论上能够提供高至14.4 Mbps的峰值吞吐量。该下行传输信道称为HS-DSCH（High-Speed Downlink Shared CHannel，高速下行共享信道），与之前的W-CDMA信道有所不同，它采用时分多址作为主要的多址接入技术，有限使用码分多址。HSDPA有16个沃尔什码（Walsh code），其中15个用于用户业务。一个用户可以用5、10或15个码来获得更高的吞吐量。不过一般来说，UE会把码数限制到5或10个。为获得更高的速度，该信道使用2 ms的帧长度，以便与W-CDMA信道使用的10、20、40或80 ms的帧长度相区别。实际部署的HSDPA提供的常见用户吞吐量范围为500 kbps～2 Mbps。 HSPA引入了许多高新技术以实现高吞吐量和高容量[4-5]。这些技术包括以下几种。  AMC。HSDPA支持QPSK和16QAM调制，编码率1/4。AMC（Adaptive Modulation and Coding，自适应调制和编码）又称链路自适应，包括根据瞬时下行信道质量变换每个用户和每个帧的调制和编码方案。其思路是在给定信干比的情况下，通过给每个用户链路配置它所可靠支持的最优调制和编码方案，使吞吐量和系统容量最大化。HSDPA手机用户向基站发送一个CQI（Channel Quality Indicator，信道质量指示符）测度，以便选择可能的最优调制和编码方案。   快速动态调度。HSDPA系统不再采用在固定的时间周期内调度用户的措施，而是使用一个动态调度器，尽量充分利用不同用户在不同时间内所占用信道状态的差异。通过对包的投递进行调度，使之与每个用户的衰落峰值一致，并且避免在它们位于波谷时调度，动态调度器能保证系统总是以可能获得的最高速率运行。情况良好时，如果需要，动态调度器可以在瞬间把所有的小区容量分配给单个用户。这种策略能更好地利用所获得的资源，从而增加整个系统容量，虽然从公平或消费者满意度的角度看，它可能并不明智。在HSDPA内，为获得更快的调度，调度器位于Node-B中，而不像在W-CDMA内，位于RNC中。   H-ARQ。信道质量反馈的延时和不准确会导致不正确的链路自适应从而引起错误。链路层错误能够通过ARQ（Automatic Repeatre Quest，自动重发请求）进行纠正，此时，错误的帧可以根据要求重新发送，但多次重发会产生难以容忍的时延。H-ARQ（Hybrid Automatic Repeat reQuest，混合自动重发请求）是一种改进的重发技术，此时，多个错误重发能通过软件进行结合，从而快速有效地从错误中恢复。这称为跟踪合并。HSDPA也支持递增冗余，此时每个后续的重发提供额外的纠错编码，以便增加无误接收的几率。应该注意到，HSDPA的链路层重发发生在Node-B和UE之间，而在Release 99的W-CDMA内它则发生在RNC和UE之间。  HSUPA，也称增强型上行链路（Enhanced Uplink），它给UMTS-WCDMA引入一条新的上行信道，即E-DCH（Enhanced Dedicated Channel，增强型专用信道）。与HSDPA给下行链路所带来的特性相同，HSUPA也给上行链路引入了同样的先进技术特征，如多码传输、H-ARQ、短的传输时间间隔以及快速调度等。HSUPA最多能支持5.8 Mbps的峰值上行吞吐量，实际部署提供的常见用户吞吐量在500 kbps～1 Mbps。这些较高的上行速率和较低的时延使一些应用得以实现，如网络电话（VoIP）、上载图片和视频以及发送大型电子邮件等。 1.2.4　3G之后：HSPA+、WiMAX及LTE 自2009年起，世界各地的移动运营商开始计划他们网络演进的下一步。他们作出的选择大部分基于其目前网络的部署状态、竞争压力以及对大型资本投资的渴望。[6-7]极有可能大多数运营商将会从下列3个选项中进行选择。 (1) 部署HSPA及其演进技术，尽可能推迟向LTE迁移。最近部署过UMTS/HSPA且希望收回投资的运营商会发现这个选择更具吸引力。 (2) 部署用于宽带数据的WiMAX。这个选择最能吸引(a) 新运营商，他们之前没有部署移动网络，现在希望快速部署一个有竞争力、能提供宽带的网络；(b) CDMA运营商，他们希望能快速提供真正宽带业务，并且尚未见到一个可行的、具竞争力的CDMA演进技术；(c) 使用非成对频谱的运营商，他们希望快速部署一个TDD系统。 (3) 尽快部署LTE。许多CDMA运营商发现他们的1X-EVDO网络与HSPA相比处于竞争劣势，且不相信WiMAX会是一项可行选择，他们会倾向于尽快迁移到LTE，可能不晚于2010年。例如，许多发展中国家的运营商还没有部署3G网络，他们可能会发现直接跳到LTE更有吸引力。 在下面的小节里，我们将概述HSPA+和WiMAX，并将其与LTE相比较。许多业内人士将WiMAX和LTE称为4G系统，虽然从技术上说它们并不满足ITU提出的4G要求（见1.7节）。但是从工程角度看，称它们为4G是有点道理的，因为WiMAX和LTE均代表和其他3G系统的彻底脱离，不管是从空中接口技术还是从网络体系结构方面。这些系统中的每一个都能提供每秒数兆比特的吞吐量，这么高的速率是通过采用高级信号处理技术获得的。还应该注意的是，3GPP2社区曾提出IS-95的一种演进IS-95 Rev.C，它也称UMB（Ultra Mobile Broadband，超移动宽带），和WiMAX及LTE有许多相同的技术特性。但是，似乎并没有太多运营商在考虑部署UMB，因此我们将不会讨论它。 1. HSPA+ 2007年6月发布的3GPP Release 7有许多重大的改进，包括HSPA的进一步演进。Release 7 HSPA 有时也称为HSPA+，含有许多提高及改善系统容量（包括语音容量）、终端用户吞吐量及延时的新增特性。[8]HSPA+的主要技术改进如下。  高阶调制和MIMO，以获得更高的峰值速率。除Release 6 HSPA已支持的QPSK和16QAM外，HSPA+新增了64QAM作为下行调制方案。在上行链路，除了Release 6支持的双BPSK外，也新增了对16QAM的支持。高阶调制需要高信噪比，只能实际应用于少数情况，因此一般只能增加峰值速率。使用64QAM和16QAM则分别把下行和上行峰值速率增加到21.1 Mbps和11.5 Mbps。HSPA+也为MIMO（多输入多输出）传输作出规定，在基站最多使用2根发射天线，在移动终端则最多使用2根接收天线。MIMO传输支持一些性能改善技术，如开环和闭环发射分集、波束赋形和空间复用。 MIMO空间复用技术在理论上能够把下行峰值速率提高到28 Mbps。尽管Release 7 HSPA+不允许同时使用64QAM和MIMO，但Release 8却允许，这样就能把峰值数据速率提高到42 Mbps。应该注意，实际部署时，很少达到峰值速率。LTE进一步提高对高阶调制和MIMO的支持。   下行链路双载波运行。在Release 8中，也为HSPA+定义了在邻近载波上的下行链路双载波运行。当单个小区部署或者能获得多个载波时，双载波运行提供了一种极其吸引人的方式，能达到更高的数据速率。采用该方法，峰值数据速率从21 Mbps提高到42 Mbps，平均数据速率加倍，并能大幅度提高整个小区的容量。这与使用MIMO的情况不同，MIMO只能提高峰值数据速率，并会增加基站在多根天线上连接射频电缆的实施难度。考虑到这些优点，能够确定获得多载波的服务供应商可能会更喜欢这种方法。为使用双载波，该标准允许在任一载波上进行调度，也支持一个扇区内载波间的负载均衡。   连续分组连接以提高电池寿命。3GPP Release 6 HSPA需要移动终端即使在没有任何数据信道传输的情况也发射物理控制信道，这样会导致不必要的电池消耗。Release 7 HSPA+允许上行不连续传输，以便当没有数据传输时，移动发射器能够完全关断。同样，在下行链路，支持不连续接收，此时移动终端允许只在部分帧被唤醒，而在没有数据接收时，进入睡眠模式。不连续传输及接收对网页浏览（一般来说，最高可节能50%）等突发数据应用来说是很有用的功率节省技术。不连续上行传输也能减少干扰，从而增加容量。当它用于VoIP呼叫时，与Release 6相比，最多能够增加50%的VoIP容量。   为提高数据速率和增加容量，使用高级移动接收器。除了Release 6 HSPA里定义的一个天线码片均衡器和两个天线耙式接收器外，还定义了两个天线码片均衡器，作为HSPA+的一部分。天线分集提高了信噪比，码片均衡器去除了小区内干扰，和高级接收器一起允许以较高的吞吐量下行传输，因此能提高容量。应该注意到，这些功能都是以接收器复杂化为代价，与LTE里的OFDM方法相比，这是一个主要的缺点。   可变RLC和MAC分割。W-CDMA和HSPA定义了一个小型、固定大小的 RLC（Radio Link Control，无线链路控制）层分组结构（40 B大小，HSPA内可备选80 B）。这样做主要是为了在发生错误时，避免不得不重新发送大型有效载荷。Release 7 HSPA+用更健壮的链路层重发策略代替HSPA的固定技术，允许RLC块大小可变，最多能达到1500 B（一般为IP包大小），而不必在RLC作任何分割。分割可以由MAC层根据物理层需求进行。这种可变RLC减少了RLC层的开销（RLC的头为2 B，只占1000 B大小包的0.2%，而之前40 B的包，则占5%），能避免为符合固定大小而进行的不必要添加，减少RLC要处理的包的数目。这些优点能得到更高的数据吞吐量和峰值速率。   为改进多播和广播而使用单频网络。HSPA+允许基站间进行网络同步，使用同样的扰码，用于从多个基站进行多播广播（MBMS）传输。这样就实现了一个用于多播广播业务的SFN（Single Frequency Network，单频网络）。运行在SFN模式时，允许小区边缘用户把来自多个小区的信号有机结合起来，使用一个均衡器，去除任何时间扩展效应的影响。3GPP 的Release 6只允许软结合，不允许单频运行。MBMS小区边缘性能的改进预示它能够支持高速数据广播业务。  根据3G Americas的统计，到2010年5月，34个国家的56家运营商已经开始部署HSPA+。[2] 2. 移动WiMAX 1998年，IEEE（Institute of Electrical and Electronic Engineers，电气与电子工程师协会）组成了一个名叫802.16的小组，来开发一个名为WMAN（Wireless Metropolitan Area Network，无线城域网）的标准。2001年，该组首先提出一个用于固定无线应用的标准，之后，将其升级成支持移动。修订过的标准称为802.16e，2005年完成，一般被称为移动WiMAX（Worldwide Interroperability for Microwave Access，全球微波互联接入）。2001年，工业组织Wimax论坛（WiMAX Forum）成立，旨在改进、开发、执行互操作性及一致性测试，以及验证基于IEEE 802.16空中接口标准的端对端无线系统。2007年，LTU批准了WiMAX，将之作为IMT-2000的陆地无线接口之一，称为IP-OFDMA。WiMAX网络使用IP协议进行设计，并不提供电路交换语音电话，不过语音业务可以通过VoIP提供。据WiMAX论坛统计，到2010年2月，共有504个WiMAX网络部署在147个国家。一般认为，对于想要部署移动宽带的运营商而言，WiMAX是LTE的唯一可靠替代标准，不过多数分析家预计，比起LTE，WiMAX在世界移动宽带市场占的份额会小得多。也应该注意到，LTE设计的许多方面（尤其是OFDM和OFDMA技术）直接受到它们在WiMAX中的实施的启发。 WiMAX的一些值得强调的突出特点如下。[10]  极高的峰值数据速率。WiMAX使用20 MHz宽频谱运行时，峰值物理层数据速率可以高达74 Mbps。用5 MHz宽频谱时，峰值物理层数据速率是18 Mbps。这些峰值物理层数据速率在使用64QAM调制、3/4纠错编码率时获得。   基于OFDM/OFDMA的物理层。WiMAX的峰值物理层建立在OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交频分复用）基础上，该策略能更好地对抗多径，允许WiMAX即使在大带宽时，也可以在NLOS（Non-Line-Of-Sight，非视距）条件下运行。而今，OFDM被广泛认为是减轻宽带无线多径的首选方法，实际上，它也已为LTE所选择。WiMAX还采用OFDMA作为多址接入技术，OFDMA允许用户以动态方式进行时间和频率复接。OFDM和OFDMA分别是第3章和第4章的主题。   可扩展的带宽和数据速率支持。WiMAX有一种扩展性很强的物理层体系结构，允许数据速率在可获得的信道带宽内很容易地进行扩展。这种可扩展性为OFDMA所支持，此时FFT信号序列大小可以根据能获得的信道带宽进行展缩。例如，根据信道带宽是1.25 MHz、5 MHz还是10 MHz，一个WiMAX系统可以分别使用128、512或1048位的FFT。这种展缩可以动态进行，支持带宽分配可能不一致的不同网络间的用户漫游。   对TDD和FDD的支持。IEEE 802.16e-2005支持TDD（Time Division Duplexing，时分双工）和FDD（Frequency Division Duplexing，频分双工），不过迄今WiMAX实施时只采用TDD。TDD能灵活选择上行下行链路数据速率比、具有利用信道互惠的能力，以及（可能更重要的是）允许在非成对频谱时实施，因此对WiMAX运营商十分具有吸引力。   灵活、动态的每用户资源分配。上行和下行资源分配均由基站的一个调度器控制。使用突发TDM复用方案的多个用户间可以根据需求共享容量。通过给不同的用户分配不同的OFDM子载波，可以在频率维度上进行复用。资源可以在空间域进行配置，也可以在使用备份AAS（Advanced Antenna System，高级天线系统）时分配。该标准允许带宽资源在时间、频率和空间内分配，并用一种灵活的机制，逐帧传送资源分配信息。   健壮链路层。WiMAX支持许多种调制和前向纠错编码（FEC）方法，也支持自适应调制和编码（AMC），以使每条链路的数据速率最大。对需要提高可靠性的连接，WiMAX支持链路层的ARQ，也可选择支持H-ARQ。   支持高级天线技术。WiMAX解决方案在物理层设计时可以把许多特性嵌入到里面，包括使用多天线技术，如波束赋形、空时编码和空间复用。在发射器和/或接收器上部署多根天线后，可以用以上这些措施来提高整个系统的容量和频谱效率。   基于IP的体系结构。WiMAX论坛已经定义了一种基于全IP平台的参考网络体系结构。在一个IP体系结构上传送的所有端对端业务均依赖于用于端对端传输、QoS、会话管理、安全性以及移动性的IP协议。对IP的依赖允许WiMAX保持IP处理的下降成本曲线，很容易与其他网络接轨，利用IP所具有的丰富应用开发生态体系。  3. HSPA+和WiMAX与LTE的比较 我们将在1.3节较详细地介绍LTE，在这里只简单快速地比较一下LTE与HSPA+和WiMAX。由于LTE是这3个标准中最新的，其设计目的显然是要实现比HSPA+和WiMAX更好的性能。不过，由于LTE的几个想法均直接来自HSPA+和WiMAX的设计经验，三者间有许多共同点。表1-5大致比较了HSPA+ 、WiMAX和LTE的一些主要特性。 表1-5　HSPA+ 、WiMAX和LTE的比较汇总 HSPA+ 移动WiMAX LTE 标准 3GPP Release 7&8 IEEE 802.16e-2005 3GPP Release 8 频带（早期部署） 850/900MHz，1.8/1.9GHz 2.3GHz、2.6GHz和3.5GHz 700MHz、1.7/2.1GHz、2.6GHz、1.5GHz 信道带宽 5MHz 5、7、8.75及10MHz 1.4、3、5、10、15和20MHz 峰值下行数据速率 28～42Mbps 46MHz（10MHz，2×2 MIMO，TDD下行与上行比3∶1）；32MHz为1∶1 150Mbps（2×2MIMO，20MHz） 峰值上行数据速率 11.5Mbps 7MHz（10MHz，TDD下行与上行比3∶1）； 4MHz为1∶1 75Mbps（10MHz） 用户面延时 10～40ms 15～40ms 5～15ms 帧大小 2ms帧 5ms帧 1ms子帧 下行多址接入 CDMA/TDMA OFDMA OFDMA 上行多址接入 CDMA/TDMA OFDMA SC-FDMA 双工 FDD TDD，FDD计划备选 FDD和TDD 数据调制 DS-SS：QPSK、16QAM和64QAM OFDM：QPSK、16QAM和64QAM OFDM：QPSK、16QAM和64QAM 信道编码 Turbo码；编码率3/4、1/2和1/4 卷积turbo RS码；编码率1/2、2/3、3/4、1/4和5/6 卷积和Turbo编码：编码率78/1024～948/1024 H-ARQ 是；递增冗余和跟踪合并 是；跟踪合并 是；各种方案 MIMO 发射分集，空间复用，波束赋形 波束赋形，开环发射分集，空间复用 发射分集，空间复用，上行链路4×4 MIMO；多用户协同MIMO 持续调度 否 否 是 以下是一些主要的观察结果。  HSPA+和LTE均由3GPP开发，作为目前部署的GSM/UMTS网络的演进，而WiMAX则由IEEE和WiMAX论坛独立提出，作为一种没有任何后向兼容性限制的可选无线宽带技术。   尽管这3种系统均被设计成在频率选择方面具有很高的灵活性，但早期WiMAX更倾向于部署在2.3 GHz、2.6 GHz和3.5 GHz频带，而大多数HSPA+和LTE则部署在低于2.1 GHz的频带上。其他条件均相同时，频率越低，越能带来更大的覆盖范围及更强的建筑穿透力。LTE既支持FDD又支持TDD，因此可灵活选择在成对或不成对频谱内运行。大多数WiMAX部署在TDD模式，HSPA+则只支持FDD。   LTE和WiMAX均使用OFDM/OFDMA作为基本的调制和多址接入技术，而HSPA+则使用CDMA/TDMA。LTE在上行链路使用OFDMA的变型SC-FDMA（Single Carrier Frequency Division Multiple Access，单载波频分多址），能提供更高的功率效率。WiMAX的上下行链路均使用OFDMA。   HSPA使用5 MHz的固定带宽，而LTE和WiMAX均提供带宽可变的体系结构，最多能支持20 MHz的带宽。这使得与HSPA+相比，假定频谱足够大，LTE和WiMAX能获得高得多的峰值速率。   为提高频谱效率和性能，这3种标准均支持多种信号处理技术。HSPA+、LTE和WiMAX均支持H-ARQ重发方案、动态信道依赖调度及多天线方案（如发射分集、波束赋形和空间复用）。   LTE支持比HSPA+和WiMAX更高的峰值数据速率。假定频谱为20 MHz、使用4×4 MIMO，在最好的情况下，LTE能支持下行链路高至326 Mbps、上行链路高至86 MHz的峰值数据速率。这些系统间的频谱效率差异虽然也很显著，但没有这么引人注目。   LTE支持10 ms帧和1 ms子帧，这比HSPA+和WiMAX支持的帧长度要短得多。较短的帧长度允许更快的重发反馈，高速时能获得更高的效率。   在这3个系统里，LTE对VoIP的支持最好。它的用户面延迟最低（5～15 ms），呼叫建立时间最短（50 ms）。LTE也支持持续调度，能大幅降低低比特率语音传输的控制信道开销，从而增加VoIP的容量。HSPA+和LTE均使用专用控制信道，对VoIP而言，这种措施比WiMAX使用映射符号分配资源效率更高。  1.2.5　3GPP标准演进总结 到现在为止，我们已经提到了许多蜂窝无线标准和系统，回顾了从第一代模拟语音系统到LTE开发的演进。现在让我们总结一下该演进的每一步所获得的升级和性能改善。由于LTE是由3GPP标准机构提出的，此处我们将只着重介绍3GPP标准演进。 3GPP提出的3G标准的第一个版本一般称为3GPP Release 99，当时预定在1999年完成，但实际发布时间是2000年。世界上的几个UMTS网络就建立在这个标准基础上。接下来的每次发布则是以发布号而非发布年份进行区别。每次发布都在一个或几个方面有所升级，包括(1) 无线性能改善，如更高的数据速率、更低的延时和增加了的语音容量；(2) 旨在降低其复杂性、提高传输效率的核心网络变化；(3) 对一键通话、多媒体广播及多播和IP多媒体业务等新应用的支持。表1-6总结了3GPP的不同发布版本及各自带来的升级。 表1-6　3GPP标准演进 3GPP标准发布 完成年份 主要升级 Release 99 2000 为早期的UMTS 3G网络指定使用 W-CDMA空中接口；也包括对GSM的数据升级（EDGE） Release 4 2001 增加对多媒体短信的支持，采取措施在核心网络中使用IP传输 Release 5 2002 指定HSDPA的峰值下行数据速率最高为1.8Mbps。引入IMS（IP多媒体业务）体系结构 Release 6 2004 指定HSUPA的上行速率最高为2Mbps；MBMS业务；增加高级接收器规范、无线蜂窝网上的按键通话（PoC）及其他IMS升级、WLAN的交互工作选项、容量受限的VoIP Release 7 2007 为HSPA+指定更高阶调制（下行64QAM，上行16QAM）和对下行MIMO的支持，提供28 Mbps的下行峰值数据速率和11.5 Mbps的上行峰值数据速率；减小了VoIP的延时，提高了其QoS Release 8 2009 HSPA+的进一步演进：结合使用64QAM和MIMO，64QAM双载波；指定新的基于OFDMA的LTE无线接口和一种新的带EPC（Evolved Packet Core，分组核心演进）的全IP平面体系结构 Release 9 2010 有望把HSPA和LTE的升级包括在内 Release 10 2012? 有望指定高级LTE，以满足ITU 的移动电话业务高级项目（IMT-Advanced Project）对4G的需求 表1-7总结了无线系统从GSM经由3GPP标准进行演进时它们在峰值数据速率和延时方面的演进。可以很清楚地看到，在最近十年，不管是数据速率还是延时，都有了巨大的进步。早期GPRS系统的峰值数据速率低至40 kbps，而LTE理论上则能达到360 Mbps，增幅近万倍。典型的终端用户的速度从GPRS的10～20 kbps到HSPA /HSPA+的0.5～2 Mbps，而LTE则有望达到2～3 Mbps或更高。技术上的进步使我们已经非常接近信道容量的香农（Shannon）极限，这使得在频谱效率方面获得更高的增益变得非常有挑战性。协议、帧长度、网络体系结构在这几年内的变化已经使延迟大大减小。GPRS和EDGE系统的用户面延迟为350～700 ms左右，而HSPA系统将之减小到低于100 ms，LTE系统则将使之降到30 ms。较低的延时能提高VoIP、游戏及其他互动应用等实时实用的体验质量。 表1-7　3GPP标准的性能演进 标　　准 3GPP发布版本 峰值下行速度 峰值上行速度 延　　时 GPRS Release 97/99 40～80Mbps 40～80kbps 600～700ms EDGE Release 4 237～474Mbps 237kbps 350～450ms UMTS（WCDMA） Release 4 384Mbps 384kbps ＜200ms HSDPA/UMTS Release 5 1800kbps 384kbps ＜120ms HSPA Release 6 3600～7200Mbps 2000kbps ＜100ms HSPA+ Release 7和8 28～42Mbps 11.5Mbps ＜80ms LTE Release 8 173～326Mbps 86Mbps ＜30ms 1.3　LTE/SAE 随着世界各地越来越多的人采用固网宽带，移动社区认识到需要开发一种移动宽带系统，使之与DSL（Digital Subscriber Line，数字用户专线）势均力敌，并且能够支持IP业务的飞速发展。2005年前后，3GPP内的两个小组着手开发一种标准以支持预计会有巨大发展的IP数据业务。RAN（Radio Access Network，无线接入网络）小组开创了LTE项目的相关工作，系统方面（Systems Aspects）小组开创了SAE（Systems Architecture Evolution，系统体系结构演进）项目的相关工作。2006年中期，这两个小组完成了他们的初始研究，并将之转化成标准开发。LTE小组开发了一种新的无线接入网络E-UTRAN （Enhanced UTRAN，增强型UMTS陆地无线接入网络），作为UMTS RAN的一种演进。SAE小组开发出一种新的全IP分组核心网络体系结构，称为EPC。E-UTRAN和EPC一起被正式称为EPS（Evolved Packet System，演进分组系统）。 本节我们讨论促进LTE开发和部署的市场需求，列举LTE设计必须满足的关键要求。 1.3.1　LTE的需求驱动 过去十年内因特网的飞速发展显然是移动宽带发展的潜在驱动。而今因特网是一个支持大量不同应用的平台，已成为我们获取信息、进行通信和满足娱乐需求的媒体选择。宽带接入业务能使用户能体验到因特网多媒体的全部丰富性，而今用户期待在移动的时候，能在任何地方都有多媒体内容接入以满足其要求。过去几年内无线数据订阅的迅猛发展清楚地表明了这一点。咨询公司电信与媒体信息公司（Informa Telecoms & Media）报告到2009年3月底，全球移动宽带用户已达到2.25亿，年增长率为93%。该公司还预测，到2013年，3G及超3G系统将拥有20多亿用户，其中80%都将使用3GPP网络。[1] 我们指出共同推动移动宽带需求的三大趋势，它们使开发和部署LTE迫在眉睫。  高带宽应用的增长。移动应用正从SMS、Web和WAP（无线接入协议）、MMS（多媒体信息业务）及低兆字节内容（如手机铃声）下载飞速转移到音乐下载、视频共享、移动视频和IPTV（网络电视）等高带宽应用上。嵌入视频内容网址的增多和视频共享网站（如YouTube）的流行正促使越来越多的用户使用他们自己的移动设备访问、观看及共享视频。而今视频已占移动数据业务的一大部分，并且还在迅速增长。分析家预计，到2014年，超过65%的移动数据流量将是视频。[12]   智能移动设备的增加。最近几年，智能手机（即带全键盘和集成数据能力的移动电话设备）在品种和数量上均获得了长足的发展。移动设备对用户接口的改进，及其所具有的全浏览、电子邮件及音乐和视频播放能力正将手机用户变成数量庞大的无线数据业务消费者。相机、摄像机、GPS导航系统及其他技术在手机中的集成产生了大量激动人心的移动应用，进一步促进了对这些设备的需求。根据电信与媒体信息公司分析员的报告，2008年，共售出近1.62亿智能手机，首次超过笔记本电脑。他们预计，到2013年，售出的所有手机中智能手机将占近25%。实际上，到2009年年中，美国市场智能手机销量已经占手机总销量的30%。除智能手机外，还出现了许多其他移动设备。它们包括集成了3G接口的笔记本电脑、带大屏幕的消费设备、上网本、平板电脑、游戏设备、电子阅读器、便携式媒体播放器、数码照相机、嵌入移动接口的摄像机及投影仪、健康监测系统、资产跟踪系统以及其他机器对机器的通信设备。全球统一接受LTE标准几乎肯定会进一步促进这些设备的增多。   激烈的竞争导致利润不高。在全球大部分地区，移动市场充满激烈的竞争。可以这么说，服务提供商和设备厂商之间的竞争是促进迄今为止我们所见到的该领域的革新及快速发展的主要因素。无线渗透深化，许多国家都超过100%，因为平均每人有不止一部手机，为了发展，移动运营商已不得不从对方那里挖走客户，这就导致了价格降低，从而降低了利润。采用统一定价会使收益和消费间的差距加大。使用和消费正以更高的速度发展，网络资源日趋紧张，迫使运营商投资进行升级。HSPA运营商报告了移动数据消费方面的大幅增长，多数分析人士预测，下个五年，总体移动数据消费将增加50～100倍或更多。举个例子，根据思科视觉网络指数（Cisco Visual Network Index），到2014年，全球移动数据业务将从2009年的每月90 PB（Petabyte， ，拍字节）增加到每月3.6 EB（Exabyte， ，艾字节）。[12]尽管数据收益也会增加，但预期它们同期将只能增长两倍左右。显然，运营商强烈需要降低每兆字节的成本，并寻找一种网络架构和运营模式以帮助他们实现此目的。降低每兆字节的成本将会是驱动LTE部署的另一个主要因素。  1.3.2　LTE设计的关键需求 为迎合日益增长的需求，LTE根据下列预想目标进行设计。[13]  与有线宽带不相上下的性能。LTE的目标之一是使移动因特网体验与目前已部署的室内有线宽带接入系统相同或更好。促使用户体验更好的两个关键网络性能参数是高吞吐量和低延时。  为向高吞吐量推进，3GPP将下行和上行峰值数据速率分别设置为100 Mbps和50 Mbps。这比目前3G系统能获得的数量级要高。峰值数据速率可能只有与基站无线距离非常接近的部分用户能体验到，因此还设置了平均用户数据速率。LTE的设计目标是平均下行吞吐量比早期HSPA的高3～4倍，平均上行吞吐量高2～3倍。LTE还规定通过把频谱效率提高2～4倍来获得这些较高的数据速率。LTE需求还包括在保持目前部署地点不变的情况下，提高小区边缘比特率。 为支持语音和互动游戏等对延时敏感的应用，网络延时需要保持非常低。LTE无线网络的目标往返延时被设成小于10 ms。这比许多DSL系统中的20～40 ms的延时要更优。不仅如此，LTE还意图降低与控制面功能（如会话建立）相关的延时。提高QoS能力以支持大量应用是LTE的另一个目标。 LTE的目标是获得和有线宽带系统相似的性能，但与此同时，它还要提高对移动性的要求。系统需要支持最佳的高性能切换和与速度为15 kmph的设备的连接，在与速度为120 kmph的设备建立连接时，只允许很小的性能恶化。预想对较低品质连接的支持可以达到350 kmph。  灵活的频谱使用。世界各地不同手机运营商拥有的频带和频谱数区别很大。由于许多LTE可能部署在目前用于3G或2G业务的被重整过的频谱内，LTE能获得的频谱数也依赖于各运营商希望迁移到LTE的程度。为了成为一种真正的全球标准，并吸引大量的运营商部署，3GPP规定了高频谱自由度。  运营商可以在900 MHz、1800 MHz、700 MHz和2.6 GHz频段上部署LTE。LTE支持多种信道带宽：1.4 MHz、3 MHz、5 MHz、10 MHz、15 MHz和20 MHz。它也规定终端用户设备能在低于其最大容量的所有信道带宽上运行。例如，一个10 MHz的移动设备将支持最高10 MHz的带宽。较小的1.4 MHz和5 MHz信道被优化，用于GSM和CDMA频谱重整，以支持运营商不能释放较大数量频谱时的部署。为与成对及不成对频谱分配相适应，LTE也支持FDD和TDD。不过多数部署都倾向于FDD，本书的绝大部分内容也限于FDD。  和3G及非3GPP系统共存与交互。考虑到现有的移动用户基础，LTE网络与已有的2G和3G系统实现无缝交互是非常关键的需求。而今多数的移动运营商可能在一段时间内逐步引入LTE，最先将之部署在城市中心等需求较高的地区。为获得无缝的用户体验，LTE和现有的2G/3G系统之间的业务连续性和移动性（切换和漫游）至关重要。既然LTE的目标是成为一种能吸引大量运营商的真正全球标准，交互需求已经延伸到3GPP2 CDMA和WiMAX网络等非3GPP系统。为进一步实现固定移动融合，交互需求应用到包括有线IP网络在内的全IP网络。   降低每兆字节的成本。如1.3.1节所述，无线数据消费和收益间的差距正在加大。为缩短这种差距，需要大幅度削减整个网络发送数据到终端用户的成本。3GPP意识到这个问题，已经把降低每兆字节数据的成本作为LTE的一项主要设计标准。有许多设计标准和成本效率直接相关，包括：  高容量、高频谱效率的空中接口； 能在现有的频谱上部署，能重复使用小区站点和传输设备； 与之前的系统进行交互，以允许性价比高的迁移； 与非3GPP系统进行交互，以驱动全球标准获得更高的规模经济； 一种网络组元和协议较少的平面体系结构； 单一的用于语音和数据的IP包核心网络； 采用IP体系结构，通过与有线通信系统融合，以补充支持更大的开发社区，获得规模经济； 支持成本较低的基于以太网（Ethernet）的回程网络； 对基站的功率和空间需求较低，在许多情况下能把现有基站柜放进去或能架在它们的旁边； 支持自配置及自优化网络和技术，以降低安装和管理成本。 1.4　LTE关键的促进技术及其功能 为迎合其业务和性能需求，LTE的设计结合了几种促进其发展的重要无线和核心网络技术[14-16]。这里我们将简单介绍LTE设计时采用的一些关键的促进技术。本书的后续章节将更详细地介绍这些技术。 1.4.1　OFDM 现有的3G系统和LTE之间的一个主要不同是使用OFDM（正交频分复用）作为优先调制模式。UMTS和CDMA2000等部署广泛的3G系统建立在CDMA技术基础上。为抵抗干扰，CDMA将窄带信号扩展到宽带上，在低数据速率通信（如语音）方面性能很好，此时大量用户被复用以获得高系统容量。然而，由于需要巨大的带宽以获得有用的扩频值，CDMA不能胜任高速应用。 OFDM技术是为了获得高速数据传输。它是大量系统（包括Wi-Fi和WiMAX）所使用的核心技术。LTE选择OFDM是因为它具有下列优点。  完美解决多径干扰的方法。无线信道上的高比特率传输的一个主要挑战在于多径产生的符号间干扰。在多径环境下，不同信号路径间的时延是传输信号周期的重要组成部分。所传输的符号可能在下个符号传输期间到达接收器，从而导致符号间干扰（ISI）。数据速率高的时候，符号时间较短，因此只要很小的延时就能导致符号间干扰，使之成为宽带无线的一个更大的挑战。OFDM是一种多载波调制技术，用一种完美的方法克服了这一困难。多载波调制背后的基本思想是，把给定的高比特率数据流分成几个并行的低比特率数据流，每个数据流用独立的载波进行调制，这些载波通常被称为副载波或子载波。把数据流分成许多并行流增加了每个流内符号的持续时间，这样多径延时扩展只占符号持续时间的很小一部分。OFDM是一种频谱高效的多载波调制方法，它的子载波被设计成在符号持续时间内彼此正交，这样可以不必为了消除载波间的干扰而避免子载波信道的交叠。OFDM内的任何残留符号间干扰还可以通过在OFDM符号间设置比预计的多径延时更长的保护时间来消除。通过将保护时间设计成比预期的多径延时扩展更长，可以完全消除符号间干扰。不过增加保护时间意味着功率浪费和带宽效率降低。   降低了的计算复杂性。OFDM可以用FFT/IFFT（Fast Fourier Transform/Inverse Fast Fourier Transform，快速傅里叶变换/快速傅里叶逆变换）很容易地实现，而且对计算能力的需求的增长只比跟随数据速率或带宽而线性增长稍微快一点。OFDM的计算复杂性可以用 来表示，这里B是带宽， 是延迟扩展。这比基于时域均衡器的系统的复杂性 要低得多。因为能简化接收机的处理，从而降低移动设备的成本和功率消耗，所以降低复杂性对下行链路尤其具有吸引力。考虑到LTE的传输带宽很宽，伴有多流传输，这些尤其重要。   过度时延情况下性能缓慢下降。当时延扩展超过设计值时，OFDM系统的性能会缓慢下降。较大的编码和较小的星座（constellation）规模可以用于提供回退速率，在对抗延时扩展时要灵活得多。换句话说，OFDM非常适合使用自适应调制和编码，允许系统充分利用可用的信道状态。这和单载波系统的情况形成鲜明对照，当延时扩展超出均衡器的设计值时，由于误差增加，单载波系统性能迅速恶化。   利用频率分集。OFDM在子载波间使用频域编码和交织，这在对抗遭受强衰减的部分传输频谱所带来的突发错误方面，具有健壮性。OFDM还允许在不影响基站和移动站的硬件设计的情况下扩展信道带宽。这样就容许LTE在各种频谱配置和不同的信道带宽上进行部署。   促进高效的多址接入方案。通过把不同的子载波分配给多个用户，OFDM可用作一种多址接入方案。该方案被称为OFDMA，也为LTE所开发。OFDMA提供了精细的信道分配能力，可以被开发用于大幅度提高容量，尤其是对慢时变信道。   对抗窄带干扰具健壮性。由于只影响部分子载波，OFDM在对抗窄带干扰上具有健壮性。   适用于相干解调。在OFDM系统内相对比较容易实现基于导频的信道估计，这就使得它们适合采用功率效率较高的相干解调方案。   促进MIMO的使用。MIMO代表多输入多输出，涉及一系列信号处理技术，为提高系统性能，这些技术在发射器和接收器上均使用多根天线。因为MIMO技术效率高，它需要信道状态为多径延时不会引起符号间干扰，换言之，信道必须是慢衰落的，不能是一种频率选择性信道。在数据速率非常高的时候，情形并非如此，因而MIMO技术在传统的宽带信道上不能很好地工作。而OFDM把一个频率选择性信道转化为几个窄带慢衰落信道，此时MIMO模型及技术可以很好地工作。有效地应用MIMO技术以提高系统容量的能力使OFDM相比其他技术具有显著优势，这也是它为什么会如此选择的主要原因之一。MIMO和OFDM已经被有效地结合在Wi-Fi和WiMAX系统中。   有效支持广播业务。通过把基站与OFDM保护时间内的定时误差同步，有可能把OFDM网络作为单频网络运行。这样就允许来自不同小区的广播信号在空中结合，以大幅度提高接收信号的功率，在给定的发射功率下，可由此获得数据速率较高的广播传输。为改善广播业务，LTE设计利用了OFDM的这一能力。  尽管以上的这些优点促使3GPP选择OFDM作为其调制方案，但还应该注意到，OFDM也有一些不足。其中主要的是伴随高峰均比（PAR，Peak-to-Average Ratio）OFDM信号出现的问题，在信号通过射频放大器时，它会导致非线性和削波失真。减轻这个问题需要使用昂贵而低效的功率放大器，对线性要求很高，这会增加发射器的成本，浪费功率。 尽管OFDM会增加放大器成本，功率效率低，在设计下行链路时尚能容忍，但在上行链路，LTE选择具有较低峰均比的OFDM的变型。所选的上行链路的调制方式被称为SC-FDMA（Single Carrier Frequency Division Multiple Access，单载波频分多址）。 1.4.2　SC-FDE和SC-FDMA 为降低成本，延长电池寿命，LTE在上行链路结合了一种高功率传输方案。SC-FDE（Single Carrier Frequency Domain Equalization，单载波频域均衡）在概念上与OFDM类似，但它把数据符号作为带附加循环前缀的QAM符号序列进行发送，而不是传输实际数据符号的IFFT；IFFT被加在接收器的终端。SC-FDE保留着OFDM的所有优点，如抗多径、低复杂性，而且还具有4～5dB的低峰均比。LTE的上行链路实施SC-FDE的一种多用户版本SC-FDMA，它允许多个用户使用部分频谱。SC-FDMA极其接近OFDMA，实际上可认为是“DFT（离散傅里叶变换）预编码的OFDMA”。SC-FDMA也保留着SC-FDE的峰均比属性，但增加了发射器和接收器的复杂性。 1.4.3　信道依赖的多用户资源调度 LTE使用的OFDMA方案在如何配置资源上有巨大的自由度。OFDMA允许在时间和频率上进行配置，有可能设计一种以灵活、动态的方式配置资源的算法，以满足任意的吞吐量、延时和其他需求。为提高系统的总容量，该标准支持动态信道依赖调度。 假定每个用户均使用不相关衰落信道，有可能用某种方式在用户间配置子载波，使总容量增加。这种技术被称为频率选择性多用户调度，要求把传输功率集中在每个用户最好的信道部分，由此增加总容量。频率选择性调度要求有很好的信道跟踪，通常只在慢变信道上可行。对于快变信道，这样做的开销会抵消潜在的容量增益。在OFDMA内，频率选择性调度可以和多用户时域调度相结合，后者要求在各自衰落信道的峰值上调度用户。通过使调制和编码与每个用户子载波的瞬时信噪比情况相适应，也可获得容量增益。 高移动性用户可以使用OFDMA获得频率分集。通过在子载波上编码和交织，该子载波在频域的整个频谱上均匀随机分布，可以使信号在对抗频率选择性衰落或突发错误时更具健壮性。频率不同调度最适合于控制信令及延时敏感业务。 1.4.4　多天线技术 为了提高链路健壮性、系统容量及频谱效率，LTE标准为实施高级多天线方案提供了广泛的支持。视部署场景的不同，可以使用一种或多种技术。LTE支持的多天线技术包括以下几种。  发射分集——这是一种对抗无线信道上的多径衰落的技术。它的思路是通过多根发射天线发送同一信号不同编码的副本。LTE发射分集建立在SFBC（Space Frequency Block Coding，空频分组码）技术基础上，当使用4根发射天线时，用FSTD（Frequency Shift Time Diversity，频移时间分集）作补充。发射分集主要用于不能利用信道依赖调度的公共下行信道。它可以应用于诸如低数据速率VoIP之类的用户传输，这时信道依赖调度的额外开销可能不会被觉察。发射分集会增加系统容量和小区覆盖范围。   波束赋形——LTE内的多根天线也可能用于发射同一个信号，它们以适当的权重，赋给每一个天线元件，以便达到将发射波形聚焦在接收器的方向并远离干扰的效果，以此来提高接收到的信干比。波束赋形能大幅提高覆盖范围、容量、可靠性及电池寿命。它也能为用户跟踪提供角度信息。LTE支持下行链路的波束赋形。   空间复用——空间复用背后的想法是多个独立流能通过多根天线并行发射，在到达接收器时，能使用多个接收链通过适当的信号处理进行分离。只要不同天线觉察到的多径信道能被充分去关联到与处在一个散射严重环境时的情况相同，就可以应用这种方案。理论上，空间复用带来的数据速率和容量增益与所使用的天线根数成正比。在较高的信噪比和负载较小的情况下，它工作良好，因此更容易显著影响峰值速率而不是系统的总容量。LTE标准支持最多带4根发射天线和4根接收天线的空间复用。   多用户MIMO——由于空间复用需要多个发射链，出于对复杂性和成本的考虑，目前上行链路对此并不支持。但是，它支持多用户MIMO（MU-MIMO），该技术允许上行链路上有多个用户，每个用一根单独的天线，使用同样的频率和时间资源发射。每个用户通过彼此正交的上行参考信号获得精确的信道状态信息，通过利用这些信息，可以在基站接收器分离来自不同MU-MIMO用户的信号。  1.4.5　基于IP的平面网络体系结构 除了空中接口，LTE其他彻底发生变化的方面包括平面无线和核心网络体系结构[15]。这里，“平面”意味着更少的节点和更少分层的网络结构。对低成本和低延时的需求推动系统设计朝着平面体系结构发展，因为节点越少明显意味着基础设施成本越低，也意味着与接口和协议相关的处理越少，能减少互操作性测试，这些都降低了开发和部署的成本。节点少还允许更好的优化无线接口，合并一些控制面协议，缩短会话建立时间。 图1-3给出了3GPP网络体系结构的几个不同发布版本间的演进过程。3GPP Release 6体系结构在概念上与之前的网络非常相似，在数据通道上，它有4个网络组元：基站（即Node-B）、RNC、SGSN和GGSN。Release 7引入一条从RNC到GGSN的直接通道可供选择，这样便将SGSN从数据通道中除去。与它不同，LTE在数据通道上将只有两个网络组元：eNode-B（增强Node-B）和SAE-GW（System Architecture Evolution Gateway，系统体系结构演进网关）。与之前的蜂窝系统不同，LTE把基站和无线网络控制器的功能合并成一个单元。控制通道包括一个功能实体MME（Mobility Managenment Entity，移动性管理实体），它提供与用户、移动性和会话管理相关的控制面功能。MME可以与SAE-GW组合成一个实体，称为a-GW（access GateWay，接入网关）。关于网络体系结构的更多细节见1.5节。 图1-3　3GPP网络体系结构向平面LTE SAE体系结构的演进 LTE平面体系结构的一个主要方面是，所有的业务（包括语音在内）都由使用IP协议的IP分组网络支持。早先的系统有一个带MSC和传输网络的独立电路交换子网来支持语音，而LTE则与之不同，它构想只用单一的EPC网络，支持所有的业务，这样能大幅度地节省运行和实施成本。但也应该注意到，尽管为了支持IP业务，LTE被设计成具有平面体系结构，但出于后向兼容性的原因，3GPP体系结构的某些早期的非IP因素如GRPS隧道协议和PDCP（Packet Data Convergence Protocol，分组数据汇聚协议）仍然在LTE网络体系结构中存在。 1.5　LTE 网络体系结构 尽管本书的重点在LTE的无线网络方面，但对整个端对端体系结构有个基本的了解还是有用的，据此可以很好地领会业务是如何通过LTE网络传输的。为此，本节我们将简单介绍一下LTE的网络体系结构。 如前所述，3GPP Release 8提出的用以支持LTE的核心网络设计被称为EPC。EPC用来提供一种高容量、全IP、低延时的平面体系结构，能大幅度减少成本，支持高级实时和富媒体业务，并能带来更好的体验质量。它被设计成不仅能支持LTE等新的无线接入网络，也能通过SGSN的连接与早期的2G GERAN和3G UTRAN进行交互。EPC所提供的功能包括接入控制、分组路由及传输、移动性管理、安全、无线资源管理和网络管理。 EPC包括4种新组元：(1) SGW（Serving GateWay，服务网关）是面向3GPP 无线接入网络的接口的终端；(2) PGW（Packet Data Network Gateway，分组数据网网关），它控制IP数据业务，做路由，配置IP地址，强制执行策略，并为非3GPP接入网络提供接入；(3) MME支持用户设备上下文和认证，也验证和授权用户；(4) PCRF（Policy and Charging Rules Function，策略和计费规则功能）管理QoS方面。图1-4给出EPC的端对端体系结构，其中包括了它是如何支持LTE和当前及早先无线接入网络的。 图1-4　分组核心演进体系结构 以下是4种新组元中每一种的简单描述。  SGW。SGW充当RAN和核心网络的分界点，管理用户面移动性。当终端穿过E-UTRAN内不同eNode-B组元的服务区，以及穿过GERAN和UTRAN等其他3GPP无线网络的服务区时，它作为移动性锚点。SGW实现下行链路包缓冲和网络触发业务初始化的请求程序。它的其他功能包括合法拦截、包路由和转发、上行和下行链路内的传输层包标记、每个用户的会计支持以及运营商内部的计费。   PGW。它作为EPC面向因特网、专用IP网络或提供终端用户业务的IMS网络等其他PDN的终端点。它作为与外部PDN建立会话的锚点，提供诸如用户IP地址分配、策略强制、包过滤和计费支持之类的功能。策略强制包括运营商为控制数据速率所定义的资源分配、QoS和使用规则。包过滤功能包括为应用检测进行深度包检测。   MME。MME具有管理用户终端进入网络连接的信令和控制功能，网络资源分配以及移动性管理功能（如空闲模式位置跟踪、寻呼、漫游和切换）。MME控制所有与用户和会话管理相关的控制面功能。它还提供安全功能，如为用户终端提供临时身份，与HSS（Home Subscriber Server，归属用户服务器）交互以进行认证，以及协商加密与完整性保护算法等。它还负责选择适当的服务和PDN网关，选择老式网关以切换至其他GERAN和UTRAN网络。而且MME还是合法拦截信令的发出点。应该注意到，一个MME管理成千上万个eNode-B组元，这是它与使用RNC和SGSN的2G或3G平台的主要区别之一。   PCRF。PCRF是PDF（Policy Decision Function，策略决策功能）和CRF（Charging Rules Function，计费规则功能）的串联。它和PDN网关相接，支持业务数据流检测、策略强制和基于流的计费。实际上，PCRF是在比LTE更早出现的3GPP Release 7内定义的。不过它在LTE出现前的系统里部署得并不多，但对LTE来说，它是必需的。Release 8进一步增强了PCRF的功能以支持非3GPP接入（如Wi-Fi或固定线接入）到网络。  1.6　LTE的频谱选择及迁移计划 3GPP规范允许在全球范围内广泛的频段上部署LTE。它可以部署在现有2G和3G的任何频段上，也可以部署在几个新频段上。3GPP和其他标准机构以及几个工业协会继续和世界各地的专家就全球频谱协调问题进行协商，以便形成更大的规模经济和更快的部署速度。 表1-8和表1-9列出了许多比较常见的成对和不成对频段，LTE分别以FDD或TDD模式在其上部署[17-18]。FDD内的频段1～10和TDD内的频段33～38是目前3GPP系统已部署的频谱。多数情况下，在这些频段部署LTE都需要重整频谱，也就是说，现存的2G或3G系统将不得不从这些频段撤出，被LTE系统替代。FDD模式的频段11～17和TDD模式内的频段39和40是新频段，大部分都没有被现有2G或3G网络占用，因此更容易为LTE所使用。可以使用新频谱的运营商更有可能用新频谱将LTE部署为现有网络的覆盖解决方案。表1-10按地区总结了有可能部署LTE的不同频段。 表1-8　3GPP为LTE指定的FDD频段 3GPP频段 频段（常用）名 频谱数 上行链路（MHz） 下行链路（MHz） 能获得的地区 1 2.1GHz（IMT） 2×60MHz 1920～1980 2110～2170 欧洲、亚洲、日本、大洋洲 2 1900MHz（PCS） 2×60MHz 1850～1910 1930～1990 北美 3 1800MHz（DCS） 2×75MHz 1710～1985 1805～1880 欧洲、亚洲 4 1.7/2.1GHz（AWS） 2×45MHz 1710～1755 2110～2155 美国、加拿大（未来） 5 850MHz（CLR） 2×25MHz 824～849 869～894 北美、大洋洲 6 800MHz（IMT-E） 2×10MHz 830～840 875～885 日本 7 2.6GHz 2×70MHz 2500～2570 2620～2690 欧洲（未来） 8 900MHz（GSM） 2×35MHz 880～915 925～960 欧洲、亚洲、大洋洲 9 1700MHz 2×35MHz 1749.9～1784.9 1844.9～1879.9 日本 10 扩展1.7/2.1MHz 2×60MHz 1710～1770 2110～2170 北美（不包括美国） 11 1500MHz 2×25MHz 1427.9～1452.9 1475.9～1500.9 日本 12 低700MHz（UHF） 2×18MHz 698～716 728～746 美国 13 低700MHz（UHF） 2×10MHz 777～787 746～756 美国 14 高700MHz（UHF）公共安全/专用 2×10MHz 788～798 758～768 美国 17 低700MHz（UHF） 2×12MHz 704～716 734～746 美国 表1-9　为LTE指定的TDD频率 3GPP频段 频段（常用）名 频　谱　数 频　　率 能获得的地区 33 TDD 2000 20 MHz 1990~1920MHz 欧洲 34 TDD 2000 15 MHz 2010~2025MHz 欧洲和中国 35 TDD 1900 60 MHz 1850~1910MHz 美国、加拿大 36 TDD 1900 60 MHz 1850~1910MHz 美国、加拿大 37 PCS Center Gap 20 MHz 1910~1930MHz 美国、加拿大 38 IMT扩展Center Gap 50 MHz 2570~2620MHz 欧洲 39 中国TDD 40 MHz 1880~1920MHz 中国 40 2.3GHz TDD 100 MHz 2300~2400MHz 中国 表1-10　全球不同地区LTE的频谱选择 候选频谱 初期LTE部署 未来潜在的LTE部署 北美 AWS：2100MHz UHF：700MHz 850MHz（重整） 1.9GHz（重整） 亚太地区 1.5GHz（日本） 2.6GHz（日本） 2.1GHz（日本） 2.3～2.4GHz（中国） 470～854MHz 1.8GHz（重整） 欧洲、中东、非洲 2.1GHz（日本） 2.6GHz（日本） 900MHz（重整） 1.8GHz（重整） 450MHz（重整） 470～854MHz 图1-5展示了美国能获得的不同频谱选择。而今不同的3GPP和3GPP2系统已经部署在 850 MHz移动频段和1900 MHz PCS频段。AWS（Advanced Wireless Services，高级无线业务）频段和最近拍卖的700 MHz的UHF频段可能是美国境内LTE初期部署的主要候选频段。 在欧洲，许多运营商可能希望重整900 MHz的GSM频段，用于LTE部署。由于许多运营商不断将其顾客迁移到UMTS频段（1920～1980 MHz/2110～2179 MHz）的3G系统上，900 MHz上的负载不断减小。一些运营商可能将3G UMTS/HSPA系统部署在900 MHz上，而其他的一些可能等待用LTE替代该频段上的GSM。HSPA需要每次使用5 MHz，而LTE允许在低至1.4 MHz的频段上运行，这使得它能吸引频谱有限的运营商。我们也有可能看到LTE部署在UMTS频段上，因为几个运营商还没有用完这些频段上的所有频带。在欧洲，新增的LTE部署候选频率还有2.6 GHz范围内的IMT扩展频段（IMT Extension Band）。 接下来我们较详细地讨论一些较新且更可能为LTE早期部署所选择的频谱。 图1-5　美国潜在LTE部署能获得的无线频谱  AWS频段。2006年，FCC拍卖了用于AWS的90 MHz（2×45 MHz）的不成对频谱。总共1087个执照由104个竞拍方获得，为美国财政部净赚139亿美元，平均每人每兆赫兹0.53美元。该频谱被称为AWS- ，其中1710～1755 MHz用于移动传输，2100～2155 MHz用于基站传输。上频带与IMT-2000的下行链路有交叠，后者的频率范围是2110～2170 MHz。AWS频谱被分成6对进行拍卖，3对 MHz，3对 MHz。BRS（Broadband Radio Services，广播无线业务）和FMS（Fixed Microwave Services，固定微波业务）运营商所占用的频段必须首先被撤销，再部署移动业务。美国的几个运营商已开始在AWS上部署3G，而另外一些在此频段上部署系统前可能会等待LTE。加拿大于2008年拍卖了AWS，而拉美国家也有望在短期内使用AWS。目前，FCC正在制订拍卖规则，拍卖对象有新增的20 MHz的成对频率，命名为AWS-II，目标频段是1915～1920 MHz/1995～2000 MHz和2020～2025 MHz/2175～2180 MHz，还有新增的2155～2175 MHz频段上的20 MHz的不成对频率，命名为AWS-III。FCC正提议允许TDD在AWS-III上运行，但是许多业内人士更关心在AWS- FDD频谱附近运行TDD。   700 MHz UHF频段。2008年，FCC拍卖了700 MHz UHF频段的52 MHz的频谱。之前这一频谱大部分分配给了电视广播，FCC对之进行回收，作为向数字电视转变的一部分。FCC将其分成较低的700 MHz频段（范围是698～746 MHz）和较高的700 MHz频段（范围是746～806 MHz）。低700 MHz频段有几个成对和不成对频谱块，每个6 MHz宽，与6 MHz的电视信道一致。高700 MHz频段有一个 MHz成对块，凭（美国）全国许可证进行拍卖。它还有另外两个 MHz成对频段和一个被称为“C频段”的 MHz的宽成对频段。C频段与FCC的“开放接入”的条款一起出现。  一共101个竞标人赢得了1090个许可证，净花费约为190亿美元，比过去15年其他任何一次卖出的都多。AT&T和Verizon这两个美国最大的移动运营商赢得了许可证的最大份额。运营商之所以对700 MHz如此青睐，是因为这一低频段具有吸引人的传播特性，能提供更大的覆盖范围，更强的建筑穿透性。因为在上部署LTE 700 MHz比在较高频率所需基站的数目更少，所以它对于在农村和郊区部署新系统尤其有吸引力。700 MHz拍卖被看成是获得UHF频谱的最后一次机会，为获得许可证，参与者花费平均每人每兆赫兹1.28美元，是AWS所花费的2倍。为容许LTE使用10 MHz和20 MHz的带宽运行，以便有可能获取非常高的峰值数据速率，部分700 MHz频谱以足够大的一块进行授权。 美国带头拍卖了700 MHz UHF频谱，与此同时，世界各地也正在向数字电视转变，该转变必然会产生频谱红利。很可能世界上其他地区也会拍卖之前被模拟电视占用的470～862 MHz频谱的一些部分，以用于新业务（包括移动宽带）。  IMT扩展频段。2000年世界无线电大会（World Radio Congress）上，确认2500～2690 MHz频段作为IMT2000的新增频段。欧洲国家已经为FDD运行分配了IMT2000扩展频谱中的140 MHz，上行链路使用2500～2570 MHz，下行链路使用2630～2690 MHz。不久也将新增分配给TDD的50 MHz的不成对频段，范围是2570～2620 MHz。正如700 MHz UHF频段一样，该频段也为潜在的LTE部署提供20 MHz的信道带宽。  每个运营商的频谱状况和他们所处的竞争位置及进行资本投资的能力将决定他们部署及将用户迁移到LTE的时机和方法。运营商也不得不管理技术风险，在过渡期间维持业务和网络品质，控制包括传输成本在内的运行成本，并开发一种能支持和刺激用户向LTE迁移的设备生态系统。 那些已经为LTE获得新频谱的运营商将更有可能把LTE作为一种新频谱上的覆盖解决方案，首先从人口稠密的市区开始部署，然后慢慢向外扩展。随着越来越多的用户向LTE迁移，这些运营商可能会开始释放他们现有的3G频谱，对其进行重整，以部署LTE。即使在把数据转移到LTE之后，许多运营商也有可能会继续使用2G或3G电路交换语音网络。除非运营商在品质和容量上很有把握，已完全部署IMS（IP Multimedia Subsystem，IP多媒体子系统）以支持分组承载上的实时业务，并已建立一种在LTE和早期系统间进行语音切换的固定机制，否则语音不可能完全向LTE转变。 1.7　未来移动宽带技术——LTE之后 已经有人在开发比LTE高级的系统。虽然许多业内人士将LTE称为4G系统，但严格来说，它并不能满足ITU所设置的对4G无线标准的需求。ITU定义的4G系统名为高级IMT（IMT-Advanced），需要高移动性应用的目标峰值数据速率为100 Mbps，低移动性应用的目标峰值数据速率为1 Gbps。[19] 除了峰值数据速率，高级IMT也设置了对频谱效率的需求，包括峰值、均值、小区边缘频谱效率。它设想每个用户的峰值下行频谱效率为15 bps/Hz，平均下行频谱效率为2.6 bps/Hz，小区边缘效率为0.075 bps/Hz。尽管用于增加峰值效率的技术很明显，即高阶MIMO和高阶调制，但还不清楚如何满足高级IMT所需的小区边缘及平均频谱效率。无线系统的研究人员和开发人员面前还有一项很难应付的挑战。 找到满足100 Mbps和1 Gbps需求所需的频谱是另一项挑战。2007年的世界无线电大会确认了几个新的IMT频谱，但极少频谱上如2.6 GHz和3.5 GHz那样有100 MHz的连续块。这意味着可能运营商间需要共享网络和频谱，来自不同频段的不相邻信道要进行聚合。 3GPP正在研究许多技术，以实现高级IMT的需求。标准机构已组织了一个研究小组来开发高级LTE（LTE-Advanced），然后它会被作为高级IMT的一项标准提交给ITU。3GPP已开发出高级LTE的初期需求[20]，见表1-11。高级LTE正在考虑的一些技术包括：  高阶MIMO和波束赋形（最多至 ）；   几种新的MIMO技术，如改进的多用户MIMO、协作网络MIMO和单用户上行链路MIMO等；   小区内干扰协调和消除；   使用多跳中继节点改善和扩大高数据速率的覆盖范围；   载波聚合以支持更大的带宽，且同时后向兼容低带宽LTE；   使用自配置和自优化网络的毫微微小区/家庭Node-B。  表1-11　高级LTE目标需求总览 高级LTE目标需求 峰值数据速率 下行链路1Gbps，上行链路500Mbps；假设低移动性和100MHz信道 峰值频谱效率 下行链路：30bps/Hz，假设不超过 MIMO。上行链路：15 bps/Hz，假设不超过4×4 MIMO 平均下行小区频谱效率 假设4×4 MIMO，3.7bps/Hz/小区；假设2×2 MIMO，2.4 bps/Hz/小区；高级IMT需要2.6 bps/Hz/小区 下行小区边缘频谱效率 假设4×4 MIMO，0.12 bps/Hz/用户；假设2×2 MIMO，0.07 bps/Hz/用户；高级IMT需要0.075 bps/Hz/用户 延时 从休眠到激活小于10 ms，从驻留到激活小于50 ms 移动性 性能与LTE相同；能考虑的最大速度为500 kmph 频谱灵活性 FDD和TDD；重点放在最多100 MHz的宽信道，包括使用聚合 后向兼容性 LTE设备应能在高级LTE内工作；重用LTE体系结构；与其他3GPP系统共存 最终分析可知，无线系统容量受到3种因素的推动：频谱数、频谱效率和小区数。考虑到有用频谱的稀缺性，我们不可能在不远的将来看到它的大量增加。由于我们已经开发和部署的技术使容量已经接近理论香农极限，频谱效率增益也将有限。这从很大程度上就需要我们增加小区数目，从微小区向微微小区和毫微微小区转变，以获得大的容量增益。既然我们期待能满足高级IMT及更高系统的需求，就要把很多精力集中到演进蜂窝网络拓扑、智能管理干扰以及在更复杂的拓扑内动态分配资源上，从而使系统容量最大。 1.8　小结 本章我们总结了移动无线宽带系统的演进，提出了LTE产生的理由，主要包括以下内容。  过去的25年内，无线业务以惊人的速度增长，如今全球已有40多亿用户。   语音电话已成为无线系统的传统杀手级应用，但数据消费正在飞速增长，将成为未来发展的主宰。   无线系统从早期单个小区的系统开始，发展到第一代模拟语音蜂窝系统，之后到第二代数字语音（大多数）系统，再到第三代分组数据系统，正朝着移动宽带无线系统演进。   回顾了不同的无线标准：AMPS、GSM、CDMA、IX-EVDO、UMTS、HSPA、WiMAX 和LTE。   讨论了LTE标准所包含的市场驱动、显著特征及关键技术。   简单描述了LTE的端对端网络体系结构，它支持平面IP网络上的所有业务。   讨论了LTE部署的频谱选项，重点强调已能获得的较新的频谱选项。   简单浏览了LTE将来向真正4G系统的演进，那时它将能获得最高1 Gbps的峰值数据速率。  参考文献