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LTE关键技术及MIMO技术在LTE中的应用【摘要】：随着移动通信技术的蓬勃发展，无线通信系统呈现出移动化、宽带化和IP化的趋势。本文简单介绍了3GPP长期演进（LTE）的发展背景及其关键技术，重点分析介绍了MIMO技术在LTE中的应用，最后简要讨论了LTE的发展现状及其发展前景。【关键字】：3GPP长期演进、时分双工、频分双工、正交频分复用、小区间干扰抑制、多入多出系统1.LTE的发展背景随着移动通信技术的蓬勃发展，无线通信系统呈现出移动化、宽带化和IP化的趋势，移动通信市场的竞争也日趋激烈。为应对来自WiMAX，Wi-Fi等传统和新兴无线宽带接入技术的挑战，提高3G在宽带无线接入市场的竞争力，保证3GPP未来十年的竞争力，2004年12月3GPP组织正式成立了LTE研究项目，开展UTRA长期演进技术的研究，以实现3G技术向B3G和4G的平滑过渡。3GPPLTE的改进目标是实现更高的数据速率、更短的时延、更低的成本，更高的系统容量以及改进的覆盖范围。其主要性能目标有：在20MHz频谱带宽能够提供下行100Mbps、上行50Mbps的峰值速率；改善小区边缘用户的性能；提高小区容量；降低系统延迟，用户平面内部单向传输时延低于5ms，控制平面从睡眠状态到激活状态迁移时间低于50ms，从驻留状态到激活状态的迁移时间小于100ms；支持100Km半径的小区覆盖。1.1LTE的关键技术1.1.1LTE网络架构LTE网络技术的一个关键设计目标是网络完全基于分组交换的，传统语音通信只是网络给终端用户提供的服务之一。从核心网的观点看，LTE摒弃了在2G和3G网络中存在的双核心网结构，即语音核心网和分组核心网。在LTE网络中，分组核心网成为管理UE移动性和处理信令的唯一的核心网，其核心网主要由下述功能单元组成。1.2TDD和FDDLTE标准定义了频分双工（FDD）和时分双工（TDD）两种方式，FDD是在分离的两个对称频道上进行接收和发送，用保护频段来分离接收和发送信道。FDD必须采用成对的频率，依靠频率来区分上下行链路，其单方向的资源在时间上是连续的。TDD用时间来分离接收和发送信道，接收和发送使用同一频率载波的不同时隙作为信道的承载，上行或下行方向的资源时间上是不连续的。某个时间段由基站发送信号给移动台，其他时间由移动台发送信号给基站，基站和移动台之间必须协同一致才能顺利工作。从技术上比较，LTEFDD/TDD两者均是LTE标准的不同方式，但二者网络结构和协议栈完全相同。两种技术在商用软件开发中大约只有20%的代码不能复用，能够共用相同的SDR硬件平台。LTEFDD与LTETDD可以共享相同的SAE网关，使得两者非常容易实现系统融合。一旦LTEFDD/TDD实现融合，运营商无论在拥有什么样的频谱资源的情况下都可以采用TDD技术。LTE的关键优势之一就是频谱利用的灵活性，灵活性包括对不同宽度的频谱使用以及对不同对称或者不对称的频谱使用。LTE可以支持从低于1.4MHZ到最高20MHZ的灵活的载波带宽，同时也支持FDD和TDD技术来使用对称或者不对称的频谱资源。1.3正交频分复用OFDM（OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing）即正交频分复用，实际上OFDM是MCM（Multi-CarrierModulation）多载波调制的一种。其主要思想是：将信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到在每个子信道上进行传输。正交信号可以通过在接收端采用相关技术来分开，这样可以减少子信道之间的相互干扰（ICI）。每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，因此每个子信道上的可以看成平坦性衰落，从而可以消除符号间干扰。1.4小区间干扰抑制技术LTE系统下行OFDMA多址方式使本小区内的用户信息均承载在相互正交的不同载波上，因此，大部分干扰都来自于其他小区。对于小区中心的用户来说，其本身离基站的距离就比较近，而外小区的干扰信号距离又较远，则其信干比（SIR）相对较大；但是对于小区边缘的用户，由于相邻小区占用同样载波资源的用户对其干扰比较大，加之本身距离基站较远，其信干比相对就较小。这就导致了虽然小区整体的吞吐量较高，但是小区边缘的用户服务质量却较差，吞吐量较低。因此，在LTE系统中，十分重视小区间干扰问题的解决。2MIMO技术在LTE中的应用2.1MIMO技术的基本原理MIMO（Multiple-InputMultiple-Output）系统，该技术最早是由Marconi于1908年提出的，它利用多天线来抑制信道衰落。MIMO技术是指在发射端和接收端分别设置多副发射天线和接收天线，其出发点是将多发送天线与多接收天线相结合以改善每个用户的通信质量（如差错率）或提高通信效率（如数据速率）。MIMO技术实质上是为系统提供空间复用增益和空间分集增益，空间复用技术可以大大提高信道容量，而空间分集则可以提高信道的可靠性，降低信道误码率。通常，多径要引起衰落，因而被视为有害因素，然而对于MIMO来说，多径可以作为一个有利因素加以利用，MIMO技术的关键是能够将传统通信系统中存在的多径衰落影响因素变成对用户通信性能有利的增强因素，MIMO技术有效地利用随机衰落和可能存在的多径传播来成倍地提高业务传输速率，因此它能够在不增加所占用的信号带宽的前提下使无线通信的性能改善几个数量级。2.2MIMO和LTELTE协议从2006年年初开始制定，MIMO技术从一开始就成为LTE中频谱效率提升的关键技术，目前R8版本的物理层已经冻结。LTETDD协议的进展程度和FDD类似。LTEFDD协议目前支持的最大天线数为基站4发、终端2发。TDD协议可支持大于4天线的天线配置。3LTE的发展前景及未来3.1LTE的发展现状LTE网络的总体目标包含两个方面：一是性能提高，即提供更高的用户数据速率，提升系统容量和覆盖率，减小时延，并减少运营成本；二是实现一个能够支持多种接入技术灵活接入的、基于全IP的分组核心网络，并保证业务的连续性。其相关的标准工作可以分为两个阶段：SI（StudyItem，技术可行性研究阶段）和WI（WorkItem，具体技术规范撰写阶段）。SI阶段主要是以研究的形式确定LTE系统的基本框架，并进行主要的候选技术选择，以对LTE标准化的可行性进行判断。经过一年多的研究，SI阶段明确了LTE系统的需求以及应用场景，形成了包括详细需求在内的一系列技术研究报告，并于2006年6月，经多厂家的系统仿真评估，对LTE标准化的可行性得出了初步结论。WI阶段可分为Stage2、Stage3两个子阶段。其中，Stage2主要通过对SI阶段中初步讨论的系统框架进行确认，同时进一步完善技术细节，并最终于2007年3月形成了LTE第一版规范TS36.300。Stage3主要是确定具体的流程、算法及参数等，该阶段于2007年12月对无线接口的物理层规范进行了功能性冻结，形成了LTE技术规范的第一个版本，但由于该版本存在多方面未确定的问题，尤其是无线接口高层功能及网络接口协议方面，因此，2008年3GPP继续对LTEStage3的技术规范进行了修改和完善。由于技术细节问题层出不穷，Stage3的完成时间也一拖再拖，最终，R8版本LTE技术规范的完成时间被推迟到了2008年12月。其中，对于部分特性以及由于时间问题来不及解决的遗留问题被放到R9中继续完善。目前，LTE标准的核心技术规范及测试规范均已冻结，并于2009年3月正式发布。除了3GPP标准组织负责制定LTE网络的相关技术规范外，国际主流运营商和设备商还成立了两个与LTE技术密切相关的组织：NGMN组织和LSTI组织。3GPP组织与NGMN和LSTI组织之间是相互补充、相互配合的关系，他们分别从技术标准、系统需求和测试3各方面对LTE的产业化进程提供着有力的支持。3.2LTE的发展前景LTE是现有3G移动通信技术在4G应用前的最终版本，采用了很多原计划用于B3G/4G的技术如OFDM、MIMO等，在一定程度上可以说是4G技术在3G频段上的应用。和现有3G及3G+技术相比，LTE除了具有技术上的优越性之外，也提供了更加接近4G的一个台阶，使得向未来4G的ELECTRONICTEST演进相对平滑，是现有3G技术向B3G/4G演进的必经之路。LTE在WiMAX的竞争中产生，也将在与WiMAX的竞争中向前发展，而且这种竞争的强度还会不断加大。目前，WiMAX的802.16e标准正在积极申请加入3G标准，期望以此获得全球统一的频率使用权。802.16m技术更是成为IMTAd—vanced的候选技术之一，并计划保持与802.16e技术的向后兼容性。未来的移动通信市场中，WiMAX技术将会是LTE的一个强劲的竞争对手，LTE将会在与WiMAX技术的直接竞争中逐步发展。4总结随着个人通信技术的快速发展，人们对数据业务的需求也不断提升，虽然3G业务尚未在国内普及，但是迫于WiMAX的竞争压力，为了保持3G在无线宽带市场的竞争力，加快3GPP长期演进（LTE）的研究就显得格外重要。本文第一章简单介绍了3GPP长期演进（LTE）的发展背景；在第二章简要的介绍了LTE的关键技术，包括LTE的网络架构、时分双工/频分双工（TDD/FDD）、正交频分复用（OFDM）以及小区间干扰抑制技术；第三章重点分析介绍了MIMO的技术原理及其在LTE中的应用；最后简要讨论了LTE的发展现状及其发展前景。LTEkeytechnologyandapplicationintheLTEMIMOtechnology【Abstract】:Withtherapiddevelopmentofmobilecommunicationtechnology,wirelesscommunicationsystemshowingamobile,broadbandandIPtrend.Thisarticleexplainsthe3GPPLongTermEvolution(LTE)developmentbackgroundanditskeytechnology.AnalyzedintroducesLTEMIMOtechnologyintheapplication,andfinallyabriefdiscussionofthedevelopmentofLTEsituationanddevelopmentprospects.【Keywords】:LTE、TDD、FDD、OFDM、MIMO1.ThedevelopmentbackgroundofLTEWiththevigorousdevelopmentofmobilecommunicationtechnology,wirelesscommunicationsystempresentsthetrendofmobile,broadbandandIP,themobilecommunicationmarketcompetitionisincreasinglyfierce.TocopewithfromWiMAX,wi-fiandothertraditionalandemergingbroadbandwirelessaccesstechnologychallenges,enhancethecompetitivenessof3Ginthebroadbandwirelessaccessmarket,toensurethecompetitivenessofthe3GPPinthenextdecade,3GPPorganizationwasestablishedinDecember2004theLTEresearchprojects,UTRAlong-termevolutionofthestudy,inordertorealizethe3GtechnologytothesmoothtransitionofB3Gand4G.3GPPLTEimprovementgoalistoachievehigherdatarate,ash