LTE-Advanced技术的发展及相关的主要技术解析

　　通信技术于80 年代开始逐渐普及到人们的日常生活中，由于该项技术的许多优越性，使其在短短几十年内得到了很好的发展， 而移动通信业务也产生了越来越高效和便于使用的技术。近年来，随着科学技术的不断进步，人们对网络的需求量与日俱增，这使得移动通信业务得以广泛发展， 为了满足人们越来越高的要求，LTE 无线网络技术（4G） 应运而生。聚合载波、MIMO、多点协作发送、中继等新技术也随之产生， 这满足了人们对通信高效的数据业务的需求。而最为关键的LTE-Advanced 技术也成为尤为重要的4G 国际标准之一， 并得到了世界范围内通信领域的研究人员的关注。相信在不久的将来，4G 网络将普遍应用于所有用户。
　　1 LTE-Advanced 技术概述及分析
　　1.1 发展背景
　　移动通信业务的产生改变了人类传统的通讯方式，并很快取代了原始邮寄书信的通讯模式，这有效的改善了人们的生活，大大提高了生活效率，使得人们能够更加容易的了解周围发生的事情， 移动通信业务的发展是人类历史上的一大进步。
　　至今为止， 通信领域已经经历了三个重要的发展阶段，每一次的改善都是重大的进步。第一代是模拟通信系统， 是由美国推出的一种高级移动电话系统，通过频分多址技术实现了全国范围的语音通信。第二代通信系统源于美国的CDMAone 系统和欧洲的全球移动通信系统，是数字通信系统的开端，它在全球范围内都取得了前所未有的成功，目前全球移动通信系统仍然是通信领域的主要服务方式。随着科技的进步，用户对于数据传输的速率和质量的要求越来越高，第二代数字通信系统的一些技术已无法满足用户日渐增长的需求，这就推动了第三代移动通信系统的发展，3G 标准应运而生。它包括中国主导的同步码分多址技术、全球微波互联接入技术、美国的CDMA2000 以及欧洲和日本的宽带码分多址技术。3G 移动通信系统是以CDMA 技术为基础，在提高数据传输速率的同时还能支持多媒体业务。近两年，3G 业务已经广泛的应用于全球范围。
　　随着科技的发展及人类的进步，对于能够提供更好的通话质量、优质的媒体服务以及更加高效快捷的数据传输速率的要求，这就需要更加先进的网络架构和空中接口技术，基于人们这样的需求，LTE无线网络技术应运而生，标志着4G 时代的到来。
　　1.2 LTE-Advanced 技术分析
　　LTE 无线网络技术是移动通信产生以来经历的一次较大的变革和创新， 原始3G 时代的通信系统中的许多基础技术被改进或替换，这标志着人类社会更大的进步。LTE 技术对于4G 通信系统有更高的要求，较大的带宽、较高的峰值速率并保证用户在各个区域的体验。统计表明，未来系统的吞吐量有80%~90%将发生在室内和热点场景，这些将成为4G 时代更为重要的应用。所以，要增强热点场景的用户体验，新技术的产生是不可避免的。
　　2 LTE-Advanced 主要技术
　　为了满足用户更高的要求和适应未来无线通信市场的更多应用，LTE 无线网络技术产生并引入了许多新技术，如上下行的多天线增强技术、聚合载波技术、中继及多点协作传输技术等，更大幅度的提高了无线移动通信系统的性能，更有利于用户体验。
　　2.1 聚合载波技术
　　聚合载波技术的提出是为了使LTE 网络的系统带宽达到相应的要求。聚合载波技术就是聚合两个或两个以上的成分载波，使其能够接收更高频率的成员载波， 并且使用了聚合载波技术的通信系统仍可接收其中的一个成员载波（聚合之前相应频率的载波）。
　　载波的聚合分为连续的和非连续的两种技术，如图一、图二所示。连续频谱的载波聚合技术可以使基站和终端的配置更为简捷方便，适用于3.4GHZ～3.8GHZ 频段的频率范围； 非连续频谱的聚合载波具有更高的频谱聚合的灵活性， 并需要确定频谱聚合可支持的终端的能力， 以便设计出最低的成本和功率损耗。
　　
　　LTE 网络系统的多个成员载波的数据流之间的载波聚合方式有两种：物理层聚合和MAC 层聚合。物理层聚合方式是指所有的成员载波之间使用相同的调制编码方式，并且共享同一个HARQ 进程和ACK/NACK 反馈。MAC 层载波聚合方式下，各个载波都有各自的传输块， 每个成员载波使用各自独立的链路自适应技术， 并可根据自身的链路情况来选择相应的调制编码方式， 各成员载波之间混合使用并能自动重传请求HARQ 进程和ACK/NACK反馈。相比较而言，MAC 层载波聚合方要优于物理层载波聚合方式。
　　2.2 MIMO 技术
　　LTE下行能够支持4*4 的天线配置，其在MIMO技术中得到了进一步的增强， 使其能够满足LTE提升平均谱效率和峰值谱效率的需求。在MIMO技术下，下行单用户可支持扩展到8*8 配置的场景，最多可支持8 层传输；上行在MIMO 下最多可支持4*4 配置，最多支持4 层传输。
　　2.2.1 MIMO 的上行多线增强
　　LTE 的上行技术需要考虑很多需求，如上行的低峰值比、更多的天线配置以及每个载波的单载波传输等需求。
　　多天线技术使上行控制信道性能和覆盖进一步优化，而发射分集的方式是决定这一性能的主要因素。据调查实践评估，在MIMO 技术上对信号使用相互正交的码序列进行调制传输， 即用SORTD 的发射分集方式取代原来的码分上行控制信道，更有利于性能的优化。
　　提升容量，多天线技术空间复用的引入是上行业务信道的主要需求。与此同时，更为简单的开环传输预编码相较于发射分集更具有性能上的优势，所以最终确定对小区边界的用户直接采用开环传输预编码的方式来确定上行业务信道。
　　2.2.2 MIMO 的下行多线增强
　　对于LTE 的下行信号而言，采用专用参考信号进行传输，所有上下行信号的发送在原则上采用基于码本或非码本均可。同时，对闭环MIMO 采用基于码本的PMI 反馈方式以降低反馈开销。目前正在采用双预编码矩阵码本结构设计8 天线码本，即用两个矩阵的乘积表示码本矩阵，通常情况下一个是矩阵式基本码，另一个是在基本码的基础长根据信道特征对其的修正。此外，还要根据信道变化的快慢分别对其进行长周期（空间相关性）或短周期反馈（快衰因素），以进一步减少反馈开销。
　　LTE 技术对于业务信道的传输是采用用户的专用参考信道，对于同一用户来说，其业务信道的不同层使用CDM+FDM 相互正交的信号作为参考信号。目前，LTE 网络技术为了减少多用户流之间的干扰，正在探讨对MU-MIMO 技术进一步增强，开发联合信号处理以及多用户分集的增益，并且要在性能和链路复杂度之间做到较好的折中处理。
　　2.3 中继（relay）技术
　　中继技术通过在原有站点的基础上增加新的站点来加大天线与站点之间的分布密度。原有基站（母基站）与传输网络相连，新增的站点通过无线与母基站相连， 所以在新基站与传输网络之间不存在有线的连接。下行数据的传输是先经过母基站，然后通过母基站传给中继节点，最后传输给终端用户，上行数据的传输则与下行相反。通过这种方法可以提高系统的用户数据率和频谱效率， 拉近了终端用户与天线之间的距离，提高了终端链路的质量。
　　为了满足用户对高效数据传输的要求，提出了中继技术来提高小区边缘用户的数据传输速率和平均吞吐量。目前较为简单的中继是两跳中继，即基站—中继站和中继站—基站这两条链路，使用这种方式可将一条质量较差的链路转换为两条质量更好的链路结构，从而提高链路的容量和覆盖。
　　目前中继可分为两种类型，即Type1 中继和Type2 中继。Type1 中继因其自身具有独立的小区ID，所以它可以通过发送自己的同步和导频信号来控制一个单独的小区， 对其覆盖范围内的每个小区来说都相当于有一个自己的主基站。而Type2 中继不具备Type1 的拥有独立小区ID 的性能， 因此不能够形成新的小区并发送自己的同步和导频信号，Type2 中继主要用来增加频谱效率和小区的吞吐量。表一为移动端是否中继的基站信息记录。
　　2.4 多点协作技术（CoMP）
　　多点协作传输是一种较为广泛的天线技术，主要采用分布式，即小区边界区域的终端，其自身传输的信号能够同时被多个小区接收，并且能够同时接收来自多个小区的不同的请求信号，因此使得小区边缘用户的系统性能得以改善。下行传输时，通过协调多个小区之间的发射信号避免彼此间的干扰，能够大幅度的提升下行传输的效率。上行数据传输时，也可协调抑制各小区之间的干扰情况，有多个小区同时联合接收信号并合并，从而可提升接收信号的信噪比，达到更好的效果。
　　在采用传统的传输方式时，小区之间存在干扰，这易导致边缘用户的性能下降，多点协作传输技术通过在各机基站之间共享信息，能够有效的消除各小区之间的相互干扰。多点协作技术可根据各基站之间是否共享用户信息分为联合传输和协作调度/波束成形两类。
　　联合处理或协作调度/ 波束成形这两种方式均可提高系统的性能，但彼此之间各有各的优缺点。联合传输是指信号同时从两个或两个以上的基站传输，因此联合传输相较于协调调度/ 波束成形方式能够更好的改善用户性能。但是在联合传输模式下，每个小区用户占用过多的资源，所以对于平均速率来说，联合传输模式要低于协作调度/ 波束成形的方式，联合传输对于单用户来说性能增益较小，而协作调度/ 波束成形的方式单用户的性能增益较高。对于多用户模式，用户的平均速率和边缘用户的性能都有较大程度的改善。
　　3 结束语
　　新的事物象征着发展，引入LTE 技术标志着人类在不断的进步，这满足了人们对网络更高的要求，从3G 到4G 时代的改变，将是人类社会上又一项重要的进步。小区吞吐量、数据传输速率及空间接口技术的不断提高，使得无线扁平化技术兴起，这是无线网络架构史上的伟大进步，LTE-Advanced 技术的产生和发展势不可挡，其发展标准甚至超过了原有的由ITU 制定的标准， 并且LTE-Advanced 技术能够完全兼容LTE 无线网络技术。本文对LTE-Advanced技术的发展及相关的主要技术进行了介绍，并就其关键技术做出了探究。可以预见，LTE-Advanced技术将在很长一段时间内作为世界范围移动通信领域的热点研究课题， 这将更有利于推动第四代通信技术的发展，人类进入4G 时代不再遥远。