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長期演進技術

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LTE（Long Term Evolution，長期演進)是由3GPP（The 3rd Generation Partnership Project，第三代合作伙伴計劃）組織制定的UMTS（Universal Mobile Telecommunications System，通用移動通信系統）技術標準的長期演進，於2004年12月在3GPP多倫多會議上正式立項並啓動。LTE系統引入了OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交頻分複用）和MIMO（Multi-Input & Multi-Output，多輸入多輸出）等關鍵技術，顯著增加了頻譜效率和數據傳輸速率（20M帶寬2X2MIMO在64QAM情況下，理論下行最大傳輸速率為201Mbps，除去信令開銷後大概為150Mbps，但根據實際組網以及終端能力限制，一般認為下行峯值速率為100Mbps，上行為50Mbps），並支持多種帶寬分配：1.4MHz，3MHz，5MHz，10MHz，15MHz和20MHz等，且支持全球主流2G/3G頻段和一些新增頻段，因而頻譜分配更加靈活，系統容量和覆蓋也顯著提升。 [1] 
中文名
通用移動通信技術的長期演進
外文名
Long Term Evolution
別    名
3G演進型系統
縮    寫
LTE
類    別
通信
性    質
3G與4G技術之間的過渡

目錄

  1. 1 簡介
  2. 2 發展歷程
  3. 3 技術架構
  4. 4 技術目標
  5. 5 核心技術
  1. ▪ SC-FDMA技術
  2. ▪ OFDM技術
  3. ▪ MIMO技術
  4. ▪ 高階調製技術
  5. 6 分支
  6. ▪ TD-LTE
  1. ▪ FDD-LTE
  2. 7 使用頻段
  3. 8 發展趨勢

長期演進技術簡介

目前，全球信息化時代已經到來，數據總量呈現爆炸式增長，人們對數據信息的需求日益增多。LTE的誕生是為不斷優化無線通信技術以滿足客户對無線通信的更高要求。
LTE是無線數據通信技術標準。LTE的當前目標是藉助新技術和調製方法提升無線網絡的數據傳輸能力和數據傳輸速度，如新的數字信號處理（DSP）技術，這些技術大多於千禧年前後提出。LTE的遠期目標是簡化和重新設計網絡體系結構，使其成為IP化網絡，這有助於減少3G轉換中的潛在不良因素。
LTE技術主要存在TDD和FDD兩種主流模式，兩種模式各具特色。其中，FDD-LTE在國際中應用廣泛，而TD-LTE在我國較為常見。 [2] 
LTE（Long Term Evolution，長期演進）項目是3G 的演進，是3G與4G技術之間的一個過渡，是3.9G的全 球標準。它改進並增強了3G的空中接入技術，採用 OFDM和MIMO作為其無線網絡演進的唯一標準。在 20MHz頻譜帶寬下提供下行100Mbit/s與上行50Mbit/s 的峯值速率，改善了小區邊緣用户的性能，提高小區 容量和降低系統延遲。 [3] 

長期演進技術發展歷程

2004年底，在3GPP中開始進行LTE的標準化工作，與3G以CDMA技術為基礎不同，根據無線通信向寬帶化方向發展的趨勢，LTE採用了OFDM技術為基礎，結合多天線和快速分組調度等設計理念，形成了新的面向下一代移動通信系統的空中接口技術，又稱為3G演進型系統（LTE，LongTermEvolution）。 [4] 
2008年初，完成了LTE第一個版本的系統技術規範，即Release8。在3GPP中進行LTE技術研究的同時，國際電信聯盟（ITU）一直在開展關於下一代移動通信系統的市場需求和頻率規劃等方面的調研工作，為制定4G技術的國際標準建議做準備。2008年3月，ITU開始了候選技術的徵集和標準化進程，稱為IMT-Advanced。響應ITU關於4GIMT-Advanced技術的徵集，3GPP中將正在研究的LTERelease10以及之後的技術版本稱為LTE-Advanced，並且向ITU進行了候選技術的提交。 [4] 
語音通話LTE支持FDD和TDD兩種雙工方式，在LTERelease8版本中，採用20MHz的通信帶寬，空中接口的下行峯值速率超過300Mbit/s上行方向的峯值速率也超過了80Mbit/s。而LTERelease10版本（LTE-Advanced）將支持100MHz的通信帶寬，空中接口的峯值速率超過1Gbit/s。值得一提的是，作為TD-SCDMA技術的後續演進，LTE的TDD模式又稱為TD-LTE/TD-LTE-Advanced。出於對TD-SCDMA技術演進路線的關注，中國的成員單位在3GPP中深度參與了相關的系統設計過程，2009年10月，中國政府正式向ITU提交了TD-LTE-Advanced建議作為4G國際標準候選技術。 [4] 
2021年8月，我國LTE核心網IPv6總流量超過10Tbps，佔全網總流量的22.87%。 [10] 

長期演進技術技術架構

圖1 LTE網絡結構與協議結構 圖1 LTE網絡結構與協議結構
LTE網絡結構和空中接口協議：LTE採用由Node B構成的單層結構，這樣有利於簡化網絡和減小延遲，實現低時延、低複雜度和低成本的要求。與傳統的3GPP接入網相比，LTE減少了RNC節點，對3GPP的整個體系架構進行了變革，逐步趨近於典型的IP寬帶網結構。3GPP初步確定LTE的架構如圖1所示，或稱為演進型UTRAN結構（E- UTRAN）。 [3] 

長期演進技術技術目標

LTE的技術目標可以概括為： [5] 
容量提升：在20MHz帶寬下，下行峯值速率達到100Mbit/s，上行峯值速率達到50Mbit/s。頻譜利用率達到3GPP R6規劃值的2～4倍；
覆蓋增強：提高“小區邊緣比特率”，在5km區域滿足最優容量，30km區域輕微下降，並支持100km的覆蓋半徑；
移動性提高：0～15km/h性能最優，15～120km/h高性能，支持120～350km/h。甚至在某些頻段支持500km/h；
質量優化：在RAN用户面的時延小於10ms，控制面的時延小於100ms：
服務內容綜合多樣化：提供高性能的廣播業務MBMS，提高實時業務支持能力，並使VoIP達到UTRAN電路域性能。
運維成本降低：採用扁平化架構，可以降低CAPEX和0PEX，並降低從R6 UTRA空口和網絡架構演進的成本。

長期演進技術核心技術

長期演進技術SC-FDMA技術

圖2 LTE 圖2 LTE
SC-FDMA技術是一種單載波多用户接入技術，它的實現比OFDM/OFDMA簡單，但性能遜於OFDM/OFDMA。相對於OFDM/OFDMA，SC-FDMA具有較低的PAPR。發射機效率較高，能提高小區邊緣的網絡性能。最大的好處是降低了發射終端的峯均功率比、減小了終端的體積和成本，這是選擇SC-FDMA作為LTE上行信號接入方式的一個主要原因。其特點還包括頻譜帶寬分配靈活、子載波序列固定、採用循環前綴對抗多徑衰落和可變的傳輸時間間隔等。 [6] 

長期演進技術OFDM技術

OFDM技術LTE系統的主要特點，它的基本思想是把高速數據流分散到多個正交的子載波上傳輸，從而使子載波上的符號速率大大降低，符號持續時間大大加長，因而對時延擴展有較強的抵抗力，減小了符號間干擾的影響。通常在OFDM符號前加入保護間隔，只要保護問隔大於信道的時延擴展則可以完全消除符號間干擾ISI。 [6] 

長期演進技術MIMO技術

MIMO作為提高系統傳輸率的最主要手段，也受到了廣泛關注。由於OFDM的子載波衰落情況相對平坦，十分適合與MIMO技術相結合，提高系統性能。MIMO系統在發射端和接收端均採用多天線或（陣判天線）和多通道。多天線接收機利用空時編碼處理能夠分開並解碼數據子流，從而實現最佳的處理。若各發射接收天線間的通道響應獨立，則多入多出系統可以創造多個並行空間信道。通過這些並行空問信道獨立地傳輸信息，數據速率必然可以提高。MIMO將多徑無線信道與發射、接收視為一個整體進行優化，從而實現高的通信容量和頻譜利用率。這是一種近於最優的空域時域聯合的分集和干擾對消處理。當功率和帶寬固定時，多入多出系統的最大容量或容量上限隨最小天線數的增加而線性增加。而在同樣條件下，在接收端或發射端採用多天線或天線陣列的普通智能天線系統，其容量僅隨天線數的對數增加而增加。 [6] 

長期演進技術高階調製技術

LTE在下行方向採用QPSK、16QAM和64QAM，在上行方向採用QPSK和16刪。高峯值傳送速率是LTE下行鏈路需要解決的主要問題。為了實現系統下行100Mb/s峯值速率的目標，在3G原有的QPSK、16QAM基礎上，LTE系統增加了64QAM高階調製。 [6] 

長期演進技術分支

隨着技術的演進與發展，3GPP相繼提出了TD-LTE，FDD-LTE等技術。 [7] 

長期演進技術TD-LTE

TD-LTE是一種新一代寬帶移動通信技術，是我國擁有自主知識產權的TD-SCDMA的後續演進技術，在繼承了TDD優點的同時又引入了多天線MIMO與頻分複用OFDM技術。相比於3G，TD-LTE在系統性能上有了跨越式提高，能夠為用户提供更加豐富多彩的移動互聯網業務。 [8] 

長期演進技術FDD-LTE

FDD（頻分雙工）是該技術支援的兩種雙工模式之一，應用FDD式的LTE即為FDD-LTE。由於無線技術的差異使用頻段的不同以及各 個廠家的利益等因素，FDD-LTE的標準化與產業發展都領先於TDD-LTE。FDD模式的特點是在分離（上下行頻率間隔190MHz）的兩個對稱頻率信道上，系統進行接收和傳送，用保證頻段來分離接收和傳送信道。 [9] 
FDD模式的優點是採用包交換等技術，可突破二代發展的瓶頸，實現高速數據業務，並可提高頻譜利用率，增加系統容量。但FDD必須採用成對的頻率，即在每2 x 5MHz的帶寬內提供第三代業務。該方式在支持對稱業務時，能充分利用上下行的頻譜，但在非對稱的分組交換（互聯網）工作時，頻譜利用率則大大降低（由於低上行負載，造成頻譜利用率降低約40%）。 在這點上，TDD模式有着FDD無法比擬的優勢。 [9] 

長期演進技術使用頻段

圖3 長期演進技術 圖3 長期演進技術 [1]
LTE網絡適用於相當多的頻段，而不同地區選擇的頻段互不相同。北美網絡計劃使用700/800和1700/1900MHz；歐洲網絡計劃使用800，1800，2600MHz；亞洲網絡計劃使用1800和2600MHz；澳洲網絡計劃使用1800MHz。所以在某國家使用正常的終端在另一國家的網絡中很可能無法使用，用户需要使用支持多頻段的終端進行國際漫遊。
特別的是巴西政府正在同當地運營商CPqD，正在測試一種特殊的LTE網絡。該網絡因適應當地市場需求，需要創建在450MHz以下頻段。 [1] 

長期演進技術發展趨勢

雖然現在5G已經開始融入我們的生活、工作，融入了視聽領域，但今後還會有更多新技術、新賦能通過5G網絡和各種終端為智能視聽乃至整個媒體產業帶來更多、更好的應用場景。
移動網絡的發展，離不開技術的支撐。孟樸表示，現在5G用到的主要還都是Sub-6GHz頻段，它可用的頻率是有限的。所以全球5G產業正攜手向毫米波這個領域聚焦，基於目前技術上能夠實現並且已經商用的網絡，毫米波的速率可以達到5G Sub-6GHz的16倍，4G LTE的38倍。毫米波在速率上的改善，將為媒體特別是視聽智能化領域的新場景、新應用帶來更多機會。
孟樸表示，除傳輸速率高之外，5G還具有超低時延的特點，其中一個很好的用例就是賦能無界XR（擴展現實），也就是我們通常所説的VR（虛擬現實）、AR（增強現實）和MR（混合現實）的統稱。目前，XR行業正在蓬勃發展，國內產業界也在積極擁抱該應用的發展。高通期待在5G的賦能下，相關產業鏈的合作伙伴能夠攜手為視聽產業帶來更多新的場景應用和新業態。 [11] 
參考資料
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