LTE促使手机发生爆炸式进化等

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本刊编译自《日经电子》

在距今约5.4亿万年前的寒武纪，地球上突然出现了许多生物物种，该现象被称为“寒武纪大爆发”。据估计，不久之后，手机也会发生与寒武纪大爆发类似的多样性进化。

手机在人们脑海中留下的印象就是一种能够放在手掌上、具有液晶显示屏和数字按键、基本功能是通话、数据通信速度不太快的产品。由于具有上述限制，目前手机具有的功能十分有限。

以lte(长期演进)为代表的3.9代(3.9G)移动通信方式的出现，将帮助手机从上述束缚中解脱出来，手机的功能会在短时间内迅速增加。升级到更便宜、数据通信速度更快的3.9G，不仅能引起手机业的商业模式变革，也将打破用户与设备商对手机的传统观念。未来很有可能会陆续出现许多目前根本无法想像的设备，手机可能不再只是移动电话，而脱胎成为新的移动设备。

Q.LTE将带来怎样的变化?

A.最大通信速率将超过100Mbps

LTE是3GPP(第三代合作伙伴项目)正在进行标准化的通信方式。目前，LTE标准已基本确定。预计将在2008年12月召开的3GPP大会上决定最终标准。

3GPP在确定了3G最初的通信方式W-CDMA之后还制定了下行数据传输速率更高的HSDPA，以及下行速率与HSDPA一样、但具有更高上行速率的HSPA(HSDPA与HSUPA的总称)等，进一步扩展了3G标准。对于LTE的数据传输速率，从理论来说，其最大下行速率将达到326Mbps，最大上行速率将达到86Mbps，是HSPA的20倍以上。同时，LTE的延迟时间也将比以往缩短1个数量级：目前通信方式的控制面延迟(电源接通后，从通信会话未建立的状态到会话建立所需的时间)约为几秒，而LET方式的控制面延迟将小于100ms；目前通信方式的用户面延迟(单用户、单业务流以及小IP包条件下的数据传输)约为几十ms，而LET方式的用户面延迟将小于5ms。

Q　LTE是3G还是4G?

A　虽然是3G，但也有部分技术属于4G

LTE可以说是3G方式。最初的3G是指国际电信连盟(ITU)所制定的3G标准IMT-2000里所承认的几种方式，包括W-CDMA、CDMA2000，以及两者的各种扩展版本。此外，移动WiMAX也于2007年10月获得承认，LTE预计也将获得IMT-2000的承认。这意味着LTE可以使用IMT-2000规定的频带，该频带是面向全球的。但是，LTE并不能向下兼容W-CDMA等。3GPP计划在ITU即将制定的4G标准IMT-Advanced里，要求其可向下兼容LTE，所以从技术上来说，LTE预先采用了4G的技术。由于技术上属于4G，但频带属于3G，所以一般将LTE称为3.9G。

Q　LTE与WiMAX有何区别?

A　WiMAX更注重传输效率

移动WiMAX是由IEEE 802委员会制定的通信方式，基于IEEE 802.16e标准。与WLAN相比，移动WiMAX可覆盖更广的范围，通信速率也高于目前的3G方式。移动WiMAX由WiMAX论坛负责普及推广，推进团体WiMAX论坛的成员包括主导WiMAX开发的英特尔公司及手机生产商、通信运营商等。而LTE是由3GPP制定的通信标准，其主导企业包括通信运营商及设备生产商，并由通信运营商组织的推进团体NGMN联盟进行普及推广。两者都使用类似的技术，但LTE主要面向手机服务，所以更注重通话品质，致力于改善通话质量。而移动WiMAX主要用于数据通信，所以注重高效率的数据传输。此外，(固定)WiMAX与移动WiMAX也不同。WiMAX面向的并不是移动通信，所以基于IEEE 802.16-2004标准。

手机的概念发生变化

快速，便宜且全球通用

下一代移动通信方式通常被称为3.9G，其中最主要的通信技术就是由3GPP制定的LTE。LTE的最大数据传输速率将超过100Mbps，并具有极短的连接延迟，可以提供永远在线的连接。2012年左右，通信网络将正式升级到LTE，这一通信方式也将迅速在全球得到普及。对用户来说，LTE将消除用户对现有手机服务的不满，如费用太高、通信速度慢等。LTE将引入新的无线技术(如MIMO等)、提高频谱利用率以及基站的通信吞吐量，并缩短延迟，以提高网络连接时的操作性。对设备生产商来说，LTE产品的成本较低，通信能力有进一步提高的空间。

移动运营商看好LTE

下一代移动通信方式最大可实现100Mbps左右的数据传输速率，其两大候补技术为LTE和移动WiMAX。LTE主要面向现有手机网络的扩展，而移动WiMAx则面向高速数据通信，并基于IEEE802.16e标准。

全球各国的移动运营商均视LTE为首选，因为他们重视的是目前所提供的声音通话服务。虽然移动WiMAX使用的技术与LTE类似，但由于其开发理念是尽可能地提高数据通信吞吐量，因此无法保证声音通话数据包的到达时间。

不过，移动WiMAX的数据传输效率较高，且基站与终端成本低。因此，在主要使用2GGSM通信方式的国家与地区，目前有些运营商正在同时采用面向声音通话的GSM与面向高速数据通信的移动WiMAX。但从长远来看，为了降低维护管理成本，最好还是使用单一网络。未来的趋势将会是：不愿降低声音通话品质的运营商会单独采用LTE，而不在乎声音通话品质但想控制网络构建成本的运营商会单独采用移动WiMAX。

3G的普及费时颇多

LTE的开展与3G时的情况大不一样。3G原本的计划引入目标是2000年左右，但实际上，NTTDoCoMo公司在日本引入W-CDMA是2001年，KDDI公司在日本引入CDMA2000是2002年。日本以外的地区开始提供3G服务的时间更晚，在欧洲正式引入是2004年。由于3G通信采用了多种标准，市场扩展速度也较为缓慢，所以基站与终端价格的下降并不理想。而且，占终端价格百分之十几的专利许可费也导致设备的价格不能如期降低。而LTE是在吸取了上述教训的基础上起航的。

通信运营商及通信设备生产商均聚集于3GPP，致力于LTE的标准化工作，并在开发专利许可框架，以期降低专利许可费。

LTE所带来的冲击

LTE有可能会完全改变手机的概念，原因有以下三点：首先，LTE能提供与固定线路媲美的通信性能；其次，实现LTE的成本较低；第三，LTE还可应用于非掌上型终端。

虽然LTE在提供服务时仍然使用ITU-R(国际电信联盟无线部)在3G标准IMT-2000里所规定的频带，但技术上使用的却是将来会用于4G标准JMT-Advanced的技术。因此，LTE与W-CDMA、CDMA2000及两者的扩展版HSPA 及EV-DO等目前的3G标准不能兼容。

LTE的数据调制方式为高阶调制，并采用了MIMO技术，也就是利用多个天线并行收发数据，因此其频谱利用率最高可达HSPA的6倍。除了与现有服务相同的5MHz带宽，预计最大带宽将达20MHz，因此从理论上来说，最大数据传输速率可达HSPA的24倍左右，也就是386Mbps(见图1)。

LTE与HSPA最大的区别就是其下行链路的多址方案由原来的CDMA(码分多址)改为OFDMA(正交频分多址)。IMT-Advanced里将会分配更宽的带宽，随着带宽的增加，通信容量也将随之呈正比增长。之所以说LTE预先使用了4G技术，原因就在于此。

移动WiMAX充当先锋

LTE预计将在2010年左右、从美国和日本开始商用。也有部分运营商计划暂缓LTE的引入，而是采用HSPA Evolution来延续CDMA技术，但最终目标仍是LTE。由此可以预见LTE的市场之大，因此许多收发芯片组及基站硬件生产商纷纷参与进来。暂且不论最初的价格如何，但设备及元器件的价格在服务开始之后很可能会急剧下降。

下一代移动宽带技术的另一个强有力的候补方案就是移动Wi3MAX，它对LTE的价格形成较大压力。移动WiMAX下行链路的多址方案采用的也是OFDMA，并也将利用MIMO技术，因此其所采用的主要技术与LTE很类似(见表1)。采用移动WiMAX技术提供的服务在韩国已经展开，到2009年，预计很多发展中国家也将开始提供WiMAX服务。也就是说，移动WiMAX服务将在LTE引入之前得到普及，这样一来，许多LTE的基本技术，在服务开始之前就已成熟。

但是，虽然LTE与WiMAX使用的主要技术基本相同，但还需要根据各自的信号格式进行调整。因此，虽然到时移动WiMAX的准备已经完成，但并不能直接应用于LTE。不过，移动WiMAX的存在还是有助于LTE的普及。目前有许多提供基站硬件的生产商也计划开发可同时支持移动WiMAX与LTE的硬件。虽然LTE与移动WiMAX的上行链路多址方案不同，但通过改变信号处理软件等即可予以解决。

英特尔与Google公司等与个人电脑关系较紧密的企业也开始参与移动wiMAX服务，这也是价格降低的主要原因。某通信设备生产商产品企划负责人表示：“移动wiMAX服务将以低价格开始，那么LTE势必也需要相应地进行价格调整。”

厂商们都期待着移动WiMAX服务的开始，它能让用户认识到移动宽带的价值。而且，到正式引入LTE时，设备生产商与通信运营商可能以较低的价格购入硬件。那样的话，全球的通信运营商就可以一起推出LTE，以实现3G通信无法比拟的市场化速度。

对用户来说，LTE将带来两大好处：更低的通信费用和更快的通信速度。

LTE将原本设置在无线接入网内的无线网络控制器(RNC)集成到基站中，从而减少了设备。但即使这样，LTE每个基站的成本仍然与3G基站的成本相当。不过，LTE的频谱利用率最大可达到HSPA的6倍以上，如果可以利用更宽的带宽，则每个基站的传输容量将增加几十倍。基站硬件的设置费用也比外置RNC时更为便宜。因此，从长远来看，每1bit的通信费用可能只有原来的几十分之一。

延迟大大缩短

LTE不仅具有数据传输速率高的特点，而且还可提供极短的延时，因此可以解决那些以往让用户感到焦躁的问题，如下载大容量数据时需等待很长时间、连接到网络时需要花费很长时间、很难与服务器实时通信等。采用LTE后，建立连接的时间(控制面延迟)将由现有服务的几秒降低到100ms以下，而无线接入网内数据包的单向传输时间(用户面延迟)也将由现在的几十ms降低到5ms左右，两者都减小了1个数量级。

随着延迟的缩短，那些目前只能在终端上实现的功能与数据就可以被放到网络上。到那时，使用服务器上的功能与数据时，就好像是在本地使用一样(见图2)。

在苹果公司的iPhone 3G中就利用了这一思想。iPhone 3G中的地图软件，是一款可浏览Google公司地图服务所供数据的Web应用软件。以永远在线的连接为前提，地图数据并未保存在手机终端上，而是需要每次通过网络来获得最新的地图信息。这种理念也广泛应用在无需事先安装，可由用户增加的第三方软件产品方面。在目前的2G与3G网络下使用此类软件时，通常需要较长的等待时间，不过在引入LTE之后，用户就几乎感觉不到通信的等待时间。NTT DoCoMo董事长山田隆持认为：“重视安全性的瘦客户端，以及在服务器上管理电话本等服务也将能够实现。”

目标是升级到4G

传输速率超过1Gbps

LTE与3G通信大为不同的一点在于，全球多家移动运营商及设备生产商目前都表示支持只采用一种标准。虽然各个国家和地区会在引入时间上稍有差异，但与3G相比，LTE可以在很短的时间内就发展成全球通用的移动通信方式。

今后，LTE还将进一步发展。例如，使用更宽的频带、与家庭基站相结合、采用更先进的MlM0技术等。虽然引入初期的速率可能只有20Mbps左右，但随着技术的发展，其速率将达到100Mbps～1Gbps(见表2)。

LTE同时还是4G通信标准IMT-Advanced最强有力的候补技术。首先利用3G频带引入LTE，然后在一段时间之后就可以发挥4G的性能，这应该就是3.9G的本质。

利用1.25MHz～20MHz带宽

目前，由于LTE具有扩展的速度、更低的延迟，以及低功耗终端等三方面的优势，因此获得了广泛支持。

扩展的速度意味着LTE可根据具体的带宽相应地支持各种传输速率。LTE不仅适用于现有的5MHz带宽，还可扩展到10MHz～20MHz的服务。例如，在利用与日本W-CDMA方式相同的5MHz带宽时，即使不使用MIMO技术，实际上也可提供约20Mbps～30Mbps的服务。如果能保证20MHz的带宽，那就可提供4倍左右，也就是100Mbps左右的服务。此外，LTE还可支持1.25MHz～2.5MHz的低频带，这是为目前提供GSM等2G服务的手机运营商所考虑的技术规格。

缩短延迟的网络结构

LTE的低延迟是通过采用非常精简的网络结构来实现的。LTE在手机终端与核心网络之间，只有一个无线访问网络节点。而在3G里则存在包括RNC在内的多个节点(见图3)。LTE的RNC功能已经集成到LTE基站内部，从而缩短了数 据包的传输时间。此外。LTE最大限度地使用了数据包共用信道，减少了冗余信道，简化了状态迁移模型，从而精简了多余数据量。这种传输协议的精简使用户面延迟减小了1个数量级，大大改善了网络特性。同时，建立连接的流程也得到精简，控制面延迟也被控制在100ms以下。NEC公司移动RAN事业部统括经理近藤诚司表示：“对于集成了RNC功能的基站来说，实现5ms的用户面延迟是一个非常大的挑战。只有实现这一点，才可以消除用户对于应答速度的不满。”

上行链路采用单载波

实现低功耗终端的方式主要是指从终端到基站的上行链路的传输技术。LTE的上行链路采用了与下行链路不同的传输方式，目的是降低终端发送电路的功耗，以延长电池使用时间。

LTE在从终端到基站的上行链路里所使用的传输方式是单载波FDMA(SC-FDMA)。下行链路里使用的是多载波OFDMA。

与多载波相比，由于单载波对发送电路功率放大器的性能要求较为宽松，因此可以降低发送电路的功耗。一般来说，通过功率放大器对使用多载波的OFDM(正交频分复用)信号进行放大并发送时，要求功率放大器具有极高线性和低失真特性。从时间轴上来看，OFDM的信号是由不同中心频率的多个载波信号重叠而成的。因此，峰值平均功率比(PAPR)较大。而且，不管输入信号是低还是高，都要求无失真。此类低失真、高线性的功率放大器的功耗通常较大，因此，当把移动WiMAX等技术的上行链路中所采用的OFDM传输方式应用到便携式终端时，会降低电池的使用时间。

而LTE从一开始就是针对便携式终端而设计的，因此其通过在上行链路中采用SC-FDMA方式而解决了这个问题。RF电路设计人员对此评价很高，认为与移动WiMAX相比，LTE的终端发送电路的设计较好。

波形均衡器

SC-FDMA在电路中使用了波形均衡器，主要用来将反射所导致的波形失真恢复成原样。因此，要将正交频率分解与FFT均衡相结合。

目前之所以不能采用SC-FDMA方式，主要是因为波形均衡器的电路规模较大，无法集成到便携式终端上。均衡器处理时所需的计算量随传输速度呈指数增大。不过，随着半导体工艺的发展，电路规模很大的均衡器也能够寄望于通过普通的CMOS工艺实现。据估计，到LTE进入普及期的2012～2013年，手机中的基带芯片会采用32nm以下的工艺，到那时应该就可以采用均衡器技术了。

SC-FDMA不光会应用于LTE，而且将来还有可能用于移动WiMAX。在现有移动wiMAX的IEEE 802.16e标准中，上行链路使用的是OFDM；但在目前正在制定的下一代标准IEEE 802.16m中，已提出欲在上行链路中使用SC-FDMA。诺基亚等手机终端生产商也提出方案，欲延长便携式终端使用移动WiMAX时的驱动时间。如果能够将其作为可选技术进行研究，该技术将能够显著降低WiMAX便携式终端的功耗。

LTE发展的三大方向

今后，LTE的发展目标是进一步提高传输速率，使其达到100Mbps～1Gbps。因此，最有效的手段就是使用宽带宽。

LTE最初应该是从使用5MHz频带开始提供服务。如果直接使用目前的3G频带，就无需在获得带宽上进行投资，这对于手机运营商来说比较现实。在不同的地区，当面向高速数据通信时，甚至有可能会使用20MHz左右的频带。欧洲已经开放的2.6GHz频段就属于此类。

将来，LTE仍将继续发展，希望能够使用更宽的频带。目前，ITU-Rt准备进行IMT-Advanced的标准化。IMT-Advanced标准的目标是实现静止时达到1Gbps、高速移动时超过100Mbps的数据传输速率，也就是相当于4G。ITU-R计划从2009年2月开始受理技术提案，到2011年初决定标准规格。

正在进行LTE标准化工作的3GPP已经开始讨论LTE的扩展技术，其目标就是要将其作为提案向IMT-Advanced提交。该技术名称为LTE-Advanced。3GPP计划在2009年上半年确定LTE-Advanced的内容，并推荐给各国、各地区具有ITU-R提案权的组织。

IMT-Advanced的最低规格已取得一致意见(见表3)。其中，频谱利用率等几个方面的值低于LTE的技术规格。目前的LTE定位在3.9G，但当今年的IMT-Advanced标准讨论后，4G标准中的某些技术规格值有可能还会低于LTE标准。

欲作为技术提案提交给IMT-Advanced的不仅有LTE-Advanced，还包括WiMAX的扩展标准IEEE 802.16m，以及IEEE802.11 VHT等，后者是对WLAN进行标准化的IEEE 802.11委员会所组建的项目(见表3和表4)。IMT-Advanced的标准化可能会与3G的IMT-2000标准化时一样，并列存在多种传输技术，其中一个应该已经确定就是LTE扩展技术。

将来可使用1000MHz带宽

在决定传输方式之前，ITU-R已经在2007年召开的WRC(世界无线通信大会)上决定了IMT-Advanced要使用的全球通用频带。新的频带包括：3.4GHz～3.6GHz的200MHz带宽、2.3GHz～2.4GHz的100MHz带宽等。假如可以使用100MHz的带宽，那么传输速度可提高5倍左右，最大传输速率达到1Gbps将不再是梦想。

从严格意义上来说，WRC上分配的新频带并不只供IMT-Advanced使用，现有的3G及3.9G通信也可使用。总之，在现有的LTE系统里，使用3.4GHz～3.6GHz频带并非不可能。但根据国家与地区的差异，有可能有的地方会规定新频带只供IMT-Advanced使用。

高密度的基站配置

LTE的另一个发展方向就是，LTE基站应该会与家庭基站等超小型基站结合使用。

虽然LTE具有高速数据传输能力，但如果用户离基站较远，那么传输性能也会有所下降。与使用现有3G的2GHz频带相比，使用3.4GHz～3.6GHz等更高频率时，更会对传输造成不利影响，实际传输速率甚至有可能会降低到几Mbps以下。

为了改善上述缺陷，有关运营商在考虑增加基站设备的密度。他们准备配置多个传输半径不到几十米的小型基站，以提高每个用户的实际吞吐量。

在目前的手机系统里，大规模办公楼及地铁内已经在使用微蜂窝基站。但LTE的计划是在小规模办公楼及家庭内也设置小型基站， 大量配置用于近距离传输的家庭基站。此方法应该能够有效地改善传输特性。

抑制干扰

但是，使用家庭基站仍存在问题。如果原有的微蜂窝基站与家庭基站都使用同样的频率，并对家庭基站进行多重配置，那么由于信号干扰，每个用户的吞吐量反而会降低。

这个问题的解决方案有两个。首先是为家庭基站分配专用频带，与微蜂窝基站分别使用不同的频率。频率不同，发生混叠的可能性自然较小。但是，如果要使用不同的频率，就必须要修改有关专用频率分配的条款。

另一个解决方案是，通过在微蜂窝基站与家庭基站之间交换某种信息，来降低干扰(见图4)。某通信运营商的技术工程师提出，可在两者之间交换同步信号，分时使用同一频率。

此外，基站设备可采取改变调制方式及发送功率等方法来处理信号干扰的问题。其中，可自动选择最合适通信资源的自适应无线网络系统备受人们关注。

根据空间差异实现多址访问

通过与发展后的MIMO技术相结合，LTE还可引入多用户MIMO技术。针对将来越紧张的频率资源，该技术能够进一步提高频谱利用率，同时提高每个用户的吞吐量。

多用户MIMO技术与原来的MIMO技术不同，可以让多个终端同时使用同一频率进行通信(见图5)。在以往的单用户MIMO技术里，只能在某一时间与特定终端进行通信。而使用多用户MIMO技术后，由于在相同基站内可使用相同的频率，所以频谱利用率得到大幅提升。其原理是利用基站与终端空间位置的不同来分离信号，也就是空分多址(SDMA)技术的一种。

在日本，NTT未来网络研究所等正在进行此类技术的研究。该研究所的试制结果可将频谱利用率提高到40b/sHz。这相当于IEEE 802.11n WLAN的4倍以上。如果增加天线单元，还能够进一步提高利用率。即使增加用户数，也不会减少吞吐量。

其它国家对于多用户MIMO技术也甚为关心。在IEEE 802.11 VHT里，已计划引入该类技术。目前主要是讨论将其应用于家庭内网络及小规模WLAN网络，但将来如果能证实可应用于大规模基站，那么多用户MIMO技术就能与LTE等移动宽带技术结合使用。

南庭　译