对后4G、5G技术的调研报告 - 通信人家园

来自新华网的新闻，发改委近日决定组织实施移动互联网及第四代移动通信(TD-LTE)产业化专项。这一消息立即引爆了通信板块。工信部部长苗圩也对外表示，4G牌照将于今年年底前正式发放，2G时代称王的中移动在进入3G时代后渐处于弱势，如今4G牌照发布在即，通信领域格局将再次发生变革。通信领域总是瞬息万变，技术革新则是一日千里，如今世界已经走进4G时代，那么下一代无线通信技术将会是什么样的呢？结合无线通信技术特点以及需求，我们对下一代可能成为主流的无线通信技术进行了调研学习，现将学习、调研情况作一简要汇报。

根据国际电信联盟在2012年无线电通信全会全体会议上的决议，当前国际上采用的4G标准，主要分为两类，一是基于3GPP的FDD-LTE-Advance的技术，另外一类是基于IEEE 802.16m的技术。因为当前的3G技术WCDMA网络的升级版HSPA和HSPA+均能够演化到FDD-LTE这一状态，所以这一4G标准获得了最大的支持，也将是未来4G标准的主流。因此本文也将研究的重点放在LTE这一技术标准上。

LTE (Long TermEvolution,长期演进) 项目是3G的演进，它改进并增强了3G的空中接入技术，采用OFDM和MIMO作为其无线网络演进的唯一标准。主要特点是在20MHz频谱带宽下能够提供下行100Mbit/s与上行50Mbit/s的峰值速率，相对于3G网络大大的提高了小区的容量，同时将网络延迟大大降低：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。

LTE-Advanced技术是LTE技术的升级版，其正式名称为 FurtherAdvancements for E-UTRA，它满足 ITU-R的IMT-Advanced技术征集的需求，是3GPP形成欧洲IMT-Advanced技术提案的一个重要来源。LTE-Advanced是一个后向兼容的技术，完全兼容LTE，是演进而不是革命，LTE-Advanced的相关特性如下：

严格的讲，LTE应作为3.9G移动互联网技术，而LTE-Advanced作为4G标准更加确切一些。LTE-Advanced的入围，包含 TDD和FDD两种制式，其中TD-SCDMA将能够进化到TDD制式，而WCDMA网络能够进化到FDD制式。

LTE-A以LTE为技术基础和核心，进行扩充、增强、完善，其特点是：灵活有效的频谱利用、更高的频谱效率、简单优化的网络架构，能够节省TCO、提供更多的服务。因此，LTE-A是LTE的平滑演进，后向兼容LTE标准。具体而言，LTE-A需要支持高达100MHz的带宽；下行峰值速率为1Gbps，频谱效率提高到30bps/Hz；上行峰值速率为500Mbps，频谱效率提高到15bps/Hz；下行天线扩展到8×8（发射8天线、接收8天线），上行天线扩展到4×4。

这些特性的获取源于LT E-A引入了载波聚合（CA：Carrier Aggregation）、多天线增强（Enhanced MIMO）、多点协同传输（CoMP：Coordinated Multi-point Tx/Rx）、异构网（HetNet：Heterogeneous Network）、自组织网络（SON：Self Organization Network）等关键技术。

为了满足峰值速率要求，即达到上行500Mbps、下行1Gbps的高速率，LTE-A应该支持最大100MHz带宽。然而，现有可用频谱资源中很难找到如此大的连续带宽。因此，LTE-A引入载波聚合这一关键技术，把分散在多个频段上的频谱资源充分利用起来。这样能够获取大带宽，保证对LTE后向兼容。

LTE当前支持的最大带宽是20MHz，LTE-A聚合多个对LTE后向兼容的载波，可以支持最大100MHz带宽。在LTE- A系统中，每个子载波对应一个独立的数据流，子载波之间数据流的聚合方案可以分成两种：方案 A，子载波的数据流在 MAC层聚合；方案B，子载波的数据流在物理层聚合

方案A，每个子载波分配一个独立的传输块在空间复用的情况下，每个载波分配两个独立的传输块，因为每个子载波占用一个独立的传输块，所以各个子载波都能使用独立的链路自适应技术，聚合子载波可以根据实际链路状况使用不同的调制编码方案。方案A中，每个子载波都有独立的 HARQ进程和相应的 ACK/NAK反馈，并且每个 RLC实体可以使用LTE 系统中定义的 PDU

方案B，所有子载波共用一个传输块。在空间复用的情况下，所有子载波共用两个传输块，由于所有子载波使用同一个传输块，需要重新设计 RLC层中 PDU的大小，所有子载波要进行统一的调制编码，并且共用一个 HARQ进程和相应的 ACK/NAK反馈，这样就会与 LTE 系统原有的物理层 /MAC层/RLC层结构冲突。

两个方案比较，方案 A可以复用 LTE 系统的结构和设计，每个载波都有独立的链路自适应过程在聚合跨频带子载波的情况下，每个载波使用链路自适应技术的效果明显，由于方案 A的物理层 /MAC层 /RLC层与 LTE 系统完全相同，具有良好的后向兼容性，因而可以支持 LTE 系统的软硬件设备。方案 B中，由于所有子载波共用一个传输块传输，传输块包含的数据较多传输块包含的数据过多，HARQ的使用效率变得低下，甚至完全不适合使用HARQ，因此，方案 B中， HARQ的使用效率过低，完全不适合使用 HARQ技术同时，方案 B不兼容LTE系统，也需要重新设计物理层 /MAC 层 /RLC层。通过比较，可以看出方案 A更容易实现 LTE 向LTE- A的平滑过渡因此，方案 A更适合开展后续的研究

载波聚合不但大大提高了频谱资源的使用，而且帮助运营商灵活组合带宽、解决频谱不连续的问题，从而提高用户峰值速率和系统吞吐量。载波聚合对终端的接收能力也没有额外要求，这使得接收能力超过20MHz的LTE-A终端可以同时接收多个成员载波，而LTE Rel.8的终端也可以正常接收其中一个成员载波。

鉴于频率资源日益珍贵，通过多天线技术提高信道容量已被多种标准广泛采纳，这也是提升LTE-A峰值频谱效率和平均频谱效率的重要途径之一。

LTE Rel.8下行支持1、2、4天线发射，终端侧2、4天线接收，下行可支持最大4层传输；上行只支持终端侧单天线发送，基站侧最多4天线接收。LTE Rel.8的多天线发射模式包括开环MIMO、闭环MIMO、波束成型、发射分集。除了单用户MIMO，LTE还采用了另外一种频谱效率增强的多天线传输方式，称为多用户MIMO，即多个用户通过空分的方式复用相同的无线传输资源。

在LTE Rel.8的基础上，LTE-A上行最多4天线发送；物理上行共享信道引入单用户MIMO，可以支持最大两个码字流和4层传输；物理层上行控制信道也可以通过发射分集的方式，提高上行控制信息的传输质量以及覆盖。LTE-A下行最多8天线发送，两个码字流的传输和最大支持8层，进一步提高了下行传输的吞吐量和频谱效率。同时，LTE-A下行支持单用户MIMO和多用户MIMO的动态切换，并通过增强型信道状态信息反馈和新的码本设计，进一步增强了下行多用户MIMO的性能。

多点协同传输的核心思想是小区边缘用户能同时与多个小区进行信号的接收和发送，并对信号进行协调。在下行，如果对来自多个小区的发射信号进行协调，以规避彼此间的干扰，能大大提升下行性能。在上行，信号由多个小区联合接收、合并，如果同时对多小区协调调度，能抑制小区间干扰，提升接收信号的信噪比。

按照进行协调的节点之间的关系，CoMP主要分为两种方式，即站内CoMP和站间CoMP。站内CoMP指协作发生在一个站点内，由于没有回传容量的限制，可以在同一个站点的多个小区间交互大量的信息。站间CoMP指协作发生在多个站点间，对回传容量和时延提出了更高要求。反过来说，站间CoMP性能也受限于当前Backhaul的容量和时延能力。

CoMP包括下行CoMP发射和上行CoMP接收。“上行CoMP接收”通过多个小区对用户数据的联合接收，来提高小区边缘用户吞吐量。“下行CoMP发射”根据业务数据是否在多个协调点上获取，采用“联合处理”和“协同调度/波束赋形”两种协同方式。

联合处理指多个小区通过协调的方式共同为终端服务，就像虚拟的单小区一样。这种方式通常能更好获取传输增益，但对Backhaul的容量和时延提出了更高要求。

协同调度/波束赋形指多个小区间进行动态信息交互，协调相应的调度和发射权重等，尽可能减少多个小区间的互干扰。终端要对多个小区的信道进行测量和反馈，反馈的信息既包括终端期望的来自服务小区的预编码向量，也包括邻近的强干扰小区的干扰预编码向量；然后多个小区的调度器经过协调，使各小区在发射波束时尽量不对邻小区造成强干扰，尽可能保证本小区用户期望的信号强度。

CoMP作为LTE-A的一项关键技术，有效提高了系统的平均吞吐量以及小区边缘用户的信噪比。虽然CoMP会增加系统的复杂性，但它在提高系统容量和覆盖增益上的优势在很大程度上弥补了这个不足。

有统计表明，未来80%－90%的系统吞吐量发生在室内和热点游牧场景，室内、低速、热点将成为移动互联网时代更重要的应用场景。因此，运营商需要应用新技术，增强传统蜂窝网络在热点场景的用户体验。

在传统的宏蜂窝网络，运营商可以掌握更多的频谱或增加更多的基站（如小区分裂），以提高供应能力。运营商还可以部署更多的基站天线，实现高阶MIMO技术。这些措施会带来一定的成本开支和部署困难，因此传统宏小区的网络性能进化潜力很有限。

异构网是一种显著提升系统吞吐量和网络整体效率的技术，其策略是将低功率节点布放在宏基站覆盖区域内，形成同覆盖的不同节点类型的异构系统。低功率节点包括Micro、Pico、RRH（Remote Radio Head）、Relay和Femto等。这种增加低功率小站的方式，有效提升了整网的系统容量，还具有部署灵活、成本低等优势。这一方面是因为小站精确吸收了宏网络的热点，另一方面是小站补充覆盖了宏网络的盲点区域。异构网的关键是宏微协同，尤其是具有干扰协调、互操作等特性。

通过对LTE-A各项关键技术的学习研究，我们可以发现LTE-A关键技术的研究方向主要是针对当前频率资源日益珍贵，现有可用频谱资源中很难找到能够满足4G技术标准的连续带宽的现状，获取更好的传输增益，有效提升系统吞吐量和网络整体效率。

Massive MIMO提供了优于传统的点对点的MIMO:它使用廉价的单天线终端,而不需要丰富的散射环境, 因为每个活动的终端利用所有的时频箱，所以资源分配更加简化,。然而,多用户MIMO,由于最初所设想的大约相同数量的服务天线和终端和频分双工操作不是一个可伸缩的技术。Massive MIMO通过使用大量的活跃的在终端和时分双工系统上的天线。与当前的普遍做法划清界限。额外的天线使得集中精力投入到更小的空间区域，进而有效的提高吞吐量和系统效率，相比现在最先进的技术，向上扩展一个量级

Massive MIMO因为其积极的空间复用，可以增加10倍或更多的容量，同时，通过大量的天线，能量可以被聚集在空间的小区域中，进而提高能量效率。

但是，由于该技术讲大量的体现集成在一起，其大规模的实现可能仍在讨论中，其是否能够成为下一代移动通信技术的核心，还需要进一步研究。