LTE技术介绍及现况剖析

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  随着2007年11月中旬于中国澳门地区举行的Mobile Asia大会上,GSMA宣布在4G技术竞赛上将支持LTE标准,无疑为LTE未来发展注入一剂强心针,也让LTE正式崭露头角。展望未来,研究机构ABI Research预估到2013年时,全球使用LTE技术的手机用户数量将达到3200万户,其中又以亚太地区的用户数增速最快。预估到2013年,亚太地区的LTE用户数将达到1200万户。
  LTE全名为Long Term Evolution,是从GSM、GPRS、EDGE、WCDMA、HSPDA、HSUPA、MBMS一脉相承的技术体系,符合3GPP Release 8的技术规范,过去由于全球市场皆将目光放置在WiMAX技术上,鲜少获得注意。随着2007年11月中旬于中国澳门地区举行的Mobile Asia大会上,GSMA宣布在4G技术竞赛上将支持LTE标准,无疑为LTE未来发展注入一剂强心针,也让LTE正式崭露头角,并在2008年之后快速窜起。
  
  一.前言
  
  随着NB和PDA的发展普及,用户希望能够随时随地上网,也让无线宽带移动接入技术开始受到瞩目。目前2.5G/3G在全球市场上已相对成熟,并逐渐往3.5G及4G技术发展上去,但由于过去CDMA专利掌握在高通(Qualcomm)手中,致使厂商及3GPP在布局上绑手绑脚。
  为了提高3G技术在新兴宽带无线接入市场的竞争力,并摆脱高通CDMA的专利制约,因此3GPP决定发展LTE(Long Term Evolution)计划,以填补这一空档。
  2004底年3GPP正式展开LTE计划,其基本思想是采用过去为B3G或4G发展的技术来发展LTE,使用3G频段占有宽带无线接入市场。2004年12月3GPP雅典会议决定由3GPP RAN工作小组负责进行LTE研究,预计于2006年6月完成,2007年6月推出。而在经过激烈的讨论和艰苦的融合下,终于在2005年12月选定了LTE的基本传输技术,即下行为OFDM;上行为SC-FDMA,而LTE技术的时代也正式展开。
  
  二. LTE技术介绍及特征
  
  LTE全名为Long Term Evolution,是由3GPP组织所制订的规格,是从GSM、GPRS、EDGE、WCDMA、HSPDA、HSUPA、MBMS一脉相承的技术体系,符合3GPP Release 8的技术规范。
  1、LTE技术架构
  3GPP初步确定LTE的架构为演进型U-TRAN结构,接入网主要由演进型NodeB和接入网关两部分构成。后者是一个边界节点,若将其视为核心网的一部分,则接入网主要由演进型NodeB一层构成。演进型NodeB不仅具有原来Node B的功能,还能完成原来RNC的大部分功能。
  Node B之间将采用网格方式直接互联,这也是对原有UTRAN结构的重大修改。新的系统中还引入了一个RRM服务器进行集中式管理,采用完全分散的管理结构来解决小区间干扰协调、负载控制等功能,从而提高了系统的效率。
  另外,在空中接入技术方面,LTE的信道数量将比WCDMA系统有所减少,取消了专用通道,不再保留广播媒体控制层和UTRAN的公共业务通道,减少了MAC层的实体类型。
  在基本传输技术上,LTE采用下行OFDM、上行SC-FDMA,其下行主要采用QPSK、16QAM、64QAM 3种调制方式,上行主要采用位移BPSK、QPSK、8PSK和16QAM,另一个正在考虑的降PAPR技术是频域滤波。上下行的最小资源块大小为25个子载波,即375kHz。系统可以采用localized或distributed方式将数据映像到资源块上。
  至于在信道编码方面,LTE主要采用Turbo码,而在MIMO方面,其基本MIMO模型是下行2×2、上行1×2个天线,但同时也正在考虑更多的天线配置(最多4×4)。在切换方面,除了LTE系统内的切换,也正在考虑不同频率之间和不同系统(如其他3GPP系统、WLAN系统等)的切换。
  2、LTE的工作计划
  自2004年11月启动LTE项目以来,3GPP以频繁的会议全力推进此项工作,短短半年内就完成了需求(Requirement)的制定,计划在2006年中完成StudyItem的研究工作,2007年中完成标准的制定,预计2009年即可商用。
  从时间上来看,3GPP的LTE工作计划可以分为StudyItem(SI)和WorkItem(WI)两个阶段。
  (1)第一阶段(SI阶段)
  时间是从2005年3月-2006年6月,主要完成3GPP LTE的可行性研究,形成研究报告。
  在2006年3月已经完成的内容包括RAN-CN功能的划分与调整;RAN体系结构的优化;无线接口协议的体系结构;物理层中多种接入方案、宏分集与射频部分的研究;状态与状态转移问题。
  在2006年3月-6月则完成包括信道结构的研究、演进的MIMO机制、信令的流程与终端移动性问题等方面的研究,并于6月份提出WI阶段的工作时间计划。
  (2)第二阶段(WI阶段)
  从2006年6月-2007年6月,使用一年左右的时间完成核心的技术规范撰写工作。在2007年年中完成相关标准制定工作后,预计在2008年或2009年将成熟的商用产品推向市场。
  3、LTE的技术特征
  LTE是3G的下一代演进技术,其具有100Mbit/s的数据下载能力。
  3GPP启动LTE的主要性能目标包括:在20MHz频谱能够提供下行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启动状态迁移时间低于50ms,从驻留状态到启动状态的迁移时间小于100ms;支持100km半径的小区覆盖;能够为350km/h高速移动用户提供大于100kbps的接入服务;支持成对或非成对频谱,并可灵活配置1.25MHz~20MHz多种带宽。
  与3G相比,LTE更具技术优势,包括高数据传输速率、可分组传送、延迟时间降低、广域覆盖和向下兼容等方面。
  另外LTE采用由NodeB构成的单层结构,有利于简化网络和降低延迟,达到低时延、低复杂度和低成本的要求。而与传统的3GPP接入网相比,LTE还减少了RNC节点。
  
  三.国际大厂加速在LTE之布局
  
  过去由于Intel的大力推广,全球市场皆将目光放置在WiMAX技术上,但随着2007年11月中旬于中国澳门地区举行的Mobile Asia大会上,GSM协会(GSMA)正式宣布其在4G技术竞赛上将支持LTE标准,无疑为LTE未来发展注入一剂强心针,也让LTE正式崭露头角,并在2008年之后快速窜起,国际大厂也加快在LTE领域的布局,LTE更逐渐有取代WiMAX、成为未来4G技术领头羊之势。
  1、通信设备商
  (1)易利信Ericsson
  Ericsson算是投入发展LTE技术最积极的厂商之一,并在全球主要的通信展会都演示过其LTE系统,该系统支持MIMO天线技术,速率达144Mbps。Ericsson更计划在未来3年内投资93亿瑞典克朗(约合15亿美元)发展以LTE为主的下一代移动通信系统研发项目,此预计将由其在瑞典、爱尔兰、意大利和匈牙利的研发中心承担,大部分项目融资来自欧洲投资银行(EIB)优惠贷款,还款期8年。
  


  


  
  Ericsson也在今年1月初,与中国大唐电信集团在北京共同成立大唐-Ericsson LTE联合研究中心,重点研发TDD 方面的LTE技术,此联合研究中心将设在大唐电信集团。Ericsson将与大唐电信集团密切合作,共同推动LTE/TDD技术标准的发展及相应的研发工作。
  另外在4月份,Ericsson还发表了全球首款支持LTE标准的商用平台—M700手机平台。此平台最高可实现100Mbps的下行数据速率和50Mbps的上行数据速率,并支持在线游戏、视频流媒体等先进的实时移动业务。
  据了解,采用M700的首批产品将是数据终端设备,如ExpressCard、笔记本电脑调制解调器、笔记本电脑USB调制解调器及其他适用于消费电子设备的小型调制解调器。ASIC码样本将于2008年期间发布,商用版本计划于2009年推出,采用此平台的产品有望于2010年上市。
  (2)Alcatel-Lucent
  Alcatel-Lucent在4G技术的支持上,并不特别独厚LTE,而是LTE、移动WiMAX(802.16e)及UMB(Ultra Mobile Broadband)三者都支持,不过今年以来其也加快在LTE的布局脚步。
  今年1月份Alcatel-Lucent宣布将与日本NEC合作成立一家合资企业,共同开发LTE技术。双方计划2008年将其开发的LTE技术平台投入试验,2009年试运营。
  目前LTE技术已获英国Vodafone、日本NTT DoCoMo美国AT&T和Verizon等主要电信运营商采用,Alcatel-Lucent阿朗和NEC预测LTE技术的市场规模,到2012年时将达到21亿欧元(合31亿美元),这项技术的用户到2015年时将达4亿户。
  (3)北电Nortel
  一向来最支持WiMAX阵营的北电,也在今年宣布将大举加码LTE产品线与解决方案的开发,展现其对于后续投入LTE发展的高度企图心。北电更公开表示,就未来LTE与WiMAX的竞争来看,由于LTE已获有多家电信营运商的青睐,单就用户数来看,可以预期LTE将会是未来4G时代的主流。
  另外北电也宣布LTE基本标准的系列专利权费率,相当于手持装置售价的1%,将对LTE技术全球发展有带动效果。
  (4)Nokia-Siemens Networks
  Nokia-Siemens则将与美国Sprint-Nextel合作,藉由新一代基础设备产品来帮助电信服务业者推出4G LTE技术。
  Nokia-Siemens预计利用现成的扁平的移动网络架构,并提供标准化的、为LTE准备好的产品。
  (5)华为
  中国大陆通信设备大厂华为也加入LTE的销售行开,其LTE基地台设备,将于第三季在日本正式销售。目前已以试作机提供欧美通信服务业进行测试,预计2009年完成商用化产品之生产。
  华为的LTE基地台产品,将核心组件“功率放大器”之输出功率提高40%,较业界平均高出10%为其特色。预计透过华为日本子公司,以宣称预定2010年以LTE提供“Super 3G”服务的NTT DoCoMo等通信服务业者为主要对象,展开销售推广。
  2、电信营运商
  LTE在电信营运商方面广受支持,包括各国主要电信营运商-英国Vodafone;美国Verizon、AT&T、T-Mobile;日本KDDI、NTT DoCoMo;中国移动等。其中Verizon将与Vodafone共同投入LTE的开发,而中国移动也在随后宣布加入此一行列,AT&T在获得700MHz频谱执照后,也宣布将采LTE技术加速布局,LTE技术魔力在各大电信营运商之间正式发酵。
  (1)NTT DoCoMo
  NTT DoCoMo早在2006年7月就和NEC、富士通等设备伙伴开始研发LTE,并积极进行LTE实验,今年初更宣布选择Ericsson作为其合作伙伴,共同参加其LTE基站开发项目,预计在2009年之前可完成研发并初步商用。
  另外NTT DoCoMo也在今年7月下旬于日本东京举办的Wireless Japan 2008上,演示其采用LTE无线规格的系统。此次现场演示系统以LTE规格配备了4×4 MIMO,移动基站使用1整辆卡车;实验采用1.7GHz频带,下行(从基站系统到移动基站方向)及上行方向各采用20MHz的带宽,数据传输速度方面上行最大为250Mbps,下行约为50Mbps。
  (2)KDDI
  KDDI宣布计划在2010年左右,与其竞争对手NTT、软银移动同时推出基于LTE的无线服务。一旦KDDI这一计划落地,日本国内的移动通信服务将实现同一技术格式支持,这意味着日本广大手机用户在更换运营商时,勿需另行购买一款新手机。
  3、芯片业者
  (1)高通
  高通在今年MWC上推出全球首款多模LTE芯片-MDM 9系列芯片,可往前兼容支持多种通信技术,让不同电信业者可顺利自UMTS或CDMA网络升级至LTE,将数据传输速率推升至下行50Mbps、上行25Mbps。其中,MDM 9200同时支持UMTS、HSPA+及LTE,MDM 9800则支援EV-DO Rev.B、UMB及LTE,MDM 9600则集前述2款芯片大成,支持所有通信技术。
  高通公司CDMA芯片部门主管移动通信产品事业群资深副总裁Steve Mollenkopf指出,3GPP对于LTE技术规格,可望于2008年底制定完成,届时亦可看到电信业者展开测试,高通预计于2009年第二季推出工程样本芯片,在2010年以后,LTE相关产品市场能见度将趋明朗。
  
  四. LTE利多消息
  
  自2007下半年到今年以来,市场不断传出针对LTE的利多消息,包括专利费用的降低、测试联盟的成立、还有设备大厂的倒戈,皆为LTE未来发展注入一剂强心针,更让其在与WiMAX的竞争上位居领先。
  1、LTE专利费用透明化
  过去专利费用的问题一直困扰着通信大厂们,也影响了相关技术的发展及前进,为解决此一困境,由Nokia、Ericsson、Alcatel-Lucent、NEC、Nokia-Siemens、Sony Ericsson及Nextwave Wireless等7家通信大厂,于今年4月中旬签署协议,将在公平合理的基础上,向第三方提供LTE专利授权,以促进这项新技术的发展。
  根据此协议的规划,预计将把LTE关键技术的专利费控制在销售额的10%以下,也就是上限为10%,而支持LTE技术的NB最高专利费,则将保持在10美元以下。
  除这7家大厂外,北电也加宣布LTE基本标准的系列专利权费率,相当于手持装置售价的1%。
  因此可以预期的是,过去专利费用过高及不透明的问题,可望在LTE上获得解决,有了更高的透明度和可预测的智财权成本,以避免手持装置成本的不确定性抑制4G市场的成长。透过减少LTE手持装置智财权授权成本的不确定性,将可降低该技术的早期部署风险,以利LTE技术的普及。
  2、Femto Forum将与NGMN携手进行LTE结合WiMAX的研讨
  Femto Forum宣布将与下一代移动网络联盟(Next Generation Mobile Networks Alliance,NGMN)合作,共同研讨如何在家庭基地台(Femtocell)中使用如LTE和WiMAX的4G服务。
  一直以来,藉由将蜂巢式基地台扩展至消费端,Femtocell都与3G/4G标准保持密切相关。也因此,Femtocell功能自然会发展成与LTE连结在一起。不过当Sprint Nextel开始将其WiMAX以4G形式的服务推广,WiMAX也自然被视为现有3G网络的直接宽带后继技术。而LTE与WiMAX联盟都正在寻求一种能使各自标准均能从Femtocell中受益的方式。
  3、LTE设备互通测试即将展开
  由Ericsson、Nokia及Vodafone等国际电信设备大厂与跨国电信业者组成的LTE/SAE产业促进联盟-LTSI,近期也加紧布局脚步。
  目前其跨产业合作小组正开发阶段性方案,用以验证LTE的功能以及互操作性测试的实施标准。其中预计于2008年底完成一个LTE FDD和TDD设备的共同特征组的定义,作为早期设备和基础架构互操作性测试的基础;紧接着还将在LSTI各会员公司中进行芯片组、基础设备和移动设备间的互操作性测试。
  最初的设备-网络互操作性测试将锁定基本的连接性和LTE网络高速数据传输,包括如高质量视讯等更多进阶功能。
  LSTI计划以即将于2008年第四季完成规格制订的3GPP规格为基础,在2009年展开跨厂商间的互操作性测试。该测试阶段将依循LTE的概念验证工作,藉以显示技术的可行性,其中也将展示支持如高解析视讯串流的高带宽移动应用所需的下载速度。
  4、韩国未来3年内将投入600亿发展LTE技术
  韩国知识经济部日前与韩国手机终端设备零组件业者召开移动通信策略协议会,并发表“移动通信产业发展策略”,会中决定将于未来3年内投入600亿韩元,开发4G移动通信潜在技术中,预料将以GSM系列的LTE为研发主力。
  
  五. 结论及展望
  
  虽然这几年WiMAX在Intel的扶持下广受到注意,但在经过多方开发后成果不彰,目前仅在新兴市场上较受到瞩目;反观LTE在各主要电信营运商-Vodafone、Verizon、AT&T、T-Mobile、KDDI、NTT DoCoMo、中国移动等的支持下,加上北电近期的倒戈转向,声势更是如日中天,已成为市场最看好的4G技术。
  展望未来,研究机构ABI Research预估到2013年时,全球使用LTE技术的手机用户数量将达到3200万户,其中又以亚太地区的用户数增速最快。预估到2013年,亚太地区的LTE用户数将达到1200万户;其余的2000万名用户中,60%将分布在西欧,40%将位于北美地区。
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