HSPA+及LTE技术与产业发展现状研究

王志勤 徐 菲

编者按：

随着3G网络建设全面铺开及覆盖越来越完善，3G数据业务将会呈现快速增长的趋势。因此，无线运营商需要顺应用户需求，提高数据下载和上传速率并降低单位比特成本。向HSPA+、CDMA 1x EV-DO和LTE长期演进，正好可以满足这种需求。目前在我国，虽然3G网络建设仍处于初期，但是为适应用户的业务增长需求，运营商和设备厂商对3G无线网络的演进技术已经投入了大量的研究，产业化方面也取得了一定的进展。为此，《移动通信》特别推出“3G无线网络演进”专题，全面介绍3G无线网络演进技术、标准的最新进展，展示3G无线网络演进的产业化研发现状和成果，交流与探讨3G无线网络演进中可能遇到的困难和挑战及应对策略和方法。

[摘要]文章旨在阐述全球宽带无线移动通信HSPA及LTE产业发展状况，针对宽带无线技术发展，重点就HSPA+、LTE及其LTE-Advanced关键技术及标准化现状进行了介绍。

[关键词]HSPA LTE新一代宽带无线技术

3G在全球已经呈现普及之势，特别是3G增强型技术的引入，提升了移动用户的体验，从而引发了3G数据业务井喷式发展。随着移动互联网业务的发展，宽带无线移动网也需要不断提供高性价比的无线技术，为此，3G不断向增强型HSPA+及LTE演进，成为了新一代宽带无线移动技术与产

1HSPA及LTE的市场与产业发展

根据GSA的统计，截至2009年7月，全球移动用户总量达43.9亿，其中GSM、HSPA用户为38.6亿，占移动通信市场份额的88％。整体阵营市场份额仍在不断上升。虽然2G用户仍占主导地位，但由于75％的网络已经升级到3G技术，全球3G用户呈现普及之势。3G用户市场份额已突破12％，3G用户超过5.3亿。截至2009年7月。WCDMA商用网络累计达到297张，HSDPA商用网络总计达到275张，HSUPA商用网络累计85张。HSPA+商用网络达到25张。92.6％的WCDMA网络已经升级到HSDPA。HSUPA网络数量也在快速成长，HSPA终端增长迅速，成为新增市场中的主流。截至2009年6月，HSPA终端累计达1651款，HSUPA终端累计达242款。

随着CDMA阵营的UMB技术最终退出角逐，多年平行发展的两大技术体系终于统一到LTE下。在中国主导下，2007年11月，LTE TDD融合为TD-LTE。至此，LTE成为宽带移动技术与产业的发展方向。由于经济危机等影响，全球大部分运营企业还是推迟了LTE的发展进程。但部分运营企业由于面临激烈的国内市场竞争压力，开始快速部署LTE。2010年，日本NTT DoCoMo和美国Verizon都将开始LTE的商业部署。很多国家的政府也提前就宽带无线的频谱进行规划和拍卖。目前LTE的频谱大部分在2.5GHz、2.3GHz及700MHz，并逐步向2G、3G已有频谱延伸。在LTE产业发展过程中，采用多模多频段的终端成为产业发展的必然，这在一定程度上也增加了产品的复杂度。另外，如何从现有的2G、3G网络向LTE发展演进也是运营商需要深入研究的问题。

我国积极推进TD-LTE研发与产业化工作。到2009年8月完成了6个TD-LTE系统厂家的概念验证(PoC)，并于2009年7月2日在北京召开TD-LTE研究开发技术试验启动会，技术试验整体计划是从2009年8月到201 O年8月。目前参与TD-LTE技术试验的系统设备厂家共10家，终端芯片9个厂家。现阶段已经开始TD-LTE系统设备基本集的室内测试工作。

2HSPA+的技术与标准发展

为了保护运营商在WCDMA上的投资，3GPP启动了对HSPA演进技术的研究和标准制定工作。从无线技术发展阶段来说，WCDMA的技术路线经历了R99、HSPA(HSDPA、HSUPA)、HSPA+，并在LTE之后进入到新一代宽带移动通信。

WCDMA R99版本中，用户的峰值速率上下行可以达到384kbps，HSPA的HSDPA将下行数据速率提高到14.4Mbps，HSUPA将最高上行数据速率提高到5.78Mbps。HSPA+是在HSPA之后，为了进一步提高网络性能，针对分组域推出的一项技术，是在不改变现有HSPA网络结构前提下，通过采用MIMO、引入高阶调制、增强Cell_FACH、CPC等主要无线增强技术，一方面提高小区容量与峰值速率，另一方面也增加了用户容量、降低时延、降低终端耗电等，更好地支持了分组业务。

3GPP从R7版本开始研究制定HSPA+的规范，但主要侧重于提高下行的速率和能力；R8版本更侧重于提高上行的速率和能力。在R8版本中，以高通、爱立信等老牌制造商为主，还提出了多载波的概念，制定了Dual-CellHSDPA的要求，即UE可以同时在两个小区接收下行信号，要求两个小区的频点属于同一频段的相邻频点。在R9中继续研究和制定Dual-Cell HSUPA、不同频段的Dual-Cell HSDPA，以及多载波和MIMO结合的规范。WCDMA的HSPA+包含了以下关键技术：

◆引入高阶调制：下行引入64QAM调制后，WCDMA下行的峰值速率可以达到21Mbps。上行引入16QAM调制后的峰值速率可以达到11Mbps。

◆MIMO(多输入、多输出，Multiple Input/Multiple Output)技术：针对多径无线信道来说的，是指在发射端和接收端分别使用多个发射天线和接收天线，从而提高数据速率，减少误比特率，改善无线信号传送质量。

◆层二增强：由于层一新技术的引入极大地提高了下行的峰值速率，但是随着上行和下行峰值速率却在层二受到了限制，受限于RLC PDU的大小、RTT以及RLC窗尺寸。当前的RLC PDU并不能满足引，NMIMO、64QAM等技术后下行速率的要求。因此，需要对层二技术进行增强。

◆增强CELL_FACH状态：随着“always-on”(如Pushemail以及VPN连接)业务的出现，CELL_FACH的应用将越来越广泛。对于某些类型的业务，例如一些传输频繁但数据量较小的背景类业务，将UE保持在CELL_DCH状态并不合适。而且使用HSPA技术，可以明显减少PS域和CS域信令RB的延迟。基于此，可以考虑在CELL_FACH状态使用HSPA技术提高数据速率、降低信令延迟；这一增强技术同样可以考虑用于CELL_PCH和URA_PCH状态。

◆CPC(连续性连接，Continuous Packet Connectivity)：以分组业务为导向的HSDPA/HSUPA技术能极大的提升用户的传输速率，但潜在的传输间断、连接终止及重连等不可保证的QoS机制也是它的确存在的不足

之处。CPC分组数据的连续传输正是基于此而提出的解决方案。CPC采用预留最小带宽的方式改进R5/R6的HSPA功能。使有连续连接需求的分组用户可以避免在用户无业务活动时完全释放专用信道导致的重建时延，减少控制信道开销。从而提高用户数量、提高VoIP用户容量和系统效率的目的。

◆Dual-Cell HSDPA：为了进一步提高UE的峰值速率，WCDMA在R8引入了多载波的概念。UE可以同时接收相邻载波的两个小区的HS-DSCH信道，从而达到提高速率、降低时延的目的。

3LTE及LTE-Advanced技术与标准发展

3GPP LTE设计目标数据峰值速率为：在20M带宽下，下行(DL)＞100Mbps／上行(UL)＞50Mbps。随着3GPP标准的制订，在4X4 MIMO条件下，可达到DL 326Mbps/UL 86Mbps的速率。LTE根据实际的应用需要，特别注重改善小区边界用户的吞吐量，可在5公里达到最优。其无线频谱效率提高为下行3-4倍于HSDPA，上行2-3倍于HSUPA，可适应不同的频谱带宽，最高可达20M。

LTE无线接口下行采用OFDMA(正交频分复用多址)。可改善频谱效率及容量，上行考虑到手持终端的耗电等问题，采用SC-FDMA(单载波的频分多址)。LTE可支持FDD和TDD模式。这两种模式主要区别在于帧和时隙结构不同，在初始接入、切换、测量等程序方面也存在较大差异。由于采用OFDM的技术，无线接口设计中不需要再采用宏分集(软切换)，在无线接口中也不再设计电路交换方式。

LTE无线网络采用简化和扁平化的结构。尽量减少节点。把原有RNC(无线网络控制器)功能移到基站，并去掉了原有RNC。这就意味着基站直接与演进的核心网络连接，不同基站之间也有直连电路。

在我国的主导推动下，将3GPP LTE标准中的两种TDD方式融合形成统一的TD-LTE标准。3GPP R8标准作为LTE基本版本已于2008年底完成，其R9增强版将在2009底完成，而向ITU提交的4G标准(LTE-Advanced)最终是作为3GPP R10版本。3GPP R9版本是R8版本的增强，主要是完善家庭基站、增强型波束赋形、增强自配置等功能。LTE-Advanced与LTE间是强兼容关系，它是LTE的演进技术。LTE-Advanced(R10)技术标准在物理层采取了频谱聚合、协同多点传输和接收、中继功能，进一步增强MBMS及移动性等新技术。

采用新型OFDM技术的LTE向未来IMT-Advanced发展演进，往往是在其现有的基础上进一步增强功能和业务，两者是兼容和演进关系。因此，原有LTE的所有需求／目标也同样适用于LTE-Advanced。LTE-Advanced网络支持LTE终端接入，LTE-Advanced终端能在LTE网络中使用。

此外，LTE-Advanced在以下方面进行增强：

◆LTE-Advanced支持多种环境，包括宏蜂窝到室内环境，重点解决低速移动环境。

◆减少成本与复杂度，通过提供低成本的设施和终端，且提高功率有效性。减少中继传输的成本，降低终端复杂度。

◆LTE-Advanced具有灵活的频谱配置，其频谱可扩展到100MHz，并可将多个频段进行整合。

为了达到以上提出的目标／需求，在物理层已开始研究LTE-Advanced技术增强的方案，主要包括：

◆支持更大带宽，连续和非连续多频谱整合，最大带宽为100MHz。该技术可以实现相邻多频带的整合，离散多频带的整合。

◆上行传输方案／下行传输方案，例如采用扩展多天线传输、混合多种接入方案，一些公司也提出在特定环境下上行是否可采用OFDMA的方式。

◆协同多点传输和接收，增强的干扰协调和协作MIMO。

◆中继功能，如中继器，转发器及自组织中继。中继方式适用于高频段改善覆盖等方面的内容。

◆进一步增强MBMS及移动性等功能。

在2009年10月的ITU-R会议上，LTE-Advanced(包括TD-LTE-Advanced和FDD-LTE-Advanced)及802 16m被提交作为IMT-Advanced(4G)的候选技术。我国政府提交了TD-LTE-Advanced。由于LTE及其演进的LTE-Advanced阵营在宽带无线移动产业中处于绝对优势地位。LTE及LTE-Advanced成为IMT-Advanced标准及产业未来发展主流方向已成为不争的事实。