随着3G移动通信网络在全球的大规模建设,市场对数据业务的需求也在急剧上升,移动宽带技术的发展越来越快。这些技术主要集中在2个方面,一是3G技术的演进——HSPA+,一是4G技术的出现——LTE。对于HSPA+,通过不断引入高阶调制、多入多出、双载波等技术,提高峰值速率;对于LTE,则采用频率效率更高的OFDM技术,从而达到5 bit/Hz以上的高效编码效率。

目前HSPA+网络在全球已经得到了大范围的部署。截至2010年底,全球已经有67个国家的148个HSPA+商用网络的演进计划,其中103张网络已完成在57个国家的商用部署(包括13个双载波42 Mbit/s HSPA+,11个MIMO 28 Mbit/s HSPA+,79个64QAM 21 Mbit/s HSPA+);支持HSPA+的终端已达到63款,支持HSPA-LTE的双模终端达到27款。

LTE网络部署也初现端倪,其发展势头,大有后来居上之势。截至2011年1月,全球范围内共有17个正式商用的LTE网络,分布于15个国家和地区,还有52个预商用LTE试验网,有128个LTE 商用承诺,分布于52个国家。预计到2012年全球范围内将至少有64个商用的LTE网络。目前已有26家厂商可以提供47款LTE商用终端,其中包括4款手机。

HSPA+与LTE在许多关键技术方面都存在着大量的异同点,本文针对这些关键技术的异同点进行对比分析。

1 由分层向扁平化演进的网络架构

HSPA+采用的是与WCDMA相同的网络架构,是基于多个不同节点和接口的分层架构。Node B负责纠错、调制、扩频以及从基带到天线发送的射频信号的转换等物理层处理。RNC通过Iub接口控制着多个Node B,管理呼叫建立、业务质量处理和小区的无线资源管理等功能,并通过Iu接口,连接到核心网。RNC间采用Iur接口连接,实现跨RNC的切换。分层方法的好处在于,它提供了整体处理的特定结构,使得每一层都负责无线接入功能的不同部分。

在确定了LTE不需要支持上下链路宏分集功能之后,遵循最小化网络节点的设计原则,LTE采用了单节点的网络架构。扁平化架构带来的直接好处就是减少了网络实体的个数从而缩短了信令和数据传送的时间并改善了传输效率。LTE将WCDMA的RNC和Node B合二为一,产生一个新的网络节点(eNode B),它负责管理一系列小区。由于eNode B继承了RNC的大部分功能,因此它比Node B更为复杂,它负责单小区RRM、切换、小区中用户调度等。eNode B采用S1接口与核心网相连,S1与Iu接口类似。eNode B间采用X2接口连接,主要用于支持激活模式的移动性,只用于相邻小区的eNode B间。图1示出的是WCDMA/HSPA与LTE网络结构。

HSPA+与LTE关键技术对标分析

2 无线接入技术

WCDMA/HSPA采用基于CDMA的码分多址无线接入技术,在较宽的频谱上进行直接序列扩频。WCDMA技术使用正交可变长度扩频码(OVSF)进行扩频,对于不同业务承载带宽不同,则获得的处理增益不同。在下行方向,码片速率同为3.84 Mchip/s的OVSF码和扰码叠加,起扩频码的作用。前者用于区分同一小区下不同信道或用户,实现码分多址接入;后者用于区分小区。在上行方向,扩频码也是码片速率为3.84 Mchip/s的OVSF码和另一个扰码的叠加,而这时OVSF码因为不同步,不再用于区分用户,区分用户功能靠扰码来完成,每一个UE都使用自己的扰码。HSDPA引入HS-DSCH后,为了有效降低数据传输所需的网络侧与UE侧的工程实现复杂程度,采用固定因子的扩频码,即SF=16。对不同传输速率的支持可通过多码传输来实现,系统通过给用户动态分配OVSF序列数目来满足传输速率的要求,3GPP规定最多有15个SF=16的码字可以用于HS-DSCH。HSUPA引入E-DPDCH后,采用扩频因子为64~2的OVSF码,实现较高的上行接入速率带宽。

LTE采用基于OFDM的正交频分复用的无线接入技术,OFDM支持基站同时与多个移动终端通信,每个移动终端占用不同的频率。LTE下行链路采用OFDM多址接入方案是因为OFDM具有的特点满足了LTE设计的初衷:带有循环前缀的OFDM符号具有相对较长的时间尺度,因此OFDM提供了很高的稳定性来对抗信道频率选择性;OFDM提供了频域的多址接入;灵活的传输带宽可以支持不同大小频谱分配操作;可以从多个基站传输相同的信息实现广播和多播传输。LTE上行链路采用DFT扩展OFDM(DFTS-OFDM)技术,是因为DFTS-OFDM可以实现发射信号的瞬时功率变化小(单载波性质)、能在频域使用低复杂度高质量的均衡、能使用具备灵活带宽分配的FDMA。图2示出的是CDMA与OFDMA多址方式。

HSPA+与LTE关键技术对标分析

3 支持的调制方式

为了提高频谱资源利用率,在R7版本中HSPA+下行链路引入64QAM高阶调制技术,上行链路增加16QAM。HSPA+下行链路支持的调制方式有QPSK、16QAM和64QAM,上行链路支持的调制方式有BPSK、QPSK和16QAM。

LTE下行链路与HSPA+一样,可以支持QPSK、16QAM和64QAM调制方式。对于上行链路,考虑到终端在发射功率和能耗方面的限制,现有的移动通信系统一般不采用64QAM,而LTE更为重视热点覆盖和微小区覆盖,在最终决定LTE中暂不实现上行单用户MIMO技术后,经过讨论确定要支持上行64QAM调制方式,因此LTE上行链路与下行链路一样,支持QPSK、16QAM和64QAM调制方式(见图3)。

HSPA+与LTE关键技术对标分析

4 信道共享与速率适配

HSPA的一个关键特性就是共享信道发送。HSPA下行信道的信道化码和发射功率可以在小区内的用户间动态共享,这种共享主要是在时域上进行。HSPA采用动态速率控制的链路自适应技术,通过动态调节数据速率可补偿动态的信道变化。无线链路数据通过调整每一个TTI(2 ms)内所采用的调制方式、传输块的大小和分配给UE的信道化码集合来实现速率调整。速率控制通常取决于瞬时信道条件,最典型的是通过CQI来获得的。

LTE也可以实现共享信道传输,但与HSPA不同的是,LTE共享资源为时间和频率。共享信道传输的应用可以很好地匹配分组数据业务提出的快速变化资源需求。LTE采用调度器来决定每条链路上所用的数据速率。与HSPA不同的是,LTE终端只服从服务小区的调度命令。下行链路调度器基于信道状态报告分配下行传输资源,被调度终端可以在每个1 ms的调度间隔内被分配以180 kHz宽的资源块的任意组合。上行链路调度器基于不同上行链路传输的正交分割,可以每1 ms执行1次,控制在给定时间间隔内允许哪些移动终端在小区内采用何种频率、数据速率进行传输。

5 带宽与频谱效率

WCDMA/HSPA经过扩频调制后的码片速率为3.84 Mchip/s,在进行脉冲整形时,要尽量压缩旁瓣,使99%的能力集中在主瓣上。旁瓣能量的集中程度体现在滚降系数上,目前在WCDMA中统一选择α=0.22,对应的带宽=(1+α)×速率 =(1+0.22)×3.84=4.75 MHz,取5 MHz,所以WCDMA/HSPA系统信道占用带宽为固定值5MHz。在5 MHz频带宽度内,R99达到的下载速率为3.84 Mbit/s,HSDPA为14.4 Mbit/s,HSPA+ 64QAM为21 Mbit/s,HSPA+ 64QAM+MIMO可以达到42 Mbit/s,HSPA+64QAM+MIMO+DC可以达到84 Mbit/s,因此对于WCDMA/HSPA系统而言,根据其采用的技术不同,频谱效率也相差甚大(见表1)。

HSPA+与LTE关键技术对标分析

LTE在下行链路上使用了OFDMA的多址技术,将带宽分成若干个子载波,所以相对HSPA+具有灵活的带宽,目前可实现1.4、3、5、10、15、20 MHz等6种信道带宽。较低的频带(1.4~3 MHz)被选择用来克服在CDMA2000处LTE频谱融合的困难,同时帮助GSM和TD-SCDMA向LTE演进。LTE的设计目标是在20 MHz频谱范围内,下行链路达到100 Mbit/s,上行链路达到50 Mbit/s。而实际LTE能达到的峰值速率已远远超过这个目标。对于20 MHz带宽,LTE上下行速率分别可以达到172和60 Mbit/s。

从表1可以看出,在采用了高阶调制和多入多出等技术后,HSPA+的频谱效率已经接近LTE技术。

6 带有软合并的HARQ和MIMO

HSPA与LTE也采用了许多相同的关键技术,如带有软合并的HARQ和MIMO技术。

带有软合并的HARQ技术允许终端对接收到的错误传输块请求重传,微调有效的编码速率和补偿由于链路适应机制带来的错误。终端尝试解码每一个接收到的传输块,并在接收到传输块5 ms后报告基站接收是成功还是失败。没有成功接收到的数据将会得到快速重传,对比R99明显减少了重传的时延。

MIMO技术是HSPA+ R7版本中主要的新特征之一,它通过多个流的传输增加数据的峰值速率。通过在发射端和接收端使用多根天线,获得分集增益,进而增加接收机的载干比。对于HSPA+而言,MIMO是系统能力增强技术之一,可以选用也可以不选用。而对于LTE而言,MIMO技术是一个必需内容,多根天线的应用是达到激进的LTE性能目标的关键技术。

7 大规模引入需要关注的问题

HSPA+分别在R7、R8版本提出了MIMO和DC技术。其中MIMO要求多套天馈系统,DC要求双载波。不同的国家和地区对这2种技术采取了截然不同的态度。欧洲地区由于频率资源紧张,很难找出更多的载频来实施DC,因此当地的运营商更多的是关注MIMO技术的应用;而中国,频率资源属于国家统一指配,对于运营商而言,较容易获得。目前在中国运营着多种技术制式的移动网络,在城区基站众多,屋顶天线林立,若再增加天馈系统来实现MIMO则非常困难,因此对中国而言,则更多倾向于DC技术。

LTE的建设首先要解决其频点使用问题。LTE的具体频段还未最终确定,其可使用的频段涵盖了IMT-2000的整个频段范围,目前业界主流频谱集中在800 MHz、1.8 GHz和2.6 GHz。频段范围的差别,决定了LTE布网成本高低。其次是网络定位问题,LTE定位于超宽带无线接入业务,覆盖区域的选择考虑以优先热点覆盖为主,后续连续覆盖的策略。在LTE建设的初期,要准确定位,能够提供差异化服务,避免产生与现有移动技术重复建设的问题。

8 结束语

HSPA+是WCDMA的后续演进技术,它在标准制定之初就考虑到最大后向兼容问题,因此可以在现有3G网络基站上平滑升级来建设HSPA+网络。LTE技术的定位是能将电信产业带入2020年的无线通信系统,在最初设计时就不考虑早先的终端,不受现有网络技术影响,因此LTE具有更高的频谱效率,可变的带宽等特性,但对现有设备存在兼容问题,网络改造量较大。这2种技术各有优缺点,其最终的发展,还在于市场的需求。