浅谈UMTS演进之路

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UMTS是目前最具影响力的3G标准，文章介绍了UMTS的两个演进版本——长期演进（LTE）和HSPA演进（HSPA+）的标准化现状，展望了UMTS标准向更远期的IMT-Advanced技术演进的可能路线，分析了多种演进路线，以及不同类型运营商可能的选择。
    1、UMTS演进之路
    “第三代移动通信”（3G）技术是当前主流的无线通信技术。在诸多3G技术标准中，又以3GPP制定的UMTS技术标准最具影响力。3G正在全世界范围逐步部署，增强型UMTS技术——高速下行分组接入（HSDPA）和高速上行分组接入（HSUPA）技术的标准化工作也接近完成。同时，为了使3GPP标准相对其他无线标准保持长期优势，UMTS技术的演进版本的标准化工作也正在紧锣密鼓地进行。
    为UMTS标准设计演进之路时，不同公司的考虑也不尽相同。在2004年WiMAX技术对UMTS技术（尤其是HSDPA技术）时，3GPP急于开发和WiMAX抗衡的以OFDM/FDMA为核心技术、支持20MHz系统带宽的、具有相似甚至更高性能的技术，此即长期演进（LTE）。
    为了实现LTE所需的大系统带宽，3GPP不得不选择放弃长期采用的CDMA技术，选用新的核心传输技术，即OFDM/FDMA技术。在无线接入网（RAN）结构层面，为了降低用户面延迟，LTE取消了重要的网元——无线网络控制器（RNC）。在核心网（CN）层面，和LTE相对应的SAE（系统框架演进）项目正在大大改变系统框架。由LTE/SAE为标志的这次变革，与其说是Evolution（演进），不如说是Revolution（革命）。这场“革命”是系统不可避免的丧失了大部分后向兼容性，也就是说，从网络侧和终端侧都要做大规模的更新换代。因此很多公司实际上将LTE干脆看作B3G技术范畴。
    由于LTE系统缺乏和3G系统的后向兼容性，因此LTE系统更适合于在较早阶段（如2000年左右）部署了3G系统，在2010年左右希望大规模更新网络的那些运营商。对于那些近几年刚部署了3G系统，在2015年左右之前不希望进行“革命性”换代的运营商，LTE可能不是在近几年内保持市场竞争性的最佳选择。因此3GPP又启动了HSPA（包括HSDPA和HSUPA）的演进项目，又称为“HSPA+”。HSPA+技术的宗旨是要保持和UMTS第6版本（Rel6）的后向兼容性，同时在5MHz带宽下要达到和LTE相仿的性能。这样，希望在近期内以较小的代价改进系统，提高系统性能的UMTS运营商就可以采用HSPA+技术进行演进。
    从更长期的演进的角度，B3G技术的标准化工作，已经“近在眼前”。最近，国际电信联盟（ITU）将超3G（B3G）技术命名为IMT-Advanced技术，并初步决定在2008年2月开始IMT-Advanced的技术提案征集工作。从延续3GPP现有的市场地位的角度考虑，欧洲公司可能会在LTE标准基础上，补充欧洲B3G研究项目（如WINNER项目）的研究成果，形成欧洲的IMT-Advanced提案，因此LTE技术和HSPA+技术的进一步演进版本很可能就是IMT-Advanced技术之一。
    而对于尚未部署3G系统的2G运营商，由于IMT-Advanced系统大约在10年后就可以成熟并用于市场部署。在这10年的间隙内或者部署3G系统（包括HSPA和HSPA+），或者部署LTE系统，两者可择其一。但在短短10年时间内进行两次大规模升级，先后部署3G和LTE系统，似乎代价过大，无法及时收回前一次升级的投资。
    综上所述，UMTS的演进之路将不是单一的演进方向，而是根据不同运营商的不同需求和系统部署时间表可以灵活选择的多条演进路线。依笔者看来，运营商的演进路线可能分为如下4种情形：
    ◆最早部署了3G系统的UMTS运营商：3G→LTE→IMT-Advanced。
    ◆刚刚部署了3G系统的UMTS运营商：3G→HSPA+→IMT-Advanced。
    ◆近期即将部署3G系统的2G运营商：3G（包括HSPA+）→IMT-Advanced。
    ◆近期不会部署3G系统的2G运营商：2G→LTE→IMT-Advanced。
    2、3GPP长期演进（LTE）标准化现状
    2.1LTE系统需求
    LTE项目首先从定义需求开始。主要需求指标包括：
    ◆支持1.25MHz～20MHz带宽。
    ◆峰值数据率：上行50Mb/s，下行100Mb/s。频谱效率达到3GPPR6的2～4倍。
    ◆提高小区边缘的比特率。
    ◆用户面延迟（单向）小于5ms，控制面延迟小于100ms。
    ◆支持与现有3GPP和非3GPP系统的互操作。
    ◆支持增强型的广播多播业务。
    ◆降低建网成本，实现从R6的低成本演进。
    ◆实现合理的终端复杂度、成本和耗电。
    ◆支持增强的IMS（IP多媒体子系统）和核心网。
    ◆追求后向兼容，但应该仔细考虑性能改进和向后兼容之间的平衡。
    ◆取消CS（电路交换）域，CS域业务在PS（包交换）域实现，如采用VoIP。
    ◆对低速移动优化系统，同时支持高速移动。
    ◆以尽可能相似的技术同时支持成对（Paired）和非成对（Unpaired）频段。
    ◆尽可能支持简单的临频共存。
    3GPP毫不讳言LTE项目的启动是为了应对“其他无线通信标准”的竞争。针对WiMAX“低移动性宽带IP接入”的定位，LTE提出了相对应的需求，如相似的带宽、数据率和频谱效率指标、对低移动性进行优化、只支持PS域，强调广播多播业务等。同时，出于对VoIP和在线游戏的重视，LTE对用户面延迟的要求近乎苛刻。关于向后兼容的要求似乎模棱两可，从目前的情况看，由于选择了大量的新技术，至少在物理层已难以保持从UMTS的平滑过渡。
    另外，运营商还提出加强广播业务的要求，增加了在单独的下行载波部署移动电视（MobileTV）系统的需求。
    2.2LTE物理层技术选择
    （1）基本传输技术和多址技术
    3GPP成员在讨论多址技术方案时，主要分两个阵营：多数公司认为OFDM/FDMA技术与CDMA技术相比，可取得更高的频谱效率；而少数公司认为OFDM系统和CDMA系统性能相当，出于后向兼容的考虑，应该沿用CDMA技术。
    持前一种看法的公司全部支持在下行采用OFDM技术，但在上行多址技术的选择上又分为两种观点。大部分厂商因为对OFDM的上行峰平比PAPR（将影响手持终端的功放成本和电池寿命）有顾虑，主张采用具有较低PAPR的单载波技术。另一些公司（主要是积极参与WiMAX标准化的公司）建议在上行也采用OFDM技术，并用一些增强技术解决PAPR的问题。经过激烈的讨论和艰苦的融合，3GPP最终选择了大多数公司支持的方案，即下行OFDM；上行SC（单载波）-FDMA。
    SC-FDMA具体采用DFT-S-OFDM技术实现，这种技术是在OFDM的IFFT调制之前对信号进行DFT扩展，这样系统发射的是时域信号，从而可以避免OFDM系统发送频域信号带来的PAPR问题。
    （2）“宏分集”之争
    是否采用宏分集技术，是LTE讨论中的又一个焦点。这个问题看似是物理层技术的取舍，实则影响到网络架构的选择，对LTE/SAE系统的发展方向有深选的影响。
    3GPP内部在下行宏分集问题上的看法比较一致。由于存在难以解决的“同步问题”，各公司很早就明确，对单播（unicast）业务不采用下行宏分集。只是在提供多小区广播（broadcast）业务时，由于放松了对频谱效率的要求，可以通过采用较大的循环前缀（CP），解决小区之间的同步问题，从而使下行宏分集成为可能。
    与下行相比，3GPP对上行宏分集的取舍却迟迟不决。宏分集的基础是软切换，这种CDMA系统的典型技术，在FDMA系统中却可能“弊大于利”。更重要的是，软切换需要一个“中心节点”（如RNC）来进行控制，这和大多数公司推崇的网络“扁平化”、“分散化”网络结构背道而驰。经过激烈的争论，3GPP最终决定LTE不考虑宏分集技术。
    （3）其他技术选择和系统设计
    LTE在MIMO技术的讨论上遇到了较大的困难。3GPP在MIMO技术的采用上一贯比较谨慎，在CDMA系统是否采用MIMO技术的问题上长期难以决定（近期才有所突破）。在LTE方面，虽然很早就明确了要采用MIMO技术，但在具体技术方案上分为两个阵营，即基于预编码（Precoding）技术的方案和基于每天线速率控制（PARC）技术的方案。虽然目前3GPP在此问题上的看法正在逐步收敛，但最后的技术选择仍很艰难。
    LTE在数据传输延迟方面的要求很高（单向延迟小于5ms），这要求LTE系统须采用很小的最小交织长度（TTI）。LTE采用了0.5ms的子帧长度和1ms的TTI（1个TTI包含2个子帧）。另外，为了解决TD-SCDMA系统和LTETDD系统的“临频共址”共存问题，3GPP确定在考虑和LCR-TDD系统兼容时可以采用0.675ms子帧长度。
    其他物理层技术细节，如系统参数、导频结构、时频资源分配、控制信道复用、调制和编码、链路自适应、频域调度、HARQ（混合自动重传）、小区干扰抑制、小区搜索、随机接入等已接近确定。
    2.3空中接口协议结构和网络架构
    传统的3GPP接入网UTRAN由NodeB和RNC两层节点构成，但在考虑LTE技术时，大多数公司建议将RNC省去，采用由NodeB构成的单层结构，因为这样的结构有利于简化网络和减小延迟。但少数设备商和运营商建议保留原有的网络架构，只做局部的修改。如果采用第一种（即“扁平”的）网络架构，则将对3GPP系统的整个体系架构产生深远的影响，实际上将逐步趋近于典型的IP宽带网结构。
    在作出不采用宏分集的决定后，这个问题的焦点集中在上层ARQ（OuterARQ）、无线资源控制（RRC）和小区间无线资源管理（Inter-cellRRM）功能块的位置上。如果上述功能可以在NodeB完成，则可以采用只由Node B构成的“扁平”E-UTRAN结构；如果上述功能无法在Node B内完成，则必须保留所谓的“中心节点”（类似于RNC）来实现这些功能，也即需要采用两层结构的E-UTRAN。
    最后由于绝大多数公司支持前一种方案，因此确定了由演进型NodeB（eNB）和接入网关（aGW）构成的接入网结构。aGW实际上是一个边界节点，如果将它看作核心网的一部分，则接入网主要由eNB一层构成。LTE的eNB除了具有原来NodeB的功能外，还承担了原来RNC的大部分功能，包括物理层（包括HARQ）、MAC层（包括ARQ）、RRC（无线资源控制）、调度、无线接入许可、无线承载控制、接入移动性管理和小区间RRM（无线资源管理）等。对小区间干扰协调、负载控制等功能，也采用完全分散的管理结构。NodeB和Node B之间将采用网格（Mesh）方式直接互连，这也是对原有UTRAN结构的重大修改。
    在传输信道的设计方面，LTE的信道数量将比WCDMA系统有所减少。最大的变化是将取消专用信道，在上行和下行都采用共享信道（SCH）。
    2.4LTE标准化现状
    LTE研究阶段（SI）已经于2006年9月结束。LTE的可行性研究得出了正面的结论，因此3GPP正式批准了LTE工作阶段（WI），LTE标准的起草已正式开始。按照目前的工作计划，3GPP将于2007年3月完成第2阶段（Stage2）的协议，于2007年9月最终完成第3阶段（Stage3）协议。
    3GPP已经将34系列的规范编号分配给了LTE。其中物理层将起草如下几个LTE技术规范，如表1所示。

    表1  物理层将起草的几个LTE技术规范

    3、HSPA演进技术
    HSPA的进一步演进和增强（HSPA+）是3GPPRAN启动一个新的研究项目。这个研究项目的目的是明确HSPA+将要达到的目标、包含的研究内容及和现有研究项目和工作项目的关系，此项目仅针对FDD系统。目前对HSPA+项目的研究范畴还没有形成完全一致的意见，但初步确定了一些HSPA+的基本需求：
    （1）结构方面需求
    ◆提供低复杂度、低成本的从HSPA向SAE/LTE平滑演进的路径；
    ◆降低用户面延迟（针对现有的和R7以后的终端）；
    ◆降低控制面延迟（对R7以后的终端，如果有成本的有效方法，也对现有终端）；
    ◆考虑简化/减少节点数量；
    ◆考虑将HSPA+RAN连接到SAECN上（用户面和/或控制面）；
    ◆应该考虑和非3GPP系统间的移动性；
    ◆考虑用CS域支持原有的CS业务；
    ◆考虑降低网络成本。
    （2）空口方面
    ◆考虑提高频谱效率的方法；
    ◆降低用户面延迟（针对现有的和R7以后的终端）；
    ◆降低控制面延迟（对R7以后的终端，如果有成本的有效方法，也对现有终端）；
    ◆保持和现有终端兼容的方式考虑如何提供高效的QoS支持；
    ◆需要考虑是否能现有终端或R7以后的终端带来改进；
    ◆对终端的任何改变都应该尽可能多地在原有的测试工作的基础上发展。
    （3）HSPA+系统需要满足的限制
    ◆应可以利用现有的R7RAN结构，但如果支持和R7结构的完全互联，应考虑改变结构的建议。
    ◆如果可以带来显著的性能增益并可以低复杂度的向SAE/LTE演进，可以重新考虑RAN和CN的功能划分。
    ◆应尽可能减小对NodeB的影响，允许简单的升级和硬件的再利用。但不排除通过硬件升级支持额外的功能（如提高处理能力和RNC功能等）。
    ◆应尽可能减小对UE的影响，尤其是控制复杂度。
    ◆R99和现有HSPAUE应可以和HSPA+终端共享载波，且不带来性能损失。
    ◆系统内和系统间的移动性性能不应比R7更差。
    HSPA+的主要工作较多的集中在RAN2工作组。在物理层方面，主要将利用目前正在开展的几项研究，如分组数据用户的连续连接、MIMO等。另外，还可以考虑采用更高阶的调制方式等技术提高系统性能。
    4、3GPP的IMT-Advanced之路
    3GPP是否会成为指定IMT-Advanced标准的标准化组织之一，尚不能确定。如果3GPP继续承担欧洲IMT-Advanced标准的制定任务，预计3GPP会基于LTE系统研发IMT-Advanced系统。由于LTE系统已经具有B3G技术的很多主要特性，LTE的核心技术很能会被沿用到IMT-Advanced系统中，同时增加对超大系统带宽（100MHz）的支持，对多频异构系统的支持，采用中继和频谱共享等技术，形成和LTE系统后向兼容的IMT-Advanced技术方案。