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1、电信科学!年第期电信科学!年第期电信科学!#年第$期电信科学!年第%期电信科学!年第$期通信发展论坛第三代移动通信的长期演进计划及比较!谢显中!重庆邮电学院 重庆!#$摘 要本文首先介绍了移动通信的发展和演进过程!然后讨论了第三代移动通信的长期演进计划的基本要求!最后系统地介绍和分析了目前几种主要的第三代移动通信长期演进计划候选方案!对我国开展相关的技术研究系统评估和设备开发具有重要的参考价值#关键词 第三代移动通信$长期演进计划$!#$%$&#$%$多载波()*年+月在加拿大多伦多,-.召开了第三代移动通信%,-&的长期演进计划%/01&专题会议!正式拉开了第三代移动通信向更高的频谱利用率更
2、大的传输速率2吞吐量更好的性能和更低的业务成本方向长期演进的序幕3+4 本文首先给出了移动通信的发展和演进过程!然后讨论了第三代移动通信的长期演进计划的基本要求!最后系统地介绍和分析了目前几种主要的第三代移动通信的长期演进计划候选方案和技术背景!这对我国开展相关的技术研究系统评估和设备开发具有重要的参考价值移动通信的发展和演进随着人们的物质和文化生活水平的不断提高!对移动通信容量和业务类型的需求不断增加!为了更好地满足社会的巨大需求!移动通信系统一直在不断发展和演进3(4!如图+所示从()世纪5)年代开始!以6$.&和06&为代表的第一代模拟蜂窝移动通信系统给人们开辟了移动通信的崭新天地随后的
3、第二代数字移动通信系统7(-8主要包括欧洲的-&$系统美国的9&:;系统9&;*2+,系统!从()世纪:)年代开始大规模商用!让普通人享受到了移动通信的方便和益处第三代移动通信系统的主流标准有?#$60#&#$6和ABC()!?#$6从()+年 开 始 商 用!已 经 发 布 了DEFECGE:DEFECGE*%DEFECGE()&DEFECGE;和DEFECGE四个标准版本!并与第二代的-&$移动通信系统标准结合形成了一个统一的整体3,4到();年:月底!全世界已有;#$%用户数为*)多万%1#-1用户数已近+亿&目前!提供(-设备的公司基本都可以提供稳定的,-设备!,-商用手机已超过()多
4、款 可以说,-技术已相当成熟!正在向我们走来从DEFECGE;开始!?#$%陆续补充了高速下行分组接入技术%K&#.%&高速上行分组接入技术%K&L.6&9.多媒体图+移动通信系统的发展和演进历程ABC()+IABC()1H#!2#H/012M,-(-(J;-(JN;-,-,J;-9&:;O0#&#$%=#9&;*9&+,&#-.D&1#-1?#$%K&#.%K&L.%P$QAEL?+,R国家自然科学基金资助项目%SQJ);N()5:8重庆市科委自然科学基金和重庆市教委应用基础研究基金资助项目子系统!#和多媒体广播多播业务!$#等一些新功能和有特色的技术#使性能$容量得到极大提升#目前开始的长
5、期演进计划是第三代移动通信的进一步发展%如果我们把%#&($%#)($!#和$#等*+增强技术称为三代半移动通信系统!*,-+或.*+#那么也可以称*+长期演进计划发展的移动通信系统为超*+系统!$*+或*,/-+#超*+系统将来还会向第四代移动通信系统!0+发展%!第三代移动通信长期演进计划的基本要求长期演进计划应该是低费用!减少每比特的传输费用$高速率!提供更多更丰富的业务$高频谱利用率!灵活高效地利用现有和新增加的频段$面向分组优化!简化的网络结构和信令协议$兼容性!开放接口并与以前系统共存互通$低功耗!降低终端的功率消耗%12.的基本要求主要包括以下几点30#-4&!5峰值速率 下行&
6、在67%8带宽上提供的峰值速率为9:;?(上行&在6:%8带宽上提供的峰值速率为-:;?%!6用户吞吐量 下行&每%8上的用户吞吐量为%#&(的0倍左右(上行&每%8上的用户吞吐量为%#)(的*倍左右(每小区在-%8带宽上至少支持6:个用户(提高小区边缘的吞吐量%!*频谱利用率 下行&%#&(的0倍左右(上行&%#)(的*倍左右%!0移动性 在:9-ABC低速环境下优化的移动性(在9-96:ABC中 速 环 境 下 较 好 的 移 动 性支持(在96:ABC以上的高速环境下支持蜂窝小区的切换%!-覆盖 对于半径为-AB的小区#必须满足上面要求的用户吞吐量$频谱利用率$移动性(对于半径为-*:A
7、B的小区#上面要求的用户吞吐量$频谱利用率$移动性不能有太大下降%!D带宽 支持对称和非对称的频谱分配(上下行链路弹性地支持不同的载波带宽#包括9E6-%8$6,-%8$-%8$9:%8$9-%8和6:%8等带宽%!/共存 新系统与以前*+系统共存互通(支持新系统与以前*+系统之间的切换%!F网络结构 面向分组优化的单个无线接入网(支持端到端的GH#(协议后向兼容%!I网络延迟 呼叫建立延迟小于9:B?!在空闲模式或者-:B?!在休眠状态(无线接入网内延迟小于9:B?%!9:其它 降低终端的功率消耗(低实现复杂性(低传输费用%第三代移动通信长期演进计划的无线传输技术候选方案为了能够在第三代移动
8、通信长期演进计划标准的竞赛中取得领先地位和技术先机#各个公司和研究机构都纷纷基于上述要求提出了自己的技术方案#按照所采用的双工方式和多址复用技术#可以归纳为D个无线传输技术JK22L候选方案3D#/4#如表5所示%#$方案中关键技术的特点!5MN&(技术MN&(是基于MN&技术364的一种多址方案#每个用户业务占用MN&正交子载波中的部分子载波#根据业务的多少可以灵活地分配子载波数%MN&(技术的主要优点如下&优良的无线链路性能(易于与!M技术结合#具有高频谱利用率和大吞吐量(灵活的带宽自适应能力(能较好地与(O$%(KG等链路自适应技术结合(接收机复杂度较低(能克服小区边界容量和性能的下降%
9、编号96*0-D方案上行基于#O!N&(!单载波频分复用多址#下行基于MN&(!正交频分复用多址上下行都基于MN&(上下行都基于O!PO&(!多载波PO&(上下行都基于O!2&!#O&(!多载波2&!#O&(上下行都基于MN&(上行基于#O!N&(Q下行基于MN&(表$第三代移动通信长期演进计划的%&候选方案双工方式N&N&N&2&2&2&通信发展论坛!电信科学!年第期电信科学!年第期电信科学!#年第$期电信科学!年第%期电信科学!年第$期但!#$%也存在高峰均比!&%问题#同时在上行链路用户间需要严格的频率同步$!()*!#$%技术)*!#$%传输原理如图(所示$经编码的数据符号首先通过离散
10、傅立叶变换!#+#然后进行子频带映射#该映射模块确定用户编码符号在哪些子频带传输#其余子频带用,插入#其后通过逆快速傅立叶变换!-+#最后插入循环前缀!*&$通过发送加入的循环前缀和采用频域均衡!#.接收可以提供较好的链路性能$)*!#$%技术的优点如下%&单载波方案传输信号时#用户符号的能量分布在整个传输频带#具有较低的峰均比#这对节省功放的成本和节省电源比较重要&#$%提供了较方便的频域资源分配和小区内的正交性&能克服小区边界容量和性能的下降$但)*!#$%的问题是频谱利用率不如!#$%$!/$*!0*#$%该方案通过用多个载波来同时传输高速业务#如图/所示#其中一个为主载波!12其余为副
11、载波!(!3#主载波主要用于承载控制信道45)!)*5()*5(&!*&*5(#&*5等6和系统同步等#高速用户业务75)!&#)*5($8$)等9可以在多个副载波中传输$该方案的特点是与现在的0*#$%系统兼容性好和具有灵活的扩展带宽#但频谱利用率(吞吐量和性能都没有明显改善$!3$*!+#!)*#$%该方案的思路与$*!0*#$%相似#即通过用多个载波来同时传输高速业务$一个载波的带宽为1:;$5#在(=$5(个载波#如图3所示#每个载波的子帧和帧结构与单载波+#!)*#$%相同$每个帧分为两个?A的子帧#每个子帧包括长度为;B?A的B个主时隙7+),C+);9和/个特殊时隙%下行导频时隙
12、!#D&+)#B?A(上行导频时隙!EF&+)#(?A和保护时隙!G&#B?A#+)=总是被分配作为下行链路时隙#而+)总是被分配作为上行链路时隙#其它时隙既可作为上行链路时隙也可作为下行链路时隙$上行链路时隙和下行链路时隙之间由一个转换点分开#以前单载波+#!)*#$%系统的子帧中仅有两个转换点#但在多载波+#!)*#$%方案中#为了更灵活地分配无线资源#一个子帧中可以有多个转换点#转换点的位置取决于小区上下行时隙的配置#这种灵活的配置方案特别适合不对称业务的传输$该方案的特点是与现在的+#!)*#$%系统兼容性好和具有灵活的扩展带宽#但完全受到原来系统的固有参数和性能的限制#业务速率也很难
13、满足H+.的要求#因此从长期演进角度看#与其它系统相比没有竞争优势$&$方案的比较方案是针对#系统提出的#上行链路采用)*!#$%#下行链路用!#$%技术#主要由.IJKAALM($LNLILOP(QLRJP建议#后来%OKPNSO(8SMT$LUJOS(*%+(*JMVWOPI(WXJNAW等(?家公司也支持该方案$方案(也是针对#系统提出的#与方案的不同在于上行链路也采用!#$%技术#主要倡导公司为QLINSO(-MNSO等#中国的华为(中兴等也支持该方案$方案/是针对#系统#上下行 都 采 用 多 载 波 的 传 输 方 案#由TWPOKL公司提出的$方案3是针对+#系统提出的#上下行都
14、采用多载波传输方案#主要由中国的*%+和中兴建议$方案?也是针对+#系统提出的#上下行都采用!#$%技术$最早由-&0JISOSAA提出#后来中国的*%+(华 为(鼎 桥(中 兴#以 及-MNSO(-+()PAWMV等也参与支持$方案;是由-&0JISOSAA公司提图/$*!0*#$%的传输原理载波频率!(!/!35)!)*55)!)*55)!)*55)!)*55)!)*55)!)*5)*5#&!*&*5#&*5)$8$)5)!&#)*5 5)!&#)*55)!&#)*55)!&#)*55)!&#)*55)!&#)*55)!&#)*5$8$)时间)*5#&!*&*5#&*5)图()*!#$%传
15、输原理#个符号码率为$*-+插入*&子频带映射#+*&!#$%&!&()&!*!+!,!-!.!/!#0%&!&()&!*!+!,!-!.!/!#0%&!&()&!*!+!,!-!.!/!#0%&!&()&!*!+!,!-!.!/!#0%&!&()&!*!+!,!-!.!/!*+,*+载波载波载波载波载波图-12!0!2013的帧结构!#$%&()*+&,)(-.(.)/012-2(3&45 6)7+2&-89:;.)456 45789:;8=2:;858(85?6A5BC;D&;ABA 78E!6F6G;HHI85G7B5;8AJ 2:;858(&?0!:5A)7)6 I56H68BA D;
16、6?;F?58,E H;N5F6 G;HHI85G7B5;8 ACAB6HAP,M 76 E5AGIAA6EO Q7ABFC%6 787FC96 B6G:85G7F);58BA 78E A)6G57F D67BI6A;D A;H6 B78AH5AA5;8AG:6H6A D;,F;8I6 6A67G:L AG:6H6 6?7FI7B5;8 78E 6I5)H68B E6?6F;)H68B;D,F;8 B6H 6?;FIB5;8O2A B&C(,L F;8 B6H 6?;FIB5;8L RS013L 2!S013L HIFB5!G756!收稿日期T+#/UKVUVV通信发展论坛出的针对!00系统的
17、建议与S00的方案V相对应在上行链路采用2!S013下行链路用RS013技术#虽然方案,和-都与现在的,系统能够很好兼容 但频谱利用率$吞吐量和性能都没有明显改善从长期演进的角度看没有竞争优势支持的公司也很少因此可能会被放弃#仔细分析余下-个方案在下行链路采用RS013技术是一致的但上行链路存在2!S013和RS013两个技术选择#从支持的公司来看目前支持上行采用2!S013技术的阵容比较庞大包括了欧洲$美国$日韩以及中国的部分公司而支持上行采用RS013技术的公司较少#从技术角度分析2!S013技术的频谱利用率不如RS013%但RS013也存在高峰均比问题 增加了移动终端的功耗与成本同时在上
18、行链路采用RS013需要用户间严格的频率同步否则会破坏子载波的正交性#应该指出由于!00系统的一些特点W,X!00系统和S00系统在尽可能融合的情况下 应允许各自独立演进和发展#对于!00系统 因为!00固有的高峰均比以及采用了上行同步技术RS013的两个缺点所产生的影响相对要小一些#因此对于S00系统 在上行链路采用2!S013技术较好 对于!00系统在上行链路可以采用RS013技术#另外按照Y!(提出的第三代移动通信标准家族概念!00系统和S00系统最好各自独立演进和发展#但是!00和S00采用不同的多址技术给将来的芯片设计$设备制造和系统运营等都带来一定的复杂性也会增加网络建设投入和用户
19、使用成本从最近几次,&会议的报告看大多数公司和运营商要求!00和S00采用同样的多址技术方案这样在上行链路共同采用2!S013技术的可能性较大#ZKK.年VZ月在马耳他召开的,&无线接入网第,K次会议的报告中WX已将方案V和/合并成一个统一的第三代移动通信长期演进计划的!方案 为了快速进行资源调度将原来VK HA的帧结构分为ZK个持续KO.HA的子帧&从与!0!2013兼容角度考虑 保留了!0!2013原来特殊的帧结构并且在基站暂时不采用宏分集技术#按照,&第三代移动通信长期演进的时间计划WX目前正在加紧进行针对合并后的方案的链路级和系统级仿真评估ZKK/年,月将进一步确定信道结构$1Y1R技术$链路自适应技术$S策略$物理层测量等我们期待Q!标准和设备早日成功面世#参考文献*,&O 6);B;D B:6,&!3_ F;8I56H68BA D;6?;F?6E(!3 78E(!3_L+KK./,&!+.O*,O?;F?6E(!3 78E(!3_T 7E5;58B6D7G6);B;G;F7A)6GBAL+KK.a,&!+.O*-O&:CA5G7F F7C6 7A)6GBA D;6?;F?6E(!3L+KK.,&O 6);B;D B:6,KB:,&!3_ H66B58L+KK.,&!K.KK.O 2 B;+.O*,D;6?5A5;8;D Q!%;)F78L+KK.!