1.2 4G的标准化

LTE的系统设计目标可以概括为以下三大特点。

（1）高速率：更高的用户带宽和灵活性，提供真正的移动宽带业务。TD-LTE系统设计要求20MHz带宽内实现下行峰值速率超过100Mbit/s，上行峰值速率超过50Mbit/s。

（2）低时延：大幅降低接入时延和端到端时延，以支持实时交互类业务。TD-LTE系统要求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激活状态迁移时间低于50ms，从驻留状态到激活状态的迁移时间小于100ms。

（3）永远在线：用户注册后，核心网一直保持连接，用户感觉“永远在线”，业务体验更好。

LTE标准由3GPP制定，包括TD-LTE和LTE FDD两种制式。标准的形成得到了全球主流网络运营商、系统设备商、终端厂商、芯片厂商的共同参与支持。

截至2014年3月14日，LTE标准一共有R8/R9/R10/R11共计4个已完成的版本，同时R12正在制订中。实际上，已完成的4个版本中，R9和R11可以视为R8和R10的完善，并没有新功能特性，因此我们可以按照R8+R9和R10+R11的方式进行比较。以下为各自特点，如图1-1所示。

〇R8/R9（LTE）的主要特点：2×2 MIMO、OFDM、网络扁平化等。

〇R10/R11（LTE-A）的主要特点：相比R8/R9，增加了8×8 MIMO、载波聚合、SON、MDT等。

〇R12的主要特点：相比R10/R11，增加Small Cell增强、3D-MIMO、与WLAN协作、TDD-FDD载波聚合等。

1.2.1 LTE（R8～R9）

与3G相比，LTE系统的技术指标有了质的飞跃。与之相应，其核心技术也发生了本质的变化，正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM）、新型多天线（Multiple Input & Multiple Output, MIMO）等新技术在LTE系统中得到了广泛的应用。

正交频分复用是LTE系统的核心技术之一。OFDM技术不仅可与高阶的正交幅度调制（Quadrature Amplitude Modulation, QAM）以及多天线技术很好地结合，提高通信系统的频谱效率，还能够有效克服宽带移动信道引入的大延迟扩展所带来的严重符号间干扰，而无需大量复杂的计算处理。基于OFDM的多址接入方式是新一代宽带移动通信系统的理想接入技术。

多天线技术是LTE系统实现高频谱效率甚至超高频谱效率的核心技术之一，它包含波束赋形、空间复用、空间分集等多种工作模式，分别适用于不同的信道条件。当信号与噪声干扰比（Signal to Noise and Interference Ratio, SINR）较低时，例如UE工作于小区边缘时，通过波束赋形技术可有效提高通信链路的传输质量和频谱效率；当存在多个独立空间信道且SINR值较高时，系统容量更多受限于传输带宽，此时可通过空间复用技术提高通信链路的信道容量和频谱效率；当系统开环传输无法获得反馈的信道状态信息时（例如高速移动场景），可采用空间分集技术提高信号的传输质量。

1.2.2 LTE-Advanced（R10～R11）

2007年，世界无线电大会（The World Radio Communication Conference, WRC07）为适用于移动通信业务的新频谱进行了划分，国际电信联盟无线通信部门（The ITU Radio Communication Sector, ITU-R）开始了面向IMT-2000（International Mobile Telecom System-2000）之后的下一代移动通信系统（4G）标准的制订工作，并将其正式命名为IMT-Advanced（以下简称IMT-A）。2008年，ITU-R第5研究组国际移动通信工作组（WP5D）完成了IMT-A的最小性能需求和评估方法等的制订，并向全球标准化组织和研究机构发出了IMT-A技术标准征集的通函。为了保持标准的技术和市场竞争优势，3GPP（3rd Generation Partnership Project）于2008年4月正式开始了LTE-A（Long Term Evolution-Advanced）标准的研究和制订，于2009年正式提交ITU-R，并于2010年10月经过评估，正式成为ITU-R认可的IMT-A技术。

1.2.2.1 LTE-A的需求

为满足用户对更高速率移动互联网业务的需求，3GPP从2008年4月正式开始研究LTE-A标准，作为LTE R8/ R9的进一步演进和增强。LTE-A的主要目标是满足ITU-R与3GPP运营商对4G标准的需求，同时保持3GPP标准的技术竞争力。为此，3GPP制定的LTE-A的技术需求指标总体要高于IMT-A的指标。R8、LTE-A和IMT-A的主要需求指标对比见表1-1。

LTE-A除了要求更高的性能，还要求考虑后向兼容性，以降低运营商网络升级的成本，即R8/R9的终端能够接入LTE-A的网络。

1.2.2.2 LTE-A关键技术

如上节所述，3GPP为LTE-A制定了非常严格的技术需求。为了满足这些需求，除扩展LTE已有技术，如增加接收和发送天线的数目（下行考虑8发8收的MIMO，上行增加4发8收的MIMO）之外，还必须考虑引入其他可以进一步提高系统性能的关键技术。

LTE-A系统引入了一系列新技术以满足R10版本标准的需求，主要包括载波聚合、多天线增强技术、协作多点传输技术（Coordinated Multi-Point Transmission and Reception, CoMP）、中继技术（Relay），以及增强型小区间干扰消除技术（enhanced ICIC, eICIC）、网络自组织与自优化（Self-Organized Network, SON）、增强型广播多播服务（Evolved Multimedia Broadcast Multicast Service, eMBMS）等。R10标准完成之后，LTE-A技术仍然在不断完善，不断衍生出新的增强方案并加入到R11版本中，持续提升了LTE-A系统的性能。

（1）载波聚合

载波聚合技术是将多个频率上相邻或离散的LTE载波聚合起来使用，以提供更大的传输带宽。LTE系统的用户终端可以在每一个单独的载波上使用，而LTE-A系统的用户终端根据能力的不同，可以使用从一个载波到最多100MHz宽带的频谱进行通信。通过扩展系统和终端的工作带宽，载波聚合一方面提高了数据传输速率，另一方面也能够更高效地使用频谱资源。

（2）增强多天线技术

多天线技术的增强是满足LTE-A峰值谱效率和平均谱效率提升需求的重要途径之一。R8下行支持最大4层传输，而上行只支持单天线发送。LTE-A为提升峰值谱效率和平均频谱效率，在上下行都扩充了发射/接收支持的最大数据层数，允许下行最多8天线8层发送，上行最多4天线4层发送。

（3）协作多点传输技术

协作多点传输技术是指在相邻基站间引入协作，在协作基站之间共享信道状态信息和调度等有用信息，通过协作基站间的联合数据处理和发送，将传统的点对点/点对多点系统拓展为多点对多点的协作系统，将多个接入点信号的发送与接收进行紧密协调，可以有效降低干扰，提高系统容量，改善小区边界的覆盖和用户数据速率，对小区边界用户的性能改善十分有效。

（4）中继技术

中继就是在宏基站和移动台之间增加具有无线回传功能的中间节点（中继站），对宏基站的下行发射信号或者终端的上行发射信号进行解调和译码以及资源调度等基带处理，再重新编码、调制、再生放大后转发给终端或者宏基站，因此可以有效抑制网络干扰地抬升，提高信号传输的质量和可靠性，克服无线直放站的干扰问题。

通过在宏基站和用户终端之间加入一个中继节点，宏基站和终端之间的直传链路被分为两段：宏基站与中继之间的无线链路称为回传链路，中继与终端之间的无线链路称为接入链路。通过对中继节点进行合理的部署，拆分后的两段链路都能具有比直传链路更短的传播距离，同时传播路线中的遮挡物也能减少，使得拆分后的两段链路都具有比直传链路更好的无线传播条件和更高的传输能力。中继不但可以为蜂窝网络带来覆盖扩展等性能增强，更可以为运营商提供快速、灵活的部署，解决有线回传链路缺失的问题，满足未来网络快速部署的需求。

（5）增强型小区间干扰协调技术

增强型小区间干扰协调技术是指针对分层组网结构中部署新型低功率节点（Low Power Node）带来的各种干扰问题，引入新的干扰管控机制来降低数据信道，特别是控制信道间的干扰，以保证分层网络的系统性能。

进入4G时代，基于大功率宏基站的“同构网”无法适应用户容量爆炸性增长的需求，也无法有效解决室外热点覆盖和室内深度覆盖问题。为了满足未来网络演进对于灵活部署的要求，在3GPP中考虑分层组网结构，即在传统宏小区覆盖的条件下，引入新型低功率节点用于容量扩充。低功率节点是指较小的发射功率、较小的天线增益（5dB）和天线高度（2～10m）的基站节点，每一个低功率节点的覆盖都要远小于以往的宏基站，如微微站、Femto以及中继站等。低功率节点可与宏基站网络共存，还可共用频段，在极大地扩大系统容量的同时，这些小型化、低功率的新节点的引入使得系统拓扑结构更加复杂，从而形成一个多种类型节点共同竞争相同无线资源的分层组网环境。

（6）增强型广播多播服务

鉴于UMTS的MBMS频谱效率较低（仅为0.02～0.2（bit/s）·Hz），以及手机电视市场需求的不断升温和来自其他手机广播技术（DVB-H等）的压力，在运营商和设备商的推动下，3GPP在RAN #58次会议上对下一代无线接入网络的MBMS演进技术提出了新的需求，并设立专门的项目进行标准化的研究和制订，目标是在LTE系统中提供高频谱传输效率，在小区边缘达到1（bit/s）·Hz（相当于5MHz带宽可同时支持至少16个300kbit/s速率的移动电视频道），能够提供丰富多彩的业务支持。

1.2.3 LTE-A继续演进（R12～R13）

R12～R13版本在前期的技术上进一步演进，一方面发展提升网络速率和性能的技术，如下行多天线增强、LTE覆盖增强等；另一方面开始着手网络之间融合协同技术，如FDD-TDD载波聚合、WLAN/LTE互操作等；网络与终端协同技术如终端直连、网络辅助终端干扰消除；面向未来业务发展的新技术如低成本物联网终端等。

1.2.3.1 TDD-FDD聚合方案

TDD-FDD联合传输（TDD-FDD Joint Operation）旨在通过对TDD和FDD频谱资源的联合使用，有效提高网络容量，提升用户数据率和业务体验。该项目的两种主要场景和解决方案分别为：针对TDD-FDD共基带、同厂商部署场景的载波聚合方案（TDD-FDD CA）以及针对TDD-FDD不共基带、同厂商/异厂商部署场景的双连接方案（Dual Connectivity, DC）。

3GPP已于2014年6月顺利完成了TDD-FDD载波聚合方案的物理层标准制定，现有方案支持TDD和FDD分别做主载波（Primary Cell, Pcell），确保TDD和FDD在标准技术上对等。目前900MHz+D频段（Band 8+Band 41）载波聚合正在标准化制订过程中，预计2015年3月结项；TDD-FDD融合组网频段Band 7（2.6GHz FDD）+Band 40（E频段）载波聚合于2014年底在3GPP RAN全会立项，预计2015年6月结项。

1.2.3.2 R12 Small Cell增强

截至2014年9月，3GPP R12 Small Cell增强WI（Work Item）项目顺利结项，涉及的增强技术包括256QAM高阶调制、空中接口同步增强、动态小区开关和小区发现等，已完成标准规范的制订，为后续LTE-Hi技术的产业推动和实际应用奠定了坚实基础。近期，该项目主要在256QAM终端等级能力（UE Category）、256QAM峰值速率提升、异厂商空口同步监听、发现参考信号（Discovery RS）设计等议题取得显著进展。

256QAM高阶调制技术可提高小站稀疏部署时SINR优良区域（SINR大于25dB）的频谱效率，相比64QAM峰值速率提升约34%，平均频谱效率提升约16%。经近期标准化推动，目前微站（Micro）、微微站（Pico）和家庭基站（Femto）均已支持256QAM所要求的3.5% EVM指标，256QAM较高的峰均比对终端侧最大输入功率的射频指标要求也获得通过，并且3GPP决定引入新的终端等级能力使终端下行峰值速率达到600Mbit/s。其中，不通过256QAM功能达到600Mbit/s峰值速率的终端定义为R11终端，有利于在R11阶段实现4个20MHz载波的聚合功能，保证与FDD LTE对标；通过256QAM功能达到600Mbit/s峰值速率的终端定义为R12终端，能够有效体现256QAM功能引入对峰值速率提升的效果，保证网络性能。

此外，通过增大信道编码率进一步提升256QAM峰值速率的建议也获得通过。针对TD-LTE系统波束赋形（Beam Forming）传输模式的峰值速率低于传统FDD LTE系统MIMO预编码传输模式的问题，通过增大终端可处理的信道编码最高码率，使LTE R12版本中TD-LTE系统波束赋形传输模式的峰值速率提升4%～8%，从而与FDD LTE MIMO预编码的峰值速率相同或相近，这将有利于进一步提升未来TD-LTE网络在峰值速率方面的竞争力。

空中接口同步增强技术主要满足TD-LTE网络密集部署场景中支持多跳空中接口同步、异厂商小站空中接口同步的需求，在2014年9月召开的3GPP小组会上，通过高层信令交互及网管系统配置支持异厂商小站之间同步信息共享的提案获得一致通过，有效解决了异厂商小站之间空中接口同步监听的互通问题，可保证在密集部署环境最大3跳场景时，小站之间的空中接口同步精度达到±1.5μs以内，为TD-LTE未来小站部署提供了灵活的低成本、高可靠性同步解决方案。

动态小区开关和小区发现技术主要面向中远期Small Cell密集部署需求，通过空中接口增强实现动态的小区休眠与激活，达到降低网络能耗及干扰、负载均衡等目的，可提高频谱效率10%以上；休眠的小区周期性发送发现参考信号，用于终端的粗同步、测量、小区发现等作用。目前，发现参考信号的设计已在R12完成标准制订。

LTE-Hi各关键技术可作为独立的功能，针对不同站型分阶段和优先级引入。今后两年将是小站规模推广的机遇期，应积极引导产业界加快LTE-Hi技术产业成熟和试点验证，为小站规模推广应用之后LTE-Hi技术的试商用做好准备，充分发挥TDD的技术优势和频谱优势。

1.2.3.3 异厂商基站间协作

多小区协作增强（enhanced CoMP, eCoMP）的标准化需求源自NGMN（Next Generation Mobile Networks）中的“无线接入网演进”项目，旨在解决运营商部署不同厂商基站非理想回传条件下的小区间协作问题，通过基站间交互有限的信令支持多个小区间的信号协作调度，从而降低小区间干扰。

全球14家主流运营商向3GPP输出了有关eCoMP标准化的共同需求，推动3GPP RAN1第76次会议上就eCoMP信令方案达成一致。该信令方案可同时支持集中式和分布式协作（如图1-2所示），运营商可根据实际网络架构，灵活地选择协作方案。后续eCoMP具体的信令形式将在RAN3中进一步讨论确定。

此前，同厂商基站间协作试验结果表明CoMP可有效抑制小区间干扰，提升边缘用户速率50%～100%。eCoMP标准化将进一步拓展CoMP应用在异厂商部署的场景，为运营商提供更灵活的CoMP应用方式，提升网络整体性能。

1.2.3.4 终端侧干扰删除技术

目前，基站侧的干扰抑制功能已经大幅增强，如提升边缘用户性能的基站间协作传输和异构网干扰协调等，制约系统性能的关键因素在于终端产品的实现能力。为了提高整网性能，进一步降低小区间干扰的影响，3GPP R12开展了终端侧干扰删除技术（Network Assisted Interference Cancellation and Suppression, NAICS）的标准化工作。

NAICS技术的基本思想是利用终端侧的先进接收机，估计出邻小区干扰并将其删除，以达到降低邻小区干扰的目的。NAICS技术的最大特点在于邻小区干扰的部分特性可通过基站侧下发给终端，从而在有限终端复杂度的限制下能够实现更为先进的接收机算法，大幅提升干扰删除的性能，更好地消除小区间/小区内干扰的影响，大幅提升系统性能。如图1-3所示。

NAICS接收机分为线性和非线性两大类，其中线性接收机利用网络侧信令通知的干扰信息估计干扰信道，可提升接收机性能约2dB；非线性接收机进一步重构并删除干扰信号，在特定场景下可带来约10dB的接收性能提升。

3GPP R12于2013年3月启动NAICS研究项目，该项目确定了NAICS的应用场景，完成了接收机建模、盲检性能和复杂度评估等工作。经过一年的研究与评估，NAICS的WI（Work Item）项目顺利在2014年3月立项，开始进行盲检测可行性分析、网络侧辅助信令、CSI反馈等空口信令的标准化。截至2014年6月，经过两次小组会的讨论，NAICS的标准化工作取得了显著进展，明确了大部分邻区干扰参数的获取方案：包括盲检的可行性和需要网络侧辅助的信令设计。为保证2端口CRS的NAICS技术的标准化尽快完成和推动终端产品成熟，在标准中建议对NAICS的UE能力划分为两类：2端口CRS和4端口CRS。

1.2.3.5 多制式协同管理（MRM）技术

多张网络同时运营是当前运营商普遍存在的现状，但多种制式的网络之间缺乏统一的部署和协调管理。多制式协同管理（Multi-RAT Management, MRM）技术的研究主要针对网络运营效率、用户体验、资源的充分利用等方面进行优化和提高。如图1-4所示。现阶段，该技术主要对3GPP网内与WLAN网间的网络分流以及频谱重分配等方面开展研究。

截至2014年6月，共完成了两次3GPP会议讨论，取得了积极的进展。讨论围绕部署场景、应用需求和方案可行性等维度，针对3GPP内部多制式协同、3GPP与WLAN间协同和3GPP制式间频谱动态使用等三大技术点开展，目前已完成应用需求的分析讨论，项目场景讨论正在进行。其中，与WLAN间协同的吞吐量检测场景以及频谱重分配的场景写入了3GPP研究报告。

1.2.3.6 3D-MIMO

3D-MIMO是LTE-A多天线技术后续演进的重要技术方向，相比普通智能天线只能在水平方向改变波束的指向，3D-MIMO天线可以在水平和垂直两个方向实现灵活的波束调整。3D-MIMO不仅可以进行更精确的波束赋形，提升终端接收信号能量和改善覆盖，还可以同时同频服务更多的用户，极大地提升系统容量。

3D-MIMO研究项目于2014年9月RAN #65全会正式立项，该项目的目标是基于三维信道模型的研究成果，评估3D-MIMO在典型应用场景下的系统性能与增益，并研究3D-MIMO的传输和反馈增强方案。其发展规划如图1-5所示。