一、标準化組織
無線通信技術的演進離不開一些标準化組織。
1、itu(international telecommunication union)
國際電信聯盟，主要任務是制定标準，配置設定無線頻譜資源，組織各個國家之間的國際長途互連方案，成立于1865年5月17日，是世界上最悠久的國際組織。
2、3gpp(3rd generation partnership project)
第三代合作夥伴計劃，成立于1998年12月，目标是在itu的imt-2000計劃範圍内制訂和實作全球性的第三代行動電話系統規範。它緻力于gsm到wcdma的演化，雖然gsm到wcdma空中接口差别很大，但是其核心網采用了gprs的架構，是以仍然保持一定的延續性。3gpp基本每一年出台一個版本(release)，目前最新的版本是release 13。歐洲etsi、美國atis、日本ttc和arib、南韓tta以及我國ccsa是3gpp的6個組織夥伴。
3、3gpp2(3rd generation partnership project 2)
第三代合作夥伴計劃2，與3gpp幾乎同時成立，由美國tia、日本的arib、日本的ttc、南韓的tta四個标準化組織發起，中國無線通信标準研究組(cwts)于1999年6月在南韓正式簽字加入3gpp2。其主要緻力于從2g的is-95到3g的cdma2000标準體系演進，得到擁有多項cdma關鍵技術專利的高通公司的較多支援。
3gpp和3gpp2兩者實際上存在一定競争關系，3gpp2緻力于以is-95(在北美和南韓應用廣泛的cdma标準)向3g過渡，和高通公司關系更加緊密。與之對應的3gpp緻力于從gsm向wcdma過渡，是以兩個機構存在一定競争。
4、ieee(institute of electrical and electronics engineers)
電氣電子工程師學會，作為it領域學術界的老大，在無線通信标準方面主要制訂了大名鼎鼎的wifi協定以及wimax協定，并力推wimax作為3g标準。
各個組織的關系可以概括為：
在itu協調下，滿足一定需求的移動通信技術統稱為“imt家族”(international mobile telecommunications family)，itu為這些技術配置設定相應的頻譜資源。從技術和标準的角度看，後面三個組織負責标準制定，來滿足imt的需求，不斷地對無線通信系統進行完善。如下圖所示。
就中國來說，圖中3gpp的演進路線包括了移動和聯通從2g、3g到4g的演進過程，而3gpp2則代表了電信的演進過程。
在3gpp标準的演進過程中，2g時代的gsm/gprs/edge主要基于時分多址(tdma)和頻分多址(fdma)接入技術;3g時代主要是碼分多址接入(cdma)技術;最後，lte采用了正交頻分複用多址接入(ofdma)技術。目前，ofdm在無線通信标準的演進中已經起到主導作用。
二、lte基本需求
lte标準化流程始于2004年11月在多倫多召開的一次研讨會上，當時參與移動通信業務開發的許多公司，都闡述了他們關于3gpp所推進的技術規範未來演進的設想，主要包括基本需求和滿足需求的适當技術。
具體需求可概括為：
減少時延，包括連接配接建立和傳輸兩個方面;
提高使用者資料傳輸速率;
為保證業務的一緻性，提高小區邊緣使用者的比特率;
降低每比特成本，提高頻譜效率;
提高頻譜使用的靈活性;
簡化網絡結構;
無縫移動性，包括不同的無線接入技術之間;
實作移動終端的合理功耗。
為了滿足這些需求，lte系統設計涵蓋了無線接口和無線網絡架構兩個方面。
在lte的第一個版本也就是release 8中，對這些需求進行了定性的描述，比如下行峰值速率100 mbit/s，上行峰值速率50 mbit/s，下行峰值頻譜效率5 bit/s/hz，上行峰值頻譜效率5 bit/s/hz等。具體的性能見下表：
需要說明的是，峰值速率也許并不是一個關鍵的因素，隻是一個理論上的值，實際中僅僅是營運商宣傳的噱頭。
理論上，峰值速率定義為：把整個帶寬都配置設定給一個使用者，并采用最高階調制和編碼方案以及最多天線數目前提下每個使用者所能達到的最大吞吐量。在release 8中對天線數的基本假設是終端具有兩根接收天線和一根發射天線。所有這些條件對于一個使用者來說幾乎不可能同時滿足，峰值速率也就沒有太大的實際意義了。
三、lte關鍵技術
ofdm
ofdm之于lte就像是cdma之于三大3g标準，是lte系統的基礎和核心。除了技術演進的需求之外，lte之是以會選擇ofdm的另一個原因在于3gpp想避開高通公司高昂的cdma專利費用，且已經有ieee的wimax作為ofdm的領航者。
ofdm系統參數設定對整個系統的性能會産生決定性的影響，其中載波間隔又是ofdm系統的最基本參數，經過理論分析與仿真比較最終确定為15khz。循環字首(cp)的長度決定了ofdm系統的抗多徑能力和覆寫能力。長cp利于克服多徑幹擾，支援大範圍覆寫，但系統開銷也會相應增加，導緻資料傳輸能力下降。為了達到小區半徑100km的覆寫要求，lte系統采用長短兩套循環字首方案，根據具體場景進行選擇：短cp方案為基本選項，長cp方案用于支援lte大範圍小區覆寫和多小區廣播業務。
mimo
使用多天線技術，可以把空間域作為另一個新資源。在追求更高的頻譜效率的要求下，多天線技術已經成為最基本的解決方案之一。
多天線技術可以帶來下圖所示的三種基本增益：
(a) 分集增益：利用多天線帶來的空間分集來改善多徑衰落情況下傳輸的健壯性。
(b) 陣列增益：通過預編碼或者波束成形使能量集中在一個或者多個方向。
(c) 空間複用增益：在可用天線組合所建立的多重空間層上，将多個信号流傳輸給單個使用者。
lte已确定mimo天線個數的基本配置是下行2×2、上行1×2，但也在考慮4×4的高階天線配置。另外，lte也采用小區幹擾抑制技術來改善小區邊緣的資料速率和系統容量。下行方向mimo方案相對較多，根據2006年3月雅典會議報告，lte-mimo下行方案可分為兩大類：發射分集和空間複用兩大類。目前，考慮采用的發射分集方案包括塊狀編碼傳送分集(stbc,sfbc)，時間(頻率)轉換發射分集(tstd，fstd)，包括循環延遲分集(cdd)在内的延遲分集(作為廣播信道的基本方案)，基于預編碼向量選擇的預編碼技術。其中預編碼技術已被确定為多使用者mimo場景的傳送方案。
四、lte演進過程
lte的第一個版本(release 8)在2007年12月完成，第一個商用網絡于2009年在北歐部署。目前為止，3gpp共釋出了6個版本，分别為release 8到release 13，
release 8 - lte 初出茅廬
lte最初為3gpp r8，r8主要定義了以下内容：
1)高峰值資料速率：下行100 mbps，上行50 mbps;
2)高頻譜效率;
3)靈活帶寬：1.4 mhz, 3 mhz, 5 mhz, 10 mhz, 15 mhz and 20 mhz;
4)ip資料包在理想無線條件下時延為5毫秒;
5)簡化網絡架構;
6)ofdma下行和sc-fdma上行;
7)全ip網絡;
8)mimo多天線方案;
9)成對(fdd)和非成對頻譜(tdd)。
release 9 - 增強型lte
r9是最初的lte增強版，隻是對r8做了一些補充，以及基于r8做了一些小小的改進。主要内容包括：
1)pws(public warning system，公共預警系統)： 在自然災害或其它危急情況下，公衆應該能及時收到準确的警報。加上r8引入的ewts(地震海嘯預警系統)，r9引入了cmas(商用手機預警系統)，以便在災後電視、廣播信号和電力等中斷的情況，該預警系統仍能夠以短信的方式及時向居民通報情況。
2)femto cell： femto cell基本上用于辦公室或家中，并通過固話寬帶連接配接連接配接到營運商網絡。3g femto cell被部署于世界各地，為了讓lte使用者也能用上femto cell，r9引入了femto cell。
3)mimo波束賦型：在enb估算位置，直接将波束指向ue，波束賦形可以提升小區邊緣吞吐率，在r8，lte隻支援單層波束賦形，r9将之擴充至多層波束賦形。
4)自組織網絡(son)： 為了減少人力成本，son的意思是，網絡自安裝、自優化、自修複。son的概念在r8就引入，不過，當時主要是針對enb自配置，到了r9，根據需求增加了自優化部分。
5)embms：有了多媒體廣播多點傳播業務(mbms)，營運商可以通過lte網絡提供廣播服務。雖然這一想法并不新穎，廣播服務早已運用于傳統網絡，但lte中的mbms信道是從資料速率和容量的角度發展而來。r8完成了在實體層對mbms的定義，r9完成了更高層的定義。
6)lte定位： r9定義了三種lte定位方法，即a-gps(輔助gps)、otdoa(到達時間差定位法)和e-cid(增強型小區id)。主要目的是為了在緊急情況下，且使用者無法确定自己位置的情況下，提升使用者位置資訊的準确性。
release 10 - lte advanced
r10屬于lte-a标準。由于itu imt-advanced提出了r8無法實作的更高速率要求，為此，r10提出了很多重要的功能和提升。
itu imt-advanced提出的主要需求包括：
1 gbps dl / 500 mbps ul 吞吐率
高頻譜效率
全球漫遊
r10主要新增内容包括：
1)增強型上行鍊路多址(enhanced uplink multiple access)： r10引入了分簇單載波頻分多址(clustered sc-fdma)。r8的sc-fdma隻允許頻譜連續塊，而r10允許頻率選擇性排程。
2)mimo增強： lte_a允許下行高達8×8 mimo，在ue側，它允許上行4x4mimo。
3)中繼節點(relay nodes)： 在弱覆寫環境下，relay nodes或低功率enb擴充了主enb的覆寫範圍，relay nodes通過un接口連接配接到donor enb (denb)。
4)增強型小區間幹擾協調(eicic)：eicic主要應付異構網絡(hetnet)下的幹擾問題， eicic使用功率、頻率或時域來減小hetnet下的頻率幹擾。
5)載波聚合(ca)：對于營運商來說，載波聚合是最低成本的辦法去利用他們手上的碎片頻譜資源來提升終端使用者速率。通過合并5個20mhz載波，lte-a支援最高100mhz載波聚合。
6)支援異構網絡(hetnet)： 宏蜂窩小區和small cell結合而組成異構網絡。
7)增強型son： 針對網絡自修複流程，r10提出了增強型son。
release 11 - 增強型 lte advanced
r11主要内容包括：
1)增強型載波聚合：
多時間提前量(tas)用于上行鍊路載波聚合
非連續的帶内載波聚合
為支援tdd lte載波聚合，實體層的變化
2)協作多點傳輸(comp)：是指地理位置上分離的多個傳輸點，協同參與為一個終端的資料(pdsch)傳輸或者聯合接收一個終端發送的資料(pusch)。
3)epdcch： 為了提升控制信道容量，r11引入了epdcch。epdcch使用pdsch資源傳送控制資訊，而不像r8的pdcch隻能使用子幀的控制區。
4)基于網絡的定位： 這是一種上行定位技術，其原理是基于enb測量的參考信号的時間差來實作。
5)最小化路測(mdt)： 路測費用是昂貴的。為了減少對路測的依賴，r11推出了新的解決方案，它是獨立于son，mdt基本上依賴于ue提供的資訊。
6)機對機通信的ran過載控制(ran overload control for machine type communication)：當過多裝置接入網絡時，網絡可以禁止一些裝置向網絡發送連接配接請求。
7)in device co existence：移動終端裝置通常有多個射頻通路，比如lte，3g，藍牙，wlan等， 為了減輕多路并存帶來的幹擾，r11提出了如下解決方案：
基于drx時域解決方案
頻域解決方案
ue自主否認
8)智能手機電池節能技術： ue可以通知網絡是否需要進入省電模式或普通模式，根據ue的請求，網絡可以修改drx參數。
release 12 - 更強的增強型 lte advanced
1)增強型small cell： 主要内容包括密集區域部署small cell，宏小區和small cell之間的載波聚合等。
2)增強型載波聚合： r12允許tdd和fdd之間載波聚合，還允許3載波聚合。
3)機器對機器通信(mtc)：未來幾年内，機器對機器通信可能會爆發性增長，很可能會引起網絡信令、容量不足的問題。為了應付這種情況，新的ue category被定義，作為對mtc的進一步優化。
4)wifi和lte融合： lte和wifi之間融合，營運商可以更好管理wifi。在r12中，提出了lte和wifi之間的流量轉移和網絡選擇機制。
5)lte未授權頻譜(lte-u)： 豐富的未授權頻譜資源，可以增加營運商網絡容量和性能。
release 13 - 滿足不斷增長的流量需求
1)增強型載波聚合： r13的目标是支援32 cc 載波聚合，而在r10中，僅支援5 cc。
2)增強型機對機通信(mtc)： 更低的ue category，進一步減少物聯網裝置使用帶寬、能耗，延長裝置電池使用時間。
3)增強型lte-u： 為了面向高增長的流量需求，r13的目标是，主小區使用授權頻譜，從小區使用未授權頻譜。
4)室内定位： r13将緻力于提升現有的室内定位技術，也探索新的定位方法，提高室内定位的準确性
5)增強的多使用者傳輸技術： r13将采用疊加編碼來提升下行多使用者傳輸技術。
6)增強型mimo： r13将緻力于多達64天線端口的更高階mimo系統。
作者：drunkevil
來源：51cto