一、標准化組織
無線通信技術的演進離不開一些標准化組織。
1、ITU（International Telecommunication Union）
國際電信聯盟，主要任務是制定標准，分配無線頻譜資源，組織各個國家之間的國際長途互連方案，成立於1865年5月17日，是世界上最悠久的國際組織。
2、3GPP（3rd Generation Partnership Project）
第三代合作伙伴計划，成立於1998年12月，目標是在ITU的IMT-2000計划范圍內制訂和實現全球性的第三代移動電話系統規范。它致力於GSM到WCDMA的演化，雖然GSM到WCDMA空中接口差別很大，但是其核心網采用了GPRS的框架，因此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、韓國TTA以及我國CCSA是3GPP的6個組織伙伴。
3、3GPP2（3rd Generation Partnership Project 2）
第三代合作伙伴計划2，與3GPP幾乎同時成立，由美國TIA、日本的ARIB、日本的TTC、韓國的TTA四個標准化組織發起，中國無線通信標准研究組（CWTS）於1999年6月在韓國正式簽字加入3GPP2。其主要致力於從2G的IS-95到3G的CDMA2000標准體系演進，得到擁有多項CDMA關鍵技術專利的高通公司的較多支持。
3GPP和3GPP2兩者實際上存在一定競爭關系，3GPP2致力於以IS-95(在北美和韓國應用廣泛的CDMA標准)向3G過渡，和高通公司關系更加緊密。與之對應的3GPP致力於從GSM向WCDMA過渡，因此兩個機構存在一定競爭。
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，在無線通信標准方面主要制訂了大名鼎鼎的WiFi協議以及WiMAX協議，並力推WiMAX作為3G標准。
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為這些技術分配相應的頻譜資源。從技術和標准的角度看，后面三個組織負責標准制定，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標准的演進過程中，2G時代的GSM/GPRS/EDGE主要基於時分多址（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；最后，LTE采用了正交頻分復用多址接入（OFDMA）技術。目前，OFDM在無線通信標准的演進中已經起到主導作用。
二、LTE基本需求
LTE標准化流程始於2004年11月在多倫多召開的一次研討會上，當時參與移動通信業務開發的許多公司，都闡述了他們關於3GPP所推進的技術規范未來演進的設想，主要包括基本需求和滿足需求的適當技術。
具體需求可概括為：
- 減少時延，包括連接建立和傳輸兩個方面；
- 提高用戶數據傳輸速率；
- 為保證業務的一致性，提高小區邊緣用戶的比特率；
- 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；
- 實現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，峰值速率也許並不是一個關鍵的因素，只是一個理論上的值，實際中僅僅是運營商宣傳的噱頭。
理論上，峰值速率定義為：把整個帶寬都分配給一個用戶，並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用戶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。所有這些條件對於一個用戶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之於LTE就像是CDMA之於三大3G標准，是LTE系統的基礎和核心。除了技術演進的需求之外，LTE之所以會選擇OFDM的另一個原因在於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產生決定性的影響，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確定為15kHz。循環前綴(CP)的長度決定了OFDM系統的抗多徑能力和覆蓋能力。長CP利於克服多徑干擾，支持大范圍覆蓋，但系統開銷也會相應增加，導致數據傳輸能力下降。為了達到小區半徑100Km的覆蓋要求，LTE系統采用長短兩套循環前綴方案，根據具體場景進行選擇：短CP方案為基本選項，長CP方案用於支持LTE大范圍小區覆蓋和多小區廣播業務。
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) 空間復用增益：在可用天線組合所建立的多重空間層上，將多個信號流傳輸給單個用戶。
LTE已確定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也采用小區干擾抑制技術來改善小區邊緣的數據速率和系統容量。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：發射分集和空間復用兩大類。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)在內的延遲分集(作為廣播信道的基本方案)，基於預編碼向量選擇的預編碼技術。其中預編碼技術已被確定為多用戶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，第一個商用網絡於2009年在北歐部署。目前為止，3GPP共發布了6個版本，分別為Release 8到Release 13，
Release 8 - LTE 初出茅廬
LTE最初為3GPP R8，R8主要定義了以下內容：
1）高峰值數據速率：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數據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，只是對R8做了一些補充，以及基於R8做了一些小小的改進。主要內容包括：
1）PWS（Public Warning System，公共預警系統）： 在自然災害或其它危急情況下，公眾應該能及時收到准確的警報。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），以便在災后電視、廣播信號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基本上用於辦公室或家中，並通過固話寬帶連接連接到運營商網絡。3G Femto Cell被部署於世界各地，為了讓LTE用戶也能用上Femto Cell，R9引入了Femto Cell。
3）MIMO波束賦型：在eNB估算位置，直接將波束指向UE，波束賦形可以提升小區邊緣吞吐率，在R8，LTE只支持單層波束賦形，R9將之擴展至多層波束賦形。
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、自修復。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：有了多媒體廣播多播業務（MBMS），運營商可以通過LTE網絡提供廣播服務。雖然這一想法並不新穎，廣播服務早已運用於傳統網絡，但LTE中的MBMS信道是從數據速率和容量的角度發展而來。R8完成了在物理層對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，且用戶無法確定自己位置的情況下，提升用戶位置信息的准確性。
Release 10 - LTE Advanced
R10屬於LTE-A標准。由於ITU IMT-Advanced提出了R8無法實現的更高速率要求，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
- 全球漫游
R10主要新增內容包括：
1）增強型上行鏈路多址（Enhanced Uplink multiple access）： R10引入了分簇單載波頻分多址（clustered SC-FDMA）。R8的SC-FDMA只允許頻譜連續塊，而R10允許頻率選擇性調度。
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）： 在弱覆蓋環境下，Relay Nodes或低功率enb擴展了主eNB的覆蓋范圍，Relay Nodes通過Un接口連接到Donor eNB (DeNB)。
4）增強型小區間干擾協調（eICIC）：eICIC主要應付異構網絡（HetNet）下的干擾問題， eICIC使用功率、頻率或時域來減小HetNet下的頻率干擾。
5）載波聚合（CA）：對於運營商來說，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用戶速率。通過合並5個20MHz載波，LTE-A支持最高100MHz載波聚合。
6）支持異構網絡（HetNet）： 宏蜂窩小區和small cell結合而組成異構網絡。
7）增強型SON： 針對網絡自修復流程，R10提出了增強型SON。
Release 11 - 增強型 LTE Advanced
R11主要內容包括：
1）增強型載波聚合：
- 多時間提前量（TAS）用於上行鏈路載波聚合
- 非連續的帶內載波聚合
- 為支持TDD LTE載波聚合，物理層的變化
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數據(PDSCH)傳輸或者聯合接收一個終端發送的數據(PUSCH)。
3）ePDCCH： 為了提升控制信道容量，R11引入了ePDCCH。ePDCCH使用PDSCH資源傳送控制信息，而不像R8的PDCCH只能使用子幀的控制區。
4）基於網絡的定位： 這是一種上行定位技術，其原理是基於eNB測量的參考信號的時間差來實現。
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，它是獨立於SON，MDT基本上依賴於UE提供的信息。
6）機對機通信的Ran過載控制（Ran overload control for Machine type communication）：當過多設備接入網絡時，網絡可以禁止一些設備向網絡發送連接請求。
7）In Device Co Existence：移動終端設備通常有多個射頻通路，比如LTE，3G，藍牙，WLAN等， 為了減輕多路並存帶來的干擾，R11提出了如下解決方案：
- 基於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： 主要內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）：未來幾年內，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，運營商可以更好管理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，可以增加運營商網絡容量和性能。
Release 13 - 滿足不斷增長的流量需求
1）增強型載波聚合： R13的目標是支持32 CC 載波聚合，而在R10中，僅支持5 CC。
2）增強型機對機通信（MTC）： 更低的UE category，進一步減少物聯網設備使用帶寬、能耗，延長設備電池使用時間。
3）增強型LTE-U： 為了面向高增長的流量需求，R13的目標是，主小區使用授權頻譜，從小區使用未授權頻譜。
4）室內定位： R13將致力於提升現有的室內定位技術，也探索新的定位方法，提高室內定位的准確性
5）增強的多用戶傳輸技術： R13將采用疊加編碼來提升下行多用戶傳輸技術。
6）增強型MIMO： R13將致力於多達64天線端口的更高階MIMO系統。
作者：drunkevil
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