1.1.3 4G的發展歷程

為了應對寬帶接入技術的挑戰，同時為了滿足新型業務需求，3GPP標準組織在2004年底啟動了長期演進（Long Term Evolution，LTE）技術（也稱為Evolved UTRAN，E-UTRAN）和系統架構演進（System Architecture Evolution，SAE）的標準化工作。在LTE系統設計之初，其目標和需求就已非常明確。

·帶寬

支持1.4MHz、3MHz、5MHz、10MHz、15MHz、20MHz的信道帶寬，支持成對的和非成對的頻譜。

·用戶面時延

系統在單用戶、單流業務以及小IP包的條件下，單向用戶面時延小于5ms。

·控制面時延

空閑態到激活態的轉換時間小于100ms。

·峰值速率

下行峰值速率達到100Mbit/s（2天線接收）、上行峰值速率達到50Mbit/s（1天線發送），頻譜效率達到3GPP Rel-6的2～4倍。

·移動性

在低速（0～15km/h）的情況下，其性能最優；遇到高速移動（15～120km/h）的情況，仍支持較高的性能；系統在120～350km/h的移動速度下，依然可用。

·系統覆蓋

在小區半徑5km的情況下，系統吞吐量、頻譜效率和移動性等指標符合需求定義要求；小區半徑在30km的情況下，上述指標略有降低；系統能夠支持100km的小區。

2008年12月，3GPP組織正式發布了LTE Rel-8版本，它定義了LTE的基本功能。

在無線接入網架構方面，為了達到簡化流程和縮短時延的目的，E-UTRAN舍棄了UTRAN傳統的RNC/NodeB兩層結構，完全由多個eNodeB（簡稱eNB）的一層結構組成，E-UTRAN的網絡架構如圖1-7所示。eNodeB之間在邏輯上通過X2接口互相連接，也就是通常所說的Mesh型網絡，可以有效地支持UE在整個網絡內的移動性，保證用戶的無縫切換。每個eNodeB通過S1接口與MME/S-GW相連接，1個eNodeB可以與多個MME/S-GW互聯。與UTRAN系統相比，E-UTRAN將NodeB和RNC融合為一個網元eNodeB。因此系統中將不再存在Iub接口，而X2接口類似于UTRAN系統中的Iur接口，S1接口類似于UTRAN系統中的Iu接口。

eNodeB是在UMTS系統NodeB原有的功能基礎上，增加了RNC的物理層、MAC層、RRC層，以及調度、接入控制、承載控制、移動性管理和小區間無線資源管理等功能。也就是說，eNodeB實現了接入網的全部功能。MME/S-GW則可以看成一個邊界節點，作為核心網的一部分，類似UMTS的SGSN。

E-UTRAN無線接入網的結構可以帶來的好處體現在以下3個方面。

（1）網絡扁平化使系統的時延減少，從而改善了用戶體驗，可開展更多業務。

（2）網元數目減少，使網絡部署更為簡單，網絡維護更加容易。

（3）取消了RNC的集中控制，避免單點故障，有利于提高網絡穩定性。

在物理層方面，LTE系統同時定義了頻分雙工（FDD）和時分雙工（TDD）兩種方式。

LTE下行傳輸方案采用傳統的帶循環前綴（Cyclic Prefix，CP）的OFDM，每個子載波間隔是15kHz（MBMS也支持7.5kHz），下行數據主要采用QPSK、16QAM、64QAM這3種調制方式，業務信道以Turbo編碼為基礎，控制信道以卷積碼為基礎。MIMO被認為是達到用戶平均吞吐量和頻譜效率要求的最佳技術，是LTE提高系統效率的最主要手段。下行MIMO天線的基本配置為：基站側有2個發射天線，UE側有2個接收天線，即2×2的天線配置。

LTE的上行傳輸方案采用帶循環前綴的峰均比較低的單載波FDMA（Single CarrierFDMA，SC-FDMA），使用DFT獲得頻域信號，然后插入零符號進行擴頻，擴頻信號再通過IFFT，這個過程也簡寫為DFT擴頻的OFDM（DFT Spread OFDM，DFT-S-OFDM）。上行調制主要采用QPSK、16QAM、64QAM。上行信道編碼與下行相同。上行單用戶MIMO天線的基本配置為：UE側有1個發射天線，eNodeB有2個接收天線，上行虛擬MIMO技術也被LTE采納，作為提高小區邊緣數據速率和系統性能的主要手段。

Rel-8和Rel-9是LTE的基礎，提供了高能力的移動寬帶標準，為了滿足新的需求和期望，在Rel-8/Rel-9版本的基礎上，LTE又進行了額外的增強，并增加了一些新的特征，LTE版本的演進如圖1-8所示。

Rel-10版本在2010年底完成，標志著LTE演進的開始，Rel-10無線接入技術完全滿足IMT-Advanced的需求，因此Rel-10及其后的版本也被命名為LTE-Advanced，簡稱LTE-A。Rel-10支持的新特征包括載波聚合（Carrier Aggregation，CA）、中繼（Relay）、異構網絡（Heterogeneous Network，HN），同時對MIMO技術也進行了增強。

Rel-11版本進一步擴展了LTE的性能和能力，在2012年年底凍結，Rel-11支持的新特征包括協作多點（Coordinated Multiple Point，CoMP）傳輸和接收，引入了新的控制信道ePDDCH，支持跨制式（即FDD和TDD）的載波聚合。

Rel-12版本在2014年完成，主要聚焦在小基站（small cell）的特征。例如，雙連接、小基站開/關、動態（或半動態）TDD技術，引入了終端直連（Device-to-Device，D2D）通信和低復雜度的機器類通信（Machine Type Communications，MTC）。

Rel-13版本在2015年凍結，標志著LTE Advanced Pro的開始。在某些時候，Rel-13也被稱為4.5G技術，被認為是第一個LTE版本和5G NR空口的中間技術。作為對授權頻譜的補充，Rel-13引入了授權頻譜輔助接入（License Assisted Access，LAA）以支持非授權頻譜，改善了對機器類通信的支持（即eMTC和NB-IoT），同時在載波聚合、多天線傳輸、D2D通信等方面進行了增強。

Rel-14版本在2017年第一季度完成，除了在非授權頻譜等方面對前面的版本進行增強外，Rel-14支持車輛對車輛（Vehicle-to-Vehicle，V2V）通信和車輛對任何事（Vehicleto-everything，V2X）通信，以及使用較小的子載波間隔以支持廣域廣播通信。

Rel-15版本在2018年年中完成，減少時延（即短TTI）和無人機通信是Rel-15的兩個主要特征。

總之，除了傳統的移動寬帶用戶案例（Use Case）外，后續版本的LTE也在支持新的用戶案例并且在未來繼續演進。LTE支持的用戶案例也是5G的重要組成部分，LTE支持的功能仍然是非常重要的，同時也是5G無線接入的非常重要的組成部分。