1.1.3 4G的发展历程

为了应对宽带接入技术的挑战，同时为了满足新型业务需求，3GPP标准组织在2004年底启动了长期演进（Long Term Evolution，LTE）技术（也称为Evolved UTRAN，E-UTRAN）和系统架构演进（System Architecture Evolution，SAE）的标准化工作。在LTE系统设计之初，其目标和需求就已非常明确。

·带宽

支持1.4MHz、3MHz、5MHz、10MHz、15MHz、20MHz的信道带宽，支持成对的和非成对的频谱。

·用户面时延

系统在单用户、单流业务以及小IP包的条件下，单向用户面时延小于5ms。

·控制面时延

空闲态到激活态的转换时间小于100ms。

·峰值速率

下行峰值速率达到100Mbit/s（2天线接收）、上行峰值速率达到50Mbit/s（1天线发送），频谱效率达到3GPP Rel-6的2～4倍。

·移动性

在低速（0～15km/h）的情况下，其性能最优；遇到高速移动（15～120km/h）的情况，仍支持较高的性能；系统在120～350km/h的移动速度下，依然可用。

·系统覆盖

在小区半径5km的情况下，系统吞吐量、频谱效率和移动性等指标符合需求定义要求；小区半径在30km的情况下，上述指标略有降低；系统能够支持100km的小区。

2008年12月，3GPP组织正式发布了LTE Rel-8版本，它定义了LTE的基本功能。

在无线接入网架构方面，为了达到简化流程和缩短时延的目的，E-UTRAN舍弃了UTRAN传统的RNC/NodeB两层结构，完全由多个eNodeB（简称eNB）的一层结构组成，E-UTRAN的网络架构如图1-7所示。eNodeB之间在逻辑上通过X2接口互相连接，也就是通常所说的Mesh型网络，可以有效地支持UE在整个网络内的移动性，保证用户的无缝切换。每个eNodeB通过S1接口与MME/S-GW相连接，1个eNodeB可以与多个MME/S-GW互联。与UTRAN系统相比，E-UTRAN将NodeB和RNC融合为一个网元eNodeB。因此系统中将不再存在Iub接口，而X2接口类似于UTRAN系统中的Iur接口，S1接口类似于UTRAN系统中的Iu接口。

eNodeB是在UMTS系统NodeB原有的功能基础上，增加了RNC的物理层、MAC层、RRC层，以及调度、接入控制、承载控制、移动性管理和小区间无线资源管理等功能。也就是说，eNodeB实现了接入网的全部功能。MME/S-GW则可以看成一个边界节点，作为核心网的一部分，类似UMTS的SGSN。

E-UTRAN无线接入网的结构可以带来的好处体现在以下3个方面。

（1）网络扁平化使系统的时延减少，从而改善了用户体验，可开展更多业务。

（2）网元数目减少，使网络部署更为简单，网络维护更加容易。

（3）取消了RNC的集中控制，避免单点故障，有利于提高网络稳定性。

在物理层方面，LTE系统同时定义了频分双工（FDD）和时分双工（TDD）两种方式。

LTE下行传输方案采用传统的带循环前缀（Cyclic Prefix，CP）的OFDM，每个子载波间隔是15kHz（MBMS也支持7.5kHz），下行数据主要采用QPSK、16QAM、64QAM这3种调制方式，业务信道以Turbo编码为基础，控制信道以卷积码为基础。MIMO被认为是达到用户平均吞吐量和频谱效率要求的最佳技术，是LTE提高系统效率的最主要手段。下行MIMO天线的基本配置为：基站侧有2个发射天线，UE侧有2个接收天线，即2×2的天线配置。

LTE的上行传输方案采用带循环前缀的峰均比较低的单载波FDMA（Single CarrierFDMA，SC-FDMA），使用DFT获得频域信号，然后插入零符号进行扩频，扩频信号再通过IFFT，这个过程也简写为DFT扩频的OFDM（DFT Spread OFDM，DFT-S-OFDM）。上行调制主要采用QPSK、16QAM、64QAM。上行信道编码与下行相同。上行单用户MIMO天线的基本配置为：UE侧有1个发射天线，eNodeB有2个接收天线，上行虚拟MIMO技术也被LTE采纳，作为提高小区边缘数据速率和系统性能的主要手段。

Rel-8和Rel-9是LTE的基础，提供了高能力的移动宽带标准，为了满足新的需求和期望，在Rel-8/Rel-9版本的基础上，LTE又进行了额外的增强，并增加了一些新的特征，LTE版本的演进如图1-8所示。

Rel-10版本在2010年底完成，标志着LTE演进的开始，Rel-10无线接入技术完全满足IMT-Advanced的需求，因此Rel-10及其后的版本也被命名为LTE-Advanced，简称LTE-A。Rel-10支持的新特征包括载波聚合（Carrier Aggregation，CA）、中继（Relay）、异构网络（Heterogeneous Network，HN），同时对MIMO技术也进行了增强。

Rel-11版本进一步扩展了LTE的性能和能力，在2012年年底冻结，Rel-11支持的新特征包括协作多点（Coordinated Multiple Point，CoMP）传输和接收，引入了新的控制信道ePDDCH，支持跨制式（即FDD和TDD）的载波聚合。

Rel-12版本在2014年完成，主要聚焦在小基站（small cell）的特征。例如，双连接、小基站开/关、动态（或半动态）TDD技术，引入了终端直连（Device-to-Device，D2D）通信和低复杂度的机器类通信（Machine Type Communications，MTC）。

Rel-13版本在2015年冻结，标志着LTE Advanced Pro的开始。在某些时候，Rel-13也被称为4.5G技术，被认为是第一个LTE版本和5G NR空口的中间技术。作为对授权频谱的补充，Rel-13引入了授权频谱辅助接入（License Assisted Access，LAA）以支持非授权频谱，改善了对机器类通信的支持（即eMTC和NB-IoT），同时在载波聚合、多天线传输、D2D通信等方面进行了增强。

Rel-14版本在2017年第一季度完成，除了在非授权频谱等方面对前面的版本进行增强外，Rel-14支持车辆对车辆（Vehicle-to-Vehicle，V2V）通信和车辆对任何事（Vehicleto-everything，V2X）通信，以及使用较小的子载波间隔以支持广域广播通信。

Rel-15版本在2018年年中完成，减少时延（即短TTI）和无人机通信是Rel-15的两个主要特征。

总之，除了传统的移动宽带用户案例（Use Case）外，后续版本的LTE也在支持新的用户案例并且在未来继续演进。LTE支持的用户案例也是5G的重要组成部分，LTE支持的功能仍然是非常重要的，同时也是5G无线接入的非常重要的组成部分。