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与3G系统采用的CDMA技术不同，长期演进（Long-Term Evolution，LTE）系统采用了一种更高效的多址技术，称为正交频分复用（Orthogonal Frequency-Division Multiplexing，OFDM），这不仅对空口设计有影响，对网络架构设计也有影响。LTE空中接口的下行链路使用OFDMA技术，上行链路使用单载波频分多址（Single-Carrier Frequency-Division Multiple Access，SC-FDMA）技术，支持终端侧使用低成本功率放大器。由于OFDM调制的灵活性，移动通信系统支持在1.4～20MHz内的多个范围信号带宽。在20MHz的带宽下，采用2×2多输入多输出（Multiple-Input Multiple-Output，MIMO）技术，峰值数据速率可达150Mbit/s；采用4×4 MIMO技术，峰值速率可达到300Mbit/s。LTE的系统资源被划分为多个180kHz的资源块，用于实现灵活的资源分配和数据包调度。为了提高LTE的通用性，系统设计方面将TDD和FDD的差异最小化。LTE的核心网采用了端到端IP架构，并针对分组交换数据服务进行了优化，传统的语音服务被IP语音（Voice over IP，VoIP）取代。
除了先进的空口技术，提高网络容量还需要高效的网络架构。在网络架构设计方面，可以通过减少网元数量，采用扁平化结构来最小化端到端延迟，提高网络可扩展性。LTE系统由三个子系统组成：UE、演进的通用陆地无线接入网（Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network，E-UTRAN）和演进的分组核心网（Evolved Packet Core，EPC）。下面简要介绍下E-UTRAN和EPC。
相比UTRAN中的两种网元节点（Node B和RNC），LTE的无线接入网络简化为只有一种名为E-UTRAN Node B或演进的Node B（Evolved Node B，eNodeB）的网元。所有的无线信号处理、无线资源管理和数据包处理都在eNodeB中进行。eNodeB充当交换机的角色，通过各种接口与UE、其他eNodeB和EPC进行通信。除了数据包的处理和转发，它还负责许多控制功能，具体如下。
● 无线资源管理：无线承载的建立、维护和释放，无线资源分配、流量调度和优先级设置，以及资源利用率监测。
● 移动性管理：包括小区间切换和无线信号测量。
● 接入控制：接受或拒绝访问请求。
● 移动性管理实体（Mobility Management Entity，MME）选择：选择可用的MME为UE提供服务，使UE转移到不同的MME，建立通向MME的路由。
● 数据包压缩：对下行数据包进行IP头压缩，以实现通过空中接口的无线高效传输，对上行数据包进行IP头解压缩。
● 加密：通过加密算法对数据包进行加密和解密。
● 消息传输：发送寻呼消息、操作维护消息或广播信息，接收MME发送的广播信息和寻呼消息。
LTE的核心网只有少量的网元设备，采用扁平化结构，从而有效降低端到端延迟，实现高效的数据传输。
LTE系统用户面（User Plane，UP）和控制面（Control Plane，CP）是解耦的，以实现网络的可扩展性和独立升级。借助这种分离架构，运营商可以对网络进行按需调整或升级。LTE系统的演进分组系统（Evolved Packet System，EPS）的基本架构如图2.5所示，由以下网络元素组成：服务网关（Serving Gateway，S-GW）、分组数据网络网关（Packet Data Network Gateway，P-GW）、MME、归属用户数据库（Home Subscriber Server，HSS）、策略与计费规则功能（Policy and Charging Rules Function，PCRF）和策略与计费执行功能（Policy and Charging Enforcement Function，PCEF）。
图2.5 LTE系统架构
来源：Secureroot/FreeImages。
● S-GW是一个主要用于IP数据包转发和隧道传输的用户面实体，具有最小控制功能。当终端处于连接状态时，S-GW负责在eNodeB和P-GW之间中继转发连接模式下属于UE的所有传入和传出IP数据包。当终端处于空闲状态时，S-GW会缓存数据，并请求MME为终端进行寻呼。如果需要合法窃听，S-GW可以将监控用户的数据复制给相关部门。为了支持移动性管理，S-GW充当本地移动锚点，实现相邻eNodeB之间的切换。S-GW还负责处理LTE和其他电路交换网络之间的移动性。
● P-GW是连接EPC和外部分组数据网络的边缘路由器，负责路由传入和传出的数据包，并确保与外部网络的连接。一个UE可以连接多个P-GW进行多个分组数据网络（Packet Data Network，PDN）访问。当UE与外部网络中的其他IP主机通信时，P-GW通过执行动态主机配置协议或查询外部动态主机配置协议（Dynamic Host Configuration Protocol，DHCP）服务器为UE分配IP地址。此外，P-GW与PCRF和PCEF合作，负责执行策略，例如对合法拦截的数据包进行过滤和筛查，并收集相关的计费信息。
● MME是EPC控制面中的主要网元，具备以下功能。
ⓐ认证和安全：当UE注册网络时，MME会向UE所属的本地网络中的HSS请求认证密钥，并执行挑战-响应认证（challenge-response authentication）以确保终端是可信任的。MME从认证密钥生成用于加密和完整性保护的密钥，以防止窃听和未经授权的更改。为了保护用户的隐私，MME还为每个UE提供一个名为全局唯一临时标识符（Global Unique Temporary Identity，GUTI）的临时ID，以隐藏永久ID。
ⓑ移动性管理：当UE首次注册网络时，MME会创建位置条目并通知UE所属本地网络中的HSS，接下来MME会持续跟踪UE的位置。处于激活态的UE位置信息在eNodeB层面，而处于空闲模式下的UE位置信息在跟踪区域（例如一组eNodeB）层面。此外，MME还负责UE的资源分配和释放，并控制切换过程。
ⓒ用户配置文件管理：MME负责检索用户配置文件，例如来自本地网络的订阅信息，该信息用于确定在网络接入时应为UE分配到哪个PDN连接。
● HSS是一个包含用户配置文件和订阅信息的数据库。它的作用类似以前的移动网络中HLR和鉴权中心的组合。它存储有关已订阅服务、允许的PDN连接信息以及对特定网络漫游权限的信息。它还存储本地UE的永久密钥，用于生成访问网络中MME所请求的鉴权密钥。此外，HSS记录了使用访问网络中MME地址的用户位置信息。
● PCRF是一个结合了计费功能和策略决策功能的控制面网元，负责策略控制决策和控制PCEF中基于流量的计费功能。PCRF提供QoS授权，确保与用户的订阅配置文件相匹配，并决定如何在PCEF中处理数据流。
● PCEF是位于P-GW中的一个用户面网元，负责执行由PCRF静态设置或动态配置的策略，确保数据流按照网络策略进行处理，并相应地收取服务费用。
LTE网络的基本需求是高频谱效率和频谱灵活性，采用MIMO和OFDM技术作为基础传输方案。为了在后向兼容的前提下满足更高的系统需求，3GPP不断对LTE标准进行增强。为确保LTE系统完全符合IMT-Advanced的要求，3GPP引入了载波聚合（Carrier Aggregation，CA）和增强多天线传输技术，并支持中继和异构网络（Heterogeneous Network，HetNet）部署来提高频谱灵活性。在2012年底完成的Release 11协议进一步增强了LTE的功能，其中最显著的是多点协作（Coordinated Multi-Point，CoMP）传输和接收功能。2014年推出的Release 12协议引入了设备到设备（Device-to-Device，D2D）通信技术，并支持用于机器类通信的低复杂度终端。Release 13协议标志着一个重要演进LTE-Advanced Pro的开始，引入了授权辅助接入（License-Assisted Access，LAA）技术，以支持非授权的频谱作为授权频谱的补充。接下来简要回顾关键技术的促成因素。
● 多输入多输出（MIMO）：20世纪90年代末期，贝尔实验室的垂直分层空时结构（vertical Bell laboratories layered space-time，V-BLAST）多天线无线系统展示了极大的潜力，引起了人们对MIMO技术的极大关注。多天线的使用可以利用空间域作为另一个自由度以提高频谱效率，在复杂的散射传播环境中，理论频谱效率与发送和接收天线数量的最小值成线性比例关系。引入MIMO可以带来三个好处。
ⓐ空间复用：通过多个天线创建多个空间层，在同一频率上同时传输多个数据流，可以获得更高的频谱效率。
ⓑ空间分集：利用多个天线提供的独立传播路径，提高信号传输的可靠性，对抗多径衰落的影响。
ⓒ阵列增益：将天线阵列的传输能量集中在特定方向上，可以提高有用信号的接收功率并抑制同频干扰。
MIMO技术是LTE无线传输的重要基础，但由于硬件、成本和能耗等方面的限制，在基站侧部署多个天线更具有吸引力和实用性。LTE中实现了多种MIMO传输方案，例如，
● 发送分集：这种MIMO传输方案在多个低相关信号路径上传输单层数据流，通过足够大的天线间距或不同的天线极化获得空间分集，适用于控制信道或广播信道等高可靠性场景。LTE系统仅支持两个或四个传输天线的发送分集，传输符号可以使用空时分组编码（Space-Time Block Coding，STBC）、空频分组编码（Space-Frequency Block Coding，SFBC）、频率切换发送分集（Frequency-Switched Transmit Diversity，FSTD）或循环延迟分集（Cyclic Delay Diversity，CDD）进行编码。
● 波束赋形：除发送分集外，如果已知下行信道信息，发射机还可以通过波束赋形来将传输能量集中到特定方向。波束赋形技术可以提高接收信号的强度（提高的强度与传输天线数成比例），从而有效抑制其他方向的干扰。该技术方案既可以在高相关天线阵列上以经典波束赋形的形式实现，也可以在低相关天线阵列上通过应用发送预编码实现。
● 开环空间复用：LTE系统中使用了开环空间复用方案，在两个或多个天线上发送两个数据流。除了来自UE的用于确定空间层数的发送秩指示（Transmit Rank Indicator，TRI），没有其他信道信息。
● 闭环空间复用：该方案通过UE向eNodeB反馈隐式信道状态信息（Channel State Information，CSI），如预编码矩阵指示（Precoding Matrix Indicator，PMI），用于选择最理想的预编码矩阵。码本由一组预先定义好且发射端和接收端都知道的预编码矩阵来组成，发射端可以根据信道状况调整预编码符号，使接收端能够有效区分数据流，从而最大化传输容量。
● 多用户多输入多输出（Multi-User multiple-input multiple-output，MU-MIMO）：该方案通过在同一频率同时服务多个用户，以更复杂的信号处理为代价，提高网络容量和系统灵活性。LTE的早期版本主要关注发送分集和单用户多输入多输出（SU-MIMO）方案。从Release 8开始提供了对MU-MIMO的基本支持，但采用了与SU-MIMO相同的基于码本的隐式CSI反馈方案。在后续的版本中，通过引入UE特定的参考信号，增强了对MU-MIMO的支持。显式CSI反馈消除了码本的限制，并提供了应用高级传输方案的灵活性，如迫零预编码和共轭波束赋形。
由多径信道时延扩展引起的系统间干扰是阻碍高速传输的主要原因。频率选择性衰落信道的抽头系数高达数百个，这对于窄带信号传输中使用的传统均衡技术的复杂度而言是难以接受的。LTE系统采用多载波传输作为基本调制技术，将一个高速率数据流划分为大量并行的低速率数据流，使每个子载波上的符号持续时间显著增加，远超信道时延扩展。
OFDM的主要优势包括：
● 高传输速率，通过将带宽划分为多个窄带子载波，并在每个符号的开头添加名为循环前缀（Cyclic Prefix，CP）的保护间隔，可以有效抑制ISI的影响。
● 低复杂度接收机，通过应用频域均衡来补偿每个子载波上的信道失真。
● 高灵活性，通过与空间信号的简易结合，使MIMO-OFDM传输变得更加容易。
然而，OFDM信号的峰均功率比（Peak-to-Average Power Ratio，PAPR）较高，因此需要高线性功率放大器。一般情况下，上行传输很难容忍OFDM的高峰均功率比PAPR，因为移动终端需要考虑室外覆盖所需的输出功率、功耗和功率放大器的成本之间的折中。因此，LTE系统采用了一种OFDM的变形，为上行传输提供了一个低峰均功率比的选择方案，即离散傅里叶变换扩展正交频分复用（Discrete Fourier Transform Spread Orthogonal Frequency Division Multiplexing，DFT-s-OFDM），其本质上是一个单载波信号。
多个正交子载波单独或成组承载独立的数据流，可实现非常高效的多址接入方案。OFDMA扩展了OFDM多载波技术，在多个用户之间提供正交的时频资源。该方案使用频域作为另一个自由度，从以下多个方面提高了系统的灵活性：
● 无须改变基本系统参数或设备设计方案即可支持可扩展的系统带宽，大大提高了窄频或碎片化频段的部署灵活性，实现了系统容量的平滑扩展。
● 灵活地将时频资源分配给不同的用户，并进行频域调度，充分利用频域分集增益。
● 促进了部分频率复用或软频率复用以及小区间干扰协调（Inter-cell Interference Coordination，ICIC）的应用。
经过初步评估，LTE空口下行链路的候选方案为OFDMA和多载波CDMA（Multi-Carrier CDMA，MC-CDMA），而上行链路的候选方案为SC-FDMA、OFDMA和MC-CDMA。2005年12月，3GPP RAN全体会议最终确定了多址接入方案，下行采用OFDMA，上行采用SC-FDMA。
LTE-Advanced的研究旨在满足IMT-Advanced的要求，包括支持至少40MHz的最大带宽、1Gbit/s的峰值数据速率。然而，由于频谱利用的高度竞争和现有频谱分配的碎片化，无法得到大量的连续频谱，因此，LTE-Advanced利用CA技术来实现大带宽传输。CA支持单个终端的最大传输带宽为100MHz，最多可以聚合5个载波，每个载波可能具有不同的带宽。为保持后向兼容性，每个分量载波都是基于LTE Release 8结构设计的，这使得LTE-Advanced系统可以支持传统LTE终端。LTE-Advanced终端可以同时使用多个分量载波以实现更高的数据速率，而LTE终端则可以在单个分量载波上进行传输。
聚合的方式可以分为以下三种。
● 带内连续聚合：最简单的聚合方式是在同一频段内使用连续的分量载波。连续频谱可以节省用作保护带的频谱资源，并且如果RF收发机的带宽足够宽，可以应用单个基带处理链。然而，由于频率分配的碎片化，通常这种情况是不可能实现的。
● 带内非连续聚合：如果不要求连续的分量载波，则可以利用碎片化的频段。LTE-Advanced支持同一频段内非连续的CA，其中分量载波属于同一频段，但它们之间存在间隔。
● 带间非连续聚合：该方式下分量载波不仅是碎片化的，而且属于不同的频段。由于不同的频段对应于不同的信道衰落，非连续聚合具有频率分集的优点，但它需要几个独立的RF和基带处理链。
终端进行高数据速率传输往往需要相对较高的信噪比，链路传输性能受路径损耗的影响最大，而路径损耗很大程度上取决于传播距离，因此除了增加链路预算（例如使用更高的发射功率或部署天线阵列进行波束赋形），一般还需要部署更加密集的基站设备来缩短传播距离。另一种有效的方案是使用中继，通过中继可以有效减小终端与基站之间的距离，从而改善链路预算。中继部署的基本要求是中继节点应该对终端透明，也就是说，从终端的角度来看，中继节点的作用是充当普通的低功率基站。另一方面，中继节点可以像普通LTE终端一样连接基站来获得基于LTE的无线回传。相应地，基站-中继和中继-终端之间的连接分别称为回传链路和接入链路。根据用于回传和接入链路的频带，中继可以分为带内和带外中继。简化终端实现和使中继节点向后兼容是中继系统的一个重要特性。Release10在LTE-Advanced网络中增加了对解码和转发中继的支持，另一种称为放大转发中继的简单方案不需要额外的标准化。
● 放大转发中继，通常称为中继器，用于放大和转发接收到的模拟信号，是一种常见的解决覆盖漏洞的手段。中继器对终端和基站而言都是透明的，因此可以引入现有的网络中。中继器的基本原理是放大接收到的所有信号，包括噪声、干扰和有用的信号，主要适用于高信噪比环境。
● 解码转发中继，用于在转发接收到的信号之前对其进行解码和重新编码。解码和重新编码过程使此类中继器不会放大噪声和干扰，因此，解码转发中继同样适用于低信噪比环境。然而，与放大转发中继器相比，解码转发中继的译码转发操作引入了较大的延迟。
为了满足大量移动用户高速数据传输的需求，需要对网络结构进行升级。在蜂窝网络中，可以采用先进的无线传输技术通过提高频谱效率、获取更多的频谱资源或部署更密集的网络节点来提高系统容量。在传统的同构网络中，为了获得更高的系统容量，采用小区分裂的方案减小小区半径，但该方案需要进行网络的重新规划以及系统的重新配置。同时，用户的流量需求也是不均匀的。因此，LTE-Advanced引入了HetNet，即由不同大小、发射功率、覆盖范围和硬件能力的小区混合组网，如宏小区、微小区、微微小区和毫微微小区。宏小区网络采用低功耗、低成本的基站作为底层节点，负责在室内和室外热点场景提供高容量或填补覆盖漏洞。如果系统有足够的无线资源来为不同的基站类型分配不同的频段，那么它们之间就不会互相干扰。然而，随着流量需求的增加，系统没有足够的资源来为小型基站分配专用载波，工作在相同频段的异构小区不得不在地理区域上相互重叠。在这种异构部署方案中，最具挑战性的是小区间干扰的处理。因此，3GPP设立了一个关于ICIC的工作项目，并在之后增强小区间干扰协调（enhanced Inter-cell Interference Coordination，eICIC）来解决这个问题。LTE-Advance还利用CA来支持HetNet的部署，其中应用跨载波调度使控制信令能够在一个共同的分量载波上传输，以避免宏基站层和小型基站层之间控制信道的干扰。
移动用户希望在任何时间和任何地点都能获得较高的用户服务质量。然而，小区边缘用户不仅受到传输距离带来的信号衰减的影响，而且还面临着较强的ICI，用户服务质量较差。多年来，人们提出了几种不同的技术如干扰平均、跳频和干扰协调来抑制ICI，如LTE-Advanced引入了ICIC或其增强版本eICIC。3GPP还采用了一种称为CoMP传输和接收的干扰协调方法，作为提高边缘用户频谱效率的技术手段。多个位置分离的站点之间的协作可以在下行链路或上行链路中进行，从而产生不同程度的协作。
● 联合处理：多个站点同时向位于协作区域的单个UE发送或接收信号，可以提高接收到的信号质量，抑制或避免ICI，并获得宏分集增益。然而，由于需要在协作站点之间交换传输或接收的数据、信道信息和计算的传输权重，这种方法对回传网络的要求很高。
● 协作调度或波束赋形：只选择一个站点与用户通信，不需要在多个协作站点上共享用户数据，只需共享调度决策或生成波束上的控制信令。该方案简化了实现方式，降低了对回传网络的要求。
在传统移动网络中，即使通信双方距离较近，信息也会先通过上行链路发送到基站，再通过下行链路转发到目标终端。众所周知，传输链路的性能严重依赖于传播距离，也就是说，较短的传输距离可以获得较高的信噪比。3GPP Release 12中定义的内容分发和近域通信（Proximity-based Service，ProSe）场景促进了D2D通信在蜂窝网络中的应用。D2D直接通信在此类场景下具有很大的潜力，例如高频谱效率、高系统容量、高能量效率、低延迟和公平性。D2D通信通常情况下对蜂窝网络不透明，并且可工作于授权频谱（带内）或非授权频谱（带外）。
● 带内D2D方式：指D2D和蜂窝链路都利用蜂窝频谱。根据D2D和蜂窝链路中使用的频率，带内D2D通信进一步分为两种模式——非正交模式和正交模式。非正交模式通过在两个链路中重复使用相同的频谱来提高蜂窝网络的频谱效率。正交模式需要专用的频谱资源用于发送端和接收端直接连接的D2D链路。带内D2D通信的主要缺点是D2D用户对蜂窝通信的干扰，反之亦然。
● 带间D2D方式：该方式通过利用非授权频谱，避免D2D和蜂窝链路之间的干扰。使用非授权频谱需要不同的接口，并且通常采用其他无线技术，如Wi-Fi和蓝牙。尽管使用非授权频谱避免了带内干扰，但它可能会受到非授权频谱上不受控制的干扰。
LAA是LTE的一个技术特性，作为LTE Advanced Pro的一部分在Release 13中引入。其基本思想是将非授权频谱与授权频谱相结合，为用户提供更高的数据速率和更好的用户体验。用户可以利用授权和非授权频段的结合在室内和室外场景下实现更高的峰值速率，例如借助CA技术使用非授权频谱辅载波（5GHz）分流授权频谱主载波承载的业务。LAA面临的一个主要挑战是3GPP和非3GPP技术在共享相同非授权频谱时的互操作性。LAA采用诸如信道感知和先听后说（Listen-Before-Talk，LBT）机制来管理共享信道和邻近信道干扰。由于Wi-Fi是运行在5GHz非授权频谱上的主流系统，LAA需要动态选择Wi-Fi不占用的空闲信道。如果某个地理区域没有可用信道，LTE LAA仍然可以与其他非授权用户公平地共享一个信道。