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对LTE的多角度分析


LTE
LTE (Long Term Evolution, 长期演进)是由 3GPP (The 3rd Generation Partnership Project, 第三代合作伙伴计划)组织制定的 UMTS(Universal Mobile Telecommunications System, 通用移动通信系统)技术标准的长期演进,于 2004 年 12 月在 3GPP 多伦多会议上正式立 项并启动。LTE 系统引入了 OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,正交频 分复用)和 MIMO(Multi-Input & Multi-Output,多输入多输出)等关键技术,显著增加了 频谱效率和数据传输速率(20M 带宽 2X2MIMO 在 64QAM 情况下,理论下行最大传输速 率为 201Mbps,除去信令开销后大概为 150Mbps,但根据实际组网以及终端能力限制,一 般认为下行峰值速率为 100Mbps, 上行为 50Mbps) , 并支持多种带宽分配: 1.4MHz, 3MHz, 5MHz,10MHz,15MHz 和 20MHz 等,且支持全球主流 2G/3G 频段和一些新增频段,因 而频谱分配更加灵活,系统容量和覆盖也显著提升。LTE 系统网络架构更加扁平化简单化, 减少了网络节点和系统复杂度,从而减小了系统时延,也降低了网络部署和维护成本。LTE 系统支持与其他 3GPP 系统互操作。 根据双工方式不同 LTE 系统分为 FDD-LTE (Frequency Division Duplexing)和 TDD-LTE (Time Division Duplexing),二者技术的主要区别在于空 口的物理层上(像帧结构、时分设计、同步等)。FDD 系统空口上下行采用成对的频段接 收和发送数据,而 TDD 系统上下行则使用相同的频段在不同的时隙上传输,较 FDD 双工 方式,TDD 有着较高的频谱利用率。

提升传输能力
LTE 基于旧有的 GSM/EDGE 和 UMTS/HSPA 网络技术,是 GSM/UMTS 标准的升级, LTE 的当前目标是借助新技术和调制方法提升无线网络的数据传输能力和数据传输速度, 如新的数字信号处理(DSP)技术,这些技术大多于 2000 年前后提出。 LTE 网络有能力提供 300Mbit/s 的下载速率和 75 Mbit/s 的上传速率。在 E-UTRA 环境 下可借助 QOS 技术实现低于 5ms 的延迟。LTE 可提供高速移动中的通信需求,支持多播 和广播流。LTE 频段扩展度好,支持 1.4MHZ 至 20MHZ 的时分多址和码分多址频段。全 IP 基础网络结构,也被称作核心分组网演进,将替代原先的 GPRS 核心分组网,可向原先较 旧的网络如 GSM、UMTS 和 CDMA2000 提供语音数据的无缝切换。简化的基础网络结构 可为运营商节约网路运营开支。举例来说,E-UTRA 可以提供四倍于 HSPA 的网络容量。

IP 化网络
LTE 的远期目标是简化和重新设计网络体系结构,使其成为 IP 化网络,这样不会出现 3G 网络存在的在转换中的所产生的不良因素。 因为 LTE 的接口与 2G 和 3G 网络互不兼容, 所以 LTE 需同原有网络分频段运营。

全球通行标准
LTE 是给予拥有 GSM/UMTS 网络的运营商最平滑的升级路线, 但因 2008 年美国高通 (Qualcomm)宣布放弃 EVDO 的平滑升级版本超行动宽带(Ultra Mobile Broadband, UMB),使得拥有 CDMA 网络的运营商如美国 Verizon Wireless(于 2010 年铺设完成美 国第一张大面积覆盖的 LTE 网络) 和日本 au 电信也已经宣布将迁移至 LTE 网络. 因此 LTE 预计将成为第一个真正的全球通行的无线通讯标准, 尽管因为不同国家和地区的不同网络 所使用的频段不同,只有支持多个频段的手机才可以实现―全球通行‖。

并非真正的 4G
LTE 尽管被宣传为 4G 无线标准,但它其实并未被 3GPP 认可为国际电信联盟所描述的 下一代无线通讯标准 IMT-Advanced,因此在严格意义上其还未达到 4G 的标准。 只有升级版 的 LTE Advanced 才满足国际电信联盟对 4G 的要求。

演进目标
实现高数据率、低延迟。 减少每比特成本。 增加业务种类,更好的用户体验和更低的成本。 更加灵活地使用现有和新的频谱资源。 简单的网络结构和开放的接口。 更加合理地利用终端电量。

系统架构
LTE 系统只存在分组域。分为两个网元,EPC(Evolved Packet Core,演进分组核心 网)和 eNode B(Evolved Node B,演进 Node B)。EPC 负责核心网部分,信令处理部 分为 MME (Mobility Management Entity, 移动管理实体) , 数据处理部分为 S-GW (Serving Gateway,服务网管)。eNode B 负责接入网部分,也称 E-UTRAN(Evolved UTRAN, 演进的 UTRAN),如图 1 所示。

LTE 的关键需求 Peak data rate(峰值数据速率) 下行 20M 频谱带宽内要达到峰值速率 100 Mbps,频谱效率达到 5 bps/Hz。 上行 20M 频谱带宽内要达到峰值速率 50 Mbps,频谱效率达到 2.5 bps/Hz。 Control-plane latency(控制面延时) 空闲模式(如 Release 6 Idle Mode)到激活模式(Release 6 CELL_DCH)的转换时 间不超过 100 ms。 休眠模式(如 Release 6 CELL_PCH)到激活模式(Release 6 CELL_DCH)的转换 时间不超过 50 ms。 Control-plane capacity(控制面容量) 在 5 MHz 带宽内每小区最少支持 200 个激活状态的用户。 User-plane latency(用户面延时) 在小 IP 分组和空载条件下(如单小区单用户单数据流),用户面延时不超过 5 ms。 User throughput(用户吞吐量) 下行:每 MHz 的平均用户吞吐量是 Release 6 HSDPA 下行吞吐量的 3~4 倍。 上行:每 MHz 的平均用户吞吐量是 Release 6 HSDPA 上行吞吐量的 2~3 倍。 Spectrum efficiency(频谱效率) 下行:满负载网络下,频谱效率(bits/sec/Hz/site)希望达到 R6 HSDPA 下行的 3~4 倍。 上行:满负载网络下,频谱效率(bits/sec/Hz/site)希望达到增强 R6 HSDPA 上行的 2~3 倍。 Mobility(移动性) 要求 E-UTRAN 在 0~15 km/h 达到最优。

15 和 120 km/h 的更高速度应该达到高性能。 在蜂窝网络中应该要保证 120 km/h~350 km/h 的性能(甚至在某些频段达到 500 km/h)。 Coverage(覆盖) 5 km 的小区半径下,频谱效率、移动性应该达到最优。 在 30 km 小区半径时只能有轻微下降。也需要考虑 100 km 小区半径的情况。 需要支持 Multimedia Broadcast Multicast Service(MBMS) 降低终端复杂性:采用同样的调制、编码、多址接入方式和频段。 需要同时支持专用话音和 MBMS 业务。 需要支持成对或不成对的频段。 Spectrum flexibility(频谱灵活性) E-UTRA 可以使用不同的频带宽度 包括,上下行的 1.4 MHz,2.5 MHz,5 MHz,10 MHz,15 MHz and 20 MHz。 需要支持工作在成对和不成对的频段。 需要支持资源的灵活使用,包括功率、调制方式、相同频段、不同频段、上下行,相邻 或不相邻的频点分配等。 Radio Access Technology(RAT)不同系统间的共存。 支持与 GERAN/UTRAN 系统的共存和切换。 E-UTRAN 终端支持到 UTRAN 和/或 GERAN 的切入和切出的功能。 在实时业务情况下,E-UTRAN 和 UTRAN(or GERAN)之间的切换,不能过 300 ms。 Architecture and migration(网络结构和演进) 单一的 E-UTRAN 架构。 E-UTRAN 架构应该基于分组的,但是应该支持实时和会话类业务。 E-UTRAN 架构应该减小―single points of failure(单点失败)‖的情况出现。 E-UTRAN 架构应该支持 end-to-end QoS。 骨干网络的协议应该具有很高的效率。 Radio Resource Management requirements(RRM 需求) 增强的 end to end QoS。 更高的高层分组效率。 支持不同 Radio Access Technologies (RAT)间的负荷分担和政策管理。 Complexity (复杂性) 要求可选项最少。 减小冗余。 LTE 具有巨大的先进性,使得通信进入 4G 时代。但是,为满足未来几年内无线通信市 场的更高需求和更多应用, LTE 也需要演进。 2008 年 4 月, 3GPP 在研讨会中讨论了后 LTE 系统的需求和技术,即―LTE-Advanced‖。

特性
LTE 中的很多标准接手于 3G UMTS 的更新并最后成为 4G 移动通信技术。 其中简化网 络结构成为其中的工作重点。 需要将原有的 UMTS 下电路交换+分组交换结合网络简化为全 IP 扁平化基础网络架构。E-UTRA 是 LTE 的空中接口,他的主要特性有: 一、峰值下载速度可高达 299.6Mbit/s,峰值上传速度可高达 75.4Mbit/s。该速度需配 合 E-UTRA 技术,4x4 天线和 20MHz 频段实现。根据终端需求不同,从重点支持语音通信 到支持达到网络峰值的高速数据连接,终端共被分为五类。全部终端将拥有处理 20MHz 带 宽的能力。 二、最优状况下小 IP 数据包可拥有低于 5ms 的延迟,相比原无线连接技术拥有较短的 交接和建立连接准备时间。 三、加强移动状态连接的支持如,可接受终端在不同的频段下以高至 350km/h 或 500km/h 的移动速度下使用网络服务。 四、下载使用 OFDMA, 上载使用 SC-FDMA 以节省电力。 五、支持频分双工(FDD)和时分双工(TD)通信,并接受使用同样无线连接技术的 时分半双工通信。 支持所有频段所列出频段。这些频段已被被国际电信联盟无线电通信组用于 IMT-2000 规范中。可以交互操作已有通信标准(如 GSM/EDGE , UMTS 和 CDMA2000)并可与他们 共存。用户可以在拥有 LTE 信号的地区进行通话和数据传输,在 LTE 未覆盖区域可直接切 换至 GSM/EDGE 或基于 W-CDMA 的 UMTS 甚至是 3GPP2 下的 cdmaOne 和 CDMA2000 网络。 六、1.4MHz、3MHz、5MHz、10MHz、15MHz 和 20MHz 频点带宽均可应用于网络。 而 W-CDMA 对 5MHz 支持导致该技术在大面积铺开时会出现问题,因为旧有标准如 2G GSM 和 cdmaOne 同样使用该频点带宽。 七、支持从覆盖数十米的毫微微级基站(如家庭基站和 Picocell 微型基站)至覆盖 100 公里的 Macrocell 宏蜂窝基站。较低的频段被用于提供郊区网络覆盖,基站信号在 5 公里的 覆盖范围内可提供完美服务,在 30 公里内可提供高质的网络服务,并可提供 100 公里内的 可接受的网络服务。在城市地区,更高的频段(如欧洲的 2.6GHz)可被用于提供高速移动 宽带服务。在该频段下基站覆盖面积将可能等于或低于 1 公里。 八、支持至少 200 个活跃连接同时连入单一 5MHz 频点带宽。 九、E-UTRA 网络仅由 eNodeB 组成。

十、支持分组交换无线接口 十一、使用 ip 化管理网络,有效防止现有 3G 技术的切换问题. 十二、支持群播/广播单频网络(MBSFN: Multicast/Broadcast Single-frequency Network)。这一特性可以使用 LTE 网络提供诸如移动电视等服务,是 DVB-H 广播的竞争 者。

语音通话
LTE 标准不再支持用于支撑 GSM,UMTS 和 CDMA2000 网络下语音传输的电路交换技 术,它只能进行全 IP 网络下的包交换。随着 LTE 网络的部署,运营商需使用以下三种方法 之一解决 LTE 网络中的语音传输问题。 LTE 网络直传(VoLTE、Voice over LTE):该方案基于 IP 多媒体子系统(IMS)网 络,配合 GSMA 在 PRD IR.92 中制定的在 LTE 控制和媒体层面的语音服务标准。使用该 方案意味着语音将以数据流形式在 LTE 网络中传输,所以无需调用传统电路交换网络,旧 网络将无需保留。 电路交换网络支援(CSFB、Circuit Switched FallBack):该方案中的 LTE 网络将只 用于数据传输,当有语音拨叫或呼入时,终端将使用原有电路交换网络。该方案只需运营商 升级现有 MSC 核心网而无需建立 IMS 网,因此运营商可以较迅速地向市场推出网络服务。 也由于语音通话需要切换网络才能使用的缘故,通话接通时间将被延长。 LTE 与语音网同步支持(SVLTE、Simultaneous Voice and LTE):该方案使用可以 同时支持 LTE 网络和电路交换网络的终端,使得运营商无需对当前网络作太多修改。但这 同时意味着终端价格的昂贵和电力消耗的迅速。 运营商也可以直接在终端使用应用程序比如 Skype 和 Google Talk 去提供 LTE 语音服 务。不过鉴于在当前和可预见的未来中,语音服务收费依然为运营商贡献最多的利润,这种 方案不太可能受到多数运营商的支持。 大多主要的 LTE 支持者从一开始便首选和推广 VoLTE 技术。但最初的 LTE 终端和核 心网设备的相关软件缺失导致部分运营商推广“LTE 通用访问传送语 音”(VOLGA——the Voice Over LTE via Generic Access)[1] 以作为一种临时解决方案。 该 方案类似通用接入网络(也被称作非授权移动接入),使用户可使用个人网络连接,如私人 无线网,进行语音通话。不过 VoLGA 未得到广泛支持,因为尽管 VoLTE (IMS)需要大量 投资以升级全网语音基础网络,但他可提供更灵活的服务。 VoLTE 将同样需要单一无线语 音呼叫连续性(Single Radio Voice Call Continuity,SRVCC)以确保在低网络信号下可平 滑转换到 3G 网络。

尽管全行业视 VoLTE 为未来的标准,当前对语音通话的需求使得 CSFB 成为运营商的 权益之法。 当有通话呼入或呼出时, LTE 手机将在整个通话期间使用原有的 2G 或 3G 网络。

高清晰语音
考虑到兼容性问题,3GPP 要求至少支持 AMR-NB 编码(窄带)。不过 VoLTE 推荐使 用 AMR-WB 语音编码,也被称作 HD Voice。该编码在 3GPP 标准族网络下支持 16KHz 的 采样率。

全高清语音
德国弗劳恩霍夫协会集成电路研究所(Fraunhofer IIS)已经提出并演示全高清语音方 案。 该方案在手持终端采用 AAC-ELD 编码 (AAC 加强低延迟规格: Advanced Audio Coding– Enhanced Low Delay,为 AAC-LD 的加强版本,并结合频带复制技术)。以往的手持终端 只能支持到 3.5kHz 的语音,即使是加入宽频语音服务如―高清语音‖也只能支持到 7kHz。而 全高清语音支持人耳可接受的全频段音频频宽:20Hz 到 20kHz。不过在端到端通话时需要 网络及双方通话终端均支持全高清语音技术才可以启用全高清语音。

频段分配
LTE 网络适用于相当多的频段,而不同地区选择的频段互不相同。北美网络计划使用 700/800 和 1700/1900MHz;欧洲网络计划使用 800,1800,2600MHz;亚洲网络计划使 用 1800 和 2600MHz;澳洲网络计划使用 1800MHz。

3GPP 长期演进(LTE: Long Term Evolution)项目是近两年来 3GPP 启动的最大的新技术研 发项目,这种以 OFDM/FDMA 为核心的技术可以被看作―准 4G‖技术。3GPP LTE 项目的主 要性能目标包括:在 20MHz 频谱带宽能够提供下行 100Mbps、上行 50Mbps 的峰值速率; 改善小区边缘用户的性能;提高小区容量;降低系统延迟,用户平面内部单向传输时延低于 5ms,控制平面从睡眠状态到激活状态迁移时间低于 50ms,从驻留状态到激活状态的迁移 时间小于 100ms ;支持 100Km 半径的小区覆盖;能够为 350Km/h 高速移动用户提 供>100kbps 的接入服务; 支持成对或非成对频谱, 并可灵活配置 1.25 MHz 到 20MHz 多种 带宽。

LTE 项目内容介绍
LTE(Long Term Evolution)项目是 3G 的演进,它改进并增强了 3G 的空中接入技术,采用

OFDM 和 MIMO 作为其无线网络演进的唯一标准。在 20MHz 频谱带宽下能够提供下行 100Mbit/s 与上行 50Mbit/s 的峰值速率。改善了小区边缘用户的性能,提高小区容量和降低 系统延迟。

LTE 的主要技术特征
3GPP 从―系统性能要求‖、―网络的部署场景‖、―网络架构‖、―业务支持能力‖等方面对 LTE 进 行了详细的描述。与 3G 相比,LTE 具有如下技术特征[2][3]: (1)通信速率有了提高,下行峰值速率为 100Mbps、上行为 50Mbps。 (2)提高了频谱效率,下行链路 5(bit/s)/Hz,(3--4 倍于 R6HSDPA);上行链路 2.5(bit/s)/Hz, 是 R6HSU-PA2--3 倍。 (3)以分组域业务为主要目标,系统在整体架构上将基于分组交换。 (4)QoS 保证,通过系统设计和严格的 QoS 机制,保证实时业务(如 VoIP)的服务质量。 (5)系统部署灵活,能够支持 1.25MHz-20MHz 间的多种系统带宽,并支持―paired‖和 ―unpaired‖的频谱分配。保证了将来在系统部署上的灵活性。 (6)降低无线网络时延:子帧长度 0.5ms 和 0.675ms,解决了向下兼容的问题并降低了网络 时延,时延可达 U-plan<5ms,C-plan<100ms。 (7)增加了小区边界比特速率,在保持目前基站位置不变的情况下增加小区边界比特速率。 如 MBMS(多媒体广播和组播业务)在小区边界可提供 1bit/s/Hz 的数据速率。 (8)强调向下兼容,支持已有的 3G 系统和非 3GPP 规范系统的协同运作。 与 3G 相比,LTE 更具技术优势,具体体现在:高数据速率、分组传送、延迟降低、广域覆 盖和向下兼容。

LTE 的网络结构和核心技术
3GPP 对 LTE 项目的工作大体分为两个时间段: 2005 年 3 月到 2006 年 6 月为 SI(StudyItem) 阶段, 完成可行性研究报告;2006 年 6 月到 2007 年 6 月为 WI(WorkItem)阶段, 完成核心技 术的规范工作。在 2007 年中期完成 LTE 相关标准制定(3GPPR7),在 2008 年或 2009 年 推出商用产品。就目前的进展来看,发展比计划滞后了大概 3 个月[1],但经过 3GPP 组织 的努力,LTE 的系统框架大部分已经完成。

LTE 采用由 NodeB 构成的单层结构, 这种结构有利于简化网络和减小延迟, 实现了低时延, 低复杂度和低成本的要求。与传统的 3GPP 接入网相比,LTE 减少了 RNC 节点。名义上 LTE 是对 3G 的演进,但事实上它对 3GPP 的整个体系架构作了革命性的变革,逐步趋近 于典型的 IP 宽带网结构。 3GPP 初步确定 LTE 的架构如图 1 所示,也叫演进型 UTRAN 结构(E-UTRAN)[3]。接入网 主要由演进型 NodeB(eNB)和接入网关(aGW)两部分构成。aGW 是一个边界节点,若将其 视为核心网的一部分,则接入网主要由 eNB 一层构成。eNB 不仅具有原来 NodeB 的功能 外,还能完成原来 RNC 的大部分功能,包括物理层、MAC 层、RRC、调度、接入控制、 承载控制、 接入移动性管理和 Inter-cellRRM 等。 Node B 和 Node B 之间将采用网格(Mesh) 方式直接互连,这也是对原有 UTRAN 结构的重大修改。


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