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发布日期: 2011年8月31日

长期演进(LTE)——第1部分

 

 

随着对更高比特率的需求持续增长,越来越多的无线运营商已经开始部署移动宽带网络。此外,为了确保客户获得与固定线路服务的体验质量 (QoE) 不相上下的无线服务体验质量,运营商正在转向采用长期演进 (LTE) 技术来提供超过 3G 的网络。

未来移动无线网络的发展趋势

在从 3G 向 4G 的迁移过程中,移动无线网的发展显现出以下趋势:

1. 精益廉价的全 IP 网络 (AIPN)

随着 3GPP Release 5 的推出,以及由于更多运营商现在使用数字用户线 (DSL) 作为 Iu 接口,AIPN 已经成为现实。然而,核心结构、无线网络控制器 (RNC) 和节点 B 却更加适应区别于全球移动通信系统 (GSM) 的传统电路交换 (CS) 架构。对于 4G 网络而言,从一开始就采用适应 AIPN 的架构将十分有利,这有助于确立成本方面的竞争优势。无论如何,4G 网络在每吞吐量成本方面都必须比 3G 网络更加经济高效。这主要是由于 4G 的数据速率将有显著增加,而最终客户却只希望支付低廉的统一费率。

2. 只有分组交换 (PS) 服务

过去,从通用移动电信系统 (UMTS) 到高速分组接入 (HSPA) 再到增强的高速分组接入 (HSPA+) 形成了明确的发展轨迹,从而使 CS 服务转向 PS 服务。在未来的 HSPA+ 网络中,运营商的运营将以不采用 CS 服务为目标,并且语音将作为 PS 应用。然而,4G 系统无法预知采用 CS 服务的可能性;在这种情况下,提供的时延与家庭 DSL 的时延相当。】

3. 低时延服务

游戏、无线一键通 (PoC) 等应用要求的时延比 CS 语音服务提供的时延更低;这一点在用户平面和控制平面(设置)均适用。只有通过修改基础设施的架构并且采用协议栈的新方法才能实现这样的时延。

4. 极高的数据速率

固网和移动的融合以及多媒体广播/多播服务 (MBMS) 等高级服务的推出,需要极高的数据速率。这些高数据速率将使未来的 4G 系统进入当前由 DSL 和有线运营商占据的新市场。不过,频谱的限制以及对高速数据的需求正使移动无线行业陷入困境。只有在将以下关键技术结合在一起之后,才能实现要求的数据速率:

a) 由正交频分多路 (OFDMA) 有效管理的高带宽
b) 16正交幅度调制 (QAM) 和 64-QAM 等高阶调制方案
c) 将最大吞吐量提高到二倍或四倍(与不采用 MIMO 的操作相比)的多入/多出 (MIMO)

LTE/SAE 网络架构

3GPP 必须准备好面对这一发展趋势,长期演进 (LTE) 就是答案。LTE 或进化的通用移动电信系统 (UMTS) 陆地无线接入 (E-UTRA) 描述了无线接入网络的演进,并且完善了系统架构演进 (SAE),从而更加关注全新的进化分组核心 (EPC)。下图示出了 LTE/SAE 的新网络架构:

LTE/SAE 网络架构 图 1. LTE/SAE 网络架构

在上图所示的架构中,LTE 和 SAE 清楚地遵循着一条革命性而非发展性的路线。大多数区别于 USTS 的核心网元和接入网网元都会被新网元取代。还要注意,整体架构也有所区别。

这一全新架构最惊人的一点是,LTE 网络中没有任何 RNC。相反,增强的节点 B (eNB) 直接连接至进化分组核心 (EPC)。eNB 通过与 X2 接口的互连形成了自组织网络;架构的这一变化是满足低时延要求所必需的。此外,LTE 网络中也将没有软切换,软切换带来的好处现在则由自组织网络实现。

在 SAE 中,移动管理实体 (MME) 和服务网关代替了服务 GPRS 支持节点 (SGSN) 来进行控制,并且用户平面和网关 GPRS 支持节点 (GGSN) 由分组数据网 (PDN) 网关取代。

4G 无线接入网

4G 舞台正在经历非常激烈的竞争。市场潜在需求量最大的几个标准是超移动宽带 (UMB) (3GPP 2)、IEEE 802.16e (WiMAX),并且当然还包括 LTE (3GPP)。表 1 列出了适用于 4G 标准的一般 4G 要求;这里,我们关注的是无线接入问题。


特色/属性

3G

4G

吞吐量速率

2 Mbit/s

> 100 Mbit/s

频谱效率

≤ 1 bit/s/Hz/小区

6 bit/s/Hz/小区

所用频谱

通常为 5 MHz

最高 20 MHz 附近

多路技术

CDMA

OFDMA

用户平面时延(用户设备至核心)

> 200 ms

< 10 ms

协议栈

双重:CS 和 PS

仅 PS

控制平面时延(空闲到激活)

> 500 ms

< 100 ms

会话/呼叫控制

接入网特定的协议(如 UMTS)

基于 IP (SIP)

接入网对核心网的依赖程度

紧密

独立

2 表 1. 3G 和 4G 要求的对比

LTE 要求

3GPP 标准化组织已决定采用以下 LTE 要求来应对 4G 挑战:


LTE 要求

要求

时延

控制平面 100 ms
用户平面 ms

数据速率

> DL 100 Mbit/s(2x2 天线 @ 20 MHz)
最高 300 Mbit/s(4x4 天线 @ 20 MHz)
> UL 50 Mbit/s(1x2 天线 @ 20 MHz)

频谱灵活性

使用 1.4、3、5 至 20 MHz 带宽

频谱效率

R6 频谱效率的 2-6 倍

移动性

移动性高达 250 Km/小时

覆盖范围

具体取决于频带、移动性和数据速率,最远 30-60 km

双工模式

FDD 和 TDD

表 2. LTE 要求

在上表中,为推出数据速率要求,假定采用至少两个发送天线和两个接收天线。由于 LTE 重新使用了 UMTS 频谱,所以并非每家运营商都有能力将 20 MHz 频谱用于 LTE。因此,对于用户设备和 eNB 而言,LTE 均必须以可变带宽运行。在频谱效率(运行网络中给定工作频带的平均利用率)方面,要求的值为 3GPP Release 6 的二至六倍。还要记住,在最高移动性和最大覆盖范围下,无法维持峰值数据速率(适用于任意标准)。覆盖范围取决于部署环境和频带,以及数据速率和移动性。

请务必阅读下期的内容,届时本文的第二部分将讨论满足这些要求所需要的关键技术和方法。