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发布日期: 2011年8月31日

长期演进 (LTE) — 第二部分

 

 

 

本文第一部分重点介绍的是无线运营商越来越需要转向采用长期演进 (LTE) 技术从而部署 3G 以上移动宽带网络,并介绍了这种向 4G 的过渡如何揭示移动无线网络的发展趋势。

关键技术

为满足方方面面的需求,尤其是在接入网中,需要使用正交频分复用 (OFDM)、高阶调制方案、高级天线技术和不同的信令方法。

OFDMA 用于上行链路,SC-FDMA 用于下行链路

OFDMA 利用 OFDM 载波中的数百至数千小带宽子载波工作,并且能够将这些子载波分配给不同的用户设备 (UE)。
OFDMA 技术的两项关键优势是:

  1. 由于子载波的正交性,OFDMA 能够利用简单的发送器和接收器技术实现非常高的数据速率。
  1. OFDMA 允许对很小的频谱片段进行分配和操作:LTE 中最小的数据包的带宽为 180 kHz,长度为 1 ms;这对于数据包的调度非常重要。调度程序能够找到数据包的最佳传输时间和最佳传输频率,因此能够为数据包分配最优调制方案,从而确保最高频谱效率。这就是为什么 LTE 的频谱效率能够达到 3GPP Release 6 HSPA 的数倍。

实际上,OFDMA 仅用于 LTE 的下行链路。这是因为 OFDM 时间信号的幅度调制(在各个载波叠加的情况下很重要)要求在用户设备发送器中使用昂贵得多的功率放大器。在上行链路中,用户设备模拟子载波频谱上的单个载波,同时保留 OFDM 的大部分结构;这被称为“单载波频分多址接入 (SC-FDMA)”。

高阶调制方案

利用 64-QAM 等高阶调制方案,发送器便可在 OFDM 载波的每个子载波上调制 6 个比特;与传统 3G 调制相比,每符号比特数就多出两倍。为了从高阶调制方案获得优势,通道必须具有良好的载噪比和载波干扰比才能防止由于用户设备移动而造成损坏。必须将用户设备移动速度限制在很低的值,这样才能获得最高的峰值数据速率(对于任何标准皆如此)。其原因在于,与低阶调制方案相比,高阶调制方案的判定空间更窄,而且噪声通道和用户设备移动的影响更为糟糕。

下图示出了对于约 18 dB 的信噪比,LTE 所使用的所有调制方案各自的效果:

Verbindungsaufbau
图 2.Verbindungsaufbau

从上图可以看出,在给定信号噪声干扰比 (SNIR) 下未检测到 BPSK 和 QPSK 的任何问题,并且这里甚至不需要通道编码。然而,使用 16-QAM 时,就已经存在一些检测问题,并且需要通道编码(对于 64-QAM,必须进行通道编码才能成功完成检测)。

MIMO

MIMO 提供两倍或四倍的峰值数据速率,这样的速率也可以在不采用 MIMO 的情况下通过给定调制方案获得;为此,需要较好的移动无线通道传播和多根天线。

MIMO 原理
图 3. MIMO 原理

MIMO 的理念是在发送器端和接收器端多次使用给定的无线通道。由于不同天线对之间存在独特的多径传播,因此接收器能够区分来自不同发送天线的信号。作为粗略计算,我们可假定以下结论:

最大发送速率 = 不使用 MIMO 时的最大速率 x(发送天线数量与接收天线数量中更小的一个)。

这意味着要使数据速率翻倍,eNB 需要至少两根发送天线,用户设备也需要至少两根接收天线。要使数据速率增至四倍,那么 eNB 和用户设备各自的最低天线数量为四根。这就是 MIMO 得名的原因:MIMO = 多输入(发送天线)/多输出(接收天线)

全新信令方法:无线接入网和核心网信令并行

在 UMTS (3G) 中,对于任何从空闲用户设备发起的与核心网的新通信,其采用的方法均包括两个步骤:

  1. 建立无线资源连接
  1. 建立到核心的连接

这两个步骤依次执行,导致了十分漫长的地理位置更新、呼叫建立、分组数据协议 (PDP) 上下文建立等过程,从而造成控制平面时延,而这种时延对于 LTE 而言是不可接受的。

下图示出了在 LTE 中为任何从空闲用户设备发起的通信所采取的步骤:

初始上下文设置步骤
图 4. 初始上下文设置步骤

一旦用户设备空闲,就需要建立无线资源连接。初始上下文设置步骤的关键点是确保无线接入网信令与核心网信令并行。核心网中的步骤可以是如 PDP 上下文激活、注册、连接、跟踪区域更新(替代了 LTE 中的地理位置更新)等的任何步骤。其一大优势在于,使用这种并行方法可以将控制平面时延保持在极低的水平。总而言之,在 LTE 中,无线接入网信令可以结合核心网信令使用。

LTE 用户设备类别

在 LTE 内,为用户设备定义了不同的类别。定义涉及 MIMO 数据流的数量、资源块数量,以及上行链路和下行链路的峰值数据速率。

第 1 类用户设备为 LTE 的基本用户设备类别。这类用户设备的数据速率与典型 HSPA 用户设备差不多。与第 2-4 类用户设备不同的是,第 1 类用户设备不允许不具有前向纠错保护(码率 1)的传输。第 1 类用户设备的最高速率为 5 MHz,不能执行 MIMO。第 2-4 类用户设备能够处理两个 MIMO 数据流。第 5 类用户设备被定义为最多处理四个 MIMO 数据流,其在上行链路中也使用 64-QAM。

用户设备的类别

 

用户设备的类别

MIMO 数据流数量

资源块最大数量

峰值数据速率 (Mbit/s)

下行链路

上行链路

1

1

 

25 (5 MHz)

5.0

2.0

2

 

2

43.2

14.4

3

50

86.4

28.2

4

100

172.8

57.6

5

4

326.4

86.4

64-QAM

表 3. 用户设备的类别

结论

LTE 已经做好了在 4G 中扮演关键角色的准备。现有 3GPP 运营商和新加入的竞争者也意识到了这一点。LTE 对市场具有如此大的吸引力,是因为吞吐量高(上行链路和下行链路)、时延小、频谱效率高,并且具有成本方面的竞争优势。

由于引入了 eNB 和自组织网络方法,因此业界将 LTE 网络视为一种易于维护和操作的网络。该网络的频率范围、带宽使用和双工模式也设计得非常灵活。不仅如此,由于采用全 IP 网络架构和连接的 IMS(或相似系统),LTE 网络在服务和业务操作方面也具有很高的灵活性。LTE-SAE 能够与现有移动网络互操作,因此运营商可轻松地向 LTE 迁移。也可以将 LTE 视为以低成本实现高数据速率的出色解决方案。