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长期演进技术

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。

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。

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。

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”。

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。

LTE最早由NTT DoCoMo在2004年于日本提出,该标准在2005年开始正式进行广泛讨论。

在2007年3月,LTE/系统架构演进测试联盟(the LTE/SAE Trial Initiative,LSTI)成立。作为供应商和运营商全球性合作的产物,LSTI致力于检验并促进LTE这一新标准在全球范围的快速普及。

LTE标准于2008年12月定案。

世界第一张商用LTE网络于2009年12月14日,由TeliaSonera在奥斯陆和挪威瑞典斯德哥尔摩提供数据连接服务,该服务须使用上网卡。

2011年,北美运营商开始LTE商用。

MetroPCS在2011年2月10日推出的三星Galaxy Indulge,该手机成为全球首款商用LTE手机。

随后Verizon无线于3月17日推出全球第二款LTE手机HTCThunderBolt。

CDMA运营商本计划升级网络到CDMA的演进版本UMB,但由于高通放弃UMB系统的研发,使得全球主要的CDMA运营商(如美国的Verizon无线、SprintNextel和MetroPCS,加拿大的Bell 移动和Telus移动,日本的au电信,韩国的SK电讯,中国的中国电信)均宣布将升级至LTE网络,或是升级至WiMAX(俄罗斯与韩国)。

LTE Advanced是LTE的下一代网络(真正4G网络),该标准于2011年3月定稿并有希望于2013年开始推出提供服务。

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。

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”。

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:

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。

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。

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。

下载使用OFDMA, 上载使用SC-FDMA以节省电力。

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。

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(VoLTEVoice 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(SVLTESimultaneous 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(VOLGAthe 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。

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。

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。

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。

根据欧洲电信标准协会(European Telecommunications Standards Institute,ETSI)知识产权库,至2012年3月,有约50家企业已宣布拥有LTE标准中的必要专利。但是ETSI现阶段并未确诊这些声明的正确性,导致“任何对LTE的基础专利性分析都应该比ETSI的声明更重要”。

长期演进技术的数据传输速度要比常规第三代网络更快。三星电子的最新款智能手机Galaxy S III,以及苹果周三在旧金山推出的智能手机iPhone 5,均支持长期演进技术。长期演进技术预计将成为下一代的无线网络标准,掌握大量长期演进技术专利,能够帮助企业不受到潜在的专利侵权诉讼的威胁。这一问题对苹果和三星电子变得尤为重要,因为它们两家公司正在争夺快速增长的智能手机市场的龙头。

韩国知识产权办公室对欧洲电信标准协会的文件统计显示,截至2012年 6月底,三星电子已经持有819项长期演进技术专利,较上年同期增长21%,数量居全球企业之首。苹果则持有318项长期演进技术管理,与上年同期持平。诺基亚持有的长期演进技术专利为389项。


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