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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。

长期演进技术(英语:LTE,Long Term Evolution)是电信中用于手机及数据终端的高速无线通讯标准,为高速下行分组接入(HSDPA)过渡到4G的版本,俗称为3.9G。该标准基于旧有的GSM/EDGE和UMTS/HSPA网络技术,并使用调制技术提升网络容量及速度。 长期演进技术该标准由3GPP(第三代合作伙伴计划)于2008年第四季度于Release 8版本中首次提出,并在Release 9版本中进行少许改良。

世界第一张商用长期演进技术网络于2009年12月14日,由TeliaSonera电信在挪威奥斯陆和瑞典斯德哥尔摩提供服务。长期演进技术是给予拥有GSM/UMTS网络的运营商最平滑的升级路线,但因2008年美国高通公司宣布放弃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长期演进技术网络)、中国电信和日本KDDI宣布将迁移至长期演进技术网络。因此长期演进技术预计将成为第一个真正的全球通行的无线通讯标准,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”。

虽然长期演进技术被电信公司夸大宣传为“4G LTE”,实际上它不是真正的4G,因为它没有匹配国际电信联盟无线电通信部门要求的4G标准(也就是国际移动电信升级版);长期演进技术升级版才匹配国际电信联盟无线电通信部门要求的4G标准。

LTE是无线数据通信技术标准。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,这些技术大多于千禧年前后提出。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,这有助于减少3G转换中的潜在不良因素。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。该标准于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于3月17日推出全球第二款LTE手机HTC ThunderBolt。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、Sprint Nextel和MetroPCS,加拿大的Bell移动和Telus移动,日本的KDDI,韩国的SK电讯,中国的中国电信,台湾的亚太电信)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,该标准于2011年3月定稿之后开始提供服务。

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的频双分工和时双分工频段。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。

参见:E-UTRA

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。

低网络延迟(在最优状况下小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创建连接准备时间。

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, 上传使用SC-FDMA以节省电力。下行资源包括频率资源、时间资源和空间资源,即既有频分复用,又有时分复用,又有空分复用。ETSI TS 136 211规范定义了Resource Block资源块(LTE下行链路)是下行链路上可以分配给一个用户的最小资源单位。一个资源块包括12个子载波且持续一个时隙的时间;一个时隙持续0.5毫秒,包含了7个OFDM符号(symbol);而每个OFDM符号(symbol)占据了12个子载波的频率资源。

支持频分双工(FDD)和时分双工(TDD)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。

增加频宽灵活性,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。

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。

支持至少200个活跃连接同时连入单一5MHz频点带宽。

简化的网络结构:E-UTRA网络仅由eNodeB组成。

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。

支持分组交换无线接口

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。

分时长期演进(英语:LongTermEvolution,Time-DivisionDuplex,简称“LTE-TDD”)是基于3GPP长期演进技术(英语:LTE)的一种通讯技术与标准,属于LTE的一个分支。该技术由上海贝尔、诺基亚西门子通信、大唐电信、华为技术、中兴通信、中国移动、高通、ST-Ericsson等业者共同开发。

TD-LTE是LTE-TDD的商业名称,它是由中国移动等主导创立的TD-LTE全球发展倡议组织(GTI, Global TD-LTE Initiative)推动支持的LTE-TDD标准化与商业化项目。

TDD即指时分双工(英语:Time-division duplex),LTE更加普遍使用的是FDD即频分双工(英语:Frequency-division duplex)。值得注意的是,中国媒体普遍将TD-LTE宣传为中国国产标准,事实上其技术属于LTE(长期演进技术)。正因为都是LTE的分支,LTE-TDD与LTE-FDD标准的重合度很高,差别不大,也各有优缺点。两者分别跟3G的TD-SCDMA和WCDMA的继承性不大,LTE-FDD跟WCDMA的继承性甚至更小。中国政府和企业是TD-LTE的主要推动者。LTE-TDD技术主要吸引了三类运营商,分别是:PHS运营商、WiMAX运营商、以及大量持有持零散频谱的非对称频段的小规模运营商。

LTE和其派生的LTE-TDD在商业上一般被宣传为4G(第四代移动通信技术),不过3GPP家族中唯一受国际电信联盟认可的4G为LTE的升级版即LTE-Advanced(LTE-A)(另一4G标准是IEEE家族的WirelessMAN-Advanced)。相应的,LTE-TDD的升级版叫做LTE-TDD Advanced(TD-LTE-A)

TD-LTE的频率分配因国家而异。美国一个在建的LTE-TDD系统使用了2496-2690MHz的Band 41频率资源。中国也将Band 41分配给了LTE-TDD。另外,中国还将band 39(1880-1920MHz)分配给LTE-TDD使用。在英国,一个商用LTE-TDD网络使用了3.5/3.6GHz(Band 42,43)频段。

对于WiMax运营商来说,同样使用单一频段的LTE-TDD是很好的网络替代和升级技术,因为LTE-FDD都是上行下行分开频段,现有的WiMax营运商都没有这类型的频段和执照。

LTE-TDD项目于2007年12月26日,LTE-TDD是LTE技术中的TDD模式,是采取时分双频的长期演进(Time Division Long Term Evolution),帧结构参照了TD-SCDMA,但前者基于LTE技术,后者基于CDMA技术,没有直接联系。2012年1月18日下午5时,国际电信联盟在2012年无线电通信全会全体会议上,正式审议通过将LTE-Advanced和WirelessMAN-Advanced(802.16m)技术规范确立为IMT-Advanced(俗称“4G”)国际标准,中国主导制定的LTE-TDD-Advanced同时成为IMT-Advanced国际标准。

至2012年末,世界各地有十多家运营商已经或计划使用LTE-TDD,不过这在全球一百余个LTE网络中所占的比例不大。另外由于WiMAX在4G标准的争夺上已经落败,WiMAX论坛于2012年将LTE-TDD纳入WiMAX 2.1规范,WiMAX运营商也开始将设备升级为LTE,其中相当一部分会是技术较为接近的LTE-TDD。

日本:

日本软银的LTE-TDD网络已于2012年2月24日正式商用,已经发展用户3万多。2012年10月9日日本软银发布了6款TD-LTE智能机。

台湾:

2015年12月7日,亚太电信、远传电信分别获取D5、D6各25Mhz的TD-LTE 2600Mhz频段(Band38)。亚太电信已于2017年下半年开通台湾首个TD-LTE网络。

香港:

中国移动香港的LTE-TDD网络于2012年12月18日正式商用。下载速度约为40Mbps上传速度约为1.5Mbps。

美国:

美国运营商Clearwire原为WiMax网络运营商,计划于2013年在2496-2690MHz频段上提供LTE-TDD服务。

印度:

Bharti Airtel的LTE-TDD网络于2012年4月开始使用。

欧盟:

欧洲邮政电信会议CEPT将2570~2620MHz频段分配给LTE-TDD。

俄罗斯:

俄罗斯MTS的LTE-TDD网络于2011年9月开始使用。

波兰:

波兰Aero2的LTE-TDD网络于2011年5月开始使用。

澳大利亚:

澳大利亚NBN的TD-LTE网络于2011年开始使用。而Optus的LTE-TDD网络于2013年开始使用。

中华人民共和国:

中国工业和信息化部在2012年10月16日表示“中国已经决定将2.6GHz频段的2500-2690MHz,全部190MHz频率资源规划为TDD频谱。”工信部部长苗圩表示将于一年左右时间发放LTE-TDD牌照。根据划分的频段资源,有报道认为除了中国移动可能还有不止一家运营商会运营LTE-TDD。

2013年12月4日,中国工业和信息化部给中国移动、中国电信和中国联通发放LTE-TDD牌照。

2014年10月,诺基亚解决方案和网络公司与中移动签署9.7亿美元的采购协议。

作为TD-SCDMA的后续,中国政府首先努力推广LTE-TDD,在FDD-LTE牌照发放前,要求运营商屏蔽手机终端上的FDD功能,并对没有屏蔽FDD的手机拒发入网许可证。中国大陆的FDD-LTE牌照已于2015年2月27日正式发放给中国电信和中国联通两家运营商。由于在3G时代的落后,中国移动大力推广发展4G(以LTE-TDD为主),至2016年中国移动4G覆盖率已超过2G网络,中国广大农村地区甚至偏远山区都已基本实现移动4G全覆盖,4G普及率大大领先于中国电信和中国联通。

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(Circuit Switched, CS),它只能进行全IP网络下的数据包交换(Packet Switching, PS)。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。

VoLTE(Voice Over LTE,LTE高解析语音):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。

CSFB(Circuit Switched Fallback,电路交换网络支持):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(例如3G UMTS),这种技术就叫CS Fallback。该方案只需运营商升级现有MSC核心网而无需创建IMS网络,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。

SVLTE(Simultaneous Voice and LTE,LTE与语音网同步支持):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VoLGA(Voice over LTE Generic Access,LTE网络下的语音通用接入)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调用连续性(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成为运营商的权宜之法。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(窄频)。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晰度语音方案。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“高清晰度语音”也只能支持到7kHz。而全高清晰度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晰度语音技术才可以启用全高清晰度语音。

参见:E-UTRA §频带和信道带宽

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。所以在某国家使用正常的终端在另一国家的网络中很可能无法使用,用户需要使用支持多频段的终端进行国际漫游。

特别的是巴西政府正在同当地运营商CPqD,正在测试一种特殊的LTE网络。该网络因适应当地市场需求,需要创建在450MHz以下频段。 [1]

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”。 [1]


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