移动通信第11章 LTE及演进(1)
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1 第11章 移动通信的发展趋势
教学内容、难点等
1、教学内容
移动通信系统的演进路径,LTE的主要特点;
LTE网络结构,主要网元和接口的功能;
IMT-Advanced标准化进程和关键技术;
MIMO和空时编码技术介绍。
2、教学基本要求
了解移动通信系统的演进路径;
掌握LTE的主要特点;
掌握LTE网络结构,主要网元和接口的功能;
了解IMT-Advanced标准化进程和关键技术;
了解MIMO和空时编码技术介绍。
3、重点、难点
掌握LTE的主要特点;
掌握LTE网络结构,主要网元和接口的功能;
11.1移动通信系统的演进
为满足移动宽带数据业务对传输速率和网络性能的要求,研究开发速率更高、性能更先进的新一代移动通信技术正成为世界各国和相关机构关注的重点。本节将概要的介绍增强的3G标准,宽带无线接入技术,LTE的发展历程,移动通信向4G演进的路径。
1.增强3G标准
目前我们经常提到的3G标准也不是特指1999年11月在芬兰赫尔辛基召开的ITU TG8/1
第18次会议上最终确定的WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA标准。由于3G技术的不断演进、不断完善和不断创新,表现为3G标准的不确定性。WCDMA已经演进到WCDMA
HSPA(HSDPA/HSUPA);而CDMA2000也已经演进到CDMA2000 1X EV-DO/EV-DV;中国拥有自主知识产权的TD-SCDMA标准,也演进到了TDD HSDPA/HSUPA的技术标准方案。
2.宽带无线接入技术的发展
宽带无线接入技术是指以无线传输方式向用户提供接入固定宽带网络的接入技术,是近几年通信领域的一个热点话题,其中WiMAX技术作为支持固定和一定移动性的城域宽带无线接入技术是目前业界最为关注的宽带无线接入技术之-。与WiMAX有关的IEEE 802.16标准包括IEEE 802.16d(IEEE 802.16-2004)和IEEE 802.16e(IEEE 802.16-2005)两个空中接口规范。802.16d是固定宽带无线接入系统空中接口规范,2004年7月通过,不支持移动环境。802.16e是固定和移动宽带无线接入系统空中接口规范,2005年12月通过,支持固 2 定、便携和移动环境。
3.3GPP LTE
按照3GPP组织的工作流程,3GPP LTE标准化项目基本上可以分为两个阶段:2004年12月到2006年9月为研究项目(SI,Study Item)阶段,进行技术可行性研究,并提交各种可行性研究报告。2006年9月到2007年9月为工作项目(WI,Work Item)阶段,进行系统技术标准的具体制定和编写,完成核心技术的规范工作,并提交具体的技术规范。预计在2009年到2010年推出成熟的商用产品。
3GPP LTE地面无线接入网络技术规范已通过审批,被纳入3GPP R8版本中。为了实现LTE所需的大系统带宽,3GPP不得不选择放弃长期采用的CDMA技术,选用新的核心传输技术,即OFDM/FDMA技术。在无线接入网(RAN)结构层面,为了降低用户面延迟,LTE取消了重要的网元:无线网络控制器(RNC)。在核心网(CN)层面,和LTE相对应的SAE(系统框架演进)项目正在大大改变系统框架。由LTE/SAE为标志的这次变革,与其说是Evolution(演进),不如说是Revolution(革命)。这场“革命”是系统不可避免的丧失了大部分后向兼容性,也就是说,从网络侧和终端侧都要做大规模的更新换代。3G LTE的研究工作主要集中在物理层、空中接口协议和网络架构等方面。
相对于3GPP对3G系统所制定的标准,LTE标准有个显著的特点,就是充分考虑了TDD和FDD模式的相似性,即所采用的各种技术都尽量减少在两种应用下需要做的修改。LTE前景相对乐观,但绝非唯一。从LTE阵营、3GPP2的UMB阵营和同样采用TDD方式的WiMAX看,三者后向兼容性发展不同。UMB是3G标准中CDMA2000的演进版本,因此在标准中继承了部分原来CDMA系统的技术,相对而言后向兼容性较强。而LTE与WiMAX刚刚起步,谁在业务和应用层面领先,谁就会得到运营商的大力支持。
4.移动通信向4G的演进
无论是WiMAX,LTE还是UMB,核心技术都是基于OFDM和MIMO,只是由于不同的组织主要成员和产业背景不同,在系统设计某些细节上各有侧重。WiMAX最初提供固定宽带无线接入,随着众多移动通信企业的加盟,WiMAX技术在固定宽带无线接入基础上进一步增强,支持中低速移动用户,峰值速率达到70Mbit/s。LTE标准在设计多址方案时,3GPP内大部分成员认为上行链路OFDM技术峰均比过高会影响终端的功放成本和电池寿命,因此LTE下行采用OFDMA,上行采用较低峰均比的单载波FDMA。而3GPP2的主要成员认为上行链路OFDM技术峰均比问题可以通过预编码等方式解决,因此UMB技术标准上下行链路均采用OFDMA,同时在反向链路保留了CDMA数据信道,用于传输突发的低速率,对时延敏感的反向数据。WiMAX802.16m标准则面向IMT-Advanced(4G),欲与3G演进的LTE、UMB争雄。3G的演进有三条路径,如图11-1所示。
GSMWCDMATD-SCDMALTEHSPAIMT-AdvancedCDMACDMA2000UMBCDMA1X EV DO/DV802.16d802.16e802.16m3GPP3GPP2WiMAX
图11-1 3G的演进有三条路径
一是以3GPP为基础的技术轨迹,即从第二代的 GSM、2.5代的GPRS到第三代的WCDMA、第三代增强型的HSDPA/HSUPA,以及LTE发展路线,最后演进到IMT-Advanced,即B3G/4G。二是以3GPP2为基础的技术路线,即从第二代的 CDMA2000到2.75代CDMA2000 1X,再到第三代的CDMA2000 1X EV-DO/DV,以及长期演进的UMB升级版本,最后演进到B3G/4G。以上是移动通信演进的两个主流路线,也是占世界绝大多数移动通信市场的路线。三是以WiMAX为基础的技术路线,是宽带无线接入技术向着高移动性、高服务质量的方向演进的结果。最终3条路径演进至IMT-Advanced。 3 LTE、UMB和移动WiMAX虽然各有差别,但是它们也有一些共同之处,三个系统都采用OFDM和MIMO技术以提供更高的频谱利用率。在未来的发展演进过程中,哪一种技术路线胜出,将是各国政治、经济、科技与技术力量博弈的结果。但是LTE、UMB和移动WiMAX并不属于第四代移动通信技术。目前,业界普遍认为WiMAX和LTE,UMB将沿着无线宽带接入和宽带移动通信两条路线向IMT-Advanced演进。同时,还会有新的提案向ITU提交,WiMAX与LTE和UMB的竞争仍在继续,可以预见IMT-Advanced标准化竞争将更加激烈。
11.2 LTE
为了实现LTE所需的大系统带宽,从采用的无线接入技术来看,3GPP不得不选择放弃长期采用的CDMA技术,选用新的核心传输技术,即OFDM/MIMO技术。要想从目前的网络平滑的演进到LTE是比较困难的,所以LTE可以被看成是移动通信的一次革命,主要原因是采用了更先进的无线技术,摒弃了电路交换业务,采用全IP的结构。本节介绍LTE的特点、发展历程、基本技术指标,LTE的网络结构,网元和各接口的功能。
11.2.1 LTE概述
1.LTE介绍
按照3GPP组织的工作流程,3G LTE标准化项目基本上可以分为两个阶段:2004年12月到2006年9月为研究项目(SI,Study Item)阶段,进行技术可行性研究,并提交各种可行性研究报告。2006年9月到2007年9月为工作项目(WI,Work Item)阶段,进行系统技术标准的具体制定和编写,完成核心技术的规范工作,并提交具体的技术规范。预计在2009年到2010年推出成熟的商用产品。
3GPP LTE地面无线接入网络技术规范已通过审批,被纳入3GPP R8版本中,2009年3月份的会议上R8版本基本上已经完成了。相比于传统的移动通信网络,LTE在无线接入技术和网络结构上发生了重大变化。
从网络结构上来看,整个网络结构向着扁平化的方向发展,取消了原来的基站控制器的功能实体,整个网络只包括接入网和核心网两层结构。在无线接入网(RAN)结构层面,为了降低用户面延迟,LTE取消了重要的网元——无线网络控制器(RNC)。在核心网(CN)层面,也取消了传统的电路交换,完全采用基于分组交换的核心网结构,也就是说无论是语音业务还是数据业务全部采用分组交换的方式。和LTE相对应的系统框架演进(SAE,System
Architecture Evolution)项目正在大大改变系统框架。3G LTE的研究工作主要集中在物理层、空中接口协议和网络架构等方面。
2.LTE主要性能指标
3GPP LTE的主要性能指标描述如下。
支持1.25 MHz~20 MHz带宽,提供上行50 Mb/s,下行100 Mb/s的峰值数据速率。
提高小区边缘的比特率,改善小区边缘用户的性能。
频谱效率达到3GPP R6 的2~4倍。
降低系统延迟,用户面延迟(单向)小于5 ms,控制面延迟小于100 ms。
支持与现有3GPP和非3GPP系统的互操作。
支持增强型的广播组播(MBMS)业务。 4 实现合理的终端复杂度、成本和耗电。
支持增强的IP多媒体子系统(IMS,IP Multimedia Subsystem)和核心网。
取消CS(电路交换)域,CS域业务在PS(分组交换)域实现,如采用VoIP。
以尽可能相似的技术同时支持成对和非成对频段。
支持运营商间的简单邻频共存和邻区域共存。
3. LTE的基本特点
LTE的基本特点包括只支持分组交换的结构和完全共享的无线信道。
(1) 只支持分组交换的结构
3G系统与2G系统核心网结构并无太大的差别,因为在核心网中同样包含了电路交换和分组交换。只不过在分组交换的核心网上又增加了多媒体子系统(IMS),IMS的主要目标是为3GPP无线网络中各种的IP业务提供了一个通用的业务平台。在IMS中主要使用SIP协议,SIP协议由IETF定义。
LTE的核心网SAE的主要目标就是采用一种简化的核心网结构,即分组交换的核心网结构。在无线接入网中采用为分组交换优化的空中接口技术,即全IP业务,即支持非实时业务也支持实时业务。电路交换的核心网被取消,那些电路交换的实时业务也可采用分组交互的方式。
(2)完全共享的无线信道
LTE的无线信道完全采用共享的模式,即多用户共享同一信道,而不管业务的种类和QoS要求,虽然共享信道加大了资源的调度难度,因为系统要保证满足所有的用户的QOS要求,但是它大大的降低了网络设计和维护的难度。
11.2.2 LTE的系统结构
1.LTE/SAE的网络结构
LTE/SAE的整个网络结构图如图11-2所示。
图11-2 LTE/SAE的网络结构图