移動通信技術(shù) 課件 第4章 LTE的發(fā)展背景

4.1什么是4G？

4.24G的特點

4.3LTE的頻段GSM網(wǎng)絡(luò)演進到GPRS/EDGE和WCDMA/HSDPA(HighSpeedDownlinkPacketAccess，高速下行分組接入)網(wǎng)絡(luò)可以提供更多樣化的通信和娛樂業(yè)務(wù)，降低無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的運營成本，使無線性能大大提高，但這僅僅是往寬帶無線技術(shù)演進的開始，在知識產(chǎn)權(quán)(IPR)、應(yīng)對市場挑戰(zhàn)和滿足用戶需求等方面，還有很多局限。而在CDMA通信系統(tǒng)形成的特定歷史背景下，3G所涉及的核心專利只被少數(shù)公司持有，在IPR上形成一家獨大的局面。專利授權(quán)費用成為廠家的沉重負擔，可以說，3G廠商和運營商在專利問題上處處受到掣肘，業(yè)界迫切需要改變這種不利局面。面對高速發(fā)展的移動通信市場的巨大誘惑和大量低成本、高帶寬的無線技術(shù)快速普及，眾多非傳統(tǒng)移動運營商也紛紛加入了移動通信市場，并引進了新的商業(yè)模式。這些新興力量給傳統(tǒng)移動運營商帶來了前所未有的挑戰(zhàn)，加快了網(wǎng)絡(luò)的演進，滿足用戶更多需求，因此提供新型業(yè)務(wù)成為在激烈競爭中的唯一選擇。與此同時，用戶期望運營商提供不低于1?Mb/s的無線接入速度、小于20ms的系統(tǒng)傳輸延遲以及在高移動速度環(huán)境下的全網(wǎng)無縫覆蓋，但最根本的問題是廣大用戶要能夠負擔得起終端設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)費用。這些要求遠遠超出了現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的能力，因此從空中接口技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)方面尋找改進的突破口勢在必行。WCDMA/HSDPA與無線保真(WiFi)、全球微波接入互操作性(WiMAX)等無線接入方案相比，其空中接口和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)過于復雜，雖說在支持移動性和QoS(服務(wù)質(zhì)量)方面具有優(yōu)勢，但在每比特成本、無線頻譜利用率和傳輸時延方面存在明顯的缺陷。國內(nèi)傳統(tǒng)電信設(shè)備商和運營商在4G正式商用前面臨前所未有的挑戰(zhàn)。用戶的需求，市場的挑戰(zhàn)和IPR的掣肘共同推動了3GPP(第3代合作項目)組織在4G出現(xiàn)之前加速制定新的空中接口和無線接入網(wǎng)絡(luò)標準。2004年11月，3GPP多倫多“UTRAN演進”會議收集了無線接入網(wǎng)R6版本之后的演進意見，在隨后的全體會議上，“UTRA和UTRAN演進”研究項目得到26個組織的支持，并最終獲得通過。這也表明了3GPP組織運營商和設(shè)備商成員共同研究3G技術(shù)演進版本的強烈愿望。LTE系統(tǒng)同時定義了頻分雙工(FrequencyDivisionDuplexing，F(xiàn)DD)和時分雙工(TimeDivisionDuplexing，TDD)兩種方式，但由于無線技術(shù)的差異、使用頻段的不同以及各個廠家的利益等因素，LTEFDD支持陣營更加強大，標準化和產(chǎn)業(yè)發(fā)展都先于LTETDD。2005年12月，3GPP標準化組織經(jīng)過激烈討論，批準采用由北電等廠家提出的OFDM和MIMO方案作為LTE的唯一標準。2007年11月，3GPP會議通過了27家公司聯(lián)署的LTE-TDD融合幀結(jié)構(gòu)的建議，同意了LTE-TDD的兩種幀結(jié)構(gòu)。經(jīng)過漫長的技術(shù)改進，2012年1月，3GPP最終確立了LTE標準，它能夠?qū)崿F(xiàn)更高的數(shù)據(jù)傳輸速率、更短的時延、更低的成本，更高的系統(tǒng)容量以及改進的覆蓋范圍來滿足市場需求。4G網(wǎng)絡(luò)及4G業(yè)務(wù)的應(yīng)用將不斷推動下一代移動網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的發(fā)展。4.1什么是4G？4G就是第四代移動通信系統(tǒng)，它可稱為廣帶接入和分布式網(wǎng)絡(luò)，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是一個采用全IP的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。LTE是應(yīng)用于手機及數(shù)據(jù)卡終端的高速無線通信標準，該標準基于舊有的GSM/EDGE和UMTS/HSPA(High-SpeedPacketAccess，高速分組接入技術(shù))網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，并使用調(diào)制技術(shù)提升網(wǎng)絡(luò)容量及速度。該標準由3GPP于2008年第四季度于Release8版本中首次提出，并在Release9版本中進行少許改良。LTE是3G的演進，并非人們普遍認為的4G技術(shù)，只是高速下行分組接入往4G發(fā)展的過渡版本，是3.9G的全球標準，LTE關(guān)注的核心是無線接口和無線組網(wǎng)架構(gòu)的技術(shù)演進問題。TD-LTE是LTE-TDD的商業(yè)名稱，盡管被貼上了“TD系列”的標簽，但必須澄清的是，TD-LTE和TD-SCDMA其實并沒有什么關(guān)系，TD-LTE在性質(zhì)上與TD-SCDMA是完全不同的。事實上，無論是從技術(shù)實質(zhì)和產(chǎn)品構(gòu)成，還是從標準的形成和開發(fā)來看，TD-LTE都不是由TD-SCDMA演進發(fā)展而來的，在標準戰(zhàn)略上，TD-LTE走的也是一條與TD-SCDMA完全不同的路線，所謂的TD-LTE就是國際主流4G標準LTE中的LTETDD模式。LTEFDD和LTETDD大部分的基礎(chǔ)技術(shù)都是一樣的，主要區(qū)別在于FDD為頻分雙工，而TDD為時分雙工。LTE在20?MHz的頻譜帶寬下能夠提供下行326Mb/s與上行86Mb/s的峰值速率。考慮到需要提供比3G更高的數(shù)據(jù)速率與未來可能分配的頻譜，LTE需要支持高于5?MHz的傳輸帶寬，IEEE組織只是針對寬帶無線制式的物理層和媒介接入控制層制定了標準，并沒有對高層進行規(guī)范。LTE技術(shù)與其說是演進(Evolution)，不如說是革命(Revolution)，無論是在無線接口技術(shù)還是組網(wǎng)架構(gòu)上，LTE相對于以往的無線制式都發(fā)生了革命性的變化。LTE取消了CS域和RNC節(jié)點，LTE網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)更加簡單化、扁平化，減少了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點和系統(tǒng)復雜度，從而減小了系統(tǒng)延時，改善了用戶體驗。4.24G的特點4G移動通信系統(tǒng)具有如下特征：傳輸速率更快：對于大范圍高速移動用戶(250?km/h)數(shù)據(jù)速率為2?Mb/s；對于中速移動用戶(60?km/h)數(shù)據(jù)速率為20?Mb/s；對于低速移動用戶(室內(nèi)或步行者)，數(shù)據(jù)速率為100?Mb/s。頻譜利用效率更高：4G在開發(fā)和研制過程中使用和引入了許多功能強大的突破性技術(shù)，明顯提高了頻譜效率，比R6的頻譜效率提高了2～4倍；4G網(wǎng)絡(luò)下行速率可達到100～150?Mb/s，比3G快20～30倍，上傳的速度也能達到20～40?Mb/s。網(wǎng)絡(luò)頻譜更寬：每個4G信道將會占用100?MHz或是更多的帶寬，相當于WCDMA網(wǎng)絡(luò)的20倍及以上。容量更大：4G將采用新的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)(如空分多址技術(shù)、載波聚合等)來極大地提高系統(tǒng)容量，以滿足未來大信息量的需求。靈活性更強：4G系統(tǒng)采用智能技術(shù)，可自適應(yīng)地進行資源分配，采用智能信號處理技術(shù)對信道條件不同的各種復雜環(huán)境進行信號的正常收發(fā)。另外，用戶將使用各式各樣的設(shè)備接入到4G系統(tǒng)。實現(xiàn)更高質(zhì)量的多媒體通信：4G網(wǎng)絡(luò)的無線多媒體通信服務(wù)將包括語音、數(shù)據(jù)、影像等，大量信息透過寬頻信道傳送出去，讓用戶可以在任何時間、任何地點接入到系統(tǒng)中，因此4G也是一種實時的、寬帶以及無縫覆蓋的多媒體移動通信。兼容性更平滑：4G系統(tǒng)具備全球漫游、接口開放、能跟多種網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)、終端多樣化以及能從3G平穩(wěn)過渡等特點。LTE是新一代寬帶無線移動通信技術(shù)，LTE以O(shè)FDM和MIMO技術(shù)為基礎(chǔ)，頻譜效率是3G增強技術(shù)的2～3倍。LTE-Advanced是國際電聯(lián)認可的第四代移動通信標準。在無線鏈路方面，1G通信系統(tǒng)采用時分復用，2G系統(tǒng)GSM的無線鏈路采用時分加頻分復用，而IS-95則采用窄帶CDMA技術(shù)，3G系統(tǒng)UMTS和CDMA2000都以寬帶CDMA技術(shù)為基礎(chǔ)，而LTE系統(tǒng)則以O(shè)FDM作為基本的無線鏈路技術(shù)。在早期的以話音業(yè)務(wù)為主的系統(tǒng)中，信息傳輸占用的帶寬較小，信息傳輸速率較低。隨著數(shù)字信號處理技術(shù)和射頻技術(shù)的發(fā)展，移動通信系統(tǒng)的無線帶寬越來越大，信息傳輸速率越來越高，呈現(xiàn)出指數(shù)增長的態(tài)勢，如圖4.1所示。LTE系統(tǒng)的無線鏈路峰值速率可達100?Mb/s以上，LTE-A的峰值速率最高可達1?Gb/s以上，LTE-APro的理論峰值速率最高可達25?Gb/s以上，5G的峰值速率最高可達20?Gb/s及以上。21世紀初，“移動”和“高速”這兩項移動通信網(wǎng)絡(luò)的能力，使計算機設(shè)備得以隨時隨地接入互聯(lián)網(wǎng)，從而催生了移動互聯(lián)網(wǎng)。特別在3G移動通信系統(tǒng)普及后，移動互聯(lián)網(wǎng)的用戶數(shù)和業(yè)務(wù)種類都在迅猛增長。除了繼承傳統(tǒng)的信息獲取、社交和即時通信等互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)外，還出現(xiàn)了支付、學習、游戲、健康等諸多領(lǐng)域的業(yè)務(wù)。截至2019年9月底，全國1000?Mb/s以上接入速率的固定互聯(lián)網(wǎng)將全世界數(shù)百億的計算機設(shè)備及其背后的人和事物連接在一起，這將會為人類社會帶來更多變革。工業(yè)和信息化部的數(shù)據(jù)顯示，我國2008年3G投資約為600億元，2009年3G移動通信網(wǎng)絡(luò)直接投資1609億元，共建設(shè)通信基站32.5萬個，大規(guī)模的通信基礎(chǔ)設(shè)施投資必然帶動相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。從2010年開始，我國3G無線通信網(wǎng)絡(luò)尤其是TD-SCDMA制式的3G網(wǎng)絡(luò)進入二期建設(shè)階段。3G移動通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)深度和廣度的延伸，將帶來大量的移動通信基礎(chǔ)設(shè)施投資，從而為我國通信設(shè)備制造業(yè)的發(fā)展提供良好機遇。另一方面，3G移動通信的工作頻率多在1800～2400?MHz之間，較2G移動通信的800～900?MHz提高了一倍多。在相同的功率下，隨著3G移動通信的發(fā)展，其基站在更高工作頻率下的覆蓋面積將會降低，從而需要增加基站數(shù)量，相應(yīng)的基站設(shè)備的市場容量也將增大。我國目前4G移動通信的工作頻率較3G更寬更高，所需相應(yīng)的基站數(shù)量與基站設(shè)備數(shù)量將進一步增多，需要相當高的投資規(guī)模。2019年中國移動、中國聯(lián)通和中國電信4G用戶數(shù)分別為7.34億、2.39億和2.66億，4G基站數(shù)分別為241萬、86萬和138萬。從全球4G網(wǎng)絡(luò)下載速度來看，中國高于全球平均水平。綜合來看，國內(nèi)運營商4G網(wǎng)絡(luò)性能位于全球前列。4.3LTE的頻段無線電波承擔著越來越多的電信業(yè)務(wù)，而所有的無線電業(yè)務(wù)都離不開無線電頻率，就像車輛必須行駛在道路上。根據(jù)無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)展，LTE也離不開無線電頻率的劃分。LTE支持全球2G/3G主流頻段，同時支持一些新增頻段。目前LTE在不同頻段的一個較寬的范圍內(nèi)作定義，每一個頻帶都具有一個或多個獨立的載波。LTE有LTETDD和LTEFDD兩種制式，二者相比，主要差別在于空中接口的物理層上，LTETDD系統(tǒng)上下行則使用相同的頻段在不同的時隙上傳輸，LTEFDD系統(tǒng)空口上下行傳輸采用一對對稱的頻段接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，高層信令除了媒質(zhì)接入控制(MAC)層和無線資源控制(RRC)層有少量差別外，其他方面基本一致。表4.1為LTETDD和LTEFDD主要技術(shù)對比。4G頻段，中國移動獲得了1880～1900?MHz、2320～2370?MHz、2575～2635?MHz共130?MHz的頻段；中國聯(lián)通獲得了2300～2320?MHz、2555～2575?MHz共40?MHz的頻段；中國電信獲得了2370～2390?MHz、2635～2655?MHz共40?MHz的頻段。各國頻率監(jiān)管機構(gòu)為4G移動通信運營商分配某些頻段內(nèi)的某些頻率，供其4G無線接入網(wǎng)絡(luò)使用。LTE承載帶寬根據(jù)信道帶寬BWchannel和傳輸帶寬配置NRB理論進行定義。NRB定義為在LTE中分配的資源塊(RB)數(shù)。一個RB包