LTE系统及关键技术随着移动通信技术的发展，全球微波互联接入技术（World interoperability Microwave Access，WiMAX）也得到了迅速的发展。在 2004 年，第三代合作伙伴计划（3Rd Generation Partnership Project ， 3GPP ）组织提出了通用移动通信系统（Universal Mobile Telecommunication System，UMTS）的长期演进技术（Long Term Evolution，LTE）。3GPP组织提出 LTE 技术的目的是为了与WiMAX技术进行竞争，同时改善通信系统的性能。LTE 系统的基本结构与性能要求LTE 系统的基本结构3GPP 组织启动LTE技术的直接原因好像是为了与 WiMAX 技术竞争，但是其主要原因是移动通信技术与宽带无线接入技术（Broadband Wireless Access，BWA）之间的相互融合。宽带无线接入技术是对传统的宽带有线接入技术进行的改进，它的发展过程是：从固定的无线局域网（IEEE 802.11x）发展到固定的无线城域网（IEEE 802.16d）,然后再向无线广域网（IEEE 802.11e）发展。宽带无线接入技术具有较高的无线接入数据速率，并且它的发展方向是从固定技术发展到游牧技术，最终发展到可以实现广域网络的移动性。这个发展过程主要体现了宽带无线接入技术移动化的趋势。然而无线移动通信技术则与之不同，因为移动通信技术的主要优势在于移动性和漫游性，并且随着移动通信技术的继续发展，它的主要发展方向是高速化和宽带化。所以3GPP组织和 3GPP2组织分别提出了向高速分组接入技术（High Speed Packet Access，HSPA）和高速分组数据技术（High Rate Packet Data，HRPD）演进，即在能够保持蜂窝移动通信能力的同时，进一步提高移动通信网络的接入能力，提高数据的传输速率。这也主要体现了移动通信向宽带化发展的趋势。在 2004 年11月，因为面临着移动通信技术的宽带化和无线接入技术的移动化的挑战， 3GPP组织启动了关于 LTE 技术的研究工作。在 LTE 技术的研究过程中，一些移动通信运营商和通信设备制造商提出需要保护对于 3G 技术的投资，并且不应该放弃 3G技术的相关优化工作，所以在 2006 年，3GPP 组织又对 HSPA 技术的演进做了进一步的规。在 2006 年9月，3GPP组织已经顺利地完成了 LTE 技术的研究阶段（Study Item，SI），并且在 2008 年底已经基本完成了 LTE 技术的工作阶段（Work Item，WI）标准的制定，对于具体的商业应用估计要到 2010 年左右。目前，已经有很多国外通信设备制造商都在加紧进行对 LTE 系统和 SAE 系统中的相关设备的研究开发工作。图2.1显示了WCDMA与LTE之间的演进关系。与高速下行分组接入技术不同，LTE 技术不具有后向兼容性。LTE 技术虽然只制定了关于 3G 无线接入网部分的长期演进计划，但是对于整个无线通信网络的体系架构来说，核心网和接入网的地位是同等重要的。实际上，3GPP 组织在2005年启动的系统演进项目包括两个主要部分：一个是LTE，在3GPP规中使用的名称是E-UTRAN（Evolved UTRAN）；另一个是整体系统结构演进（System Architecture Evolution，SAE），3GPP 规里正式使用的名称是演进的分组核心网（Evolved Packet Core network，EPC），主要目的是研究核心网络的功能和组织结构。完整的 UMTS 演进体系由 E-UTRAN 和 EPC 共同组成，总称为演进的分组系统（Evolved Packet System，EPS）。演进的分组系统的主要目标是为了推动 3GPP系统向着更高的数据传输速率、更低的网络传输时延、更加优化的数据传输业务、更大的通信系统容量和更大的通信系统覆盖围、更高的频谱利用率以及更低的通信网络运营成本的方向演进。LTE 系统的结构可以分为两个主要部分，包括演进后的核心网部分和演进后的接入网部分。在LTE接入网部分中，网元设备只由演进型基站（evolved Node B，eNB）构成，形成了更加扁平化的系统网络结构。演进型基站提供在用户终端设备（User Equipment，UE）终止的用户面和控制面的通信协议。其中，用户面的通信协议主要包括分组数据汇聚协议（Packet Data Convergence Protocal，PDCP）、媒体接入控制协议（MediumAccess Protocal，MAC）、无线链路控制协议（Radio Link Control，RLC）、物理层协议（Physical Layer，PHY）等；控制面的通信协议主要包括无线资源控制协议（Radio Resource Control，RLC）。演进型基站之间通过 X2 接口互相连接，演进型基站与演进的分组核心网之间通过S1接口互相连接。具体地说，演进型基站通过 S1-MME接口与移动管理实体（Mobility Management Entity，MME）相连，同时通过S1-U接口与服务网关（Serving Gateway，S-GW）相连。S1接口能够支持MME/S-GW和eNB之间多对多的连接。LTE 系统的基本架构如图 2.2 所示：演进型基站的主要功能如下：（1）提供无线资源的管理，包括无线承载、无线通信的接入控制、通信链路的移动性管理、对于用户终端的上下行通信链路的资源调度等功能；（2）提供对于用户数据流的 IP 数据压缩和加密的功能；（3）当用户终端提供的信息不能够确定所要连接的移动管理实体的路由时，eNB 为其提供一个归属的移动管理实体；（4）提供用户面的数据到服务网关的路由；（5）调度和传输由移动管理实体发起的寻呼消息；（6）调度和传输由移动管理实体发起的广播消息；（7）测量用户终端的移动性和调度无线资源，并且能够配置相应的测量报告；（8）对于移动管理实体发起的地震和海啸预警系统（Earthquake and Tsunami Warning System，ETWS）消息进行调度和传输。移动管理实体的主要功能如下：（1）处理非接入层（Non-Access Stratum，NAS）信令；（2）向演进型基站发送寻呼消息；（3）对接入层进行安全控制；（4）对于涉及到核心网络节点之间的信令控制的移动性管理；（5）UE 处于空闲模式和激活模式下的跟踪区（Tracking Area，TA）列表管理；（6）对于 PDN 网关（PDN Gateway，P-GW）和 S-GW 进行选择；（7）提供漫游和鉴权功能；（8）提供包括专用承载建立的承载管理功能。LTE 系统的性能要求LTE 系统的主要性能要求如下：（1）提供更高的系统容量：（a）目标峰值传输速率：在 20MHz 带宽下，要求系统能够提供的下行数据传输速率大于 100Mbps，上行数据传输速率大于 50Mbps；要求 LTE 系统的系统容量为下行 34倍于高速下行分组接入（HSDPA），上行 23 倍于高速上行分组接入（HSUPA）；（b）在实验的条件下，LTE 系统的最高频谱效率可以达到 1020bps/Hz。（2）具有更加灵活的频谱分配：（a）带宽和频谱资源的分配灵活，可以根据不同通信业务的需求，支持 1.25MHz、1.6 MHz、2.5 MHz、5 MHz、10 MHz、15 MHz、20 MHz 七种不同的带宽；（b）能够支持对称和非对称的频谱资源分配。（3）能够支持无缝移动：（a）提高处于小区边缘的用户吞吐量；（b）需要支持与现有 3GPP 系统和非 3GPP 系统的互操作；（c）进一步优化 15km/h 以下的低速率移动通信业务，同时能够支持 120350km/h的高速移动通信业务。（4）系统的覆盖要求：（a）5km 以的的小区覆盖围都要满足上述提出的系统频谱效率、系统容量的要求和移动性目标；（b）当小区覆盖半径达到 30km 的时候，允许系统的性能有轻微下降；（c）如果条件允许时，小区的通信半径最大可以达到 100km。（5）要求更低的成本：（a）降低网络结构和设备终端的复杂度，并且使得系统的功率消耗在可接受的围之；（b）系统使用统一的 IP 协议。（6）通信网络的功能和演进目标：（a）要求通信系统以分组域业务为主要目标；（b）需要降低无线通信网络的传输时延：用户平面的传输时延需要小于 10ms，控制平面的传输时延需要小于 100 ms；（c）充分考虑到移动通信多媒体广播与多播业务、VoIP 等实时性业务的 QoS 达到电路域水平；（d）能够进一步支持增强型 IMS 与核心网络；（e）强调系统的后向兼容性，同时考虑了系统对于性能和容量增强等方面之间的折中问题。LTE 系统的帧结构LTE 系统可以支持两种基本的工作模式，频分双工（FDD）和时分双工（TDD）；可以支持两种不同的无线帧结构，即 Type1 帧结构和 Type2 帧结构，这两种类型帧的帧长均为 10ms。在这里提到的帧结构是指无线帧的结构。通过定义帧结构，可以约束数据的发送时间来保证收发的正常进行。Type1 帧结构可以适用于 FDD、TDD 两种工作模式，Type2 帧结构只能适用于 TDD 工作模式。FDD 方式是指上下行通信链路的信号传输使用不同的频段，且上下行通信链路的带宽要一致，即要求对称的频谱。在上下行通信链路的频带之间还要有称为双工方式间隔的保护频带；TDD 方式是指发送和接收信号在相同的频段，上下行通信链路的信号在不同的时间段发送并区分，支持上下行通信的非对称频段传输。显然在频谱资源利用的方面，TDD 方式比 FDD 方式更加灵活。注意，这里提到的帧结构是指从基站的角度看到的帧结构。如果从用户终端的角度看，由于受到传播时延的影响，不同的用户终端接收到的数据，即下行传输数据的到达时间，以及上行通信链路发送数据的时间是不相同的。一个无线帧需要包括三个部分：上行传输部分、下行传输部分和保护间隔部分。Type1 帧结构如图 2.3 所示。一个 10ms 的无线帧（Radio Frame）被平均分成了 10个子帧（Sub-frame）。并且每个子帧可以分为两个连续的时隙（Slot），每个时隙的长度为 0.5ms。每个子帧不仅可以作为上行链路子帧，而且也可以作为下行链路子帧。另外，在每一个无线帧的第一时隙和第六时隙处包含同步周期。在TDD系统中，由于上下行通信工作在同一频率，所以需要 TDD 帧结构能够同时给出上下行通信链路占用资源的时间和位置信息。Type2 帧结构如图 2.4 所示。Type2 帧分为 2 个 5ms 的半子帧（Half-frame），并且他们是完全相同的。其中，每个半子帧分为 5 个子帧，每个子帧（对应于 FDD 模式下的一个子帧）的时间长度为 1ms。同步和保护周期插在 0 号子帧和 2 号子帧之间，同步和保护周期包括下行同步时隙（Downlink Pilot Time Slot，DwPTS）、保护周期（Guard Period，GP）和上行同步时隙（Uplink Pilot Time Slot，UpPTS）。0 号子帧、5 号子帧和下行同步时隙总是供下行传输使用，2 号子帧、7 号子帧和上行同步时隙总是供上行传输使用。OFDM 基本原理正交频分复用技术（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）是由多载波调