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1、 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
2、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
3、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， 3
4、GPP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
5、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 C
6、ore 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
7、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
8、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
9、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
10、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
11、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。
12、（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
13、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
14、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
15、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
16、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
