移动通信技术 课件 第4章 LTE的发展背景

4.1什么是4G？

4.24G的特点

4.3LTE的频段GSM网络演进到GPRS/EDGE和WCDMA/HSDPA(HighSpeedDownlinkPacketAccess，高速下行分组接入)网络可以提供更多样化的通信和娱乐业务，降低无线数据网络的运营成本，使无线性能大大提高，但这仅仅是往宽带无线技术演进的开始，在知识产权(IPR)、应对市场挑战和满足用户需求等方面，还有很多局限。而在CDMA通信系统形成的特定历史背景下，3G所涉及的核心专利只被少数公司持有，在IPR上形成一家独大的局面。专利授权费用成为厂家的沉重负担，可以说，3G厂商和运营商在专利问题上处处受到掣肘，业界迫切需要改变这种不利局面。面对高速发展的移动通信市场的巨大诱惑和大量低成本、高带宽的无线技术快速普及，众多非传统移动运营商也纷纷加入了移动通信市场，并引进了新的商业模式。这些新兴力量给传统移动运营商带来了前所未有的挑战，加快了网络的演进，满足用户更多需求，因此提供新型业务成为在激烈竞争中的唯一选择。与此同时，用户期望运营商提供不低于1 Mb/s的无线接入速度、小于20ms的系统传输延迟以及在高移动速度环境下的全网无缝覆盖，但最根本的问题是广大用户要能够负担得起终端设备和网络服务费用。这些要求远远超出了现有网络的能力，因此从空中接口技术和网络结构方面寻找改进的突破口势在必行。WCDMA/HSDPA与无线保真(WiFi)、全球微波接入互操作性(WiMAX)等无线接入方案相比，其空中接口和网络结构过于复杂，虽说在支持移动性和QoS(服务质量)方面具有优势，但在每比特成本、无线频谱利用率和传输时延方面存在明显的缺陷。国内传统电信设备商和运营商在4G正式商用前面临前所未有的挑战。用户的需求，市场的挑战和IPR的掣肘共同推动了3GPP(第3代合作项目)组织在4G出现之前加速制定新的空中接口和无线接入网络标准。2004年11月，3GPP多伦多“UTRAN演进”会议收集了无线接入网R6版本之后的演进意见，在随后的全体会议上，“UTRA和UTRAN演进”研究项目得到26个组织的支持，并最终获得通过。这也表明了3GPP组织运营商和设备商成员共同研究3G技术演进版本的强烈愿望。LTE系统同时定义了频分双工(FrequencyDivisionDuplexing，FDD)和时分双工(TimeDivisionDuplexing，TDD)两种方式，但由于无线技术的差异、使用频段的不同以及各个厂家的利益等因素，LTEFDD支持阵营更加强大，标准化和产业发展都先于LTETDD。2005年12月，3GPP标准化组织经过激烈讨论，批准采用由北电等厂家提出的OFDM和MIMO方案作为LTE的唯一标准。2007年11月，3GPP会议通过了27家公司联署的LTE-TDD融合帧结构的建议，同意了LTE-TDD的两种帧结构。经过漫长的技术改进，2012年1月，3GPP最终确立了LTE标准，它能够实现更高的数据传输速率、更短的时延、更低的成本，更高的系统容量以及改进的覆盖范围来满足市场需求。4G网络及4G业务的应用将不断推动下一代移动网络业务的发展。4.1什么是4G？4G就是第四代移动通信系统，它可称为广带接入和分布式网络，其网络结构是一个采用全IP的网络结构。LTE是应用于手机及数据卡终端的高速无线通信标准，该标准基于旧有的GSM/EDGE和UMTS/HSPA(High-SpeedPacketAccess，高速分组接入技术)网络技术，并使用调制技术提升网络容量及速度。该标准由3GPP于2008年第四季度于Release8版本中首次提出，并在Release9版本中进行少许改良。LTE是3G的演进，并非人们普遍认为的4G技术，只是高速下行分组接入往4G发展的过渡版本，是3.9G的全球标准，LTE关注的核心是无线接口和无线组网架构的技术演进问题。TD-LTE是LTE-TDD的商业名称，尽管被贴上了“TD系列”的标签，但必须澄清的是，TD-LTE和TD-SCDMA其实并没有什么关系，TD-LTE在性质上与TD-SCDMA是完全不同的。事实上，无论是从技术实质和产品构成，还是从标准的形成和开发来看，TD-LTE都不是由TD-SCDMA演进发展而来的，在标准战略上，TD-LTE走的也是一条与TD-SCDMA完全不同的路线，所谓的TD-LTE就是国际主流4G标准LTE中的LTETDD模式。LTEFDD和LTETDD大部分的基础技术都是一样的，主要区别在于FDD为频分双工，而TDD为时分双工。LTE在20 MHz的频谱带宽下能够提供下行326Mb/s与上行86Mb/s的峰值速率。考虑到需要提供比3G更高的数据速率与未来可能分配的频谱，LTE需要支持高于5 MHz的传输带宽，IEEE组织只是针对宽带无线制式的物理层和媒介接入控制层制定了标准，并没有对高层进行规范。LTE技术与其说是演进(Evolution)，不如说是革命(Revolution)，无论是在无线接口技术还是组网架构上，LTE相对于以往的无线制式都发生了革命性的变化。LTE取消了CS域和RNC节点，LTE网络架构更加简单化、扁平化，减少了网络节点和系统复杂度，从而减小了系统延时，改善了用户体验。4.24G的特点4G移动通信系统具有如下特征：传输速率更快：对于大范围高速移动用户(250 km/h)数据速率为2 Mb/s；对于中速移动用户(60 km/h)数据速率为20 Mb/s；对于低速移动用户(室内或步行者)，数据速率为100 Mb/s。频谱利用效率更高：4G在开发和研制过程中使用和引入了许多功能强大的突破性技术，明显提高了频谱效率，比R6的频谱效率提高了2～4倍；4G网络下行速率可达到100～150 Mb/s，比3G快20～30倍，上传的速度也能达到20～40 Mb/s。网络频谱更宽：每个4G信道将会占用100 MHz或是更多的带宽，相当于WCDMA网络的20倍及以上。容量更大：4G将采用新的网络技术(如空分多址技术、载波聚合等)来极大地提高系统容量，以满足未来大信息量的需求。灵活性更强：4G系统采用智能技术，可自适应地进行资源分配，采用智能信号处理技术对信道条件不同的各种复杂环境进行信号的正常收发。另外，用户将使用各式各样的设备接入到4G系统。实现更高质量的多媒体通信：4G网络的无线多媒体通信服务将包括语音、数据、影像等，大量信息透过宽频信道传送出去，让用户可以在任何时间、任何地点接入到系统中，因此4G也是一种实时的、宽带以及无缝覆盖的多媒体移动通信。兼容性更平滑：4G系统具备全球漫游、接口开放、能跟多种网络互联、终端多样化以及能从3G平稳过渡等特点。LTE是新一代宽带无线移动通信技术，LTE以OFDM和MIMO技术为基础，频谱效率是3G增强技术的2～3倍。LTE-Advanced是国际电联认可的第四代移动通信标准。在无线链路方面，1G通信系统采用时分复用，2G系统GSM的无线链路采用时分加频分复用，而IS-95则采用窄带CDMA技术，3G系统UMTS和CDMA2000都以宽带CDMA技术为基础，而LTE系统则以OFDM作为基本的无线链路技术。在早期的以话音业务为主的系统中，信息传输占用的带宽较小，信息传输速率较低。随着数字信号处理技术和射频技术的发展，移动通信系统的无线带宽越来越大，信息传输速率越来越高，呈现出指数增长的态势，如图4.1所示。LTE系统的无线链路峰值速率可达100 Mb/s以上，LTE-A的峰值速率最高可达1 Gb/s以上，LTE-APro的理论峰值速率最高可达25 Gb/s以上，5G的峰值速率最高可达20 Gb/s及以上。21世纪初，“移动”和“高速”这两项移动通信网络的能力，使计算机设备得以随时随地接入互联网，从而催生了移动互联网。特别在3G移动通信系统普及后，移动互联网的用户数和业务种类都在迅猛增长。除了继承传统的信息获取、社交和即时通信等互联网业务外，还出现了支付、学习、游戏、健康等诸多领域的业务。截至2019年9月底，全国1000 Mb/s以上接入速率的固定互联网将全世界数百亿的计算机设备及其背后的人和事物连接在一起，这将会为人类社会带来更多变革。工业和信息化部的数据显示，我国2008年3G投资约为600亿元，2009年3G移动通信网络直接投资1609亿元，共建设通信基站32.5万个，大规模的通信基础设施投资必然带动相关产业的发展。从2010年开始，我国3G无线通信网络尤其是TD-SCDMA制式的3G网络进入二期建设阶段。3G移动通信网络建设深度和广度的延伸，将带来大量的移动通信基础设施投资，从而为我国通信设备制造业的发展提供良好机遇。另一方面，3G移动通信的工作频率多在1800～2400 MHz之间，较2G移动通信的800～900 MHz提高了一倍多。在相同的功率下，随着3G移动通信的发展，其基站在更高工作频率下的覆盖面积将会降低，从而需要增加基站数量，相应的基站设备的市场容量也将增大。我国目前4G移动通信的工作频率较3G更宽更高，所需相应的基站数量与基站设备数量将进一步增多，需要相当高的投资规模。2019年中国移动、中国联通和中国电信4G用户数分别为7.34亿、2.39亿和2.66亿，4G基站数分别为241万、86万和138万。从全球4G网络下载速度来看，中国高于全球平均水平。综合来看，国内运营商4G网络性能位于全球前列。4.3LTE的频段无线电波承担着越来越多的电信业务，而所有的无线电业务都离不开无线电频率，就像车辆必须行驶在道路上。根据无线网络发展，LTE也离不开无线电频率的划分。LTE支持全球2G/3G主流频段，同时支持一些新增频段。目前LTE在不同频段的一个较宽的范围内作定义，每一个频带都具有一个或多个独立的载波。LTE有LTETDD和LTEFDD两种制式，二者相比，主要差别在于空中接口的物理层上，LTETDD系统上下行则使用相同的频段在不同的时隙上传输，LTEFDD系统空口上下行传输采用一对对称的频段接收和发送数据，高层信令除了媒质接入控制(MAC)层和无线资源控制(RRC)层有少量差别外，其他方面基本一致。表4.1为LTETDD和LTEFDD主要技术对比。4G频段，中国移动获得了1880～1900 MHz、2320～2370 MHz、2575～2635 MHz共130 MHz的频段；中国联通获得了2300～2320 MHz、2555～2575 MHz共40 MHz的频段；中国电信获得了2370～2390 MHz、2635～2655 MHz共40 MHz的频段。各国频率监管机构为4G移动通信运营商分配某些频段内的某些频率，供其4G无线接入网络使用。LTE承载带宽根据信道带宽BWchannel和传输带宽配置NRB理论进行定义。NRB定义为在LTE中分配的资源块(RB)数。一个RB包