3G-LTE技術(shù)特征與應(yīng)用發(fā)展

蔣夢圓，濮圣維

(1. 江蘇電信股份有限公司無錫分公司 云計(jì)算運(yùn)行中心，江蘇 無錫 214000；2. 江蘇出入境檢驗(yàn)檢疫局 機(jī)電產(chǎn)品及車輛檢測中心，江蘇 無錫 214000)

1G模擬式移動(dòng)通信系統(tǒng)僅提供語音服務(wù)。2G數(shù)字式移動(dòng)通信系統(tǒng)引入了GPRS分組數(shù)據(jù)承載技術(shù)，但是數(shù)據(jù)無線傳輸速率只有9.6Kb·s-1，上限為32Kb·s-1。3G移動(dòng)通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)無線傳輸速率正常為2Mb·s-1，其工作頻段為806～960MHz，1710～1885MHz，2500～2690MHz，ITU推薦將1980～2010 MHz和2170～2200MHz波段用于移動(dòng)衛(wèi)星。而3G-LTE移動(dòng)通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)無線傳輸速率需保證至少20Mb·s-1，700MHz頻段因模擬電視逐步淘汰而被視為寬帶移動(dòng)技術(shù)即將使用的無線波段；3G-LTE 移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)特征是由用戶設(shè)備(UE)、演進(jìn)型地面無線接入網(wǎng)(E-UTRAN)、演進(jìn)分組核心(EPC) 三組件基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)而成，下載使用OFDMA，峰值下載速率為100Mb·s-1，上傳使用SC-FDMA，峰值上傳速率為50Mb·s-1，支持頻分雙工(FDD)和時(shí)分雙工(TD)通信并接受使用同樣無線連接技術(shù)的時(shí)分半雙工通信[1-2]。

1 3G-LTE的技術(shù)特征

第三代移動(dòng)通信伙伴計(jì)劃3GPP采用了W-CDMA無線空中接口標(biāo)準(zhǔn)，支持2Mb·s-1無線數(shù)據(jù)傳輸速率；核心網(wǎng)(CN)的電路交換CS域與GSM完全相同，分組交換PS域采用GPRS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，即(G)MSC服務(wù)器由呼叫控制和移動(dòng)控制信令組織，將用戶—網(wǎng)絡(luò)信令轉(zhuǎn)換成網(wǎng)絡(luò)—網(wǎng)絡(luò)信令，CS-MGW電路交換媒體網(wǎng)關(guān)可支持媒體轉(zhuǎn)換，承載控制和有效載荷處理；引入了多媒體子系統(tǒng)IMS，可以采用會(huì)話發(fā)起SIP協(xié)議進(jìn)行端到端的呼叫控制與支持無線下行10Mb·s-1數(shù)據(jù)鏈路分組接入(HSDPA)、無線上行5.8Mb·s-1數(shù)據(jù)鏈路分組接入(HSUPA)，重傳延遲小于50ms，HSUPA還可以使上行的吞吐量比W-CDMA多出20%～50%；R6版核心網(wǎng)引入了多媒體廣播/組播業(yè)務(wù)(MBMS)，R7版本加強(qiáng)了IMS支持XDSL固定接入方式；而會(huì)話發(fā)起SIP信令控制協(xié)議定義了通信設(shè)備之間的相互連接與信息交換，可配置和管理通信設(shè)備之間任何類型的媒體會(huì)話。

3GPP對3G-LTE進(jìn)行了詳細(xì)描述，使其具有向下兼容等技術(shù)特征[3-4]。

1) 3G- LTE 的下行調(diào)制技術(shù)采用了正交頻分多址(OFDMA)，上行調(diào)制技術(shù)采用了單載波頻分多址(SC- FDMA)。采用OFDM的優(yōu)點(diǎn)是對時(shí)延擴(kuò)展有較強(qiáng)的抵抗力，減小了符號間干擾，保證了在密集環(huán)境下系統(tǒng)魯棒性，因此提高了數(shù)據(jù)無線傳輸速率，可使數(shù)據(jù)下行峰值傳輸速率為100Mb·s-1，數(shù)據(jù)上行峰值傳輸速率為50Mb·s-1。

2) 其下行鏈路5 b·s-1·Hz-1與上行鏈路2.5 b·s-1·Hz-1均比3G系統(tǒng)R6版本的HSUPA提高3～4倍，大大提高了帶寬資源的頻譜效率。

3) 3G- LTE采用了協(xié)作的多輸入多輸出MIMO，在發(fā)射端和接收端均采用陣列天線與多通道，提高了系統(tǒng)傳輸速率；整體架構(gòu)上基于分組交換，通過嚴(yán)格保證的QoS機(jī)制實(shí)現(xiàn)了如VoIP的實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)服務(wù)，系統(tǒng)可支持成對或非成對頻譜分配。

4) 解決了向下兼容的問題，并使用戶平面的內(nèi)部單向傳輸時(shí)延低于5ms，控制平面的內(nèi)部單向傳輸狀態(tài)時(shí)延低于100ms。

5) 在保持目前基站位置不變的情況下，可增加小區(qū)邊界比特率，對多媒體的廣播/組播業(yè)務(wù)(MBMS)可提供1 b·s-1·Hz-1的數(shù)據(jù)無線傳輸速率，支持已有的3G系統(tǒng)和非3GPP規(guī)范系統(tǒng)的兼容協(xié)同運(yùn)作。

3G-LTE采用OFDM技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)正交傳輸，無線傳輸側(cè)以MIMO和64QAM技術(shù)保證數(shù)據(jù)的下、上行接入峰值速率分別為100Mb·s-1和50Mb·s-1，同時(shí)，3G-LTE系統(tǒng)只存在PS域，3G-LTE對3G系統(tǒng)的NodeB，RNC，CN進(jìn)行了功能整合，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備簡化為eNodeB，也稱演進(jìn)型地面無線接入網(wǎng)(E-UTRAN)和演進(jìn)分組核心(EPC)兩種網(wǎng)元；其中eNodeB與EPC通過S1接口連接，eNodeB之間通過X2接口連接，用戶設(shè)備(UE)與eNodeB通過Uu接口連接，系統(tǒng)不同部分之間的接口Uu，S1和SGI見圖1。

圖1 3G-LTE的通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

3G-LTE移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的用戶設(shè)備(UE)內(nèi)部結(jié)構(gòu)中，移動(dòng)終端(MT)處理所有的通信功能，通用集成電路卡UICC(Universal Integrated Circuit Card)運(yùn)行通用用戶識(shí)別模塊(USIM)的應(yīng)用程序，USIM存儲(chǔ)用戶信息，如鑒權(quán)密鑰、短消息、付費(fèi)方式等。

3G-LTE移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的演進(jìn)通用UMTS地面無線接入網(wǎng)E-UTRAN(UMTS Terrestrial Radio Access Network)：處理移動(dòng)與演進(jìn)分組的組件是由多個(gè)演進(jìn)式基站eNB(Evolved NodeB)組織而成，3G-LTE的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)采用eNB發(fā)送和接收無線傳輸數(shù)據(jù)到移動(dòng)用戶設(shè)備，eNB通過S1接口與EPC連接，詳見圖2。

圖2 3G-LTE的演進(jìn)UMTS地面無線接入網(wǎng)架構(gòu)

3G-LTE移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的演進(jìn)分組核心(EPC)體系結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 3G-LTE的演進(jìn)分組核心EPC的體系架構(gòu)

3G-LTE演進(jìn)分組核心網(wǎng)EPC(Evolved Packet Core)支持用戶對網(wǎng)絡(luò)性能和帶寬標(biāo)準(zhǔn)的要求，PS域可承載數(shù)據(jù)和語音業(yè)務(wù)，既支持與現(xiàn)有3GPP接入方式的互通，也支持非3GPP(如WiFi，WiMAX，CDMA)的接入，可實(shí)現(xiàn)用戶在3GPP網(wǎng)絡(luò)與非3GPP網(wǎng)絡(luò)之間的切換[5]1-6。EPC主要包括5個(gè)基本網(wǎng)元：移動(dòng)性管理實(shí)體(MME)、服務(wù)網(wǎng)關(guān)(S-GW)、分組數(shù)據(jù)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)(P-GW)、策略計(jì)費(fèi)功能實(shí)體(PCRF)、歸屬用戶服務(wù)器(HSS)。歸屬用戶服務(wù)器(HSS)是用戶的主數(shù)據(jù)庫，支持網(wǎng)絡(luò)實(shí)體處理呼叫/會(huì)話的相關(guān)簽約信息，包括HLR和鑒權(quán)中心(AuC)。

2 3G-LTE的應(yīng)用發(fā)展

3G-LTE移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)部署靈活，可使用現(xiàn)有的3G系統(tǒng)頻段，也可以選擇在700MHz 頻段的工作頻段，充分保證寬帶下行100Mb·s-1業(yè)務(wù)承載能力，使3G- LTE手機(jī)終端上網(wǎng)速度更快，實(shí)現(xiàn)手機(jī)電視、手機(jī)會(huì)議、手機(jī)教學(xué)、手機(jī)商務(wù)，使人們的生活便捷與舒適[6-8]。

1) VoIP網(wǎng)絡(luò)電話(Voice over Internet Protocol)通過互聯(lián)網(wǎng)傳輸語音、文本、圖片、視頻等數(shù)據(jù)。VoIP網(wǎng)絡(luò)電話通過互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議進(jìn)行語音傳送，其原理是，對語音信號進(jìn)行編碼數(shù)字化，壓縮處理成壓縮幀，轉(zhuǎn)換為IP數(shù)據(jù)包在互聯(lián)網(wǎng)上傳輸。3G-LTE可以通過軟件無線電技術(shù)(SRD)植入增值服務(wù)實(shí)現(xiàn)VoIP應(yīng)用，可支持PC to PC，IP to PSTN，PSTN to IP，PSTN to PSTN，IP to IP等通信模式，讓用戶從此可以享受更低的通話費(fèi)用及多媒體增值服務(wù)。

2) 移動(dòng)電視是指在汽車等可移動(dòng)物體內(nèi)通過電視終端以接受無線信號的形式收看電視節(jié)目的應(yīng)用。無線數(shù)字電視臺(tái)通過地面發(fā)射塔發(fā)射數(shù)字微波信號經(jīng)空中傳播。接收設(shè)備由天線、接收機(jī)、用戶卡組成，天線一般為網(wǎng)狀天線，接收機(jī)的作用是對天線接收的數(shù)字信號進(jìn)行解碼，移動(dòng)電視用戶卡的作用是識(shí)別用戶合法的身份。而3G-LTE增大容量將會(huì)挑戰(zhàn)現(xiàn)有的移動(dòng)電視廣播技術(shù)，多媒體廣播/組播(MBMS)技術(shù)可將無線數(shù)字電視信號通過移動(dòng)通信網(wǎng)傳送給不同的接收用戶，其傳輸頻段不會(huì)給移動(dòng)通信網(wǎng)資源帶來額外的負(fù)擔(dān)，使開發(fā)手機(jī)電視成為可能，此項(xiàng)技術(shù)已成為手機(jī)電視標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)。

3) 3G-LTE系統(tǒng)引入了OFDM正交頻分復(fù)用、MIMO多輸入多輸出等關(guān)鍵傳輸技術(shù)，提高了頻譜效率和無線數(shù)據(jù)傳輸速率，被認(rèn)為下行峰值傳輸速率為100Mb·s-1，上行為50Mb·s-1，支持FDD-LTE和TDD-LTE兩種傳輸制式，這里指的是LTE在劃分上行UL(Uplink)與下行DL(Downlink)時(shí)采取的不同技術(shù)：采取FDD表示在某一頻段UL，在另一頻段DL，而采取TDD表示在某一時(shí)段允許UL，在另一時(shí)段允許DL，即TDD-LTE代表時(shí)分雙工，也就是說上行、下行在同一頻段上按照時(shí)間交叉分配進(jìn)行，而FDD是上行、下行分處不同頻段同時(shí)進(jìn)行；TDD- LTE系統(tǒng)可按業(yè)務(wù)類型靈活配置TDD-LTE幀的上行、下行配比，如瀏覽網(wǎng)頁、視頻點(diǎn)播特征是下行數(shù)據(jù)量明顯大于上行數(shù)據(jù)量，系統(tǒng)可配置下行幀多于上行幀；而在提供傳統(tǒng)的語音業(yè)務(wù)時(shí)，系統(tǒng)可以配置下行幀等于上行幀。

4) 3G網(wǎng)為語音與數(shù)據(jù)的混合網(wǎng)，其通信協(xié)議兼顧數(shù)據(jù)通路和語音通路。3G-LTE網(wǎng)為純數(shù)據(jù)網(wǎng)，即語音通話采用Vo LTE技術(shù)完全通過數(shù)據(jù)網(wǎng)傳輸，如CDMA通話的數(shù)據(jù)速率為8Kb·s-1。3G-LTE數(shù)據(jù)通信速率為上行50Mb·s-1，下行150Mb·s-1，按照上行速率計(jì)算，3G-LTE網(wǎng)可以擴(kuò)大CDMA而容納6000人同時(shí)通話，按30d計(jì)算，合計(jì)2592000 s，每月只需2.6G的數(shù)據(jù)流量就可保持不間斷通話，同時(shí)3G-LTE手機(jī)芯片只需支持FDD-LTE/TDD-LTE即可，詳見圖4。

圖4 3G-LTE手機(jī)芯片支持FDD-LTE/TD-LTE兩模

5) FDD必須使用成對的收發(fā)頻率，比TDD占用的頻率資源更多。如為純語音通信服務(wù)，F(xiàn)DD信息上傳和下載是對稱并同時(shí)進(jìn)行的，能夠充分利用上行、下行的頻率，效率較高。進(jìn)入移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，用戶上傳數(shù)據(jù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于下載數(shù)據(jù)量，這種非對稱數(shù)據(jù)交換業(yè)務(wù)導(dǎo)致FDD上行頻率的效率大幅下降。而TDD不需要分配對稱的頻率，上行、下行都在同一頻率進(jìn)行且能對發(fā)送和接收時(shí)段的長短比例進(jìn)行靈活控制，在進(jìn)行不對稱的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，可充分利用有限的無線電頻譜資源，因此在移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域TDD-LTE的應(yīng)用效率更高。

3 結(jié)束語

移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)由用戶設(shè)備(UE )、通用地面無線接入網(wǎng)(UTRAN)、核心網(wǎng)(CN )等3 個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)組成，而3G- LTE的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)采用更為扁平化的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，改為用戶設(shè)備(UE)、演進(jìn)型地面無線接入網(wǎng)(E-UTRAN)與演進(jìn)分組核心(EPC)，減少了設(shè)備的數(shù)量，降低了業(yè)務(wù)時(shí)延。WiMAX是采用無線方式實(shí)現(xiàn)的寬帶接入技術(shù)，既有Wi-Fi無線接入技術(shù)的移動(dòng)性，又有XDSL寬帶接入技術(shù)的應(yīng)用性，其技術(shù)優(yōu)勢主要有傳輸距離遠(yuǎn)且接入速度快、系統(tǒng)容量大、可提供廣泛的多媒體通信服務(wù)。在安全保證、互操作性、應(yīng)用范圍等方面，WiMAX采用更靈活、更便宜的無線連接擴(kuò)展其接入網(wǎng)絡(luò)。WiMAX是點(diǎn)對多點(diǎn)，專門為寬帶無線接入和回程而開發(fā)，數(shù)據(jù)吞吐速率可達(dá)703Mb·s-1，傳輸距離可達(dá)50km。為了能夠與支持20MHz的WiMAX寬帶接入技術(shù)抗衡，3G-LTE帶寬須從5MHz擴(kuò)展到20MHz，但3G移動(dòng)通信系統(tǒng)的核心技術(shù)專利為少數(shù)公司持有，專利授權(quán)費(fèi)用已成為廠家的沉重負(fù)擔(dān)，為此，3G-LTE 放棄了長期采用的CDMA技術(shù)而采用OFDM復(fù)用技術(shù)，同時(shí)為了在RAN側(cè)降低用戶面時(shí)延而取消了無線網(wǎng)絡(luò)控制器RNC，無線網(wǎng)絡(luò)由“核心網(wǎng)—基站控制器—基站”變?yōu)椤昂诵木W(wǎng)—基站”，RNC功能大部分被下移到基站。在整體系統(tǒng)架構(gòu)方面，系統(tǒng)框架核心在向4G-LTE同步演進(jìn)：LTE網(wǎng)絡(luò)符合4G下行100Mb·s-1的網(wǎng)絡(luò)通信標(biāo)準(zhǔn)，而4G又以LTE網(wǎng)絡(luò)為主，二者結(jié)合通稱為4G- LTE。4G- LTE分為TDD-LTE與FDD-LTE網(wǎng)絡(luò)制式，4G- LTE最大數(shù)據(jù)傳輸速率超過100Mb·s-1，是3G移動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸速率的50倍，因此4G手機(jī)可接受高性能、高分辨率的匯流媒體，并通過ID應(yīng)用程序成為個(gè)人身份鑒定設(shè)備。如果3G-LTE能為人們提供高速傳輸?shù)亩嗝襟w通信環(huán)境的話，那么4G- LTE通信將是超高速信息無線網(wǎng)絡(luò)，可以使移動(dòng)用戶通過無線實(shí)現(xiàn)三維空間虛擬實(shí)境連線。

[1] 百度百科.3G-LTE[EB/OL].(2015-10-05)[2017-06-16].http://baike.baidu.com/link?url=3UIJLQc1P 617HPmuyykVG9ESvIk26li9yaSgA-JD_-qsNaCqxPbu1Pb34 ps8lyVQoI3P7uJPwqdMZurjwYkQu_.

[2] 王文樹. 3G-LTE技術(shù)簡介及其應(yīng)用前景[J].廣東通信技術(shù),2009(1): 21-24,30.

[3] 徐景,胡宏林,周婷.3GPP LTE標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)展[J].中興通訊技術(shù),2007,13(2):9-12.

[4] 劉琪,李福昌,范斌.LTE精細(xì)化業(yè)務(wù)建模及其應(yīng)用[J].信息通信技術(shù),2015(5):83-90.

[5] BEHMANN F. Impact of wireless (WiFi-WiMAX) on 3G and next gengeration: an intial assessment[C]//IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers).2005 IEEE International Conference on Electro Information Technology.New York：IEEE， 2005.

[6] 王東洋,程鵬,文博,等.LTE與2G/3G PS業(yè)務(wù)互操作方案研究[J].郵電設(shè)計(jì)技術(shù),2013(3):31-35.

[7] 樊勇兵,燕杰,秦潤鋒.移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展對互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的影響[J].電信科學(xué),2009(6):1-7.

[8] 李勁達(dá).移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢探討[J].中國新通信,2016(14):3.