LTE第一章 介紹

　　目的：從歷史角度分析出LTE需求和關鍵技術特性。

       方法：從回顧UMTS和GSM架構和介紹這兩種系統使用的技術術語開始，討論致使LTE發展的問題、展現UMTS怎樣演進到LTE和LTE-A。

 

1.1 UMTS和GSM架構回顧

1.1.1 high level architecture

       LTE由3GPP（Third Generation Partnership Project）組織設計，全稱爲3GPP Long Term Evolution。LTE由早期的3GPP系統UMTS（Universal Mobile Telecommunication System）演進而來，而UMTS由GSM（Global System for Mobile Communications）演進而來。首先經過回顧UMTS和GSM的架構、技術術語來引入LTE。

 

       A mobile phone network官方稱爲PLMN（public land mobile network），且由網絡運營商管理。UMTS和GSM共享公共的網絡架構，如圖1.1所示。

 

       架構存在3個主要部件：核心網core network、無線接入網radio access network和移動電話mobile phone。

       核心網包含2個域：CS（circuit switched）域，它與PSTN（public switched telephone network）進行話音通訊；PS（packet switched）域，它與PDNs（packet data networks）進行數據通訊。

       無線接入網處理核心網與用戶間的無線通訊。針對不一樣系統，分爲GERAN（GSM

EDGE radio access network）和UTRAN（UMTS terrestrial radio access network）。在GSM和UMTS中使用不一樣的無線接入技術，但在覈心網是相同的。

       用戶設備官方稱爲UE（user equipment），通俗稱爲mobile。它與無線接入網經過空中接口（air interface）通訊，也稱爲radio interface。從網絡到UE方向稱爲DL（downlink）或forward link，而從UE到網絡方向稱爲UL（uplink）或reverse link。

       UE可經過漫遊（roaming）在不一樣的網絡中訪問。

 

1.1.2 architecture of radio access network

       圖1.2爲UMTS的radio access network。

　　最重要的部件是基站（base station，BS），在UMTS中稱爲Node B。Node B具備一個或多個天線，每一個天線對應一個扇區，典型的BS由3個天線構成。

       cell具備不一樣含義：在歐洲，每一個cell對應一個扇區；在USA，它意味着一個BS控制的一組扇區。在本書中，均採用歐洲含義用法。

       每一個cell具備有限大小、有限容量。分爲Macrocells、microcells、picocells、femtocells。

       在空中接口上，每一個UE和BS在一個特定無線頻率上傳輸，稱爲carrier frequency。在carrier frequency周圍，它佔據必定寬度的頻譜，稱爲bandwidth。

       空中接口隔離來自不一樣mobiles到同一BS的傳輸，確保它們不干擾。UMTS經過FDD、TDD兩種方式實現。

       空中接口也隔離不一樣BS和不一樣mobiles的干擾，在第三、第4章實現。

       當UE從一個cell到另外一個cell時，它必須中止和前一個cell通訊且開始和後一個cell開始通訊，依據不一樣狀況，使用2種不一樣技術實現：handover（握手）和cell reselection（小區重選擇）。在UMTS中，UE可和多個cell通訊，這個狀態稱爲soft handover。

       BS由稱爲RNCs（radio network controls）的設備組織在一塊兒。它有2個做用：在BS和核心網之間傳遞用戶的話音和數據業務、依據信令消息控制用戶的無線通訊。 

       GSM的radio access network有相似設計，BS稱爲BTS（base transceiver station），控制器稱爲BSC（base station controler）。

 

1.1.3 architecture of core network

       圖1.3爲核心網（core network， CN）的內部架構。

 

       在CS域，MGWs（media gateways）從網絡的一個部分route phone calls到另外一個部分，而MSC（mobile switching centre）servers處理創建、管理和銷燬phone calls的信令消息。分別進行業務和信令處理功能。

       在PS域，GGSNs（GPRS support nodes）做爲外部世界的服務器和PDN的接口。SGSNs（Serving GPRS support nodes）在BS和GGSN之間route數據，而且處理創建、管理和銷燬數據流的信令消息。

       HSS（home subscriber server）是一箇中心數據庫，包含全部網絡的用戶且在兩個域之間共享。它融合了早期的HLR（home location register）和AuC（authentication centre）的功能。

 

1.1.4 communication protocols（通訊協議）

       與其它通訊系統相似，GSM和UMTS使用硬件和軟件協議。最好的方式是經過Internet使用的協議示例。這些協議由IETF（Internet Engineering Task Force）設計，並分紅層（layers），每一層處理髮送和接收的一個方面。一般組成七層OSI協議。

 

       如圖1.4所示，假定web server發送數據給用戶browser。第一步，application layer protocol，這裏爲HTTP，接收來自服務器應用軟件的信息，以一種用戶的應用層最終能理解的方式向下傳給下一層。其它應用層協議包括SMTP、FTP等。

       transport layer管理端到端的數據傳輸。有2個主要協議：TCP和UDP。

       network layer，IP協議從源到目的使用目的設備的IP地址以正確的路徑發送包。這個過程由中間路由器處理，它經過應用協議最底下三層檢查目的IP地址。data link layer管理包從一個設備到另外一個設備的傳輸。最後，physical layer處理實際傳輸的細節。Internet可使用任何合適的協議用於最下兩層，如Ethernet。

 

       在發送機協議棧的每一層上，一個協議收到該層上面的以service data unit（SDU，服務數據單元）到達的數據包，它處理這個包，添加上描述本層處理的頭部，以protocol data unit（PDU，協議數據單元）的形式發出。到達下層後，本層輸出的PDU稱爲下層到達的SDU。接收機將反向處理，去掉本層頭部，將剩餘的向上送出。

       這些協議處理細節在UMTS和GSM中詳細描述，咱們將直接描述第2章的LTE協議。

 

1.2 移動通訊系統歷史

1.2.1 from 1G to 3G

       這裏只是大體描述發展過程，對於詳細歷史，請另行參閱。

       1G系統使用模擬通訊技術。

       2G系統第一次使用數字技術，最重要的2G系統爲GSM（ Global System for Mobile Communications ）。另外一個是IS-95，也稱爲cdmaOne。

       2G通訊系統的成功同時也使得internet發展。網絡運營商將這兩種技術結合使得用戶可以下載數據到移動設備上。爲了這樣作，2.5G系統經過引入核心網的分組交換域而且修改空中接口，使得它能處理話音和數據。GPRS將這些技術引入GSM，而IS95發展到IS95B。

       爲了提升數據率，設計者使用EDGE（Enhanced Data Rates for GSM Evolution）提升2G系統性能，以後在2000年以後引入更高性能的3G系統。3G系統使用不一樣於2G系統的發送和接收技術。

 

1.2.2 3G系統

       世界的主流3G系統爲UMTS（Universal Mobile Telecommunication System）。UMTS由GSM發展而來，經過徹底改變空中接口，而幾乎對核心網未改變。這個系統經過引入3.5G技術HSDPA（high speed downlink packet access）和HSUPA（high speed uplink packet access），合起來稱爲HSPA（high speed packet access），來加強數據應用。

       UMTS空中接口有2個輕微應用區別。WCDMA（Wideband code division multiple access）是最初規範版本，也是世界上應用最廣的。TD-SCDMA（Time division synchronous code division multiple access）是WCDMA的衍生版本，由中國開發，目的是減小對西方技術和西方公司的國家依賴。

       WCDMA和TD-SCDMA有兩個主要技術區別：一、WCDMA使用FDD劃分BS和用戶的傳輸，而TD-SCDMA使用TDD。二、WCDMA使用5MHz的帶寬，而TD-SCDMA使用1.6MHz。

 

       cdma2000由IS-95發展而來，主要用於北美。

       UMTS和cdma2000的空中接口主要有3個技術區別：一、cdma2000使用1.25MHz帶寬；二、cdma2000可以後向兼容IS-95，即IS-95手機能夠與cdma2000基站通訊，但UMTS不能後向兼容GSM；三、cdma2000隔離話音和數據到不一樣的載波頻率上，UMTS容許它們能夠共享同一載波頻率。

 

       最後的3G技術爲WiMAX（Worldwide Interoperability for Microwave Access）由IEEE下的IEEE 802.16標準開發。最初規範爲IEEE 802.16-2001，以後的版本爲fixed WiMAX（IEEE 802.16-2004），支持在固定BS和一些UE之間的點對多點通訊；在以後爲mobile WiMAX（IEEE 802.16e），容許UE移動且可以與BS握手。

 

1.3 LTE需求

（1）移動數據的增加

（2）移動通訊系統的容量

              C = Blog2（1+SINR）

（3）系統容量的增長：更小的小區、帶寬增長、提升通訊技術，提升SINR。

（4）其它推進

       首先，2G和3G運營商要維護兩個核心網：話音CS域和數據PS域。網絡不是太擁擠時，可用VoIP傳輸話音，即運營商想全部都遷移到PS域。其次，想要減小網絡的端到端時延。第三，對於UMTS和GSM的規範愈來愈複雜，系統升級維護愈來愈困難。

 

1.4  從UMTS到LTE

1.4.1 The high level architecture of LTE

 

       圖1.8爲從UMTS演進的架構。在新架構上，EPC（evolved packet core）直接替換爲GSM和UMTS的PS域，它使用分組交換技術將全部信息類型傳遞到用戶，話音經過VoIP。

E-UTRAN（evolved UMTS terrestrial radio access network）處理EPC和UE的無線通訊，它是UTRAN的直接替換。UE仍然稱爲user equipment，儘管它的內部操做與以前很大不一樣。

      

       新架構被兩個3GPP工做組的一部分設計，即SAE（system architecture evolution）處理核心網，LTE（long term evolution）覆蓋無線接入網、空中接口和UE。官方上整個系統稱爲EPS（evolved packet system），如今LTE已經稱爲整個系統的代名詞，咱們將用LTE來講明整個系統。

 

1.4.2 Long Term Evolution

       規範需求最終致使LTE空中接口的細節設計，這將在第3-10章講述。表1-1描述了與WCDMA的關鍵技術區別：

 

 

1.4.3 System Architecture Evolution

       EPC使用IP路由包，支持IPV4/IPV6或混合設備；EPC提供用戶對外部世界的always-on鏈接。

       EPC設計爲數據管道，僅僅給用戶傳輸或接收用戶數據，它不關心任何信息中心或應用。所以，話音應用不是LTE的一部分，話音呼叫由外部實體IMS（IP multimedia subsystem）控制。不像Internet，EPC包含指定和控制數據率、時延、誤碼率等的機制。

       表1-2和1-3描述了RAN（radio access network）和EPC的關鍵特性，這將在第2章和第11-15章描述。