（通信与信息系统专业论文）3gpplte系统qos技术的研究及改进.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 迫于w i m a x 等移动通信技术的竞争压力，为继续保持3 g p p 系统的竞争优势， 3 g p p 标准组织于2 0 0 4 年适时启动了l t e 与s a e 两项演进计划，以实现3 g 技术 向b 3 g 和4 g 的平滑过渡。l t e 演进技术l t e a d v a n c e d 已满足国际电信联盟所 定义的第四代移动通信的技术要求，某些方面甚至有所超越，能把用户带入真正 意义上的移动互联网时代。l t e 的无线接入网络可以显著提高用户吞吐量和扇区 容量，降低用户可感知的时延，从而大幅提升用户的移动通信体验。l t e - a d v a n c e d 得到了国际主要通信运营企业和制造企业的广泛支持。 提供具有严格服务质量( q o s ) 保证的数据、语音、图像、视频等多种多媒体业 务是目前移动通信系统面临的主要挑战之一。从用户角度来说，q o s 是用户对网 络提供服务的满意程度；而从业务角度来说，则是网络向业务所提供的带宽、延 时、丢包率等参数的指标。本文在简单介绍l t e 系统及m a c 层协议的前提下， 重点对l t e 系统q o s 相关技术进行了分析研究，并提出了一些改进算法和设计。 本文首先介绍了3 g p pl t e 系统，包括发展历程、系统架构、关键技术、技术 优势和t d l t e 相关技术；介绍了l t e 系统的m a c 层协议，包括协议的框架、 结构和功能；设计了一个o f d m 通信系统，包括发射机和接收机，采用m a t l a b 软件编程实现了该系统，并对系统的性能进行了仿真；然后分析了l t e 系统和物 联网技术融合应用的可能性，设计并提出了一种基于l t e 的物联网体系结构，主 要包括国家传感信息中心、l t e 核心传输网和综合接入网三个部分。 接着本文对l t e 系统的q o s 机制进行了研究与改进。首先介绍了无线通信系 统q o s 的演进和l t e 系统原有的q o s 机制，包括e p s 承载概念、承载业务架构、 相关的q o s 参数及属性、e p sq c i 与u m t sq o s 参数映射问题等；然后设计了一 种改进的l t e 系统q o s 架构，新增了缓冲模块、流量整形模块和竞争区域分配模 块，并对上行分组调度模块和接纳控制模块进行了具体设计。 然后本文提出了一种基于l t e 系统的v o i p 服务自适应上行调度算法。首先 介绍了传统的v o i p 调度算法以及提出的改进算法，提出算法采用a m r 编码器， 山东大学硕士学位论文 利用传统m a c 通用报头中的两个比特将语音编码的模式告知e n b ，e n b 根据u e 的语音状态转换和语音编码速率来动态分配上行链路资源。然后从系统容量、吞 吐量和时延方面对比分析了提出算法和传统算法的性能。理论分析和仿真结果表 明，在时延满足要求的前提下，改进算法比传统算法具有更高的系统容量和吞吐 量。 本文还提出了一种基于l t e 系统的d r x 机制的改进算法，改进算法可以实 现睡眠周期的可变倍数增长，并且改进算法可以根据上一次睡眠模式状态阶数确 定下一次初始睡眠间隔，建立了马尔可夫模型，并对算法的性能从能量消耗和时 延方面进行分析，仿真结果表明提出的改进算法总体上具有更好的节能效果和时 延特性。 最后根据提出的d r x 机制改进算法，本文设计发明了一种基于l t e 系统d r x 装置及其控制方法，装置包括业务数据缓存器、控制模块、初始睡眠间隔算法模 块和睡眠间隔算法模块，并给出了利用上述装置进行d r x 周期控制的方法，本发 明装置及其控制方法可以实现睡眠周期的可变倍数增长，并且可以根据上一次睡 眠模式状态阶数确定下一次初始睡眠间隔。 关键词：长期演进( u 飞) ；服务质量( q o s ) ；正交频分复用( o f d m ) ：口语 音( v o m ) 调度；非连续接受( d i ) 2 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t t oe n s u l c o m p e t i t i v ee d g eo v e l o t h e rc e l l u l a rt e c h n o l o g i e ss u c h 缌w i m a x , 3 g p ps t a r t e dw o r ko i lt h el t ea n ds a er e s e a r c hp r o j e c tw i t haw o r k s h o pt h a tw a sh e l d i nt o r o n t oc a n a d ai nn o v e m b e r2 0 0 4 l t e a d v a n c e dm e e t so re x c e e d sa l l i m t - a d v a n c e dr e q u i r e m e n t s l t ei s e x p e c t e d t o s u b s t a n t i a l l yi m p r o v ee n d - u s e r t h r o u g h p u t s ，s e c t o rc a p a c i t ya n dr e d u c eu s e rp l a n el a t e n c y , b r i n g i n gs i g n i f i c a n t l y i m p r o v e du s e fe x p e r i e n c e 谢mf u l lm o b i l i t y l t e - a d v a n c e dh a v eb e e ns u p p o r t e db y a l m o s ta l lt h em a j o ro p e r a t i n gc o m p a n i e sa n dt e l e c o m m u n i c a t i o n sm a n u f a c t u r e r s p r o v i d i n gs t r i c te n d - t o e n dq u a l i t yo fs e r v i c e ( q o s ) g u a r a n t e eo fd a t a , v o i c e ， i m a g e ，v i d e oa n do t h e rm u l t i m e d i as e r v i c e si st h em a j o rc h a l l e n g e s f r o mv i e w o fu s e r ：, q o si st h es a t i s f a c t i o nw i t hs e r v i c e s ；a n df r o ms e r v i c e sp o i n _ t i ti st h ep e r f o r m a n c e p a r a m e t e rs u c h 勰b a n d w i d t h , d e l a y , p a c k e tl o s sr a t ea n ds oo n a f a rg i v e sab r i e f l y i n t r o d u c t i o na b o u tl t es y s t e ma n dt h em a cp r o t o c o l ，t h i sp a p e rf o c u so nt h eq o s r e l a t e dt e c h n o l o g i e s f i r s t l y , t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h e3 g p pl t es y s t e mi n c l u d i n gt h ed e v e l o p m e n t p r o c e s s ，s y s t e ma r c h i t e c t u r e ，k e yt e c h n o l o g y , t d l t et e c h n o l o g ya n dt h es t r u c t u r ea n d f u n c t i o no fm a cp r o t o c 0 1 t h e na no f d mc o m m u _ r f i c a t i o ns y s t e mi n c l u d i n g t r a n s m i t t e ra n dr e c e i v e rw a sd e s i g n e da n dt h ep e r f o r m a n c eo ft h es y s t e mw a sa n a l y z e d t h i sp a p e ra n a l y s e st h ep o s s i b i l i t ya n dn e c e s s i t yo ft h ec o o p e r a t i o no ft h el t ea n dt h e i n t e m e to ft h i n g s ，a n dt h e na l la r c h i t e c t m a lo ft h ei n t e m e to ft h i n g sb a s e do i ll t e s y s t e mi sp r o p o s e d s e c o n d l y , t h eq o s m e c h a n i s mo fl t es y s t e mh a db e e ns t u d i e da n di m p r o v e d t h i s p a p e ri n t r o d u c e st h er o a d m a po fq o s a n dt h ee x i s t i n gq o sm e c h a n i s mi n c l u d i n ge p s b e a r e r , b e a r e rs t r u c t u r ea n dq o sp a r a m e t e r s a n dt h e nt h i sp a p e rp r o p o s e da ne n h a n c e d q o sa r c h i t e c t u r e ，w h i c hi sb a s e do i lt h ee x i s t i n gq o sa r c h i t e c t u r ea n d t h eb u f f e rm o d u l e ， t r a f f i cp o l i c i n gm o d u l e ，c o m p e t i t i v er e g i o n a ld i s t r i b u t i o nm o d u l ea d d e d i na d d i t i o n , t h e u p l i n kp a c k e ts c h e d u l i n gm o d u l ea n dt h ea d m i s s i o nc o n t r o lm o d u l ew e r ed e s i g n e d 3 山东大学硕士学位论文 t h i r d l y , t h i sp a p e rp r o p o s e sa l le f f i c i e n ta d a p t i v eu p l i n ks c h e d u l i n ga l g o r i t h mf o r v o i c eo v e i i n t e m e tp r o t o c o l ( v o l p ) s e r v i c e sw i t ha d a p t i v em u l t i - r a t e 娜) s p e e c h e o d e ei nl t e s y s t e m s i no u rp r o p o s e da l g o r i t h m , t h ee n o d eba d a p t su p l i n kr e s o u r c e s a s s i g n m e n ta c c o r d i n gt ot h et w or e s e r v e db i t s i nt h eg e n e r i cm a ch e a d e r , w h i c hi s u t i l i z e dt oi n d i c , a t et h em o d et r a n s i t i o no fn e x tt a m e t h i sp a p e rg i v e sag e n e r a l l y i n t r o d u c t i o no ft h ec o n v e n t i o n a la l g o r i t h m so j g s ，r t p s ，l e e ，o h ) 够w e l l 鹬t h e p r o p o s e do n e t h ep e r f o r m a n c e so f t h ep r o p o s e ds t r a t e g yi nt e l m so fs y s t e mc a p a c i t y , t h r o u g h p u t , d e l a yo fs y s t e ma 陀a n a l y z e d t h et h e o r e t i c a la n a l y s i s a n ds i m u l a t i o n r e s u l t ss h o wt h a tt h ea v e r a g ea c c e s sd e l a yi n c r e a s e sb u ts t i l lm e e tt h ev o pr e a l - t i m e r e q u i r e m e n t s a n do u ra l g o r i t h mc a l l s u p p o r tm u c hm o l ev o i c e u s e r st h a nt h e c o n v e n t i o n a la l g o r i t h m s f o u r t h l y , t om i n i m i z et h eu ep o w e rc o n s u m p t i o n , ad i s c o n t i n u o u sr e c e p t i o n ( d 鼢p m e c h a n i s mh a sb e e na d o p t e di nl t e ，b u tt h el t ed r xo n l yh a sl o n gd r xc y c l ea n d s h o r td r xc y c l e ，a n di tc a n n o td y n a m i c a l l ya d j u s t st h ec y c l el e n g t ha c c o r d i n gt ot h e q o so fv a r i o u sk i n d so fs e r v i c e s i no r d e rt oo v e r c o m gt h es h o r t c o m i n g sa b o v e ，t h i s p a p e rp r e s e n t sa ni m p r o v e da l g o r i t h mw h i c hc 1 1 1 1a d j u s tt h ec y c l el e n g t ha n da d j u s tt h e i n i t i a ls l e e pi n t e r v a la c c o r d i n gt ot h el a s tc y c l el e n g t h t h e nt h ep e r f o r m a n c e so ft h e p r o p o s e ds t r a t e g yi nt e r m so fe n e r g ye o n s u m p t i o na n dd e l a y l l l - e a n a l y z e d t h e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o p o s e da l g o r i t h mh a sb e t t e rp e r f o r m a n c e s f i n a l l y , a c c o r d i n gt ot h ep r o p o s e da l g o r i t h m , t h i sp a p e rd e s i g n e da n di n v e n t e da d r xd e v i c ea n di t sc o n t r o lm e t h o d sb a s e do nl t es y s t e m t h ed e v i c ei n c l u d e sd a t a b u f f e r , c o n t r o lm o d u l e ，t h ei n i t i a ls l e e pi n t e r v a la l g o r i t h mm o d u l ea n dt h es l e e pi n t e r v a l a l g o r i t h mm o d u l e ，a n dt h ec o n t r o lm e t h o d so fd r xc y c l ec o n t r o ld e v i c ea 他g i v e n t h e d e v i c e 啪a c h i e v eav a r i a b l es l e e pc y c l em u l t i p l e s ，a n da d j u s tt h ei n i t i a ls l e e pi n t e r v a l a c c o r d i n gt ot h el a s tc y c l el e n g t h k e yw o r d s ：l o n gt e r me v o l u t i o n 口e ) ；q u a l i t yo fs e r v i c e ( q o s ) ；o r t h o g o n a l f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ( o f d 峋；v o i c eo v e r i n t e m e tp r o t o c o l ( v o i p ) s e h e d u l i n g ；d i s c o n t i n u o u sr e c e i v e ( d l 4 山东大学硕士学位论文 缩写 3 g p p a m 旧r a m r b c c h b c b s r c c c c c h c o n 伊 c p c r n t i d c c h d r x e n b e p s e _ u 1 r a n g b r g t p u h a r q h s p a i c i o t l t e m a c m 2 m m 旧r 英文缩略语 英文 3 一g e n e r a t i o np a r t n e r s h i pp r o j e c t a g g r e g a t em a x i m u m b i tr a t e a d a p t i v em u l t ir a t e b r o a d c a s tc o n t r o lc h a n n e l b a c k g r o u n dc l a s s b u f f e rs t a t u sr e p o r t s c o n v e r s a t i o n a lc l a s s c o m m o nc o n t r o lc h a n n e l c o o r d i n a t i v em u l t i p l ep o i n t c y c l i cp r e f i x c e ur n l l d e d i c a t e dc o n t r o lc h a r m e l d i s c o n t i n u o u sr e c e p t i o n e v o l v e dn o d eb ( e n o d eb ) e v o l v e dp a c k e ts y s t e m e v o l v e du t ra n g u a r a n t e e db i tr a t e g p r s t u n n e l i n gp r o t o c o lf o ru s e rp l a n e h y b r i da u t o m a t i cr e p e a t - r e q u e s t h i g hs p e e dp a c k e ta c c e s s i n t e r a c t i v ec l a s s i n t e m e to f t h i n g s l o n gt e r me v o l u t i o n m e d i aa c c e s sc o n t r o l m a c h i n et om a c h i n e m a x i m u nb i tr a t e 中文 第三代合作伙伴计划 聚合最大比特速率 自适应多速率 广播控制信道 后台类 缓存状态报告 会话类 公共控制信道 协同多点 循环前缀 小区r n t i 专用控制信道 非连续接受 演进型n o d eb 演进型分组系统 演进型u t r a n 保证比特速率 g p r s 平面隧道协议 混合自动重传请求 高速分组接入 交互类 物联网 长期演进 媒体接入控制 物与物( 通信) 最大比特速率 5 山东大学硕士学位论文 心征! n a s o f d m o n s p b r p c c h p d c p p d n p d u p h y p u c c h q o s r a c r a n r f m r n c r l c s a e s c s c f d m a s d u s t d l t e u e u g s u p s u m t s v o i p 6 m o b i l i t ym a n a g e m e n te n t i t y n o na c c e s ss t r a t r u m o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e o b j e c tn a m e s e r v i c e p r i o r i t i z e db i tr a t e p a g i n gc o n t r o lc h a n n e l p a c k e td a t ec o n v e r g e n c ep r o t o c o l p a c k e td a t an e t w o r k p a c k e t d a t eu n i t p h y s i c a ll a y e r p h y s i c a lu p l i n kc o n t r o lc h a n n e l q u a l i t yo fs e r v i c e r a d i oa d m i s s i o nc o n t r o l r a d i oa c c e s sn e t w o r k r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n r a d i on e t w o r kc o n t r o l l e r r a d i ol i n kc o n t r o l s y s t e ma r c h i t e c t u r ee v o l u t i o n s t r e a m i n gc l a s s s i n g l ec a r r i e rf d m a s e r v i c ed a t au n i t s i l e n c ed e s c r i p t o r t i m ed i v i s i o n - l t e u s e re q u i p m e n t u n s o l i c i t e dg r a n ts e r v i c e u p l i n k p a c k e ts c h e d u l i n g u n i v e r s a lm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n s v o i c eo v e ri p 移动性管理实体 非接入层 正交频分复用 对象名解析服务 设定优先级比特速率 寻呼控制信道 分组数据汇聚协议 分组数据网 分组数据单元 物理层 物理上行控制信道 服务质量 无线接入控制 无线接入网 射频识别 无线网络控制器 无线链路控制 系统架构演进 流媒体类 单载波f d m a 业务数据单元 背景描述 时分l t e 用户设备 主动授予服务 上行分组调度 通用移动通信系统 i p 话音 山东大学硕士学位论文 1 1 论文的选题背景 第一章引言 近年来，我国移动通信业发展非常迅速，工业和信息化部最新公布的2 0 1 1 年 2 月通信业运营数据显示，我国移动电话用户已接近9 亿，达到8 7 8 8 2 9 万户，其 中3 g 用户达到5 5 9 8 9 万户，并仍在高速增长，市场规模巨大。但是，现有移动 通信系统的容量越来越显得不够，难以实现高速数据服务、全球覆盖、国际漫游 等业务。 当前，全球无线通信正呈现出移动化、宽带化和口化趋势，移动通信行业的竞 争日益激烈。为了应对w i m a x 标准的市场竞争，维持在移动通信行业中的竞争 力和主导地位，3 g p p 标准化组织于2 0 0 4 年1 1 月启动了长期演进计划( l t e ) ，以 实现3 g 技术向b 3 g 和4 g 的平滑过渡。l t e 是3 g p p 移动通信网络技术体系的 最新标准，l t e 的问世将进一步增强3 g p p 相对于其他移动通信技术的竞争优势。 l t e 的演迸技术l t e - a d v a n c e a 己满足国际电信联盟所定义的第四代移动通信的技 术要求，某些方面甚至有所超越，能把用户带入真正意义上的移动互联网时代n 。 l t e - a d v a n c e d 得到了国际上主要通信运营企业和制造企业的广泛支持。 l t e 无线接入网络可以显著提高用户吞吐量和扇区容量，降低用户可感知时 延，从而大幅提升用户的移动通信体验。随着互联网协议成为各类业务承载协议， l t e 还将支持基于d 的业务，确保端到端服务质量( q o s ) 。在该网络上，语音业 务主要为口电话( v o i p ) ，以便更好地和其它多媒体业务融合在一起嘲。 和以往将高速分组接入( h s p a ) 技术纳入u m t sr e l e a s e9 9 架构的做法不同， 这次3 g p p 专门开发了一个名为演进型分组核心( e p c ) 网络架构的全新分组核心 网嘲，目的是通过减少网元的数量、简化网络的功能、增强冗余性，最重要的是可 以实现和其他固定或移动接入网络的互联以及切换，支持e - u t r a n 接入技术，从 而帮助运营商为用户带来无缝移动通信体验。 l t e 已设立了很高的性能目标，并依靠诸如正交频分复用( o f d m ) 、多入多 7 山东大学硕士学位论文 出( 加m o ) 、智能天线等物理层技术实现这些目标。l t e 核心宗旨是最大限度降 低系统以及用户终端( u e ) 的复杂度，提高现有或新增频谱的使用灵活性，实现 和其他3 g p p 无线接入技术的互联互通。 提供具有严格服务质量( q l o s ) 保证的数据、语音、图像、视频等多媒体业务是 目前移动通信系统面临的主要挑战之一匝1 。为了保证各种多媒体业务的服务质量， 3 g p p 标准在通用移动通信系统( u m t s ) q a 清晰地定义了端到端的q o s 结构，并引 入了多种承载以及处理机制，以保证u m t s 可以充分发挥自身的技术优势，为用 户提供各种差异化的服务。 1 2 论文的主要工作 本文在阅读了大量相关文献的基础上，对3 g p pl t e 系统的q o s 相关技术进 行了研究和改进。 本文的关键技术点以及创新点包括： o f d m 通信系统设计与仿真 基于l t e 系统的物联网架构设计 l t e 系统q o s 机制的研究与改进 基于l t e 系统的v o p 服务自适应上行调度算法 基于l t e 系统的d r x 机制的改进算法 一种l t e 系统d r x 装置及其控制方法 在研究这些关键技术中，本人申请国家发明专利l 项，以第一作者在国家核 心期刊上发表学术论文2 篇，非核心期刊上发表学术论文2 篇，与他人合作发表 论文4 篇。 1 3 论文的内容安排 论文对3 g p pl t e 系统的q o s 相关技术进行了研究和改进，总共分为六章： 第一章引言：论文的选题背景，关键技术点和创新点，各章主要内容介绍。 第二章l t e 系统及m a c 层协议：本章首先介绍了3 g p pl t e 系统，包括发 展历程、系统架构、关键技术、技术优势和t d l t e 相关技术；接着介绍了l t e 8 山东大学硕士学位论文 系统的m a c 层协议，包括协议的框架、结构和功能；然后设计了一个o f d m 通 信系统，包括发射机和接收机，采用m a t l a b 软件编程实现了该系统，并对系统 的性能进行了仿真，仿真结果表明o f d m 通信系统具有较好的性能；最后分析了 l t e 技术与物联网技术结合的可能性，设计提出了一种基于l t e 的物联网架构。 第三章l t e 系统q o s 机制研究与改进：本章首先介绍了无线通信系统q o s 的演进；接着介绍了l t e 系统原有的q o s 机制，包括e p s 承载概念、承载业务架 构、相关的q o s 参数及属性、e p sq c i 与u m t sq o s 参数映射问题等：最后设计 了一种改进的l t e 系统q o s 架构，新增了缓冲模块、流量整形模块和竞争区域分 配模块，并对上行分组调度模块和接纳控制模块进行了具体的设计。 第四章基于l t e 系统的v o i p 服务自适应上行调度算法：本章首先介绍了传 统的v o 调度算法以及提出的一种基于l t e 系统的v o i p 服务的自适应上行调度 算法，提出算法采用a m r 编码器，利用传统m a c 通用报头中的两个比特将语音 编码的模式告知e n b ，e n b 根据l i e 的语音状态转换和语音编码速率来动态分配 上行链路资源；然后从系统容量、吞吐量和时延方面对比分析了提出算法和传统 算法的性能，理论分析和仿真结果表明，在时延满足要求前提下，新算法比传统 算法具有更高的系统容量和吞吐量。 第五章基于l t e 系统的d r x 机制的改进算法及硬件设计：本章首先简单介 绍了l t e 系统原有的d r x 机制，根据原有机制存在问题提出了d r x 机制改进算 法，然后建立马尔可夫模型，并对算法的性能从能量消耗和时延方面进行分析， 仿真结果表明提出的改进算法总体上具有更好的节能效果和时延特性，最后根据 提出算法设计发明了一种基于l t e 系统d r x 装置及其控制方法，装置包括业务 数据缓存器、控制模块、初始睡眠间隔算法模块和睡眠间隔算法模块，并给出了 利用上述装置进行d r x 周期控制的方法。 第六章总结与展望：对本论文所进行的研究及改进进行了总结，并对l t e 的 应用前景作出了展望。 9 山东大学硕士学位论文 2 1l t e 系统 第二章l t e 系统及m a c 层协议 2 1 1l t e s a e 发展历程 为了满足用户不断增长的业务需求，同时为了适应新技术的发展和移动通信 理念的变革，3 g p p 标准化组织在2 0 0 4 年底启动了长期演进( l 1 e ) 和系统架构演 进( s a e ) 两大计划的标准化工作，以期望能够继续保持3 g p p 在移动通信领域的 技术及标准优势，同时有效填补第三代移动通信系统和第四代移动通信系统之间 存在的巨大技术差距。 l t e s a e 网络总体目标包括两个方面：一是性能的提高，即提供更高的用户 数据传输速率，提升系统容量和覆盖率，减小传输时延，降低运营成本；二是实 现一个能够支持多种接入技术灵活接入的、基于全的分组数据核心网络，并保 证业务的连续性m 1 。3 g p p 组织对l t e s a e 网络的具体需求进行了立项研究，总结 起来，l t e s a e 网络将是一个具有高数据传输速率、低传输时延和基于全分组化 的移动通信系统口1 。 3 g p pl t e 相关标准化工作可以分为两个阶段：s i ( s t u d yi t e m ，技术可行性研 究) 阶段和w i ( w o r ki t e m ，具体技术规范撰写) 阶段。s i 阶段主要是研究确定 l t e 系统的基本框架，并进行主要候选技术的选择，以对l t e 标准化的可行性进 行判断。经过一年多研究，s i 阶段明确了l t e 系统的需求以及应用场景，形成了 包括详细需求在内的一系列技术研究报告。w i 阶段分为s t a g e2 、s t a g e3 两个子 阶段。其中s t a g e2 主要是对s i 阶段中初步讨论的系统框架进行确认，同时进一步 完善技术细节，并于2 0 0 7 年3 月形成了l t e 的第一版规范t s3 6 3 0 0 。s t a g e3 主 要是确定具体流程、算法及参数等，该阶段于2 0 0 7 年1 2 月对无线接口的物理层 规范进行了功能性冻结，形成了l t e 技术规范的第一个版本，最终r 8 版本l t e 技术规范完成于2 0 0 8 年1 2 月。 s a e 标准化工作于2 0 0 5 年正式启动，到2 0 0 6 年1 2 月完成了s a e 的需求定 1 0 山东大学硕士学位论文 义及技术研究报告。同时从2 0 0 6 年底，3 g p p 组织开始进行第二阶段s a e 技术规 范的制定工作，并于2 0 0 7 年1 2 月冻结了r 8 阶段的系统需求，完成了大部分s t a g e 2 标准的讨论工作。2 0 0 8 年1 2 月，3 g p p 组织完成了大部分s a e 信令协议规范的 制定工作。 l t e s a e 标准的核心技术规范及测试规范均已冻结，并于2 0 0 9 年3 月正式发 布。目前，3 g p p 组织正在制定l t e a d v a n c e d 更细节部分技术的r 1 l 版本。 2 0 0 9 年1 2 月，由华为提供端到端解决方案的全球首个l t e 商用网络在挪威 奥斯陆正式运营，为终端用户提供高达1 0 0 m b p s 的下行数据传输速率，约为现有 3 g 网络速率的十倍，标志着全球下一代移动通信技术从此走进现实。 2 1 2l t e 的系统架构 从整体上看，与3 g p p 已有系统类似，l t e 系统架构仍然分为两个部分，如图 2 1 所示，包括演进后的核心网e p c 和演进后的接入网e - u t r a n ，演进后系统仅 存在分组交换域。 0 0 m m u s g wm m e s - g w 卜4 一一1r 一丌。 参刁 图2 1l t e 系统架构 l t e 接入网仅由演进后的节点b ( e n b ) 组成，提供到u e 的e - u t r a 控制面 与用户面的协议终止点。e n b 之间通过x 2 接口进行连接，并且在需要通信的两个 e n b 之间总是存在x 2 接口。l t e 接入网与核心网通过s l 接口进行连接，s 1 接口 支持多对多连接方式n 1 。 山东大学硕士学位论文 与3 g 通信系统网络架构相比，接入网仅包括e n b 逻辑节点，网络架构中节 点数量减少，网络架构更加趋于扁平化。这种扁平化的网络架构带来的好处是降 低了呼叫建立时的时延以及用户数据的传输时延，并且随着逻辑节点的减少，也 会降低通信运营商的运营成本阳1 。 2 1 3l t e 的关键技术 1 o f d m 技术 o f d m 是一种应用于无线环境下的高速数据传输技术，它的系统基本模型框 图如图2 2 所示。无线信道频率响应曲线大多是非平坦的，而该技术的主要思想是 在频域内将给定信道划分成为许多个正交子信道，将高速的数据信号转换成并行 的低速子数据流，在每一个子信道上使用一个子载波进行调制，且各个子载波并 行传输。这样，即使总的信道是非平坦的，每个子信道也都是相对平坦的。同时 在每个子信道上进行窄带传输，信号带宽小于信道的相应带宽，因此可以大大消 除信号波形间的干扰瞳1 。o f d m 与一般频分复用的主要差别在于：它的不同载波的 频谱是可以相互交叠的，因此可以得到最佳的频谱利用率，同时接收端只要采用 正交解调的方法就可以恢复出有用的信息m 。 图2 - 2o f d m 系统的基本模型框图 o f d m 技术有代替c d m a 成为新一代无线通信核心技术的趋势，因为它具有 如下的优点：频谱效率高、带宽扩展性强、抗多径衰落、频谱资源可以灵活分配 1 2 山东大学硕士学位论文 和实现m i m o 技术比较容易等。当然，与单载波系统相比，o f d m 也有一些困难 和问题需要去解决，比如同步问题和p a p r 问题。 2 s c f d m a s c f d m a 技术是一种单载波多用户接入技术，它的实现比o f d m o f d m a 要容易，但性能稍差一点。最大的好处就是降低了发射终端的峰均功率比、减小 了终端的体积和成本，这是选择s c f d m a 技术作为l t e 上行信号接入方式的一 个主要原因。s c - f d m a 技术特点还包括频谱带宽分配灵活、子载波序列固定、采 用循环前缀对抗多径衰落和可变的传输时间间隔等睁1 。 3 m i m o m i m o 技术作为提高通信系统传输速率的主要手段，也受到了广泛的关注。 由于o f d m 的子载波衰落相对平坦，十分适合与m i m o 技术相结合，以提高系统 性能。m i m o 通信系统在发射端和接收端处均采用多天线和多通道，多天线接收 机利用空时编码处理能够分开并解码数据子流，从而实现最佳的处理。如果各发 射接收天线间的通道响应相对独立，则多入多出系统可以创造出多个并行空间传 输信道，通过这些并行信道独立地传输信息，数据速率必然可以提高。m i m o 将 多径无线信道与发射、接收视为一个整体进行综合优化，从而可以实现高的通信 容量和频谱利用率，这是一种近于最优的空域时域联合的分集和干扰对消处理， 当功率和带宽固定时，m i m o 系统的容量上限随着最小天线数的增加而线性增加。 4 智能天线技术 智能天线具有抑制信号干扰、自动跟踪、数字波束调节等功能，被认为是未 来移动通信关键技术之一。智能天线成形波束能在空间域内抑制交互干扰，以增 强特殊范围内想要的信号，这种技术既能改善信号的质量又能增加传输的容量， 其基本原理是在无线基站端使用天线阵和相干无线收发信机来实现射频信号的接 收和发射，同时通过基带数字信号处理器，对各个天线链路上接收到的信号按一 定算法进行合并，实现上行波束赋形。 5 软件无线电( s d r ) 技术 山东大学硕士学位论文 软件无线电技术利用数字信号处理软件实现无线功能，将标准化、模块化的 硬件功能单元经过一个通用硬件平台，用软件加载的方式来实现各种类型的无线 电通信系统的一种具有开放式结构的新技术。通过下载不同的软件程序，硬件平台 上可以实现不同的功能，用以实现在不同的通信系统中利用单一的终端进行漫游， 它是解决移动终端在不同系统中工作的关键技术之一。 6 全技术 4 g 系统同已有的移动网络相比，一个根本性优点就是它是一个基于全p 的网 络，可以实现不同网络的无缝互通互联。核心口网络不是专门用于移动通信的，而 是作为一种统一网络，支持有线以及无线接入，它就像一个具有移动管理功能的固 定网络，其接入点可以是有线的或无线的。4 g 核心网采用m 后，所采用的无线接入 方式和协议与核心网络协议、链路层是独立的。p 协议与多种无线接入协议相兼 容，因此在设计核心网络的时候可以有很好的灵活性，不需要考虑无线接入究竟采 用何种方式和协议。 2 1 4l t e - a d v a n c e d 核心技术 1 载波聚合技术 载波聚合技术是指系统传输带宽可以由两个或者两个以上的载波单元聚合而 成，这样l t e a d v a n c e d 就可以看做是l t e 系统中多载波的一种扩展了。一个运营 商拥有的频率资源可能分散在多个非连续的频段，非连续载波的聚合提供了一个 系统对分散的频率资源进行整合利用的解决方案，具有非常明显的技术优势n 训。 2 c o m p 技术 多天线技术的使用可以提高小区中心的数据传输速率，但是由于小区边缘s i r 较低，很难支持多流传输和提高小区边缘的性能。l t e a d v a n c e d 提出了协作式多 点传输技术( c o