4G网络发展：TD-LTE技术

国际工程与计算机科学杂志 国际标准期刊编号 2319 72422319 7242 2013 年 9 月 9 卷 2 期 2745 2749 页 AnuAnu RathiRathi 2013 年 9 月 9 卷 2 期 2745 2749 页 第 0 页 共 7 页 4G 网络发展 TD LTE 技术 Anu Rathi Pulkit Narang Sachin Kumar Rai Mohita Aggarwal Meghna Kalra 计算机科学与工程系助理教授 得洛纳查雅工程 大诺伊达区大学 北方邦 计算机科学与工程系 得洛纳查雅工程 大诺伊达区大学 北方邦 摘要摘要 可以想象的应用包括修改的移动网络接入 网络电话 游戏服务 高清晰 度的移动电视 视频会议 三维电视和云计算 4G 系统提供移动宽带互联网接 入 例如 USB 无线调制解调器 笔记本电脑 智能手机和其他移动设备 网络 系统采用的关键技术信息采集 处理和分发 这些系统应该由服务器控制 为 了提高这些网络的好处 我们引入了 4G 系统 本文提出了 TD LTE 技术在 4G 系统对提高 2G 和 3G 系统的安全 本文中的两个 4G 候选系统的商业化部署 移动 PKM 加密密钥并首次发布的长期演进 LTE 标准与 TD LTE 技术探讨 关键词关键词 3G 4G TD LTE WiMAX UMTS CDMA MIMO OFDMA 1 简介简介 2008 年 3 月 国际电信联盟 无线电通信部门 ITU R 指定的一组 4G 标准的要求 命名为国际移动电信先进 IMT Advanced 规范 设置 4G 服务 的峰值速度要求在 100 兆位每秒 兆位 秒 的高速移动通信 如从火车和汽车 和每秒 1 千兆 Gbit s 低移动通信 如行人和固定用户 由于移动 WiMAX 和 LTE 的第一个发布版本多支持小于 1 Gbit s 峰值比特 率 他们也不完全兼容 IMT Advanced 标准 但往往是品牌的 4G 服务供应商 2010 年 12 月 6 日 ITU R 承认这两种技术 以及不满足 IMT Advanced 要求的 然而被视为 4G 的其他超 3G 技术 可以提供他们所代表的 前身为 IMT Advanced 兼容版本 以及在性能和尊重初始第三代系统部署能力 实质性水平的提高 移动 WiMAX 2 版 也被称为无线城域网晚期或 IEEE 802 16m LTE Advanced LTE A 是 IMT Advanced 标准向后兼容的版本 上述 2 个系 统 在 2011 年春季标准中 承诺在订单中达到 1 Gbit s 的速度 预计在 2013 年可实现此服务 相对于前几代 4G 系统不支持传统的电路交换电话服务 但支持所有以 网际协议 网际协议 为基础的通信 如知识产权电话 如下所示 用于 3G 系统的扩频无线电技术抛弃所有的 4G 候选系统 采用 OFDMA 多载体系统和 更换 国际工程与计算机科学杂志 国际标准期刊编号 2319 72422319 7242 2013 年 9 月 9 卷 2 期 2745 2749 页 AnuAnu RathiRathi 2013 年 9 月 9 卷 2 期 2745 2749 页 第 1 页 共 7 页 传输和其他频域均衡 FDE 计划 使它可以传输非常高的比特率 尽管广泛 的多路径无线电传播 回声 这个智能天线阵列的峰值比特率进一步提高了 多输入多输出 MIMO 通信 在一般的无线网络中 一代 一词的使用是任意的 它有几种不同的解 释 尽管在 ITU R 标签巨大共识的条件下 但并没有给出官方的定义 从 ITU R 的角度来看 4G 相当于 IMT Advanced 具有特殊性能要求的解释如下 但根 据运营商 一代网络指的是一种新的非向后兼容技术的部署 这通常相当于一 个有它自己折旧期 营销策略 如果有的话 和部署阶段的巨大投资 它甚至 可以是不同的运营商 从最终用户的角度来看 只有性能和成本是有意义的 很难说下一代网络能够比上一代表现出更好和价格更便宜 事实上 在新一代 网络到来的同时 上一代可以将其发展到一个比新一代的第一个版本更好的程 度 在许多国家 GSM UMTS 和 LTE 网络并存 因此 使用该技术 标准的 名称 可能遵循其版本号 而不是一个主观武断的代号 这是注定要受到无休 止的挑战的 2 LTE 技术技术 LTE 长期演进的一个缩略词 推广的 4G LTE 是一个用于高速数据移动 手机和数据终端的无线通信标准 它基于 GSM EDGE 和 UMTS HSPA 网络 技术 增加容量和使用不同的无线接口与核心网的改进速度 该标准是由 3GPP 第三代合作伙伴项目 开发的 在其发布的 8 号文件系列规定 轻微的 增强版本 9 中也有介绍 2009 年 12 月 14 日 TeliaSonera 公司在奥斯陆和斯德哥尔摩推出世界上第 一个公开提供 LTE 服务 LTE 是运营商与 GSM UMTS 网络的自然升级路径 和 CDMA 反对如 Verizon 无线 2010 年 他在北美推出了第一次大规模的 LTE 网络 金的日本 KDDI 已经宣布他们将迁移到 LTE 因此 预计 LTE 将成为第 一个真正的全球移动电话标准 尽管不同国家的不同频段的使用将意味着只有 在支持多频段手机的所有国家才能够使用 LTE 虽然作为一个 4G 无线服务来销售 但是 LTE 在 3GPP Release 8 和 9 系列 文件并不满足 3GPP 财团已采用的新标准产生的技术要求 这原本是由 ITU R 组织在 IMT Advanced 标准中规定的 然而 由于市场压力和 WiMAX HSPA 和 LTE 以及原有的 3G 技术的显著进步 ITU 后来决定 LTE 与上述技术可称为 4G 技术 LTE Advanced 标准正式符合 ITU R 要求 从 而加以考虑 IMTAdvanced 为了分化从目前的 4G 技术中分化出 LTE Advanced 和 WiMAXAdvanced ITU 将它们定义为 真正的 4G 2 1 概述概述 LTE LTE 是一种无线数据通信技术的标准和 GSM UMTS 标准的演进 LTE 的 目标是在世纪之交的发展中 使用新的 DSP 数字信号处理 技术和调制 增 加无线数据网络的容量和速度 更进一步的目标是重新设计和简化的网络架构 国际工程与计算机科学杂志 国际标准期刊编号 2319 72422319 7242 2013 年 9 月 9 卷 2 期 2745 2749 页 AnuAnu RathiRathi 2013 年 9 月 9 卷 2 期 2745 2749 页 第 2 页 共 7 页 相比 3G 架构 显著降低基于 IP 的系统传输延迟 LTE 无线接口不兼容 2G 和 3G 网络 所以它必须在一个单独的无线频谱操作 LTE 最早是由日本 NTT DoCoMo 公司在 2004 年提出的 并在 2005 年新标 准正式开始研究 2007 年 5 月 LTE SAE 测试联盟 LSTI 联盟的成立 是 为厂商和运营商的验证和推动新的标准以保证技术尽可能快的全球化目标之间 的全球合作 LTE 标准在 2008 年 12 月完成 2009 年 12 月 14 日 TeliaSonera 在奥斯陆和斯德哥尔摩推出第一个公开提供作为一个 USB 调制解调器的数据连 接的 LTE 服务 2011 年 和北美主要运营商推出的 LTE 服务一样 三星 Galaxy 大肆提供 MetroPCS 开始于 2011 年 2 月 10 日的第一个商用 LTE 智能手 机 从 3 月 17 日开始 第二个 LTE 智能手机 由 Verizon 提供的 HTC Thunderbolt 在市场上销售 在加拿大 2011 年 7 月 7 日罗杰斯无线第一个发行 的 LTE 网络提供 Sierra Wireless AirCard 313U USB 移动宽带调制解调器 被 誉为 LTE 火箭棒 然后紧接着的是来自 HTC 和三星的移动设备 最初 CDMA 运营商计划升级到称为 UMB 和 WiMAX 的竞争对手标准 但毕竟所有 主要的 CDMA 运营商 如美国的 Verizon 公司 Sprint 公司和 MetroPCS 公司 加拿大的贝尔和 Telus 日本的 KDDI 韩国的 SK 电讯 中国的中国电信和中 国联通 已经宣布他们打算迁移到 LTE 2011 年 3 月标准化的 LTE 的演进是 LTE Advanced 预计将在 2013 年开始服务 LTE 规范提供 300 Mbit s 的下行峰值速率 75 Mbit s 的上行峰值速率 QoS 规定允许小于 5 毫秒的无线接入网络传输延迟 LTE 具有管理快速移动的 手机和支持多播和广播流的功能 LTE 支持可扩展的载波带宽 从 1 4 兆赫到 20 兆赫以及支持频分双工 FDD 和时分双工 TDD 称为演进分组核心 EPC 和设计来代替 GPRS 核心网络的基于 IP 网络架构 支持语音和数据信 号塔与旧的网络技术 如 GSM 的无缝切换 UMTS 和 CDMA2000 简单的结 构导致运营成本降低 例如 每一个 E UTRAN 单元都支持 HSPA 提供的高达 四倍的数据和语音能力 3 4G 技术的特点技术的特点 以下主要特点可以在所有建议的 4G 技术观察 物理层传输技术如下 MIMO 达到超高的频谱效率 通过空间处理包括多天线和多用户 MIMO 频域均衡 例如多载波调制 OFDM 的下行链路或单载波频域均衡 SC FDE 的上行链路 利用频率选择性信道性能而无需复杂的均衡 频域的统计复用 例如 OFDMA 或 单载波频分多址 SCFDMA 又名线性预编码的 OFDMA LPOFDMA 上行链路 可变比特 率给基于信道条件的不同用户分配不同的子信道 国际工程与计算机科学杂志 国际标准期刊编号 2319 72422319 7242 2013 年 9 月 9 卷 2 期 2745 2749 页 AnuAnu RathiRathi 2013 年 9 月 9 卷 2 期 2745 2749 页 第 3 页 共 7 页 涡轮增压原理的纠错码 在接收端的信噪比降到最低 信道相关的调度 使用时变信道 链路自适应 自适应调制和纠错码 用于移动性的移动知识 基于 IP 的毫微微蜂窝基站 与固定互联网宽带基础设施的主节点 4 LTE 技术特点技术特点 大部分的 LTE 标准地址的 3G 升级 最终将是 4G 移动通信技术 大量的 工作是针对简化系统结构 它由现有的 UMTS 电路 分组交换相结合的网络 一个全 IP 架构扁平化系统 E UTRA 是 LTE 空中接口 其主要特点是 峰值下载速率达到 299 6 Mbit s 上传速率达到 75 4 Mbit s 取决于用户设 备类 用 4x4 天线 20 兆赫的频谱 五个不同的终端类已经被定义为从一个以 语音为中心的支持峰值数据速率的高端终端 所有的终端将能够处理 20 兆赫带 宽 低数据传输延迟 分 5 毫秒的延迟在最佳条件下小的 IP 数据包 比以 前的无线接入技术的切换和更低延迟的连接建立时间 改进的流动性支持 例如根据频率波段通过支持终端移动速度达到 350 公里 小时 220 英里 或 500 公里 小时 310 英里 对于下行 OFDMA 上行 SC FDMA 省电 支持 FDD 和 TDD 通信系统以及相同的无线接入技术 也支持半双工 FDD 目前由 ITU R IMT 系统全频段的支持 提高频谱灵活性 1 4MHz 3MHz 5MHz 10MHz 15MHz 和 20MHz 宽的细胞是标准化 W CDMA 需要 5 MHz 的片 导致一些问题的出现 轧 辊技术通常分配的频谱在 5 MHz 经常使用旧标准如 2G GSM 和 cdmaOne 支持从几十米半径大小的细胞 Femto 微微蜂窝 到长达 100 公里 62 英里 半径的宏单元 在较低的频段 在农村地区 5 公里 3 1 英里 是最佳 的细胞大小 30 公里 19 英里 具有合理的性能 直到可接受性能的支持 100 公里的细胞大小 在城市和城市地区 更高的频段 如 2 6GHz 的欧盟 是用 国际工程与计算机科学杂志 国际标准期刊编号 2319 72422319 7242 2013 年 9 月 9 卷 2 期 2745 2749 页 AnuAnu RathiRathi 2013 年 9 月 9 卷 2 期 2745 2749 页 第 4 页 共 7 页 来支持高速移动宽带 在这种情况下 细胞大小可能是 1 公里 0 62 英里 甚至更少 在每 5MHz 的细胞支持至少 200 个活跃的数据客户端 简化的架构 E UTRAN 网络侧仅由 eNodeB 组成 互操作和共存与传统标准的支持 如 GSM EDGE UMTS 和 CDMA2000 用户可以启动一个电话或使用 LTE 标准 一个地区的数据传输 应覆盖无法继续运行的范围 没有任何行动使用的 GSM GPRS 或 UMTS 甚至 基于 W CDMA 3GPP2 网络如 cdmaOne 和 CDMA2000 的部分 分组交换无线接口 支持 MBSFN 组播广播单频网 这个功能可以提供服务 如手机电 视使用的 LTE 基础设施 是一个针对 DVB H based 电视广播的竞争对手 5 在在 LTE 技术实现语音通话技术实现语音通话 LTE 标准的全 IP 网络只支持分组交换 在 GSM 语音通话 UMTS 和 CDMA2000 是电路交换 所以与 LTE 的采用 运营商将不得不重新设计他们的 电话语音网络 三种不同的方法兴起 VoLTE Voice over LTE 这种方法是基于 IP 多媒体子系统 IMS 网络 提供语音服务的控制和媒体的具体分布对 LTE 的飞机在珠三角 ir 92 GSMA 定义 这种做法的结果在语音服务 控制和媒体平面 作为数据流在 LTE 数据承载交付 这意味着没有依赖于 或最终 要求 的传统电路交换语 音网络保持 CSFB 电路交换回退 在这种方法中 LTE 只提供数据服务和语音 呼叫时 可以发起或接受 它会回落到 CS 域 使用这种解决方案时 运营商 只需要升级 MSC 而不是部署 IMS 因此 可以快速提供服务 然而 缺点是 较长的呼叫建立延迟 SVLTE 同步的声音和 LTE 在这种方法中 手机同时工作在 LTE 和 CS 模式 同时 LTE 模式提供数据服务和 CS 模式提供语音服务 这是一个 完全基于手机的解决方案 这不会对网络有特殊要求 不需要任何 IMS 部署 这种解决方案的缺点是 手机可以成为昂贵的高功耗 另外一个不是由运营商发起的方法是使用顶端的内容服务 使用的应用程 序如 Skype 和谷歌 Talk 提供 LTE 语音服务 然而 现在和在可预见的将来 语音呼叫服务仍然是移动运营商的主要收入来源 所以把完全的 LTE 语音服务 送给 OTT 参与者 因此这将不在电信行业得到太多的支持 国际工程与计算机科学杂志 国际标准期刊编号 2319 72422319 7242 2013 年 9 月 9 卷 2 期 2745 2749 页 AnuAnu RathiRathi 2013 年 9 月 9 卷 2 期 2745 2749 页 第 5 页 共 7 页 最主要的 LTE 从一开始优先推动 VoLTE 的支持者 软件支持在初始 LTE 设备的缺乏以及核心网络设备作为一个临时的解决方案 而导致一些载体促进 伏尔加 Voice over LTE 通用接入 这个想法是使用相同的原则作为 GaN 通用接入网络 也被称为 UMA 或非授权移动接入 通常在无线局域 网 它定义了通过手机进行语音通话客户的私人网络连接的协议 然而伏尔加从来没有获得多少支持 因为 VoLTE IMS 承诺了更灵活的 服务 但在升级整个语音电话基础设施的成本 为了在 3G 网络质量差的情况 下 能够顺利执行切换到 LTE VoLTE 还需要单一无线语音呼叫连续性 SRVCC 虽然这个行业看似规范的 VoLTE 的未来 作为权宜之计 今天的电话语音 的需求导致了 LTE 运营商引入 CSFB 当放置或接收语音呼叫 LTE 手机将退 回到旧的 2G 或 3G 网络的通话时间 5 1 提出了提高语音质量的工作提出了提高语音质量的工作 为了确保兼容性 3GPP 要求至少 AMR 编解码器 窄带 但对于 VoLTE 的推荐是自适应多速率宽带语音编解码器 也被称为高清语音 该编解 码器在 3GPP 网络中支持 16 kHz 的采样要求 弗劳恩霍夫 IIS 已经证明全高清语音的 AAC ELD 实现 高级音频编码 增强低延迟 的 LTE 手机编解码器 以前的手机的语音编解码器只支持频率高 达 3 5 kHz 而即将到来的宽带音频服务品牌的高清语音的高达 7kHz 全高清 语音支持从 20Hz 到 20kHz 的整个带宽范围 然而端到端的全高清语音通话成 功 无论是调用者和接收者的手机和网络一定支持这种功能 图 1 LTE CSFB GSM UMTS 网络互连 5 2 频带频带 LTE 标准可用于许多不同的频段 在北美 使用 700 800MHz 和 1700 1900MHz 在南美 使用 2500MHz 在欧洲 使用 800 900 1800 2600MHz 在亚洲 使用 1800 和 2600MHz 在澳大利亚 使用 1800MHz 因此 一个国家的手机可能无法在其他国家工作 用户将需要 国际漫游的多频带手机 在 LTE TDD 和 FDD 之间的差异仅仅是一个物理层 国际工程与计算机科学杂志 国际标准期刊编号 2319 72422319 7242 2013 年 9 月 9 卷 2 期 2745 2749 页 AnuAnu RathiRathi 2013 年 9 月 9 卷 2 期 2745 2749 页 第 6 页 共 7 页 的表现 所以更高层次的差异看不见 其结果是 在系统架构中 这两种模式 之间没有操作上的差异 表 1 提供了可用的频段频谱 在物理层 基本的设计目标是尽可能实现尽可能多的共性之间的双模式 关键的设计差异在于两干之间需要支持各种 TDD UL DL 分配和提供与其他 TDD 系统共存 在这方面 一些额外