3G-LTE技术特征与应用发展

蒋梦圆，濮圣维

(1. 江苏电信股份有限公司无锡分公司 云计算运行中心，江苏 无锡 214000；2. 江苏出入境检验检疫局 机电产品及车辆检测中心，江苏 无锡 214000)

1G模拟式移动通信系统仅提供语音服务。2G数字式移动通信系统引入了GPRS分组数据承载技术，但是数据无线传输速率只有9.6Kb·s-1，上限为32Kb·s-1。3G移动通信系统的数据无线传输速率正常为2Mb·s-1，其工作频段为806～960MHz，1710～1885MHz，2500～2690MHz，ITU推荐将1980～2010 MHz和2170～2200MHz波段用于移动卫星。而3G-LTE移动通信系统的数据无线传输速率需保证至少20Mb·s-1，700MHz频段因模拟电视逐步淘汰而被视为宽带移动技术即将使用的无线波段；3G-LTE 移动通信网络特征是由用户设备(UE)、演进型地面无线接入网(E-UTRAN)、演进分组核心(EPC) 三组件基础网络架构而成，下载使用OFDMA，峰值下载速率为100Mb·s-1，上传使用SC-FDMA，峰值上传速率为50Mb·s-1，支持频分双工(FDD)和时分双工(TD)通信并接受使用同样无线连接技术的时分半双工通信[1-2]。

1 3G-LTE的技术特征

第三代移动通信伙伴计划3GPP采用了W-CDMA无线空中接口标准，支持2Mb·s-1无线数据传输速率；核心网(CN)的电路交换CS域与GSM完全相同，分组交换PS域采用GPRS网络结构，即(G)MSC服务器由呼叫控制和移动控制信令组织，将用户—网络信令转换成网络—网络信令，CS-MGW电路交换媒体网关可支持媒体转换，承载控制和有效载荷处理；引入了多媒体子系统IMS，可以采用会话发起SIP协议进行端到端的呼叫控制与支持无线下行10Mb·s-1数据链路分组接入(HSDPA)、无线上行5.8Mb·s-1数据链路分组接入(HSUPA)，重传延迟小于50ms，HSUPA还可以使上行的吞吐量比W-CDMA多出20%～50%；R6版核心网引入了多媒体广播/组播业务(MBMS)，R7版本加强了IMS支持XDSL固定接入方式；而会话发起SIP信令控制协议定义了通信设备之间的相互连接与信息交换，可配置和管理通信设备之间任何类型的媒体会话。

3GPP对3G-LTE进行了详细描述，使其具有向下兼容等技术特征[3-4]。

1) 3G- LTE 的下行调制技术采用了正交频分多址(OFDMA)，上行调制技术采用了单载波频分多址(SC- FDMA)。采用OFDM的优点是对时延扩展有较强的抵抗力，减小了符号间干扰，保证了在密集环境下系统鲁棒性，因此提高了数据无线传输速率，可使数据下行峰值传输速率为100Mb·s-1，数据上行峰值传输速率为50Mb·s-1。

2) 其下行链路5 b·s-1·Hz-1与上行链路2.5 b·s-1·Hz-1均比3G系统R6版本的HSUPA提高3～4倍，大大提高了带宽资源的频谱效率。

3) 3G- LTE采用了协作的多输入多输出MIMO，在发射端和接收端均采用阵列天线与多通道，提高了系统传输速率；整体架构上基于分组交换，通过严格保证的QoS机制实现了如VoIP的实时业务服务，系统可支持成对或非成对频谱分配。

4) 解决了向下兼容的问题，并使用户平面的内部单向传输时延低于5ms，控制平面的内部单向传输状态时延低于100ms。

5) 在保持目前基站位置不变的情况下，可增加小区边界比特率，对多媒体的广播/组播业务(MBMS)可提供1 b·s-1·Hz-1的数据无线传输速率，支持已有的3G系统和非3GPP规范系统的兼容协同运作。

3G-LTE采用OFDM技术实现数据正交传输，无线传输侧以MIMO和64QAM技术保证数据的下、上行接入峰值速率分别为100Mb·s-1和50Mb·s-1，同时，3G-LTE系统只存在PS域，3G-LTE对3G系统的NodeB，RNC，CN进行了功能整合，系统网络设备简化为eNodeB，也称演进型地面无线接入网(E-UTRAN)和演进分组核心(EPC)两种网元；其中eNodeB与EPC通过S1接口连接，eNodeB之间通过X2接口连接，用户设备(UE)与eNodeB通过Uu接口连接，系统不同部分之间的接口Uu，S1和SGI见图1。

图1 3G-LTE的通信网络架构

3G-LTE移动通信网络的用户设备(UE)内部结构中，移动终端(MT)处理所有的通信功能，通用集成电路卡UICC(Universal Integrated Circuit Card)运行通用用户识别模块(USIM)的应用程序，USIM存储用户信息，如鉴权密钥、短消息、付费方式等。

3G-LTE移动通信网络的演进通用UMTS地面无线接入网E-UTRAN(UMTS Terrestrial Radio Access Network)：处理移动与演进分组的组件是由多个演进式基站eNB(Evolved NodeB)组织而成，3G-LTE的移动通信网络采用eNB发送和接收无线传输数据到移动用户设备，eNB通过S1接口与EPC连接，详见图2。

图2 3G-LTE的演进UMTS地面无线接入网架构

3G-LTE移动通信网络的演进分组核心(EPC)体系结构如图3所示。

图3 3G-LTE的演进分组核心EPC的体系架构

3G-LTE演进分组核心网EPC(Evolved Packet Core)支持用户对网络性能和带宽标准的要求，PS域可承载数据和语音业务，既支持与现有3GPP接入方式的互通，也支持非3GPP(如WiFi，WiMAX，CDMA)的接入，可实现用户在3GPP网络与非3GPP网络之间的切换[5]1-6。EPC主要包括5个基本网元：移动性管理实体(MME)、服务网关(S-GW)、分组数据网网关(P-GW)、策略计费功能实体(PCRF)、归属用户服务器(HSS)。归属用户服务器(HSS)是用户的主数据库，支持网络实体处理呼叫/会话的相关签约信息，包括HLR和鉴权中心(AuC)。

2 3G-LTE的应用发展

3G-LTE移动通信网络系统部署灵活，可使用现有的3G系统频段，也可以选择在700MHz 频段的工作频段，充分保证宽带下行100Mb·s-1业务承载能力，使3G- LTE手机终端上网速度更快，实现手机电视、手机会议、手机教学、手机商务，使人们的生活便捷与舒适[6-8]。

1) VoIP网络电话(Voice over Internet Protocol)通过互联网传输语音、文本、图片、视频等数据。VoIP网络电话通过互联网协议进行语音传送，其原理是，对语音信号进行编码数字化，压缩处理成压缩帧，转换为IP数据包在互联网上传输。3G-LTE可以通过软件无线电技术(SRD)植入增值服务实现VoIP应用，可支持PC to PC，IP to PSTN，PSTN to IP，PSTN to PSTN，IP to IP等通信模式，让用户从此可以享受更低的通话费用及多媒体增值服务。

2) 移动电视是指在汽车等可移动物体内通过电视终端以接受无线信号的形式收看电视节目的应用。无线数字电视台通过地面发射塔发射数字微波信号经空中传播。接收设备由天线、接收机、用户卡组成，天线一般为网状天线，接收机的作用是对天线接收的数字信号进行解码，移动电视用户卡的作用是识别用户合法的身份。而3G-LTE增大容量将会挑战现有的移动电视广播技术，多媒体广播/组播(MBMS)技术可将无线数字电视信号通过移动通信网传送给不同的接收用户，其传输频段不会给移动通信网资源带来额外的负担，使开发手机电视成为可能，此项技术已成为手机电视标准技术。

3) 3G-LTE系统引入了OFDM正交频分复用、MIMO多输入多输出等关键传输技术，提高了频谱效率和无线数据传输速率，被认为下行峰值传输速率为100Mb·s-1，上行为50Mb·s-1，支持FDD-LTE和TDD-LTE两种传输制式，这里指的是LTE在划分上行UL(Uplink)与下行DL(Downlink)时采取的不同技术：采取FDD表示在某一频段UL，在另一频段DL，而采取TDD表示在某一时段允许UL，在另一时段允许DL，即TDD-LTE代表时分双工，也就是说上行、下行在同一频段上按照时间交叉分配进行，而FDD是上行、下行分处不同频段同时进行；TDD- LTE系统可按业务类型灵活配置TDD-LTE帧的上行、下行配比，如浏览网页、视频点播特征是下行数据量明显大于上行数据量，系统可配置下行帧多于上行帧；而在提供传统的语音业务时，系统可以配置下行帧等于上行帧。

4) 3G网为语音与数据的混合网，其通信协议兼顾数据通路和语音通路。3G-LTE网为纯数据网，即语音通话采用Vo LTE技术完全通过数据网传输，如CDMA通话的数据速率为8Kb·s-1。3G-LTE数据通信速率为上行50Mb·s-1，下行150Mb·s-1，按照上行速率计算，3G-LTE网可以扩大CDMA而容纳6000人同时通话，按30d计算，合计2592000 s，每月只需2.6G的数据流量就可保持不间断通话，同时3G-LTE手机芯片只需支持FDD-LTE/TDD-LTE即可，详见图4。

图4 3G-LTE手机芯片支持FDD-LTE/TD-LTE两模

5) FDD必须使用成对的收发频率，比TDD占用的频率资源更多。如为纯语音通信服务，FDD信息上传和下载是对称并同时进行的，能够充分利用上行、下行的频率，效率较高。进入移动互联网时代，用户上传数据量远远少于下载数据量，这种非对称数据交换业务导致FDD上行频率的效率大幅下降。而TDD不需要分配对称的频率，上行、下行都在同一频率进行且能对发送和接收时段的长短比例进行灵活控制，在进行不对称的数据传输时，可充分利用有限的无线电频谱资源，因此在移动互联网领域TDD-LTE的应用效率更高。

3 结束语

移动通信网络由用户设备(UE )、通用地面无线接入网(UTRAN)、核心网(CN )等3 个网络节点组成，而3G- LTE的移动通信网络采用更为扁平化的网络架构，改为用户设备(UE)、演进型地面无线接入网(E-UTRAN)与演进分组核心(EPC)，减少了设备的数量，降低了业务时延。WiMAX是采用无线方式实现的宽带接入技术，既有Wi-Fi无线接入技术的移动性，又有XDSL宽带接入技术的应用性，其技术优势主要有传输距离远且接入速度快、系统容量大、可提供广泛的多媒体通信服务。在安全保证、互操作性、应用范围等方面，WiMAX采用更灵活、更便宜的无线连接扩展其接入网络。WiMAX是点对多点，专门为宽带无线接入和回程而开发，数据吞吐速率可达703Mb·s-1，传输距离可达50km。为了能够与支持20MHz的WiMAX宽带接入技术抗衡，3G-LTE带宽须从5MHz扩展到20MHz，但3G移动通信系统的核心技术专利为少数公司持有，专利授权费用已成为厂家的沉重负担，为此，3G-LTE 放弃了长期采用的CDMA技术而采用OFDM复用技术，同时为了在RAN侧降低用户面时延而取消了无线网络控制器RNC，无线网络由“核心网—基站控制器—基站”变为“核心网—基站”，RNC功能大部分被下移到基站。在整体系统架构方面，系统框架核心在向4G-LTE同步演进：LTE网络符合4G下行100Mb·s-1的网络通信标准，而4G又以LTE网络为主，二者结合通称为4G- LTE。4G- LTE分为TDD-LTE与FDD-LTE网络制式，4G- LTE最大数据传输速率超过100Mb·s-1，是3G移动数据传输速率的50倍，因此4G手机可接受高性能、高分辨率的汇流媒体，并通过ID应用程序成为个人身份鉴定设备。如果3G-LTE能为人们提供高速传输的多媒体通信环境的话，那么4G- LTE通信将是超高速信息无线网络，可以使移动用户通过无线实现三维空间虚拟实境连线。

[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_.

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