LTE系统中频谱带宽与速率关系研究

李春晖 孟娟 张妍 葛振 姜国兴

摘要：随着移动通信技术的快速发展，为了让用户对业务的传输速度得到满足，从3G进化到LTE是必须的。速率与频谱带宽的关系对于LTE来说是密不可分的。目前，技术不断发达，频谱对于用户来说也变得越来越重要，在网络系统中，频谱的竞争十分激烈，所以对于频谱资源来说，如何进行划分就显得尤为重要。

关键词：LTE系统;频谱带宽;速率;频谱资源

中图分类号：TN913.21 文献标识码：A 文章編号：1007-9416（2019）12-0019-02

0 引言

近些年来，移动通信技术飞速发展，从1G到LTE能够实现的业务越来越多样化，由于在系统中传输质量与能力不断提高，所以对于业务的速度要求也不断提高，但是3G及其更早的网络已经完全不能满足用户对高速率的追求和更高频谱的要求，面临频谱带宽资源的贫乏和速率问题，LTE系统有着巨大的优势，在LTE系统中加入了多个全新技术，比如OFDM，MIMO技术，所以由此一来带宽就可以得以提高，数据的传输速度也可以变得更快，对于传输时延的问题来说，也变得更低了。因此，LTE系统一直是通信范畴的热门研究问题，尤其是对速度与频谱带宽的研究。

1 LTE系统

随着通信技术的发展，LTE问世，其在20兆赫兹频谱带宽的条件下，上下行分别有100兆赫兹和50兆赫兹的速度。除此之外，还能够提供一系列拥有可以进行高速度传输的业务，比如VoIP和IMS。

LTE的技术繁多，比如OFDM和MIMO等，它们在LTE中发挥着各自的优势。所以LTE具有更高的频谱利用率和传输效率，更多选的带宽，以及可以对资源更好的利用和具有更高的边缘速率[1]。

2 频谱带宽

频谱带宽指的是频率占用宽度（一个频率的范围）或者频谱的宽度，即最低工作频率至最高工作频率之间的范围。它通常以每秒传送周期或赫兹（Hz）来表示。带宽都是有中心频率的，LTE主要有2.6G，1.8G，专网有1.4G，次800M等频带。由于很多不连续的频段会分配给运营商，但是这些频段可能会存在于不一样的频段，所以要求LTE需要在这些频段上进行能够有效的工作，因此LTE系统支持的带宽灵活可变，它有6种带宽可以进行配置，分别是1.4/3/5/10/15/20MHz。

3 频谱带宽与速率

3.1 多角度分析频谱带宽与速率

随着网络技术的发展，LTE在速率，频谱分配，频谱效率等方面都更能满足用户的需求。 在LTE众多的优势中，带给用户最直观的感受就是速率比3G提高了[2]。

3.1.1 从LTE的帧结构分析

在一个无线帧内，每个子帧包含2个时隙即14个符号，10：2：2的配置表示的是DwPTS，GP和UpPTS各占10个，2个和2个符号，那么这样一来就可以得出所有的下行符号等效在一个TTI内占的比例是（6*14+2*10）/14*10=74%。

3.1.2 从LTE的资源块分析

LTE在20MHz带宽下，RB数为100个，在1.4MHz带宽时为6个，最小的带宽是1.4MHz，这是因为PBCH，PSCH，SSCH这些信道所占用的RB数有限制，至少为6个。

由于一个时隙传输7个OFDM符号，那么在1ms内就传输14个OFDM符号，一个资源块（RB）拥有12个子载波，所以1ms内的OFDM个数为14*12=168个，在下行采用的是OFDM技术，每个OFDM有6个bits，那么20M的带宽下行速率就是——OFDM的bits数*1ms（2个RB）中的OFDM数*20M带宽的RB个数*1000ms/s=6*168*100/2*1000ms=50400000Bits/s。

3.1.3 从OFDM技术分析

传统的FDM技术单位带宽载波数量少且载波间需要保护间隔导致频谱利用率低，而OFDM技术由于子载波正交的原因其在频谱带宽上占用很大的优势。正是因为这样，所以OFDM技术对频谱带宽与速率的关系影响很大。

3.1.4 从MIMO技术分析

MIMO能够实现更高传输速率的原因是因为它可以将单个天线的单个频谱传输扩展到空间。同时通过频带和空间资源来提升频谱的利用效率，可以使容量上限的问题得以解决。 MIMO的空间复用允许相同的频带在不同的空间中重复使用。这很大程度上提高了系统的频带的利用效率。

3.2 仿真

LTE不再应用之前通信网络中的语音核心网和分组核心网，而是应用接入网E-UTRA（是e-NodeB组成，其作用是提供用户面和控制面）和核心网EPC（是MME，SGW，PGW组成）具体如图1所示。

e-NodeB间通过X2接口相互连接，S1接口连接e-NodeB与核心网EPC，S1-MME是e-NodeB连接MME的控制面接口，S1-U是e-NodeB连接S-GW的用户面接口。通过IUV的仿真，主要模拟了三个城市的网络架构，对它们的核心网，接入网，IP承载网，光传输网进行布局，对它们的容量进行规划，就可以得出系统的吞吐量（即速率），从IP承载网，无线接入网，承载网的规划报告中可以看出带宽与吞吐量的关系。可据此进行容量规划的计算。

从无线接入网的容量规划报告中可以看出，吞吐量的大小和话务模型的选择有很大关系，话务模型的类型不同，其规划区域的大小也就不同，用户数量的承载量也不同，那么就会影响系统总的吞吐量，其要求的站点数数目就不同，最后就会影响到汇聚层和接入层的链路带宽。其次，核心网MME，SGW，PGW处理能力和EPS承载上下文数的不同也会影响到吞吐量的大小。最后，我们可以从上述的一系列公式中可以看出，系统吞吐量离不开很多因素，基站带宽预留比即链路带宽也起着决定性的作用，从IP承载网的规划报告中可以看出，当汇聚层和接入层的带宽越大，设备的吞吐量也就越大。

参考文献

[1] 曾召华.LTE基础原理与关键技术[M].西安：西安电子科技大学出版社，2010.

[2] 徐晓婷.频谱共存条件下LTE网络动态频谱管理的研究[D].北京：北京邮电大学，2017.

Research on the Relationship Between Spectrum Bandwidth and Rate

in LTE System

LI Chun-hui，MENG Juan，ZHANG Yan，GE Zhen，JIANG Guo-xing

（DaLian Ocean University， Information Engineering Institute，Dalian  Liaoning  116023）

Abstract：With the rapid development of mobile communication technology， it is necessary to evolve from 3G to LTE in order to satisfy users' transmission speed of services.  The relationship between rate and spectrum bandwidth is inseparable for LTE.  At present， with the continuous development of technology， spectrum is becoming more and more important to users. In the network system， spectrum competition is very fierce， so how to divide spectrum resources is particularly important.

Key words：LTE system;spectrum bandwidth;rate;spectrum resources