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2.2.3 下一代移动宽带接入技术

1.网络架构

LTE作为全IP网络,提出了全新的网络指标,例如,显著提升了峰值数据速率,即在20 MHz带宽上达到 100 Mb/s下行传输速率,50 Mb/s的上行传输速率;明显提高了频谱效率,实现了 2~4 倍的R6 频谱效率;无线接入网(UE到E-Node B用户面)延迟时间低于10 ms,明显降低控制面的等待时间,低于 100 ms。

LTE系统的扁平化网络架构如图 2-27 所示。

图 2-27 LTE网络架构图

LTE将原有 2G/3G的三级架构变为两级:无线侧和核心网。

无线侧又称为演进型UMTS地面无线接入网E-UTRAN(Evolved-UTRAN)。E-UTRAN与UTRAN架构完全不同,采用“扁平”的无线访问网络结构,取消RNC/BSC(无线网络控制器/基站控制器)节点,简化网络设计。原有控制节点RNC/BSC的功能部分下移到基站Node B,部分上移到核心网,实现了全IP路由,网络结构趋近于IP宽带网络结构。E-UTRAN结构中包含了若干个E-Node B(eNB),提供了终止于UE的E-UTRA用户面(PHY/MAC)协议和控制面(无线资源控制,RRC)协议。E-Node B之间采用网格方式互连,E-Node B与服务网关S-GW(Serving Gateway)之间的接口称为S1 接口。E-UTRAN的协议栈结构还是与URTAN一样分为用户面和控制面,但简化了很多。比如,去掉了无线链路控制层(RLC)层,该实体功能被并入MAC层;分组数据压缩协议(PDCP)功能在网络侧被移到了S-GW中;控制面RRC功能移入E-Node B中,并在网络侧终止于E-Node B。

3GPP在开展LTE研究工作的同时,启动了面向全IP 的分组域核心网的演进项目SAE(System Architecture Evolution,系统架构演进),R8版本后改为EPS(Evolved Packet System,演进的分组数据系统)。EPS的目标是“制定一个具有高数据率、低延迟、高安全和高QoS、数据分组化、支持多种无线接入技术为特征的,具有可移植性的系统框架结构”。3GPP组织的EPS项目是基于未来移动通信的全IP网络而发起的,主要集中于分组域承载。

EPS的主要思想是定义了一个新的核心网络架构——EPC(Evolved Packet Core,演进的核心网),目的用于简化现有移动分组网络架构,通过网元整合和功能的重新划分减少业务处理的中间环节,实现网络架构的扁平化。LTE与EPC之间有着紧密的联系,共同构建了 3GPP的系统整体演进。下面对网络架构中涉及到的各网元进行详细介绍。

(1)E-UTRAN

E-UTRAN是LTE的主要实体,对应的网元实体为E-Node B(也写成eNodeB或eNB)。该实体的主要功能包括:

(2)移动性管理实体MME

MME是一个信令实体,主要负责移动性管理和用户的鉴权认证等功能:

MME若要支持非 3GPP接入,还需要具备以下功能:

S-GW和MME可能在一个物理节点或不同的物理节点内实现。

(3)服务网关(Serving Gateway)

服务网关(S-GW)终结于和E-UTRAN的接口,主要负责用户面处理,包括:

(4)分组数据网络网关PDN Gateway

PDN Gateway(Packet Data Network Gate way,P-GW)终结于和外面数据网络(如互联网、IMS等)的SGi接口,它是演进的分组数据系统EPS的锚点,即是 3GPP与非 3GPP网络间的用户面数据链路的锚点,负责管理 3GPP和非 3GPP间的数据路由,管理用户在3GPP接入和非 3GPP接入(如WLAN,WiMAX等)间的移动。

如果UE访问多个数据网络,UE将对应一个或多个P-GW。P-GW主要负责用户面处理,包括:

除此之外,当P-GW需要支持基于GRPS隧道协议(GTP)的S5/S8 接口时,还要包含以下功能:

当P-GW需要支持基于代理移动IP(PMIP)的S5/S8 接口时,还要包含以下功能:

(5)归属用户服务器HSS

HSS是用于存储用户签约信息的数据库,归属网络中可以包含一个或多个HSS。HSS负责保存以下跟用户相关的信息:

HSS还能产生用于鉴权、完整性保护和加密的用户安全信息。

HSS负责与不同域和子系统中的呼叫控制和会话管理实体进行联系。

(6)策略与计费规则功能PCRF

PCRF是策略与计费控制单元。在非漫游场景时,在归属网络中只有一个PCRF与UE的IP连接访问网络(IP-CAN)会话相关。PCRF终结于Rx接口和Gx接口;在漫游场景并且业务流是由本地疏导时,可能由归属网络或拜访网络对一个UE的IP-CAN会话实施策略和计费控制。归属网络的PCRF为H-PCRF(归属PCRF),拜访网络的PCRF为V-PCRF(拜访PCRF)。

H-PCRF的功能包括:

V-PCRF的功能包括:

2.关键技术

LTE采用的核心技术主要是正交频分多址(Orthogonal Frequency Division Multiple Access,OFDMA)以及多入多出(Multiple Input Multiple Output,MIMO)天线技术两者的完美结合,已成为下一代移动通信技术的首选。但是,由于系统设计的差异,同时由于系统上下行无线环境的差异,OFDMA,MIMO在应用上还是存在一定差异的。下面分别进行描述。

1)OFDM/OFDMA

OFDM(正交频分复用)是多载波调制的一种技术,其主要思想是:将信道分隔成若干正交子信道,将高速数据信号转换成并行的低速子数据流,调制到在每个子信道上进行传输。在接收端正交信号通过采用相关技术来分开,这样可以减少子信道之间的相互干扰ICI(Inter-Channel Interference,信道间干扰)。每个子信道上的信号带宽小于信道的相干带宽,因此在每个子信道上可以看成平坦性衰落,从而可以消除符号间的干扰(ISI)。而且,由于每个子信道的带宽仅仅是原信道带宽的一小部分,信道均衡变得相对容易。OFDM由于其上述优良的特性,成为B3G/4G关键的技术之一。

(1)LTE下行OFDMA

LTE下行采用传统的正交频分复用多址OFDMA技术,将整个频带分割成许多子载波,将频率选择性衰落信道转化为若干平坦衰落子信道,从而有效地抵抗无线移动环境中的频率选择性衰落。由于子载波重叠占用频谱,OFDM能够提供较高的频谱利用率和较高的信息传输速率。通过给不同的用户分配不同的子载波,OFDMA提供了天然的多址方式,并且由于占用不同的子载波,用户间满足相互正交,没有小区内干扰ICI(Internal-CellInterference)。流程处理如图 2-28 所示。

图 2-28 LTE下行信号处理流程图

先将比特流经过信道编码/交织/加扰成为传输中的时域符号(这点与 3G完全相同),通过串并转换的方式,将高速率信号变为若干低速率信号,经过QAM调制,然后进行子载波映射,通过IFFT(Inverse Fast Fourier Transformation,快速傅里叶变换)将频域信号转换为时域信号。

为了最大限度地消除符号间干扰,需要在OFDM符号之间插入保护间隔,保护间隔长度大于无线信道的最大时延扩展,这样使一个符号的多径分量不会对下一个符号造成干扰。同时,为了避免空闲保护间隔,由多径传播造成子载波间的正交性被破坏,将每个OFDM符号以后时间中的样点复制到OFDM符号的前面,形成循环前缀CP(cyclic prefix)。即在IFFT后加入循环前缀,形成时域的最终输出信号。

(2)LTE上行DFT-S-OFDM

DFT-S-OFDM一定程度上相当于单载波的OFDM,从名称可以剖析出其原理:一是离散傅里叶变换(Discrete Fourier Transform,DFT),获得多个离散的频域信号;然后是S(Spreading)扩频,主要是进行扩频/子载波映射(Spreading/Subcarrier Mapping),对离散的DFT信号在频率上做重新分配(映射到物理资源上),即在更广泛的频率上获得多个离散的频域信号,LTE目前使用的是集中分配方式,即把DFT信号在频域上做连续的分配,也有分散分配方式。不同区域的子载波,同时进行这种子载波(Subcarriers)的重新分配,保证了相互之间的正交性,一定程度上可以理解为频域的扩频(Spreading)。最后是IFFT/OFDM,即将前面的频域信号通过快速傅里叶转换为时域信号,完成信号的基带处理。处理流程如图 2-29 所示。

图 2-29 LTE上行信号处理流程图

LTE上行采用DFT-S-OFDM技术主要是从终端的能力角度出发确定的。DFT-S-OFDM可以认为是单载波频分多址(SC-FDMA)的频域产生方式,是OFDM在IFFT调制前进行了基于傅里叶变换的预编码。因此,可以避免因多载波方案引起较高的峰均功率比(Peak-to-Average Power Ratio,PAPR)问题,可以降低对终端功放的要求,提高功率的利用率。DFT-S-OFDM的优势在于其信号的时域实现,能够在一定程度上降低PAPR。但是,由于解码也是在时域进行的,因此只能利用时域选择性衰落。

2)MIMO

无线通信系统可以利用的资源包括:空间、时间、频率和功率。在B3G/4G系统中,空间资源和频率资源被重新开发使用,从而大大提高了系统的性能。MIMO天线技术在发送端和接收端同时使用多根天线(如图 2-30 所示),扩展了空间域,充分利用了空间扩展所提供的特征,在无须增加频谱资源和发射功率的情况下,成倍地提升通信系统的容量与可靠性。目前,多天线技术已成为了B3G/4G系统的关键技术之一。

为了满足LTE在高数据率和大容量方面的需求,LTE系统理所当然要引入MIMO天线技术。

下行MIMO技术包括空间复用、波束赋形和传输分集。目前,MIMO技术下行基本天线配置为 2×2,即 2 根天线发送和 2 根天线接收,最大支持 4 根天线进行下行方向的四层传输。

上行MIMO技术包括空间复用和传输分集。目前,MIMO技术上行基本天线配置为1×2,即 1 根天线发送和 2 根天线接收。

通过MIMO的应用,可实现峰值速率的成倍增长,同时也极大提升网络的资源效率。

图 2-30 MIMO技术原理图 +8CTDAHmtPWTkKY2+n/4VdCCNmyXD/AE3uDMBrrlV9x9vbU9TPrXh0/rKi9OyQ8+

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