譚立新

【摘 要】

通過(guò)詳細(xì)分析WLAN、WiMAX、LTE等幾種主流的無(wú)線寬帶技術(shù)，系統(tǒng)地介紹了各種技術(shù)的架構(gòu)、覆蓋范圍、技術(shù)特點(diǎn)與技術(shù)應(yīng)用等內(nèi)容，并提出了我國(guó)未來(lái)以“寬帶中國(guó)”為戰(zhàn)略核心的無(wú)線寬帶技術(shù)的發(fā)展方向。

【關(guān)鍵詞】

無(wú)線寬帶 LTE 超寬帶 寬帶中國(guó)

近年來(lái)，隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，越來(lái)越多的用戶通過(guò)智能終端互相連接，享受互聯(lián)網(wǎng)帶來(lái)的便利生活，人類社會(huì)正在進(jìn)入互聯(lián)模式。一方面，信息化正以前所未有的速度滲透到人類社會(huì)的各個(gè)方面，深刻地改變著人類的生存環(huán)境；另一方面，隨著用戶數(shù)的增多、業(yè)務(wù)種類的多樣以及用戶對(duì)服務(wù)質(zhì)量體驗(yàn)要求的增高，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)承受的負(fù)載逐漸超出其承受范圍。因此，寬帶接入成為未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。根據(jù)先進(jìn)國(guó)家發(fā)展經(jīng)驗(yàn)，寬帶的部署已成為當(dāng)前全球經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)和持續(xù)復(fù)蘇的驅(qū)動(dòng)力之一。尤其是隨著具有中國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的TD-SCDMA標(biāo)準(zhǔn)的確定以及工信部2012年確定的“寬帶中國(guó)”戰(zhàn)略的開(kāi)展，我國(guó)的寬帶建設(shè)得到了飛速發(fā)展。

“寬帶中國(guó)”戰(zhàn)略主要涉及光纖寬帶網(wǎng)絡(luò)和無(wú)線寬帶網(wǎng)絡(luò)（如3G、LTE等）[1]，其中無(wú)線寬帶接入技術(shù)以其接入靈活、基礎(chǔ)設(shè)施成本低廉等特點(diǎn)，成為未來(lái)寬帶接入的有力技術(shù)保證。在寬帶無(wú)線接入的早期發(fā)展階段，其定位為有線寬帶接入（如DSL）技術(shù)的補(bǔ)充，經(jīng)歷了從固定局域接入向游牧城域接入、再向廣域移動(dòng)接入的發(fā)展歷程，體現(xiàn)了明顯的寬帶接入移動(dòng)化的趨勢(shì)。根據(jù)國(guó)際主流技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，無(wú)線寬帶技術(shù)主要分為以802.11x為代表的無(wú)線局域網(wǎng)（WLAN）、全球微波接入互操作技術(shù)（WiMAX）、3GPP長(zhǎng)期演進(jìn)技術(shù)（LTE）、本地多點(diǎn)分配業(yè)務(wù)（LMDS）和部分其他技術(shù)。

根據(jù)覆蓋范圍的不同，可以將無(wú)線接入技術(shù)分為：局域無(wú)線接入網(wǎng)（WLAN）、城域無(wú)線接入網(wǎng)（WMAN）以及廣域無(wú)線接入網(wǎng)（WWAN），如圖1所示。其中，WiMAX技術(shù)跨越WWAN和WMAN，并且早期的WiMAX技術(shù)不支持移動(dòng)性，在后來(lái)的標(biāo)準(zhǔn)中逐漸增加對(duì)移動(dòng)性的支持。

圖1 無(wú)線接入技術(shù)的覆蓋范圍示意圖

1 WLAN

1.1 概述

無(wú)線局域網(wǎng)技術(shù)支持局部范圍的較高數(shù)據(jù)速率，其覆蓋范圍從幾十米至幾公里不等，既可以采用蜂窩結(jié)構(gòu)，也可以采用非蜂窩結(jié)構(gòu)（如Ad-Hoc），其傳輸介質(zhì)分為射頻（RF）無(wú)線電波和光波。目前的無(wú)線局域網(wǎng)技術(shù)主要圍繞兩個(gè)典型標(biāo)準(zhǔn)，即IEEE 802.11系列標(biāo)準(zhǔn)和HiperLAN系列標(biāo)準(zhǔn)。

802.11協(xié)議族由IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)任務(wù)組提出，根據(jù)版本不同，主要包括IEEE 802.11、IEEE 802.11a、IEEE 802.11b、IEEE 802.11g等。各不同版本的區(qū)別在于其工作頻段和最大可支持速率不同，具體如表1所示[2]：

表1 802.11部分協(xié)議比較

HiperLAN是一種歐洲標(biāo)準(zhǔn)，由ETSI開(kāi)發(fā)，包括HiperLAN1、HiperLAN2、HiperLink和HiperAccess。這四種標(biāo)準(zhǔn)的區(qū)別是：LAN1提供了高速無(wú)線局域網(wǎng)連接并減少了無(wú)線技術(shù)復(fù)雜性，且采用了廣為人知的高斯最小頻移鍵控（GMSK）調(diào)制技術(shù)；為了考慮兼容性，HiperLAN2采用與IEEE 802.11a幾乎相同的物理層和媒體訪問(wèn)控制（MAC）層；HiperLink用于戶內(nèi)骨干網(wǎng)；HiperAccess用于固定戶外應(yīng)用訪問(wèn)有線基礎(chǔ)設(shè)施。

1.2 協(xié)議體系

根據(jù)開(kāi)放系統(tǒng)互連（OSI）參考模型，完整的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)包括7個(gè)層次，但WLAN僅僅工作在OSI/RM的下3層。需要說(shuō)明的是，兩種不同標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議體系互有差別。

IEEE 802.11系列標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議體系中的邏輯鏈路控制（LLC）層與其他802局域網(wǎng)一樣并用，而MAC子層為各種物理層標(biāo)準(zhǔn)所共用。IEEE 802.11的MAC子層支持的物理層可分為：IEEE 802.11跳頻物理層、IEEE 802.11直接序列擴(kuò)頻物理層、IEEE 802.11b物理層、IEEE 802.11a物理層、IEEE 802.11g物理層、IEEE 802.11紅外線（IR）物理層以及IEEE 802.11n物理層。完整的IEEE 802.11協(xié)議體系如圖2所示：

根據(jù)IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)，物理層進(jìn)一步分為物理層匯聚子層（PLCP）、物理媒體依賴子層（PMD）和物理層管理子層。MAC層也分為MAC子層和MAC管理子層。劃分后的各子層功能如表2所示：

HiperLAN中的WLAN有兩種：HiperLAN1和HiperLAN2。HiperLAN1是早期的標(biāo)準(zhǔn)，沒(méi)有任何實(shí)際的產(chǎn)品；HiperLAN2是一種支持QoS的控制標(biāo)準(zhǔn)，在標(biāo)準(zhǔn)的制定過(guò)程中與IEEE 802.11進(jìn)行了密切地合作，其協(xié)議體系如圖3所示。

其協(xié)議體系包括三個(gè)基本的層：物理層（PHY）、數(shù)據(jù)鏈路控制層（DLC）和匯聚層（CL）。各種匯聚層同時(shí)工作，把采用不同協(xié)議的高層分組映射到DLC層。DLC層不僅提供AP和移動(dòng)終端之間的邏輯連接，還能提供媒體訪問(wèn)的功能和用于連接處理的通信管理功能。DLC層提供一個(gè)邏輯結(jié)構(gòu)把執(zhí)行不同應(yīng)用協(xié)議的匯聚層分組映射到單一的物理層，它包括6個(gè)子層：MAC協(xié)議、差錯(cuò)控制協(xié)議（EC）、無(wú)線鏈路控制協(xié)議（RLC）、聯(lián)結(jié)控制功能（ACF）、無(wú)線資源控制（RRC）和DLC連接控制（DCC）。

1.3 技術(shù)應(yīng)用

無(wú)線局域網(wǎng)的應(yīng)用非常廣泛，可以分為室外應(yīng)用、室內(nèi)應(yīng)用。室內(nèi)應(yīng)用主要有家庭或小型辦公室應(yīng)用、大型辦公室、企事業(yè)單位、工業(yè)或商業(yè)等；室外應(yīng)用主要有園區(qū)網(wǎng)（校園網(wǎng)、醫(yī)院網(wǎng)、社區(qū)網(wǎng)等）、較遠(yuǎn)距離的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)連接以及更遠(yuǎn)距離的網(wǎng)絡(luò)中繼。

另一類適合無(wú)線局域網(wǎng)應(yīng)用的場(chǎng)合是需要臨時(shí)組網(wǎng)和難以布線的地方，如災(zāi)難恢復(fù)、短時(shí)間的商用系統(tǒng)和大型會(huì)議以及軍事、公安等專用網(wǎng)。endprint

WLAN有三類應(yīng)用方式，即WLAN接入、網(wǎng)絡(luò)無(wú)線互聯(lián)和定位。前兩類應(yīng)用已經(jīng)比較普遍，而WLAN定位是近幾年發(fā)展起來(lái)的技術(shù)，其與無(wú)線廣域網(wǎng)的定位類似，不僅可以單獨(dú)使用，也可以將其他應(yīng)用結(jié)合起來(lái)進(jìn)一步促進(jìn)WLAN的應(yīng)用。

1.4 發(fā)展趨勢(shì)

無(wú)線局域網(wǎng)有很多局限性，此前關(guān)于局域網(wǎng)協(xié)議的發(fā)展主要體現(xiàn)在帶寬或傳輸速率的提高上，從標(biāo)準(zhǔn)上看主要是在物理層的改進(jìn)或擴(kuò)充方面，如IEEE 802.11的最大傳輸速率只有1～2Mbps，可以采用紅外方式、直接序列擴(kuò)頻（DSSS）或跳頻（FH）方式；IEEE 802.11b最大傳輸速率只有11Mbps，采用直接序列擴(kuò)頻方式；而IEEE 802.11a、IEEE 802.11g和HiperLAN2支持的最大傳輸速率可達(dá)54Mbps?？傮w而言，無(wú)線局域網(wǎng)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)包括：更高的帶寬、移動(dòng)性支持、多媒體保證（QoS）、安全性、可靠性、小型化、大覆蓋、節(jié)能、經(jīng)濟(jì)性等。

2 WiMAX

2.1 概述

全球微波接入互操作（WiMAX）采用IEEE 802.16標(biāo)準(zhǔn)，是一種城域網(wǎng)范圍的技術(shù)，可以為無(wú)線城域網(wǎng)中的“最后一公里”提供連接缺少的一環(huán)。IEEE 802.16標(biāo)準(zhǔn)中的空中接口標(biāo)準(zhǔn)由MAC層和PHY層兩部分組成。該標(biāo)準(zhǔn)支持多種物理層技術(shù)，MAC層確保了對(duì)這些物理層的良好支持，從MAC層的角度而言，每一種物理層已經(jīng)被優(yōu)化到可以滿足多個(gè)應(yīng)用頻帶的需求。需要格外說(shuō)明的是，IEEE 802.16標(biāo)準(zhǔn)還包括一個(gè)支持10—66GHz頻段的物理層實(shí)現(xiàn)方案。

WiMAX技術(shù)的發(fā)展分為兩個(gè)階段[3]。第一階段的標(biāo)準(zhǔn)只支持固定寬帶無(wú)線接入，如802.16、802.16a、802.16d標(biāo)準(zhǔn)。其中802.16a可以看作對(duì)802.16的修正和增強(qiáng)，這2種標(biāo)準(zhǔn)均工作在2—11GHz（包括許可帶寬和面許可帶寬）的頻帶上，但是相比于802.16，802.16a標(biāo)準(zhǔn)對(duì)MAC層進(jìn)行了修改擴(kuò)展和對(duì)物理層進(jìn)行補(bǔ)充規(guī)范，結(jié)合了自動(dòng)重傳請(qǐng)求（ARQ）等先進(jìn)的增強(qiáng)技術(shù)。第二階段的標(biāo)準(zhǔn)增加了對(duì)移動(dòng)寬帶接入的支持，如802.16e和802.16m標(biāo)準(zhǔn)。

目前IEEE 802.16包括三個(gè)主流的空中接口標(biāo)準(zhǔn)：IEEE 802.16d、IEEE 802.16e和IEEE 802.16m。IEEE 802.16d針對(duì)2—66GHz頻段的系統(tǒng)的空中接口標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)所支持的業(yè)務(wù)類型的差異性，該標(biāo)準(zhǔn)定義了多種MAC層以及相應(yīng)的PHY層。相對(duì)于IEEE 802.16和IEEE 802.16a標(biāo)準(zhǔn)，IEEE 802.16e納入了對(duì)用戶移動(dòng)性的支持。在2—6GHz的許可寬帶內(nèi)，通過(guò)定義了在基站或扇區(qū)之間的高層切換功能，IEEE 802.16e系統(tǒng)中的用戶站可以車載速度移動(dòng)。而IEEE 802.16m對(duì)IEEE 802.16e的進(jìn)一步增強(qiáng)，擴(kuò)充了可支持的用戶移動(dòng)速度范圍。

與其他的無(wú)線接入技術(shù)相比，WiMAX技術(shù)具有諸多優(yōu)勢(shì)包括：開(kāi)銷及投資風(fēng)險(xiǎn)小、長(zhǎng)距離下的高容量性能、系統(tǒng)容量可升級(jí)性、有效的服務(wù)質(zhì)量控制、動(dòng)態(tài)時(shí)分多址接入（TDMA）及MAC支持?jǐn)?shù)據(jù)、語(yǔ)音以及視頻等對(duì)時(shí)延敏感的業(yè)務(wù)、提供無(wú)線形式的“最后一公里”寬帶接入的同時(shí)保持對(duì)Wi-Fi技術(shù)的補(bǔ)足功能。

2.2 架構(gòu)與模型

圖4展示了WiMAX/802.16網(wǎng)絡(luò)參考模型[3]。該系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)/控制平面與管理平面。通過(guò)定義適當(dāng)?shù)目刂茩C(jī)制，數(shù)據(jù)/控制平面在完成必要傳輸?shù)耐瑫r(shí)，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性；而管理平面通過(guò)定義與數(shù)據(jù)/控制平面的功能實(shí)體相對(duì)應(yīng)的管理實(shí)體，實(shí)現(xiàn)了與數(shù)據(jù)/控制平面的實(shí)體的交互，同時(shí)也可以協(xié)助外部的網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)完成相關(guān)的管理功能。本文將主要討論系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)/控制平面。

圖4 WiMAX/802.16參考模型

WiMAX標(biāo)準(zhǔn)為無(wú)線空中接口分別定義了媒體介入控制層（MAC）和物理層（PHY）[4]。其中MAC層又可以進(jìn)一步劃分為匯聚子層（CS）、公共部分子層和安全子層。CS層面向業(yè)務(wù)，通過(guò)業(yè)務(wù)匯聚訪問(wèn)服務(wù)點(diǎn)向上面的外部網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)提供服務(wù)；公共部分子層通過(guò)MAC服務(wù)訪問(wèn)點(diǎn)為CS層提供服務(wù)；安全子層則通過(guò)加密算法包來(lái)對(duì)需要發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行加密操作。

具體來(lái)說(shuō)，面向業(yè)務(wù)的匯聚子層的功能是提供從本層的服務(wù)訪問(wèn)點(diǎn)接收到的外部網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)到系統(tǒng)內(nèi)MAC層業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)單元（SDU）之間的轉(zhuǎn)換或者映射，該子層支持的功能包括：對(duì)接收到的外部網(wǎng)絡(luò)SDU進(jìn)行分類，并與對(duì)應(yīng)的服務(wù)流建立對(duì)應(yīng)關(guān)系，對(duì)凈荷的報(bào)頭進(jìn)行壓縮等。MAC層的公共部分子層是系統(tǒng)提供具有服務(wù)質(zhì)量（QoS）的保證服務(wù)的關(guān)鍵，該子層實(shí)現(xiàn)的功能包括：上行業(yè)務(wù)類型的劃分、寬帶資源的調(diào)度、系統(tǒng)接入、寬帶的請(qǐng)求分配、連接的建立與維護(hù)、初始測(cè)距及周期性測(cè)距等。公共部分子層通過(guò)MAC訪問(wèn)點(diǎn)（AP）從面向業(yè)務(wù)的匯聚子層接收數(shù)據(jù)，并且接收的所有數(shù)據(jù)都與某一個(gè)確定的連接綁定，對(duì)于連接的服務(wù)質(zhì)量控制以及數(shù)據(jù)單元的調(diào)度機(jī)制均在該子層實(shí)現(xiàn)。安全子層主要通過(guò)加密打包協(xié)議和密鑰管理協(xié)議提供一系列鑒權(quán)、密鑰交換和加密解密作用。加密打包協(xié)議通過(guò)定義應(yīng)用規(guī)則，將一系列的認(rèn)證和加密算法應(yīng)用到協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PDU）凈荷部分；而密鑰管理協(xié)議主要是提供了密鑰分配機(jī)制[5]。

2.3 技術(shù)應(yīng)用

WiMAX技術(shù)的應(yīng)用主要分為兩種場(chǎng)景：專用網(wǎng)和公共網(wǎng)[6]。WiMAX用作專用網(wǎng)時(shí)，其功能介紹如下：

（1）蜂窩回傳網(wǎng)絡(luò)：在50km的覆蓋范圍內(nèi)提供點(diǎn)到點(diǎn)的鏈接，同時(shí)基于QoS保證技術(shù)，為語(yǔ)音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)提供良好的支持。

（2）無(wú)線業(yè)務(wù)回傳：借助于其QoS保證技術(shù)，負(fù)責(zé)基站與接入網(wǎng)之間的數(shù)據(jù)傳輸。

（3）海上通信網(wǎng)：在鉆井平臺(tái)和海上搜救過(guò)程中，通過(guò)WiMAX技術(shù)提供基本語(yǔ)音通信，同時(shí)也可提供實(shí)時(shí)的監(jiān)控和維護(hù)檢測(cè)等服務(wù)。

（4）校園網(wǎng)：利用WiMAX可以快速部署多個(gè)無(wú)線站點(diǎn)，提供具有QoS保證的語(yǔ)音、數(shù)據(jù)、視頻等服務(wù)，同時(shí)保證廣覆蓋、高容量、高安全、低冗余的特性。endprint

（5）金融網(wǎng)絡(luò)、遠(yuǎn)程教育網(wǎng)、公共安全網(wǎng)、臨時(shí)建筑通信和游樂(lè)通信等其他專用服務(wù)。

WiMAX也可以作為公共網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)技術(shù)，主要包括以下兩類：

（1）城市無(wú)線業(yè)務(wù)接入網(wǎng)：無(wú)線業(yè)務(wù)服務(wù)商通過(guò)無(wú)線鏈接為住宅用戶和企業(yè)用戶提供數(shù)據(jù)視頻等服務(wù)。同時(shí)，現(xiàn)有的移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商也可以通過(guò)WiMAX進(jìn)一步優(yōu)化其網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

（2）偏遠(yuǎn)地區(qū)信息化：考慮到偏遠(yuǎn)地區(qū)地域廣袤、人員稀少，假設(shè)有線蜂窩網(wǎng)的預(yù)算和周期嚴(yán)重阻礙運(yùn)營(yíng)商的盈利能力，因此具有QoS保證的WiMAX無(wú)線接入技術(shù)成為必然選擇。同時(shí)，WiMAX網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展性使其在開(kāi)拓人口密度較低的偏遠(yuǎn)地區(qū)市場(chǎng)方面具有很大潛力。

總之，采用WiMAX技術(shù)構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)非常適合城域范圍的覆蓋，在提供較高寬帶容量和數(shù)據(jù)速率的同時(shí)具有很高的QoS保證，是構(gòu)建無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的理想選擇。

3 LTE

3.1 概述

LTE技術(shù)是由第三代合作伙伴計(jì)劃（3GPP）組織發(fā)起的通用移動(dòng)通信系統(tǒng)（UMTS）技術(shù)的長(zhǎng)期演進(jìn)，是第四代移動(dòng)通信的實(shí)際標(biāo)準(zhǔn)之一。LTE將系統(tǒng)帶寬由原始的5MHz擴(kuò)展到20MHz，采用了以O(shè)FDM/FDMA為核心的傳輸技術(shù)，并且在無(wú)線接入網(wǎng)（RAN）結(jié)構(gòu)層面，LTE追求扁平化、分散化的系統(tǒng)架構(gòu)，為了獲得更小的用戶面延遲，不再單獨(dú)引入無(wú)線網(wǎng)絡(luò)控制器（RNC）部分，而是將該部分的功能集成到基站部分；在整體系統(tǒng)架構(gòu)方面，LTE技術(shù)也采用全新的演進(jìn)型分組系統(tǒng)（EPS）架構(gòu)。根據(jù)3GPP技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，LTE系統(tǒng)相比于以往技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在：更低的每比特成本、多樣化業(yè)務(wù)支持能力、高QoS用戶體驗(yàn)、靈活的載波聚合能力、簡(jiǎn)化的開(kāi)放性空中接口以及合理的終端功耗。

根據(jù)3GPP組織的討論，在TR25.913中詳細(xì)定義了LTE系統(tǒng)的需求指標(biāo)[7]，這些需求可以分為：系統(tǒng)容量需求、系統(tǒng)性能需求、系統(tǒng)部署需求、RAN框架及其演進(jìn)需求、無(wú)線資源管理需求以及復(fù)雜度需求等。在容量需求上，一方面，LTE通過(guò)采用更高的帶寬以及收發(fā)端多天線技術(shù)，可以支持更高的峰值速率（上行50Mbps，下行100Mbps）；另一方面，LTE也保證了更低的控制面延遲和用戶面延遲。在性能需求方面，LTE提高了小區(qū)平均吞吐量、小區(qū)邊緣吞吐量以及最大可同時(shí)接入系統(tǒng)的用戶數(shù)，進(jìn)而增加了系統(tǒng)頻譜效率；同時(shí)，LTE系統(tǒng)優(yōu)化了對(duì)移動(dòng)性的支持（最高可在350km/h速度下保持系統(tǒng)的連接性）以及對(duì)高覆蓋的支持（最大支持100km覆蓋半徑）。針對(duì)系統(tǒng)部署需求，LTE技術(shù)支持獨(dú)立場(chǎng)景部署以及與其他接入技術(shù)的混合場(chǎng)景部署，同時(shí)該系統(tǒng)也支持靈活的頻譜分配方案（最小支持1.4MHz，最大支持20MHz）。在RAN架構(gòu)演進(jìn)方面，LTE系統(tǒng)采用單一的基于分組模式的E-UTRAN架構(gòu)，在盡量避免“單點(diǎn)失敗”的情況下保證了對(duì)實(shí)時(shí)和話音業(yè)務(wù)的有效支持；通過(guò)簡(jiǎn)化架構(gòu)，接口數(shù)量得以減少。在無(wú)線資源管理（RRM）方面，LTE系統(tǒng)在保證了對(duì)高層傳輸協(xié)議有效支持的基礎(chǔ)上，增強(qiáng)了端到端QoS支持，也可以實(shí)現(xiàn)不同接入技術(shù)（RAT）間的負(fù)載均衡。最后，LTE系統(tǒng)強(qiáng)調(diào)追求低系統(tǒng)復(fù)雜度和低終端復(fù)雜度，力求在保證業(yè)務(wù)需求的前提下降低成本。

總之，與現(xiàn)有蜂窩技術(shù)（如3G）相比，LTE不僅需要支持靈活的傳輸帶寬，引入新的傳輸技術(shù)和多天線技術(shù)，也需要對(duì)信令設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)RAN架構(gòu)和RAN網(wǎng)元功能之間劃分進(jìn)行優(yōu)化。

3.2 系統(tǒng)架構(gòu)

根據(jù)TS36.300和TS36.401標(biāo)準(zhǔn)表述，LTE的總體架構(gòu)包括演進(jìn)型地面無(wú)線接入網(wǎng)（E-UTRAN）和演進(jìn)型分組核心網(wǎng)（EPC），其中E-UTRAN由演進(jìn)型節(jié)點(diǎn)B（eNodeB）組成，eNodeB之間通過(guò)X2接口互聯(lián)，eNodeB通過(guò)X1接口與分組核心網(wǎng)相連。根據(jù)功能，EPC可以分為服務(wù)網(wǎng)關(guān)（S-GW）和移動(dòng)性管理實(shí)體（MME），S1接口的用戶面終止在S-GW上，控制面終止在MME上。圖5描述了LTE系統(tǒng)的總體架構(gòu)：

圖5 LTE系統(tǒng)總體架構(gòu)

圖6展示了LTE系統(tǒng)中接入網(wǎng)與核心網(wǎng)的功能劃分。其中，接入網(wǎng)為E-UTRAN，由eNB承載該功能；核心網(wǎng)即EPC。

圖6 E-UTRAN和EPC功能劃分

在接入網(wǎng)方面，eNB作為L(zhǎng)TE系統(tǒng)的主要組成部分，提供強(qiáng)大的功能支持，從無(wú)線資源管理到數(shù)據(jù)壓縮與數(shù)據(jù)加密、從路由選擇到尋呼和廣播信息的調(diào)度發(fā)送、以及移動(dòng)性和調(diào)度測(cè)量與測(cè)量上報(bào)的配置。其中小區(qū)間的無(wú)線資源管理既包括了無(wú)線承載控制和無(wú)線許可控制，也包括了連接移動(dòng)性控制和上下行資源動(dòng)態(tài)調(diào)度。

LTE中的核心網(wǎng)主要負(fù)責(zé)建立有關(guān)承載和控制用戶終端，其不僅包括了S-GW和MME邏輯節(jié)點(diǎn)，也包括PDN網(wǎng)關(guān)（P-GW）、策略控制和計(jì)費(fèi)規(guī)則（PCRF）等邏輯節(jié)點(diǎn)。S-GW負(fù)責(zé)發(fā)送用戶的IP數(shù)據(jù)包、完成移動(dòng)性支持以及緩存用戶數(shù)據(jù)等；MME作為控制節(jié)點(diǎn)，處理UE和核心網(wǎng)絡(luò)間信令交互，完成承載管理和用戶連接管理；P-GW通過(guò)業(yè)務(wù)流模板將用戶的IP包分配給不同的QoS承載；而PCRF提供QoS授權(quán)，并負(fù)責(zé)策略控制的決策以及基于流量收費(fèi)的功能。

3.3 技術(shù)特點(diǎn)

LTE系統(tǒng)支持從1.4MHz到20MHz的靈活的系統(tǒng)帶寬。系統(tǒng)采用OFDM方式將頻率資源劃分為一個(gè)個(gè)正交的子載波，每個(gè)子載波的帶寬是15kHz，將12個(gè)子載波組成1個(gè)資源塊（RB）。因此，LTE最少支持6個(gè)RB（1.4MHz），最多支持100個(gè)RB（20MHz）。同時(shí)，LTE系統(tǒng)中引入了保護(hù)頻帶，以防止LTE系統(tǒng)帶寬內(nèi)的信號(hào)泄露到相鄰頻道，對(duì)其他系統(tǒng)（GSM、3G系統(tǒng)等）造成干擾。另外，為了支持對(duì)稱頻段和非對(duì)稱頻段的部署，LTE支持FDD和TDD兩種雙工方式。

LTE系統(tǒng)采用了多種先進(jìn)的無(wú)線傳輸技術(shù)，包括上下行多址技術(shù)、上下行MIMO技術(shù)、調(diào)制技術(shù)、信道編碼技術(shù)、演進(jìn)型多媒體技術(shù)以及小區(qū)間抑制干擾技術(shù)?？紤]到3GPP大多數(shù)公司的選擇，LTE系統(tǒng)下行采用OFDMA多址技術(shù)，同時(shí)為了降低峰平比（PAPR）對(duì)設(shè)備的影響，LTE系統(tǒng)上行采用了單載波頻分多址技術(shù)（SC-FDMA）。為了滿足對(duì)數(shù)據(jù)速率和系統(tǒng)容量的高要求，LTE系統(tǒng)支持下行MIMO技術(shù)，包括傳輸分集、空間復(fù)用、波束賦形等技術(shù)。傳輸分集技術(shù)（如空時(shí)編碼、循環(huán)延時(shí)分集、天線切換分集等）主要利用信道的弱相關(guān)性，通過(guò)傳輸信號(hào)的多個(gè)副本改善接收端的信噪比，該技術(shù)適用于低信噪比情況，目標(biāo)是提高傳輸速率或者覆蓋范圍?？臻g復(fù)用充分利用空間信道的弱相關(guān)性，在獨(dú)立的空間子信道上傳輸不同數(shù)據(jù)流，可以有效提高系統(tǒng)的峰值速率，高技術(shù)適用于高信噪比區(qū)域，其目的是提高傳輸速率。同分集技術(shù)一樣，波束賦形技術(shù)也適用于低信噪比區(qū)域，需要利用空間信道的強(qiáng)相關(guān)性，在小間距的天線陣列間形成波束的輻射方向圖，使波束主方向自適應(yīng)的朝向用戶方向，進(jìn)而提高容量和覆蓋。LTE的上行同樣支持MIMO技術(shù)，受限于終端設(shè)備的復(fù)雜性需求，目前上行的MIMO只支持天線選擇功能。LTE的信道編碼技術(shù)以Turbo碼作為基礎(chǔ)，并在此基礎(chǔ)上結(jié)合了分段、交織等改進(jìn)技術(shù)。LTE系統(tǒng)中的干擾協(xié)調(diào)技術(shù)分為上行干擾協(xié)調(diào)和下行干擾協(xié)調(diào)，上行采用基于高干擾指示（HI）和過(guò)載指示（OI）信息的方案，而下行由于不采用功率控制技術(shù)，因此很多公司質(zhì)疑下行干擾存在的必要性。endprint

LTE系統(tǒng)支持先進(jìn)的自適應(yīng)編碼和調(diào)制技術(shù)（AMC）以及混合自動(dòng)重傳請(qǐng)求技術(shù)（HARQ）。在AMC技術(shù)中，基站/終端可以根據(jù)及時(shí)信道條件，通過(guò)信道狀態(tài)指示（CQI）來(lái)動(dòng)態(tài)選擇適當(dāng)?shù)恼{(diào)制和編碼方式。LTE系統(tǒng)上下行均支持8個(gè)HARQ進(jìn)程，該技術(shù)可以分為同步和異步兩種情況。同步情況下每個(gè)HARQ進(jìn)程位置固定；而異步情況下的進(jìn)程位置不固定，需要額外的信令指示。

3GPP最終決定在LTE下行的PDSCH信道不采取功率控制，這是基于兩點(diǎn)考慮：一是，通過(guò)靈活的頻域調(diào)用可以最大程度避免調(diào)用高路損的RB；二是，下行功率補(bǔ)償機(jī)制極可能干擾下行CQI的測(cè)量，進(jìn)而影響了下行調(diào)度的準(zhǔn)確性。在LTE系統(tǒng)上行階段，針對(duì)PUSCH、PUCCH等信道采用功率控制以補(bǔ)償路損和陰影，同時(shí)抑制小區(qū)間干擾。需要注意的是，上行的功率控制機(jī)制采用慢功控方式（頻率不高于200Hz）。

在小區(qū)搜索方面，LTE首先順序采取符號(hào)級(jí)定時(shí)檢測(cè)和無(wú)線幀時(shí)鐘檢測(cè)的兩級(jí)時(shí)鐘檢測(cè)方式獲得時(shí)鐘同步，然后執(zhí)行小區(qū)ID檢測(cè)。LTE系統(tǒng)中，當(dāng)UE已經(jīng)和系統(tǒng)取得上行同步時(shí)，采取同步隨機(jī)接入方式接入系統(tǒng)；當(dāng)UE尚未取得或丟失上行同步時(shí)，UE要估計(jì)、調(diào)整上行發(fā)送時(shí)鐘，采取非同步隨機(jī)接入的方式接入系統(tǒng)。

4 部分其他技術(shù)

其他的無(wú)線寬帶技術(shù)包括本地多點(diǎn)分配系統(tǒng)（LMDS）和多信道多點(diǎn)分配系統(tǒng)（MMDS），均采用固定式的無(wú)線接入。

LMDS以無(wú)線方式解決從骨干網(wǎng)、本地交換機(jī)到用戶的接入問(wèn)題。其工作在24—39GHz頻段，帶寬可達(dá)1GHz以上，采用類似于蜂窩的結(jié)構(gòu)，劃分若干個(gè)服務(wù)區(qū)，每個(gè)服務(wù)區(qū)設(shè)立基站，覆蓋范圍可達(dá)幾公里到幾十公里。LMDS系統(tǒng)下行采用TDM技術(shù)，并且采用了扇區(qū)覆蓋的形式，這樣每一個(gè)廣播信號(hào)就能被控制在相應(yīng)的扇區(qū)內(nèi)。

但是，因?yàn)長(zhǎng)MDS工作于10GHz以上的高頻段，使得該技術(shù)具有與生俱來(lái)的缺點(diǎn)：高頻段的信號(hào)傳輸受視距（LOS）、天氣、距離等因素的影響明顯，且衰減嚴(yán)重，這就要求LMDS系統(tǒng)的部署環(huán)境要保持固定，并且基站和遠(yuǎn)端站之間的距離要在一定范圍之內(nèi)；另一方面，在雨雪等天氣情況下，該系統(tǒng)的雨衰雪衰等特性必然影響用戶體驗(yàn)。

相比于LMDS系統(tǒng)，MMDS系統(tǒng)的工作頻段集中在2—5GHz，因此該頻段具有較小的空間傳輸損耗，同時(shí)受天氣變化因素影響較小。這些特點(diǎn)使得MMDS系統(tǒng)較LMDS系統(tǒng)而言具有更大的覆蓋半徑（幾十公里）。與LMDS相比，MMDS適用于用戶相對(duì)分散、容量較小的地區(qū)。但是2—5GHz頻率段的資源比較緊張，各國(guó)能夠分配給MMDS使用的頻率要比LMDS少得多，因此該頻段的使用需要合理的頻譜規(guī)劃。

參考文獻(xiàn)：

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[8] 高文龍. 寬帶無(wú)線接入多面觀[J]. 電信技術(shù)， 2001（10）： 3-7.endprint

LTE系統(tǒng)支持先進(jìn)的自適應(yīng)編碼和調(diào)制技術(shù)（AMC）以及混合自動(dòng)重傳請(qǐng)求技術(shù)（HARQ）。在AMC技術(shù)中，基站/終端可以根據(jù)及時(shí)信道條件，通過(guò)信道狀態(tài)指示（CQI）來(lái)動(dòng)態(tài)選擇適當(dāng)?shù)恼{(diào)制和編碼方式。LTE系統(tǒng)上下行均支持8個(gè)HARQ進(jìn)程，該技術(shù)可以分為同步和異步兩種情況。同步情況下每個(gè)HARQ進(jìn)程位置固定；而異步情況下的進(jìn)程位置不固定，需要額外的信令指示。

3GPP最終決定在LTE下行的PDSCH信道不采取功率控制，這是基于兩點(diǎn)考慮：一是，通過(guò)靈活的頻域調(diào)用可以最大程度避免調(diào)用高路損的RB；二是，下行功率補(bǔ)償機(jī)制極可能干擾下行CQI的測(cè)量，進(jìn)而影響了下行調(diào)度的準(zhǔn)確性。在LTE系統(tǒng)上行階段，針對(duì)PUSCH、PUCCH等信道采用功率控制以補(bǔ)償路損和陰影，同時(shí)抑制小區(qū)間干擾。需要注意的是，上行的功率控制機(jī)制采用慢功控方式（頻率不高于200Hz）。

在小區(qū)搜索方面，LTE首先順序采取符號(hào)級(jí)定時(shí)檢測(cè)和無(wú)線幀時(shí)鐘檢測(cè)的兩級(jí)時(shí)鐘檢測(cè)方式獲得時(shí)鐘同步，然后執(zhí)行小區(qū)ID檢測(cè)。LTE系統(tǒng)中，當(dāng)UE已經(jīng)和系統(tǒng)取得上行同步時(shí)，采取同步隨機(jī)接入方式接入系統(tǒng)；當(dāng)UE尚未取得或丟失上行同步時(shí)，UE要估計(jì)、調(diào)整上行發(fā)送時(shí)鐘，采取非同步隨機(jī)接入的方式接入系統(tǒng)。

4 部分其他技術(shù)

其他的無(wú)線寬帶技術(shù)包括本地多點(diǎn)分配系統(tǒng)（LMDS）和多信道多點(diǎn)分配系統(tǒng)（MMDS），均采用固定式的無(wú)線接入。

LMDS以無(wú)線方式解決從骨干網(wǎng)、本地交換機(jī)到用戶的接入問(wèn)題。其工作在24—39GHz頻段，帶寬可達(dá)1GHz以上，采用類似于蜂窩的結(jié)構(gòu)，劃分若干個(gè)服務(wù)區(qū)，每個(gè)服務(wù)區(qū)設(shè)立基站，覆蓋范圍可達(dá)幾公里到幾十公里。LMDS系統(tǒng)下行采用TDM技術(shù)，并且采用了扇區(qū)覆蓋的形式，這樣每一個(gè)廣播信號(hào)就能被控制在相應(yīng)的扇區(qū)內(nèi)。

但是，因?yàn)長(zhǎng)MDS工作于10GHz以上的高頻段，使得該技術(shù)具有與生俱來(lái)的缺點(diǎn)：高頻段的信號(hào)傳輸受視距（LOS）、天氣、距離等因素的影響明顯，且衰減嚴(yán)重，這就要求LMDS系統(tǒng)的部署環(huán)境要保持固定，并且基站和遠(yuǎn)端站之間的距離要在一定范圍之內(nèi)；另一方面，在雨雪等天氣情況下，該系統(tǒng)的雨衰雪衰等特性必然影響用戶體驗(yàn)。

相比于LMDS系統(tǒng)，MMDS系統(tǒng)的工作頻段集中在2—5GHz，因此該頻段具有較小的空間傳輸損耗，同時(shí)受天氣變化因素影響較小。這些特點(diǎn)使得MMDS系統(tǒng)較LMDS系統(tǒng)而言具有更大的覆蓋半徑（幾十公里）。與LMDS相比，MMDS適用于用戶相對(duì)分散、容量較小的地區(qū)。但是2—5GHz頻率段的資源比較緊張，各國(guó)能夠分配給MMDS使用的頻率要比LMDS少得多，因此該頻段的使用需要合理的頻譜規(guī)劃。

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[8] 高文龍. 寬帶無(wú)線接入多面觀[J]. 電信技術(shù)， 2001（10）： 3-7.endprint

LTE系統(tǒng)支持先進(jìn)的自適應(yīng)編碼和調(diào)制技術(shù)（AMC）以及混合自動(dòng)重傳請(qǐng)求技術(shù)（HARQ）。在AMC技術(shù)中，基站/終端可以根據(jù)及時(shí)信道條件，通過(guò)信道狀態(tài)指示（CQI）來(lái)動(dòng)態(tài)選擇適當(dāng)?shù)恼{(diào)制和編碼方式。LTE系統(tǒng)上下行均支持8個(gè)HARQ進(jìn)程，該技術(shù)可以分為同步和異步兩種情況。同步情況下每個(gè)HARQ進(jìn)程位置固定；而異步情況下的進(jìn)程位置不固定，需要額外的信令指示。

3GPP最終決定在LTE下行的PDSCH信道不采取功率控制，這是基于兩點(diǎn)考慮：一是，通過(guò)靈活的頻域調(diào)用可以最大程度避免調(diào)用高路損的RB；二是，下行功率補(bǔ)償機(jī)制極可能干擾下行CQI的測(cè)量，進(jìn)而影響了下行調(diào)度的準(zhǔn)確性。在LTE系統(tǒng)上行階段，針對(duì)PUSCH、PUCCH等信道采用功率控制以補(bǔ)償路損和陰影，同時(shí)抑制小區(qū)間干擾。需要注意的是，上行的功率控制機(jī)制采用慢功控方式（頻率不高于200Hz）。

在小區(qū)搜索方面，LTE首先順序采取符號(hào)級(jí)定時(shí)檢測(cè)和無(wú)線幀時(shí)鐘檢測(cè)的兩級(jí)時(shí)鐘檢測(cè)方式獲得時(shí)鐘同步，然后執(zhí)行小區(qū)ID檢測(cè)。LTE系統(tǒng)中，當(dāng)UE已經(jīng)和系統(tǒng)取得上行同步時(shí)，采取同步隨機(jī)接入方式接入系統(tǒng)；當(dāng)UE尚未取得或丟失上行同步時(shí)，UE要估計(jì)、調(diào)整上行發(fā)送時(shí)鐘，采取非同步隨機(jī)接入的方式接入系統(tǒng)。

4 部分其他技術(shù)

其他的無(wú)線寬帶技術(shù)包括本地多點(diǎn)分配系統(tǒng)（LMDS）和多信道多點(diǎn)分配系統(tǒng)（MMDS），均采用固定式的無(wú)線接入。

LMDS以無(wú)線方式解決從骨干網(wǎng)、本地交換機(jī)到用戶的接入問(wèn)題。其工作在24—39GHz頻段，帶寬可達(dá)1GHz以上，采用類似于蜂窩的結(jié)構(gòu)，劃分若干個(gè)服務(wù)區(qū)，每個(gè)服務(wù)區(qū)設(shè)立基站，覆蓋范圍可達(dá)幾公里到幾十公里。LMDS系統(tǒng)下行采用TDM技術(shù)，并且采用了扇區(qū)覆蓋的形式，這樣每一個(gè)廣播信號(hào)就能被控制在相應(yīng)的扇區(qū)內(nèi)。

但是，因?yàn)長(zhǎng)MDS工作于10GHz以上的高頻段，使得該技術(shù)具有與生俱來(lái)的缺點(diǎn)：高頻段的信號(hào)傳輸受視距（LOS）、天氣、距離等因素的影響明顯，且衰減嚴(yán)重，這就要求LMDS系統(tǒng)的部署環(huán)境要保持固定，并且基站和遠(yuǎn)端站之間的距離要在一定范圍之內(nèi)；另一方面，在雨雪等天氣情況下，該系統(tǒng)的雨衰雪衰等特性必然影響用戶體驗(yàn)。

相比于LMDS系統(tǒng)，MMDS系統(tǒng)的工作頻段集中在2—5GHz，因此該頻段具有較小的空間傳輸損耗，同時(shí)受天氣變化因素影響較小。這些特點(diǎn)使得MMDS系統(tǒng)較LMDS系統(tǒng)而言具有更大的覆蓋半徑（幾十公里）。與LMDS相比，MMDS適用于用戶相對(duì)分散、容量較小的地區(qū)。但是2—5GHz頻率段的資源比較緊張，各國(guó)能夠分配給MMDS使用的頻率要比LMDS少得多，因此該頻段的使用需要合理的頻譜規(guī)劃。

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