4G網(wǎng)絡(luò)發(fā)展TD-LTE技術(shù)

1、 4G網(wǎng)絡(luò)發(fā)展：TD-LTE技術(shù)Anu Rathi, Pulkit Narang, Sachin Kumar Rai, Mohita Aggarwal, Meghna Kalra 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系助理教授 得洛納查雅工程，大諾伊達(dá)區(qū)大學(xué)、北方邦 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系 得洛納查雅工程，大諾伊達(dá)區(qū)大學(xué)、北方邦摘要 可以想象的應(yīng)用包括修改的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)接入，網(wǎng)絡(luò)電話，游戲服務(wù)，高清晰度的移動(dòng)電視，視頻會(huì)議，三維電視和云計(jì)算。4G系統(tǒng)提供移動(dòng)寬帶互聯(lián)網(wǎng)接入，例如USB無線調(diào)制解調(diào)器，筆記本電腦，智能手機(jī)和其他移動(dòng)設(shè)備。網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)采用的關(guān)鍵技術(shù)信息采集、處理和分發(fā)。這些系統(tǒng)應(yīng)該由服務(wù)器控制。為了提高這些網(wǎng)絡(luò)的

2、好處，我們引入了4G系統(tǒng)。本文提出了TD-LTE技術(shù)在4G系統(tǒng)對(duì)提高2G和3G系統(tǒng)的安全。本文中的兩個(gè)4G候選系統(tǒng)的商業(yè)化部署：移動(dòng)PKM加密密鑰并首次發(fā)布的長期演進(jìn)（LTE）標(biāo)準(zhǔn)與TD-LTE技術(shù)探討。關(guān)鍵詞：3G、4G、TD-LTE、WiMAX、UMTS、CDMA、MIMO、OFDMA。1. 簡(jiǎn)介 2008年3月，國際電信聯(lián)盟無線電通信部門（ITU-R）指定的一組4G標(biāo)準(zhǔn)的要求，命名為國際移動(dòng)電信先進(jìn)（IMT-Advanced）規(guī)范，設(shè)置4G服務(wù)的峰值速度要求在100兆位每秒（兆位/秒）的高速移動(dòng)通信（如從火車和汽車）和每秒1千兆（Gbit/s）低移動(dòng)通信（如行人和固定用戶）。 由于移動(dòng)W

3、iMAX和LTE的第一個(gè)發(fā)布版本多支持小于1 Gbit/s峰值比特率，他們也不完全兼容IMT-Advanced標(biāo)準(zhǔn)，但往往是品牌的4G服務(wù)供應(yīng)商。2010年12月6日，ITU-R承認(rèn)這兩種技術(shù)，以及不滿足IMT-Advanced要求的然而被視為“4G”的其他超3G技術(shù)，可以提供他們所代表的前身為IMT-Advanced兼容版本”以及在性能和尊重初始第三代系統(tǒng)部署能力實(shí)質(zhì)性水平的提高。 移動(dòng)WiMAX 2版（也被稱為無線城域網(wǎng)晚期或IEEE 802.16m LTE-Advanced（LTE-A），是IMT-Advanced標(biāo)準(zhǔn)向后兼容的版本。上述2個(gè)系統(tǒng)，在2011年春季標(biāo)準(zhǔn)中，承諾在訂單中達(dá)到

4、1 Gbit/s的速度。預(yù)計(jì)在2013年可實(shí)現(xiàn)此服務(wù)。 相對(duì)于前幾代，4G系統(tǒng)不支持傳統(tǒng)的電路交換電話服務(wù)，但支持所有以網(wǎng)際協(xié)議（網(wǎng)際協(xié)議）為基礎(chǔ)的通信，如知識(shí)產(chǎn)權(quán)電話。如下所示，用于3G系統(tǒng)的擴(kuò)頻無線電技術(shù)拋棄所有的4G候選系統(tǒng)，采用OFDMA多載體系統(tǒng)和更換傳輸和其他頻域均衡（FDE）計(jì)劃，使它可以傳輸非常高的比特率，盡管廣泛的多路徑無線電傳播（回聲）。這個(gè)智能天線陣列的峰值比特率進(jìn)一步提高了多輸入多輸出（MIMO）通信。 在一般的無線網(wǎng)絡(luò)中，“一代”一詞的使用是任意的。它有幾種不同的解釋，盡管在ITU-R標(biāo)簽巨大共識(shí)的條件下，但并沒有給出官方的定義。從ITU-R的角度來看，4G相當(dāng)于IM

5、T-Advanced具有特殊性能要求的解釋如下。但根據(jù)運(yùn)營商，一代網(wǎng)絡(luò)指的是一種新的非向后兼容技術(shù)的部署。這通常相當(dāng)于一個(gè)有它自己折舊期、營銷策略（如果有的話）和部署階段的巨大投資。它甚至可以是不同的運(yùn)營商。從最終用戶的角度來看，只有性能和成本是有意義的。很難說下一代網(wǎng)絡(luò)能夠比上一代表現(xiàn)出更好和價(jià)格更便宜。事實(shí)上，在新一代網(wǎng)絡(luò)到來的同時(shí)，上一代可以將其發(fā)展到一個(gè)比新一代的第一個(gè)版本更好的程度。在許多國家，GSM，UMTS和LTE網(wǎng)絡(luò)并存。因此，使用該技術(shù)/標(biāo)準(zhǔn)的名稱，可能遵循其版本號(hào)，而不是一個(gè)主觀武斷的代號(hào)，這是注定要受到無休止的挑戰(zhàn)的。2. LTE技術(shù) LTE，長期演進(jìn)的一個(gè)縮略詞，推廣的

6、4G LTE，是一個(gè)用于高速數(shù)據(jù)移動(dòng)手機(jī)和數(shù)據(jù)終端的無線通信標(biāo)準(zhǔn)。它基于GSM / EDGE和UMTS / HSPA網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，增加容量和使用不同的無線接口與核心網(wǎng)的改進(jìn)速度。該標(biāo)準(zhǔn)是由3GPP（第三代合作伙伴項(xiàng)目）開發(fā)的，在其發(fā)布的8號(hào)文件系列規(guī)定，輕微的增強(qiáng)版本9中也有介紹。 2009年12月14日，TeliaSonera公司在奧斯陸和斯德哥爾摩推出世界上第一個(gè)公開提供LTE服務(wù)。LTE是運(yùn)營商與GSM / UMTS網(wǎng)絡(luò)的自然升級(jí)路徑和CDMA反對(duì)如Verizon無線。2010年，他在北美推出了第一次大規(guī)模的LTE網(wǎng)絡(luò)。金的日本KDDI已經(jīng)宣布他們將遷移到LTE。因此，預(yù)計(jì)LTE將成為第一個(gè)

7、真正的全球移動(dòng)電話標(biāo)準(zhǔn)。盡管不同國家的不同頻段的使用將意味著只有在支持多頻段手機(jī)的所有國家才能夠使用LTE。 雖然作為一個(gè)4G無線服務(wù)來銷售，但是LTE在3GPP Release 8和9系列文件并不滿足3GPP財(cái)團(tuán)已采用的新標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)生的技術(shù)要求，這原本是由ITU-R組織在IMT-Advanced標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的。然而，由于市場(chǎng)壓力和WiMAX、HSPA+和LTE以及原有的3G技術(shù)的顯著進(jìn)步，ITU后來決定，LTE與上述技術(shù)可稱為4G技術(shù)。LTE-Advanced標(biāo)準(zhǔn)正式符合ITU-R要求，從而加以考慮IMTAdvanced。為了分化從目前的4G技術(shù)中分化出LTE-Advanced和WiMAXAdva

8、nced，ITU將它們定義為“真正的4G”。2.1 概述LTE LTE是一種無線數(shù)據(jù)通信技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)和GSM / UMTS標(biāo)準(zhǔn)的演進(jìn)。LTE的目標(biāo)是在世紀(jì)之交的發(fā)展中，使用新的DSP（數(shù)字信號(hào)處理）技術(shù)和調(diào)制，增加無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的容量和速度。更進(jìn)一步的目標(biāo)是重新設(shè)計(jì)和簡(jiǎn)化的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，相比3G架構(gòu)，顯著降低基于IP的系統(tǒng)傳輸延遲。LTE無線接口不兼容2G和3G網(wǎng)絡(luò)，所以它必須在一個(gè)單獨(dú)的無線頻譜操作。 LTE最早是由日本NTT DoCoMo公司在2004年提出的，并在2005年新標(biāo)準(zhǔn)正式開始研究。2007年5月，LTE/SAE測(cè)試聯(lián)盟（LSTI）聯(lián)盟的成立，是為廠商和運(yùn)營商的驗(yàn)證和推動(dòng)新的標(biāo)準(zhǔn)以保證

9、技術(shù)盡可能快的全球化目標(biāo)之間的全球合作。LTE標(biāo)準(zhǔn)在2008年12月完成。2009年12月14日，TeliaSonera在奧斯陸和斯德哥爾摩推出第一個(gè)公開提供作為一個(gè)USB調(diào)制解調(diào)器的數(shù)據(jù)連接的LTE服務(wù)。2011年，和北美主要運(yùn)營商推出的LTE服務(wù)一樣，三星Galaxy大肆提供MetroPCS開始于2011年2月10日的第一個(gè)商用LTE智能手機(jī)。從3月17日開始，第二個(gè)LTE智能手機(jī)，由Verizon提供的HTC Thunderbolt在市場(chǎng)上銷售。在加拿大，2011年7月7日羅杰斯無線第一個(gè)發(fā)行的LTE網(wǎng)絡(luò)提供Sierra Wireless AirCard313U USB移動(dòng)寬帶調(diào)制解調(diào)器

10、，被譽(yù)為“LTE火箭棒”。然后緊接著的是來自HTC和三星的移動(dòng)設(shè)備。最初，CDMA運(yùn)營商計(jì)劃升級(jí)到稱為UMB和WiMAX的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手標(biāo)準(zhǔn)，但畢竟所有主要的CDMA運(yùn)營商（如美國的Verizon公司、Sprint公司和 MetroPCS公司，加拿大的貝爾和Telus，日本的KDDI，韓國的SK電訊，中國的中國電信和中國聯(lián)通）已經(jīng)宣布他們打算遷移到LTE。2011年3月標(biāo)準(zhǔn)化的LTE的演進(jìn)是LTE-Advanced。預(yù)計(jì)將在2013年開始服務(wù)。LTE規(guī)范提供300 Mbit/s的下行峰值速率，75 Mbit / s的上行峰值速率，QoS規(guī)定允許小于5毫秒的無線接入網(wǎng)絡(luò)傳輸延遲。LTE具有管理快速移動(dòng)

11、的手機(jī)和支持多播和廣播流的功能。LTE支持可擴(kuò)展的載波帶寬，從1.4兆赫到20兆赫以及支持頻分雙工（FDD）和時(shí)分雙工（TDD）。稱為演進(jìn)分組核心（EPC）和設(shè)計(jì)來代替GPRS核心網(wǎng)絡(luò)的基于IP網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，支持語音和數(shù)據(jù)信號(hào)塔與舊的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，如GSM的無縫切換，UMTS和CDMA2000。簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致運(yùn)營成本降低（例如，每一個(gè)E-UTRAN 單元都支持HSPA提供的高達(dá)四倍的數(shù)據(jù)和語音能力）。3. 4G技術(shù)的特點(diǎn)以下主要特點(diǎn)可以在所有建議的4G技術(shù)觀察： 物理層傳輸技術(shù)如下： MIMO：達(dá)到超高的頻譜效率，通過空間處理包括多天線和多用戶MIMO 頻域均衡，例如多載波調(diào)制（OFDM）的下行鏈路或

12、單載波頻域均衡（SC-FDE）的上行鏈路：利用頻率選擇性信道性能而無需復(fù)雜的均衡。 頻域的統(tǒng)計(jì)復(fù)用，例如（OFDMA）或（單載波頻分多址）（SCFDMA，又名線性預(yù)編碼的OFDMA，LPOFDMA）上行鏈路：可變比特率給基于信道條件的不同用戶分配不同的子信道。 渦輪增壓原理的糾錯(cuò)碼：在接收端的信噪比降到最低。 信道相關(guān)的調(diào)度：使用時(shí)變信道。 鏈路自適應(yīng)：自適應(yīng)調(diào)制和糾錯(cuò)碼。 用于移動(dòng)性的移動(dòng)知識(shí)?；贗P的毫微微蜂窩基站（與固定互聯(lián)網(wǎng)寬帶基礎(chǔ)設(shè)施的主節(jié)點(diǎn)）4. LTE技術(shù)特點(diǎn) 大部分的LTE標(biāo)準(zhǔn)地址的3G升級(jí)，最終將是4G移動(dòng)通信技術(shù)。大量的工作是針對(duì)簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，它由現(xiàn)有的UMTS電路+分組

13、交換相結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)，一個(gè)全I(xiàn)P架構(gòu)扁平化系統(tǒng)。E-UTRA是LTE空中接口。其主要特點(diǎn)是： 峰值下載速率達(dá)到299.6 Mbit/s，上傳速率達(dá)到75.4 Mbit/s取決于用戶設(shè)備類（用4x4天線20兆赫的頻譜）。五個(gè)不同的終端類已經(jīng)被定義為從一個(gè)以語音為中心的支持峰值數(shù)據(jù)速率的高端終端。所有的終端將能夠處理20兆赫帶寬。 低數(shù)據(jù)傳輸延遲（分5毫秒的延遲在最佳條件下小的IP數(shù)據(jù)包），比以前的無線接入技術(shù)的切換和更低延遲的連接建立時(shí)間。 改進(jìn)的流動(dòng)性支持，例如根據(jù)頻率波段通過支持終端移動(dòng)速度達(dá)到350公里/小時(shí)（220英里）或500公里/小時(shí)（310英里）。 對(duì)于下行OFDMA，上行SC-FDM

14、A省電。 支持FDD和TDD通信系統(tǒng)以及相同的無線接入技術(shù)，也支持半雙工FDD。 目前由ITU-R IMT系統(tǒng)全頻段的支持 提高頻譜靈活性：1.4MHz，3MHz，5MHz，10MHz，15MHz和20MHz寬的細(xì)胞是標(biāo)準(zhǔn)化。（W-CDMA需要5 MHz的片，導(dǎo)致一些問題的出現(xiàn)，軋輥技術(shù)通常分配的頻譜在5 MHz，經(jīng)常使用舊標(biāo)準(zhǔn)如2G GSM和cdmaOne。） 支持從幾十米半徑大小的細(xì)胞（Femto微微蜂窩）到長達(dá)100公里（62英里）半徑的宏單元。在較低的頻段，在農(nóng)村地區(qū)，5公里（3.1英里）是最佳的細(xì)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公里的細(xì)胞大小。在

15、城市和城市地區(qū)，更高的頻段（如2.6GHz的歐盟）是用來支持高速移動(dòng)寬帶。在這種情況下，細(xì)胞大小可能是1公里（0.62英里），甚至更少。 在每5MHz的細(xì)胞支持至少200個(gè)活躍的數(shù)據(jù)客戶端。 簡(jiǎn)化的架構(gòu)：E-UTRAN網(wǎng)絡(luò)側(cè)僅由eNodeB組成。 互操作和共存與傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)的支持（如GSM、EDGE、UMTS和CDMA2000）。用戶可以啟動(dòng)一個(gè)電話或使用LTE標(biāo)準(zhǔn)，一個(gè)地區(qū)的數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)覆蓋無法繼續(xù)運(yùn)行的范圍，沒有任何行動(dòng)使用的GSM / GPRS或UMTS甚至基于W-CDMA 3GPP2網(wǎng)絡(luò)如cdmaOne和CDMA2000的部分） 分組交換無線接口。 支持MBSFN（組播廣播單頻網(wǎng)）。這個(gè)功能

16、可以提供服務(wù)，如手機(jī)電視使用的LTE基礎(chǔ)設(shè)施，是一個(gè)針對(duì)DVB-H-based電視廣播的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。5. 在LTE技術(shù)實(shí)現(xiàn)語音通話 LTE標(biāo)準(zhǔn)的全I(xiàn)P網(wǎng)絡(luò)只支持分組交換。在GSM語音通話，UMTS和CDMA2000是電路交換，所以與LTE的采用，運(yùn)營商將不得不重新設(shè)計(jì)他們的電話語音網(wǎng)絡(luò)。三種不同的方法興起： VoLTE（Voice over LTE）：這種方法是基于IP多媒體子系統(tǒng)（IMS）網(wǎng)絡(luò)，提供語音服務(wù)的控制和媒體的具體分布對(duì)LTE的飛機(jī)在珠三角ir.92 GSMA定義。這種做法的結(jié)果在語音服務(wù)（控制和媒體平面）作為數(shù)據(jù)流在LTE數(shù)據(jù)承載交付。這意味著沒有依賴于（或最終，要求）的傳統(tǒng)電路交

17、換語音網(wǎng)絡(luò)保持。 CSFB（電路交換回退）：在這種方法中，LTE只提供數(shù)據(jù)服務(wù)和語音呼叫時(shí)，可以發(fā)起或接受，它會(huì)回落到CS域。使用這種解決方案時(shí)，運(yùn)營商只需要升級(jí)MSC而不是部署IMS，因此，可以快速提供服務(wù)。然而，缺點(diǎn)是較長的呼叫建立延遲。 SVLTE（同步的聲音和LTE）：在這種方法中，手機(jī)同時(shí)工作在LTE和CS模式，同時(shí)LTE模式提供數(shù)據(jù)服務(wù)和CS模式提供語音服務(wù)。這是一個(gè)完全基于手機(jī)的解決方案，這不會(huì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)有特殊要求，不需要任何IMS部署。這種解決方案的缺點(diǎn)是，手機(jī)可以成為昂貴的高功耗。 另外一個(gè)不是由運(yùn)營商發(fā)起的方法是使用頂端的內(nèi)容服務(wù)，使用的應(yīng)用程序如Skype和谷歌Talk提供L

18、TE語音服務(wù)。然而，現(xiàn)在和在可預(yù)見的將來，語音呼叫服務(wù)仍然是移動(dòng)運(yùn)營商的主要收入來源。所以把完全的LTE語音服務(wù)送給OTT參與者。因此這將不在電信行業(yè)得到太多的支持。 最主要的LTE從一開始優(yōu)先推動(dòng)VoLTE的支持者。軟件支持在初始LTE設(shè)備的缺乏以及核心網(wǎng)絡(luò)設(shè)備作為一個(gè)臨時(shí)的解決方案，而導(dǎo)致一些載體促進(jìn)伏爾加（Voice over LTE通用接入）。這個(gè)想法是使用相同的原則作為GaN（通用接入網(wǎng)絡(luò)，也被稱為UMA或非授權(quán)移動(dòng)接入）。通常在無線局域網(wǎng)，它定義了通過手機(jī)進(jìn)行語音通話客戶的私人網(wǎng)絡(luò)連接的協(xié)議。 然而伏爾加從來沒有獲得多少支持，因?yàn)閂oLTE（IMS）承諾了更靈活的服務(wù)，但在升級(jí)整個(gè)

19、語音電話基礎(chǔ)設(shè)施的成本。為了在3G網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量差的情況下，能夠順利執(zhí)行切換到LTE，VoLTE還需要單一無線語音呼叫連續(xù)性（SRVCC）。 雖然這個(gè)行業(yè)看似規(guī)范的VoLTE的未來，作為權(quán)宜之計(jì)，今天的電話語音的需求導(dǎo)致了LTE運(yùn)營商引入CSFB。當(dāng)放置或接收語音呼叫，LTE手機(jī)將退回到舊的2G或3G網(wǎng)絡(luò)的通話時(shí)間。5.1 提出了提高語音質(zhì)量的工作 為了確保兼容性，3GPP要求至少AMR編解碼器（窄帶），但對(duì)于VoLTE的推薦是自適應(yīng)多速率寬帶語音編解碼器，也被稱為高清語音。該編解碼器在3GPP網(wǎng)絡(luò)中支持16 kHz的采樣要求。 弗勞恩霍夫IIS已經(jīng)證明全高清語音的AAC-ELD實(shí)現(xiàn)（高級(jí)音頻編碼增

20、強(qiáng)低延遲）的LTE手機(jī)編解碼器。以前的手機(jī)的語音編解碼器只支持頻率高達(dá)3.5 kHz，而即將到來的寬帶音頻服務(wù)品牌的高清語音的高達(dá)7kHz，全高清語音支持從20Hz到20kHz的整個(gè)帶寬范圍。然而端到端的全高清語音通話成功，無論是調(diào)用者和接收者的手機(jī)和網(wǎng)絡(luò)一定支持這種功能。圖1：LTE CSFB GSM / UMTS網(wǎng)絡(luò)互連5.2 頻帶 LTE標(biāo)準(zhǔn)可用于許多不同的頻段。在北美，使用700 / 800MHz和1700 / 1900MHz；在南美，使用2500MHz；在歐洲，使用800，900，1800，2600MHz；在亞洲，使用1800和2600MHz；在澳大利亞，使用1800MHz。因此，一個(gè)國家的手機(jī)可能無法在其他國家工作。用戶將需要國際漫游的多頻帶手機(jī)。在LTE，TDD和FDD之間的差異僅僅是一個(gè)物理層的表現(xiàn)，所以更高層次的差異看不見。其結(jié)果是，在系統(tǒng)架構(gòu)中，這兩種模式之間沒有操作上的差異。表1提供了可用的頻段頻譜。 在物理層，基本的設(shè)計(jì)目標(biāo)是盡可能實(shí)現(xiàn)盡可能多的共性之間的雙模式。關(guān)鍵的設(shè)計(jì)差異在于兩干之間需要支持各種TDD UL/DL分配和提供與其他TDD系統(tǒng)共存。在這方面，一些額外的功能只有TD-LTE獨(dú)家。帶寬標(biāo)識(shí)符頻率（MHz）33,34TDD 20001900-19202010-202535,36TDD 19001850-19101930-19