LTE系統(tǒng)中頻譜帶寬與速率關(guān)系研究

李春暉 孟娟 張妍 葛振 姜國(guó)興

摘要：隨著移動(dòng)通信技術(shù)的快速發(fā)展，為了讓用戶對(duì)業(yè)務(wù)的傳輸速度得到滿足，從3G進(jìn)化到LTE是必須的。速率與頻譜帶寬的關(guān)系對(duì)于LTE來說是密不可分的。目前，技術(shù)不斷發(fā)達(dá)，頻譜對(duì)于用戶來說也變得越來越重要，在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，頻譜的競(jìng)爭(zhēng)十分激烈，所以對(duì)于頻譜資源來說，如何進(jìn)行劃分就顯得尤為重要。

關(guān)鍵詞：LTE系統(tǒng);頻譜帶寬;速率;頻譜資源

中圖分類號(hào)：TN913.21 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2019）12-0019-02

0 引言

近些年來，移動(dòng)通信技術(shù)飛速發(fā)展，從1G到LTE能夠?qū)崿F(xiàn)的業(yè)務(wù)越來越多樣化，由于在系統(tǒng)中傳輸質(zhì)量與能力不斷提高，所以對(duì)于業(yè)務(wù)的速度要求也不斷提高，但是3G及其更早的網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)完全不能滿足用戶對(duì)高速率的追求和更高頻譜的要求，面臨頻譜帶寬資源的貧乏和速率問題，LTE系統(tǒng)有著巨大的優(yōu)勢(shì)，在LTE系統(tǒng)中加入了多個(gè)全新技術(shù)，比如OFDM，MIMO技術(shù)，所以由此一來帶寬就可以得以提高，數(shù)據(jù)的傳輸速度也可以變得更快，對(duì)于傳輸時(shí)延的問題來說，也變得更低了。因此，LTE系統(tǒng)一直是通信范疇的熱門研究問題，尤其是對(duì)速度與頻譜帶寬的研究。

1 LTE系統(tǒng)

隨著通信技術(shù)的發(fā)展，LTE問世，其在20兆赫茲頻譜帶寬的條件下，上下行分別有100兆赫茲和50兆赫茲的速度。除此之外，還能夠提供一系列擁有可以進(jìn)行高速度傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)，比如VoIP和IMS。

LTE的技術(shù)繁多，比如OFDM和MIMO等，它們?cè)贚TE中發(fā)揮著各自的優(yōu)勢(shì)。所以LTE具有更高的頻譜利用率和傳輸效率，更多選的帶寬，以及可以對(duì)資源更好的利用和具有更高的邊緣速率[1]。

2 頻譜帶寬

頻譜帶寬指的是頻率占用寬度（一個(gè)頻率的范圍）或者頻譜的寬度，即最低工作頻率至最高工作頻率之間的范圍。它通常以每秒傳送周期或赫茲（Hz）來表示。帶寬都是有中心頻率的，LTE主要有2.6G，1.8G，專網(wǎng)有1.4G，次800M等頻帶。由于很多不連續(xù)的頻段會(huì)分配給運(yùn)營(yíng)商，但是這些頻段可能會(huì)存在于不一樣的頻段，所以要求LTE需要在這些頻段上進(jìn)行能夠有效的工作，因此LTE系統(tǒng)支持的帶寬靈活可變，它有6種帶寬可以進(jìn)行配置，分別是1.4/3/5/10/15/20MHz。

3 頻譜帶寬與速率

3.1 多角度分析頻譜帶寬與速率

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，LTE在速率，頻譜分配，頻譜效率等方面都更能滿足用戶的需求。 在LTE眾多的優(yōu)勢(shì)中，帶給用戶最直觀的感受就是速率比3G提高了[2]。

3.1.1 從LTE的幀結(jié)構(gòu)分析

在一個(gè)無線幀內(nèi)，每個(gè)子幀包含2個(gè)時(shí)隙即14個(gè)符號(hào)，10：2：2的配置表示的是DwPTS，GP和UpPTS各占10個(gè)，2個(gè)和2個(gè)符號(hào)，那么這樣一來就可以得出所有的下行符號(hào)等效在一個(gè)TTI內(nèi)占的比例是（6*14+2*10）/14*10=74%。

3.1.2 從LTE的資源塊分析

LTE在20MHz帶寬下，RB數(shù)為100個(gè)，在1.4MHz帶寬時(shí)為6個(gè)，最小的帶寬是1.4MHz，這是因?yàn)镻BCH，PSCH，SSCH這些信道所占用的RB數(shù)有限制，至少為6個(gè)。

由于一個(gè)時(shí)隙傳輸7個(gè)OFDM符號(hào)，那么在1ms內(nèi)就傳輸14個(gè)OFDM符號(hào)，一個(gè)資源塊（RB）擁有12個(gè)子載波，所以1ms內(nèi)的OFDM個(gè)數(shù)為14*12=168個(gè)，在下行采用的是OFDM技術(shù)，每個(gè)OFDM有6個(gè)bits，那么20M的帶寬下行速率就是——OFDM的bits數(shù)*1ms（2個(gè)RB）中的OFDM數(shù)*20M帶寬的RB個(gè)數(shù)*1000ms/s=6*168*100/2*1000ms=50400000Bits/s。

3.1.3 從OFDM技術(shù)分析

傳統(tǒng)的FDM技術(shù)單位帶寬載波數(shù)量少且載波間需要保護(hù)間隔導(dǎo)致頻譜利用率低，而OFDM技術(shù)由于子載波正交的原因其在頻譜帶寬上占用很大的優(yōu)勢(shì)。正是因?yàn)檫@樣，所以O(shè)FDM技術(shù)對(duì)頻譜帶寬與速率的關(guān)系影響很大。

3.1.4 從MIMO技術(shù)分析

MIMO能夠?qū)崿F(xiàn)更高傳輸速率的原因是因?yàn)樗梢詫蝹€(gè)天線的單個(gè)頻譜傳輸擴(kuò)展到空間。同時(shí)通過頻帶和空間資源來提升頻譜的利用效率，可以使容量上限的問題得以解決。 MIMO的空間復(fù)用允許相同的頻帶在不同的空間中重復(fù)使用。這很大程度上提高了系統(tǒng)的頻帶的利用效率。

3.2 仿真

LTE不再應(yīng)用之前通信網(wǎng)絡(luò)中的語音核心網(wǎng)和分組核心網(wǎng)，而是應(yīng)用接入網(wǎng)E-UTRA（是e-NodeB組成，其作用是提供用戶面和控制面）和核心網(wǎng)EPC（是MME，SGW，PGW組成）具體如圖1所示。

e-NodeB間通過X2接口相互連接，S1接口連接e-NodeB與核心網(wǎng)EPC，S1-MME是e-NodeB連接MME的控制面接口，S1-U是e-NodeB連接S-GW的用戶面接口。通過IUV的仿真，主要模擬了三個(gè)城市的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，對(duì)它們的核心網(wǎng)，接入網(wǎng)，IP承載網(wǎng)，光傳輸網(wǎng)進(jìn)行布局，對(duì)它們的容量進(jìn)行規(guī)劃，就可以得出系統(tǒng)的吞吐量（即速率），從IP承載網(wǎng)，無線接入網(wǎng)，承載網(wǎng)的規(guī)劃報(bào)告中可以看出帶寬與吞吐量的關(guān)系?？蓳?jù)此進(jìn)行容量規(guī)劃的計(jì)算。

從無線接入網(wǎng)的容量規(guī)劃報(bào)告中可以看出，吞吐量的大小和話務(wù)模型的選擇有很大關(guān)系，話務(wù)模型的類型不同，其規(guī)劃區(qū)域的大小也就不同，用戶數(shù)量的承載量也不同，那么就會(huì)影響系統(tǒng)總的吞吐量，其要求的站點(diǎn)數(shù)數(shù)目就不同，最后就會(huì)影響到匯聚層和接入層的鏈路帶寬。其次，核心網(wǎng)MME，SGW，PGW處理能力和EPS承載上下文數(shù)的不同也會(huì)影響到吞吐量的大小。最后，我們可以從上述的一系列公式中可以看出，系統(tǒng)吞吐量離不開很多因素，基站帶寬預(yù)留比即鏈路帶寬也起著決定性的作用，從IP承載網(wǎng)的規(guī)劃報(bào)告中可以看出，當(dāng)匯聚層和接入層的帶寬越大，設(shè)備的吞吐量也就越大。

參考文獻(xiàn)

[1] 曾召華.LTE基礎(chǔ)原理與關(guān)鍵技術(shù)[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2010.

[2] 徐曉婷.頻譜共存條件下LTE網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)頻譜管理的研究[D].北京：北京郵電大學(xué)，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