LTE網絡系統的關鍵技術及發展綜述

張學恒， 周 驊， 趙 麒

(1 貴州大學 大數據與信息工程學院， 貴陽 550000； 2 貴州民族大學 機械電子學院， 貴陽 550000)

0 引 言

目前，美國、日本和韓國是全球LTE市場發展最成功、LTE用戶規模貴大的3個國家。截止2014年1月，美日韓LTE用戶總敝達到1.75億，占全球LTE用戶總數的81.9%[1]。當前的TD-LTE正處于快速發展的階段，到2019年的9月份為止，全世界共有11家運營商已經實現TD-LTE商用服務，還有29家運營商已經對TD-LTE商用規劃實施了清晰的制定，并且有著53個試驗網處于運行狀態。從另一個方面來講，截止2019年一季度，全球TDD用戶數已達16萬。軟銀9月份已推出TS-LTE商用CSFB(電路域回落)手機，TD-LTE將呈現快速增長趨勢。

1 LTE關鍵技術和相關協議分析

1.1 LTE關鍵技術

LTE(Long Term Evolution,長期演進)項目是3G與4G技術之間的一個過渡，它改進并增強了3G的空中接入技術，改善了小區邊緣用戶的性能，提高小區容量和降低系統延遲[2]。

從本質上講，LTE和4G技術是有一定差異的，其僅僅屬于4G技術中所包含的一類技術標準。除LTE之外，4G還有WiMax、HSPA+等其它技術標準。與3G技術最大的不同是，在4G時代里整個網絡是一個全數據網絡。

LTE不同于3G的核心技術主要有三項，分別是：OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交頻分復用)技術、多址技術、MIMO(Multiple-in Multiple-out，多進多出)技術。

(1)OFDM技術。OFDM技術已經有著數年的使用歷程，在最近的幾年里才被重視起來，并已攻破技術難關，應用于實際系統。LTE的核心原理就是基于此技術。OFDM的實質是一種多載波技術，核心原理是一個串并轉化的過程。形象的說，對于OFDM技術就是把高速信號轉變為并行狀態的低速流，即把信道劃分為正交的子信道，然后把子數據流借助于一定調制方法置于子信道中，最終實現相應的傳送。在接收端，則是借助于專一性的技術，對此類子數據流實施區分，并將這些子數據流合并成原始數據流。

(2)多址技術。多址技術一直被廣泛應用于通信系統中，其重要功能就是對不同的用戶信號實施區別，并對上、下行鏈路給予進一步的支持。在LTE系統中，已明確應用的多址技術是：上行借助于SC-FDMA技術，也就是單載波頻分多址接入形式；下行借助于OFDMA技術，也就是正交頻分復用多址接入技術，相關詳情如圖1所示。

SC-FDMA其主要的優點就是能夠讓用戶終端的功率有效降低。在LTE中包括了兩種SC-FDMA的多址方案：IFDMA以及DFTS-OFDMA。

圖1 LTE下行多址方式

(3)MIMO技術。MIMO技術的實現完全依賴于MIMO系統，其原理就是在發射信號時采用多天線完成多輸出，接收則有多天線完成多輸入。MIMO系統中，多根天線同時在一個頻帶上工作。和3G相比，由于天線的增多，數據傳輸效率得到了大幅度提高，相應的頻譜利用率也遠超3G。MIMO技術有兩種實現方式，一種是在不同的天線上傳送相同的數據，需要注意的是雖然傳送內容一樣，但是不同天線上產生的信號可能會有所不同，但是信號里包含的實質內容是一樣的。另外一種形式就是在不同的天線上傳輸不同的信號，這種形式真正意義上體現了MIMO的原理。

1.2 E-UTRA及相關協議分析

LTE系統與3G相比，有著更為理想的網絡架構優化效果。其中對3G的RNC(Radio Network Controller，無線網絡控制器)部分予以棄用，而是把此類功能集成至eNodeB(Evolved Node B)中。整個網絡趨于一種扁平式的結構，空中接口采用了新興的OFDM技術，系統運作的原理基于分組交換技術，并能夠對FDD、TDD提供支持。在eNodeB 相互間是經X2端口實現相互連通的，并經S1 端口和EPC(Evolved Packet Core，演進的分組核心網)實現連接，還經S1-U和SAE網關實現相互連接。S1端口能夠把多個MME/SAE網關和eNodeB實現相互連通。E-UTRA的相應結構如圖2所示。

終端設備、接入設備、核心網共同構成了LTE系統。終端設備種類較多，如電表、開關以及變壓器等等，這些設備協同工作向核心網發送數據。接入設備主要是eNodeB，其能夠對終端傳送數據并予以接收，將系統中心的相關數據傳輸至各個終端。而中心網主要由信令處理、數據處理兩部分構成。

圖2 E-UTRA 整體架構

eNodeB和終端的連接方式基于Uu 接口，簡化了整個系統的接口設計。由于eNodeB集成了RNC的功能，則不再需要3G中的Iub接口。同時，LTE對Iur和Iu接口也做了簡化，分別用X2和S1接口代替原有接口的功能。相比3G，eNodeB部分有較大的擴展，核心網部分也有所改進。接入方式更加多樣化，兼容性有突破性的擴展，幾乎可以兼容目前的所有網絡。整個系統在性能上也有很大的提升。

LTE的架構如圖3所示。由此可見，整個E-UTRA其實只由eNodeB構成，E-UTRA和核心網的連接也做了簡化。核心網與E-UTRA是經S1端口相連，而eNodeB相互間則是經X2端口相連。E-UTRA本身的結構也采用了分層的模式，分為傳輸網絡層和無線網絡層。

圖3 LTE總體架構

2 LTE與物聯網技術的結合

2.1 物聯網和LTE系統技術結合的可行性

LTE無線通信技術和物聯網技術相結合可以充分發揮兩種技術優勢,更能解決當前物聯網業務模型中存在的網絡資源浪費現象，并推動這兩項技術共同發展[3]。從LTE無線通信技術角度實施剖析，將其與傳統通信技術實施比較，則在系統容量和覆蓋范圍等諸多方面均有著很大優勢；若從物聯網的角度剖析，則LTE終端在LTE天線和射頻識別等多種技術方面均有非常大的作用。特別是在射頻識別基帶以及LTE基帶的集成問題上，則具有著更為重大的意義，也應當成為未來探討的重點。

基于現如今的相關技術條件，若想對于云計算中所具有的多種技術難題予以高效處理，則需對LTE無線通信以及物聯網兩類技術的有效結合給予更多探討，讓兩者的技術優點獲得更好的發揮，以確保數據庫有著立項的可靠性、穩定性、安全性，也讓互聯網服務功能變得更加優質。在物聯網業務處理中對LTE無線通信技術予以有效使用，則需對局域網絡以及傳感器等方面情況實施考慮和設計。物聯網有著非常多的數據信息，能夠利用局域網而進入到LTE無線通信體系中。只是在數據傳送過程中會產生更大的無線通信網絡壓力，故此需對數據傳送的質量予以加強。

若對LTE無線通信與傳統通信兩類技術進行比較，則前者是借助于OFDM技術把原來非常大的信息傳送頻道實施了細小的劃分，進而變成了許多小型信息傳送信道，然后在高速傳送數據和轉換時，借助于二層調度器對網絡資源實施管控，繼而確保在LTE無線通信前提下，能夠對高頻率業務數據實施更為可靠的傳送。

2.2 基于LTE發展物聯網

針對于LTE實施科學的設計，就能夠讓物聯網的地址、標識、擁塞控制以及組管理等很多方面的應用需求獲得滿足，亦能夠讓要求比較多且比較高的物聯網應用得以發展。下面針對LTE網絡如何達到物聯網需求進行分析。

(1)地址和標識需求。在LTE技術的發展過程中，IPv6的不斷成熟對其創造了非常有利的發展機遇。由于當前市場對于IPv6有著非常多且比較高的期望，故此在針對LTE實施標準制訂、產品加工以及網絡構建等諸多方面，均應當對將來的IPv6發展需求實施考慮。同時也對物聯網中的部分難題解決給出了有利幫助：IPv4約能夠提供40億個IP地址，進而可知進一步改良的IPv6擁有著怎樣的功能。絕大多數的運營商實施LTE設備選用時，都要求對于IPv6支持，也促使將來的LTE網絡能夠對于IPv6提供支持，進而給物聯網的各個終端均可以提供可靠的標識。

(2)擁塞控制的需求。現如今的網絡業務已經有著非常精細的服務質量劃分，而由3GPP提出的策略控制以及計費等，可為運營商的業務控制及需求提供保障。因在新建網絡的時候，能夠對PCC構架便捷的安排和實現，故大多數運營商就選擇在LTE設置時，借助于PCC構架來實現。從另一方面來講，LTE能夠對于細分的QCI提供很好的支持，進而也就對PCC、QCI實現更好的服務質量提供保障，便于物聯網的多種功能得以實現，其中就包括了擁塞控制功能。

(3)高帶寬需求。對于LTE來講，其最為顯著的優點為非常高的數據傳送速率，即上、下行的峰值速率分別能夠達到100 Mbids、50 Mbids，實現了物聯網中的高清視頻監控等多種功能需求。此外，LTE還有著其他的多種優勢，而此類優勢對于物聯網的發展亦有著一定的積極影響。

(1)低時延。通常，LTE用戶在平面內部的單向傳送時延一般小于5 ms，而在平面的睡眠到激活需要遷移時間內，時延小于50 ms。因此，能夠讓部分傳送實時性要求較高的物聯網應用獲得有力的技術支持。

(2)每兆比特成本低。LTE網絡有著較少的節點數和簡單的架構，能夠對2G/3G共站址建設給予支持，并且成本較低。另一方面，LTE有著更高的頻譜效率，讓寶貴的頻譜資源得以節省，故此其每兆比特的成本也更低，因此獲得更多應用市場的青睞。

(3)高速率時仍保持良好的信號強度。此特性可促進車聯網等高移動性應用的發展。

(4)全IP網絡適合。現如今的IP化趨勢讓終端與物聯網應用有著更為簡捷的設置，僅僅需要遵循互聯網模式去開發就可以了。

(5)核心網不主動釋放連接。LTE中心網并無主動釋放功能，讓永久在線業務獲得更多保障，讓“信令風暴”問題得以消除。在LTE網絡內，僅僅是終端或eNodeB等裝置能夠經NAS消息去對中心網予以通知，然后才能夠和終端形成連接。如果說終端與中心網的NAS層處于附著狀態，那么底層的鏈路是否出現釋放均不會對IP地址造成影響，從而實現永久在線的功能。

3 結束語

5G(5th-Generation,第五代移動通信技術)承載著LTE網絡的發展，但LTE代表著長期演進。在現代化信息技術發展中，LTE無線通信網絡亦有著多方面的變化，逐漸朝著高效率、精準化、高速化以及現代化的方向發展。將LTE無線通信與物聯網兩種技術有效結合，則可以增快寬帶信息化發展速度，不但可以實現更好的物聯網服務，還可以給廣大使用群體提供快速、穩定的無線承載。