4GLTE的關(guān)鍵技術(shù)及其現(xiàn)網(wǎng)實(shí)踐

邵建，韋龐

（中國移動(dòng)通信集團(tuán)江蘇有限公司，江蘇 南京 210012）

1 4G國內(nèi)外的商用現(xiàn)狀

2013年底工信部向三大電信運(yùn)營商頒發(fā)了TDLTE商用牌照，基于3G網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，中國移動(dòng)率先開展TD-LTE網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)與運(yùn)營；2014年6月底中國聯(lián)通和中國電信獲得了LTE FDD試驗(yàn)網(wǎng)牌照，國內(nèi)三大運(yùn)營商全面開展4G應(yīng)用。以中國移動(dòng)的TD-LTE商用網(wǎng)絡(luò)為例，1年左右時(shí)間用戶數(shù)已超過9 000萬，市場(chǎng)發(fā)展形勢(shì)喜人而且4G用戶量仍在快速增長(zhǎng)中。

據(jù)GSA（Global mobile Suppliers Association）的最新統(tǒng)計(jì)報(bào)告，截止2014年底全球已有360個(gè)電信運(yùn)營商開展4G商用，其中48個(gè)運(yùn)營商應(yīng)用了TDD網(wǎng)絡(luò)、17個(gè)運(yùn)營商啟用TDD+FDD混合組網(wǎng)，同時(shí)LTE-A（LTE-Advanced）在全球范圍內(nèi)開始興起。

2 國內(nèi)LTE的頻譜規(guī)劃和應(yīng)用

2.1 4G頻譜劃分

移動(dòng)通信的發(fā)展離不開無線頻率，頻譜既是寶貴的資源也是4G LTE發(fā)展的基礎(chǔ)。全球有近44%的LTE網(wǎng)絡(luò)使用1 800MHz，其是目前應(yīng)用最廣泛的頻段，有76個(gè)國家已部署了158個(gè)LTE 1800M網(wǎng)絡(luò)；第二大廣泛應(yīng)用的頻段是有超過25%的LTE網(wǎng)絡(luò)部署的2.6G；1900M頻段在全球僅有6個(gè)電信運(yùn)營商。

中國國內(nèi)的TD-LTE頻段如圖1所示，以中國移動(dòng)為代表的TD-LTE主要使用1 880MHz—1 900MHz的F頻段、2 320MHz—2 370MHz的E頻段、2 575MHz—2 635MHz的D頻段，其中E頻段用于室內(nèi)覆蓋，D頻段和F頻段主要用于室外覆蓋。

圖1 TD-LTE頻段劃分

目前僅中國聯(lián)通和中國電信獲得了LTE FDD的實(shí)驗(yàn)網(wǎng)牌照，分別在全國多個(gè)城市開展LTE FDD的實(shí)驗(yàn)網(wǎng)建設(shè)和4G業(yè)務(wù)應(yīng)用，其采用了國際上商用成熟度高且應(yīng)用最廣泛的1800M低頻段，具有覆蓋范圍廣等諸多優(yōu)勢(shì)。

2.2 國內(nèi)LTE商用網(wǎng)絡(luò)對(duì)新技術(shù)的需求

移動(dòng)通信選用的載波頻率越高，基站覆蓋的范圍則越小，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)部署的成本增加且對(duì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和終端的技術(shù)要求更高。F頻段處于TDD頻譜的最低端，比D頻段低了700MHz左右，因而非常適合室外大網(wǎng)的宏蜂窩覆蓋。曾有設(shè)備商指出，采用F頻段的單站覆蓋面積將會(huì)達(dá)到D頻段的1.8倍，因而采用D頻段要比F頻段占用更多的站址資源。

中國移動(dòng)的T D-L T E無線幀結(jié)構(gòu)是基于T DSCDMA擴(kuò)展的且兩者都是TDD系統(tǒng)，因而LTE在F頻段上部署，既有利于將來TD-SCDMA向LTE的平滑升級(jí)，使得TD-LTE能充分利用TD-SCDMA現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，又能大大減少站址資源，節(jié)約基站建設(shè)和維護(hù)成本。

綜上所述，現(xiàn)網(wǎng)室外宏基站使用的載頻以F頻段為主，便于3G和4G網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同和未來3G網(wǎng)絡(luò)的平滑升級(jí)。F頻段可用于LTE的帶寬僅有20M，如何為多個(gè)用戶提供4G無線寬帶服務(wù)，這就要引入4G的關(guān)鍵技術(shù)，如載波聚合、Small Cell等。

3 VoLTE及其商用成熟度

LTE網(wǎng)絡(luò)主要為用戶提供高速率的無線寬帶數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，語音通話基于分組數(shù)據(jù)通道承載，即VoLTE（Voice over LTE）。如圖2所示，VoLTE主要包括eNode（無線基站）、LTE核心網(wǎng)和IMS網(wǎng)絡(luò)，語音呼叫信令經(jīng)過IMS（IP多媒體子系統(tǒng)）網(wǎng)絡(luò)控制，語音數(shù)據(jù)包基于LTE的移動(dòng)寬帶（即IP網(wǎng)絡(luò)）承載。

據(jù)GSA數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球已有22%的4G運(yùn)營商在研究、試驗(yàn)或商用VoLTE，但目前僅有7個(gè)國家的14個(gè)運(yùn)營商正式商用VoLTE以承載高質(zhì)量的語音。由此可見VoLTE的商用成熟度較低，國內(nèi)的VoLTE也在起步階段。

圖2 VoLTE的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

為了向用戶提供4G語音通話服務(wù)并且在沒有4G網(wǎng)絡(luò)覆蓋的區(qū)域保障語音通話的連續(xù)性，VoLTE業(yè)務(wù)的開展需要手機(jī)和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備均要支持CSFB（電路域回落）和SRVCC（單無線模式語音呼叫連續(xù)性）技術(shù)，SRVCC技術(shù)比較復(fù)雜，對(duì)手機(jī)要求高且對(duì)2G網(wǎng)絡(luò)的改造大。

中國移動(dòng)已在2014年完成了VoLTE內(nèi)部測(cè)試，實(shí)踐了包括VoLTE、RCS（融合通信）、eSRVCC（增強(qiáng)型SRVCC功能）等LTE語音解決方案的商用驗(yàn)證。近期浙江移動(dòng)完成了杭州城區(qū)VoLTE試驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)的各項(xiàng)基礎(chǔ)測(cè)試，包括基站軟件升級(jí)、HSS融合改造、業(yè)務(wù)開通、高密集區(qū)的業(yè)務(wù)體驗(yàn)優(yōu)化等。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試情況，VoLTE業(yè)務(wù)體驗(yàn)良好，具備了試點(diǎn)應(yīng)用的條件。江蘇移動(dòng)在南京奧體等多個(gè)區(qū)域完成了VoLTE用戶體驗(yàn)的測(cè)試，開啟了相關(guān)地理區(qū)域的VoLTE、eSRVCC切換、RoHC（可靠性頭壓縮）功能，使用VoLTE專用測(cè)試終端完成了VoLTE語音、視頻通話及eSRVCC切換等測(cè)試。

綜上所述，國內(nèi)的4G網(wǎng)絡(luò)已初步具備了支持VoLTE的軟硬件條件，但目前市場(chǎng)上支持VoLTE的手機(jī)品牌種類太少，再加上VoLTE缺乏市場(chǎng)、技術(shù)等方面的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，因此2015年VoLTE可擴(kuò)大試點(diǎn)并逐步開展試商用推廣。

4 LTE-A關(guān)鍵技術(shù)成熟度與應(yīng)用情況

4.1 載波聚合技術(shù)

為實(shí)現(xiàn)高速率的移動(dòng)通信，如下行峰值速率超過200Mbps，LTE-A（LTE-Advanced）引入了CA（Carrier Aggregation，載波聚合）技術(shù)，其根本思想是增加傳輸帶寬，即將數(shù)個(gè)獨(dú)立的較小帶寬的載波整合為一個(gè)大帶寬的載波。載波聚合技術(shù)是LTE-A核心技術(shù)之一，可顯著提升用戶峰值速率和小區(qū)平均吞吐量。

如圖3所示（僅用2個(gè)載波示例），載波聚合技術(shù)按成員載波（CC，Component Carrier）使用頻段的不同分為3種場(chǎng)景：所有載波在同一頻段內(nèi)且頻率相鄰（如20M帶寬的成員載波1為：2 575MHz—2 595MHz，成員載波2為2 595MHz—2 615MHz），所有載波在同一頻段內(nèi)但不相鄰（如成員載波1為：2 575MHz—2 595MHz，成員載波2為2 615MHz—2 635 MHz），載波屬于跨頻段（如中國移動(dòng)TD-LTE的D頻段載波和F頻段的載波）。

圖3 載波聚合技術(shù)的頻段使用場(chǎng)景

圖4為載波聚合技術(shù)的一種部署場(chǎng)景，中國移動(dòng)的TD-LTE網(wǎng)絡(luò)在室外基于D頻段（60M）和F頻段（僅有20M），在室內(nèi)僅基于E頻段可實(shí)踐載波聚合技術(shù)。目前中國移動(dòng)在3GPP國際標(biāo)準(zhǔn)化組織中主導(dǎo)了多項(xiàng)TDD載波聚合的國際標(biāo)準(zhǔn)，包括D/E頻段內(nèi)兩載波聚合、F頻段內(nèi)和F+D跨頻段的兩載波聚合標(biāo)準(zhǔn)，近期已在廣東、江蘇、浙江等省份完成了載波聚合技術(shù)的現(xiàn)網(wǎng)試驗(yàn)工作。以江蘇移動(dòng)為例，在蘇州已完成F+D頻段載波聚合的實(shí)網(wǎng)測(cè)試，實(shí)測(cè)峰值速率達(dá)202Mbps，在載波聚合覆蓋區(qū)域路測(cè)的峰值速率超過了90Mbps；在無錫基于E頻段（室內(nèi)）和F頻段分別開展頻段內(nèi)的載波聚合試驗(yàn)，結(jié)果顯示試點(diǎn)區(qū)域的平均下載速率提高1倍，單流室分的平均下載速率可達(dá)到103.6Mbps，室外宏站的下載速率達(dá)到203.6Mbps。

圖4 載波聚合部署場(chǎng)景示意圖

基于多個(gè)載波的聯(lián)合資源分配、調(diào)度和載波間的負(fù)載平衡，載波聚合技術(shù)高效率地利用了頻譜資源（對(duì)比未開啟載波聚合的獨(dú)立的多個(gè)載波應(yīng)用），因而增加了現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)吞吐量和容量，大幅度提升高負(fù)載網(wǎng)絡(luò)中的用戶感知。隨著4G用戶的增多和網(wǎng)絡(luò)吞吐量的高速增長(zhǎng)，載波聚合技術(shù)在國內(nèi)LTE網(wǎng)絡(luò)中的商用需求日益迫切。目前載波聚合技術(shù)的應(yīng)用還存在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備應(yīng)用成熟度較低且部署復(fù)雜（如涉及網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃等）、終端功耗大、支持的終端少等問題，相關(guān)技術(shù)成熟后方可規(guī)模應(yīng)用。

4.2 TD-LTE深度覆蓋技術(shù)及其應(yīng)用

由于制式和頻段（多處于如2.6GHz的高頻）的差異，TD-LTE的基站覆蓋能力比3G差，在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中（如在TD-LTE初期建設(shè)中，多與現(xiàn)網(wǎng)的3G共基站或基于3G基站進(jìn)行升級(jí)），室外覆蓋的盲區(qū)、弱覆蓋問題較為嚴(yán)重，尤其是室內(nèi)覆蓋很差。若使用傳統(tǒng)宏基站解決弱覆蓋問題，存在站點(diǎn)選址困難、投資高等問題。LTE-A系統(tǒng)引入了Relay技術(shù)來增強(qiáng)室外的覆蓋，可提高小區(qū)邊緣吞吐量，同時(shí)引入了Small Cell技術(shù)來增強(qiáng)室內(nèi)的覆蓋。

（1）Relay技術(shù)應(yīng)用

如圖5所示，Relay技術(shù)原理是eNodeB基站先將信號(hào)發(fā)送給RN（Relay Node，中繼節(jié)點(diǎn)），再由RN進(jìn)行處理并與用戶手機(jī)通信。Relay節(jié)點(diǎn)相當(dāng)于4G基站下掛的子基站以提供4G信號(hào)的覆蓋，因而Relay解決方案可以增大4G小區(qū)的室外覆蓋范圍，提升系統(tǒng)鏈路性能，改善小區(qū)吞吐量。現(xiàn)網(wǎng)中多以應(yīng)急通信車（充當(dāng)Relay站點(diǎn)）來保障室外覆蓋，這樣也可大大減少相關(guān)投資。近期江蘇移動(dòng)在南京等地開展了省內(nèi)4G Relay應(yīng)急通信的試點(diǎn)，Relay設(shè)備支持2G/4G雙模，對(duì)接收到的射頻信號(hào)重新進(jìn)行基帶處理，以獨(dú)立小區(qū)的形式進(jìn)行覆蓋，在無阻擋情況下實(shí)測(cè)覆蓋距離可達(dá)500m左右，4G信號(hào)穩(wěn)定時(shí)下載速率超過50Mbps。

Relay技術(shù)需要現(xiàn)有的4G基站改造、增加Relay節(jié)點(diǎn)的投資建設(shè)和部署，其中還涉及網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和優(yōu)化，涉及的待解決問題較多，目前仍處于試點(diǎn)階段。

圖5 TD-LTE Relay技術(shù)應(yīng)用

（2）Small Cell技術(shù)

Small Cell技術(shù)主要為解決室內(nèi)覆蓋不足的問題，TD-SCDMA時(shí)代，為解決室內(nèi)覆蓋差的問題就已推廣應(yīng)用Femto Cell解決方案，在家庭環(huán)境下為用戶提供一個(gè)Femto（毫微微）設(shè)備來提供室內(nèi)的3G網(wǎng)絡(luò)覆蓋。如圖6所示，F(xiàn)emto采用低成本的數(shù)據(jù)回傳方式，通過有線網(wǎng)絡(luò)與3G/4G核心網(wǎng)通信，目前江蘇移動(dòng)家庭Femto用戶已發(fā)展20萬左右。4G提供了類同的室內(nèi)覆蓋解決方案，江蘇等省份已試點(diǎn)了LTE-Femto解決方案，其可與LTE大網(wǎng)自動(dòng)雙向切換；同時(shí)面向辦公樓、廠房、商鋪等多種場(chǎng)景，已開展企業(yè)Femto解決方案的試點(diǎn)，解決室內(nèi)覆蓋的問題。

圖6 Femto網(wǎng)絡(luò)示意圖

5 LTE測(cè)試工具的演進(jìn)

面對(duì)LTE復(fù)雜的技術(shù)和豐富多樣化的業(yè)務(wù)應(yīng)用，中國移動(dòng)已推出OTS（Open Testing System）云測(cè)試系統(tǒng)，如圖7所示，基于云架構(gòu)和開放能力，對(duì)于LTE網(wǎng)絡(luò)問題，OTS系統(tǒng)可提供端到端多源數(shù)據(jù)無損還原、用戶感知指標(biāo)分段解析、信令/業(yè)務(wù)流程與指標(biāo)同步動(dòng)態(tài)回放和后臺(tái)自動(dòng)化測(cè)試分析等功能，實(shí)現(xiàn)LTE端到端的在線自動(dòng)化測(cè)試，解決了傳統(tǒng)測(cè)試周期長(zhǎng)、投入大的問題。

6 結(jié)束語

圖7 中國移動(dòng)OTS測(cè)試系統(tǒng)

LTE市場(chǎng)需求巨大，隨著用戶數(shù)量的持續(xù)快速增長(zhǎng)，需要研究和應(yīng)用新技術(shù)方案來提升頻譜的利用效能、提高無線網(wǎng)絡(luò)速率、解決網(wǎng)絡(luò)弱覆蓋問題。隨著VoLTE、載波聚合、LTE Relay等技術(shù)的不斷完善和市場(chǎng)應(yīng)用成熟度的逐步提高，LTE終端及測(cè)試系統(tǒng)/工具的升級(jí)演進(jìn)將帶來網(wǎng)絡(luò)維護(hù)成本的降低，未來LTE-A網(wǎng)絡(luò)的商用進(jìn)程會(huì)大大加快。

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