長期演進技術

長期演進技術

LTE(Long Term Evolution,長期演進)是由3GPP(The 3rd Generation Partnership Project,第三代合作夥伴計畫)組織制定的UMTS(Universal Mobile Telecommunications System,通用移動通信系統)技術標準的長期演進,於2004年12月在3GPP多倫多會議上正式立項並啟動。LTE系統引入了OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,正交頻分復用)和MIMO(Multi-Input & Multi-Output,多輸入多輸出)等關鍵技術,顯著增加了頻譜效率和數據傳輸速率(20M頻寬2X2MIMO在64QAM情況下,理論下行最大傳輸速率為201Mbps,除去信令開銷後大概為150Mbps,但根據實際組網以及終端能力限制,一般認為下行峰值速率為100Mbps,上行為50Mbps),並支持多種頻寬分配:1.4MHz,3MHz,5MHz,10MHz,15MHz和20MHz等,且支持全球主流2G/3G頻段和一些新增頻段,因而頻譜分配更加靈活,系統容量和覆蓋也顯著提升。

簡介

長期演進技術(英語: LTE,Long Term Evolution)是電信中用於手機及數據終端的高速無線通訊標準,為高速下行分組接入(HSDPA)過渡到4G的版本,俗稱為3.9G。該標準基於舊有的GSM/EDGE和UMTS/HSPA網路技術,並使用調製技術提升網路容量及速度。 長期演進技術該標準由3GPP(第三代合作夥伴計畫)於2008年第四季度於Release 8版本中首次提出,並在Release 9版本中進行少許改良。

世界第一張商用長期演進技術網路於2009年12月14日,由TeliaSonera電信在挪威奧斯陸和瑞典斯德哥爾摩提供服務。長期演進技術是給予擁有GSM/UMTS網路的運營商最平滑的升級路線,但因2008年美國高通公司宣布放棄EVDO的平滑升級版本超行動寬頻(Ultra Mobile Broadband,UMB),使得擁有CDMA網路的運營商如美國Verizon Wireless(於2010年鋪設完成美國第一張大面積覆蓋的長期演進技術網路)、中國電信和日本KDDI宣布將遷移至長期演進技術網路。因此長期演進技術預計將成為第一個真正的全球通行的無線通訊標準,因為不同國家和地區的不同網路所使用的頻段不同,只有支持多個頻段的手機才可以實現“全球通行”。

雖然長期演進技術被電信公司誇大宣傳為“ 4G LTE”,實際上它不是真正的4G,因為它沒有匹配國際電信聯盟無線電通信部門要求的4G標準(也就是國際移動電信升級版);長期演進技術升級版才匹配國際電信聯盟無線電通信部門要求的4G標準。

概要

LTE是無線數據通信技術標準。LTE的當前目標是藉助新技術和調製方法提升無線網路的數據傳輸能力和數據傳輸速度,如新的數位訊號處理(DSP)技術,這些技術大多於千禧年前後提出。LTE的遠期目標是簡化和重新設計網路體系結構,使其成為IP化網路,這有助於減少3G轉換中的潛在不良因素。因為LTE的接口與2G和3G網路互不兼容,所以LTE需同原有網路分頻段運營。

LTE最早由NTT DoCoMo在2004年於日本提出,該標準在2005年開始正式進行廣泛討論在。2007年3月,LTE/系統架構演進測試聯盟(the LTE/SAE Trial Initiative,LSTI)成立。作為供應商和運營商全球性合作的產物,LSTI致力於檢驗並促進LTE這一新標準在全球範圍的快速普及。該標準於2008年12月定案。世界第一張商用LTE網路於2009年12月14日,由TeliaSonera在奧斯陸和瑞典斯德哥爾摩提供數據連線服務,該服務須使用上網卡。2011年,北美運營商開始LTE商用。MetroPCS在2011年2月10日推出的三星Galaxy Indulge,該手機成為全球首款商用LTE手機。隨後Verizon於3月17日推出全球第二款LTE手機HTC ThunderBolt。CDMA運營商本計畫升級網路到CDMA的演進版本UMB,但由於高通放棄UMB系統的研發,使得全球主要的CDMA運營商(如美國的Verizon無線、Sprint Nextel和MetroPCS,加拿大的Bell移動和Telus移動,日本的KDDI,韓國的SK電訊,中國的中國電信,台灣的亞太電信)均宣布將升級至LTE網路,或是升級至WiMAX(俄羅斯與韓國)。LTE Advanced是LTE的下一代網路,該標準於2011年3月定稿之後開始提供服務。

LTE網路有能力提供300Mbit/s的下載速率和75 Mbit/s的上傳速率。在E-UTRA環境下可藉助QOS技術實現低於5ms的延遲。LTE可提供高速移動中的通信需求,支持多播和廣播流。LTE頻段擴展度好,支持1.4MHz至20MHz的頻雙分工和時雙分工頻段。全IP基礎網路結構,也被稱作核心分組網演進,將替代原先的GPRS核心分組網,可向原先較舊的網路如GSM、UMTS和CDMA2000提供語音數據的無縫切換。簡化的基礎網路結構可為運營商節約網路運營開支。舉例來說,E-UTRA可以提供四倍於HSPA的網路容量。

特性

參見:E-UTRA

LTE中的很多標準接手於3G UMTS的更新並最後成為4G移動通信技術。其中簡化網路結構成為其中的工作重點。需要將原有的UMTS下電路交換+分組交換結合網路簡化為全IP扁平化基礎網路架構。E-UTRA是LTE的空中接口,他的主要特性有:

•峰值下載速度可高達299.6Mbit/s,峰值上傳速度可高達75.4Mbit/s。該速度需配合E-UTRA技術,4x4天線和20MHz頻段實現。根據終端需求不同,從重點支持語音通信到支持達到網路峰值的高速數據連線,終端共被分為五類。全部終端將擁有處理20MHz頻寬的能力。

•低網路延遲(在最優狀況下小IP數據包可擁有低於5ms的延遲),相比原無線連線技術擁有較短的交接和創建連線準備時間。

•加強移動狀態連線的支持,如可接受終端在不同的頻段下以高至350km/h或500km/h的移動速度下使用網路服務。

•下載使用OFDMA, 上傳使用SC-FDMA以節省電力。下行資源包括頻率資源、時間資源和空間資源,即既有頻分復用,又有時分復用,又有空分復用。ETSI TS 136 211規範定義了Resource Block資源塊(LTE下行鏈路)是下行鏈路上可以分配給一個用戶的最小資源單位。一個資源塊包括12個子載波且持續一個時隙的時間;一個時隙持續0.5毫秒,包含了7個OFDM符號(symbol);而每個OFDM符號(symbol)占據了12個子載波的頻率資源。

•支持頻分雙工(FDD)和時分雙工(TDD)通信,並接受使用同樣無線連線技術的時分半雙工通信。

•支持所有頻段所列出頻段。這些頻段已被被國際電信聯盟無線電通信組用於IMT-2000規範中。

•增加頻寬靈活性,1.4MHz、3MHz、5MHz、10MHz、15MHz和20MHz頻點頻寬均可套用於網路。而W-CDMA對5MHz支持導致該技術在大面積鋪開時會出現問題,因為舊有標準如2G GSM和cdmaOne同樣使用該頻點頻寬。

•支持從覆蓋數十米的毫微微級基站(如家庭基站和Picocell微型基站)至覆蓋100公里的Macrocell宏蜂窩基站。較低的頻段被用於提供郊區網路覆蓋,基站信號在5公里的覆蓋範圍內可提供完美服務,在30公里內可提供高質的網路服務,並可提供100公里內的可接受的網路服務。在城市地區,更高的頻段(如歐洲的2.6GHz)可被用於提供高速移動寬頻服務。在該頻段下基站覆蓋面積將可能等於或低於1公里。

•支持至少200個活躍連線同時連入單一5MHz頻點頻寬。

•簡化的網路結構:E-UTRA網路僅由eNodeB組成。

•可以互動操作已有通信標準(如GSM/EDGE,UMTS和CDMA2000)並可與他們共存。用戶可以在擁有LTE信號的地區進行通話和數據傳輸,在LTE未覆蓋區域可直接切換至GSM/EDGE或基於W-CDMA的UMTS甚至是3GPP2下的cdmaOne和CDMA2000網路。

•支持分組交換無線接口

•支持群播/廣播單頻網路(MBSFN: Multicast/Broadcast Single-frequency Network)。這一特性可以使用LTE網路提供諸如移動電視等服務,是DVB-H廣播的競爭者。

LTE-TDD

分時長期演進(英語: Long Term Evolution, Time- Division Duplex,簡稱“ LTE-TDD”)是基於3GPP長期演進技術(英語:LTE)的一種通訊技術與標準,屬於LTE的一個分支。該技術由上海貝爾、諾基亞西門子通信、大唐電信、華為技術、中興通信、中國移動、高通、ST-Ericsson等業者共同開發。

TD-LTE是LTE-TDD 的商業名稱,它是由中國移動等主導創立的TD-LTE全球發展倡議組織(GTI, Global TD-LTE Initiative)推動支持的LTE-TDD標準化與商業化項目。

TDD即指時分雙工(英語:Time-division duplex),LTE更加普遍使用的是FDD即頻分雙工(英語:Frequency-division duplex)。值得注意的是,中國媒體普遍將TD-LTE宣傳為中國國產標準,事實上其技術屬於LTE(長期演進技術)。正因為都是LTE的分支,LTE-TDD與LTE-FDD標準的重合度很高,差別不大,也各有優缺點。兩者分別跟3G的TD-SCDMA和WCDMA的繼承性不大,LTE-FDD跟WCDMA的繼承性甚至更小。中國政府和企業是TD-LTE的主要推動者。LTE-TDD技術主要吸引了三類運營商,分別是:PHS運營商、WiMAX運營商、以及大量持有持零散頻譜的非對稱頻段的小規模運營商。

LTE和其派生的LTE-TDD在商業上一般被宣傳為4G(第四代移動通信技術),不過3GPP家族中唯一受 國際電信聯盟認可的4G為LTE的升級版即LTE-Advanced(LTE-A)(另一4G標準是IEEE家族的WirelessMAN-Advanced)。相應的, LTE-TDD的升級版叫做LTE-TDD Advanced(TD-LTE-A)

TD-LTE的頻率分配因國家而異。美國一個在建的LTE-TDD系統使用了2496-2690MHz的Band 41頻率資源。中國也將Band 41分配給了LTE-TDD。另外,中國還將band 39(1880-1920MHz)分配給LTE-TDD使用。在英國,一個商用LTE-TDD網路使用了3.5/3.6GHz(Band 42,43)頻段。

對於WiMax運營商來說,同樣使用單一頻段的LTE-TDD是很好的網路替代和升級技術,因為LTE-FDD都是上行下行分開頻段,現有的WiMax營運商都沒有這類型的頻段和執照。

歷史

LTE-TDD項目於2007年12月26日,LTE-TDD是LTE技術中的TDD模式,是採取時分雙頻的長期演進(Time Division Long Term Evolution),幀結構參照了TD-SCDMA,但前者基於LTE技術,後者基於CDMA技術,沒有直接聯繫。2012年1月18日下午5時,國際電信聯盟在2012年無線電通信全會全體會議上,正式審議通過將LTE-Advanced和WirelessMAN-Advanced(802.16m)技術規範確立為IMT-Advanced(俗稱“4G”)國際標準,中國主導制定的LTE-TDD-Advanced同時成為IMT-Advanced國際標準。

世界各地商用情況

至2012年末,世界各地有十多家運營商已經或計畫使用LTE-TDD,不過這在全球一百餘個LTE網路中所占的比例不大。另外由於WiMAX在4G標準的爭奪上已經落敗,WiMAX論壇於2012年將LTE-TDD納入WiMAX 2.1規範,WiMAX運營商也開始將設備升級為LTE,其中相當一部分會是技術較為接近的LTE-TDD。

•日本:

日本軟銀的LTE-TDD網路已於2012年2月24日正式商用,已經發展用戶3萬多。2012年10月9日日本軟銀髮布了6款TD-LTE智慧型機。

•台灣:

2015年12月7日,亞太電信、遠傳電信分別獲取D5、D6各25Mhz的TD-LTE 2600Mhz頻段(Band38)。亞太電信已於2017年下半年開通台灣首個TD-LTE網路。

•香港:

中國移動香港的LTE-TDD網路於2012年12月18日正式商用。下載速度約為40Mbps上傳速度約為1.5Mbps。

•美國:

美國運營商Clearwire原為WiMax網路運營商,計畫於2013年在2496-2690MHz頻段上提供LTE-TDD服務。

•印度:

Bharti Airtel的LTE-TDD網路於2012年4月開始使用。

•歐盟:

歐洲郵政電信會議CEPT將2570~2620MHz頻段分配給LTE-TDD。

•俄羅斯:

俄羅斯MTS的LTE-TDD網路於2011年9月開始使用。

•波蘭:

波蘭Aero2的LTE-TDD網路於2011年5月開始使用。

•澳大利亞:

澳大利亞NBN的TD-LTE網路於2011年開始使用。而Optus的LTE-TDD網路於2013年開始使用。

•中華人民共和國:

中國工業和信息化部在2012年10月16日表示“中國已經決定將2.6GHz頻段的2500-2690MHz,全部190MHz頻率資源規劃為TDD頻譜。”工信部部長苗圩表示將於一年左右時間發放LTE-TDD牌照。根據劃分的頻段資源,有報導認為除了中國移動可能還有不止一家運營商會運營LTE-TDD。

2013年12月4日,中國工業和信息化部給中國移動、中國電信和中國聯通發放LTE-TDD牌照。

2014年10月,諾基亞解決方案和網路公司與中移動簽署9.7億美元的採購協定。

政府政策

作為TD-SCDMA的後續,中國政府首先努力推廣LTE-TDD,在FDD-LTE牌照發放前,要求運營商禁止手機終端上的FDD功能,並對沒有禁止FDD的手機拒發入網許可證。中國大陸的FDD-LTE牌照已於2015年2月27日正式發放給中國電信和中國聯通兩家運營商。由於在3G時代的落後,中國移動大力推廣發展4G(以LTE-TDD為主),至2016年中國移動4G覆蓋率已超過2G網路,中國廣大農村地區甚至偏遠山區都已基本實現移動4G全覆蓋,4G普及率大大領先於中國電信和中國聯通。

語音通話

LTE標準不再支持用於支撐GSM,UMTS和CDMA2000網路下語音傳輸的電路交換技術(Circuit Switched, CS),它只能進行全IP網路下的數據包交換(Packet Switching, PS)。隨著LTE網路的部署,運營商需使用以下三種方法之一解決LTE網路中的語音傳輸問題。

•VoLTE(Voice Over LTE,LTE高解析語音):該方案基於IP多媒體子系統(IMS)網路,配合GSMA在PRD IR.92中制定的在LTE控制和媒體層面的語音服務標準。使用該方案意味著語音將以數據流形式在LTE網路中傳輸,所以無需調用傳統電路交換網路,舊網路將無需保留。

•CSFB(Circuit Switched Fallback,電路交換網路支持):該方案中的LTE網路將只用於數據傳輸,當有語音撥叫或呼入時,終端將使用原有電路交換網路(例如3G UMTS),這種技術就叫CS Fallback。該方案只需運營商升級現有MSC核心網而無需創建IMS網路,因此運營商可以較迅速地向市場推出網路服務。也由於語音通話需要切換網路才能使用的緣故,通話接通時間將被延長。

•SVLTE(Simultaneous Voice and LTE,LTE與語音網同步支持):該方案使用可以同時支持LTE網路和電路交換網路的終端,使得運營商無需對當前網路作太多修改。但這同時意味著終端價格的昂貴和電力消耗的迅速。

運營商也可以直接在終端使用應用程式比如Skype和Google Talk去提供LTE語音服務。不過鑒於在當前和可預見的未來中,語音服務收費依然為運營商貢獻最多的利潤,這種方案不太可能受到多數運營商的支持。

大多主要的LTE支持者從一開始便首選和推廣VoLTE技術。但最初的LTE終端和核心網設備的相關軟體缺失導致部分運營商推廣VoLGA(Voice over LTE Generic Access,LTE網路下的語音通用接入)以作為一種臨時解決方案。該方案類似通用接入網路(也被稱作非授權移動接入),使用戶可使用個人網路連線,如私人無線網,進行語音通話。不過VoLGA未得到廣泛支持,因為儘管VoLTE(IMS)需需要大量投資以升級全網語音基礎網路,但他可提供更靈活的服務。 VoLTE將同樣需要單一無線語音調用連續性(Single Radio Voice Call Continuity,SRVCC)以確保在低網路信號下可平滑轉換到3G網路。

儘管全行業視VoLTE為未來的標準,當前對語音通話的需求使得CSFB成為運營商的權宜之法。當有通話呼入或呼出時,LTE手機將在整個通話期間使用原有的2G或3G網路。

高解析語音

考慮到兼容性問題,3GPP要求至少支持AMR-NB編碼(窄頻)。不過VoLTE推薦使用AMR-WB語音編碼,也被稱作HD Voice。該編碼在3GPP標準族網路下支持16KHz的採樣率。

全高解析語音

德國弗勞恩霍夫協會積體電路研究所(Fraunhofer IIS)已經提出並演示全高清晰度語音方案。該方案在手持終端採用AAC-ELD編碼(AAC加強低延遲規格:Advanced Audio Coding– Enhanced Low Delay,為AAC-LD的加強版本,並結合頻帶複製技術)。以往的手持終端只能支持到3.5kHz的語音,即使是加入寬頻語音服務如“高清晰度語音”也只能支持到7kHz。而全高清晰度語音支持人耳可接受的全頻段音頻頻寬:20Hz到20kHz。不過在端到端通話時需要網路及雙方通話終端均支持全高清晰度語音技術才可以啟用全高清晰度語音。

頻段

參見:E-UTRA §頻帶和信道頻寬

LTE網路適用於相當多的頻段,而不同地區選擇的頻段互不相同。北美網路計畫使用700/800和1700/1900MHz;歐洲網路計畫使用800,1800,2600MHz;亞洲網路計畫使用1800和2600MHz;澳洲網路計畫使用1800MHz。所以在某國家使用正常的終端在另一國家的網路中很可能無法使用,用戶需要使用支持多頻段的終端進行國際漫遊。

特別的是巴西政府正在同當地運營商CPqD,正在測試一種特殊的LTE網路。該網路因適應當地市場需求,需要創建在450MHz以下頻段。

專利

根據歐洲電信標準協會(European Telecommunications Standards Institute,ETSI)智慧財產權庫,至2012年3月,有約50 家企業已宣布擁有LTE標準中的必要專利。但是 ETSI 現階段並未確診這些聲明的正確性,導致“任何對 LTE 的基礎專利性分析都應該比 ETSI 的聲明更重要”。

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