LTE网络系统的关键技术及发展综述

张学恒， 周 骅， 赵 麒

(1 贵州大学 大数据与信息工程学院， 贵阳 550000； 2 贵州民族大学 机械电子学院， 贵阳 550000)

0 引 言

目前，美国、日本和韩国是全球LTE市场发展最成功、LTE用户规模贵大的3个国家。截止2014年1月，美日韩LTE用户总敝达到1.75亿，占全球LTE用户总数的81.9%[1]。当前的TD-LTE正处于快速发展的阶段，到2019年的9月份为止，全世界共有11家运营商已经实现TD-LTE商用服务，还有29家运营商已经对TD-LTE商用规划实施了清晰的制定，并且有着53个试验网处于运行状态。从另一个方面来讲，截止2019年一季度，全球TDD用户数已达16万。软银9月份已推出TS-LTE商用CSFB(电路域回落)手机，TD-LTE将呈现快速增长趋势。

1 LTE关键技术和相关协议分析

1.1 LTE关键技术

LTE(Long Term Evolution,长期演进)项目是3G与4G技术之间的一个过渡，它改进并增强了3G的空中接入技术，改善了小区边缘用户的性能，提高小区容量和降低系统延迟[2]。

从本质上讲，LTE和4G技术是有一定差异的，其仅仅属于4G技术中所包含的一类技术标准。除LTE之外，4G还有WiMax、HSPA+等其它技术标准。与3G技术最大的不同是，在4G时代里整个网络是一个全数据网络。

LTE不同于3G的核心技术主要有三项，分别是：OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交频分复用)技术、多址技术、MIMO(Multiple-in Multiple-out，多进多出)技术。

(1)OFDM技术。OFDM技术已经有着数年的使用历程，在最近的几年里才被重视起来，并已攻破技术难关，应用于实际系统。LTE的核心原理就是基于此技术。OFDM的实质是一种多载波技术，核心原理是一个串并转化的过程。形象的说，对于OFDM技术就是把高速信号转变为并行状态的低速流，即把信道划分为正交的子信道，然后把子数据流借助于一定调制方法置于子信道中，最终实现相应的传送。在接收端，则是借助于专一性的技术，对此类子数据流实施区分，并将这些子数据流合并成原始数据流。

(2)多址技术。多址技术一直被广泛应用于通信系统中，其重要功能就是对不同的用户信号实施区别，并对上、下行链路给予进一步的支持。在LTE系统中，已明确应用的多址技术是：上行借助于SC-FDMA技术，也就是单载波频分多址接入形式；下行借助于OFDMA技术，也就是正交频分复用多址接入技术，相关详情如图1所示。

SC-FDMA其主要的优点就是能够让用户终端的功率有效降低。在LTE中包括了两种SC-FDMA的多址方案：IFDMA以及DFTS-OFDMA。

图1 LTE下行多址方式

(3)MIMO技术。MIMO技术的实现完全依赖于MIMO系统，其原理就是在发射信号时采用多天线完成多输出，接收则有多天线完成多输入。MIMO系统中，多根天线同时在一个频带上工作。和3G相比，由于天线的增多，数据传输效率得到了大幅度提高，相应的频谱利用率也远超3G。MIMO技术有两种实现方式，一种是在不同的天线上传送相同的数据，需要注意的是虽然传送内容一样，但是不同天线上产生的信号可能会有所不同，但是信号里包含的实质内容是一样的。另外一种形式就是在不同的天线上传输不同的信号，这种形式真正意义上体现了MIMO的原理。

1.2 E-UTRA及相关协议分析

LTE系统与3G相比，有着更为理想的网络架构优化效果。其中对3G的RNC(Radio Network Controller，无线网络控制器)部分予以弃用，而是把此类功能集成至eNodeB(Evolved Node B)中。整个网络趋于一种扁平式的结构，空中接口采用了新兴的OFDM技术，系统运作的原理基于分组交换技术，并能够对FDD、TDD提供支持。在eNodeB 相互间是经X2端口实现相互连通的，并经S1 端口和EPC(Evolved Packet Core，演进的分组核心网)实现连接，还经S1-U和SAE网关实现相互连接。S1端口能够把多个MME/SAE网关和eNodeB实现相互连通。E-UTRA的相应结构如图2所示。

终端设备、接入设备、核心网共同构成了LTE系统。终端设备种类较多，如电表、开关以及变压器等等，这些设备协同工作向核心网发送数据。接入设备主要是eNodeB，其能够对终端传送数据并予以接收，将系统中心的相关数据传输至各个终端。而中心网主要由信令处理、数据处理两部分构成。

图2 E-UTRA 整体架构

eNodeB和终端的连接方式基于Uu 接口，简化了整个系统的接口设计。由于eNodeB集成了RNC的功能，则不再需要3G中的Iub接口。同时，LTE对Iur和Iu接口也做了简化，分别用X2和S1接口代替原有接口的功能。相比3G，eNodeB部分有较大的扩展，核心网部分也有所改进。接入方式更加多样化，兼容性有突破性的扩展，几乎可以兼容目前的所有网络。整个系统在性能上也有很大的提升。

LTE的架构如图3所示。由此可见，整个E-UTRA其实只由eNodeB构成，E-UTRA和核心网的连接也做了简化。核心网与E-UTRA是经S1端口相连，而eNodeB相互间则是经X2端口相连。E-UTRA本身的结构也采用了分层的模式，分为传输网络层和无线网络层。

图3 LTE总体架构

2 LTE与物联网技术的结合

2.1 物联网和LTE系统技术结合的可行性

LTE无线通信技术和物联网技术相结合可以充分发挥两种技术优势,更能解决当前物联网业务模型中存在的网络资源浪费现象，并推动这两项技术共同发展[3]。从LTE无线通信技术角度实施剖析，将其与传统通信技术实施比较，则在系统容量和覆盖范围等诸多方面均有着很大优势；若从物联网的角度剖析，则LTE终端在LTE天线和射频识别等多种技术方面均有非常大的作用。特别是在射频识别基带以及LTE基带的集成问题上，则具有着更为重大的意义，也应当成为未来探讨的重点。

基于现如今的相关技术条件，若想对于云计算中所具有的多种技术难题予以高效处理，则需对LTE无线通信以及物联网两类技术的有效结合给予更多探讨，让两者的技术优点获得更好的发挥，以确保数据库有着立项的可靠性、稳定性、安全性，也让互联网服务功能变得更加优质。在物联网业务处理中对LTE无线通信技术予以有效使用，则需对局域网络以及传感器等方面情况实施考虑和设计。物联网有着非常多的数据信息，能够利用局域网而进入到LTE无线通信体系中。只是在数据传送过程中会产生更大的无线通信网络压力，故此需对数据传送的质量予以加强。

若对LTE无线通信与传统通信两类技术进行比较，则前者是借助于OFDM技术把原来非常大的信息传送频道实施了细小的划分，进而变成了许多小型信息传送信道，然后在高速传送数据和转换时，借助于二层调度器对网络资源实施管控，继而确保在LTE无线通信前提下，能够对高频率业务数据实施更为可靠的传送。

2.2 基于LTE发展物联网

针对于LTE实施科学的设计，就能够让物联网的地址、标识、拥塞控制以及组管理等很多方面的应用需求获得满足，亦能够让要求比较多且比较高的物联网应用得以发展。下面针对LTE网络如何达到物联网需求进行分析。

(1)地址和标识需求。在LTE技术的发展过程中，IPv6的不断成熟对其创造了非常有利的发展机遇。由于当前市场对于IPv6有着非常多且比较高的期望，故此在针对LTE实施标准制订、产品加工以及网络构建等诸多方面，均应当对将来的IPv6发展需求实施考虑。同时也对物联网中的部分难题解决给出了有利帮助：IPv4约能够提供40亿个IP地址，进而可知进一步改良的IPv6拥有着怎样的功能。绝大多数的运营商实施LTE设备选用时，都要求对于IPv6支持，也促使将来的LTE网络能够对于IPv6提供支持，进而给物联网的各个终端均可以提供可靠的标识。

(2)拥塞控制的需求。现如今的网络业务已经有着非常精细的服务质量划分，而由3GPP提出的策略控制以及计费等，可为运营商的业务控制及需求提供保障。因在新建网络的时候，能够对PCC构架便捷的安排和实现，故大多数运营商就选择在LTE设置时，借助于PCC构架来实现。从另一方面来讲，LTE能够对于细分的QCI提供很好的支持，进而也就对PCC、QCI实现更好的服务质量提供保障，便于物联网的多种功能得以实现，其中就包括了拥塞控制功能。

(3)高带宽需求。对于LTE来讲，其最为显著的优点为非常高的数据传送速率，即上、下行的峰值速率分别能够达到100 Mbids、50 Mbids，实现了物联网中的高清视频监控等多种功能需求。此外，LTE还有着其他的多种优势，而此类优势对于物联网的发展亦有着一定的积极影响。

(1)低时延。通常，LTE用户在平面内部的单向传送时延一般小于5 ms，而在平面的睡眠到激活需要迁移时间内，时延小于50 ms。因此，能够让部分传送实时性要求较高的物联网应用获得有力的技术支持。

(2)每兆比特成本低。LTE网络有着较少的节点数和简单的架构，能够对2G/3G共站址建设给予支持，并且成本较低。另一方面，LTE有着更高的频谱效率，让宝贵的频谱资源得以节省，故此其每兆比特的成本也更低，因此获得更多应用市场的青睐。

(3)高速率时仍保持良好的信号强度。此特性可促进车联网等高移动性应用的发展。

(4)全IP网络适合。现如今的IP化趋势让终端与物联网应用有着更为简捷的设置，仅仅需要遵循互联网模式去开发就可以了。

(5)核心网不主动释放连接。LTE中心网并无主动释放功能，让永久在线业务获得更多保障，让“信令风暴”问题得以消除。在LTE网络内，仅仅是终端或eNodeB等装置能够经NAS消息去对中心网予以通知，然后才能够和终端形成连接。如果说终端与中心网的NAS层处于附着状态，那么底层的链路是否出现释放均不会对IP地址造成影响，从而实现永久在线的功能。

3 结束语

5G(5th-Generation,第五代移动通信技术)承载着LTE网络的发展，但LTE代表着长期演进。在现代化信息技术发展中，LTE无线通信网络亦有着多方面的变化，逐渐朝着高效率、精准化、高速化以及现代化的方向发展。将LTE无线通信与物联网两种技术有效结合，则可以增快宽带信息化发展速度，不但可以实现更好的物联网服务，还可以给广大使用群体提供快速、稳定的无线承载。