UMTS系统无线网络结构和协议的长期演进

1、概述

一个富有生命力的移动通信系统，需要具备这样的能力，就是能够随着需求的增长而不断的增强，为用户提供更高的数据速率、为网络提供更好的覆盖、更大的容量。出于这样的考虑和技术的驱动，以WCDMA|0">WCDMA/TD-SCDMA|0">TD-SCDMA为基础的UMTS|0">UMTS第三代移动通信系统从它诞生的那一刻起，关于UTRA（UMTS地面无线接入技术）和UTRAN（UMTS地面无线接入网）的完善和增强，就在3GPP内部不断的进行。3GPPRel.5中的HSDPA（高速下行分组数据接入）是其迈出的第一步，随后HSUPA（增强的上行分组接入）也逐渐在3GPPRel.6中为大家所了解和熟悉。在2005年，LTE和E-UTRAN这两个字眼渐渐进入了大家的视线，他们意味着UMTS网络的演进，进入了一个新的阶段。

从2003年以来，以IEEE802.16e为代表的宽带无线接入技术，受到了广泛的关注。特别是他们更高的数据速率、对移动性方面的支持，逐渐对现有的移动通信系统形成了一种竞争。为了对抗这种竞争，3GPP在2005年，启动了3G长期演进研究项目（LongTermEvolution），即LTE，以演进的接入技术（E-UTRA，Evolved-UTRA）和接入网络（E-UTRAN），为运营商和用户不断增长的需求提供更好的支持，来达到在今后10年甚至更长的时间，一直保持UMTS系统优势的目标。

LTE在系统性能和能力方面的主要研究目标，主要有以下几点：

1）更高的空中接口峰值速率以及频谱效率，下行100Mbps，频谱效率5bit/s/Hz；上行50Mbps，频谱效率2.5bit/s/Hz，系统的最大带宽为20MHz：

2）更好的覆盖性能，即小区覆盖范围在5公里内；

3）更短的通信时延和更简化的网络结构；

4）以IP网络作为承载；

5）更先进的无线资源管理和QoS处理能力；

6）和现有网络的平滑演进及跨系统的移动性管理；

7）现有频谱及其他资源的有效重用等。

目前，已经有很多文献（[1]、[2]、[3]、[4]、[5]等）对LTE的物理层技术作了很好的介绍，本文只简单提及，供读者参考。而作为LTE项目的另一部分，演进的网络结构（E-UTRAN）和与之相关的接口高层协议，将在本文分别予以介绍。

2、物理层简述

在LTE物理层的下行方向，采用了OFDM（正交频分复用）技术，来满足100Mbps的数据速率和频谱效率的要求；通过配置子载波数量，来实现从1.25到20MHz的灵活带宽配置。0.5ms的最小传输时间间隔（TTI），减小了传输时延；4.7ms的循环冗余前缀（CyclicPrefix）在不增加大量系统开销的同时，保证了时延扩展的处理；利用OFDM的特性，在原有的自适应调制编码（AMC）机制中，增加了新的一维--自适应频率调整，使得资源调度更为灵活，效率更高。对于点对点单播业务（unicast），在基站和基站间不再进行下行链路的宏分集合并。

上行方向，采用SC-FDMA（单载波频分复用）技术，即在每个TTI内，基站给UE分配一个单独的频率发送用户数据，不同用户的数据在频率和时间上分开，从而保证小区内部上行载波间的正交性，避免频率间干扰。慢速功率控制用来抵抗路径损耗和阴影效应。由于上行传输的正交性，不再需要快速功率控制来处理远近效应。同时基站借助循环冗余前缀的作用，消除上行多径效应产生的干扰。增强的AMC机制，对上行依然适用。

在LTE系统中，考虑多天线技术和波束赋形技术的采用，来进一步提高空中接口吞吐量，减少小区内用户间干扰。

3、无线网络结构

出于达到简化信令流程，缩短延迟的目的，E-UTRAN舍弃了UTRAN的RNC-NodeB结构，完全由eNodeB（基站）组成。网络的拓扑结构见图1。

图1 E-UTRAN网络结构

在E-UTRAN中，eNB之间底层采用IP传输，在逻辑上通过X2接口互相连接，也就是我们所说的Mesh型网络。这样的网络结构设计，主要用于支持UE在整个网络内的移动性，保证用户的无缝切换。而每个eNB通过S1接口，和接入网关AccessGateway（aGW）连接。而S1接口，也是采用了Mesh或部分Mesh型的连接形式，一个eNB可以和多个aGW互连，反之亦然。

3.1UE位置管理--跟踪区（TA，TreakingArea）

在UMTS网络中，对于用户的位置管理，采用了UTRAN登记区、位置区（LA）和路由区（RA）的定义。而在E-UTRAN中，由于不再有电路域和分组域的区分，统一采用跟踪区（TA）的概念，通过给用户分配相应的标识，在UE处于空闲状态时对用户进行位置管理。TA通常会由多个小区或基站组成。除此之外，在小区一级的范围上，也会给UE分配相应的标识，来对UE进行更小范围内的位置管理。

为了避免终端在TrackingArea的边界移动时，产生大量的TrackingArea更新信令，可以允许一个小区属于多个Tracking