lte网络是什么意思

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LTE(Long Term Evolution,长期演进)的应用已经有好几年的历史了。现在,市场上销售的几乎所有新机型都支持4G的LTE网络——甚至有的机型根本就没有2G和3G的技术支持。首款兼容LTE的手机的待机时间只有几个小时,而今天的很多都至少能坚持一天,甚至还能使用两天;当然这还不能让人十分满意,但我们仍然在马不停蹄地前进。

那么,什么是LTE呢?对于大多数人来说,LTE就只是一种更加高速的网络技术。而对全球各地的网络运营商而言,这是一个用来简化基础架构、降低成本、同时提高产品质量的方式。依靠网络运营商的广告商则将LTE描述成”最先进“的网络通信技术。最后,它是通用移动电信系统(UMTS)的长期演进的一部分。

但是,LTE到底是什么呢?LTE(Long Term Evolution,长期演进)是由3GPP(The 3rd Generation Partnership Project,第三代合作伙伴计划)组织制定的UMTS(Universal Mobile Telecommunications System,通用移动通信系统)技术标准的长期演进,于2004年12月在3GPP多伦多会议上正式立项并启动。UMTS是定义用于GSM(全球移动通信系统)网络的3G技术的一系列标准,其中包括AT&T和T-Mobile的3G网络。而cdmaOne/CDMA2000标准则不由3GPP维护,而是由另一个由高通(Qualcomm)牵头的组织进行维护。对于CDMA2000技术的运营商和用户而言,LTE是平庸的CDMA2000的一个替代选择,因为LTE作为一个更先进的蜂窝远程通信系统,能够为用户和运营商提供更高的性能和灵活性。

LTE是一种非常好而且非常容易部署的网络技术,能提供长距离的高速低延迟网络。比如,纽约四家运营商中的两家就在这一目标上做得比较好。Verizon的LTE服务能够提供平均31.1Mbps的下行速度和17.1Mbps的上行速度。T-Mobile的LTE则能提供平均20.5Mbps的下行速度和13.5Mbps的上行速度。

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当然,这不是说所有的网络都是一样的。有的运营商就不能达到这样的水平。你如说,Sprint的LTE网络的平均上下行速率只能达到2.5Mbps/4.0Mbps;AT&T的速率相对高一点,但也是有2.4Mbps/7.6Mbps。

在这篇文章中,我们将讨论那种配置的LTE可以部署,为什么LTE更容易部署,LTE可以怎样作为一种广播技术,存在哪些类型的LTE,LTE将怎样影响电池寿命,网络运营商需要用LTE来做什么,以及4G的未来是怎样的等等问题。本文中涉及到技术最多的地方是关于LTE部署、LTE广播技术和LTE技术类型的部分。

LTE的部署是怎样配置的

LTE支持不同频率带宽的部署。目前规范了如下的带宽:1.4MHz,3MHz,5MHz,10MHz,15MHz和20MHz。频率带宽块实际上是一个网络运营商专用于一个网络的空间。根据LTE部署类型的不同,这些带宽在负载能力上也有细微的差异。这一点我们会在后面提及。运营商可能会选择先将LTE部署在一个小宽带内,然后随着用户逐渐从原有网络(GSM,CDMA等)向LTE迁移,LTE所占用的带宽会逐渐扩大。

MetroPCS就是一个这样做的网络运营商。在其被T-Mobile收购之前,其大部分的频谱段都还停留在CDMA上,只有在不同的几个市场上LTE占用了1.4MHz或3MHz段。当然也还有很少的市场上使用的是5MHz,但那只是例外情况。Leap Wireless(Cricket Communications)在其被AT&T收购之前也是如此,只不过使用的是3MHz或5MHz而已。这两家运营商都无力负担大幅削减CDMA的后果,所以只能在较小的宽带上运营LTE。另外,这两家运营商都没有足够的回程线路(核心网络基础设施和互联网连接)用于LTE,所以它们提供的LTE服务在用户看来也是不划算的。当然,后来它们就都被收购了。这两家的通信服务后来并入了T-Mobile和AT&T。它们的网络得到了重新部署,以支持新的母公司的GSM/UMTS/LTE网络。

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Verizon的手机信号塔

而相对的,Verizon无线则有在750MHz段的10MHz宽的信道可用,因为其有国家分配的频谱可用。除此之外,其从有线电视公司收购的和从其他交易中取得AWS(Advanced Wireless Services,高级无线业务)频谱也让其可以在15MHz和20MHz信道上开展业务。和Verizon一样,T-Mobile也在其AWS频谱上推出了用于LTE的宽信道。这两家公司提供了非常好的回程线路,从而也让这两家公司LTE服务高出了同业者一个档次。对于AT&T而言,LTE信道大小会依据市场的变化而变化。在大部分市场,AT&T提供700MHz段的10MHz宽的信道,但也有很多地方只有5MHz。它已经采取了削减GSM容量的方式来实现频谱的重新使用,因为单独的5MHz或10MHz并不是足够的。Sprint也有相似的问题,因为其整个国家范围内的主要的网络就是一个5MHz的信道,另外其还从Clearwire收购了20MHz的信道来为自己的提供的服务增加额外的容量。

当连接到一个特定的节点时,更少的频谱就意味着更少的用户能获得和Verizon LTE用户相同的速度。因为在每一个节点的每5MHz频谱上,LTE只能支持200个活跃用户的全速度连接。这就意味着如果这个节点有20MHz的频谱,那么其就能支持800个全速连接的用户。当然有很多方法可以支持更多的用户连接,但这却会牺牲连接速度和容量。因为每5MHz配置200用户是目前所知的最佳配置。但是,对LTE的质量而言,频谱并不是全部,我会在后面提到这一点。

LTE是怎样工作的?

LTE使用两种不同类型的无线接口(无线连接),一种用于下行(从信号塔到设备),一种用于上行(设备到信号塔)。通过在上下行时使用不同类型的接口,LTE实现了无线连接的最佳方式,这能实现网络的更好优化和实现LTE更好的电池寿命。

对于下行连接而言,LTE使用OFDMA(正交频分多址)无线接口,而相对的,从1990年来我们一直使用的都是CDMA(码分多址)和TDMA(时分多址)无线接口。OFDMA是什么意思?和CDMA与TDMA不同,OFDMA强制使用MIMO(多输入多输出)。而MIMO可以实现设备和单一基站之间的多个连接,这极大地提高了连接的稳定性同时也极大地降低了延迟,另外其也增加了连接的总吞吐量。我们已经在WiFi路由器和网络适配器上看到了MIMO所带来的确实的好处。MIMO使得802.11n WiFi的速度上限提高到了600Mbps,尽管大多数产品只能有300-400Mbps。但这也带来了一个显著的缺点,靠的太近的天线之间产生的噪声会影响到LTE的性能表现。另外,WiMAX因为也使用OFDMA所以也强制使用MIMO。而使用W-CDMA(CDMA的一个改进版本)的HSPA+也可选择使用MIMO。

对于上行连接(设备到信号塔),LTE使用的是DFTS-OFDMA(离散傅立叶变换扩频正交频分多址)方案,该方案会生成SC-FDMA(单载波频分多址)信号。和通常的OFDMA不同,SC-FDMA可以更好地用于上行连接,因为相对OFDMA而言,其峰均功率比的表现更好。支持LTE的设备为了延长电池使用寿命,通常不会提供功率太强的回传信号,所以很多OFDMA的优点都会因为信号的微弱而丢失。尽管SC-FDMA(单载波频分多址)的名字中有个“单”字,但其仍然也是MIMO系统。LTE使用SC-FDMA 1×2结构,也就是说,对于每一个发送信号的设备天线而言,在信号基站那里都有两个天线在接收信号。

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SC-FDMA与OFDMA的系统结构

OFDMA信号和SC-FDMA信号之间最主要的不同之处在于OFDMA在将信号转换成用于传输的模式中使用了离散傅立叶变换函数。离散傅立叶变换函数常常用于视频和音频信号的数字信号解码成模拟信号,但其也能被用于输出适当的无线电频率。但是LTE-Advanced则在上行和下行连接上使用了更加高级的MIMO配置。

LTE技术本身也分为两种形式:FDD(频分双工)和TDD(时分双工)。这两种形式种使用更广泛的是FDD。FDD以频带对的形式为上行和下行连接配置了不同的频率。也就是说对于每一个手机支持的频带而言,实际上其使用了两个频率频段。这些对应的频带被称为成对频带。比如说,Verizon的10MHz FDD网络,其带宽被分为上行和下行两部分。这通常被视为2x10MHz或10 + 10MHz的配置。有些则直接称之为20MHz网络,但这样却会带来很多误解。

而TDD则是通过对单一频段的分割分别发送和接收信号。比如说,一个部署了20MHz频谱的LTE TDD网络,这20MHz可以作为一整块一起使用。因为网络带宽的原因,LTE TDD网络的频谱可以根据网络流量的类型进行进一步的划分(一半上行、一半下行或者是一般而言的大部分是下行,少量的上行等等)。在美国,Sprint是唯一一家只提供LTE TDD网络的运营商。其它的网络运营商使用的都是FDD。而在亚洲,尤其是中国,TDD却扮演者举足轻重的作用,因为中国移动(以用户数量而言无疑是全世界最大网络运营商)采用TDD来部署其LTE网络。而Sprint的母公司软银在其日本本土市场也采用了LTE TDD的部署。尽管存在这些分歧,但幸运的是,制造同时支持这两种形式LTE网络的设备并不麻烦。

电池寿命的问题

现在我们进入到大多人最关心的环节了,LTE对电池寿命有什么影响。就其本身的设计而言,LTE设备的续航时间和HSPA+设备的续航时间其实应该没有太大的差异,当然这得益于上行和下行操作中无线处理过程的优化。但为什么现在的LTE设备明显耗电更快呢?那是因为网络运营商都强制使其设备处在双模式运行状态下。

比如Verizon无线的大部分LTE设备都同时连接到CDMA2000和LTE网络上。也就是说,通信处理模块的耗电量是单独连接一个网络时的耗电量的两倍。此外,当你使用Verizon的LTE设备拨打电话时,CDMA2000还会消耗更多的电量。接收和发送信息还会引起CDMA2000进行脉冲形式的活动,这就消耗了更加多的电力。而且还有理论认为,不断变化的网络状态比网络模式切换给电池寿命带来的影响更大,所以发信息时的电池消耗得更快。

然后还有信号越区切换的问题。信号切换是指设备从一个基站的网络切换到另一个基站的网络发生的操作。信号切换是蜂窝网络得以成功的关键。没有信号切换,用户每一次漫游到新的区域就要手动选择新的信号塔,而且当用户离开某个信号塔的覆盖范围后就会丢失信号。比如WiFi就是一个不支持越区切换的无线网络技术。当用户脱离WiFi网络的覆盖范围之后,WiFi无线电就直接切断连接了。而对于蜂窝网络而言,切换的重要性就更重要了,因为信号塔的覆盖范围是不受用户控制的,而且也还会受到天气等因素的影响。LTE当然支持越区切换,而且其切换要快得多。

但是,Verizon和Sprint正在使用的切换方式是一种基于被称为eHRPD的EV-DO增强版本实现LTE和EV-DO之间的相互切换。而无论如何,这都算不上是一个很好的解决方案。

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eHRPD

EV-DO与LTE之间的连接非常脆弱,结果导致切换发生得比所需要的更为频繁,这无疑增加了电池的负担。而AT&T和T-Mobile与LTE协同使用的是HSPA+,而不是CDMA2000,它们的切换就顺畅得多。所以在电池的持续时间上,它们的设备的表现就稍微优于Verizon和Sprint的LTE设备,因为LTE支持UMTS和LTE之间的快速切换。AT&T 的LTE手机通常并不强制激活双模式运行模式,因为HSPA+能让你在进行通话的同时也使用数据。因此,AT&T并不需要设备一直处于双模式状态。但是,其电池表现仍然相当糟糕,因为在大部分AT&T的LTE覆盖区域的LTE信号都非常弱,而且由于AT&T的LTE的设备的默认连接都是LTE信号,所以当LTE信号较弱时,连接设备只能加大发射信号的功率。

C Spire Wireless,U.S. Cellular和其它CDMA/LTE运营商都有同样的问题,而且它们的大部分设备都是双模式运行的。所以,关闭LTE将能显著提升电池的使用寿命,因为这时手机是以单模状态运行的。当然我们还有一个特别的案例:AT&T,因为其LTE设备通常采用的是GSM/HSPA+/LTE被动式三模运行,所以关闭LTE后,其设备就变成了GSM/HSPA+被动式双模运行。被动式多模运行的意思是设备并不连续性地连接到多个网络,只有当连接变弱或中断时,其才会建议一个新连接并进行切换。这是一种完美的多模运行方式,而Sprint也从去年开始采用这种切换模式,以降低支持三频LTE网络的新设备(以Sprint Spark的品牌进行销售)。而随着去年Verizon VoLTE服务的推出,Verizon也开始越来越多地提供被动式多模运行。这意味着现在市面上出现的这些新设备比前段时间的产品更加节能。

LTE——移动通信的灵丹妙药?

网络运营商部署LTE网络的目的是为了取代现有的其它一切网络形式。也就是说:其将通过数据网络接管现有的包括语音通话、信息、网络等等各种各样服务。但是,在发展LTE的过程中,没人有考虑过语音通话和短信的问题。LTE设计的初衷只是作为一种新型的数据网络方式。那么,运营商需要怎样解决这一问题呢?解决方法是开发VoIP解决方案。目前在这方面已经存在两个标准:VoLGA(LTE通用访问传送语音)和VoLTE(基于IMS的语音)。VoLGA基于GAN(普通接入网络),这是一种UMA(非授权移动接入)。Deutsche Telekom(德国电信)是唯一一家想要采用这种方式的网络运营商。因为VoLGA的设计派生自T-Mobile美国公司的WiFi呼叫的UMA部署,所有没有其它的公司愿意将其作为一种最终或者临时的解决方案,因为这将意味着保有原有的GSM核心网络来达到这一目的。

其它的运营商都支持VoLTE-IMS(现在都称之为VoLTE),VoLTE能够让运营商们完全抛弃前几代网络从而实现网络的最简设计。但是,相比于VoLGA而言,IMS的部署成本要高很多。但IMS也能提供更好的灵活性。IMS可以用来进行实时视频呼叫等各种各样的功能,所以德国电信在自己玩了一阵之后也加入了VoLTE的大家庭中。

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VoLTE使用SIP(Session Initiation Protocol,会话初始协议)的一个扩展变体版本协议来处理语音呼叫和短信信息。对于语音呼叫而言,VoLTE使用的是AMR(自适应多速率)编码,使用的是宽带版本。AMR编码已经有很长一段历史,其也曾是GSM和UMTS语音呼叫的标准编码。而其宽带版本支持更高质量的语音编码,从而实现更为清晰的语音通话。短信使用SIP MESSAGE消息请求。视频电话则使用H.264 CBP(受限的基准配置文件),其基于具备VBR(可变比特率)的RTP(实时传输协议)的AMR-WB音频编码。凭借这样的配置,基于IMS的视频呼叫的质量非常高,而不管其数据连接的质量是怎样的。凭借VBR,呼叫可以适应数据网络拥挤度的不断变化状态,而且同时还能保证视频呼叫的质量。

有一点讽刺意味的是,T-Mobile美国成为了世界上首家商业部署基于IMS的语音呼叫和文本信息的运营商,开始时T-Mobile将这样服务作为改进版的WiFi呼叫方案。T-Mobile的三星Galaxy S II和HTC Amaze 4G获得的更新中都包括了对WiFi呼叫方案的支持。

而MetroPCS则是世界上第一家部署VoLTE的运营商之一,另一家则是韩国的SK电信。韩国SK电信推出的VoLTE服务是全国性的,而MetroPCS只是在德克萨斯的达拉斯一个城市进行试点。VoLTE的初步部署降低了使用设备的电池寿命,但现在这个问题已经基本上得到了解决。在收购了MetroPCS后,T-Mobile将其两张网络进行了整合以推出更好的LTE服务,同时还关闭了继承自MetroPCS的CDMA服务。在2014年夏季末,T-Mobile推出了VoLTE服务,并且很快就将这项服务推广到了全国范围。因为这项服务基于其WiFi呼叫方案,其还支持WiFi到LTE之间的无缝切换,这是以前没有运营商能完成的事。

而对于Verizon、AT&T和Sprint的VoLTE部署。Verizon在去年8月份推出了全国性的VoLTE服务,而AT&T则在2014年三月份在美国中西部的一些地方推出了这项服务,此后也在不断扩大范围。至于Sprint,目前其官方还没有关于这方面的消息。

在这一点上,VoLTE现在面临的主要难题是其需要运营商设计自定义的固件。要让一个设备能够使用VoLTE需要进行许多设置。这远不是一张SIM卡就能提供的。由此带来的结果就是,只有特定的运营商的定制手机才能支持VoLTE。一些其它的手机可能最后能够预先载入运营商的VoLTE配置信息,但那只是少有的个案。希望这个问题能够很快得到解决,因为这给设备从运营商到另一家运营商之间的迁徙带来的很大的麻烦。

4G混乱的未来

我们谈论的都是LTE的表层,但这篇文章实际上包含了LTE用户所可能关心的一切。LTE还有一些方面的东西,如SON(自组织网络),其允许在需要的时候通过重新分配连接实现最优配置。和WiFi之间的切换也是另一项十分强大的功能。前一类的许多功能只能在运营商方面才能看到,而后一类的可能根本就不会真正的实现部署。

LTE是无线技术发展过程中的重要迈进。如果你想了解关于LTE技术的全部技术细节,你可以查阅3GPP的对LTE的系列规范。而eHRPDA和CDMA2000的规范则可以在3GPP2的网站上找到。VoLGA的规范出现在VoLGA 论坛网站里。此外还有很多信息,此处不再一一列举。

LTE将会在移动领域取得成功已经是显而易见的事情的。世界各地的网络运营商现在都在部署它,但其也正在变成一团乱麻。3GPP已经为LTE网络准许了45个频带。其中超过30个用于LTE FDD,其他的则是用于LTE TDD。LTE的漫游是一件非常困难的事。就拿北美地区而言,目前已经有10个FDD LTE频带和1个TDD LTE频带。而在欧洲和非洲,目前有4个FDD LTE频带和2个TDD LTE频带。而在亚洲和大洋洲,除了和欧洲一样的4个FDD频带,另外还有3个用于FDD的频带和2个额外的TDD频带。其它的频带都还没有使用,但未来一定会用到的。人们必须要找出让设备支持更多频带而不影响便携性的方法。幸运的是,其中的一些频带只是另一些频带的子集,所以进行兼容支持是比较容易的。

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HTC M8,Verizon版本

另外还有的就是4G的烂摊子。和人们普遍的看法不一样,LTE并不等同于4G。国际电信联盟(ITU)定义什么是4G。原来,ITU宣布满足IMT-Advanced要求标准的才能被认为是4G。LTE并未达到这样的标准,不过后来的LTE-Advanced达到了这个标准。当然WiMAX和HSPA+也没达到这个标准。但是后来,美国和加拿大的运营商通过集体的影响力让ITU对4G的规范做出了修改,现在的4G指的是任何从3G上得到显著提升的无线技术。当然,大多数技术发烧友仍然认为只有满足IMT-Advanced要求的技术才是4G技术。对于这篇文章而言,我遵从的是4G的新定义。为了避免不必要的争论,也就是说现在LTE,HSPA+和WiMAX都可以被看做是4G技术,尽管WiMAX也是官方认定的一种3G技术。

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因为LTE-Advanced第10版已经制定好了,而且也已经有设备可用,现在全世界很多运营商已经在开始使用LTE-Advanced的功能了。AT&T在其部署了VoLTE的区域又部署了载波聚合,而Sprint也打算在其推出了“Spark”网络的地区推出载波聚合。而T-Mobile美国则早在其开始推出LTE服务就已经在部署和测试载波聚合了,因为这样可以最大化LTE-Advanced设备的使用潜力。尽管目前T-Mobile还没有大范围推出载波聚合,但很显然其有这样的未来计划。

我不知道LTE的未来会是怎样的,但我相信未来一定十分有趣。这是移动通信行业从1990年代模拟变成数字以来最令人振奋的时刻,LTE代表着语音和数据的混合网络到只有数据的网络的转变。展望未来,无线网络技术的使用将会越来越广泛,甚至有望在未来在很多领域完全取代有线网络的使用。我相信其中面临的很多问题都会随着LTE的进步而渐渐消失。

随着LTE的不断改进,旧有的网络将慢慢迁移到新的网络上来,尤其是使用CDMA的网络运营商。尽管我们也许还需要很长一段时间才能拥有无所不在的网络连接,但我们相信这样的未来最终还是会到来。

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