前言

截止2020年6月份，全球部署了近1000万座LTE基站，其中我国部署LTE基站560万座，LTE已成为惠及每一位中国老百姓的“百兆信息高速公路”面向未来万物互联的智能世界，LTE将与5G长期共存，作为人类社会的信息通信基础设施。"2020年05月07日，工信部关于深入推进移动物联网全面发展的通知要求:推动2G/3G物联网业务迁移转网，建立NB-loT(窄带物联网)、4G(含LTE-Cat1，即速率类别1的4G网络）和5G协同发展的移动物联网综合生态体系。其中NB-loT与Cat1均会重用LTE的网络，今天我们就和大家介绍下LTE技术。

一、LTE概述与网络架构

1.1 LTE概述及网络架构

什么是LTE?

LTE，Long Term Evolution，长期演进技术:

该标准由3GPP(第三代合作伙伴计划)于2008年第四季度于Release 8版本中首次提出，并在Release 9版本中进行少许改良。

2010年12月6日，国际电信联盟把长期演进技术(LTE)升级版正式定义为4G。

接入网将演进为E-UTRAN(Evolved UMTSTerrestrial Radio Access Network)。连同核心网的系统架构将演进为SAE(System Architecture Evolution)。

LTE主要设计目标

• 峰值速率:下行峰值100Mbps，上行峰值50Mbps
• 时延:控制面IDLE —)ACTIVE: <100ms；用户面单向传输:<5ms
• 移动性: 350 km/h(在某些频段甚至支持500km/h)
• 频谱灵活性:带宽从4MHz~20MHz (1.4、3、5、10、15、20)；支持全球2G/3G主流频段，同时支持一些新增频段
• 用户数:协议要求5MHz带宽，至少支持200激活用户/小区;5M以上带宽，至少400激活用户/小区

LTE-SAE网络关键技术

SAE,System Architecture Evolution,3GPP系统架构演进

EPC, Evolved Packet Core，演进型分组核心网

SAE简介：

系统架构演进SAE(System Architecture Evolutlon)，是为了实现LTE提出的目标而从整个系统架构上考虑的演进

主要包括:

• 功能平扁化，去掉CBSC的物理实体，把部分功能放在了E-NodeB，以减少时延和增强调度能力(如，单站内部干扰协调，负荷均衡等，调度性能可以得到很大提高)
• 把部分功能放在了核心网，加强移动交换管理，采用全IP技术，实行用户面和控制面分离。同时也考虑了对其它无线接入技术的兼容性。

LTE-SAE系统主要分为以下三个部分:

UE (User Equipment): UE是移动用户设备，可以通过空中接口发起、接收呼叫

LTE:无线接入网部分，又称为E-UTRAN，处理所有与无线接入有关的功能

SAE:核心网部分，主要包括MME、S-GW、P-GW、HSS等网元，连接Internet等外部PDN (Packet Data Network),SAE也被称为EPC

3GPP LTE总体演进计划

3GPP长期演进技术（3GPP Long Term Evolution,LTE）为第三代合作伙伴计划( 3GPP）标准，使用“正交频分多工(OFDM）”的射频接收技术，以及2×2和4×4 MIMO的分集（ diversity )天线技术规格。同时支援FDD(分频双工)和TDD(分时双工）。LTE是超越3G与HSPA阶段迈向4G的进阶版本。LTE也被俗称为3.9G。

4G是指移动电话系统的第四代，也是3G之后的沿伸，是一个成功的无线通信系统。从技术标准的角度看，按照ITU的思路，静态传输速率达到1Gbps，用户在高速移动状态下可以达到100Mbps，就可以作为4G的技术之一。LTE:由ETSI所主导，在移动通信环境下可以让下行与上行最高速率各可达到100Mbps及50Mbps。

最近随着几年移动数据应用以及新应用程序如MMOG (MultimediaOnline Gameing),移动电视，Web2.0使用的增多促使3GPP致力于LTE的研究。LTE是最新的移动网络技术标准。3GPP之前已经实现了GSM/EDGE和UMTS/HSxPA网络技术，这些技术占据了85%的移动用户市场。而LTE的研究将会进一步增强3GPP同其他移动通信技术组织的竞争力。LTE无线接入技术被成为E-UTRAN (Evolved UMTS Terrestrial RadioAccess Network)，它旨在提高终端用户的通信速率和区域容量同时减少用户平面的延迟，为用户体验“全移动”生活带来巨大的推进。随着IP协议成为传输所有数据的选择的出现，LTE提供了对带有端到端OoS基于IP的数据的支持。声音的传输也将主要由VoIP来支持，这样将有利于更好的将其他的多媒体服务整合起来。初始LTE计划的实施在2010年并在其1-2后投入商用。

LTE设定了严格的系统要求，其改进主要依靠物理层的技术，如OFDM（正交频分多路技术）以及MIMO(多输入多输出）系统以及智能天线。LTE的主要自标是减少系统和用户设备的复杂度，而且能写其他的3GPP接入技术并存。大多数的3GPP和3GPP2组织成员目前都参与了LTE这一技术标准的制定。

LTE的核心技术MIMO：(多天线技术利用了“空间”信号维度，能够提高传输速率)

MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)即多入多出，是一种多天线传输技术:发射端利用多根发射天线将多个数据流在相同时间、频率资源上同时发送，接收端利用多根接收天线同时接收多个数据流。由于收发两端使用了多根天线，相比相同带宽的单发单收链路，MIMO信道容量有了成倍提升。

1.2 LTE-A概述

 LTE-A愿景-更大容量

LTE-A通过CA (Carrier Aggregation,载波聚合)技术的带宽可以高达100MHz，另外因为高阶MIMO，使得频谱效率也得到了较大的提升。

 LTE-A是LTE-Advanced的简称,是LTE技术的后续演进。LTE俗称3.9G，这说明LTE的技术指标已经与4G非常接近了。LTE与4G相比较，除最大带宽、上行峰值速率两个指标略低于4G要求外，其他技术指标都已经达到了4G标准的要求。而将LTE正式带入4G的LTE-A的技术整体设计则远超过了4G的最小需求。在2008年6月，3GPP完成了LTE-A的技术需求报告，提出了LTE-A的最小需求:下行峰值速率1Gbps，上行峰值速率50OMbps，上下行峰值频谱利用率分别达到15Mbps/Hz和30Mbps/Hz。这些参数已经远高于ITU的最小技术需求指标，具有明显的优势。

LTE/LTE-A的UE类型一Rel10

在REL-8中，UE特定的参考信号只能用于单层传输（TM7），即不支持空分复用，每个UE至多只有一个UE特定的参考信号。在REL-9中，基于UE特定的参考信号的传输扩展到支持最多2层传输（TM8），对应同时传输至多2个参考信号，每层各一个。在REL-10中，基于UE特定的参考信号的传输扩展到支持至多8层传输（TM9），对应同时传输至多8个参考信号。

1.3 LTE-A Pro概述

 4.5G( LTE-A Pro)

华为观点:LTE-A Pro(也称之为4.5G)将从R12起开展研究，主力版本是R13/R14，并预计于2016年开始商用部署。与此同时，5G的标准研究(Study ltem)从R15开始

LTE-A Pro愿景

更大容量: xGbps (4G: xMbps, 5G: 10Gbps)

更低时延:端到端时延10ms (4G: 50ms,5G: 1ms)

更多连接数:300亿连接（每平方公里10万连接)

4G:人与人的连接(80亿) 4.5G: 300亿连接(人与人80亿，人与物2*80=160亿、一部分一部分物与物60亿)

5G则对应于全连接（1000亿连接)

4.5G网络演进关键点

1.3.1 NB-loT简介

基于蜂窝的窄带物联网（Narrow Band Internet of Things, NB-IoT）俨然已成为万物互联网络的一个重要分支，作为 IoT 领一个新兴的技术，NB-IoT 构建于蜂窝网络，只消耗大约 180KHz 的带宽，可直接部署于 GSM 网络、UMTS 网络或 LTE 网络，以降低部署成本、实现平滑升级。

NB-IoT支持低功耗设备在广域网的蜂窝数据连接，也被叫作低功耗广域网(LPWA)，支持待机时间长、对网络连接要求较高设备的高效连接。据说 NB-IoT设备电池寿命可以提高至至少 10 年，同时还能提供非常全面的室内蜂窝数据连接覆盖。

 NB-loT/eMTC技术特性

在低速物联网领域，NB-loT作为一个新制式，在成本，覆盖，功耗，连接数方面有优势

eMTC设计上考虑与LTE兼容，对有低时延要求，语音，移动性的物联网领域业务更占优势，如穿戴类设备

1.3.2 eMTC简介

在release 13版本，eMTC支持切换而NB不支持切换，3GPP已经考虑在后续版本中，针对NB引入切换功能

NB-IoT和eMTC都属于窄带LTE技术，这也意味着它们可以利用现有基础设施和频谱，不过相比现有的LTE网络来说，NB-IoT和eMTC在传输速率上都进行了大大的降低。

NB-IoT使用的带宽大约为200KHz，支持100Kbps以下速率传输低流量数据；而eMTC技术则使用的是1.4MHz带宽，最高数据传输速率达1Mbps。

而这也使得终端和核心网络的复杂性进一步降低，可实现更低功耗延长续航时间，通过冗余传输实现更深覆盖。完全符合目前物联网设备对于传输速率要求不高，低功耗、低成本的需求。

eMTC和NB-IoT各具优势，并在特性上有一定的覆盖，同时很难有非常清晰的界限。对于二者的关系，高通认为，两项技术之间是互补的关系，并各自适用于不同的物联网使用情境，同时，LTE窄带技术和现有2G/GSM多模共存。

"1+2+1”物联网解决方案

 针对物联网的四层业务架构，华为提出“1+2+1”物联网解决方案，1个开源(免费)物联网操作系统Liteos, 这是一款适用物联网智能终端运行的操作系统，具有对硬件资源(RAM及Flash)要求低、低功耗(节能)、安全及能灵活应用的特点;2种网络接入方式中，华为物联网关(AR路由器)是一款融合ICT、IOT的网关设备，具有多种协议接入能力和软件定义的融合ICT能力，融合ICT网关提供安卓操作系统和X86平台两种;对于LTE/5G接入方式，可以通过LTE/5G网络将数据传到物联网平台;此外，另一个“1”是指一个平台，包含云数据中心、设备管理和运营管理等等。张顺茂表示，在1+2+1物联网解决方案中，华为第一次把SDN网络架构带到物联网领域。

1.3.3 LTE-V简介

 什么是V2X车联网?

车联网是车、人、环境、行为的数据和业务方面的连接;v2x是车与x(所有与车有交互行为的事物)，更偏重技术架构层面的连接。v2x是为了实现车辆在自动驾驶模式下可以对交通信息作出做合理的判断，从而可以缓解交通压力。同时，在非人为操作下，将交通事故率降至最低，实现自动驾驶比人为驾驶更安全。车联网指的是通过汽车上集成的gps定位，rfid识别，传感器、摄像头和图像处理等电子组件，按照约定的通信协议和数据交互标准，在v2v、v2r、v2i之间，进行无线通信和信息交换的大系统网络。因此说到底，v2x对于车联网、自动驾驶安全有十分重要的作用。

借助无线通信技术实现V2X (Vehicle to Everything)全方位连接:

车与车(V2v，Vehicle-To-Vehicle)

车与人(V2P，Vehicle-To-Pedestrian)

车与路(V2I，Vehicle-To-Infrastructure,车辆–道路设施)

车与云平台(V2N,vehicle-to-network，车-网络)

ADAS单车智能有局限

 在我国，每年均有26万人于交通事故中丧生，这意味着每天都有700人因车祸离世。而在全球，每年道路交通事故所引发的损失则高达2306 亿美元。数据表明，其中94%的交通事故由人为错误产生。基于这些洞察，从高级驾驶辅助系统（ADAS）入手，以安全为指导方针，坚持循序渐进和开放的发展方向，深挖交通数据红利，打造智慧交通，终将能实现自动驾驶。

在实现自动驾驶之前，作为汽车从传统功能车向智能互联车过渡的一项重要技术，ADAS发挥了非常重要的作用。目前，ADAS能够有效降低交通事故率已是行业共识。全球包括中国在内的多个国家，纷纷推出了普及ADAS相关技术应用的法律法规。消费者对ADAS的功能认知度也逐渐得到提升。

ADAS系统：长距雷达、中短距雷达、激光雷达、摄像头、超声波雷达

单车传感器有局限：1.雨雪雾天气受影响 2.无法有效探测道路结冰，转弯 3.非直线视距/死角，无法探测  4.探测距离短  5.安装多传感器，成本高昂  6.事后探测，被动接受有延迟

V2X和单车智能融合，可以大幅提升交通安全，V2X与ADAS协同大幅减少交通事故，最高可达96%的安全性

V2X初级阶段场景

V2X初级阶段场景：交叉路口碰撞预警、变道碰撞预警、车辆紧急制动预警、前车碰撞预警、特殊车辆避让、摩托车视线遮挡危险提醒、路边施工提醒、交通拥堵提醒、路边单元信息广播、危险路段广播、危险天气预警、限速提醒等

V2X高级阶段场景：车辆编队、协作行驶、传感器信息共享、远程驾驶等

C-V2X两个发展阶段:LTE-V2X和5G-v2x

LTE-V2x：标准冻结，可支持商用，为C-V2X解决方案，商业模式打基础

5G-V2x：面向更高级车联网业务，5G-V2X补充LTE-V2X，后向兼容

华为车联网解决方案架构

车联网解决方案架构——基于华为云服务，构建面向联接的车联网平台，为企业和个人提供高安全、高性能、高可靠的车联网服务支撑；大数据分析和丰富的云服务助力企业实现业务创新，开放的架构易于对接外部系统，打通企业研、产、销各环节，帮助企业提升运营效率。

1.4 LTE与5G网络长期共存

 eLTE演进是5G的重要组成部分

 华为凭借强大的无线技术实力，在UHF/VHF频谱上，推出了基于4.5G，面向5G演进的eLTE-DSA解决方案，利用华为业界最强的射频及滤波能力，结合部分5c算法，将梳状的离散窄带频谱聚合使用，单小区支持4000用户，最低下行时延可达20ms的超低时延，支持多业务扩容，是构建泛在物联网的必然选择。

4G/5G共存，云网协同，激励新的业务增长

4G/5G协同发展、长期共存也已成为业界共识，当2G/3G退网后运营商需要4G作为一张“托底”的基础网络，例如以VoLTE实现话音的回落以及在5G尚未全面覆盖前的补充。值得一提的是，当体验了5G的高速率、低时延后，用户也会对4G性能报以更高期望，因此对4G网络的进一步加强同样不能忽视。多终端、多接入、多业务、多商业；最佳每比持成本无人化运维，最佳体验eMBB超低时延和切片即服务随需微服务使5G云网高效敏捷网络使能万物互联。

二、 LTE无线网络及关键技术

2.1 OFDM原理概述

OFDM的概念：OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing):基于FDM技术发展而来，OFDM通过频分复用实现高速串行数据的并行传输。它的调制和解调分别是基于IFFT和FFT来实现的。OFDM属于调制复用技术，它把系统带宽分成多个的相互正交的子载波，在多个子载波上并行数据传输。

OFDM与传统的FDM技术不同:采用多载波（称为子载波）来传送信息流，所以可以看作是一种波传送技术

LTE-下行多址技术OFDMA

OFDMA: Orthogonal Frequency Division MultipleAccess,正交频分多址接入

OFDMA是一种资源分配粒度更小的多址方式，同时支持多个用户

LTE-上行多址技术SC-FDMA：为克服高PAPR对UE功放的限制，LTE的上行采用的多址接入技术为SC-FDMA(Single Carrier Frequency DivisionMultiple Access,单载波频分多址接入)

2.2 LTE支持频段

LTE频段

2.3 LTE帧结构

 无线帧结构（FDD-LTE)

每个帧的时长为10ms，包含20个时隙，其中每个时隙的时长为0.5ms。一个子帧由相邻的两个时隙组成，时长为1msLTE最小时间单位以T,表示，计算公式为T,=1/(15000x2048),约等于32.552083ns

TD-LTE无线帧结构

TD-LTE 10个子帧包括:上行子帧，下行子帧，特殊子帧

特殊子帧包括:下行导频时隙（DwPTS)  保护周期（GP) hianness  上行导频时隙（UpPTS)

 2.4 LTE基站-eNodeB

 eNodeB模块

eNodeB为Evolved Node B，即演进型Node B的简称，LTE中基站的名称，相比现有3G中的Node B，集成了部分RNC的功能，减少了通信时协议的层次。eNodeB基站采用分布式架构，包括基本功能模块:基带控制单元BBU3900 (BaseBand control Unit)和射频拉远单元RRU (Remote Radio Unit)。BBU3900与RRU均提供CPRI接口，两者通过光纤实现互连。

e-NodeB的主要功能包括:无线资源管理功能，即实现无线承载控制、无线许可控制和连接移动性控制，在上下行链路上完成UE上的动态资源分配〈（调度)；用户数据流的IP报头压缩和加密;UE附着状态时MME的选择;实现S-GW用户面数据的路由选择;执行由MME发起的寻呼信息和广播信息的调度和传输。完成有关移动性配置和调度的测量和测量报告。

三、LTE承载网及关键技术

 移动传输网整体概述

SGW/MME省市集中部署

 场景三:核心PTN or IPRAN节点与外地市SGW/MME连接:部署多对L3节点

 核心PTN or IPRAN节点与外地市SGW/MME连接:部署一对L3节点

四、LTE核心网及关键技术

 LTE/SAE网络中的EPC

 黑线以上是控制面，以下是用户面。EPC = Evolved Packet Core，是核心网演进，LTE中核心网演进方向为EPC（Evolved Packet Core），包含MME （Mobility Management Entity）和S-GW（Serving Gateway），无线接入网UTRAN（Universal Terrestrial Radio Access Network）演进方向为EUTRAN（Evolved UTRAN）。华为EPC网络能力开放解决方案正是为解决运营商、OTT厂商、终端用户的这些需求而生。 华为EPC网络解决方案将网络中各种最原始的基本能力进行组合、编排后，开放给第三方应用进行调用。第三方应用借助能力开放的接口，增强用户体验，提升用户活跃度和粘合度，增加业务交易，也可实现第三方应用业务的灵活、简化部署；对运营商而言，网络投资得到消化，降低运营维护成本，实现业务快速部署、短期获得盈利，并且获得更多的扩容机会；对OTT移动端业务用户而言，将免费试用流量或获得更加优质的网络资源，真正实现多方共赢。

EPC网络特性: Pool组网

网元相互负荷分担，增加网络可用性减少；设备间切换，增强业务性能

典型分组业务

典型语音业务

LTE网络在发展初期，每个城市的本地LTE语音业务加上和GSM、UMTS、固话之间的语音流量占了大多数。如果运营商采用EPC网络分层分业务部署技术，将部署在大城市的语音处理网关分层分裂部署到中小城市的站点，本地语音处理网关聚焦处理本城市的本地LTE语音和GSM、UMTS、固话之间的语音流量，技术上能够明显的降低语音通话的呼叫时延并提升音频和视频质量，带来用户体验的明显改善。此外，网关的下移部署也有利于提升本地视频监控、移动办公、企业业务等大流量业务的用户体验，使本地话务量能够尽快处理，降低业务时延，提升用户体验。作为最基本的通讯业务，语音业务在用户的日常通讯需求中扮演着重要的角色，尤其在OTT语音支持不了的应用场景如紧急呼叫中，更加发挥着不可或缺的作用，因此语音业务对网络稳定性的要求也是各种通讯业务中最高的。基于此，网关必须采用POOL技术组网，配合设备稳定技术例如框间会话备份ICSR来提升网络和设备的稳定性，达到甚至超越传统CS语音网络的可靠性。

五、小结

通过此次学习我们知道了LTE网络整体架构与演进:LTE->LTE-A -> LTE-A Pro；LTE无线网络及关键技术:OFDM原理、LTE支持频段、LTE帧结构、LTE基站-eNodeB；LTE承载网及关键技术LTE核心网及关键技术。一说到LTE，就会想到4G。LTE相对于WCDMA，LTE空中接口的物理层发生了巨大的变化（变革的地方），而链路与网络层、无线网络的接口和核心网都是继承为主，改进为辅，只是演进。
物理层的变革主要体现在增大带宽和可变带宽上，而为了充分利用这种优势，而引入了OFDM技术，通过调制子载波数目，OFDM技术可以灵活地改变工作带宽，满足大带宽和可变带宽的需求。OFDM技术也是LTE技术中最关键、最精华的部分。除此之外，为了提高带宽的使用效率，引入了多天线技术。多天线技术分为三种工作方式：发射分集、波束赋形以及MIMO。除了可变带宽，在LTE规范中，定义了30多个工作频段，远超GSM和WCDMA。另外，LTE的灵活性还体现在LTE是一种同时支持时分双工（TDD）和频分双工（FDD）的移动通信技术，可以支持TDD和FDD的混合组网。

注：本文整理自华为云社区内容共创活动之物联网无线长距离LTE技术专题

查看活动详情：https://bbs.huaweicloud.cn/blogs/308924