世博LTE在大容量通信中的卓越表现

通信技术日新月异，不断给人们带来新的通信享受。随着数据通信与多媒体业务需求的发展，适应移动数据、移动计算及移动多媒体运作需求的下一代移动通信技术开始兴起，人们有理由期待这种下一代移动通信技术给人们带来更加美好的未来。随着移动通信技术朝着高速率、大容量的演进，LTE很好地满足人们对高带宽大容量的数据通信和多媒体业务的通信需求，顺应了建设智慧城市、物联网、云计算等新兴技术对移动网络建设的要求，因此成为了下一代宽带移动通信技术的发展方向。

围绕“科技，让世博更精彩”这一世博科技行动主题，响应上海市“智慧城市”建设的号召，以建设高质量的高速大容量下一代移动通信网络、满足人们高速移动数据需求为目标，上海世博会开展了一系列世博LTE网络的建设和LTE业务演示工作。通过世博期间LTE示范网的建设，以及顺畅的各类业务演示，不仅向人们展示了先进的下一代高速移动网络在业务体验提升方面的技术能力，还对LTE设备和终端的成熟度进行了有效的验证，并为后续LTE组网技术研究和大规模网络建设、业务运营积累了丰富的经验。

1.LTE基本原理特点

3GPP标准组织在2004年底启动了长期演进（Long Term Evolution，LTE）项目的研究和标准化工作计划。通过引入OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）和MIMO（Multiple-Input Multiple-Output）等新型无线技术，LTE使空口传输速率达到100Mbit/s以上，更好地满足大容量数据通信系统的要求；同时采用扁平化网络和全IP系统架构，降低了系统延时，更好地承载数据业务。因此，LTE在通信速率方面有了质的提高，在20MHz频谱带宽时下行峰值速率为100Mbit/s、上行为50Mbit/s，在4×4MIMO情况下，能达到326M/86Mbit/s，有效提升了频谱效率，特别适于大容量通信的要求。

除此之外，LTE以提供分组域业务为主要目标，系统在整体架构上基于分组交换，通过系统设计和严格的QoS机制，保证实时业务（如VoIP）等的服务质量。同时LTE系统部署灵活，可支持多种带宽（1.5MHz、2.5MHz、5MHz、10MHz、20MHz），并支持成对和非成对的频谱分配，保证了将来在系统部署上的灵活性。另外，LTE通过扁平化的系统设计，降低了用户时延；引入MIMO以及多点协同技术，增强了小区边界比特速率；强调向下兼容，支持已有的3G系统和非3GPP规范系统的协同运作。

（1）OFDM技术基本原理

OFDM即正交频分复用技术，其主要思想是：将信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，并调制到在每个子信道上进行传输。正交信号可以在接收端分开，这样可以避免子信道之间的相互干扰，如图1-11所示。每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，因此每个子信道上的可以看成平坦性衰落，从而可以消除符号间干扰。而且由于每个子信道的带宽仅仅是原信道带宽的一小部分，使得信道均衡变得相对容易。

图1-11 OFDM子信道的频谱图

（2）MIMO技术原理

MIMO主要指在发射端和接收端同时采用多天线进行数据收发，是LTE增加的主要特性之一。引入MI-MO的主要原因是通过多流传输和分集技术提升系统数据速率和传输可靠性，即MIMO主要分为空分复用（Space Multiplexing）和传输分集（Transmit Diversity）两大类。

空分复用技术通过并行地发射多个数据流来获得较高的数据传输速率。但是为了实现高数据传输速率，需要接收机必须保证足够的高信噪比，因此空分复用主要适用于信噪比较好的场景。传输分集技术则是通过多个接收天线对单个传输流进行接收，以获得接收分集的增益，改善低信噪比条件下数据传输的可靠性，因此与单天线相比，传输分集技术能较好提升边缘用户的数据速率。

（3）FDD/TDD制式的区别

LTE系统同时定义了频分双工（Frequency Division Duplexing，FDD）和时分双工（Time Division Duplexing，TDD）两种方式，这两种制式的上层结构高度一致，也就是说在层2与层3及更上层结构高度一致，区别仅在于物理层，而物理层的差异又集中体现在帧结构上。

FDD是在分离的两个对称频率信道上进行接收和发送，用保护频段来分离接收和发送信道。FDD必须采用成对的频率，依靠频率来区分上下行链路，其单方向的资源在时间上是连续的。FDD在支持对称业务时，能充分利用上下行的频谱，但在支持非对称业务时，频谱利用率将大大降低。TDD用时间来分离接收和发送信道。在TDD方式的移动通信系统中，接收和发送使用同一频率载波的不同时隙作为信道的承载，其单方向的资源在时间上是不连续的，时间资源在两个方向上进行了分配。某个时间段由基站发送信号给移动台，另外的时间由移动台发送信号给基站，基站和移动台之间必须协同一致才能顺利工作。

TDD双工方式的工作特点使TDD具有如下优势：

1）能够灵活配置频率，使用FDD系统不易使用的零散频段；

2）可以通过调整上下行时隙转换点，提高下行时隙比例，能够很好地支持非对称业务；

3）具有上下行信道一致性，基站的接收和发送可以共用部分射频单元，降低了设备成本；

4）接收上下行数据时，不需要收发隔离器，只需要一个开关即可，降低了设备的复杂度；

5）具有上下行信道互惠性，能够更好的采用传输预处理技术，如预RAKE技术、联合传输（Jonit Transmission）技术、智能天线技术等，能有效地降低移动终端的处理复杂性。

但是，TDD双工方式相较于FDD，也存在明显的不足：

1）由于TDD方式的时间资源分别分给了上行和下行，因此TDD方式的发射时间大约只有FDD的一半，如果TDD要发送和FDD同样多的数据，就要增大TDD的发送功率；

2）TDD系统上行受限，因此TDD基站的覆盖范围明显小于FDD基站；

3）TDD系统收发信道同频，无法进行干扰隔离，系统内和系统间存在干扰；

4）为了避免与其他无线系统之间的干扰，TDD需要预留较大的保护带，影响了整体频谱利用效率。

2.LTE系统架构

整个LTE系统包含演进的接入网（E-UTRAN）和演进的核心网（EPC）两个部分，也合称为EPS，如图1-12所示。在接入网部分，LTE对传统3G的网络架构进行了优化，采用扁平化的网络架构，接入网E-UTRAN不再包含RNC，仅包含基站节点eNB。LTE中的eNB除了具有原来3G系统NodeB的功能之外，还承担了原来RNC的大部分功能，包括有物理层功能、MAC层功能、RLC层、PDCP功能、RRC功能（包括无线资源控制功能）、调度、无线接入许可控制、接入移动性管理以及小区间的无线资源管理功能等。eNB之间由X₂接

图1-12 LTE系统网络结构

口互连，可支持UE在不同eNB间的切换。X₂包括控制面接口和用户面接口，都通过IP传输。

EPC（Evolved Packet Core）负责核心网部分，EPC信令处理部分称MME（Mobility Management Entity），用户面数据处理部分称为SAE Gateway（S-GW）。MME是SAE的控制核心，主要负责用户接入控制、业务承载控制、寻呼、切换控制等控制信令的处理。MME功能与网关功能分离，这种控制平面/用户平面分离的架构，有助于网络部署、单个技术的演进以及全面灵活的扩容。S-GW作为本地基站切换时的锚定点，主要负责以下功能：在基站和公共数据网关之间传输数据信息；为下行数据包提供缓存；基于用户的计费等。公共数据网关P-GW作为数据承载的锚定点，提供包转发、包解析、合法监听、基于业务的计费、业务的QoS控制等功能，并负责和非3GPP网络间的互联。eNB和EPC通过S₁接口相连。S₁接口的用户面终止在服务网关S-GW上，S₁接口的控制面终止在移动性管理实体MME上，也都通过IP传输。

3.世博LTE建设情况

上海世博的核心网络EPC包括MME、SGW、PGW、HSS、PCRF及IMS等设备。LTE核心网采用EPC架构，即Evolved Packet Core，是全IP化移动核心网络，具有更高的吞吐量、更低的时延等特点。网络结构分为用户平面和控制平面：用户平面采用高性能、可靠的、高扩展性的具有业务感知能力的IP路由器作为EPC网关，具有极高的汇聚流量，吞吐能力超过100Gbit/s，支持高带宽on-demand业务，并提供针对每用户、每应用、每连接的QoS及策略控制。控制平面采用高性能、高可靠性、高扩展性的平台作为控制平面网元，具有全网范围高扩展的、动态的连接管理和实时策略控制能力。

4.世博LTE大容量通信业务

LTE在通信速率和时延等方面相比原有移动网络有了极大提升，因此对业务的支持能力也大大增强。一方面，FTP下载、网页浏览等原有移动业务在速率和延时方面得到进一步改善，用户体验不断提高；另一方面，一些在原有3G网络中受到带宽限制、对上下行带宽速率有要求的移动业务，如高清无线视频监控、移动高清视频、视频会议/电话等，由于LTE的引入使得业务得以实现。

上海世博LTE在业务建设方面，以体现高速移动应用为核心，集中展示了高速无线FTP下载、高清无线IPTV业务、无线“即摄即传”业务、移动高清会议系统等业务，体现了LTE系统在大容量通信业务方面的独特优势。(www.xing528.com)

图1-13 基于LTE的高速FTP上传下载

（1）高速FTP上传下载

FTP业务是体现LTE高速率特性的主要业务之一，LTE能有效提升移动网络的上/下行速率，给FTP业务带来了更好的用户体验。该业务的方案是用户使用笔记本和LTE无线上网卡接入LTE网络，在移动状态下访问FTP服务器对大文件进行高速上传和下载，如图1-13所示。该业务的主要技术特点是针对大文件的上传和下载，以验证LTE对高数据率的支持。

从测试结果来看，在20MHz系统带宽下，下载的峰值速率可达102Mbit/s，上传可达45Mbit/s。如果以这一速率下载一部约25GB的蓝光电影，大约需要30min，这一时间大概是原来3G网络下载所需时间的1/30。这一测试结果，很好地体现了LTE在移动宽带上行/下行速率上的大幅提升这一特点。

（2）无线高清IPTV业务

随着移动终端以及视频内容的丰富，用户对视频点播和直播的业务需求越来越高，特别是移动高清视频节目的需求。无线高清IPTV业务实现了IPTV软终端通过LTE网络以无线方式接入IPTV平台，实时收看高清IPTV节目（包含电视、电影、体育、纪实和娱乐等多档节目内容）。无线高清IPTV业务主要技术要求是对下行带宽的速率和速率的稳定性要求较高，目前主要技术难点在于传统的3G网络由于下行带宽的限制，会出现视频缓冲时间长、视频流较卡、马赛克或丢帧等现象，因此还无法很好地支持高清无线IPTV业务的实现。

高清无线IPTV业务的方案如图1-14所示，通过笔记本接LTE上网卡，连接高清无线IPTV平台。测试验证的重点是访问高清片源时，看对高清片源的播放清晰度和流畅性，并测试下行的无线速率，特别是移动状态下的视频流畅性，以验证LTE对下行速率要求较高的视频业务的承载能力，特别是高速移动状态下的业务性能。

图1-14 基于LTE的无线高清IPTV业务

从测试结果看，在LTE信号的近点和中点区域，LTE网络能够提供高速下行速率，对图像质量达到720P或1080i的高清IPTV直播和点播节目，下行速率可达8Mbit/s左右，平均时延在50ms左右，在40km/h左右的移动速度的下行速率仍能稳定保持在5Mbit/s左右，有效体现了LTE对高清无线IPTV业务的承载能力提升，保证图像高清晰度和流畅性，为用户提供了流畅、震撼的无线高清体验。在信号的远点区域，无线高清IPTV业务依然能继续，但是会偶尔出现马赛克或缓冲现象，这也是移动通信系统在边缘区域速率下降的缘故所致。

（3）“即摄即传”业务

LTE除了有效提升了下行带宽速率，在上行带宽速率上也有了大幅改善，这一特点为有大带宽上传需求的业务提供了有效的手段，如“即摄即传”业务。“即摄即传”是指电视摄像机拍摄的内容通过LTE网络立刻上传到演播室或远端显示屏，进行现场直播。“即摄即传”可以实现设备携带方便，拍摄地点灵活，传输信息高效，为媒体和大众的视频信息采集提供便利的传输方式，可以提供广播级视频直播，图像分辨率可达标清SD和高清HD格式，非常适合于新闻媒体实时报道和高端政企客户服务等业务。该业务的主要特点和要求是对上传数据速率要求高，以及传输速率稳定，特别是高清的视频片源，需要上传速率达到4～5Mbit/s；同时要求终端体积小，即插即用，易于携带。

“即摄即传”业务的组网架构如图1-15所示。通过摄像机的采编发一体机外接LTE上网卡，拍摄高清格式内容并向服务器实时上传并进行视频直播，以测试LTE对该业务的实时流畅程度和速率情况，重点验证LTE对上行带宽要求高的“即摄即传”业务的承载能力。

图1-15 基于LTE的“即摄即传”业务

从测试情况看，在LTE网络覆盖范围内的近点和中点区域，即时拍摄1080i的高清格式内容上传给LTE网络，上行速率可达6Mbit/s，平均传输延时小于150ms。在实时播放过程中视频流畅稳定，未出现视频缓冲和图像卡的现象，说明LTE网络能有效提升了上行带宽数据传输速率，并能大大降低传输时延，提升了对上行带宽要求较高的业务的承载能力。在信号远点区域（如RSRP降到-110dBm以下），业务依然能持续，但可能会出现马赛克现象。

在世博园“宝钢大舞台浙江活动周”的互动专场上，浙江卫视采用LTE“即摄即传”业务向杭州播控中心成功实时流畅地传送了采访的视频内容，并认为其图像质量要好于卫星传送的质量。

（4）移动高清视频会议业务

移动高清视频会议业务采用了高清晰度视频、音频和交互式组件，在IP网络上创建一种独特的“面对面会话”体验。该业务的技术特点是对上下行数据传输速率要求高于5Mbit/s，且速率基本对称，同时对通信延时和抖动要求在毫秒级以内；同时相比传统的视频会议，移动高清会议最大的特点就是会议召开的地点不再局限于固定的场所，会议双方能够随时随地召开远程会议，因此该业务对移动性的支持要求是在移动环境下同样能保证很高的数据传输速率。该业务的技术实现难点在于对带宽和时延的要求很高，传统的3G网络在带宽和时延抖动方面无法满足。LTE网络大大提升了上下行数据传输带宽，同时大幅降低了传输延时，提升了对对称型数据业务的支持能力，基于LTE提供的高清视频会议业务，可以实现以往所不能想象的清晰流畅的视频和高质量语音享受。

高清视频会议业务的组网架构如图1-16所示，包括一端为固定位置以及一端为移动的组网环境。测试包含两端视频会议演示，其中一个终端（位于移动的演示车上）通过LTE终端接入网络，另一个终端（位于信息大楼）则通过有线和LTE核心网连接，实现视频会议系统的连接。该业务测试验证的重点是通过测试观察固定和移动情况下高清视频会议视频流的实时性和流畅性，即上下行的业务速率情况，以及对应的传输时延，以验证LTE系统对高清视频会议业务的承载能力提升。

图1-16 基于LTE的移动高清视频会议业务

从测试结果看，基于LTE网络的移动高清会议业务能够提供高达1080P的图像清晰度，传输1080P画质时上下行速率均可达6Mbit/s，端到端传输延时在20ms左右，时延抖动在80ms以内，丢包小于10^-3量级，且在信号近点和中点处性能指标比较稳定，相比有线网络毫不逊色，如表1-6所示。在40km/h的移动速度下在信号近点和中点，其上下行速率能稳定在4Mbit/s左右，也能够满足该性能指标要求。因此，LTE网络能有效保证视频会议业务在高带宽情况下的实时性和流畅性，为人们营造出一种“远程面对面”的会议体验。

表1-6 移动高清视频会议业务性能测试

（5）高清视频监控业务

LTE具有更高的上行带宽和更低的时延，使得视频监控图像更为清晰和流畅。高清视频监控业务的主要技术特点是对上行平均速率和传输时延要求高，而下行速率则无要求。目前3G网络上行平均速率在几百千位每秒至一兆每秒范围，因此还无法达到对高清视频监控业务稳定运行的业务要求。

安装于世博园区内基站、轮渡、公交车等处的监控摄像头以及安保人员可随身携带的摄像设备通过LTE CPE将采集到的视频图像实时上传至视频监控业务平台。世博监控中心、渡船和LTE演示车内安装的解码器或解码客户端通过LTE CPE从视频监控业务平台实时获取高清视频监控图像，并且实时在屏幕上进行播放。其中安保人员可随身携带的监控前端系统由4个部分组成，分别是摄像机、DVS编码器、LTE-CPE和电池。其中摄像机用来采集模拟视频，DVS将模拟信号编码成数字信号，LTE-CPE负责将数字信号通过LTE网络传送至业务平台，而电池能为整套系统供电约4h。LTE移动高清视频监控业务组网图如图1-17所示。

图1-17 基于LTE的移动高清视频监控业务

从测试结果看，基于LTE网络的视频监控能够提供更高分辨率的图像，图像分辨率可达标清至高清水平，单路视频监控源带宽达到2～4Mbit/s。世博期间，移动高清视频监控业务将主要为世博局提供园区公交车内、渡轮内、重要场馆的监控图像，以满足世博安防的需求。安保人员还能够随时随地采集视频监控图像，从而满足了世博局灵活的监控需求。未来这项业务将被广泛地应用于各种场景下的高清视频监控服务。

5.展望

从LTE对大容量业务的承载能力测试验证情况来看，LTE网络能很好地满足业务对下行高带宽业务、上行高带宽业务、上下行对称性高带宽业务对速率的技术指标要求，普遍能达到4Mbit/s以上的业务速率，在信号远点会有时出现马赛克、缓冲等现象，但业务仍能持续，大大优于3G网络下业务性能；同时，LTE网络能保证业务时延在几十毫秒级，大大降低业务的传输时延，满足了实时性业务对低时延特性的要求；最后，LTE在高速移动状态下，也能提供较高的上下行通信速率，对用户体验进行有效保证。通过世博会LTE网络带来的大容量、高速率移动应用与业务体验，有效地验证了LTE在移动状态下高速率业务的提供能力。

LTE在高速率大容量通信领域的特点，必将给互联网业务的应用和发展带来非常广阔的空间，将极大地推动网络、业务、终端等一大批产业链各环节的技术发展及创新，并为用户带来更加精彩绝伦的业务体验。

LTE是目前全球无线通信的技术发展方向。通过上海世博展示出的LTE高数据传输速率、高频谱效率、低延迟特性的亮点业务，为上海世博会增添了光彩，也给人们带来令人难忘的亮点。同时，有利于对LTE技术进展进行紧密跟踪，也有利于对LTE设备和终端成熟度进行验证。总之，世博LTE网络推动未来移动网络和业务的发展也具有极为深远的意义。