目的：从历史角度分析出LTE需求和关键技术特性。
方法：从回顾UMTS和GSM架构和介绍这两种系统使用的技术术语开始，讨论导致LTE发展的问题、展示UMTS怎样演进到LTE和LTE-A。
1.1 UMTS和GSM架构回顾
1.1.1 high level architecture
LTE由3GPP（Third Generation Partnership Project）组织设计，全称为3GPP Long Term Evolution。LTE由早期的3GPP系统UMTS（Universal Mobile Telecommunication System）演进而来，而UMTS由GSM（Global System for Mobile Communications）演进而来。首先通过回顾UMTS和GSM的架构、技术术语来引入LTE。
A mobile phone network官方称为PLMN（public land mobile network），且由网络运营商管理。UMTS和GSM共享公共的网络架构，如图1.1所示。
架构存在3个主要部件：核心网core network、无线接入网radio access network和移动电话mobile phone。
核心网包含2个域：CS（circuit switched）域，它与PSTN（public switched telephone network）进行话音通信；PS（packet switched）域，它与PDNs（packet data networks）进行数据通信。
无线接入网处理核心网与用户间的无线通信。针对不同系统，分为GERAN（GSM
EDGE radio access network）和UTRAN（UMTS terrestrial radio access network）。在GSM和UMTS中使用不同的无线接入技术，但在核心网是相同的。
用户设备官方称为UE（user equipment），通俗称为mobile。它与无线接入网通过空中接口（air interface）通信，也称为radio interface。从网络到UE方向称为DL（downlink）或forward link，而从UE到网络方向称为UL（uplink）或reverse link。
UE可通过漫游（roaming）在不同的网络中访问。
1.1.2 architecture of radio access network
图1.2为UMTS的radio access network。
最重要的部件是基站（base station，BS），在UMTS中称为Node B。Node B具有一个或多个天线，每个天线对应一个扇区，典型的BS由3个天线构成。
cell具有不同含义：在欧洲，每个cell对应一个扇区；在USA，它意味着一个BS控制的一组扇区。在本书中，均采用欧洲含义用法。
每个cell具有有限大小、有限容量。分为Macrocells、microcells、picocells、femtocells。
在空中接口上，每个UE和BS在一个特定无线频率上传输，称为carrier frequency。在carrier frequency周围，它占据一定宽度的频谱，称为bandwidth。
空中接口隔离来自不同mobiles到同一BS的传输，确保它们不干扰。UMTS通过FDD、TDD两种方式实现。
空中接口也隔离不同BS和不同mobiles的干扰，在第3、第4章实现。
当UE从一个cell到另一个cell时，它必须停止和前一个cell通信且开始和后一个cell开始通信，依据不同情况，使用2种不同技术实现：handover（握手）和cell reselection（小区重选择）。在UMTS中，UE可和多个cell通信，这个状态称为soft handover。
BS由称为RNCs（radio network controls）的设备组织在一起。它有2个作用：在BS和核心网之间传递用户的话音和数据业务、依据信令消息控制用户的无线通信。
GSM的radio access network有类似设计，BS称为BTS（base transceiver station），控制器称为BSC（base station controler）。
1.1.3 architecture of core network
图1.3为核心网（core network， CN）的内部架构。
在CS域，MGWs（media gateways）从网络的一个部分route phone calls到另一个部分，而MSC（mobile switching centre）servers处理建立、管理和销毁phone calls的信令消息。分别进行业务和信令处理功能。
在PS域，GGSNs（GPRS support nodes）作为外部世界的服务器和PDN的接口。SGSNs（Serving GPRS support nodes）在BS和GGSN之间route数据，并且处理建立、管理和销毁数据流的信令消息。
HSS（home subscriber server）是一个中心数据库，包含所有网络的用户且在两个域之间共享。它融合了早期的HLR（home location register）和AuC（authentication centre）的功能。
1.1.4 communication protocols（通信协议）
与其它通信系统类似，GSM和UMTS使用硬件和软件协议。最好的方式是通过Internet使用的协议示例。这些协议由IETF（Internet Engineering Task Force）设计，并分成层（layers），每一层处理发送和接收的一个方面。通常组成七层OSI协议。
如图1.4所示，假定web server发送数据给用户browser。第一步，application layer protocol，这里为HTTP，接收来自服务器应用软件的信息，以一种用户的应用层最终能理解的方式向下传给下一层。其它应用层协议包括SMTP、FTP等。
transport layer管理端到端的数据传输。有2个主要协议：TCP和UDP。
network layer，IP协议从源到目的使用目的设备的IP地址以正确的路径发送包。这个过程由中间路由器处理，它通过应用协议最底下三层检查目的IP地址。data link layer管理包从一个设备到另一个设备的传输。最后，physical layer处理实际传输的细节。Internet可以使用任何合适的协议用于最下两层，如Ethernet。
在发送机协议栈的每一层上，一个协议收到该层上面的以service data unit（SDU，服务数据单元）到达的数据包，它处理这个包，添加上描述本层处理的头部，以protocol data unit（PDU，协议数据单元）的形式发出。到达下层后，本层输出的PDU称为下层到达的SDU。接收机将反向处理，去掉本层头部，将剩余的向上送出。
这些协议处理细节在UMTS和GSM中详细描述，我们将直接描述第2章的LTE协议。
1.2 移动通信系统历史
1.2.1 from 1G to 3G
这里只是大致描述发展过程，对于详细历史，请另行参阅。
1G系统使用模拟通信技术。
2G系统第一次使用数字技术，最重要的2G系统为GSM（ Global System for Mobile Communications ）。另一个是IS-95，也称为cdmaOne。
2G通信系统的成功同时也使得internet发展。网络运营商将这两种技术结合使得用户能够下载数据到移动设备上。为了这样做，2.5G系统通过引入核心网的分组交换域并且修改空中接口，使得它能处理话音和数据。GPRS将这些技术引入GSM，而IS95发展到IS95B。
为了提高数据率，设计者使用EDGE（Enhanced Data Rates for GSM Evolution）提高2G系统性能，之后在2000年之后引入更高性能的3G系统。3G系统使用不同于2G系统的发送和接收技术。
1.2.2 3G系统
世界的主流3G系统为UMTS（Universal Mobile Telecommunication System）。UMTS由GSM发展而来，通过完全改变空中接口，而几乎对核心网未改变。这个系统通过引入3.5G技术HSDPA（high speed downlink packet access）和HSUPA（high speed uplink packet access），合起来称为HSPA（high speed packet access），来增强数据应用。
UMTS空中接口有2个轻微应用区别。WCDMA（Wideband code division multiple access）是最初规范版本，也是世界上应用最广的。TD-SCDMA（Time division synchronous code division multiple access）是WCDMA的衍生版本，由中国开发，目的是减少对西方技术和西方公司的国家依赖。
WCDMA和TD-SCDMA有两个主要技术区别：1、WCDMA使用FDD划分BS和用户的传输，而TD-SCDMA使用TDD。2、WCDMA使用5MHz的带宽，而TD-SCDMA使用1.6MHz。
cdma2000由IS-95发展而来，主要用于北美。
UMTS和cdma2000的空中接口主要有3个技术区别：1、cdma2000使用1.25MHz带宽；2、cdma2000能够后向兼容IS-95，即IS-95手机可以与cdma2000基站通信，但UMTS不能后向兼容GSM；3、cdma2000隔离话音和数据到不同的载波频率上，UMTS允许它们可以共享同一载波频率。
最后的3G技术为WiMAX（Worldwide Interoperability for Microwave Access）由IEEE下的IEEE 802.16标准开发。最初规范为IEEE 802.16-2001，之后的版本为fixed WiMAX（IEEE 802.16-2004），支持在固定BS和一些UE之间的点对多点通信；在之后为mobile WiMAX（IEEE 802.16e），允许UE移动且能够与BS握手。
1.3 LTE需求
（1）移动数据的增长
（2）移动通信系统的容量
C = Blog2（1+SINR）
（3）系统容量的增加：更小的小区、带宽增加、提高通信技术，提高SINR。
（4）其它推动
首先，2G和3G运营商要维护两个核心网：话音CS域和数据PS域。网络不是太拥挤时，可用VoIP传输话音，即运营商想所有都迁移到PS域。其次，想要减少网络的端到端时延。第三，对于UMTS和GSM的规范越来越复杂，系统升级维护越来越困难。
1.4 从UMTS到LTE
1.4.1 The high level architecture of LTE
图1.8为从UMTS演进的架构。在新架构上，EPC（evolved packet core）直接替换为GSM和UMTS的PS域，它使用分组交换技术将所有信息类型传递到用户，话音通过VoIP。
E-UTRAN（evolved UMTS terrestrial radio access network）处理EPC和UE的无线通信，它是UTRAN的直接替换。UE仍然称为user equipment，尽管它的内部操作与之前很大不同。
新架构被两个3GPP工作组的一部分设计，即SAE（system architecture evolution）处理核心网，LTE（long term evolution）覆盖无线接入网、空中接口和UE。官方上整个系统称为EPS（evolved packet system），现在LTE已经称为整个系统的代名词，我们将用LTE来说明整个系统。
1.4.2 Long Term Evolution
规范需求最终导致LTE空中接口的细节设计，这将在第3-10章讲述。表1-1描述了与WCDMA的关键技术区别：
1.4.3 System Architecture Evolution
EPC使用IP路由包，支持IPV4/IPV6或混合设备；EPC提供用户对外部世界的always-on连接。
EPC设计为数据管道，仅仅给用户传输或接收用户数据，它不关心任何信息中心或应用。因此，话音应用不是LTE的一部分，话音呼叫由外部实体IMS（IP multimedia subsystem）控制。不像Internet，EPC包含指定和控制数据率、时延、误码率等的机制。
表1-2和1-3描述了RAN（radio access network）和EPC的关键特性，这将在第2章和第11-15章描述。
