讲义 认识LTE网络

项目五 认识LTE网络 任务一 认识LTE网络架构

1 LTE概述

智能终端的出现与普及，为移动通信新业务发展提供了广阔市场，同时也对传统移动通信网络的业务承载能力提出了更高的要求,原CDMA制式的3G网络已不能满足日益增长的数据业务承载需求，迫切需要网络向大容量、高带宽演进（图5-1-1）。

图5-1-1 无线技术的演进

LTE是Long Term Evolution（长期演进）的缩写，即我们所谓的“3.9G”，是由3GPP（The 3rd Generation Partnership Project第三代合作伙伴计划）组织制定的通用移动通信系统技术标准的长期演进，是3G移动移动通信网络向4G演进的主流技术，2010年12月6日国际电信联盟把LTE Advanced正式定义为4G。

LTE系统引入了OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交频分复用）和MIMO（Multi-Input & Multi-Output，多输入多输出）等关键技术，显著增加了频谱效率和数据传输速率，它支持1.4MHz，3MHz，5MHz，10MHz，15MHz和20MHz等多种带宽分配，且能在全球主流2G/3G频段平滑演进，因而频谱分配更加灵活，系统容量和覆盖也显著提升。LTE系统网络架构更加扁平化简单化，减少了网络节点和系统复杂度，从而减小了系统时延，也降低了网络部署和维护成本。LTE系统支持

与其他3GPP系统互操作。因此，与其他无线技术相比，LTE具有更高的传输性能，且同时适合高速和低速移动应用场景。

LTE系统根据双工方式不同分为TDD-LTE (Time Division Duplexing)和FDD-LTE（Frequency Division Duplexing），二者技术的主要区别在于空口的物理层上。TDD系统上下行则使用相同的频段在不同的时隙上传输，具有有着较高的频谱利用率，FDD系统空口上下行采用成对的频段接收和发送数据，在频谱效率与VOIP容量方面稍有优势。

本章内容主要介绍TDD-LTE系统。

2 LTE系统的设计目标与性能优势

LTE 作为3G向4G演进的无线通信技术，具有良好的向下兼容性、完善和严格的QoS机制和自组织网络，代表移动通信技术发展的方向。系统把降低时延、提高用户传输数据速率、提高系统容量和覆盖范围作为主要目标。主要体现在以下六个方面：

（1）20MHz带宽条件下，峰值速率达到上行50Mbit/s)，下行100Mbit/s。 （2）支持1.4、3、5、10、15和20MHz带宽，灵活使用已有或新增频段；并以尽可能相似的技术支持“成对”频段和非“成对”频段，便于系统灵活部署。

（3）在有负荷的网络中，下行频谱效率达到3GPP R6 HSDPA的2~4倍，上行频谱效率达到R6 HSUPA的2~3倍。

（4）在单用户、单业务流以及小IP包条件下，用户面单向延迟小于5ms。 （5）从空闲状态到激活状态的转换时间小于100ms，从休眠状态到激活状态的转换时间小于50ms。

（6）支持低速移动和高速移动。低速(0~15km/h)下性能较好，高速(15~120km/h)下性能最优，较高速(350~500km/h)下的用户能够保持连接性。

过去几年，LTE网络建设迅速展开，截止2014年底，全球已有360张商用LTE网络，分布在124个国家和地区。我国三大运营商也在全国范围内部署了LTE网络。 3. LTE系统网络架构

LTE采用扁平化、IP化的网络架构，E-UTRAN用E-NodeB替代原有的RNC-NodeB结构，各网络节点之间的接口使用IP传输，通过IMS承载综合业务，原UTRAN的CS域业务均可由LTE网络的PS域承载（图5-1-2）。演进后的系统仅存在分组交换域。

图5-1-2 LTE网络架构

与3G网络架构相比，接入网仅包括eNodeB一种逻辑节点，网络架构中节点数量减少，网络架构更加趋于扁平化。扁平化网络架构降低了呼叫建立时延以及用户数据的传输时延，也会降低OPEX与CAPEX。

演进后的接入网E-UTRAN和演进后的核心网EPC在LTE网络架构中承担着彼此独立的功能，E-UTRAN由唯一的eNodeB功能实体组成，而EPC分别由MME和S-GW两个功能实体组成。如图5-1-3。

eNBInter Cell RRMRB ControlConnection Mobility Cont.MMERadio Admission ControlNAS SecurityeNB MeasurementConfiguration & ProvisionDynamic Resource Allocation (Scheduler)RRCPDCPS-GWRLCMACS1PHYPacket FilteringinternetE-UTRANEPCMobility AnchoringUE IP address allocationP-GWIdle State Mobility HandlingEPS Bearer Control图5-1-3 LTE系统逻辑功能结构

eNodeB（evolved NodeB），演进型基站，LTE接入网仅由eNodeB，提供到UE的E-UTRA控制面与用户面的协议终止点。eNodeB之间通过X2接口进行连接，并且在需要通信的两个不同eNodeB之间总是会存在X2接口。LTE接入网与核心网之间通过S1接口进行连接。

eNodeB具有如下功能：

（1）无线资源管理功能，包括无线承载控制、无线接入控制、连接移动性控制、UE的上下行动态资源分配（调度）；

（2）IP头压缩及用户数据流加密； （3）UE附着时的MME选择； （4）路由用户平面数据至S-GW；

（5）广播消息的组织和发送（由MME或O&M产生）； （6）寻呼消息的组织和发送（由MME产生）； （7）以移动性或调度为目的的测量及测量报告配置。

MME（Mobility Management Entity）,移动管理实体，是3GPP协议LTE接入网络的关键控制节点，它负责空闲模式的UE(User Equipment)的定位，传呼过程，包括中继，即MME负责信令处理部分（控制面）。

MME的主要功能包括：

（1）非接入层（NAS，Non-Access Stratum）信令的处理，包括安全和许可控制；

（2）分发寻呼消息至eNodeB；

（3）移动性管理涉及核心网节点之间的信令控制； （4）空闲状态移动性控制； （5）SAE承载控制；

（6）非接入层NAS信令的加密与完整性保护；

（7）PDN GW与S-GW选择，向2G/3G切换时的SGSN选择； （8）跟踪区列表管理； （9）漫游、鉴权。

S-GW(Serving Gateway),服务网关，是EPC网络的用户面接入服务网关，相当于传统SGSN的用户面功能。在传统网络中，SGSN网元既负责移动性管理、用户接入控制等信令面相关的功能，也负责用户数据的转发。基于控制与承载分离的思想，在EPC网络中对SGSN的功能进行了拆分，即信令面功能由MME网元负责，而用户数据转发的用户面功能由SGW网元接管。

S-GW的主要功能包括：

（1）终止因为寻呼产生的用户平面数据； （2）支持UE移动性的用户平面切换； （3）分组数据的路由与转发； （4）传输层分组数据的标记；

（5）运营商计费的数据统计,用户计费； （6）合法监听。

任务二 认识LTE网路的接口协议

1 无线接口协议

无线接口是指UE和接入网之间的接口，简称Uu接口，通常我们也称为空中接口。无线接口协议主要是用来建立、重配置和释放各种无线承载业务的。LTE技术中，无线接口是终端和eNB之间的接口。无线接口是一个完全开放的接口，只要遵守接口的规范，不同制造商生产的设备就能够互相通信。

无线接口协议栈主要分三层两面，三层主要包括了物理层、数据链路层和网络层，两面是指控制平面和用户平面。

数据链路层主要被分为3个子层，包括媒体接入控制（MAC）、无线链路控制（RLC）、和分组数据汇聚协议（PDCP）3个子层。

数据链路层同事位于控制平面和用户平面：在控制平面负责无线承载信令的传输、加密和完整性保护；在用户平面主要负责用户业务数据的传输和加密。网络层是指无线资源控制（RRC）层，位于接入网的控制平面，负责完成接入网和终端之间交互的所有信令处理。

图5-2-1控制平面无线接口协议栈

无线接口控制平面协议栈如图5-2-1，主要负责对无线接口的管理和控制，包括RRC协议、MAC/RLC/PDCP协议和管理层的协议。将非接入层（NAS）协议显示在这里，只是为了说明它是UE-EPC通信的一部分。

NAS控制协议实体位于终端UE和移动管理实体MME内，主要负责提供对非接入层部分的控制和管理，主要功能包括演进数据包传输系统（EPS）承载管理，鉴权，EPS

连接管理模式的空闲状态下的移动性管理，负责产生ECM-IDLE状态UE的寻呼消息，安全控制等功能。

RRC协议实体位于UE和ENB网络实体内，主要负责对接入层的控制和管理，主要功能包括广播、寻呼、RRC连接管理、无线承载控制、移动性管理以及UE测量报告和测量上报控制功能。

数据链路层的PDCP子层主要负责控制平面RRC协议数据的加解密和完整性保护功能。

数据链路层和物理层提供对RRC协议消息的数据传输功能。NAS消息可以串接在RRC消息内，也可以单独在RRC消息中携带。在切换等情况下NAS消息的丢失和重复有可能会发生，AS将提供对NAS信令在小区内的有序传输功能。

图5-2-2用户平面无线接口协议栈

用户平面无线接口协议栈如图5-2-2所示，主要为数据链路层协议（MAC、RLC、PDCP）和物理层协议。物理层为数据链路层提供数据传输功能。物理层通过传输信道为MAC子层提供相应的服务。MAC子层通过逻辑信道向RLC子层提供相应的服务。

LTE/SAE总体的协议结构如图5-2-3所示。

图5-2-3 LTE/SAE总体的协议结构。

2 S1接口与X2接口协议

与2G/3G系统相比，S1接口和X2接口是两个新增的接口。S1接口是eNB和MME之间的接口，包括控制面和用户面。X2接口是eNB间相互通信的接口，也包括控制面和用户面两部分。

S1接口

S1接口控制平面位于eNodeB和MME之间，传输网络层是利用IP传输，这点类似于用户平面；为了可靠的传输信令消息，在IP层之上添加了SCTP；应用层的信令协议为S1-AP，S1接口控制平面协议栈如图5-2-4所示。

用户平面接口位于eNodeB和S-GW之间，S1接口用户平面（S1-UP）的协议栈结构如图5-2-5所示。S1-UP的传输网络层基于IP传输，UDP/IP之上的GTP-U用来传输S-GW与eNodeB之间的用户平面PDU。

图 5-2-4 S1接口控制平面协议栈结构 图 5-2-5 S1接口用户平面协议栈结构 S1接口控制平面有如下功能：

（1）演进的业务承载业务管理功能（包括建立、修改和释放）； （2）系统连接状态下UE的移动性管理功能；

（3）S1接口管理功能（包括复位、错误指示以及过载指示等）； （4）S1接口的寻呼；

（5）S1 接口UE上下文释放功能； （6）NAS信令传输功能； （7）NAS节点选择功能； （8）网络共享功能；

（9）漫游与区域限制支持功能；

（10）初始上下文建立过程。

S1接口用户平面无线网络层协议具有如下功能：

（1）在S1接口目标节点中指示数据分组所属的SAE接入承载； （2）移动性过程中尽量减少数据的丢失； （3）错误处理机制； （4）MBMS支持功能； （5）分组丢失检测机制。 X2接口

X2接口是eNodeB之间的接口，为开放接口，支持两个eNode B之间的信令交互和PDU前转。eNodeB之间通过X2接口互相连接，形成了网状网络。X2接口支持数据和信令的直接传输，主要用于支持激活模式的手机移动，转发分组数据，也可以用于多小区的无线资源管理功能。X2接口分为控制面接口（X2-C）和用户面接口（X2-U），其协议栈结构如图5-2-6和图5-2-7。

图 5-2-6 X2-C(控制平面)协议栈结构 图 5-2-7 X2-U(用户平面)协议栈结构 X2接口主要有以下功能：

（1）对ECM-Connected状态下的UE提供LTE接入系统内的移动性支持（ 从源eNode B传送UE上下文至目标eNode B、 控制源eNode B和目标eNode B之间用户平面的传输承载、 切换取消、源eNode B中的UE上下文释放等）； （2）负载管理； （3）小区间干扰协调；

（4）X2接口管理和错误处理功能； （5）eNode B之间应用层数据交换； （6）跟踪功能。

任务三 认识LTE网路的关键技术

与3G相比较， LTE在物理层、空口高层协议和网络架构等方面做出了重要技术革新，无线座机，企业商话，无线固话，在系统容量、部署灵活性、传输时延、业务质量和网络成本等方面具备较大优势。主要体现在OFDM、MIMO、下行功率控制技术、小区干扰协调技术、分组交换调度、SON自组织网络等关键技术上。

1 OFDM

（1）OFDM基本原理

OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)，即正交频分复用技术，实际上OFDM是MCM(Multi Carrier Modulation)，多载波调制的一种。

OFDM技术由MCM（Multi-Carrier Modulation，多载波调制）发展而来。OFDM技术是多载波传输方案的实现方式之一，它的调制和解调是分别基于IFFT和FFT来实现的，是实现复杂度最低、应用最广的一种多载波传输方案。

OFDM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，调制到在每个子信道上进行传输。正交信号可以通过在接收端采用相关技术来分开，这样可以减少子信道之间的相互干扰(ISI) 。每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，因此每个子信道上可以看成平坦性衰落，从而可以消除码间串扰，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，信道均衡变得相对容易。FDMA与OFDM对比如图5-3-1。

图5-3-1 FDMA与OFDM的频谱利用率比较

与其他调制方式相比，OFDM具有频谱效率高，接收处理简单，带宽扩展灵活，易于与多天线技术结合，易于与链路自适应技术结合，易于MBMS业务的传输等优点。

OFDM的发射接收原理如图5-3-2。发射端对发送信号进行信道编码并交织，经过串并变换输出的并行数据就是要调制到子载波的数字符号，这一些数据可以堪称是位于频域上的一组数据，经过傅立叶反变换后，输出的数据是离散时间点上的数据，这

样就实现了频时转换， OFDM符号前插入CP后，进行数/模转换并上变频到发射频带上进行信号发送。接收端信号处理是发送端的逆过程。

图5-3-2 OFDM的发射接收原理

（2）LTE系统的OFDMA多址接入方式

在通信系统中，信道所能提供的带宽通常比传送一路信号所需的带宽要宽得多。如果一个信道只传送一路信号是非常浪费的，为了能够充分利用信道的带宽，就可以采用频分复用的方法。传统的FDMA多址方式中，各子载波间通过一定的频率间隔来避免载波间的干扰。与传统的FDMA相比，基于OFDM技术的进OFDMA的各子载波间通过正交复用方式避免干扰，有效地减少了载波间的保护间隔，提高了频谱利用率。

下行OFDMA方式

在3GPP LTE的标准化过程中，诺基亚、北电等公司提交了若干多址方案，如多载波（MC)-WCDMA，MC-TD-SCDMA，正交频分多址接入（OFDMA），交织频分复用（IFDMA）和基于傅立叶变换扩展的正交频分复用（DFT-S OFDM），OFDMA已成为下行链路的主流多址方案。

由于OFDMA多址接入方式具有众多的优点，在TD-LTE系统中，下行多址采用OFDMA方式。OFDMA将整个频带分割成许多子载波，通过给不同的用户分配不同的子载波，将频率选择性衰落信道转化为若干平坦衰落子信道，从而能够有效地抵抗无线移动环境中的频率选择性衰落，并且由于占用不同的子载波，用户间满足相互正交，没有小区内干扰。图5-3-3为OFDMA的主要原理图。

发端信号首先进行信道编码、交织与加扰，然后将交织后的数据作QAM调制再进行串/并转换，将数据映射到OFDM符号的各子载波上，将导频符号插入到相应子载波后，对所有子载波上的符号进行傅里叶反变换生成时域信号，然后在每个OFDM符号前插入一个循环前缀，以在多经衰落的环境下保持子载波之间的正交性。

图5-3-3 OFDMA的主要原理图

TD-LTE系统中，OFDMA将资源的最小分配单位定义为连续的12个子载波，即资源块（RB，Resource Block）。在整个传输带宽的频域上将资源划分为一系列RB，每个UE可以使用其中一个或多个RB资源承载数据。单个用户可以使用连续或离散的RB进行数据传输，不同用户通过资源的频域正交性保证不同用户之间没有多址干扰。

插入CP是将OFDM符号尾部的一段复制到OFDM符号之前，CP的长度只有长于主要多径分量的时延扩展，才能保证接收端信号的正确解调，TD-LTE系统中， CP长度为33us，子载波间隔为7.5kHz。

上行FC-FDMA多址方式

LTE系统采用了多载波多址方案替代码分多址方案，这是LTE相对3G系统的重大区别和进步。然而，多载波多址方案在避免了知识产权成本过高和提高系统容量的同时，也存在一个重大问题，即系统PAPR过高的问题。这是因为多载波系统每个载波的信息可能会在时域进行叠加，导致很高的PAPR，这一方面对信号发送端的功放提出了很高的要求，同时也牺牲了信号的发射功率。

对于下行链路，由基站发射信号，采用多载波技术后，数据速率大幅度提升，相对来说对于PAPR带来的功放成本和发射功率的牺牲还可以容忍。然而，在上行链路中，信号由用户终端发射，过高的发射功率将会降低电池的使用寿命，提高对系统功放的要求，并进一步增加终端设备的成本。

目前LTE上行方向采用FC-FDMA作为其多址方式。

SC-FDMA（Single-carrier Frequency-Division Multiple Access，单载波频分多址），因为SC-FDMA在传统的OFDMA处理过程之前有一个额外的DFT（离散傅立叶变换）处理，SC-FDMA也被叫做线性预编码OFDMA技术。SC-FDMA信号可以在时域生成，也可以在频域生成。处于和下行链路的兼容考虑，LTE选择了在频域生成 SC-FDMA技术，即DFT-S-OFDM（Discrete Fourier Transform-Spread OFDM）技术。该技术是在 OFDM的IFFT调制之前对信号进行DFT扩展，这样系统发射的是时域信号，从而可以避免OFDM系统发送频域信号带来的PAPR问题。DFT-S-OFDM是一种特殊的OFDMA系统，其多用户子载波的映射在频域上完成，它将传输带宽分为正交的子载波集合，将不同

的子载波集合分配给不同的用户，从而在多用户之间灵活的共享系统传输带宽，同时由于信号在频域的正交性，避免了系统中的用户间多址干扰。与OFDM相比，DFT-S-OFDM具有单载波的特性，因此其发送信号峰均比较低，在上行功放要求相同的情况下，可以提高上行的功率效率，降低系统对终端功耗的要求。DFT-S-OFDM原理如图5-3-4.

图5-3-4 DFT-S-OFDM原理

上行DFT-S-OFDM采用了与下行OFDM几乎一样的参数： 15kHz的子载波间隔、相同的CP长度和符号长度。

2 MIMO

MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)技术指在发射端和接收端分别使用多个发射天线和接收天线，使信号通过发射端与接收端的多个天线传送和接收，从而改善通信质量。MIMO技术利用空间中的多径因素，利用多天线收发，实现分集增益或复用增益，进而提高小区容量、扩大覆盖范围、提升数据传输速率等性能指标。MIMO技术是移动通信领域中无线传输技术的重大突破，是LTE系统的核心技术之一。

MIMO技术主要包括三种：空间分集、空间复用及波束赋形三大类。-

空间分集的主要原理是利用空间信道的弱相关性，结合时间/频率上的选择性，为信号的传递提供更多的副本，提高信号传输的可靠性，从而改善接收信号的信噪比。LTE系统中空间分集技术包括：空时/频编码、循环延迟分集、天线切换分集等。

空间复用的主要原理也是利用空间信道的弱相关性，通过在多个相互独立的空间信道上传递不同的数据流，从而提高数据传输的峰值速率。LTE系统中空间复用技术包括：开环空间复用和闭环空间复用。

波束赋形是一种应用于小间距天线阵列的多天线传输技术，其主要原理是利用空间信道的强相关性，利用波的干涉原理产生强方向性的方向图，从而提高信噪比，增加系统容量或覆盖范围。

（1）空间分集

空间分集，也称天线分集，主要是使用多根天线进行发射和/或接收，空间分集则可以提高信道的可靠性,降低信道误码率。根据收发天发射分集、接收分集和接收发射分集线数又分为发射分集、接收分集与接收发射分集。空间分集是通信中使用较多的分集形式，这里主要介绍发射分集。

发射分集，是在发射端使用多幅发射天线发射信号，通过对不同的天线发射的信号进行编码达到空间分集的目的，使接收端获得比单天线高的信噪比。发射分集本质上可以认为是将空间、时间、频率和编码等多种资源相互组合的一种多天线技术，主要有空时分组编码（Space-Time Block Coding，STBC）、空时发射分集（Space-Time Transmit Diversity，STTD）编码、空频分组编码（Space-Frequency Block Coding，SFBC）和延迟分集（Cyclic-Delay Diversity，CDD）。

多发射天线可以采用空时编码技术，STBC将调制后的符号映射到时间域或空间域，从而获得发射分集增益。

空时发射分集通过对不同的天线发射的信号进行空时编码达到时间和空间分集的目的，在发射端对数据流进行联合编码以减小由于信道衰落和噪声导致的符号错误概率，空时编码通过在发射端的联合编码增加信号的冗余度，从而使得信号在接收端获得时间和空间分集增益。可以利用额外的分集增益提高通信链路的可靠性，也可在同样可靠性下利用高阶调制提高数据率和频谱利用率。

SFBC与STBC类似，只是编码不是在空间/时间域，而是在空间/频率域上进行。因此，SFBC尤其适用于OFDM及类似关系。和空时编码类似，空频编码的不足在于其需要以一定的速率降低为代价。

目前，LTE系统支持采用SFBC的空间分集传输技术。

CDD是在不同的发射天线上发送具有不同相对延时的同一个信号, 人为地制造时间弥散，获得分集增益，循环延迟分集与延迟发射分集类似，但循环延时分集采用的是循环延时而不是线性延时，延迟是通过固定步长的移相（Cyclic Shift，循环移相）来等效实现延迟 。因此，CDD技术尤其适用于OFDM、DFT-S-OFDM等基于数据块的传输方案。

CDD技术可以方便地与空时/频编码相结合。目前LTE系统定义了大延迟CDD技术与预编码相结合使用的方案。 （2）空间复用

空间复用就是在接收端和发射端使用多副天线，充分利用空间传播中的多径 分量，在同一频带上使用多个数据通道（MIMO子信道）发射信号，从而使得容

量随着天线数量的增加而线性增加。这种信道容量的增加不需要占用额外的带宽， 也不需要消耗额外的发射功率，因此,空间分集是多个天线发送相同的数据，主要目的是抗衰落，空间复用是多个天线发送不同的数据，主要目的是提高信道容量。

目前，LTE系统支持开环和闭环两种空间复用方式。闭环空间复用就是所谓的线性预编码技术。空间复用还可用于多用户场景，也即空分多址（SDMA）。

开环空间复用的意思是不需要反馈。这是针对闭环空间复用而言的，闭环空间复用，也就是预编码是需要反馈PMI的。

用于空间复用传输的多层数据来自于多个不同的、独立进行信道编码的数据流，每个码字可以独立进行速率控制，就是基于多码字（Multiple Codeword，MCW）的空间复用传输，复用时码字数量与天线数量不一定要一致。

线性预编码技术的作用是将天线域的处理转换为波束域进行处理。在发射端，利用已知的空间信道进行预处理操作，从而进一步提高用户和系统的吞吐量。线性预编码技术可以按其预编码矩阵的获取方式划分为两大类：非码本的预编码和基于码本的预编码。

开环和闭环模式下，UE都要上报CQI和RI。CQI用于进行MCS选择以及TBS分配，RI用于进行TM模式选择和适配。而只有闭环模式下才需要上报PMI，用于进行码本的选择。 （3）波束赋形

波束赋形是一种基于天线阵列的信号预处理技术，波束赋形通过调整天线阵列中每个阵元的加权系数产生具有指向性的波束，从而能够获得明显的阵列增益。因此，波束赋形技术在扩大覆盖范围、改善边缘吞吐量以及干扰抑止等方面都有很大的优势。通过波束赋形技术的使用，使得合成后的波束强度变大，从而支持更高的数据速率。

在发射端，波束赋形器控制每一个发射装置的相位和信号幅度，从而在发射出的信号波阵中获得需要相长和相消干涉模式。在接收端，不同接收器接收到的信号被以一种恰当的方式组合起来。波束赋形的一般过程为：

首先根据系统性能指标（如误码率、误帧率）的要求确定优化准则（代价函数），一般这是权重矢量与一些参数的函数；其次采用一定的方法获得需要的参数，最后用一定的算法求解该优化准则下的最佳解，得到权重矢量的值。

目前R9版本主要分了8类MIMO，如表5-3-1，具体现网中使用哪种需要网优人员结合实际情况去设置相关的门限和条件。下面列出这8类作简单介绍。

表5-3-1 MIMO的实现方式

序号 1 2 3 4 5 6 7 8 模式 TM1 TM2 TM3 TM4 TM5 TM6 TM7 TM8 MIM形式，端口 单天线端口，端口0 发射分集 开环空分复用 闭环空分复用 多用户MIMO 闭环Rank=1预编码 波束赋形，端口5 双流波束赋形，端口7、8 功能 兼容单发射天线 提高下行信号信噪比 提高用户峰值速率 提高用户峰值速率 增加小区吞吐量 增强小区覆盖 增强小区覆盖 提高边缘用户的可靠性，提升小区中心用户的吞吐量 模式1（TM1）：单天线模式，也是集成模式，兼容单天线UE；

?模式2（TM2）：不同模式在不同天线上传输同一个数据，适用于覆盖边缘； ?模式3（TM3）：开环空分复用，无需用户反馈，不同天线传输不同的数据，相当于速率增加一倍，适用于覆盖较好趋于；

?模式4（TM4）：同上，只不过增加了用户反馈，对无线环境的变化更敏感； ?模式5（TM5）：多个天线传输给多个用户，如果用户较多且每个用户数据量不大的话可以采用，增加小区吞吐量；

?模式6（TM6）：闭环波束赋形一种，基于码本，预编码矩阵是在接收端终端获得，并反馈PMI，由于有反馈所以可以形成闭环。

?模式7（TM7）：无需码本的波束赋形，适用于TDD，由于TDD上下行是在同一频点，所以可以根据上行推断出下行，无需码本和反馈，FDD由于上下行不同频点所以不能使用。

模式8（TM8）:双流波束赋形，是在信号散射体比较充分的条件下，波束赋形技术（即单流波束赋形技术）和MIMO空间复用技术的有效结合，在TD-LTE系统中，利用TDD信道的对称性，同时传输两个赋形数据流来实现空间复用，并且能够保持传统单流波束赋形技术广覆盖、提高小区容量和减少干扰的特性，既可以提高边缘用户的可靠性，同时可有效提升小区中心用户的吞吐量，通过这一配置可以支持最多4个Rank1 UE或两个Rank2 UE的MU-MIMO。

3 其他关键技术

（1）链路自适应技术

在蜂窝移动通信系统中，一个非常重要的特征是无线信道的时变特性，其中无线信道的时变特性包括传播损耗、快衰落、慢衰落以及干扰的变化等因素带来的影响。由于无线信道的变化性，接收端接收到的信号质量也是一个随着无线信道变化的变量，如何有效利用信道的变化性，如何在有限的带宽上最大限度的提高数据传输速率，从而最大限度的提高频带利用效率，逐渐成为移动通信的研究热点。而链路自适应技术正是因为在提高数据传输速率和频谱利用率方面有很强的优势，从而成为目前和未来移动通信系统的关键技术之一。

所谓链路自适应技术，就是指系统根据当前获取的信道信息，自适应的调整系统传输参数的行为，用以克服或者适应当前信道变化带来的影响。链路自适应技术主要包含两方面的内容，一方面是信道信息的获取，准确和有效的获得当前信道环境参数，以及采用什么样的信道指示参数能够更为有效和准确的反映信道的状况；另一方面是传输参数的调整，其中包含调制方式、编码方式、冗余信息、发射功率以及时频资源等参数的调整。

（2）混合自动重传请求（HARQ）

为了克服无线移动信道时变和多径衰落对信号传输的影响，可以采用基于前向纠错（FEC）和自动重传请求（ARQ）等差错控制方法，来降低系统的误码率，确保服务质量。虽然FEC方案产生的时延较小，但存在的编码冗余却降低了系统吞吐量；ARQ在误码率不大时可以得到理想的吞吐量，但产生的时延较大，不宜于提供实时服务。为了克服两者的缺点，将这两种方法结合就产生了混合自动重传请求（HARQ）方案，即在ARQ系统中包含了一个FEC子系统，当FEC的纠错能力可以纠正这些错误时，则不需要使用ARQ；只有当FEC无法正常纠错时，才通过ARQ反馈信道请求重发错误码组。

根据重传内容的不同，目前广泛采用的HARQ合并技术有三种类型，分别为Type I HARQ、Type II HARQ和Type III HARQ 3

Type I HARQ是一种简单的ARQ和FEC的结合。在Type I HARQ方案中，发送数据块进行CRC编码后再进行FEC编码。在接收端对接收数据进行FEC译码后，CRC进行校验。如果接收数据出错，则接收端通知发送端重传，重传数据采用与前一次相同的编码，而错误的分组被丢弃。Type I HARQ方式的控制信令开销小。由于在重传中使用相同的前向纠错编码，物理层的结构以及解码都要简单一些。但是这种固定的前向纠错编码意味着固定的冗余信息，系统吞吐量不如Type II HARQ和Type III HARQ高。

Type II HARQ方案属于增量冗余（Incremental Redundancy）的HARQ方案，被称为 Full IR HARQ（FIR）。在这种HARQ中，第一次发送分组包含了全部的信息位（也可能含冗余校验位），接收端CRC校验发现有错误时，与Type I HARQ方案不同，错误分组被存在接收端的寄存器中，并向发送端发送重传控制消息；发送端重传的信息不是前一次数据的简单重复，而是不同的增量冗余信息，重传分组无法自解码，接收端将重传的增量冗余信息与寄存器中分组数据合并后再进行译码。由于增加了新的冗余位信息帮助译码，因此纠错能力增强，提高了系统性能。Type II HARQ在低信噪比的信道环境中具有很好的性能，缺点是接收端需要较大的寄存器存储数据。

Type III HARQ方案也属于增量冗余（IR）方案，与Type II HARQ相似，接收错误的数据包不会被丢弃，接收机将其存储起来与后续的重传数据合并后进行解码。根据重传的冗余版本不同，Type III HARQ又可分为两种情况：一种被称为Chase Combining（CC）方式，其特点在于重传数据与前面发送的分组数据完全相同（包含信息位和校验冗余位），只有一种冗余版本，接收端将重传数据和存储数据进行软合并后进行译码；另一种是Partial IR HARQ（PIR）方式，其每次重传包含了相同的信息位和不同的增量冗余校验位（可有多个冗余版本），接收端对重传的信息位进行软合并，并将新的校验位合并到码字后再进行译码。Type III HARQ的两种方式有着共同的特点，重传的数据包具有自解码的能力，重传的数据包与初传的数据包采用软合并的方式获得最大的译码增益。

在LTE系统的上行或者下行链路中，采用Type III HARQ（IR）和Chase合并的HARQ重传策略，即CC方式。

（3）自适应调制编码（AMC）

AMC（Adaptive Modulationand Coding）是根据信道条件的瞬时变化，自适应的调整系统的调制与编码格式（传输格式）。例如，对于靠近小区基站的用户将分配较高码率、较高阶的调制（例如64QAM，R=3/4 Turbo码）；对于靠近小区边界的用户则分配具有较低码率的较低阶调制（例如QPSK，R=1/2 Turbo码）。AMC扩展了系统自适应信道条件的能力，在FDD系统中，信道条件应给予从接收机反馈信息来估计；而在TDD系统，可根据信道的互易性，直接将上行估计结果用于下行链路。

在AMC的实现过程中，系统需要定义不同的数据传输调制编码方案（MCS，Modulation and Coding Scheme）格式，MCS格式对应于各种调制阶数和编码速率，当信道条件变化时，系统需要根据信道条件选择不同的MCS方案，以适应信道变化带来的影响。TD-LTE系统在进行AMC控制过程时，对上行和下行有着不同的实现方式。

LTE 上行方向的链路自适应技术基于基站测量的上行信道质量，直接确定具体的调制与编码方式? LTE下行方向的链路自适应技术基于UE反馈的CQI。

TD-LTE系统中定义了29种调制编码方案（MCS），其调制方式分别为QPSK、16QAM和64QAM。

（4）自组织网络技术

LTE系统提出了网络自组织（Self Organization Network，SON）方面的需求，一方面可以实现基站的自配置与自优化，降低布网成本与运营成本；另一方面还可以用于Home eNodeB等数量繁多、难于远程控制的节点类型。

SON能实现快速组网、缩短网络规划时间、简化网络维护和调整，降低对维护人员技术要求，主要体现在自配置、自动邻区规划（ANR）和切换自优化(MRO)。

自配置过程是指对新部署的节点通过自动安装过程进行配置，获得必要的基本配置信息，具体包括IP地址的分配与OAM检测、设备鉴权、与S1连接的建立、获取小区基本配置参数、完成小区的激活等基本过程、获取小区基本配置信息以及邻区列表加载等内容。

ANR功能驻存于eNB并负责管理邻区关系表(NRT)。其邻区侦测功能负责发现新邻区并添加到NRT，邻区删除功能负责清理无用邻区。

切换自优化是指系统在运行过程中，为适应无线环境的变化，通过UE和eNodeB提供的测量结果，eNodeB自适应地调整网络的运行参数。自优化过程调整的参数主要包括：邻区关系、UE与eNodeB最大发射功率、切换相关参数，如触发门限、滞后余量、天线配置等信息。

任务四 认识LTE的帧结构与信道

1 无线帧结构

TD-LTE系统的无线帧结构如图5-4-1所示，每个无线帧总长度为10ms，每个无线帧包含两个半帧，半帧长度为5ms。每个半帧包含5个子帧，长度为1ms。为了提供一致且精确的时间定义，LTE系统以

=1/30720000s作为基本时间但单位，系统中所有

时隙都是这个基本单位的整数倍。对于TDD系统，上下行载波频率相同，在时间上分开，即在每10ms内上下行总共有10个子帧可用，每个子帧或者上行或者下行。

图5-4-1 TD-LTE帧结构

TD-LTE帧结构存在多种上、下行比例配置，可以分为5ms周期和10ms周期两类，便于灵活的支持不同配比的上下行业务。在5ms周期中，子帧1和子帧6固定配置为特殊子帧；10ms周期中，子帧1固定配置为特殊子帧。每个特殊子帧由DwPTS、GP和UpPTS三个特殊时隙组成。

TDD系统与FDD系统相比，优点之一就是可以更灵活的配置具体的上下行资源比例，以更好的支持不同业务类型。TD-LTE系统支持多种时隙比例配置，具体见表5-4-1。

表5-4-1 TD-LTE上下行时隙比例配置表

配置 序号 0 1 2 3 4 5 6 切换点 周期 5ms 5ms 5ms 10ms 10ms 10ms 5ms UL:DL 3：1 2：2 1：3 3：6 2：7 1：8 5：3 0 D D D D D D D 1 S S S S S S S 2 U U U U U U U 3 U U D U U D U 子帧号 4 5 U D D D D D U D D D D D U D 6 S S S D D D S 7 U U U D D D U 8 U U D D D D U 9 U D D D D D D

对于5ms周期的帧结构，即两个半帧时隙比例一致，包括以下四种配置。 （1）配置0：1DL+DwPTS+3UL； （2）配置1：2DL+DwPTS+2UL； （3）配置2：3DL+DwPTS+1UL； （4）配置6：3DL+2*DwPTS+5UL。

对于10ms周期的帧结构，即两个半帧时隙比例不一致，包括以下三种配置。 （1）配置3：6DL+DwPTS+3UL； （2）配置4：7DL+DwPTS+2UL； （3）配置5：8DL+DwPTS+1UL； （4）配置7：保留。 LTE无线帧具有以下特点：

(1)上下行时序配置中，支持5ms和10ms的下行到上行的切换周期； (2)对于5ms的下行到上行切换周期，每个5ms的半帧中配置一个特殊子帧； (3)对于10ms的下行到上行切换点周期，在第一个5ms子帧中配置特殊子帧； (4)子帧0、5和DwPTS时隙总是用于下行数据传输。UpPTS及其相连的第一个子帧总是用于上行传输。

特殊子帧配置见图5-4-2和表5-4-2。

图5-4-2 TD-LTE特殊子帧配置

表5-4-2 特殊子帧配置

常规CP DwPTS 3 9 10 11 12 3 9 10 11 GP 10 4 3 2 1 9 3 2 1 UpPTS 1 1 1 1 1 2 2 2 22 DwPTS 3 8 9 10 3 8 9 - - 扩展CP GP 8 3 2 1 7 2 1 - - UpPTS 1 2 2 2 2 2 2 - - 特殊子 帧配置 0 1 2 3 4 5 6 7 8 2 物理资源与物理信号

（1）物理资源

LTE上下行传输使用的最小资源单位叫做资源粒子（Resource Element，RE），LTE在进行数据传输时，将上下行时频域或物理资源组成资源块（Resource Block，RB），作为物理资源单位进行调度和分配。一个RB又若干RE组成，在频域上包含12个连续的子载波，在时域上包含7个连续的OFDM符号。REG ( Resource Element Group)为控制信道资源分配的资源单位，由4个RE组成，CCE ( Channel Control Element)为PDCCH资源分配的资源单位，由9个REG组成，RBG ( Resource Block Group)为业务信道资源分配的资源单位，由一组RB组成 。如图图5-4-3所示。

图5-4-3 TD-LTE物理资源结构

（2）物理信号

物理信号对应物理层若干RE，但是不承载任何来自高层的信息，TD-LTE系统中的下行物理信号主要包括下行参考信号与同步信号。

下行参考信号主要作用是下行信道质量测量与下行信道估计（用于UE端的相干检测和解调）。R9版本包括下面四种:

小区专属参考信号（C-RS），小区专属参考信号在所有非MBSFN的下行子帧上发送。对于MBSFN子帧，只在前2个OFDM符号上发送小区专属参考信号。

MBSFN参考信号（MBSFN-RS）,MBSFN参考信号仅在MBSFN子帧发送，并在天线端口4上发送。MBSFN只支持扩展CP配置,如图5-4-4。

R4R4R4R4R4R4R4R4R4R4R4R4l?0l?5l?0even-numbered slotsR4R4R4R4R4R4l?5odd-numbered slotsAntenna port 4

图5-4-4 MBSFN参考信号（常规CP）

UE特定（UE specific-RS）的参考信号，即专用参考信号，支持PDSCH单天线端口传输，并在天线端口5上发送。高层通过信令告知UE专用导频是否存在，是否为有效的PDSCH解调参考信号，如图5-4-5。专用参考信号只在用户分配的资源上发送。

R5R5R5R5R5R5l?0l?6l?0even-numbered slotsR5R5R5R5R5R5l?6odd-numbered slotsAntenna port 5

图5-4-5 UE特定的参考信号（常规CP）

位置参考信号(P-RS)，主要用于定位。在天线端口6上传输。

LTE的同步信号采用层次化的搜索策略，分为主同步信道（PSS）和辅同步信道(SSS)，由两者共同决定系统的小区ID，同步信号所使用的序列与物理小区ID有着密切的关系。

对于FDD，主同步信道映射到时隙0和时隙10的最后一个OFDM符号上，辅同步信号映射到时隙0和时隙10的倒数第二个OFDM符号上。

TDD制式中，主同步信号映射到DwPTS中的第三个OFDM符号（如后半帧不存在DwPTS时隙，则占用时隙12的第三个OFDM符号）上的中间的72个子载波，辅同步信号映射到时隙1和时隙11的最后一个OFDM符号上的中间72个子载波上，如图5-4-6所示。

图5-4-6 TD-LTE的同步信号（常规CP）

TD-LTE系统中，上行参考信号有解调的参考信号（DMRS）和信道探测参考信号（SRS）两种。前者和数据或上行控制信令一起发送，主要用于数据的相关解调；后者由高层信令调度，主要用于信道测量，从而实现上行频率选择性调度。

上行参考信号的作用包括相干解调、上行信道的测量、功率控制、定时和波束赋形到达方向的估计。

DMRS随同PUSCH或PUCCH一起传输，在PUSCH子帧的每个时隙中，DMRS占据倒数第4个符号的位置，DMRS在PUCCH中的位置随着PUCCH传输格式的不同而不同。

一般来说，信道估计只需要针对PUSCH，PUCCH的传输带宽来进行，因此，参考信号的带宽，也就是参考信号序列的长度，应该等同于PUSCH/PUCCH中的子载波数目。也就是说，在PUSCH传输的情况下，不同的UE，在不同的子帧内，PUSCH的带宽可能不同，对应DMRS序列的长度就可能不同。在PUCCH传输的情况下，DRS序列的长度是固定的。

为了支持频率选择性调度，UE需要对较大的带宽进行探测，通常远远超过其目前传输数据的带宽。这就需要应用信道探测参考信号SRS。SRS是一种“宽带的”参考信号。多个用户的SRS可以采用分布式FDM或CDM的方式复用在一起，可以用来做上行信道质量测量，上行同步等。在UE数据传输带宽内的SRS也可以考虑用做数据解调。

3 物理信道

LTE系统的信道有3种类型：物理信道、传输信道和逻辑信道，从协议上看，物理信道是物理层的，传输信道是物理层和MAC层之间的，逻辑信道是MAC和RLC层之间的。

物理信道是信号在空中传输的承载，TD-LTE物理信道包括下行物理信道和上行物理信道两类。 下行物理信道

TD-LTE定义的下行物理信道有6类：

（1）物理广播信道（PBCH）：用于承载重要的系统信息，传输用于初始接入的参数，例如系统下行带宽、系统帧号等；

（2）物理下行共享信道（PDSCH）：用于承载下行用户信息和高层指令； （3）物理多播信道（PMCH）：用于承载多播业务/多播信息；

（4）物理控制格式指示信道（PCFICH）：用于指示每个子帧控制区域占用的符号数；

（5）物理下行控制信道（PDCCH）：用于承载下行控制信息，例如上行调度信令、下行数据传输指示、公共控制信息等。

（6）物理HARQ指示信道（PHICH）：用于承载针对上行业务是否正确接收的ACK/NACK反馈信息，和HARQ无关。

下行物理信道的基带信号处理按下述步骤进行。

（1）对在物理信道上传输的每个码字中的编码比特进行加扰； （2）对加扰后的比特进行调制，产生复值调制符号； （3）将复值调制符号映射到一个或几个传输层；

（4）对所有传输层的复值调制符号进行预编码； （5）把每个天线端口的复值调制符号映射到资源单元； （6）为每个天线端口产生复值的时域OFDM符号。 上行物理信道 上行物理信道有3种：

（1) 物理上行共享信道（PUSCH）：用于承载上行数据，包括业务数据和高层信令等；

（2)物理上行控制信道（PUCCH）：用于承载上行控制信息，主要包括CQI和ACK等；

（3) 物理随机接入信道（PRACH）：用于UE上行接入同步或上行数据到达时的资源请求。

4 传输信道

物理层通过传输信道向MAC子层或更高层提供数据传输服务，传输信道的特性由传输格式定义，描述了数据在无线接口上怎样传输，数据的特征。如防止传输错误的数据保护、信道编码类型、循环冗余校验保护等，即所谓的“传输格式”。

TD-LTE定义了BCH、PCH、DSCH、MCH、RACH、USCH共六种类型的传输信道。 广播信道（BCH），是一个下行传输信道，用于广播系统或小区特定的信息。BCH总是在整个小区内发射，并且有一个单独的传送格式。

寻呼信道（PCH），是一个下行传输信道， PCH总是在整个小区内进行发送，PCH的发射与物理层产生的寻呼指示的发射是相随的，以支持有效的睡眠模式。

下行共享信道(DL-SCH),用于传输下行用户控制信息或业务信息。DSCH与一个或几个下行DCH相随路。DSCH使用波束赋形天线在整个小区内发射，或在一部分小区内发射。

多播信道（MCH），下行信道，该信道能在整个覆盖区内传输，并具有多个小区上MBMS传输的合并处理的功能，支持半静态资源分配方式。

随机接入信道(RACH)：是一个上行传输信道，RACH总是在整个小区内进行接收。RACH的特性是带有碰撞冒险，使用开环功率控制。

上行共享信道（UL-SCH）,用于传输上行用户控制信息或业务信息。

5 逻辑信道

逻辑信道定义了传输的内容，MAC向RLC以逻辑信道的形式提供服务。逻辑信道由其承载的信息类型所定义，分为控制信道（CCH）和业务信道（TCH），前者用于传输LTE系统所必需的控制和配臵信息，后者用于传输用户数据。

LTE定义了5种类型的控制信道。

广播控制信道（BCCH），下行信道，用于传输从网络到小区中所有移动终端的系统控制信息。移动终端需要读取在BCCH上发送的系统信息，如系统带宽等。

寻呼控制信道（PCCH），下行信道，用于传输寻呼信息和改变通知消息的系统信息。

专用控制信道（DCCH），双向信道，在UE和eNB之间发送专用控制信息的点对点双向信道，该信道在RRC连接建立过程期间建立。

多播控制信道（MCCH），下行信道，用于传输请求接收MTCH信息的控制信息。 公共控制信道（CCCH），该信道包括上行和下行，当终端和网络间没有RRC连接时，终端级别控制信息的传输使用该信道。

TD-LTE系统业务信道主要有如下两种类型：

专用业务信道（DTCH），该信道为针对单个用户的点到点的业务传输信道，该信道可以是单向的，也可以是双向的。

多播业务信道（MTCH），该信道为点到多点的下行信道，UE只会使用该信道来接收MBMS业务。

6 信道映射

LTE系统的信道映射关系比UMTS简化很多，信道间的映射如图5-4-7和5-4-8。

图5-4-7 下行信道映射

图5-4-8 上行信道映射

下行信道中， PCCH和MCCH分别映射到PCH和MCH，其他逻辑信道全部映射到下行共享信道，BCCH还映射到BCH上。对传输信道与物理信道，BCH和MCH分别映射到PBCH和PMCH，PCH和DL-SCH都映射到PDSCH上。

上行信道中，逻辑信道全部映射到UL-SCH进行传输，RACH映射到RPACH，UL-SCH映射到PUSCH。

7 LTE-Advanced与5G

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