1、LTE轻松进阶笔记第一篇LTE技术目标：（1） 带宽灵活配置：支持1.4MHz、3 MHz、5 MHz、10 MHz、15 MHz、20 MHz的带宽。（2） 峰值速率更高：下行100Mbps，上行50Mbps。（3） 时延更小：控制面小于100ms，用户面小于5ms。（4） 支持高速：速度大于350km/h的用户支持最少100kbps的业务接入。（5） 简化结构：取消电路（CS）域，取消无线网络控制（RNC）节点。LTE设计目标：（1） 覆盖：5km内满足LTE相关协议定义的吞吐率、频谱效率及移动性需求；30km内允许用户吞吐率轻微下降，频谱效率可明显下降；100km不排除支持。（2） 容量
2、：5MHz带宽内支持200个激活用户；5MHz-20MHz内支持400个激活用户。（3） 吞吐率及频谱效率：20MHz带宽时，下行峰值数据速率达到100Mbps；上行峰值数据速率达到50Mbps。LTE在MIMO2*2配置下，下行小区边缘用户吞吐率是R6 HSDPA的3-4倍，平均用户吞吐率是R6 HSDPA的3-4倍，LTE的频谱效率是R6 HSDPA的3-4倍；上行小区边缘用户吞吐率是R6 HSDPA的2-3倍，平均用户吞吐率是R6 HSDPA的2-3倍，频谱效率是R6 HSDPA的2-3倍。（4） 时延：无线接入王UE到eNodeB用户面的延迟时间低于10ms，控制面延迟时间低于100m
3、s。（5） 移动性：15km/h以内保持最优业务性能；15-120km/h以内有较高业务性能；120-150km/h内提供与3GPP R6质量相当或更优的业务。（6） 业务支持无线传输技术：复用（Multiplexing）技术：在同一个传输路径上传送多路独立的信号，即不同的信号，共同的通道。在发送端，将多个独立信号合成一个多路信号，叫做复用；在接收端，将多路信号分解成各个独立信号的过程叫解复用。时分复用，码分复用，空分复用。分集（Diversity）技术：多路彼此独立的传输路径上传送同一信号，即相同的信号，独立的通道。通过分集技术，同一信号在彼此独立的不同路径上传送，经历不同的衰落；在接收端把
4、不同路径来的信号合并起来，可以获得分集增益，提高信号接收的正确性。频率分集，时间分集，空间分集，角度分集，极化分集。复用（Division Multiplexing，DM） -只区别不同的数据流，不区别数据流是哪个用户的 共同点是在某一共同资源上传送多个数据流多址（Division Multiple Access，DMA）-区别不同用户在无线通信里，复用技术是为了提高无线信道的容量；分集技术是为了提高信息传送的可靠性；多址技术是为了把信息传送给正确的人。自适应（Self-Adaptive）：系统自身能够根据环境、目标、资源供给等条件的变化，调节自己的状态，无须人为参与。三个关键点：自身、适应、
5、变化。无线链路自适应常通过功率控制或者速率控制来实现。无论是功率控制还是速率控制，都是一种信道自适应技术。功率自适应：功率控制是发射端根据无线链路的接收电平、接收质量动态地调整发射功率的技术。功率控制分为开环功控终端或基站自己根据无线链路的状况判断功率发射的大小，而不交互升高和降低功率的命令。“我的地盘我做主” 闭环功控终端或基站根据对方升高和降低功率的命令，来决定发射功率的大小。“为马首是瞻”。速率自适应：速率控制是系统通过调节业务速率的方式，来自适应无线环境的链路自适应技术。最基本的速率控制手段为调制和编码方式。靠近基站的用户，其无线环境良好，接收到的无线信号功率强，链路质量较高，一般采用
6、高阶调制方式（16QAM和8PSK）和高效率信道编码（3/4编码速率），可获得较高的数据业务吞吐率。远离基站的用户，其无线环境较差，接收到的无线信号功率低，链路质量很低，一般采用低阶调制方式（QPSK）和低效率的信道编码（1/4编码速率），可获得的数据业务吞吐率较低。电路交换域（CS域）：在连接建立时核心网要分配专用的网络资源，在释放连接时，释放专用资源。保证了业务的实时性，但资源利用效率不高。分组交换域（PS域）：以分组（Packet）为单位进行传输和交换的，无须在信息交互的双方建立专用的链接，无须为某一个业务分配专用的资源。提高了资源的共享性，但牺牲了业务的实时性。LTE的核心网将取消CS
7、域，全部采用PS域。共享信道（Shared Channel，SCH）：可以由多个用户的信息共同占用。专用信道（Dedicated Channel，DCH）：在一定时间内仅由单个用户的信息占用。无线资源配置：基于竞争的分配方式：网络中无须专门的资源调度设备。每一个用户在占用网络资源发送数据之前，需要自己了解网络资源，发现网络资源空闲的时候，就占用该资源。假若有多个用户同时要发送数据，而且同时发现了网络资源有空闲，则需要通过竞争的方式获取网络资源。无须设备之间频繁的信令交互，设备管理功能简单，资源利用充分，但资源利用效率不高，容易产生过多冲突。基于调度的分配方式：网络中需要进行无线资源管理（RRM
8、）和调度，每一个用户对网络资源的占用需要由相关部门分配。可以有效地分配网络资源，最大程度提高网络资源利用效率，避免由于竞争冲突造成的网络资源浪费，但需要频繁的信令交互，对无线资源调度部门的处理能力要求较高。在2G、3G无线制式中，无线资源管理模块在基站控制器（GSMBSC，WCDMA&TD-SCDMA-RNC）；在LTE中，无线资源管理模块下移到基站（eNodeB）中。无线资源的调度算法决定共享资源应该分配给哪些用户。轮询（Round Robin，RR）算法：“先到先分配”，按照用户申请资源的先后顺序分配网络资源。公平对待每一个用户，但整体资源调度效率较低，具有公平性的上界，算法性能的下界。最
9、大载干比（Max C/I）算法：把资源优先分配给那些信号质量较好的用户。整体资源调度效率较高，但有些质量差的用户可能始终得不到服务。具有算法性能的上界，公平性的下界。部分公平（Partional Fair，PF）算法：在牺牲部分公平性的情况下，尽量追求较高的整网资源调度效率。业务面（用户面）：负责传送和处理用户业务数据的工作。控制面：负责传送和处理系统控制协调信令的工作。无线信道：业务信道（Traffic Channel，TCH）：无线制式中真正传送业务数据的信道。 控制信道（Control Channel，CCH）：无线制式中指导业务信道给谁传送、如何传送（传送格式）、何时传送、是否正确等内
10、容的信道。 资源布置的方式：集中和分布（分散）。无线通信的物理资源分配的方式：集中式物理资源分配方式：给一个用户某一时间分配物理上连续的资源，或者是集中在一起的资源。调度简单，但不灵活。分布式物理资源分配方式：在某一段时间内给用户分配的物理资源分散在不同的地方，不是连续的资源。可以灵活分配资源，但调度信令较复杂。LTE的核心网EPC主要由MME（Mobility Management Entity，移动性管理实体），SGW（Serving Gateway，服务网关）和PGW（Packet Data Node Gateway，PDN网关或分组数据节点网关）组成。多个EPC的集合可称为EPS（Ev
11、olved Packet System，演进的分组交换系统）。EPC的演进：（1） 将CS域业务承载在PS域。（2） 全网IP化。（3） LTE/SAE在核心网的演进过程中实现了用户面和控制面的分离。eNodeB功能：承担基层用户的服务和资源管理功能，即除提供和管辖区域内的用户的空中接口功能外，还提供一些资源管理功能，接入控制、承载控制、移动性管理等功能。MME功能：寻呼、切换、漫游、鉴权，对NAS（Non-Access Stratum，非接入层）信令的加密和完整性保护，对AS（Access Stratum，接入层）安全性控制、空闲状态移动性控制等。其中NAS信令是指UE和核心网EPC直接联系
12、使用的，它是接入网eNodeB不作分析，也不直接使用的信令；AS信令是接入网eUTRAN分析并使用的信令。SGW（服务网关）是EPC和eUTRAN的一个边界网关，功能：LTE系统内的分组数据路由及转发、合法监听、计费。PGW（PDN网关）是和运营商外部或者内部的分组网络连接的网关，是左右3GPP系统或非3GPP系统分组网络的统一出口。功能：分组包深度检查、分组数据过滤及筛选、转发、路由选择等；负责UE的IP地址分配，速率限制、上/下行业务级计费等功能。接口：不同网元之间的信息交互方式。无线通信制式的接口根据物理位置不同，分为空中接口-空中接口协议 地面接口-地面接口协议LTE空中接口是UE和e
13、NodeB的LTE-Uu接口，LTE无线侧的地面接口主要是eNodeB之间的X2接口及eNodeB和EPC之间的S1接口。无线制式的接口协议分层：层一L1-物理层（Physical Layer，PHY）、层二L2-数据链路层（Data Liink Layer，DLL）、层三L3-网络层（Nerwork Layer，NL）。层一功能：提供两个物理实体间的可靠比特流的传送，适配传输媒介。在无线的空中接口中，适配的是无线环境；在地面接口中，适配的是E1、网线、光纤等传输媒介。层二功能：信道复用和解复用、数据格式的封装、数据包调度等。完成的主要功能是具有个性的业务数据向没有个性的通用数据帧的转换。层三
14、功能：寻址、路由选择、连接的建立和控制、资源的配置策略等。eUTRAN为了灵活承载业务、简化网络结构、缩短处理时延。eUTRAN接口协议栈的以下功能从层三转移到层二：（1） 动态资源管理和QoS保证功能转移到MAC层。（2） DTX（不连续发射）/DRX（不连续接收）控制转移到MAC层。（3） 业务量测量和上报由MAC层负责。（4） 将控制平面的安全性（加密）和完整性保护转移到PDCP。接口协议从信息处理的类型不同，可以分为用户面协议和控制面协议。用户面负责业务数据的传送和处理，控制面负责协调和控制信令的传送和处理。用户面和控制面都是逻辑上的概念。在物理层，不区分用户面和控制面；在层二，数据处
15、理功能开始区分用户面和控制面；在层三，用户面和控制面则由不同的功能实体完成。在无线侧，用户面和控制面还在一个物理实体eNodeB上，而在核心网侧，用户面和控制面则完全实现了物理上的分离，分别安排在不同的物理实体上。LTE空中接口和UMTS空中接口都是三层两面的结构，二者主要区别：PDCP（Packet Data Convergence Protocol，分组数据汇聚协议）和BMC（Broadcast Multicast Control，广播组播控制）功能。在UMTS架构中，由于并没有完全实现分组化，控制面信令并不通过PDCP处理；用户面的数据也分CS域、PS域，只有PS域的数据才通过PDCP处
16、理。在LTE架构中，没有CS域，包括控制面信令在内的一切数据流要通过PDCP处理。在UMTS中，有BMC实体，而LTE取消了这一功能实体，由MBMS（Multimedia Broadcast Multicast Service，多媒体广播多播业务）功能代替。层二功能模块：用户面的层二协议模块包括：MAC（Medium Access Control，媒质接入控制）、RLC（Radio Link Control，无线链路控制）、PDCP（Packet Data Convergence Protocol，包数据汇聚协议）。用户面的主要功能：处理业务数据流。在发送端，将承载高层业务应用的IP数据流，经
17、过头压缩（PDCP）、加密（PDCP）、分段（RLC）、复用（MAC）、调度等过程变成物理层可处理的传输块；在接收端，将物理层接收到的比特数据流，按调度要求，解复用（MAC）、级联（RLC）、解密（PDCP）、解压缩（PDCP），成为高层应用可以识别的数据流。控制面层二功能模块与用户面一样，其中MAC和RLC层的功能跟用户面一样，而PDCP层除对控制信令进行加密和解密的操作之外，还要对控制信令数据进行完整性保护和完整性验证。层三功能模块：空中接口控制面层三有两个功能模块：RRC（Radio Resource Control，无线资源控制）和NAS（Non Access Stratum，非接入层
18、）。UE和eNodeB之间的控制信令主要是无线资源控制（RRC）消息。RRC模块功能：系统消息的广播、寻呼、RRC连接管理，无线资源控制，移动性管理（包括UE测量控制和测量报告的准备和上报，LTE系统内与LTE和其他无线系统间的切换）。RRC状态：空闲状态（RRC_IDLE）和连接状态（RRC_CONNECTED）。UE处于空闲状态时，接收到的系统信息有小区选择或重选的配置参数、邻小区信息；UE处于连接状态时，接收到的是公共信道配置信息。寻呼（Paging）消息是eUTRAN用来寻找或通知一个或多个UE，主要携带的内容：拟寻呼UE的标识、发起寻呼的核心网标识、系统消息是否有改变的指示。UE划分
19、成多个寻呼组，在空闲状态时并不是始终检测是否有呼叫进入，而是采用非连续接收（DRX）的方式，只在特定的时刻接收寻呼信息。这样可避免寻呼消息过多，减少手机功率消耗。无线资源管理包括RRC信令（SRB）连接的增加和释放、用户数据承载（DRB）的增加和释放、MAC调度机制的配置、物理信道的重配置等。移动性管理包括小区间的切换和重选、跨系统的切换和重选、UE的测量及对测量报告的控制。RRC根据测量结果来判断是否启动切换和重选，是启动小区间的切换和重选还是启动系统间的切换和重选。NAS信令是指UE和MME之间交互的信令，eNodeB只负责NAS信令透明传输，不做解释、不做分析。NAS信令主要承载SAE控
20、制信息、移动性管理信息、安全机制配置和控制等。地面接口是网络侧网元之间的信息沟通渠道。在LTE无线接入网侧包括：同级接口（基站间的接口）和上下级接口（基站与核心网的接口）。同级接口X2X2接口为用户面提供了业务数据的基于IP传输的不可靠链接，而为控制面提供了信令传送的基于IP传输的可考链接。X2接口的用户面是在切换时eNodeB之间转发业务数据的接口，是IP化的接口。在UDP/IP上利用GTP-U（GPRS用户平面隧道协议）来传送用户分组数据单元。X2接口的控制面也是基于IP传输的。它利用SCTP（流控制传输协议）为IP分组交换网提供可靠的信令传输。X2接口控制面支持在LTE系统内，UE在连接
21、状态下从一个eNodeB切换到另一个eNodeB的移动性管理；还负责X2连接的建立、复位、eNodeB配置更新等接口管理工作。上下级接口S1S1用户面接口位于eNodeB和SGW之间。是建立在IP传输之上，用GTP-U协议来携带用户面的PDU。不是面向连接的可靠传输。S1控制面接口位于eNodeB和MME之间。是建立在IP传输基础之上的，为了支持可靠的信令传输，在IP层上添加了SCTP。S1控制面建立与核心网的承载连接，即SAE承载管理功能，包括：SAE承载建立、修改和释放。 S1移动性管理不仅包括LTE系统内的切换，还包括系统间切换。S1接口还支持寻呼功能、NAS信令的传输功能、S1接口的管
22、理功能等。X2接口的控制面没有系统间切换的功能，只是LTE系统内的移动性管理。第二篇OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing），是一种正交频分复用技术，由多载波技术MCM发展而来。OFDM既属于调制技术，也属于复用技术。OFDM本质上是一个频分复用系统（Frequency Division Multiplexing，FDM）。OFDM虽然也是一种FDM，但它克服了传统的FDM频率利用效率低的缺点，接收端也无须使用滤波器区分子载波。OFDM就是利用相互正交的子载波来实现多载波通信的技术。经过基带多个频点的子载波调制的多路信息，在频域中，是频谱
23、相互交叠的子载波。由于这些子载波相互正交，原则上彼此携带的信息互不影响。在接收端，通过相应的射频解调和基带解调过程，可以恢复出原始的多路方波信号。OFDM实现强相关的功能模块：（1）串/并、并/串转换模块；（2）FFT、逆FFT转换模块；（3）加CP、去CP模块。并行传输：无线信号在空中传播，对信号传播影响较大的是多径效应。多径效应是指无线电波经过一点发射出去，经过直射、绕射、反射等多种路径到达接收端的时间和信号强度是不同的。到达时间不同，成为多径时延或时间色散。到达的信号强度不同，称为选择性衰落。由于路径不同造成的衰落称为空间选择性衰落；而在宽带传输系统中，不同频率在空间中的衰落特性是不一样
24、的，称为频率选择性衰落。多径时延可以引起符号间干扰，增大了系统的自干扰。并行传输技术可以降低符号间干扰，简化接收机信道均衡操作，便于MIMO技术的引入。FFT：OFDM系统在调制时，使用IFFT；在解调时，使用FFT。加入CP：由于多径时延的问题，导致OFDM符号到达接收端可能带来符号间干扰（ISI）；同样由于多径时延问题，使不同子载波到达接收端后，不再保持绝对的正交性，为此引入了多载波间干扰（Inter Carrier Interference，ICI）。在OFDM中，使用的保护间隔是CP（Cyclic Prefix，循环前缀）。循环前缀就是将每个OFDM符号的尾部一段复制到符号之前，增加了
25、冗余符号信息，更有利于克服干扰。CP作用：（1）CP作为保护间隔，大大减少了ISI；（2）CP可以保证信道间的正交性，大大减少了ICI。LTE的多址接入技术上、下行有别：下行主要是OFDMA技术，上行主要是SC-FDMA。OFDM多址接入的资源具有时间和频率两个维度，这两个维度的大小决定了用户接入资源占用的多少。LTE在下行方向上（基站到终端）使用的多址方式是OFDMA。OFDMA多址方式能够满足LTE带宽灵活配置和峰值速率的需求。OFDMA的主要思想是从时域和频域两个维度将系统的无线资源划分成资源块（Resource Block，RB）（资源调度的最小单位），每个用户占用其中一个或多个资源块
26、。从频域的角度说，无线资源块包括多个子载波；从时域上说，无线资源块包括多个OFDM符号周期。即OFDMA本质上是TDMA+FDMA的多址方式。LTE的空中接口资源分配的基本单位是物理资源块（Physical Resource Block，PRB）。1个物力资源块PRB在频域上包括12个连续的子载波，在时域上包括7个连续的常规OFDM符号周期。LTE的一个物理资源块PRB对应的带宽为180KHZ、时长为0.5ms的无线资源。7个连续的常规OFDM符号周期的时间长度 = 0.5ms =1个常规OFDM符号周期=71.4s一个常规OFDM符号周期 + 一个子载波 = 1个资源单位 RE（Resour
27、ce Element） = 1个RB = 84个RE每一个资源单位RE都可以根据无线环境选择QPSK、16QAM或64QAM的调制方式。调制方式为QPSK时，一个RE可携带2bit的信息；调制方式为16QAM时，一个RE可携带4bit的信息；调制方式为64QAM时，一个RE可携带6bit的信息。在同一个时隙里，不同的子载波上，可以支持多个用户接入；同样的子载波，在不同的时隙里，可以服务不同的用户。SC-FDMA（SingleCarrier Frequency Division MultipleAccess，单载波频分多址）兼有单载波传输技术峰均比低和频分多址技术频谱利用率高的优点。LTE选用的
28、是在频域中进行扩展的技术：DFT-S-OFDM（Discreter Fourier Transform Spread OFDM，离散傅立叶变换扩展OFDM）。对于每个终端来说，在上行方向上，它的DFT模块处理的是单载波的信号，而这个单载波对于网络侧来说只是系统带宽的一部分，系统带宽可以支持多个带宽可变的单载波终端的上行接入。DFT-S-OFDM可以灵活地支持集中式FDMA和分布式FDMA两种频谱资源的分配方式。集中式（Localized）频率分配，即一个用户的DFT输出映射到连续的子载波上。可获取两种增益：调度增益（连续子载波调度给一个用户比离散子载波调度给一个用户的信令交互简单一些）、多用户
29、增益（不同的用户通过各自的选择去传输性能较优的子载波）。分布式（Distributed）频率分配，即一个用户DFT的输出映射到离散的子载波上。分布式可获的额外的频率分集增益，但对频偏较敏感。物理资源块PRB是时域和频域两个维度确定的空中接口资源。实际系统分配的时候，并不直接指定PRB，而指定虚拟资源块（Vitual Resource Block，VRB）。VRB定义了资源的分配方式，其大小和PRB一样，1个时隙（0.5ms）OFDM对时间和频率同步要求严格。时间失步，会导致符号间干扰（ISI）；频率失步，会导致载波间干扰（ICI）。LTE标准支持两种双工模式：频分双工（Frequency Di
30、vision Duplexing，FDD）和时分双工（Time Division Duplexing，TDD）。LTE定义了两种帧结构：FDD帧结构（Frame structure type1）和TDD帧结构（Frame structure type2）。LTE FDD和LTE TDD帧结构设计的差别主要的不同集中在物理层（PHY）的实现上。FDD：共同的时间，不同的频率。FDD在两个分离的、对称的频率信道上分别进行接收和发送。FDD必须采用成对的频率区分上行（UL，Uplink）、下行（DL，Downlink）链路，上、下行频率间须有保护频段。FDD的上、下行在时间上是连续的，可以同时接收和
31、发送数据。TDD：共同的频率、不同的时间。TDD的接收和发送是使用同一频率的不同时隙来区分上、下行信道，在时间上是不连续的。一个时间段由移动台发送给基站（UL），另一个时间段由基站发送给移动台（DL）。基站和移动台之间对时间同步的要求比较苛刻。FDD帧结构LTE FDD类型的无线帧长为10ms，每帧含10个子帧、20个时隙。每个子帧有两个时隙，每个时隙为0.5ms，每个时隙又分为若干个资源块（PRB），每个PRB含有多个子载波。一般调度周期TTI设为一个子帧的长度（1ms），包括两个资源块RB的时间长度。因此，一个调度周期内，资源块RB都是成对出现的。半双工（Half Duplex）技术是指上
32、、下行两个方向的数据传输可以在一个传输通道上进行，但是不能同时进行；全双工（Full Duplex）技术是上、下行两个方向的数据传输，不但可以在一个传输信道上进行，而且可以同时进行。一个常规时隙包含7个连续的OFDM符号（Symbol）。为了克服符号间干扰（ISI），需加入CP。CP的长度与覆盖半径有关，要求的覆盖范围越大，CP长度就越长；但过长的CP配置会导致系统开销过大。TDD帧结构每个10ms帧由10个1ms的子帧组成，每个子帧包含2个0.5ms的时隙。LTE的TDD帧结构与FDD不同点：（1） 存在特殊子帧，由DwPTS、GP以及UpPTS构成，总长度为1ms（2） 存在上、下行转换点TD-LTE和传统的TD-SCDMA的TDD帧结构相比，相同点：（1） 每帧长度是
