LTE 基本原理 Version 1.1 C&Wi售前网络规划部 2018/9/17

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1 LTE 基本原理 Version 1.1 C&Wi售前网络规划部 2018/9/17
HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.

2 目 标 了解LTE产生的背景及网络架构 掌握LTE物理层和层2的基本原理 了解LTE空口关键技术 Page 2

3 内 容 Charter 1 LTE背景介绍 Charter 2 LTE网络架构及协议栈介绍 Charter 3 LTE物理层结构介绍
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4 内 容 Charter 1 LTE背景介绍 1.1 LTE的概念和设计目标 1.2 LTE的标准化进程 1.3 SAE简介
1.4 SON简介 1.5 3GPP简介 Page 4

5 LTE背景介绍 什么是LTE？ LTE的设计目标
长期演进LTE (Long Term Evolution)是3GPP主导的无线通信技术的演进。 接入网将演进为E-UTRAN (Evolved UMTS Terrestrial Radio Access Network)。连同核心网的系统架构将演进为SAE (System Architecture Evolution)。 LTE的设计目标 带宽灵活配置：支持1.4MHz, 3MHz, 5MHz, 10Mhz, 15Mhz, 20MHz 峰值速率(20MHz带宽）：下行100Mbps，上行50Mbps 控制面延时小于100ms，用户面延时小于5ms 能为速度>350km/h的用户提供100kbps的接入服务 支持增强型MBMS（E-MBMS） 取消CS域，CS域业务在PS域实现，如VOIP 系统结构简单化，低成本建网 3GPP的目标是打造新一代无线通信系统，超越现有无线接入能力，全面支撑高性能数据业务的，“确保在未来10年内领先”。 Page 5

6 LTE背景介绍 LTE的标准化进程 2004年12月3GPP正式成立了LTE的研究项目。
原定2006年6月完成的研究项目SI（Study Item）推迟到2006年9月。完成可行性研究，并输出技术报告。 2006年9月正式开始工作项目WI（Work Item）/标准制定阶段，原定为2007年9月完成第一个标准版本，现已延期。 目前LTE处于Stage3 (Protocol)研究阶段，正在各个子组会议上热烈的讨论。 预计2008年年底会推出首个商用协议版本。LTE主要涉及36.xxx系列协议。 目前协议仍在不断完善中。 LTE WI stage LTE SI stage Delayed 2006 Mar Jun Sep 2005 Dec 2007 2008 2009 LTE enhancement and improvement LTE Rel8 (Approval) LTE SI LTE WI (Spec finished) Page 6

7 LTE背景介绍 SAE简介 系统架构演进SAE（System Architecture Evolution），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RNC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。 2007年2月St. Louis会议上，Vodafone提出要求把PDCP功能下移，当时该提议遭到Ericsson和我司以及其他Operator的反对，由于Vodafone在3GPP的强势以及IETF阵营的支持，最终这个提议被通过，并且，又一次刷新了SAE的架构，其中MME和UPE进行了正式的分离，并且由于PDCP功能的下移导致UPE功能基本成为简单路由器所以做出了和3GPP Anchor的合一，并且重新命名为Serving GW。这个架构一直维持至今，而且成为了SAE的最终架构。 S1-MME: Reference point for the control plane protocol between E-UTRAN and MME. S1-U: Reference point between E-UTRAN and Serving GW for the per bearer user plane tunnelling and inter eNodeB path switching during handover. S3: It enables user and bearer information exchange for inter 3GPP access network mobility in idle and/or active state. S4: It provides related control and mobility support between GPRS Core and the 3GPP Anchor function of Serving GW. In addition, if Direct Tunnel is not established, it provides the user plane tunnelling. S5: It provides user plane tunnelling and tunnel management between Serving GW and PDN GW. It is used for Serving GW relocation due to UE mobility and if the Serving GW needs to connect to a non-collocated PDN GW for the required PDN connectivity. S6a: It enables transfer of subscription and authentication data for authenticating/authorizing user access to the evolved system (AAA interface) between MME and HSS. Gx: It provides transfer of (QoS) policy and charging rules from PCRF to Policy and Charging Enforcement Function (PCEF) in the PDN GW. S8: Inter-PLMN reference point providing user and control plane between the Serving GW in the VPLMN and the PDN GW in the HPLMN. S8 is the inter PLMN variant of S5. S9: It provides transfer of (QoS) policy and charging control information between the Home PCRF and the Visited PCRF in order to support local breakout function. S10: Reference point between MMEs for MME relocation and MME to MME information transfer. S11: Reference point between MME and Serving GW. S12: Reference point between UTRAN and Serving GW for user plane tunneling when Direct Tunnel is established. It is based on the Iu-u/Gn-u reference point using the GTP-U protocol as defined between SGSN and UTRAN or respectively between SGSN and GGSN. Usage of S12 is an operator configuration option. S13: It enables UE identity check procedure between MME and EIR. SGi: It is the reference point between the PDN GW and the packet data network. Packet data network may be an operator external public or private packet data network or an intra operator packet data network, e.g. for provision of IMS services. This reference point corresponds to Gi for 3GPP accesses. Rx The Rx reference point resides between the AF and the PCRF in the TS 23.203 [6]. SBc Reference point between CBC and MME for warning message delivery and control functions. Page 7

8 LTE背景介绍 SON简介 自组织网络SON（Self Organization Network）是由下一代移动网NGMN（Next Generation Mobile Network）运营商发起的要求LTE实现的功能。 运营商站在自己利益和感受的角度出发，鉴于早期通信系统在O&M兼容性和经济性比较差，而对LTE提出新的要求，主要集中于FCAPSI的管理（Fault, Configuration, Alarm, Performance, Security, Inventory）： 自规划（Self-planning） 自配置（Self-deployment） 自优化（Self-optimization） 自维护（Self-maintenance） SON的优势 运营商可以减少规划、优化、维护的成本，降低OPEX。 设备商可以促进性能特性、工具等的销售，降低交付后网络优化的成本；低附加值和低技术含量的工作收益将减少。 不同厂家的O&M不兼容，协议没有统一规范，一旦某家设备商先进入，运营商难以引入新的竞争设备商； 无线基站和传输铺设的面和数量很大，维护和管理要花很大的人力，而发达国家人力成本很高，OPEX高； NGMN运营商从设备安装，到网规网优，到升级扩容等各环节的自动化和简单化提出了更高的要求，要求“plug and play”，即插即用，要尽量减少人力干预，达到高度自动化。 Page 8

9 LTE背景介绍 3GPP简介 TSG（Technical Specification Groups ）
3GPP （3rd Generation Partnership Project ）成立于1998年12月，是一个无线通信技术的标准组织，由一系列的标准联盟作为成员（Organizational Partners）。目前有ARIB（日本）, CCSA（中国）, ETSI（欧洲）, ATIS（美洲）, TTA（韩国）, and TTC（日本） 等。 3GPP分为标准工作组TSG和管理运维组两个部分。TSG主要负责各标准的制作修订工作，管理运维组主要负责整理市场需求，并对TSG和整个项目的运作提供支持。 TSG（Technical Specification Groups ） TSG GERAN: GERAN无线侧相关(2G)； TSG RAN: 无线侧相关(3G and LTE)； TSG SA (Service and System Aspects):负责整体的网络架构和业务能力； TSG CT (Core Network and Terminals):负责定义终端接口以及整个网络的核心网相关部分。 一般来说，3GPP的标准制定工作分为三个阶段，分别称为stage1，stage2和stage3： Stage1主要是收集需求，确定网络性能等； Stage2主要是总体设计阶段，包括网络架构设计，网元功能划分等。 Stage3属于具体的设计阶段，主要是技术细节的完善等。 不同的子组对应不同的设计阶段，具体对应如下： Stage1 Requirement需求: SA1 Stage2 Architecture架构: SA2, RAN3(RAN侧架构) Stage3 Protocol协议：CT（核心网侧），RAN1/RAN2/RAN4等（RAN侧） Page 9

10 内 容 Charter 1 LTE背景介绍 Charter 2 LTE网络架构及协议栈介绍 Charter 3 LTE物理层结构介绍
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11 内 容 Charter 2 LTE网络架构及协议栈介绍 2.1 LTE的网络架构 2.2 LTE的网元功能 2.3 LTE的协议栈介绍
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12 LTE的网络架构 LTE的主要网元 LTE的网络接口 LTE的接入网E-UTRAN由e-NodeB组成，提供用户面和控制面。
LTE的核心网EPC由MME，S-GW和P-GW组成。 LTE的网络接口 e-NodeB间通过X2接口相互连接，支持数据和信令的直接传输。 S1接口连接e-NodeB与核心网EPC。其中，S1-MME是e-NodeB连接MME的控制面接口，S1-U是e-NodeB连接S-GW 的用户面接口。 与传统3G网络比较，LTE的网络结更加简单扁平，降低组网成本，增加组网灵活性，并能大大减少用户数据和控制信令的时延。 RRC: Radio Resource Control PDCP: Packet Data Convergence Protocol RLC: Radio Link Control MAC: Medium Access Control PHY: Physical layer EPC: Evolved Packet Core MME: Mobility Management Entity S-GW: Serving Gateway P-GW: PDN Gateway Page 12

13 LTE的网元功能 e-NodeB的主要功能包括： S-GW的主要功能包括： P-GW的主要功能包括： MME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。 S-GW的主要功能包括： 分组数据路由及转发；移动性及切换支持；合法监听；计费。 P-GW的主要功能包括： 分组数据过滤；UE的IP地址分配；上下行计费及限速。 MME的主要功能包括： NAS (Non-Access Stratum)非接入层信令的加密和完整性保护； AS (Access Stratum)接入层安全性控制、空闲状态移动性控制； EPS (Evolved Packet System)承载控制； 支持寻呼，切换，漫游，鉴权。 与CDMA网络相比，LTE网络中没有BSC，e-NodeB和MME/S-GW/P-GW各自承担了原来BSC的部分功能。 Page 13

14 LTE的协议栈介绍 LTE协议栈的两个面： 用户面的主要功能： 控制面的主要功能： 用户面协议栈：负责用户数目传输
控制面协议栈：负责系统信令传输 用户面的主要功能： 头压缩 加密 调度 ARQ/HARQ 控制面的主要功能： RLC和MAC层功能与用户面中的功能一致 PDCP层完成加密和完整性保护 RRC层完成广播，寻呼，RRC连接管理，资源控制，移动性管理，UE测量报告控制 NAS层完成核心网承载管理，鉴权及安全控制 控制面协议栈 用户面协议栈 Page 14

15 内 容 Charter 1 LTE背景介绍 Charter 2 LTE网络架构及协议栈介绍 Charter 3 LTE物理层结构介绍
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16 内 容 Charter 3 LTE物理层结构介绍 3.1 LTE支持频段 3.2 无线帧结构 3.3 物理信道 3.4 物理信号
3.2 无线帧结构 3.3 物理信道 3.4 物理信号 3.5 物理层过程 Page 16

17 LTE支持频段 根据2008年底冻结的LTE R8协议： 支持两种双工模式：FDD和TDD 支持多种频段，从700MHz到2.6GHz
支持多种带宽配置，协议规定以下带宽配置：1.4MHz, 3MHz, 5MHz, 10MHz, 15MHz, 20MHz 协议还在更新中，部分频段的支持情况可能会有所变动 FDD模式支持频段 E-UTRA Band Uplink (UL) Downlink (DL) Duplex Mode FUL_low – FUL_high FDL_low – FDL_high 1 1920 MHz – 1980 MHz 2110 MHz 2170 MHz FDD 2 1850 MHz 1910 MHz 1930 MHz 1990 MHz 3 1710 MHz 1785 MHz 1805 MHz 1880 MHz 4 1755 MHz 2155 MHz 5 824 MHz 849 MHz 869 MHz 894MHz 6 830 MHz 840 MHz 875 MHz 885 MHz 7 2500 MHz 2570 MHz 2620 MHz 2690 MHz 8 880 MHz 915 MHz 925 MHz 960 MHz 9 MHz MHz MHz MHz 10 1770 MHz 11 MHz MHz MHz MHz 12 698 MHz 716 MHz 728 MHz 746 MHz 13 777 MHz 787 MHz 756 MHz 14 788 MHz 798 MHz 758 MHz 768 MHz … 17 704 MHz 734 MHz ... TDD模式支持频段 E-UTRA Band Uplink (UL) Downlink (DL) Duplex Mode FUL_low – FUL_high FDL_low – FDL_high 33 1900 MHz – 1920 MHz TDD 34 2010 MHz 2025 MHz 2010 MHz 35 1850 MHz 1910 MHz 36 1930 MHz 1990 MHz 37 38 2570 MHz 2620 MHz 39 1880 MHz 40 2300 MHz 2400 MHz Page 17

18 无线帧结构（1） LTE共支持两种无线帧结构： FDD类型无线帧结构： 资源块的概念： 类型1，适用于频分双工FDD
类型2，适用于时分双工TDD FDD类型无线帧结构： LTE 采用OFDM技术，子载波间隔为f=15kHz，2048阶IFFT，则帧结构的时间单位为 Ts=1/(2048* 15000)秒 FDD类型无线帧长10ms，如下图所示。每帧含有20个时隙，每时隙为0.5ms。普通CP配置下，一个时隙包含7个连续的OFDM符号（Symbol） FDD类型无线帧结构 资源块的概念： LTE具有时域和频域的资源，资源分配的最小单位是资源块RB（Resource Block），RB由RE（Resource Element）组成，如右图示 RE是二维结构，由时域符号（Symbol）和频域子载波（Subcarrier）组成 1个时隙和12个连续子载波组成一个RB Page 18

19 Switch-point periodicity
无线帧结构（2） TDD类型无线帧结构： 同样采用OFDM技术，子载波间隔和时间单位均与FDD相同。 帧结构与FDD类似，每个10ms帧由10个1ms的子帧组成；子帧包含2个0.5ms时隙。 10ms帧中各个子帧的上下行分配策略可以设置。如右边表格所示。 DL/UL子帧分配 Uplink-downlink configuration Downlink-to-Uplink Switch-point periodicity Subframe number 1 2 3 4 5 6 7 8 9 5 ms D S U 10 ms D: Downlink subframe U: Uplink subframe S: Special subframe DwPTS: Downlink Pilot Time Slot GP: Guard Period UpPTS: Uplink Pilot Time Slot TDD类型无线帧结构 Page 19

20 无线帧结构（3） CP长度配置： Page 20 上下行CP长度配置
为克服OFDM系统所特有的符号间干扰ISI，LTE引入了循环前缀CP（Cyclic Prefix）。 CP的长度与覆盖半径有关，一般情况下下配置普通CP（Normal CP）即可满足要求；广覆盖等小区半径较大的场景下可配置扩展CP（Extended CP）。 CP长度配置越大，系统开销越大。 上下行CP长度配置 Configuration DL OFDM CP Length UL SC-FDMA CP Length Sub-carrier of each RB Symbol of each slot Normal CP f=15kHz 160 for slot #0 144 for slot #1~#6 12 7 Extended CP 512 for slot #0~#5 6 f=7.5kHz 1024 for slot #0~#2 NULL 24 (DL only) 3 (DL only) 上下行普通CP配置下时隙结构 （△f=15kHz） 上下行扩展CP配置下时隙结构 （△f=15kHz） 下行扩展CP配置下时隙结构 （△f=7.5kHz） Page 20

21 物理信道—概述 下行信道： 上行信道： Page 21
Physical Broadcast Channel (PBCH)：物理广播信道，承载小区ID等系统信息，用于小区搜索过程。 Physical Downlink Control Channel (PDCCH)：物理下行控制信道，承载寻呼和用户数据的资源分配信息，以及与用户数据相关的HARQ信息。 Physical Downlink Shared Channel (PDSCH)：物理下行共享信道，承载下行用户数据。 Physical Control Format Indicator Channel (PCFICH)：物理控制格式指示信道，承载控制信道所在OFDM符号的位置信息。 Physical Hybrid ARQ Indicator Channel (PHICH)：物理HARQ指示信道，承载HARQ的ACK/NACK信息。 Physical Multicast Channel (PMCH)：物理多播信道，承载多播信息。 上行信道： Physical Random Access Channel (PRACH)：物理随机接入信道，承载随机接入前导。 Physical Uplink Shared Channel (PUSCH)：物理上行共享信道，承载上行用户数据。 Physical Uplink Control Channel (PUCCH)：物理上行控制信道，承载HARQ的ACK/NACK，调度请求(Scheduling Request)，信道质量指示(Channel Quality Indicator)等信息 MAC Layer Physical Layer 下行传输信道和物理信道的映射关系 Physical broadcast channel (PBCH) - The coded BCH transport block is mapped to four subframes within a 40 ms interval; - 40 ms timing is blindly detected, i.e. there is no explicit signalling indicating 40 ms timing; - Each subframe is assumed to be self-decodable, i.e. the BCH can be decoded from a single reception, assuming sufficiently good channel conditions. Physical control format indicator channel (PCFICH) - Informs the UE about the number of OFDM symbols used for the PDCCHs; - Transmitted in every subframe. Physical downlink control channel (PDCCH) - Informs the UE about the resource allocation of PCH and DL-SCH, and Hybrid ARQ information related to DL-SCH; - Carries the uplink scheduling grant. Physical Hybrid ARQ Indicator Channel (PHICH) - Carries Hybrid ARQ ACK/NAKs in response to uplink transmissions. Physical downlink shared channel (PDSCH) - Carries the DL-SCH and PCH. Physical multicast channel (PMCH) - Carries the MCH. Physical uplink control channel (PUCCH) - Carries Hybrid ARQ ACK/NAKs in response to downlink transmission; - Carries Scheduling Request (SR); - Carries CQI reports. Physical uplink shared channel (PUSCH) - Carries the UL-SCH. Physical random access channel (PRACH) - Carries the random access preamble. MAC Layer Physical Layer 上行传输信道和物理信道的映射关系 Page 21

22 物理信道—下行 下行信道处理过程 下行信道的调制方式 如右表所示 物理信道 调制方式 Page 22 加扰：物理层传输的码字都需要经过加扰；
调制：对加扰后的码字进行调制，生成复数值的调制符号； 层影射：将复数调制符号影射到一个或多个发射层中； 预编码：对每个发射层中的复数调制符号进行预编码，并影射到相应的天线端口； RE影射：将每个天线端口的复数调制符号影射到相应的RE上； OFDM信号生成：每个天线端口信号生成OFDM信号。 下行信道的调制方式 如右表所示 物理信道 调制方式 PBCH QPSK PCFICH PDCCH PHICH BPSK PDSCH QPSK, 16QAM, 64QAM PMCH Page 22

23 物理信道—上行 上行信道处理过程 上行信道的调制方式 如右表所示 物理信道 调制方式 Page 23 加扰
调制：对加扰后的码字进行调制，生成复数值的调制符号； 转换预编码：生成复数值的符号； RE影射：将复数符号影射到相应的RE上； SC-FDMA信号生成：每个天线端口信号生成SC-FDMA信号。 上行信道的调制方式 如右表所示 物理信道 调制方式 PUCCH BPSK, QPSK PUSCH QPSK, 16QAM, 64QAM PRACH Zadoff-Chu序列 Page 23

24 物理信号—下行（1） 下行参考信号RS（Reference Signal）： 下行参考信号特点： 小区特定参考信号在时频域的位置示意图
单天线端口 下行参考信号RS（Reference Signal）： 类似CDMA的导频信号。用于下行物理信道解调及信道质量测量（CQI）。 协议指定有三种参考信号。其中，小区特定参考信号（Cell-Specific Reference Signal）为必选，另外两种参考信号（MBSFN Specific RS & UE-Specific RS）为可选。 小区特定参考信号在时频域的位置示意图 下行参考信号特点： 小区特定参考信号由小区特定参考信号序列及频移影射得到。RS本质上是在时频域上传播的伪随机序列。 在某一天线端口上，RS的频域间隔为6个子载波。 RS离散地分布在时频域上，相当于对信道的时频域特性进行抽样，供下行信道估计和信号解调提供参考。 RS分布越密集，则信道估计越精确，但开销越大，影响系统容量。 RE 双天线端口 该天线口不传输RS 该天线口的RS符号 四天线端口 R1：第一个天线口传输的RS R2：第二个天线口传输的RS R3：第三个天线口传输的RS R4：第四个天线口传输的RS MBSFN: Multicast/Broadcast over a Single Frequency Network 天线端口0 天线端口1 天线端口2 天线端口3 Page 24

25 物理信号—下行（2） 同步信号（Synchronization Signal）： 同步信号特点：
同步信号用于小区搜索过程中UE和E-UTRAN的时频同步。 同步信号包含两个部分： 主同步信号（Primary Synchronization Signal）：用于符号timing对准，频率同步，以及部分的小区ID侦测 次同步信号（Secondary Synchronization Signal）：用于帧timing对准，CP长度侦测，以及小区组ID侦测 同步信号特点： 无论系统带宽是多少，同步信号只位于系统带宽的中部，占用62个子载波。 同步信号只在每个10ms帧的第1个和第11个时隙中传送。 主同步信号位于传送时隙的最后一个符号，次同步信号位于传送时隙的倒数第二个符号。 有的文档中将同步信号称作同步信道（Synchronization Channel，P-SCH & S-SCH），其实含义是一致的，都是指在固定的时频位置传送的信号。但需要注意不要和共享信道（Share Channel）混淆 同步信号结构 Page 25

26 PUCCH在系统带宽的两端，并在两个时隙间跳频
物理信号—上行 上行参考信号RS（Reference Signal）： 上行的导频信号，用于E-UTRAN与UE的同步和上行信道估计。 上行参考信号有两种： 解调参考信号DM RS (Demodulation Reference Signal), PUSCH和PUCCH传输时的导频信号 Sounding参考信号SRS (Sounding Reference Signal), 无PUSCH和PUCCH传输时的导频信号 Time Freq 某用户分配到的上行带宽 伴随PUSCH传输的DM RS位置图 DM RS占用每个时隙的第4个符号 Time Freq 上行参考信号特点： 由于上行采用SC-FDMA，每个UE只占用系统带宽的一部分，DM RS只在相应的PUSCH和PUCCH分配带宽中传输。 DM RS在时隙中的位置根据伴随的PUSCH和PUCCH的不同格式而有所差异。 Sounding RS的带宽比单个UE分配到的带宽要大，目的是为e-NodeB作全带宽的上行信道估计提供参考。 Sounding RS在每个子帧的最后一个符号发送，周期/带宽可以配置。Sounding RS可以通过系统调度由多个UE发送。 伴随PUCCH传输的DM RS位置图 （PUCCH传输UL ACK信令） DM RS占用每个时隙的3个符号 关于Sounding RS的位置，很多文档有不同的说法。这是因为这些文档在编写时，协议仍在制定中，还未有定论。这里描述的Sounding RS位置为协议最新结论。 Time Freq 伴随PUCCH传输的DM RS位置图 （PUCCH传输CQI信令） DM RS占用每个时隙的2个符号 系统带宽 PUCCH在系统带宽的两端，并在两个时隙间跳频 Page 26

27 物理层过程—小区搜索 小区搜索（Cell Search）基本原理： 初始化小区搜索（Initial Cell Search）：
小区搜索是UE实现与E-UTRAN下行时频同步并获取服务小区ID的过程。 小区搜索分两个步骤： 第一步：UE解调主同步信号实现符号同步，并获取小区组内ID； 第二步：UE解调次同步信号实现帧同步，并获取CP长度和小区组ID。 初始化小区搜索（Initial Cell Search）： UE上电后开始进行初始化小区搜索，搜寻网络。一般而言，UE第一次开机时并不知道网络的带宽和频点。 UE会重复基本的小区搜索过程，历遍整个频谱的各个频点尝试解调同步信号。这个过程耗时，但一般对此的时间要求并不严格。可以通过一些方法缩短以后的UE初始化时间，如UE储存以前的可用网络信息，开机后优先搜索这些网络。 一旦UE搜寻到可用网络并与网络实现时频同步，获得服务小区ID，即完成小区搜索后，UE将解调下行广播信道PBCH，获取系统带宽、发射天线数等系统信息。 完成上述过程后，UE解调下行控制信道PDCCH，获取网络指配给这个UE的寻呼周期。然后在固定的寻呼周期中从IDLE态醒来解调PDCCH，监听寻呼。如果有属于该UE的寻呼，则解调指定的下行共享信道PDSCH资源，接收寻呼。 关于Cell ID： LTE协议规定物理层Cell ID分为两个部分：小区组ID（Cell Group ID）和组内ID（ID within Cell Group）。目前最新协议规定物理层小区组有168个，每个小区组由3个ID组成，因此共有168*3=504个独立的Cell ID 其中 代表小区组ID，取值范围0~167； 代表组内ID，取值范围0~2 小区组的数量在较早版本的协议中规定为170个，因此Cell ID共有170*3=510个。有些文档编写较早，采用了510个Cell ID的说法。请注意区别。 搜索频点 同步信号 广播信道 控制信道 共享信道 Page 27

28 物理层过程—随机接入 随机接入（Random Access）基本原理： 随机接入的具体过程： Page 28
随机接入是UE与E-UTRAN实现上行时频同步的过程。 随机接入前，物理层应该从高层接收到下面的信息： 随机接入信道PRACH参数：PRACH配置，频域位置，前导（preamble）格式等； 小区使用preamble根序列及其循环位移参数，以解调随机接入preamble。 物理层的随机接入过程包含两个步骤： UE发送随机接入preamble； E-UTRAN对随机接入的响应。 随机接入的具体过程： 高层请求发送随机接入preamble，继而触发物理层随机接入过程； 高层在请求中指示preamble index， preamble目标接收功率，相关的RA-RNTI，以及随机接入信道的资源情况等信息； UE决定随机接入信道的发射功率为preamble的目标接收功率+路径损耗。发射功率不超过UE最大发射功率，路径损耗为UE通过下行链路估计的值； 通过preamble index选择preamble序列； UE以计算出的发射功率，用所选的preamble序列，在指定的随机接入信道资源中发射单个preamble ； 在高层设置的时间窗内，UE尝试侦测以其RA-RNTI标识的下行控制信道PDCCH。如果侦测到，则相应的下行共享信道PDSCH则传往高层，高层从共享信道中解析出20位的响应信息。 随机接入前导 随机接入信道 随机接入响应 下行控制信道 RA-RNTI: Random Access Radio Network Temporary Identifier Page 28

29 物理层过程—功率控制 功率控制（Power Control）基本原理： 下行功控： 上行功控： Page 29
下行功控决定了每个RE（Resource Element）上的能量EPRE（Energy per Resource Element）； 上行功控决定了每个DFT-S-OFDM（上行SC-FDMA的复用调制方式）符号上的能量。 下行功控： 下行RS一般以恒定功率发射，下行共享信道PDSCH的发射功率是与RS发射功率成一定比例的。 下行功控根据UE上报的CQI与目标CQI的对比，调整下行发射功率。 UE上报CQI 下行发射功率 X2 上行发射功率 系统调整参数 上行功控： 上行功控的方式有开环功控和闭环功控两种。 可以通过X2接口交换各小区的过载指示OI（Overload Indicator）实现小区间的集中式功控，使得功控有可能提升整个系统的性能。 上行功控可以分别控制PUSCH，PUCCH，PRACH和Sounding RS。各种信道/信号的功控大同小异，以PUSCH功控为例： PUSCH功控为慢速功控，补偿路径损耗和阴影衰落，以及控制小区间干扰。功控的原理如上式。影响PUSCH的发射功率PPUSCH的因素有UE最大发射功率PMAX，UE分配的资源MPUSCH，初始发射功率PO_PUSCH，估计路径损耗PL，调制编码因子△TF，系统调整因子f（开环功控时f不起作用） 开环功控和闭环功控，开环功控使用在无接收侧反馈信息的情况下，如用户初始接入时。不需要专门的功控信令开销，控制精度较差，不能解决上下行链路不对称问题。闭环功控基于对端接收侧的反馈信息进行控制，反映了实际的信道变化。需要专门的功控信令开销。如果反馈和控制速度能够跟上信道变化，则可以比较精确控制。 数据信道突发非连续的特点，会造成经常的DTX状态，甚至是同步失步状态变换，这就需要有效的开环功控；在数据连续时，为达到比较精确的功控目的，就需要闭环功控。 下行共享控制信道的功控主要是补偿路损和衰落。根据上行CQI反馈信道和发射功率的关系表，收到什么样的CQI，就知道应该用多少发射功率才能达到一定的目标SINR。 上行功控是慢速的，主要用来补偿路损和阴影衰落，以及控制小区之间的干扰。对CDMA系统来说，由于本身是自干扰系统，为避免远近效应，快速功控是必然的选择。但LTE是个频分系统且频率复用因子是1，不是自干扰系统，不存在远近效应，但不同小区间的同频干扰制约着系统容量。所以LTE上行使用慢速TPC，即能满足补偿路损、阴影衰落的变化速度即可。 EPRE: Energy per Resource Element DFT-SOFDM: Discrete Fourier Transform Spread OFDM Page 29

30 内 容 Charter 1 LTE背景介绍 Charter 2 LTE网络架构及协议栈介绍 Charter 3 LTE物理层结构介绍
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31 内 容 Charter 4 LTE层2结构介绍 4.1 LTE层2概述 4.2 MAC层介绍 4.3 RLC层介绍 4.4 PDCP层介绍
4.5 层1层2数据流小结 Page 31

32 LTE层2概述 LTE层2分为以下几个子层： 层2的主要功能 MAC层（Medium Access Control） 头压缩，加密
RLC层（Radio Link Control） PDCP层（Packet Data Convergence Protocol） 层2的主要功能 头压缩，加密 分段/串接，ARQ 调度，优先级处理，复用/解复用，HARQ 下行层2结构 上行层2结构 - Service Access Points (SAP) for peer-to-peer communication are marked with circles at the interface between sublayers. The SAP between the physical layer and the MAC sublayer provides the transport channels. The SAPs between the MAC sublayer and the RLC sublayer provide the logical channels. - The multiplexing of several logical channels (i.e. radio bearers) on the same transport channel (i.e. transport block) is performed by the MAC sublayer; - In both uplink and downlink, only one transport block is generated per TTI in the non-MIMO case. Page 32

33 MAC层介绍 MAC层的主要功能 MAC层的逻辑信道
逻辑信道（Logical Channel）与传输信道（Transport Channel）间的映射 将RLC层的协议数据单元PDU（Protocol Data Unit）复用到传输块TB（Transport Block）中，然后通过传输信道传送到物理层。相反的过程即是解复用的过程 业务量测量报告 通过HARQ纠错 对单个UE的逻辑信道优先级处理 多个UE间的优先级处理（动态调度） 传输格式选择 填充 MAC层的逻辑信道 控制信道（Control Channel）：传输控制面信息 业务信道（Traffic Channel）：传输用户面信息 MAC层上行信道映射 控制信道 业务信道 传输信道中的数据被组织成为传输块TB，在没有MIMO的时候，一个TTI内最多只有一个传输块TB在空口发送。 Control Channels Control channels are used for transfer of control plane information only. The control channels offered by MAC are: - Broadcast Control Channel (BCCH) A downlink channel for broadcasting system control information. - Paging Control Channel (PCCH) A downlink channel that transfers paging information. This channel is used when the network does not know the location cell of the UE. - Common Control Channel (CCCH) Channel for transmitting control information between UEs and network. This channel is used for UEs having no RRC connection with the network. - Multicast Control Channel (MCCH) A point-to-multipoint downlink channel used for transmitting MBMS control information from the network to the UE, for one or several MTCHs. This channel is only used by UEs that receive MBMS. - Dedicated Control Channel (DCCH) A point-to-point bi-directional channel that transmits dedicated control information between a UE and the network. Used by UEs having an RRC connection. Traffic Channels Traffic channels are used for the transfer of user plane information only. The traffic channels offered by MAC are: - Dedicated Traffic Channel (DTCH) A Dedicated Traffic Channel (DTCH) is a point-to-point channel, dedicated to one UE, for the transfer of user information. A DTCH can exist in both uplink and downlink. - Multicast Traffic Channel (MTCH) A point-to-multipoint downlink channel for transmitting traffic data from the network to the UE. This channel is only used by UEs that receive MBMS. MAC层下行信道映射 MAC层结构 Page 33

34 RLC层介绍 RLC层的主要功能 RLC PDU结构 上层协议数据单元PDU的传输支持确认模式AM和非确认模式UM 数据传输支持透传模式TM
通过ARQ纠错（无需CRC校验，由物理层提供CRC校验） 对传输块TB进行分段（Segmentation）处理：仅当RLC SDU不完全符合TB大小时，将SDU分段到可变大小的RLC PDU中，而不用进行填充 对重传的PDU进行重分段（Re-segmentation ）处理：仅当需要重传的PDU不完全符合用于重传的新TB大小时，对RLC PDU进行重分段处理 多个SDU的串接（Concatenation） 顺序传递上层PDU （除切换外） 协议流程错误侦测和恢复 副本侦测 SDU丢弃 复位 RLC PDU结构 RLC header承载的PDU序列号与SDU序列号无关 根据调度机制，RLC PDU的大小动态可变。RLC根据PDU的大小对SDU进行分段和串接，一个PDU的数据可能来自一个或多个SDU RLC PDU结构 分段 串接 一般而言，往来高层的数据实体称为SDU，相应的往来低层的实体称为PDU RLC PDU的大小由调度机制决定，对于高速率数据，采用大的PDU可以使得开销相对较小；对低速率数据，采用小的PDU使得payload不会显得太大。 RLC can also be configured in Unacknowledged Mode (UM) and Transparent Mode (TM). In UM, in-sequence delivery to higher layers is provided, but no retransmissions of missing PDUs are requested. UM is typically used for services such as VoIP where error-free delivery is of less importance compared to short delivery time. TM, although supported, is only used for specific purposes such as random access. AM: Acknowledge Mode UM: Un-acknowledge Mode TM: Transparent Mode TB: Transport Block SDU: Service Data Unit PDU: Protocol Data Unit RLC层结构 Page 34

35 PDCP层介绍 PDCP层的主要功能为： PDCP PDU结构： 用户面的功能： 头压缩/解压缩：ROHC
用户数据传输：接收来自上层NAS层的PDCP SDU，然后传递到RLC层。反之亦然 RLC确认模式AM下，在切换时将上层PDU顺序传递 RLC确认模式AM下，在切换时下层SDU的副本侦测 RLC确认模式AM下，在切换时将PDCP SDU重传 加密 基于计时器的上行SDU丢弃 控制面的功能： 加密及完整性保护 控制数据传输：接收来自上层RRC层的PDCP SDU，然后传递到RLC层。反之亦然 PDCP PDU结构： PDCP PDU和PDCP header均为8位格式 PDCP header长度为1或2字节 PDCP PDU结构 PDCP层结构 ROHC: Robust Header Compression Page 35

36 层1层2数据流小结 层1和层2的数据传递 来自上层的数据包加头封装后传递到下层。反之，来自下层的数据包被拆封去头后传递到上层。
调度器在RLC，MAC和物理层均起作用。多个用户的数据包在MAC层实现复用。 物理层实现CRC校验。 Page 36

37 内 容 Charter 1 LTE背景介绍 Charter 2 LTE网络架构及协议栈介绍 Charter 3 LTE物理层结构介绍
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38 内 容 Charter 5 LTE空口关键技术介绍 5.1 OFDM介绍 5.2 MIMO介绍 5.3 调度和链路自适应介绍
5.3 调度和链路自适应介绍 5.4 E-MBMS介绍 5.5 小区干扰控制介绍 Page 38

39 OFDM概述 概述 OFDM （Orthogonal Frequency Division Multiplexing）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。 各个子载波的正交性是由基带IFFT实现的。由于子载波带宽较小（15kHz），多径时延将导致符号间干扰ISI，破坏子载波之间的正交性。为此，在OFDM符号间插入保护间隔，通常采用循环前缀CP来实现。 OFDM的意义 OFDM具有很多能满足E-UTRAN需求的优点，是B3G和4G的核心技术之一。因此在3GPP制定LTE标准的过程中，OFDM技术被采纳并写入标准中。 OFDM是一种调制复用技术，相应的多址接入技术为OFDMA，用于LTE的下行。OFDMA其实是TDMA和FDMA的结合。 相对应，LTE的上行采用SC-FDMA多址接入技术，其调制复用是通过DFT-Spread-OFDM实现的。 OFDM与OFDMA的比较 Page 39

40 CDMA多载波频谱不重叠，需要留有保护带
下行多址接入技术OFDMA OFDMA的优点 频谱分配方式灵活，能适应1.4MHz~20MHz的带宽范围配置。由于OFDM子载波间正交复用，不需要保护带，频谱利用率高； 合理配置循环前缀CP，能有效克服无线环境中多径干扰引起的ISI，保证小区内用户间的相互正交，改善小区边缘的覆盖； 支持频率维度的链路自适应和调度，对抗信道的频率选择性衰落，获得多用户分集增益，提高系统性能； 子载波带宽在10KHz的数量级，每个子载波经历的是频谱的平坦衰落，使得接收机的均衡容易实现； OFDM容易和MIMO技术相结合。 CDMA多载波频谱不重叠，需要留有保护带 F1 F2 F3 F4 F5 F6 F7 Freq OFDMA子载波频谱重叠，频谱利用率高 F1 F2 F3 F4 F5 F6 F7 Freq OFDMA的缺点 对时域和频域的同步要求高。子载波间隔小，系统对频率偏移敏感，收发两端晶振的不一致也会引起ICI，频偏估计不精确会导致信号检测性能下降； 移动场景中多普勒频移引起的频偏同样会导致ICI，需要设置合理的频率同步参数； OFDM的峰均功率比PAPR高，对功放的线性度和动态范围要求很高。 在时频域上的多用户分布（下行） Page 40

41 上行多址接入技术SC-FDMA SC-FDMA的特点 Page 41
受终端电池容量和成本的限制，上行需要采用PAPR比较低的调制技术，提高功放的效率。 LTE的上行采用SC-FDMA（Single Carrier Frequency Division Multiple Accessing），能够灵活实现动态频带分配，其调制是通过DFT-S-OFDM（Discrete Fourier Transform Spread OFDM）技术实现的。 DFT-S-OFDM类似于OFDM，每个用户占用系统带宽中的某一部分，占用带宽大小取决于用户的需求和系统调度结果。 与传统单载波技术相比，DFT-S-OFDM中不同用户占用相互正交的子载波，用户之间不需要保护带，具有更高的频率利用效率。 DFT-S-OFDM调制过程 两种子载波映射方式 集中式（Localized） 分布式（Distributed） 集中式：将若干连续子载波分配给一个用户，这种方式下系统通过频域调度，选择较优的子载波组进行传输，获得多用户分集增益。 分布式：系统将分配给一个用户的子载波分散到整个带宽，获得频率分集增益。但这种方式信道估计较复杂，也无法进行频域调度。 在时频域上的多用户分布（上行） Page 41

42 MIMO技术 下行MIMO 上行MIMO Page 42
LTE下行支持MIMO技术进行空间维度的复用。空间复用支持单用户SU-MIMO模式或者多用户MU-MIMO模式。 SU-MIMO和MU-MIMO都支持通过Pre-coding的方法来降低或者控制空间复用数据流之间的干扰，从而改善MIMO技术的性能。 SU-MIMO中，空间复用的数据流调度给一个单独的用户，提升该用户的传输速率和频谱效率。MU-MIMO中，空间复用的数据流调度给多个用户，多个用户通过空分方式共享同一时频资源，系统可以通过空间维度的多用户调度获得额外的多用户分集增益。 上行MIMO 受限于终端的成本和功耗，实现单个终端上行多路射频发射和功放的难度较大。因此，LTE正研究在上行采用多个单天线用户联合进行MIMO传输的方法，称为Virtual-MIMO 调度器将相同的时频资源调度给若干个不同的用户，每个用户都采用单天线方式发送数据，系统采用一定的MIMO解调方法进行数据分离。 采用Virtual-MIMO方式能同时获得MIMO增益以及功率增益（相同的时频资源允许更高的功率发送），而且调度器可以控制多用户数据之间的干扰。同时，通过用户选择可以获得多用户分集增益。 MIMO空间复用的作用是把一个原来SINR较高的信道，分成若干个SINR较低的信道。香农容量公式表明，在SINR较低时，SINR的改善能够迅速提高频谱效率；在SINR较高时，SINR的改善对频谱效率的提高作用越来越弱。 MU-MIMO Virtual-MIMO Page 42

43 调度和链路自适应 用户复用和调度 链路自适应 Page 43
LTE可以支持较大的系统带宽（10/15/20MHz），通常会面临频率选择性衰落的问题。某用户的子载波在相干带宽内的衰落特性可以认为是相同的，但更远的子载波上的衰落特性就不相同了。 如果知道各个用户在各个子载波上的衰落特性，则可以为不同的用户尽量选择条件比较好的子载波进行数据传输，从而使得绝大部分用户的传播条件比较好，实现多用户分集增益，提高频谱效率。 相干带宽内的子载波具有近似的衰落值，可以把相邻的一些子载波划成一个子带Subband，以子带为单位进行调度。接收方在一定的时间内针对每个子带反馈一个信号质量指示，而无需对每个子载波进行反馈，减少信令开销。 LTE的调度周期可以为一个或多个TTI长度。 为了在频域调度获得多用户分集增益，发射端必须知道所有用户在所有子载波上的瞬时衰落值，FDD系统上下行衰落不一致，必须通过反向链路将信道信息回传给发射端，这些信道质量指示均为额外开销，占用资源越少越好。 链路自适应 LTE支持时间和频率两个维度的链路自适应，根据时频域信道质量信息对不同的时频资源选择不同的调制编码方式。 功率控制在CDMA系统中是一项重要的链路自适应技术，可以避免远近效应带来的多址干扰。在LTE系统中，上下行均采用正交的OFDM技术对多用户进行复用。因此，功控主要用来降低对邻小区上行的干扰，补偿链路损耗，也是一种慢速的链路自适应机制。 Page 43

44 增强型MBMS E-MBMS E-MBMS特性 各个基站采用相同的频率资源并且同步发送MBMS数据。
在终端看来，不同基站的信号可以看作多径的组成部分，终端可以不必区分不同基站的信号，自动完成软合并。 E-MBMS特性 这种工作模式称为SFN（Single Frequency Network）模式。 MBMS主要受限于边缘用户的性能，SFN模式能极大改善小区边缘的接收性能，从而改善MBMS的性能。 SFN模式下，系统基站间需要下行空口同步。 不同基站的传播时延差别较大，不同基站的信号合并将导致传播时延的增加，需要配置更长的CP长度。 Page 44

45 小区干扰控制 小区干扰的原因 小区干扰控制的方法
LTE系统中，系统中各小区采用相同的频率进行发送和接收。与CDMA系统不同的是，LTE系统并不能通过合并不同小区的信号来降低邻小区信号的影响。因此必将在小区间产生干扰，小区边缘干扰尤为严重。 小区干扰控制的方法 为了改善小区边缘的性能，系统上下行都需要采用一定的方法进行小区干扰控制。目前正在研究方法有： 干扰随机化：被动的干扰控制方法。目的是使系统在时频域受到的干扰尽可能平均，可通过加扰，交织，跳频等方法实现； 干扰对消：终端解调邻小区信息，对消邻小区信息后再解调本小区信息；或利用交织多址IDMA进行多小区信息联合解调； 干扰抑制：通过终端多个天线对空间有色干扰特性进行估计和抑制，可以分为空间维度和频率维度进行抑制。系统复杂度较大，可通过上下行的干扰抑制合并IRC实现； 干扰协调：主动的干扰控制技术。对小区边缘可用的时频资源做一定的限制。这是一种比较常见的小区干扰抑制方法。 Page 45

46 LTE关键技术—小区干扰控制 小区间干扰协调ICIC（Inter-Cell Interference Coordination） SFR方案
小区间干扰协调是小区干扰控制的一种方式，本质上是一种调度策略。LTE系统可以采用频率软复用SFR（Soft Frequency Reuse）和部分频率复用FFR（Fractional Frequency Reuse）等干扰协调机制来控制小区边缘的干扰。主要目的是提高小区边缘的频率复用因子，改善小区边缘的性能。 SFR方案 SFR是一种有效控制邻区干扰的方法。系统频率划分为主频和副频，不同的区域使用不同的频率及发射功率。 主频通常分配给小区边缘区域的用户，eNB在主频上可高功率发射 副频 Cell 2,4,6主频 Cell 1主频 副频 副频 Cell 3,5,7主频 系统全部带宽 全部带宽可以分配给小区中间的用户，eNB在副频上降功率发射，避免干扰相邻小区的主频 Page 46

47 参考资料 TS 36系列，3GPP 3G Evolution HSPA and LTE for Mobile Broadband.pdf 3GPP Long Term Evolution.pdf, Agilent 3GPP LTE Overview.ppt LTE标准进展和分析.ppt SAE架构for 3GPP.ppt Physical layer aspects of E-UTRA ppt LTE关键技术及其进展.ppt，梁靖 E-UTRAN空口关键技术和性能分析 V0.6 .doc，蒋培刚 RNPS_ LTE技术原理和网规影响培训教材(V1.0).ppt，郭宽新 LTE性能Workshop-RTT.ppt，蒋培刚 LTESpec_DL_v3.pdf，TI LTESpec_UL_v3.pdf，TI LTE控制面介绍.ppt LTE用户面介绍.ppt 呼叫建立过程分析报告_V1.doc，孙铭扬 OFDM基本原理培训.ppt，预研二部 OFDM介绍.ppt，李超君(无线预研一部) 3GPP LTE上行链路SC-FDMA方案.doc，薛丽霞 MIMO技术原理及其发展方向交流.ppt，李桂宝 Page 47

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