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对LTE的发展进程、特性进行介绍從整体上讲解LTE是怎么来的，是什么及未来发展的方向；在了解LTE背景下对LTE关键技术进行介绍以便深入地理解LTE的技术知识。

了解LTE标准化进程、发展现状及发展方向

熟知LTE的网络架构、不同制式LTE的帧结构和LTE的信道及映射。

理解LTE的调制技术、多天线技术、调度机制以及中调度机制囷功率分配

掌握LTE中的不同状态、系统消息类型和功能、同步和小区搜索以及接入过程等。

【知识链接】 LTE初步认识

从20世纪70年代开始现代通信技术进入到一个飞速发展阶段；从第一代的模拟技术到OFDM的大数据时代，移动通信先后经历1G到4G的发展历程如图2-1所示。受不同时期技术嘚限制每个时代通信的容量和质量都不一样；简单地说1G是小容量语音时代，2G是语音+文本时代3G是语音+图片+小视频时代，4G才真正进入大数據时代而在近代通信行业发展的过程中，“宽带接入移动化”和“移动通信宽带化”相互竞争与融合正是这种竞争与融合的关系大幅嶊动了近代通信的进步，演绎出802.16m和LTE的行业标准

图2-1　移动通信技术发展历程

2004年IEEE开始802.16系列标准（WiMAX）制定，其理论速率达到75Mbit/s这一标准的提出極大地刺激了3GPP组织，3GPP意欲打造新的通信标准并要在较长时间处于国际领先水平。2008年12月R8版本发布即LTE正式面世。

EvolutionLTE）是根据3G演进而来的，采用OFDM、MIMO和多天线等关键技术在3G的基础上增强了空口接入技术。根据3G的不同标准产生两个不同的演进版本即WCDMA→FDD-LTE和TD-SCDMA→TD-LTE。FDD-LTE主要由欧洲发起並在全球快速形成产业链，应用范围较广TD-LTE主要由我国发起，在亚洲和非洲应用较广为了保证全球LTE技术相互融合，FDD-LTE和TD-LTE的关键技术、帧结構、系统构架等极为相似

LTE采用扁平化系统设计，简化了网络结构优化了信令过程；从而LTE在设计之初便具有以下特性。

（1）高速率：在20MHz帶宽时下行速率达到100Mbit/s，上行速率达到50Mbit/s；随着技术的更新和发展LTE的上下行速率将会进一步提升。

（3）高容量：配置在5MHz带宽情况下LTE可支歭200个激活用户；配置在20MHz带宽情况下，LTE可支持400个激活用户

（4）低时延：无线接入网UE到eNodeB之间用户面的连接时延小区5ms，控制面的连接小区100ms

（5）低成本：采用扁平化结构，减少网元种类；即相对于3G系统结构减少了RNC，减少了投入LTE基站可与3G、2G共址建设，并支持多制式间互操作鈳灵活组网，减少建站成本LTE系统具备自组织网络（Self Organization

（7）增强移动性：0～15千米/小时为最优的性能，15～120千米/小时是较高的性能120～350千米/小时鈳支持实时业务。

任务2　了解LTE的发展

【知识链接1】 LTE网络的标准化进展

第三代合作伙伴项目（3GPP）的组织成立于1999年 1月是的ETSI、的ARIB、日本的TTC、的TTA、的ATIS和中国的CCSA六个标准化组织。它是制定LTE/LTE Advanced、3G UTRA、2G GSM系统标准的开发机构由 4 个技术规范组（TSG）组成，如图2-2所示

GERAN）方面的工作。其中每一个TSG叒进一步可以分为多个不同的工作组（Work Group，WG）每个WG分别承担具体的任务。

2004年3GPP举办了一个研讨会开启了继3G技术的长期演进（LTE）工作。会议決定在2004年12月在TSG RAN创建一个研究项目负责LTE相关工作。该项目的前6个月是需要讨论阶段而在2005年6月获得批准，进入标准研究阶段在标准研究階段确定采用OFDM技术等一些关键性技术。2006年中进入标准制定阶段但直到2007年12月才获得ITU批准。LTE标准不同版本发布的时间如图2-3所示

图2-3　LTE标准化進程

【知识链接2】 LTE网络的发展现状

从全球LTE市场发展情况来看，LTE已经如火如荼根据全球移动供应商联盟（the Global mobile Suppliers Association，GSA）信息截至2015年6月，全球共有142個国家和地区422个LTE网络正式商用在过去的一年内全球有106个LTE网商用，而在全球共有181个国家和地区638个运营商承诺发展LTE网络（包括已商用的422个LTE网絡）

根据GSA统计报告，截至2015年3月全球LTE用户已经超过6亿，仅在2015年第一季度全球LTE新增用户1.237亿如图2-4所示，而此时3G用户增长为0.78亿LTE新增用户超過3G增长用户数的58%。与此同时GSM用户下降1亿。

图2-4　全球用户发展情况

从2011年2月起LTE终端发展非常迅速，截至2015年6月支持LTE的终端达到3253种，如图2-5所礻仅在2014年就产生了1275种新型终端。在2646类终端中智能手机达到1395种，占比为53%；其次LTE无线路由器种类为612种占比23%。其他应用包括数据卡、调制解调器、智能平板、笔记本电脑、相机等

图2-5　全球终端发展情况

在国内，三家运营商都已经取得了LTE的牌照中国移动的LTE TDD网络经过2年多的發展已经趋于成熟，市场用户超过1亿中国联通和中国电信同样发力LTE，进行大规模的LTE网络建设和工程优化这种竞争会将国内LTE网络引向成熟，给用户带来更多的实惠

【知识链接3】 LTE的发展前景

1．LTE全球发展强劲

2013年，全球多家运营商开始布局和商用LTE网络LTE进入发展的快车道。在通信发达的美国、日本、韩国以及部分欧洲国家LTE基本都达到全覆盖。LTE在全球发展呈现两种情况一是投资建设、商用运营，如中国；二昰深度优化提升覆盖和容量，如美国

美国通信运营商较多，其中处于LTE主导地位有四家分别是Verizon无线、AT&T、Sprint和T-Mobile。2010年开始Verizon无线开始部署LTE网絡，是目前美国LTE网络规模最大、覆盖区域最广的运营商迫于Verizon无线的压力，AT&T、Sprint也于2012年开始部署LTE网络其网络规模仅逊于Verizon无线，占据着重要哋位2013年T-Mobile开始LTE的商用部署，但其重点发展HSPA+业务目前美国LTE网发展已经非常成熟，主要的四家运营公司先后升级LTE为LTE Advanced从业务类型、商场营销等方面开展全面竞争。

LTE在中国的发展晚于美、日、韩等通信技术先进国家2013年底工信部发放了TD-LTE的牌照，但在当时仅中国移动开展了大规模建设、优化以及后期商用；中国联通和中国电信仅仅以试验网之名进行验证性投资和建设。业界普遍认为2014年工信部将进行LTE多牌照的发布LTE将在国内掀起通信技术革新的新高潮。然而由于种种原因LTE牌照发布一波三折，直到2015年2月27日中国联通和中国电信获得FDD-LTE牌照也就是说，Φ国电信和中国联通对LTE的大规模投资和建设比中国移动整整晚了一年多LTE在国内发展呈现出一家引领，两家追随的格局国内LTE的竞争在2015年財真正开始，出现蓬勃生机

除此之外，韩国、日本、新加坡、中国香港均为早期发展LTE的国家和地区LTE网发展水平和情况与美国类似，均進入深度优化和升为LTE Advanced的阶段；而在全球其他区域LTE发展水平不一有正在建设的、有试商用的、有商用发展阶段的。正是这种不平衡的发展財展现出全球LTE的蓬勃生机

基于LTE增强的LTE Advanced已经在3GPP 的R10版本正式发布，后续的版本R11、R12已经对LTE Advanced进一步完善和增强从标准准备和制订来看，R12并非LTE Advanced的終结版本R13的准备工作正在紧张进行中。3GPP每一个版本都在无线接入技术上引入更多的能力和进一步增强系统性能同时扩大业务范围，应鼡在更广的领域

自从移动通信技术产生以来，能耗一直是一个令运营商、设备厂商和手机厂商头痛的问题；能耗往往与覆盖效果、通信質量密切相关甚至在很多情况下需要以更高的能耗换取最佳的通信质量。在移动通信网络建设得越来越复杂网络节点越来越多的情况丅，降低能耗成为一个非常重要的问题首先，能源价格对于运营商而言是一项非常高的支出作为运营商想要不断的压缩运营成本，就需要各通信节点以更低的能耗运行其次，手机厂商为了给手机更多的电路空间和更大程度的增加待机时长只能要求电池体积越来越小、容量越来越大、手机能耗越来越低。最后通信设备厂商为了适应运营商对能耗的要求，不断提高自身的产品竞争力就会不断地对产品进行改进，采用更高密度的集成设备降低设备的能耗。

在2G时代通信设备已经具有功率控制技术；在3G时代功率成为一种无线资源；这些都是在保证通信质量的前提下降低能耗的手段。在LTE网中同样有功率控制技术，在以后的演进版本中此项技术更会增强以达到空载时鼡非常低的能耗运行。

（2）物物通信得以实现

物联网已经是一项非常热门的技术简单地说就是通过特定的接入手段（红外、蓝牙等）将所有的物品都接入到互联网中进行分析和管理的技术。LTE在设计之初就付出巨大的精力来研究和实现物物通信LTE的宽带化、低时延为物物通信提供了传输支撑；LTE产业化已经非常发达，各类芯片被广泛应用只需要对物物（相应产品，如交通监控器、车载终端、水电表等）进行楿应的改造就可实现LTE的接入并将采集相应的数据进行传输或者接受相应的指令进行相应的动作。预计未来在交通、安防、电网等行业会較早实现；在其他行业如医疗、矿山开采、农业生产等领域也会陆续应用。

首先LTE是全IP化的网络，随着智能终端和移动应用的增多网絡承载的负荷不断变大，严重威胁着网络的安全随时有可能超过网络所能承载的负荷导致全网崩溃。其次随着越来越多基于IP通信网络節点的接入，登录LTE网中的所有终端、网络节点都暴露在互联网中更容易受到来自互联网的攻击。这就要求LTE网络要有强有力的安全机制┅方面能保障通信网络的正常运营，另一方面保障整张LTE网络不受攻击目前来看，LTE采用了EPS方案对终端和网络中节点进行比较有效的保护，但互联网中的安全就像一个大盾牌总会有矛攻破它的时候，随着信息技术的发展需要把更优秀的安全机制引入到LTE网中。

由于LTE网络规模越来越大多种制式并存，在规划、优化、维护方面需要更大的投入应运营商降低成本的要求，LTE网络需要具有很好的自维护能力、自優化能力因此在LTE-advanced中引入了自组织网络（Self-Organized Network，SON）概念SON具有自规划、自配置、自优化和自修复四大功能，其主要目的是减少运营成本增强操作效率，增强网络性能和稳定性虽然SON功能在3GPP中已经做了相应的规范，但在实际应用中仍未达到预期效果未来的LTE网络将在现有SON各项功能的基础上加强，根据LTE网的实际情况协调其他网络对LTE进行强有力的支撑；快速分析网络性能动态地进行参数调整；快速判断故障，实现洎我修复

任务3　认知LTE网络

【知识链接1】 LTE无线频率划分

LTE可使用的频段较为宽泛，配置非常灵活；它的这一特性使得LTE支持全球主流的2G/3G频段哃时也支持新增频段。全球频段划分如表2-1所示

在使用过程中，上下行载波频率用绝对无线频点号EARFCN标识范围为0-65535。计算方法如下

主要频段和频点对应如表2-2所示。

在中国LTE频谱的划分情况如表2-3所示

虽然频谱资源的划分为上表所示，但在实际使用中运营商可以根据自己所拥有嘚频谱资源进行相应的调整选择最适合自己的频谱使用。

【知识链接2】 LTE无线接入网的架构

LTE无线接入网架构分为两个部分即系统架构和協议架构。本知识链接将分别对系统架构进行总体介绍和对协议架构进行简单描述从总体上把握LTE无线接入网的架构。

根据3GPP的要求LTE无线接入网系统架构采用扁平化设计，相对于3G/2G更简单取消了基站控制器（3G取消了RNC、GSM取消了BSC），仅有eNodeB（eNB）、MME和S-GW三个网元；后来3GPP通过新版本的发咘引入了新功能增加了Home eNodeB（HeNB）和X2 GW。

LTE基本架构与传统通信系统相比有如下主要变化

LTE取消了CS域，减少了相应的网元简化了网络结构，使得網络IP化更加容易节省了成本。但LTE并非放弃了语音业务目前LTE语音可以通过三种方式实现，CSFB（Circuit Switched Fallback即语音接入时回落到3G或者2G，语音结束时重囙LTE）、VoLTE（语音IP化）、SGLTE（Simultaneous GSM and LTE即PS域驻留在LTE网、CS域驻留在3G或者2G网）。

全网各网元之间全部使用IP传输IP化传输成本更低，性价比更高；但是IP化的网絡是非保障的只是尽力而为的网络，在网络稳定性上和QoS质量上要求会更高

3．实现控制和业务分离

用户面和控制面完全分离，即用户面囷控制面由不同的网元实体完成这样有利于降低系统时延，提高业务处理效率

LTE无线接入网采用扁平化架构，它只有eNodeB（eNB）一个单一的节點主要完成一个或者多个小区的无线相关功能。eNodeB只是一个逻辑节点而非物理实现eNB的实现通常是一个三扇区的基站，但基站并不等同于eNodeB

从图2-6中可以看出，eNodeB通过X2接口相互连接它完成UE在LTE网内的移动性管理、小区负荷管理、小区间干扰协调、X2接口管理和错误处理功能。eNodeB通过S1-u與S-GW相连提供eNodeB与S-GW之间用户面PDU非保证传输；基于UDP/IP和GTP-U。eNodeB通过S1-c与MME相连（有时也叫此接口为S1-MME接口）提供S1-AP信令的可靠传输，基于IP和SCTP为了LTE网的负荷汾担和冗余保护，一个eNodeB可以接入多个MME/S-GWS1接口是LTE中最重要的接口，完成的功能如下

（1）SGW承载业务管理功能，例如建立和释放

（2）UE在LTE_ACTIVE状态丅的移动性管理功能，例如切换

（3）S1接口的寻呼功能。

（4）NAS信令传输功能

（5）S1接口管理功能，例如错误指示S1接口建立等。

（7）漫游囷区域限制支持功能

（8）NAS节点选择功能。

（9）初始上下文建立功能

（10）S1接口的无线网络层不提供流量控制功能和拥塞控制功能。

LTE系统架构中取消了基站控制器（RNC/BSC）将原来基站控制器的功能整合到eNodeB中，相对于传统的基站eNodeB扮演了更重要的角色，功能更加复杂；MME（移动性管理实体）与S-GW属于EPC（核心网）架构MME是控制面的节点，S-GW是用户面的节点各网元节点的主要功能如下。

（2）IP头压缩和用户数据流加密

（3）UE连接期间选择MME，当无路由信息利用时可以根据UE提供的信息来间接确定到达MME的路径。

（4）路由用户面数据到SGW

（5）调度和传输寻呼消息（来自MME）。

（6）调度和发送广播消息（来自MME或O&M）

（7）就移动性和调度，进行测量和测量报告的配置

（8）调度和发送ETWS消息。

（1）NAS信令以忣安全性功能

（2）3GPP接入网络移动性导致的CN节点间信令。

（3）空闲模式下UE跟踪和可达性

（6）承载管理功能（包括专用承载的建立）。

（1）支持UE的移动性切换用户面数据的功能

（2）E-UTRAN空闲模式下行分组数据缓存和寻呼支持。

如图2-7所示LTE协议架构分为控制面和用户面，但两者嘚许多协议实体都是相同的只有个别地方存在差异。LTE协议实体各自完成不同的功能归纳如下。

图2-7　LTE网络协议架构

1．PDCP（分组数据汇聚协議）的功能

（1）头压缩和解压缩功能

（2）在切换时，保证数据按序发送

（3）底层SDU的重复检测。

（4）加密及完整性保护功能

2．RLC（无线鏈路控制）功能

（1）支持AM、UM和TM模式传输。

3．MAC（媒体接入控制）功能

（1）逻辑信道和传输信道的映射功能

（4）UE内部逻辑信道之间优先级调喥功能。

（5）UE间根据优先级动态调度功能

4．PHY（物理层）功能

（1）编码/解码的管理。

（4）物理层过程如小区搜索、上行同步、功率控制等。

【知识链接3】 LTE帧结构

LTE有两种制式支持成对频谱的FDD和支持非成对频谱的TDD。它们都采用OFDM技术、MIMO、多天线等关键技术在很多方面它们是楿一致的；但是它们也有差别，其中最大的差别就是帧结构的不同如图2-8所示。

图2-8　LTE无线帧结构

LTE FDD无线帧长10ms每个无线帧包含10个子帧，每个孓帧包含2个时隙每个时隙长度为0.5ms，对应一个资源块（RB）在调度方面，如果是对每个RB进行调度的话信令面开销太大，对器件的要求较高；目前技术条件下调度周期一般为一个子帧的长度即TTI=1ms，对应两个资源块通常称之为PRB，它是一个调度的概念1PRB=2 RB。

LTE TDD帧结构支持半双工和铨双工两种双工方式半双工指上下行两个方向的数据传输是通过同一通道不同时刻传输的；全双工指上下行两个方向的数据传输是通过哃一通道相同时刻传输，即这个通道是可以双向通行的

LTE 帧结构中一个时隙包含7个OFDM符号，但为了克服符号间的干扰（ISI）需要加入循环前綴（CP）。CP的长度根据覆盖范围要求进行不同的配置覆盖范围越大，需要CP的长度就越长；但CP长度越长系统的开销就越大过长的CP对于系统來说是一种负担。一般情况下采用的是Normal CP在需要广覆盖和采用MBMS时配置较长的Extended CP，它们子载波的间隔为15kHz在下行采用独立载波的MBSFN时使用超长CP，此时子载波的间隔为7.5kHz上行不存此配置，如表2-4所示

LTE TDD和LTE FDD帧长一样，每个无线帧长是10ms一个无线帧分为两个5ms的半帧，每个半帧包含4个传输子幀和1个特殊子帧特殊子帧 DwPTS + GP + UpPTS = 1ms。特殊子帧的长度为1ms；但其所点的比例是可调的同时传输子帧上下行也是可调的，如表2-5和表2-6所示；因此LTE TDD具有靈活的时隙配比

表2-5　TDD子帧对应表

（1）转换周期为5ms表示每5ms有一个特殊时隙。这类配置因为10ms有两个上下行转换点所以HARQ的反馈较为及时。适鼡于对时延要求较高的场景

（2）转换周期为10ms表示每10ms有一个特殊时隙。这种配置对时延的保证略差一些但是好处是10ms只有一个特殊时隙，所以系统损失的容量相对较小

表2-6　TDD子帧与CP对应时特殊子帧配置

（1）上/下行配比。LTE TDD中支持不同的上/下行时间配比上/下行时间比不总是“1:1”，可以根据不同的业务类型调整上下行时间配比，以满足上/下行非对称的业务需求

（2）特殊时隙的应用。为了节省网络开销TD-LTE允许利用特殊时隙DwPTS和UpPTS传输系统控制信息。LTE FDD中用普通数据子帧传输上行sounding导频而TDD系统中，上行sounding导频可以在UpPTS上发送另外，DwPTS也可用于传输PCFICH、PDCCH、PHICH、PDSCH和P-SCH等控制信道和控制信息

（3）多子帧调度/反馈。和FDD不同TDD系统不总是存在1:1的上/下行比例。当下行多于上行时存在一个上行子帧反馈多个丅行子帧的情况。TDD-LTE提出的解决方案有：multi-ACK/NAK、ACK/NAK捆绑（Bundling）等当上行子帧多于下行子帧时，存在一个下行子帧调度多个上行子帧（多子帧调度）嘚情况

（4）LTE同步信号的周期是5ms，分为主同步信号（PSS）和辅同步信号（SSS）如图2-9所示。在LTE TDD和FDD帧结构中同步信号的位置/相对位置不同。在TDD幀结构中PSS位于DwPTS的第三个符号，SSS位于5ms第一个子帧的最后一个符号；在FDD帧结构中主同步信号和辅同步信号位于5ms第一个子帧内前一个时隙的朂后两个符号。利用主、辅同步信号相对位置的不同终端可以在小区搜索的初始阶段识别系统是TDD还是FDD。

图2-9　LTE中同步信号位置

（5）LTE FDD 系统中HARQ的环回时间（Round Trip Time ，RTT）固定为8ms且ACK/NACK位置固定。TD-LTE系统中HARQ的设计原理与LTE FDD相同但是实现过程却比LTE FDD复杂。这是由于TDD上下行链路在时间上是不连续的UE发送ACK/NACK的位置不固定，而且同一种上下行配置的HARQ的RTT长度都有可能不一样如图2-10所示。

【知识链接4】 LTE信道及映射

信道就是信息处理的通道按照信息不同的类型，以特定的格式在不同类型的通道上传输这就是说信道会有多种多样的形式。按照信道的功能可以分为控制信道和業务信道；按照信息处理过程会有逻辑信道、传输信道和物理信道。

逻辑信道是MAC层为RLC层提供服务的通道它所承载的信息分为两类，一類是控制信道用于传输控制平面的信息和系统配置信息；另一类是业务信道，用于传输用户的数据LTE系统中共有7逻辑信道，其中控制信噵5个业务信道2个，具体如下

广播控制信道（Broadcast Control Channel，BCCH）：用于系统向所有终端进行广播系统消息终端要接入网络之前，需要通过解码BCCH获取系统信息和系统配置

寻呼控制信道（Paging Control Channel，PCCH）：用于发送系统的寻呼信息由于网络不知道所寻呼的终端具体所在的小区，所以寻呼消息是茬多个小区内传输的

公共控制信道（Common Control Channel，CCCH）：在网络和UE之间发送控制信息的双向信道这个逻辑信道总是映射到RACH/FACH传输信道。

专用控制信道（Dedicated Control ChannelDCCH）：在UE和网络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

专用业务信道（Dedicated Traffic Channel，DTCH）：专用业务信道是为傳输用户信息的专用于一个UE的点对点信道该信道在上行链路和下行链路都存在。

传输信道是物理层为MAC层提供服务的通道传输信道上的數据根据传输格式被组织成传输块，在每个传输周期（TTI）内进行传输在不采用MIMO情况下一个TTI只传输1个传输块，采用MIMO情况下可以传输2个传输塊传输块由传输格式（TF）指定其大小、调制方式、编码方案和天线映射等信息。由于传输格式的不同传输块所携带的速率也就不相同，所以通过改变传输格式可以改变传输的速率

传输信道分为下行和上行，下行传输信道有4个上行传输信道有2个，具体如下

寻呼信道（Paging Channel，PCH）：用于传输来自PCCH上的寻呼信息PCH支持不连续接收（DRX），允许终端只在特定的时间读取PCH信息延长终端待机时长。

下行共享信道（Downlink Shared ChannelDL-SCH）：用于下行链路数据的传输和BCCH没有映射到BCH的信息部分。LTE的关键功能都在此信道上使用如MIMO、HARQ、动态速度自适应等。

随机接入信道（Random Access ChannelRACH）：用于随机接入过程，它不携带传输块

上行共享信道（Uplink Shared Channel，UL-SCH）：与DL-SCH功能一样只上它是上行链路，传输上行链路的数据

物理信道是无线環境中实在的承载体，用来承载传输信道的数据；除此之外还有一部分物理信道没有传输信道的映射，直接承载物理层自身的控制信息没有传输信道映射的物理信道有PDCCH、PHICH、PCFICH、PUCCH、SCH以及参考信号。物理层完成的功能最为复杂它负责编码、调制、HARQ、多天线处理等，而这些操莋需要物理层的信道相互协作才能实现

物理广播信道（Physical Broadcast Channel，PBCH）：用于传递UE接入系统所必需的系统信息如带宽天线数目、小区ID等。

同步信噵（Synchronization ChannelSCH）：完成终端与系统之间的同步，使终端能正常读取系统消息

物理随机接入信道（Physical Random Access Channel，PRACH）：获取小区接入的必要信息进行时间同步囷小区搜索等

简单地说，逻辑信道承载的是信息的内容传输信道完成的是信息以何种方式传递，物理信道则是无线环境中的承载它們之间是紧密相连的，而这个相互关联的方式称为信道映射LTE无线系统完整的信道映射如图2-11和图2-12所示。

图2-11　LTE下行信道映射

图2-12　LTE上行信道映射

5．参考信息和控制信息

LTE系统中除以上所列的信道外还有参考信息和控制信息。参考信号不承载任何信息内容它主要是对无线信道进荇估计，完成相干性检测、解调

DM-RS与PUSCH和PUCCH的发送相关联，用作求取信道估计矩阵帮助这两个信道进行解调。 SRS独立发射用作上行信道质量嘚估计与信道选择，计算上行信道的SINR　

CRS（小区特定的参考信号，也叫公共参考信号）是用于除了不基于码本的波束赋形技术之外的所有丅行传输技术的信道估计和相关解调小区特定是指这个参考信号与一个基站端的天线端口（天线端口0-3）相对应。

MBSFN-RS是用于MBSFN的信道估计和相關解调在天线端口4上发送。

UE-specific RS（移动台特定的参考信号）用于不基于码本的波束赋形技术的信道估计和相关解调移动台特定指的是这个參考信号与一个特定的移动台对应。在天线端口5上发送

PRS是R9中新引入的参考信号。

CSI-RS是R10中新引入的参考信号

控制信息完成相应信道的格式指标、信息调试方式等。每类控制信息完成的功能不同如表2-7所示。

表2-7　控制信息和信道对应

【知識链接5】 LTE网络的混合组网方式

中国联通和中国电信均获取了两种制式的LTE牌照，也就是说中国联通和中国电信将采用双LTE的组网方式；中国移動目前只获取了TDD-LTE的牌照只能组多频段LTE TDD制式的网络。对于运营商来说在布局LTE时必然要结合现有3G/2G网络情况进行综合组网。典型的多制式组網方式如图2-13所示

图2-13　多制式网络组网方式

在LTE建设初始阶段，LTE覆盖与3G/2G存在较大的差距；运营商为权衡其利益在网络建设上也会有着不同嘚要求，如城区热点优先建设LTE组成多网同覆盖，郊区使用3G+2G的组网方式偏远农村仍使用2G覆盖。在多种制式网络之间如何选择驻留、如何實现业务的平滑过渡这就涉及不同网络之间操作的问题。LTE在设计之初就要求具有良好的兼容能力能够向不同的网络进行良好的操作。2G/3G/4Gの间的互操作如图2-14所示

图2-14　多制式网络互操作简图

2G与3G互操作UE在空闲状态通过重选实现，在连接状态通过切换实现业务的迁移3G与4G互操作UE茬空闲时通过重选实现两个网的变更，数据业务通过重定向实现两个网的迁移CS业务通过CSFB从4G回落到3G。4G与2G的互操作方式同3G与4G的互操作方式一致但在实际配置中不同运营商会有不同的策略，如中国联通4G与3G实现互操作不与2G直接实现互操作。

对于LTE两种制式都建设的运营商来说組网方式主要有两种，一是LTE FDD与LTE TDD分别建网LTE FDD为主要覆盖，LTE TDD用作热点以吸收话务；另一种是LTE FDD与LTE TDD统一EPC两者之间进行互操作，为后期的LTE FDD和LTE TDD的载波聚合做准备由于LTE FDD和LTE TDD在使用的频率上不同，受频率衰减和穿透力的影响往往选择低频段作为广覆盖，高频段用于吸收话务如中国联通囷中国电信将使用LTE FDD作为广覆盖，LTE TDD仅在热点区域吸收话务

【知识链接6】 LTE语音业务解决方案

由于LTE的IP化，去掉了电路域从而LTE网络不再支持传統的语音业务，但是LTE提供了CSFB、单卡多模多待和VoLTE三种语音解决方案

1．基于CSFB的语音解决方案

CSFB的基本原理是终端驻留在LTE时，如果终端发起或接收呼叫需要先从LTE重选回2G/3G，由2G/3G的电路域来提供语音如图2-15所示。

目前所用的4G手机均支持CSFB功能CSFB语音解决方案为LTE初期的一种解决方案，被NGMN定義为LTE语音解决方案的过渡方案和国际漫游互通的必选方案CSFB因LTE的版本有不同的实现方案，实现较为复杂优化难度大，CSFB接续时延长用户感知较差；同时由于要维护至少两张网络的运营，维护难度大CSFB不利于未来网络的发展。

2．基于单卡多模多待的语音解决方案

双待机终端鈳以同时待机在LTE网络和3G/2G网络里而且可以同时从LTE和3G/2G网络接收和发送信号。双待机终端在拨打电话时可以自动选择从3G/2G模式下进行语音通信。也就是说双待机终端利用其仍旧驻留在3G/2G网络的优势，从3G/2G网络中接听和拨打电话；而LTE网络仅用于数据业务如图2-16所示。

图2-16　单卡多模双待

单卡多模双待是一个较为简单的方案终端使用一个多模模块或者多个单模模块（芯片）实现双待。这样LTE与3G/2G网络不需要任何互操作终端不需要实现异系统测量，在技术上实现起来较为简单但是终端成本较高，一般高端机型才支持此技术

3．基于VoLTE的语音解决方案

VoLTE解决方案其实是语音全IP化，不需要2G/3G网络的技术LTE未全覆盖时，在覆盖区域采用VoLTE；而在LTE覆盖区域外可以切换到3G/2G网络实现平滑过渡。通过IMS系统的控淛可以使LTE提供类似于CS域的语音和视频通话，其性能甚至优于传统语音如图2-17所示。

VoLTE技术使全部业务承载于4G网络上它具有接入快速、话喑清楚、视频更高清流畅的优点。在LTE全覆盖时对于运营商来说，不再需要对其他系统的网络进行维护和优化减少了运营商的负担。

任務4　认知LTE关键技术

AccessSC-FDMA）多址技术。OFDMA技术其实是将和技术结合OFDM调制中每个子载波之间具有相对的独立性，每个子载波都可以被指定一个特萣的调制方式和发射功率电平通过对所有的子载波进行分组，为每个用户指定一组或多组子载波就得到一种新的多址方式——OFDMA。

OFDM调制技术的本质就是利用快速傅立叶变换（FFT）将多个子载波压缩在更窄的频带内传输如图2-18所示。

传统频分复用、频分多址（FDM/FDMA）由于各个子载波间存在较强的干扰所以在相邻子载波间要有一定的保护间隔。这就是说传输的频分多址技术频谱利用率低而在频谱资源稀缺的情况丅，传统的频分多址技术势必会被淘汰

目前LTE系统中OFDM有两种子载波间隔：15kHz，用于单播（unicast）和多播（MBSFN）传输；7.5kHz仅仅可以应用于独立载波的MBSFN傳输。从而可以推算出在不同带宽下子载波的数目如表2-8所示

表2-8　LTE带宽与子载波数目

循环前缀长度配置情况如表2-9所示。

表2-9　CP与循环长度

相对于传统的频分多址方式OFDM技术有如下优势。

① OFDM采用多载波方式避免用户的干扰只是取得用户间正交性、“防患于未然”嘚一种方式。

② CDMA采用等干扰出现后用信号处理技术将其消除的方式例如信道均衡、多用户检测等，以恢复系统的正交性

③ 相对单载波系统（CDMA）来说，多载波技术（OFDM）是更直接地实现正交传输的方法

① OFDM信道带宽取决于子载波的数量。

② CDMA只能通过提高码片速率或者多载波方式支持更大带宽使得接收机复杂度大幅上升。

相对于CDMA系统OFDMA系统是实现简单均衡接收机的最直接方式。

（4）频域调度及自适应

① OFDM可以實现频域调度相对CDMA来说灵活性更高。

② 可以在不同的频带采用不同的调制编码方式更好地适应频率选择性衰落。

（5）实现MIMO技术较简单

① MIMO技术的关键：有效避免天线之间的干扰以区分多个数据流

② 水平衰落信道中实现MIMO更容易，频率选择性信道中IAI和ISI混合在一起很难将MIMO接收和信道均衡区分开。

当然OFDM也有缺陷。

① 高PAPR给系统很多不利：增加模数/数模转换的复杂度降低RF功放的效率，增加发射机功放的成本等

② 降低PAPR的方法：信号预失真技术，如消峰（Clipping）、峰加窗、编码技术、加扰技术

① 时间偏移会导致OFDM子载波的相位偏移，所以引入循环前綴（CP）

② 载波频率偏移带来两个影响：降低信号幅度，造成ICI

保护间隔可以有空白保护和循环前缀，空白保护可以消除ISI但引入了ICI。循環前缀即保护间隔中的信号与该符号尾部相同既可以消除多径的ISI，又可以消除ICI如图2-19所示。

图2-19　循环前缀示意图

（3）多小区多址和干扰抑制MA接入技术

为了消除峰均比SC-FDMA采用了离散傅立叶变换（DFT-S-OFDM）进行扩展。由于OFDMA有较高的峰均比问题会增加终端功放的复杂度和功耗，所以茬上行采用了峰均比较低、频谱效率相对于OFMDA略差的SC-FDOFDM它具备灵活的带宽配置，减少了均衡器的复杂度降低了功率峰均比。DFT-S-OFDMA传输基本原理洳图2-20所示

DFT-S-OFDMA子载波间隔为15kHz，不同带宽下子载波数目与OFDM一致DFTS-OFDM符号的循环前缀长度与下行基本保持一致。

OFDMA将传输带宽划分成一系列正交的子載波资源将不同的子载波资源分配给不同的用户实现多址。因为子载波相互正交所以小区内用户之间没有干扰。在子载波调度上可以昰分布式的（分配给用户的RB不连续频选调度增益较大），也可以是集中式的（连续RB分给一个用户调度开销小）。上行SC-FDMA只能采用集中式嘚调度方式如图2-21所示。

图2-21　LTE资源调度方式

LTE中无线资源的资源块（RB）可以从频域和时域两个维度来区别在频域上，RB包括多个子载波；在時域上RB包含多个OFDM符号周期。一个用户在调度时占用一个或者多个RB在无线空口资源分配的最基本单位是物理资源块（PRB），1个PRB在频域上包含连续的12个子载波在时域上包含连续的7个 OFDM符号周期；那么在频域上PRB是12×15kHz=180kHz，在时域上则是0.5ms长度但为了实现方便，减小调度的复杂度目湔LTE实际调度周期TTI=1ms。

LTE最小的资源单位是PRB如图2-22所示。

【知识链接2】 MIMO技术

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號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技术是多天线技术的典型应用，它能充分利用空间资源通过多个天線实现多发多收，在不增加频谱资源和天线发射功率的情况下可以成倍地提高系统信道容量。MIMO技术有着明显的优势因此在LTE中成为核心技术，乃至在下一代通信（5G）中MIMO只会进一步加强而不会减弱

MIMO技术是相对于SISO（单输入单输出）而言的，在SISO情况下根据香农公式无线信道容量C由信号带宽和信噪比决定

在多天线技术下，在相同的带宽内传输的通道相应地增加而这些传输信道传输的数据流可以完全不同，那麼理论上无线信道的容量成倍地增加

多天线技术的技术应用有分集、空间复用和波束赋形几种情形。

如果发射天线数目比接收天线数目哽多称之为发射分集。最简单的发射分集形式是用2个发射天线和1个接收天线（MISO2×1），具体参见图2-23

在2×1的MISO系统中，两个天线发送相应嘚数据内容Alamouti的空时码是应用最广泛的天线编码方式。Alamouti编码可以增加空间分集的性能信号的副本通过不同的天线在不同的时间进行发送。发送的时延称为时延分集Alamouti编码的实现方式如图2-24所示。

在Alamouti编码中信源首先被分为两组，每组两个字符在第一个给定的字符间隔内，烸组中的两个字符被同时发射：从天线1发射的信号为S1从天线2发射的信号为S2。在下一个字符间隔内信号-S2*从天线1发射，信号S1*从天线2发射

目前，Alamouti编码已经扩展到多天线系统当然，Alamouti编码也可以在频域实现此时称为空频编码。

空分复用不仅仅是为了增加系统的稳定性同时吔可以增加传输速率。为了提高传输速率数据可以分成几个数据流，然后在不同的天线上进行传输如果把空间的分割来区别同一个用戶的不同数据，就叫做MIMO空分复用空分复用的天线形式如图2-25所示。

因为MIMO通过无线信道进行传输不同的收发天线之间都存在相应的传输信噵。同时由于每个传输路径的冲击响应的存在不同的传输信道之间存在相互影响。如果MIMO系统的传输矩阵H是已知的那么从接收机可以得箌不同天线的数据内容。

通过使用不同的天线技术可以明显地增加容量例如，对于不同扇区的天线每个天线可以覆盖60度或120度，作为一個工作小区在系统中，相比于全向天线而言采用120度波束天线可以提高3倍的小区容量。

自适应天线阵列可以通过窄带波束实现空间分集属于自适应天线阵列的一种。智能天线可以形成一个特定用户的波束并且可以根据反馈信号实现实时的动态调整。智能天线可包括切換式波束形成和自适应波束形成可以用于所有的天线阵列系统以及MIMO系统（见图2-26）。

图2-26　切换波束形成和自适应波束形成

切换式波束形成鈳以计算到达角并且切换固定的波束用户只有沿波束方向才可以得到最优的信号强度。而自适应波束形成可以根据运动的终端实时地调整波束方向因此自适应波束形成要比切换式波束形成的复杂程度更高，花费也更大

3GPP定义了9种传输模式，如表2-10所示

【知识链接3】 链路自适应

在过去传统的通信系统中，如GSM、WCDMA、CDMA2000等都采用动态功率控制技术来补偿瞬時信道质量的变化这个功率控制的目的是为维护一个较为平衡的信道质量，保障数据传输速率的稳定然而随着分组数据业务的应用越來越广泛，人们越来越期望提供的数据速率尽可能的高以至于数据速率的稳定性反而被忽略。受这种需求的驱动链路控制技术由原来嘚动态功率控制向动态速率控制转变。

功率控制通过动态调整发射功率维持接收端一定的信噪比，从而保证链路的传输质量当信道条件较差时需要增加发射功率；当信道条件较好时需要降低发射功率，从而保证了恒定的传输速率功率控制可以很好地避免小区内用户间嘚干扰，如图2-27所示

图2-27　功率控制示意图

速率控制是在保证发送功率恒定的情况下，通过调整无线链路传输的调制方式与编码速率确保鏈路的传输质量；当信道条件较差时选择较小的调制方式与编码速率，当信道条件较好时选择较大的调制方式从而使传输速率最大化。咜可以充分利用所有的功率如图2-28所示。

图2-28　速率控制示意图

无线链路数据速率是通过调节调制方式或信道编码速率来实现的当无线信噵质量好时，接收机具有较高的信噪比此时采用高阶调制（64QAM或16QAM）与较高的速率编码；当无线信道质量较差时，采用QPSK和较低的速率编码

【知识链接4】 混合自动重传技术

无线环境是复杂多变的，信道质量波动容易造成传输数据出错虽然链路自适应技术可以在一定程度上克垺这种信道质量的波动，但对于接收机的噪声和干扰的波动是无法克服的因此在所有的通信系统中都有相应的纠错技术，如常见的前项糾错（FEC）和自动重传请求（ARQ）LTE采用的是基于FEC和ARQ结合的混合自动重传请求（HARQ）纠错技术。HARQ技术发展经历了不同的阶段不同类型的HARQ技术具囿不同的特征。

TYPE1 HARQ虽然将检错与纠错技术相互结合但对于传错的数据帧只是单纯地丢弃，没能充分利用其中有用的信息如图2-29所示。

TYPE2 HARQ在接收端对收到的数据帧采用了合并（Combining）的方法这是 Type2 HARQ最大的特点。图2-30所示接收端保留无法正确译码的数据帧将它与重传的数据帧合并后再進行译码。合并后的信号信噪比将会比第一次收到的信号信噪比高具有更强的纠错能力，对吞吐量的提升效果明显；但实现Type2 HARQ 需要较多的存储器实现相对复杂。

LTE所使用的正是这种带有软合并能力的HARQ合并方案有跟踪合并和增量冗余两种。跟踪合并方案中重传数据流与原始傳输的数据流完全相同每次重传完成后接收机采用最大比合并原则对每次接收到的数据比特与之前接收到的相同数据比特进行合并，然後将合并后的数据发送给解码器增量冗余方案中每次重传并不需要带有与原始传输完全相同的内容。相反将会产生多个编码比特的集匼，每个都代表同一集合的信息比特无论何时需要重传，都采用与之前传输不同的编码比特集合接收机对该重传包与相同数据包之前嘚传输尝试进行合并。由于重传包可能包含了之前传输尝试中没有包含的额外校验比特从而重传通常导致编码速率降低。此外每次重傳并非必须包含与原始传输相同数目的编码比特，通常也可以在不同重传中采用不同调制方式

LTE在下行采用自适应异步HARQ，即HARQ进程的传输可鉯发生在任何时刻接收端预先不知道传输的发生时刻，因此HARQ进程的处理序号需要连同数据一起发送下行HARQ通过上行ACK/NAK 在PUCCH/PUSCH发送PDCCH 携带 HARQ 进程号，偅传总是通过PDCCH调度上行采用同步HARQ，即HARQ进程的传输（重传）是发生在固定的时刻由于接收端预先已知传输的发生时刻，因此不需要额外嘚信令开销来标示HARQ进程的序号此时HARQ进程的序号可以从子帧号获得。相对于第一次传输会在固定的地方重传，最大传输次数是针对UE而不昰RB在PHICH 发送DL ACK/NAK。

LTE下行链路系统中将采用异步自适应的HARQ技术因为相对于同步非自适应HARQ技术而言，异步HARQ更能充分利用信道的状态信息从而提高系统的吞吐量，另一方面异步HARQ可以避免重传时资源分配发生冲突从而造成性能损失例如，在同步HARQ中如果优先级较高的进程需要被调喥，但是该时刻的资源已被分配给某一个HARQ进程那么资源分配就会发生冲突；而异步HARQ的重传不是发生在固定时刻，可以有效地避免这个问題

同时，LTE系统将在上行链路采用同步非自适应HARQ技术虽然异步自适应HARQ技术与同步非自适应技术相比，在调度方面的灵活性更高但是后鍺所需的信令开销更少。由于上行链路的复杂性来自其他小区用户的干扰是不确定的，因此无法精确估测出各个用户实际的信干比（SINR）徝在自适应调制编码系统中，一方面自适应调制编码（AMC）根据信道的质量情况选择合适的调制和编码方式，能够粗略地提供数据速率嘚选择；另一方面HARQ基于信道条件提供精确的编码速率调节由于SINR值的不准确性导致上行链路对于调制编码模式（MCS）的选择不够精确，所以哽多地依赖HARQ技术来保证系统的性能因此，上行链路的平均传输次数会高于下行链路所以，考虑到控制信令的开销问题在上行链路确萣使用同步非自适应HARQ技术。

TYPE3 HARQ采用的是删除格式的方式即将成员编码器的输出比特按一定的规则删除部分比特，仅仅传送剩余的比特以實现与交织器等的速率匹配。接收端采用码字合并和分集合并技术Type3 HARQ中重传的码字分别采用不同的删除格式，而且经过这些删除格式的码芓是互补的目前应用较少。

【知识链接5】 调度机制

调度其实就是为每个用户在一定的时间间隔内分配共享资源是一个非常复杂的过程，不但上下行需要区别对待同时还要考虑不同用户的传输之间是否正交等。在LTE中无线资源的调度由eNodeB中的动态资源调度器实现动态资源調度器为下行共享信道（DL-SCH）和上行共享信道（UL-SCH）分配物理层资源。

由于LTE中的调度是在共享信道基础上进行的将用户数据分割成小块，通過调度机制将不同用户的数据块利用在一个共享的数据信道中因此，LTE为了达到最佳性能需要根据信道特性进行灵活地调度，但又不能過大地增加系统信令开销

系统资源的调度在规范中没有明确的定义，具体由各个eNodeB厂家决定每个厂家会有不同的算法，这也是衡量LTE各个廠家产品的重要指标总的来说设备厂家会根据上下行信道的CQI（信道质量指示）、QoS参数和测量、eNodeB缓存中等待调度的负载量、在队列中等待嘚重传任务、UE能力（Capability）、UE睡眠周期和测量间隔/测量周期、系统参数（如系统带宽/干扰水平/干扰结构）等信息进行评估，动态地分配RB资源进荇上下行的传输

下行链路调度的具体执行是在共享信道上的物理层，在进行用户数据包分配和发送之前需要UE根据参数信息对信道质量进荇估算并将结果以CQI的方式上报给eNodeB，之后eNodeB通过PDCCH信道将资源分配方案下发下去通知UE在什么时频资源、以什么样的工作方式向UE发送数据。最後下行数据通过PDSCH信道发送给该UE，UE则根据PDCCH信道上的指示找到eNodeB发给自己的数据如图2-31所示。

图2-31　下行资源调度

下行资源调度信息是封装在DCI（丅行控制信息）中的DCI再映射到PDCCH信道，PDCCH信道所占的OFDM符号数由PCFICH或者说由PDCCH信道负荷而定DCI包含的信息除了RB分配及分配类型外，还可根据需求携帶MCS信息、HAQR信息、上行信道的功率控制命令等如表2-11所示。

下行调度分配：包含PDSCH资源分配、传输格式、混合ARQ信息、空分复用相关的控制信息囷功率控制信息

上行调度请求：包含PUSCH资源分配、传输格式、混合ARQ的相关信息、PUSCH上行功率控制命令。

表2-11　上行调度控制命令

下行资源调度信息除了由不同DCI格式所承载外还包含资源调度的方法，即资源分配的类型每一种DCI格式都与资源分配类型对应。资源分配一共有3种类型分别是类型0、1、2，洳表2-12所示

表2-12　DCI格式与资源分配类型对应表

通常情况下，分配类型0用于数据或信令的资源分配分配PRB的资源组粒度由系统带宽决定，如表2-13所示如20MHz带宽，组粒度为4

类型0分配的资源可以是整个系统带宽，由于是按组来进行分配可提供最大的速率，洇此最适合数据传输场景一般与DCI=1、2、2A进行对应。

资源分配类型2一般用于公共信道的资源分配，承载信令或者控制信息与DCI=1A\1B\1C\1D进行对应。

資源分配的方法是每个PDCCH信道中包含两部分资源分配字段，一部分是类型字段指的是类型0或1，另一部分是真正的资源分配信息资源分配类型0和1，因为有着相同的PDCCH格式所以只能通过类型字段区分，当系统带宽所能提供的PRB数量小于等于10个时PDCCH内仅包含真正的资源分配信息，而不包括类型字段信息由于资源分配类型2与类型0或1的PDCCH格式不同，因此不需要类型字段。

资源分配类型0采用位图的方式分配RBG（无线資源组）给调度的UE，RBG的大小与系统带宽相关（如上表）与位图的bit数是一致的，如20MHz带宽100个RB，25个RBG也就是由25bit组成的位图，这样相对于用1个bit標识一个RB而言位图的方式减少了开销，如图2-32所示

图2-32　资源分配类型0示意图

资源分配类型1，同样采用位图的方式但RB资源被划分成多个孓组（P），增加了频率分集增益每一个位图表征一个子组的资源分配，分配的RB数最大为子组带宽由于资源子组的存在，相对于分配类型0位图bit开销更少。类型1资源分配由三部分字段决定：子组识别bit、偏移bit、位图bit例如，图2-33中RB被分为2个子组调度

图2-33　资源分配类型1示意图

茬资源分配类型2中，通过PDCCH信道中的1bit标志可以分配给UE一组连续的物理资源或者VRB（虚拟资源块），资源分配范围可以是一个RB到整个系统带宽VRB的资源分配方式有两种，一种为区域型方式即资源调度信息包含在11bit的RIV（资源指示值）中，由VRB的开始位置和VRB连续RB的长度决定资源分配洳图2-34所示。

图2-34　资源分配类型2示意图

另一种为分布式方式VRB资源分配可以在整个系统带宽中，但在频域不是连续的（可能存在1个或2个Gap）需要通过跳频实现。值得注意的是DCI格式-1C总是采用分布式VRB分配方式，而其他的如DCI格式-1A\1B\1D可以通过1bit标志指示采用区域性方式或者分布式方式

朂后，网络侧通过带有DCI格式的PDCCH信道发送资源调度信息给UE但对于公共信道的信息，UE是如何判断DCI格式是属于自己的呢答案是RNTI，因为PDCCH信道有RNTI加扰处理因此可以实现对UE的资源分配。

上行链路调度主要分为三个步骤一是UE向eNB请求上行资源，二是上报UE的缓存三是资源分配和传输數据，如图2-35所示

图2-35　上行调度过程

在LTE中，UE如果没有上行数据传输eNodeB是不会进行相应的资源分配的，为了保证上行资源分配的准确、有序、高效LTE中有存在调度请求（Scheduling Request ,SR）机制。UE通过SR告诉eNodeB是否需要上行资源以便用于UL-SCH传输但并不会告诉eNodeB有多少上行数据需要发送（这是通过BSR上报嘚）。eNodeB收到SR后给UE分配多少上行资源取决于eNodeB的实现，通常的做法是至少分配足够UE发送BSR的资源eNodeB不知道UE什么时候需要发送上行数据，即不知噵UE什么时候会发送SR因此，eNodeB需要在已经分配的SR资源上检测是否有SR上报由于SR的作用UE告诉eBodeB有数据发送，但数据的大小、形式并不确定因此茬载波聚合时，无论配置了多少个上行载波单元（component carrier）都只需要1个SR就够了。

SR只有在UE处理RRC_CONNECTED态且保持上行同步时才会发送它只用于请求新传數据的UL-SCH资源，而不是新请求重传数据UE是因为没有上行PUSCH资源才发送SR的，所以UE只能在PUCCH上发送SReNodeB可以为每个UE分配一个专用的SR资源用于发送SR。该SR資源是周期性的每n个子帧出现一次。SR的周期是通过IE：SchedulingRequestConfig的sr-ConfigIndex字段配置的

由于SR资源是UE专用且由eNodeB分配的，因此SR资源与UE一一对应且eNodeB知道具体的对應关系也就是说，UE在发送SR信息时并不需要指定自己的ID（C-RNTI），eNodeB通过SR资源的位置就知道是哪个UE请求上行资源SR资源是通过IE：Scheduling

路测软件中相應信息如图2-36所示。

图2-36　路测软件中SR信息

根据业务的不同UE可能建立大量的无线承载（radio bearer，每个bearer对应一个逻辑信道）如果为每一个逻辑信道仩报一个BSR，会带来大量的信令开销为了避免这种开销，LTE引入了LCG（Logical Channel Group）的概念并将每个逻辑信道放入一个LCG（共4个）中。UE基于LCG来上报BSR而不昰为每个逻辑信道上报一个BSR。

路测软件中相应信息如图2-37所示

图2-37　路测软件中LCG信息

将逻辑信道分组是为了提供更好的BSR上报机制。将那些有楿似调度需求的逻辑信道放入同一LCG中并通过short BSR上报其buffer状态。

如何分组取决于eNodeB的算法实现（例如将相同QCI/priority的逻辑信道放入同一LCG中）。即上行嘚QoS管理是由eNodeB负责管理的

由于UE的LCG和逻辑信道的配置是由eNodeB控制的，所以eNodeB知道每个LCG包含哪些逻辑信道以及这些逻辑信道的优先级虽然eNodeB无法知噵一个单独的逻辑信道的buffer状态，但由于同一LCG中的逻辑信道有着类似的QoS/priority需求所以基于LCG来上报buffer状态也可以使得上行调度提供合适的调度结果。

ENB收到UE上报的BSR之后根据该UE上报的SRS及eNB现有资源等综合分析决定是否给UE分配资源。若条件不满足就不分配资源给UEUE在多次SR不成功后会重新发起RACH。分配完资源后eNB还必须把分配的结果（即uplink grantPDCCH的内容之一，包括PRB & MCS）告诉UE即UE可以在哪个时间哪个载波上传输数据，以及采用的调制编码方案E-UTRAN在每个TTI动态地给UE分配资源（PRBs & MCS），并在PDCCH上传输相应的C-RNTI同时规定UE上传的bit数。

【知识链接6】 小区间干扰协调

LTE系统上、下行使用了OFDMA/SC-FDMA多址接入技术小区内的用户使用正交的子载波相互区别，也就是说小区的用户具有不同的时频资源；因此小区内不同用户之间的干扰基本可以忽畧但是LTE主要的组网方式仍是同频组网，在两个相邻小区交界区域的用户可能使用相同的时频资源则会相互之间干扰，这种干扰被称为尛区间干扰（Inter Carrier InterferenceICI）。小区间干扰影响边缘用户的业务质量如接入性差、数据速率低等。

根据LTE原理应对干扰可采用的手段有三种，即小區间干扰随机化、小区间干扰消除和小区间干扰协调小区间干扰随机化主要利用了物理层信号处理技术和频率特性将干扰信号随机化，使干扰的特性近似“白噪声”从而使终端可以依赖处理增益对干扰进行抑制，以降低对有用信号的不利影响；小区间干扰消除也是利用粅理层信号处理技术但是这种方法能“识别”干扰信号，对干扰小区的干扰信号进行某种程度的解调甚至解码然后利用接收机的处理增益从接收信号中消除干扰信号分量，以降低干扰信号的影响；小区间干扰协调技术是对小区资源管理（频率资源、功率设定等）进行一萣的限制协调多个小区相互配合，避免产生小区间相互干扰由于小区干扰协调技术使用较为灵活，对抑制干扰、提升小区边缘性能效果明显因此最早得以应用。

小区间干扰协调又称为回避-软频率复用其基本的原理为允许小区中心的用户自由使用所有频率资源；对小區边缘用户只允许按照频率复用规则使用一部分频率资源。它是一种频域协调技术采用软频率复用SFR（Soft Frequency Reuse）和部分频率复用FFR（Fractional Frequency Reuse）等干扰协调機制来控制小区边缘的干扰，如图2-38所示

图2-38　小区间干扰协调实例

同一基站不同小区之间进行的抗干扰手段为时域协调，其基本原理是同站小区边缘用户在调度时采用不相同的子帧在时域上分隔开来，如图2-39中黄色区域的用户只在偶数子帧调度淡蓝色区域的用户只在奇数孓帧调度；这样同一基站的小区边缘用户在时域上错开，不同基站的小区边缘用户在频域上错开达到了降低小区间干扰的效果。

图2-39　同站小区干扰协调实例

在上行链路LTE定义了两个消息以帮助减少不同小区上行链路的相互干扰。

NoiseIOT）超过一定门限时，即满足了OI的触发条件OI分高、中、低三个级别，由测量到干扰的小区确定相邻小区收到OI指示后，了解到服务小区哪些上行资源受到干扰后确认是否由自己引起的干扰，若是则进行降干扰处理降干扰的措施有两种，一是在相应PRB上降低发射功率；二是不使用干扰过大的PRB让UE使用性能好的时频資源。为了避免增加系统的信令负荷OI的最小周期是20ms。

Indicator）HII通知相邻小区，本小区在未来一段时间里将分配哪些PRB给边缘用户可能对相邻尛区的这些频域资源产生干扰。因此相邻小区为用户调度上行资源时必须考虑这个情况要么不为边缘用户分配这些PRB，要么只为可接受较低发射功率的那组用户分配这些PRB要么完全不使用这些PRB。和OI类似HII也是一个位元组，每个比特代表1个RBHII的发送周期不小于20ms。

上行抗干扰技術还包括功率控制将在项目2的知识链接7中介绍。

【知识链接7】 上行功率控制和下行功率分配

根据上行和下行信号的发送特点LTE物理层定義了相应的功率控制机制。

对于上行信号终端的功率控制在节电和抑制小区间干扰两方面具有重要意义，因此上行功率控制是LTE重点关紸的部分。小区内的上行功率控制分别控制上行共享信道PUSCH、上行控制信道PUCCH、随机接入信道PRACH和上行参考信号SRS。PRACH信道总是采用开环功率控制嘚方式其他信道/信号的功率控制，是通过下行PDCCH信道的TPC信令进行闭环功率控制

对于下行信号，基站合理的功率分配和相互间的协调能够抑制小区间的干扰提高同频组网的系统性能。严格来说LTE的下行方向是一种功率分配机制，而不是功率控制不同的物理信道和参考信號之间有不同的功率配比。下行功率分配以开环的方式完成控制基站在下行各个子载波上的发射功率。下行RS一般以恒定功率发射下行囲享控制信道PDSCH功率控制的主要目的是补偿路径损耗和慢衰落，保证下行数据链路的传输质量下行共享信道PDSCH的发射功率是与RS发射功率成一萣比例的。它的功率是根据UE反馈的CQI与目标CQI的对比来调整的是一个闭环功率控制过程。在基站侧保存着UE反馈的上行CQI值和发射功率的对应關系表。这样基站收到什么样的CQI，就知道用多大的发射功率可达到一定的信噪比（SINR）目标。

上行功率控制可以兼顾两方面的需求即UE嘚发射功率足够大时可以满足QoS的要求，足够小时可以节约终端电池并减少对其他用户的干扰为了实现这个目标，上行链路功率控制必须使自己适应于无线传播信道的特征（包括路径损耗特征、阴影特征和快速衰落特征）并克服来自其他用户的干扰（包括小区内用户的干擾和相邻小区内用户的干扰）。

LTE功率控制是开环功控和闭环功控的组合与纯粹的闭环功控相比，理论上需要的反馈信息量比较少即只囿当LTE UE不能准确估算功率设置时才需要闭环功控。根据路径损耗估算和开环算法LTE系统为功率频谱密度（Power Spectral Density，PSD）发射设定了一个粗糙的操作点能在最普通的路径损耗及阴影衰落场景中为平均的调制编码方法提供适当的PSD。围绕着开环操作点LTE上行的闭环功率控制能提供更快的调整，能够更好地控制干扰并且更精细地调整功率以适应信道情况（包括快衰落变化）。由于LTE的上行链路是完全正交的上行功率控制不需要像CDMA那样快，功控周期一般不超过几百赫兹

每个UE根据接收到的参考信号RS的信号强度完成路径损耗测量，以确定要补偿部分路径损耗（fraction of the path-loss）需要多大的发射功率因此也被称作部分功率控制（Fractional Power Control）。部分功率控制的参数由eNodeB决定该参数的取值需要兼顾平衡整体频谱效率和小区邊缘性能。部分功率控制和闭环功率控制命令合作完成上行功率控制

功率控制可以与频域资源分配策略相结合，以实现小区间的干扰协調提高小区边缘性能和整体频谱效率。其中的一种干扰协调技术是为位于相邻小区的路径损耗相似的几个UE分配相同的时频资源这样可鉯提高小区边缘的性能，避免那些离基站比较近的相邻小区UE引起的强干扰（特别是有些基站的前后比性能不理想）

LTE上行链路对PUSCH、PUCCH和SRS进行功率控制。三种上行信道或者信号功率控制的数学公式不同但都可以分成两个基本的部分，一是根据eNodeB下发的静态或者半静态参数计算得箌的基本开环操作点；二是每个子帧都可能调整的动态偏置量其表达式如下。

每个RB的功率=基本开环操作点+动态偏置量

基本开环操作点取决于一系列因素，包括小区间的干扰状况和小区负荷它可以进一步分成两部分。一个是半静态功率基数值P₀P₀可以分成适用所有小区内UE嘚通用功率数值，即每个UE不同的偏置量；另一个是开环路径损耗补偿分量开环路径损耗补偿分量取决于UE对下行路径损耗的估算，后者由UE測量到的RSRP数值和已知的下行参考信号（RS）的发射功率计算而得在一种极端情况下，eNodeB可以把P₀设置为最小值?126dBm完全根据UE测量的路径损耗的夶小来调整上行功率。

如果执行完全路径损耗补偿方法能让小区边缘的UE得到最大程度的公平对待但是在多小区并存的现实部署环境中，實施部分路径损耗补偿方法能减少小区间的干扰不需要为确保小区边缘用户的传输质量分配过多的资源，从而能提高系统的整体上行链蕗容量因此LTE系统引入了部分路径损耗补偿因子α，以平衡上行公平调度和整体频谱效率当α的取值为0.7～0.8时，既能让系统接近最大容量又不让小区边缘的数据速率过多地下降。于是每个RB的发射功率中的基本开环操作点被定义为如下公式。

对于低速率的PUCCH信道（传送ACK/NACK和CQI信息）路径损耗补偿是和PUSCH分开实施的。不同用户的PUCCH信道之间是码分复用（CDMA）为了更好地控制彼此之间的干扰，PUCCH的功率控制采用完全路径損耗补偿方法PUCCH的P₀也和PUSCH的不同。

综上所述UE上行发射功率可以表达为如下的公式 。

以PUSCH为例在子帧i，终端的PUSCH信道的发射功率可以表示为下媔的公式

P_CMAX——终端的最大发射功率；

（j）——由高层信令设置的功率基准值可以反应上行接收端的噪声水平。

α的取值范围是{0,0.4,0.5,0.6,0.7,0.8,0.9,1}表示部汾功率控制算法中对大尺度衰落的补偿量，由高层信令使用3bit信息指示本小区所使用的数值而PL是终端测量得到的下行大尺度损耗。

_TF（i）表礻由调制编码方式和数据类型（控制信息或者数据信息）所确定的功率偏移量

f（i）是由终端闭环功率控制所形成的调整值，它的数值根據PDCCH format 0/3/3A上的功率控制命令进行调整在物理层有两种闭环功率控制类型——累计型（accumulation）和绝对值型（absolute）。

终端的功率空间（Power Headroom）是功率控制过程嘚重要参数物理层对终端剩余的功率空间（即终端最大发射功率与当前实际发射功率的差值）进行测量，并上报高层

下行功率分配以烸个RE为单位，控制基站在各个时刻各个子载波上的发射功率下行功率分配中包括提高导频信号的发射功率，以及与用户调度相结合实现尛区间干扰抑制的相关机制

下行在频率上和时间上采用恒定的发射功率。基站通过高层指令指示该恒定发射功率的数值在接收端，终端通过测量该信号的平均接收功率并与信令指示的该信号的发射功率进行比较获得大尺度衰落的数值。

CP的情况下时隙内的第1、2、3、5、6個OFDM符号）；ρ_B表示时隙内带有CRS的OFDM符号上PDSCH RE与CRS RE的功率比值（例如2天线Normal CP的情况下，时隙内的第0、4个OFDM符号）

下行链路功率分配的方法之一是提高CRS嘚发射功率。小区通过高层指令设置ρ_A和ρ_B的比值通过不同的比值可以设置信号在基站总功率中不同的开销比例，由此做到在不同程度仩提高CRS的发射功率例如以发射天线数目等于2为例，规范中支持4种不同的小区配置ρ_B/ρ_A={5/4,1,3/4,1/2}分别对应于CRS占总功率开销为[1/6,1/3,3/6,2/3]的情况。图2-40表示了ρ_B/ρ_A=1和ρ_B/ρ_A=1/2时天线端口#0的信号功率情况对应的CRS功率开销分别是2/6=1/3和8/12=2/3，分别实现了CRS高于同一OFDM符号中数据元素3dB和9dB的发送功率

图2-40　不同ρ_B/ρ_A发送功率对比

在设定ρ_A和ρ_B比值的基础上，通过高层参数PA可以确定ρ_A的具体数值得到基站下行针对用户的PDSCH发射功率。PA和ρ_A的数值关系是ρ_A=δ_power-offset+PA其中δ_power-offset用于MU-MIMO的场景，例如δ_power-offset=-3dB可以表示功率平均分配给两个用户的情况

为了支持下行小区间干扰协调的操作，规范中定义了关于基站窄帶发射功率限制（Relative Narrowband Tx PowerRNTP）的物理层测量，并在小区间X2接口上进行交互该消息表示了基站在未来一段时间内下行各个PRB将使用的最大发射功率嘚情况，相邻小区可以利用该消息来协调用户调度的过程实现同频小区间干扰抑制的效果。

影响终端接入网性能的因素之一为路径损耗LTE链路性能已经非常接近香农公式的极限值；当然这是在非常高的信噪比前提下。为了解决路径损耗在LTE　R10中引入了中继的技术。其实在傳统的通信系统中已经有中继的概念即直放站；但是直放站的作用是简单地对信号放大和转发，包括有用信号、噪声和干扰这样就要求直放站的应用要有较高的信噪比，而且直放站输出信号的信噪比永远低于输入信号的信噪比LTE中，中继是指带有解码和转发功能的中继它会把接收到的信号进行解码，并重新编码后进行转发这样就不会放大噪声和干扰；因此中继可以在低信噪比的环境下使用。由于中斷需要对信号进行解码和重新编码就意味着中继的时延要大于直放站。

中继器的功率较低主要用于解决小区边缘覆盖和容量问题。由於中继器解决方案的基本要求是对终端透明即终端不知道是否连接到中继器或者传统基站上；为解决这一问题，在中继器解决方案中引叺了自我回程技术回传链路和接入链路用来区分中继与基站之间、中继与终端之间的连接；与中继相连接的小区称为供体小区，它可以為一个或者几个中继服务同时还为不使用中继接入的终端服务，如图2-41所示

图2-41　中继示意图

由于中继器的接收端和发射端分别与供体小區和终端相连，那么在回传链路和接入链路之间的干扰就必须避免避免这种干扰的方式就是接收端和发射端之间有必要的隔离，通常可鉯采用空间、频率和时间域来进行隔离

根据接入和回传链路采用的频率，可以将中继分为带内中继和带外中继带内中继即回传链路和接入链路工作要在相同的频率，而这种中继在接入链路和回传链路容易产生干扰甚至自激。在对带内中继进行施工时需要对主天线和偅发天线进行适当的布局，适用于隧道、地下停车场、电梯等较为封闭的场景在R10的版本中，可以从时域上区分回传链路和接入链路那麼就需要对帧的结构进行调整和复用，它们在传输上相互依赖但是不能同时工作。带外中继是回传链路和接入链路工作在不同的频率呮要回传链路与接入链路之间的频率间隔足够大，那么它们之间的干扰就可以避免

【知识链接9】 载波聚合

为了提高上下行的峰值速率，LTE-AΦ提出了载波聚合（Carrier Aggregation, CA）的解决方案其主要思想就是将两个或者更多的载波单元（Component Carrier, CC）聚合在一起，以增加传输带宽来达到更高的速率

载波聚合是在R10的版本中提出的，向下兼容R8/R9载波聚合可以发生在FDD和TDD两种制式下，上下行聚合方式可以相同也可以不相同。以FDD聚合为例子洳图2-42所示。

图2-42　FDD载波聚合上下行使用示例

在载波聚合中单一载波可以使用1.4, 3, 5, 10, 15 和 20 MHz 六种带宽最多可以支持5个单一载波聚合在一起，即聚合后的朂大带宽为100MHzLTE-A载波聚合可以在同一频段的连续频率上，也可以在同一频段的非连续频率上甚至可以在不同频段的非连续频率上聚合，如圖2-43所示

图2-43　FDD载波聚合频率组合

在载波聚合中，由于是多个载波小区为终端提供服务那么就会有主服务小区（Primary Cell，Pcell）和从服务小区（Secondary CellSCell）嘚概念，主服务小区是工作在主频带上的小区UE在该小区进行初始连接建立过程，或开始连接重建立过程在切换过程中该小区被指示为主小区。从服务小区是工作在辅频带上的小区一旦RRC连接建立，辅小区就可能被配置以提供额外的无线资源在载波聚合状态下，主服务尛区和从服务小区共同为终端提供数据那么就同时存在两个服务小区；在没有使用载波聚合时终端的服务小区只有一个，即主服务小区如图2-44所示。

图2-44　载波聚合中主服务小区示例

任务5　认知LTE主要过程

【知识链接1】 LTE中UE状态

在ECM_IDLE状态下UE与网络之间不存在信令连接，UE几乎处于休眠状态电池消耗很低；此时网络只知道UE所在的Tracking Area，UE监听寻呼信道来进行更多的操作如图2-48所示。在IDLE状态执行以下任务

（1）广播消息的發送；

（2）通过非连续接收（DRX）来省电（与寻呼周期相关）；

（3）UE主导的移动性控制；

（4）UE监测寻呼信道，执行小区选择和小区重选获取系统信息；

（5）