LTE原理及关键技术
DTM
2015.07
目录
1．系统架构 (3)
2. 工作频段 (4)
3. 无线协议接口 (7)
4. 上行/下行信道 (9)
5. 物理层帧结构 (11)
6. 上下行时隙比例配置 (12)
7. 传输带宽 (13)
8. 资源分组 (14)
9. 理论数据速率计算 (15)
10. MIMO技术 (16)
1．系统架构
MME：移动管理实体，负责控制面功能，如非接入层信令的加密、完整性保护和安全控制，并对空闲状态下的移动台进行移动性管理，
S-GW：服务网关，负责用户面功能，如终止用户面数据包及用户平面切换
P-GW：分组数据网关，终结和外部数据网络（如互联网、IMS等）的SGi接口，是EPS 锚点，即3GPP与non-3GPP网络间的用户面数据链路的锚点
eNodeB（eNB）：演进型节点B，具有3GPP R5/R6/R7的Node B功能和大部分RNC功能（接入层功能）
演进型通用陆基无线接入网（E-UTRAN）仅由eNodeB组成，取消了RNC
演进型分组核心网（EPC）由MME和S-GW组成
演进后的系统仅存在分组交换域，取消了电路交换域
eNodeB之间通过X2接口互连
eNodeB通过用户面接口S1-GW与S-GW相连
eNodeB通过S1-MME接口与MME相连
2. 工作频段
TD-LTE
要求支持频段38：2570~2620MHz
要求支持频段39：1880~1920MHz
要求支持频段40：2300~2400MHz
TD-SCDMA
要求支持频段34：2010~2025MHz
要求支持频段39：1880~1920MHz
FDD-LTE
要求支持频段7：上行2500~2570MHz，下行2620~2690MHz
载波频点F c=F low+0.1*（N earfcn-N offs）
EARFCN（E-UTRA Absolute Radio Frequency Channel Number）的序号范围为0~65535
2570-2620对应的EARFCN为37750-38249
F c =2570+0.1×（37750-37750）= 2570
F c =2570+0.1×（38249-37750）= 2619.9
信道栅格是指用于调整LTE载波频率位置的最小单位。E-UTRA规范规定信道栅格为100KHz。所以中心频点是100KHz的整数倍。UMTS使用的信道栅格为200KHz。
目前实验室里LTE的RRU的工作频段是2575MHz~~2615MHz，若是2个小区一组可以按20M带宽规划，即中心频点配成2585MHz和2605MHz。若是4个小区一组可以按10M带宽规划，即中心频点配成2580MHz、2590MHz、2600MHz和2610MHz。
TD-LTE底层技术OFDM，在每个TTI内使用最多20MHz频域（100RB）的资源承载数据符号，由于考虑到系统容量尽量采用20MHz带宽组网，可配的中心频点不多，所以实际组网中不可避免遇到很多同频组网。
实际上eNodeB侧有类似的调度算法，考虑小区中心及边缘的用户远近，比如两个小区边缘处对不同用户在分配资源的时候会尽量错开频域资源比如UE1分配在靠近中心RB的资源，UE2分配在靠近边缘RB的资源，这样大家在同TTI下的频域是错开的，防止同频干扰。
再则就算异频组网，由于TD-LTE与TDS不同的是，TDS是工作在各载波中心频点下的时分系统，TD-LTE是OFDM使用整个频带内的资源，无法简单的从中心频点错开就能认为可以错开所有的同频干扰，关键看网侧那边优化。
不过室内因为小区间地域上没有足够空间距离，如果同频组网，干扰肯定比室外要大。
3. 无线协议接口
在LTE中真正实现了控制和承载相分离，控制信令通过MME进行交互，而业务则通过S-GW与eNodeB进行交互。控制平面主要负责对无线接口的管理和控制，包括RRC协议、数据链路层协议(PDCP/RLC/MAC)和物理层协议。用户平面主要为数据链路层协议和物理层协议，主要完成头压缩、加密、调度、ARQ和HARQ等功能。
控制平面协议栈
用户平面协议栈
NAS层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EPS承载管理，鉴权，EPS连接管理模式空闲状态（ECM-IDLE）下的移动性管理，负责产生ECM-IDLE 状态下UE的寻呼，安全控制等。
RRC层主要负责对接入层的控制和管理，完成广播、寻呼、RRC连接管理、RB控制、移动性管理、UE测量报告和控制功能。RRC分为RRC_IDLE和RRC_CONNECTED 两个状态。
数据链路层被分为MAC、RLC和PDCP三个子层，MAC子层为RLC子层提供逻辑信道级的服务，PDCP子层为上层提供无线承载级的服务。在控制平面负责无线承载信令的传输，加密和完整性保护，在用户平面负责用户业务数据的传输和加密。
物理层为数据链路层提供数据传输功能，通过传输信道为MAC子层提供相应的服务。
4. 上行/下行信道
1）逻辑信道——MAC向RLC以逻辑信道的形式提供服务
BCCH：广播控制信道，下行
PCCH：寻呼控制信道，下行
CCCH：公共控制信道，上行和下行，UE和网络间无RRC连接时传输控制信息 DCCH：专用控制信道，上行和下行，点对点的双向信道，存在RRC连接时使用 MCCH：多播控制信道，下行，点到多点
DTCH：专用业务信道，上行和下行，针对单个用户，点到点
MTCH：多播业务信道，发送下行MBMS业务（多媒体广播组播功能），点到多点
2）传输信道——MAC以传输信道的形式使用物理层提供的服务
BCH：广播信道，下行
PCH：寻呼信道，下行
DL-SCH：下行共享信道，下行，使用HARQ传输
MCH：多播信道，下行
RACH：随机接入信道，支持HARQ传输
UL-SCH：上行共享信道
3）物理信道——为MAC层和高层提供信息传输的服务
上行物理信道
PUSCH：物理上行共享信道，传输上行数据，包括业务数据和高层信令等。调制方式：QPSK，16QAM，64QAM
PRACH：物理随机接入信道，用于UE上行接入同步或上行数据到达时的资源请求。
调制方式：QPSK
PUCCH：物理上行控制信道，传输上行控制信息，主要包括CQI和ACK。调制方式：QPSK
下行物理信道
PDSCH：物理下行共享信道，传输数据信息，包括业务数据和高层信令等信息。调制方式：QPSK，16QAM，64QAM
PMCH：物理多播信道，传输多播信息。调制方式：QPSK，16QAM，64QAM
PDCCH：物理下行控制信道，传输与特定PSDCH相关的配置和控制信息（HARQ信令，功控命令，RB分配，AMC配置）。调制方式：QPSK
PBCH：物理广播信道，传输小区广播信息。调制方式：QPSK
PCFICH：物理控制格式指示信道，2bit信息（1,2,3,4），传输用于控制信道PDCCH的OFDM符号个数。调制方式：BPSK
PHICH：物理HARQ指示信道，传输PUSCH的ACK/NACK信息。调制方式：QPSK
4）参考信道
上行参考信号：
解调参考信号（DM-RS）：与PUSCH或PUCCH相关联，用作求取信道估计矩阵，在eNodeB端帮助PUSCH或PUCCH进行解调
探测参考信号（SRS）：与PUSCH或PUCCH不关联，用作上行信道质量的估计与信道选择，计算上行信道的SINR
下行参考信号：
小区专用参考信号（CRS）：用于除了不基于码本的波束赋形技术之外的所有下行传输技术的信道估计和相关解调。对应天线端口0~3
MBSFN参考信号：用于MBSFN的信道估计和相关解调。对应天线端口4
UE专用参考信号（DM-RS）：用于不基于码本的波束赋形技术的信道估计和相关解调。
对应天线端口5
定位参考信号（PRS）：
信道状态信息参考信号（CSI-RS）：用来进行信道状态估计（CQI/PMI/RI）
5. 物理层帧结构
基本时间单位T s = 1/（15000x2048）s = 32.55ns
无线帧长度T f=307200×T s =10ms
1）帧结构类型1（FDD）
每个无线帧长度为10ms
由20个时隙组成，编号0~19，每个时隙大小0.5ms
每个无线子帧由两个连续时隙组成，大小1ms
2）帧结构类型2（TDD）
每个无线帧长度为10ms
由两个长度为5ms（153600×T s）的半帧构成
每个半帧包含5个长度为1ms（30720×T s）的子帧，编号0~4和5~9每个半帧包含8个常规时隙和DwPTS、GP和UpPTS三个特殊时隙
每个常规时隙长度为0.5ms（15360×T s）
DwPTS、GP和UpPTS三个时隙的总长度为1ms，其时隙长度可以配置
6. 上下行时隙比例配置
TDD-LTE支持5ms和10ms的上下行子帧切换周期
5ms切换周期中，两个半帧均包含特殊子帧（DwPTS/GP/UpPTS）
10ms切换周期中，特殊子帧只存在与第一个半帧
子帧0和子帧5以及DwPTS总是用于下行传输
DwPTS之前的子帧为下行，UpPTS之后的子帧为上行
特殊子帧的配置表（单位：OFDM/SC-FDMA符号）
7. 传输带宽
E-UTRAN系统支持6种信道带宽：1.4MHz，3MHz，5MHz，10MHz，15MHz，20MHz 传输带宽= 子载波宽度（15KHz）×每个RB的子载波数目（12）×RB数目
例如20MHz的信道带宽，RB数目=100
实际的传输带宽= 15KHz ×12 ×100 = 18MHz
8. 资源分组
对于每一个天线端口，一个OFDM 或者SC-FDMA 符号上的一个子载波对应的一个单元称为资源粒子RE
一个时隙中，频域上连续的宽度为180KHz 的物理资源称为一个资源块RB
一个资源块RB 由UL/DL
symb N ×RB
sc N 个资源粒子RE 构成，在时域上对应一个时隙0.5ms ，
在频域上占180KHz
对于15KHz 的子载波带宽
频域：RB sc N =12，即12个连续的子载波构成一个资源块RB ，每个子载波带宽15KHz ，所
以频域上占15KHz ×12 = 180KHz
时域：OFDM/SC-FDMA 符号个数=7（常规CP ），OFDM/SC-FDMA 符号个数=6（扩展CP ） 常规CP ：第1个OFDM/SC-FDMA 符号是（160+2048）Ts=71.875μs ，CP 长度是160Ts=5.21μs ；后面6个符号为（144+2048）Ts=71.354μs ，CP 长度是144Ts=4.69μs 。
扩展CP ：每个OFDM/SC-FDMA 符号是（512+2048）Ts=μs ，CP 长度是512Ts=16.67μs 除CP 以外的符号长度都是2048Ts=66.7μs
9. 理论数据速率计算
1）以单个子帧（1ms）的角度计算
采用20MHz的信道带宽，RB数目=100，即1200个子载波
采用常规CP，每个时隙每个子载波传7个符号，即一个常规子帧传输14个符号
调制方式采用64QAM，即每个符号承载6比特
编码效率为1.0
1ms内的RE总个数为：
100个RB×12子载波×7个符号×2个时隙= 16800
每个子帧的总比特数为：
16800×6个比特= 100800个比特
单天线理论最大下行数据速率为100800 bit / 1ms = 100.8Mbps
2）以单个无线帧（10ms）的角度计算
采用20MHz的信道带宽，RB数目=100，即1200个子载波
上下行时隙比例采用配置2，即5ms切换周期，3DL:1UL
特殊子帧采用配置7，即DwPTS:GP:UpPTS符号比为10:2:2的配置
采用常规CP，每个时隙每个子载波传7个符号，即一个常规子帧传输14个符号
一个特殊子帧传输10个下行符号，2个上行符号
下行调制方式采用64QAM，即每个符号承载6比特，上行调制方式采用16QAM，即每个符号承载4比特
编码效率为1.0
不考虑控制信道（PDCCH，PBCH）、参考信号（RS）、同步信号（SS）、等开销
下行
10ms内的下行RE总个数为：100个RB×12子载波×(14×6 + 10×2) = 124800
每个无线帧的下行总比特数为：124800×6个比特= 748800个比特
单天线理论下行最大数据速率为748800 bit / 10ms = 74.88Mbps
上行
10ms内的上行RE总个数为：100个RB×12子载波×(14×2 + 2×2) = 38400
每个无线帧的上行总比特数为：38400×4个比特= 153600个比特
单天线理论上行最大数据速率为153600bit / 10ms = 15.36Mbps
上行PUSCH目前Category 3的终端只有16QAM,和QPSK这两种调制方式
LTE系统的接收端最多支持2天线，所以发送的数据流数量最多为2，即支持的最大码字数目为2。因此采用MIMO技术时，最大速率也只能为单天线时的两倍。
10. MIMO技术
天线构成的信道称为MIMO（Multiple Input Multiple Output）信道，多天线技术是LTE 的核心技术之一。MIMO的基本出发点是将用户数据分解为多个并行的数据流，在指定的带宽内由多个发射天线上同时刻发射，经过无线信道后，由多个接收天线接收，并根据各个并行数据流的空间特性，利用解调技术，最终恢复出原数据流。MIMO技术充分利用了信道的空间特性，能够大幅度地提高系统容量、获得相当高的频谱利用率，从而可以获得更高的数据速率、更好的传输品质或更大的系统覆盖范围。
MIMO技术的特点
在发送端和接收端均使用多根天线进行数据的发送和接收。
在发送端每根天线上发送不同的数据比特。
在多散射体的无线环境中，来自每个发射天线的信号在每个接收天线中是不相关的，并在接收机端利用这种不相关性对多个天线发送的数据进行区分和检测。
可以产生多个并行的信道，并且每个信道上传递的数据不同，从而提高信道容量。
MIMO技术的优点
阵列增益：可以提高发射功率和进行波束赋形。
系统的分集特性：可以改善信道衰落造成的干扰，提高信道的可靠性，降低误码率。 系统的空间复用增益：可以构造空间正交的信道，传递不同的数据流，从而提高数据传输的峰值速率。
MIMO的主要内容
下行MIMO技术包括空间复用、波束赋形和传输分集，目前MIMO下行基本天线配置为2*2，即2天线发送和2天线接收，最大支持4天线进行下行方向四层传输。
上行MIMO技术包括空间复用和传输分集，目前MIMO上行基本天线配置为1*2，即1天线发送和2天线接收，MIMO天线数据位虚拟天线数目？
1）传输分集
传输分集分为发射分集和接收分集。发射分集就是在发射端使用多幅发射天线发射相同的信息，接收端获得比单天线高的信噪比。接收分集就是多个天线接收来自多个信道的承载同一信息的多个独立的信号副本，由于信号不可能同时处于深衰落情况中，因此在任一给定的时刻至少可以保证有一个强度足够大的信号副本提供给接收机，从而提高接收信号的信噪比。传输分集技术可以提高链路的传输质量。
LTE中2天线端口的传输分集方式采用SFBC（空频块码），4天线端口的传输分集方式采用SFBC和FSTD（频率切换发射）的组合方案。
SFBC：针对空间（天线之间）和频率（子载波）二维对发送的符号进行编码，将信号的副本同时通过不同频率的子载波发射，但保持其正交性，简化译码复杂度。
FSTD：不同的天线支路使用不同的子载波集合进行发送，减小了子载波之间的相关性，使等效信道产生了频率选择性，因而同样可以利用纠错编码提高差错概率性能。
2）空间复用
发射的高速数据被分成几个并行的低速数据流，在同一频带从多个天线同时发射出去。由于多径传播，每个发射天线对于接收机产生不同的空间签名，接收机利用这些不同的签名分离出独立的数据流，最后再复用成原始数据流。空间复用可以提高频谱利用率，成倍提高数据传输速率。
单码字传输是一个数据流进行信道编码和调制之后再复用到多根天线上
多码字传输则是复用到多根天线上的数据流可以独立进行信道编码和调制LTE系统支持基于多码字（Multiple CodeWord，MCW）的空间复用传输。多码字传输指的是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，每一个码字可以独立地进行速率控制，分配独立的混合自动重传请求（HARQ）。
在LTE系统中，一个码字指的是一个独立编码的数据块，在发送端对应着一个MAC 层传到物理层的独立传输块TB，通过块CRC加以保护。不同的码字Q区分不同的数据流，其目的是通过MIMO发送多路数据，实现空间复用。在LTE的下行中，HARQ进程是针对每个码字来进行的，每个HARQ进程都需要上行的ACK/NACK反馈。同时，上行CQI的上报过程也是针对每个码字来进行的。由于LTE系统的接收端最多支持2天线，所以发送的数据流数量最多为2，LTE支持的最大码字数目为2。即在一个 TTI内，在相同的时空资源上，最多只能同时接收与发送2个TB。
LTE最多支持传输2个码字，而发射天线的数量则有可能为3或4，码字数量和发送天线数量不一致，需要将码字流映射到不同的发送天线上，因此需要使用层映射（Layer mapper）与预编码（Precoding）。层映射首先按照一定的规则将码字流重新映射到多个层（新的数据流）。预编码再将数据映射到不同的天线端口上。在各个天线端口上进行资源映射，生成OFDM符号并发射。
MIMO的层数定义为MIMO信道矩阵的秩（Rank），也就是独立的虚拟信道的数目，对于P个发送天线端口，层数（秩）小于等于天线端口数P，码字的数量小于等于层数（秩）。对于4发2收的天线系统，在不同的信道环境下，其层数（秩）可能是1或者2，最大不会超过接收和发送两端天线数目的最小值2；码字数量可能是1或者2，最大不会超过层数（秩）。
单用户空间复用MIMO可以分为开环和闭环两种形式。对于闭环空间复用，UE向eNodeB反馈RI（Rank Indicator），PMI（Precoding Matrix Indicator）以及CQI（Channel Quality Indicator）。eNodeB根据UE的反馈值，以及其他的一些参考因素，例如需要传输的数据，可用的传输功率等，来为UE分配相应的传输模式。在某些情况下，例如UE高速移动或者上行反馈开销过大的情况下，eNodeB可能无法获得可靠的PMI，此时可以采用开环空间复用，eNodeB为UE分配预制的空间复用模式和编码矩阵。
3）多用户MIMO
MIMO可分为SU-MIMO（单用户MIMO）和MU-MIMO（多用户MIMO）两种模式。
SU-MIMO是基于预编码实现的，同一UE的多个子流在空间上相互正交的特征信道中传输，彼此之间没有干扰。通过空时编码技术，在不需要额外带宽的情况下实现近距离的频谱资源重复利用，提高了传输效率，同时增加了抗干扰抗衰落的能力。
下行MU-MIMO是一种空分多址（SDMA）的复用方式，eNodeB将占用相同时频资源的多个数据流发送给不同的用户，可以大大提高下行的频谱利用率。
上行MU-MIMO是一个虚拟的MIMO系统。每个UE均只用单根天线发送一个数据流，但是两个或者更多的数据流占用相同的时频资源，这样从eNodeB来看，这些来自不同UE 的数据流可以被看作来自同一个UE上不同天线的数据流，从而构成一个MIMO系统。与SU-MIMO相比，MU-MIMO可以获得多用户分集增益，MU-MIMO信号来自于不同终端，更容易获得信道之间的独立性。
SU-MIMO即单用户空间复用MIMO，可提高单用户的下行峰值速率。LTE下行必须至少支持SU-MIMO这种MIMO模式。MU-MIMO不增加每个用户的吞吐量，但是可以增加小区的容量。LTE上行仅仅支持MU-MIMO这一种MIMO模式。
4）波束赋形
波束赋形是一种应用于小间距的天线阵列多天线传输技术，其主要原理是利用空间的强相关性及波的干涉原理产生强方向性的辐射方向图，使辐射方向图的主瓣自适应的指向用户来波方向，从而能够获得明显的阵列增益。波束赋形可以提升小区边缘用户吞吐量，提升小区容量，可以降低用户间干扰，提升覆盖能力。