移动通信原理与技术 第2版 课件第8章 LTE移动通信系统

第8章LTE移动通信系统4G系统概述8.14G系统架构及工作原理8.2LTE的两种制式8.34G的主要业务及特征8.44G的关键技术8.54G的语音解决方案8.6

LTE无线网络规划8.72021年12月3日，中老铁路正式开通运营。联调联测技术人员对移动通信信号进行的测试显示，全程语音通信质量平稳，移动、电信、联通用户手机上网速率基本达标，这也标志着全长508公里的中老铁路玉磨段高速网络信号全覆盖。在4G信号全覆盖的同时，部分区域还能享受到更高速率的5G信号，为“友谊之路”增添了更多便捷和幸福。IMT-Advanced(InternationalMobileTelecommunications-Advanced)，由国际电信联盟（ITU）在2010年指定，并于2012年正式发布，用于描述第四代移动通信技术。我国于2013年12月4日，由中华人民共和国工业和信息化部发布公告，向中国移动、中国电信和中国联通颁发“LTE/第四代数字蜂窝移动通信业务（TD-LTE）”经营许可，4G牌照的发放，意味着4G网络、终端、业务都进入正式商用的阶段，标志着我国正式进入4G时代。8.14G系统概述LTE(LongTermEvolution，长期演进)是由3GPP（3rdGenerationPartnershipProject，第三代合作伙伴计划）组织制定的UMTS（UniversalMobileTelecommunicationsSystem，通用移动通信系统）技术标准的长期演进（通常被称作3.9G），于2004年12月在3GPP多伦多TSGRAN#26会议上正式立项并启动。LTE关注的核心是无线接口和无线组网架构的技术演进问题。LTE-Advanced（LongTermEvolution-Advanced）是LTE的增强版本。它是由3GPP在LTE标准之后，于2011年发布的一个标准，是IMT-Advanced标准的一个技术方案。其主要目的是提供更快的数据速率、更好的网络性能和更高的系统容量。8.14G系统概述

相较于3G系统，4G系统具有以下优势：通信速度快、质量高。第一代模拟式通信系统仅提供语音服务；第二代数字式移动通信系统传输速率、只有9.6kbps，最高达到32kbps；第三代移动通信系统理论数据传输速率可达到2Mbps，实际最高数据传输速率最高只有386kbps；第四代移动通信系统最高数据传输速率则可达到100Mbps。网络频谱宽、频率使用效率高。

4G网络的通信带宽比3G网络的带宽宽很多。比如，4G信道占有100MHz的频谱，相当于W-CDMA3G网络的20倍。提供各种增值服务。4G移动通信关键技术以正交频分复用（OFDM）最受瞩目，利用这种技术人们可以实现例如无线区域环路（WLL）、数字音讯广播（DAB）等方面的无线通信增值服务。

通信费用更便宜。4G通信解决了与3G通信的兼容性问题，让用户能轻易地升级到4G通信，而且4G通信引入了许多尖端的通信技术，使4G通信更容易部署；同时在建设4G通信网络系统时，通信运营商们直接在3G通信网络的基础设施之上，采用逐步引入的方法，能够有效地降低费用。

此外，还有可以容纳更多的用户，支持包括非对称性业务在内的多种业务；实现全球范围内多个移动网络和无线网络间的无缝漫游等优点。LTE相对3G性能的提升8.2.13GPP的演进系统架构8.24G系统架构及工作原理

在无线接入技术不断演进的同时，3GPP还开展了系统架构演进(SAE，SystemArchitectureEvolution)的研究。演进过程如图8.1所示：图8.1网络结构演进过程无线网络演进的主要过程第一阶段，早期的2G架构。2GGSM蜂窝网络最初是为话音和电路交换业务而设计，网络结构相对简单，主要由接入网络(AN，AccessNetwork)和电路交换核心网络域(CS域)两部分组成。接入网络部分包括无线接口以及支持无线相关功能的网络节点和其他接口。第二阶段，随着IP和Web业务的出现，2GGSM网络逐步演进到能够支持分组数据传输方式的阶段，例如GPRS和EDGE。系统在接入网中引入了支持分组发送和共享资源分配的方案。此外，还增加了与CS域并行的分组交换核心网络域(PS域)。PS域与CS域具有相同的作用，即支持分组发送(包括认证和计费)以及与公共或私有Internet(或IP)网络的互通。8.2.13GPP的演进系统架构

第三阶段，3GUMTS网络结构的演进。UMTS逐步在PS域上面增加了一个新的域：IP多媒体子系统(IMS，IPMultimediaSubsystem)。IMS的主要目标是制订一个新的标准，在3GPP的各种无线网络间采用统一的方法来实现IP业务。8.2.13GPP的演进系统架构

第四阶段，EPS架构。LTE系统架构主要分为两部分：一是演进后的分组核心网EPC（EvolvedPacketCore），采用全IP结构，旨在帮助运营商通过采用无线接入技术来提供先进的移动宽带服务；二是E-UTRAN（EvolvedUniversalTerrestrialRadioAccessNetwork，演进的UMTS陆地无线接入网络）。演进后的系统主要存在于分组交换域。EPC和E-UTRAN合称演进分组系统（EPS，EvolvedPacketSystem）。EPS的目标是在简单的公共平台上综合所有业务。

3GPP的目标是实现由2G网络到3G网络的平滑过渡，保证未来技术的后向兼容性，支持轻松建网及系统间的漫游和兼容性。8.2.13GPP的演进系统架构8.2.24G的系统架构

在3GPP的LTE/LTE-Advanced项目中，对系统的时延需求更加严格。LTE系统与3GPP系统相似，无线接入网与核心网依然存在逻辑关系，其接口也依旧清楚，空中接口在无线接入网终止。由于E-UTRAN的网元设备仅由eNodeB构成，因此形成了更扁平化的网络结构。LTE网络实现了全IP路由，各个网络节点之间与Internet区别不大，网络结构趋近于IP宽带网络结构，其最大优势在于低时延、低成本及高带宽等。扁平化无线网络构架MME/S-GWMME/S-GWX2S1移动性管理服务网关MME/SGW与eNodeB的接口EPCE-UTRANeNodeB间的接口NodeBRNC+=eNodeBEPSeNodeBX2X2eNodeBeNodeBUu图8.24G的无线网络架构1.LTE系统组成由图8.2可知整个4G系统由3部分组成：

1）核心网（EPC）。EPC的体系结构如图8.3所示：图8.3演进分组核心（EPC）的体系结构EPC架构——各组件功能HSSMMEServingGWPDNGW是一个中央数据库，包含了所有网络运营商的用户信息NAS信令以及安全性功能

3GPP接入网络移动性导致的CN节点间信令空闲模式下UE跟踪和可达性漫游鉴权承载管理功能（包括专用承载的建立）

支持UE的移动性切换用户面数据的功能

E-UTRAN空闲模式下行分组数据缓存和寻呼支持数据包路由和转发上下行传输层数据包标记基于用户的包过滤合法监听IP地址分配上下行传输层数据包标记DHCPv4和DHCPv6（client、relay、server）2）接入网（E-UTRAN）

在3G网络中，接入网部分叫做UTRAN（UMTSTerrestrialRadioAccessNetwork，UMTS陆地无线接入网）。LTE中的很多标准接手于3GUMTS的更新并最终成为4G移动通信技术。其中，将原有的UMTS下电路交换+分组交换相结合的网络简化为全IP扁平化基础网络架构是其工作重点。在LTE网络中，将接入网部分称为E-UTRAN，即LTE中的移动通信无线网络。

由图8.2可知E-UTRAN由eNodeB（简称为eNB）构成，eNodeB除了具有原来3G网络中NodeB的功能外，还承担了原有RNC（RadioNetworkController，无线网络控制器）的大部分的功能，使得网络更加扁平了。另外，eNodeB和eNodeB之间采用网格方式直接相连，和原有UTRAN结构大不相同。核心网则采用全IP分布式的结构。

每个eNB通过S1接口与EPC连接，也可以通过X2接口连接到附近的基站，eNB主要用于在越区切换过程中信令和数据包的转发。

eNB具有NodeB的全部和RNC大部分功能，包括：物理层功能；RRM（Radio

ResourceManagement，无线资源管理）功能；移动性管理功能；无线接入控制；IP头压缩及用户数据流加密；寻呼信息和广播信息的调度传输；以及设置和提供eNB的测量等功能。3）用户设备（UE）用于LTE的用户设备（UE）的内部结构是相同的，它实际上是一个移动设备（ME）。UE通过Uu接口与eNodeB相连，它主要包括以下三个重要模块：（1）移动终端

（MT）：处理所有通信相关的功能；（2）终端设备

（TE）：

终止数据流的作用；（3）通用集成电路卡

（UICC）：也被称为LTE设备的SIM卡。它运行的是通用用户识别模块（USIM）的应用程序。USIM存储的是用户特定的数据，包括用户的电话号码、家庭网络身份和安全密钥等信息，类似于3GSIM卡。1）S1接口控制平面接口S1-MME

用户平面接口S1-U2）X2接口3）Uu接口用户面数据控制面数据2.4G网络接口由图8.2可知，LTE网络结构中主要有三大网络接口：扁平化无线网络构架E-UTRAN中只有一种网元——eNodeB网络结构扁平化：RNC(无线网络控制器）+NodeB=eNodeB全IP网络结构，与传统网络互连互通网络扁平化减少系统延时，更好地用户体验网元数目减少，网络部署简单，维护更加容易取消了RNC的集中控制，避免单点故障，有利于提高网络稳定MME/S-GWMME/S-GWX2S1移动性管理服务网关MME/SGW与eNodeB的接口EPCE-UTRANeNodeB间的接口NodeBRNC+=eNodeBEPSeNodeBX2X2eNodeBeNodeBUu3.4G网络架构特点4G的网络架构特点：8.3LTE的两种制式

8.3.1LTE两种制式的由来

实际上，只有升级版的LTE-Advanced才满足国际电信联盟对4G的要求。LTE-Advanced（简写为LTE-A）是LTE的演进版本。LTE-Advanced是一个向后兼容的技术，完全兼容LTE。

LTE-Advanced的相关特性有：宽带100MHz；峰值速率下行1Gbps，上行500Mbps；峰值频谱效率下行30b/(s·Hz)，上行15b/(s·Hz)；针对室内环境进行优化；有效支持新频段和大宽带应用；峰值速率大幅提高，频谱效率有效改进。如果LTE作为3.9G移动互联网技术，那么LTE-Advanced作为4G标准更确切一些。

TD-LTE（TimeDivisionLongTermEvolution）是LTE技术中的TDD（TimeDivisionDuplexing）时分双工模式。TD-LTE是我国自主研发的4G标准，是由TD-SCDMA（3G网络）发展而来。

FDD-LTE（FrequencyDivisionDuplexingLongTermEvolution）是LTE技术中的FDD（FrequencyDivisionDuplexing）频分双工模式。FDD-LTE是现在国际上主流的4G标准。

FDD-LTE的标准化与产业发展领先于TD-LTE。FDD-LTE已成为当前世界上采用的国家及地区最广泛的，终端种类最丰富的一种4G标准。8.3.2LTE两种制式的对比TD-LTE省资源，FDD-LTE速度快

TD-LTE热点覆盖，FDD-LTE广域覆盖

TD-LTE与FDD-LTE能混合组网

TD-LTE和FDD-LTE都是基于LTE的不同分支，相似度超过90%。二者的主要区别在空中接口的物理层上（帧结构、时分设计、同步等）。FDD-LTE系统空口上下行传输采用一对对称的频段接收和发送数据，而TD-LTE系统上下行则使用相同的频段在不同的时隙上传输，相对于FDD双工方式，TDD有着较高的频谱利用率。可从以下三方面比较：相同点不同点

高层信令，包括非接入层(NAS)和无线资源控制层(RRC)的信令TDD采用同一频段分时进行上下行通信；FDD上下行占用不同频段L2用户面处理，包括MAC、RLC及PDCP等

采用的帧结构不同；FDD上下行子帧相关联，TDD上下行子帧数目是不同的；帧结构还会影响无线资源管理和调度的实现方式

物理层基本机制，如帧长，调制、多址、信道编码、功率控制和干扰控制等

物理层反馈过程不同，TDD可以根据上行参考信号估计下行信道

时分双工与频分双工空中接口指标相同

下行同步方式不同，时分双工系统要求时间同步；频分双工在支持增强多播广播多媒体业务（eMBMS）时才需考虑表8.1TD-LTE与FDD-LTE的比较8.44G的主要业务及特征

8.4.14G的主要业务

移动高清多媒体业务实时移动视频监控移动Web2.0应用支持移动接入的3D游戏支持移动接入的远程医疗系统智能出租车车载网真终端高清视频即摄即传移动化电子学习

M2M8.44G的主要业务及特征

8.4.24G的业务特征（1）更高的数据传输速率。（2）更低的延迟。（3）更广泛的覆盖范围。（4）更多元化的业务。（5）更高效的频谱利用。（6）更好的安全性。1.OFDM技术

第四代移动通信系统主要是以正交频分复用(OFDM)为技术核心｡

OFDM（OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing）即正交频分复用，是一种能够充分利用频谱资源的多载波传输方式。常规频分复用与OFDM的信道分配情况如图8.4所示。可以看出OFDM至少能够节约二分之一的频谱资源。8.54G关键技术8.5.1

LTE关键技术OFDM主要思想：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间相互干扰ISI。每个子信道上的信号带宽小于信道的相干带宽，因此每个子信道上的可以看成平坦性衰落，从而可以消除符号间干扰。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。

在OFDM传播过程中，高速信息数据流通过串并变换，分配到速率相对较低的若干子信道中传输，每个子信道中的符号周期相对增加，这样可减少因无线信道多径时延扩展所产生的时间弥散性对系统造成的码间干扰。1）OFDM调制和解调

在基带相互正交的子载波就是类似和的正弦波和余弦波，属于基带调制部分。基带相互正交的子载波再调制在射频载波上，成为可以发射出去的射频信号。在接收端，将信号从射频载波上解调下来，在基带用相应的子载波通过码元周期内的积分把原始信号解调出来。基带其他子载波信号与信号解调所用的子载波由于在一个码元周期内积分结果为0，相互正交，所以不会对信息的提取产生影响。OFDM调制解调过程图8.5OFDM调制解调过程2）

保护间隔和循环前缀

采用OFDM可以有效地对抗多径时延扩展。通过把输入的数据流串/并变换到N个并行的子信道中，使得每个用于调制子载波的数据符号周期可以扩大为原始数据符号周期的N倍，因此时延扩展与符号周期的比值也同样降低到原来的1/N倍。

从图中可以看出，由于在FFT运算时间范围内，第一子载波与带有时延的第二子载波之间的周期个数之差不再是整数，所以当接收机试图对第一子载波进行解调时，第二子载波会对此造成干扰。同样，当接收机对第二子载波进行解调时，有时会存在来自第一子载波的干扰。图8.6空闲保护间隔引起ICI

为了消除由于多径所造成的ICI，OFDM符号需要在其保护间隔内填入循环前缀信号，如图8.7所示。这样就可以保证在FFT周期内，OFDM符号的延时副本内包含的波形的周期个数也是整数。小于保护间隔Tg的时延信号就不会在解调过程中产生ICI。

图8.7OFDM符号的循环前缀3）同步技术一般的通信系统中存在如下的同步问题：发射机和接收机的载波频率不同。发射机和接收机的采样频率不同。接收机不知道符号的定时起始位置。OFDM系统中同步要求载波同步：接收端的振荡频率要与发送载波同频同相；样值同步：接收端和发射端的采样频率一致。符号定时同步：IFFT和FFT起止时刻一致。

图8.8OFDM系统内的同步示意图4）信道估计

通过估计方法预先获知信道的频谱特性，将各子信道上的接收信号与信道的频谱特性相除，即可实现接收信号的正确解调。常见的信道估计方法有基于导频信道和基于导频符号（参考信号）这两种，多载波系统具有时频二维结构，因此采用导频符号的辅助信道估计更灵活。5）降峰均比技术

与单载波系统相比，由于OFDM符号是由多个独立的经过调制的信号相加而成的，这样的合成信号就有可能产生比较大的峰值功率，由此会带来较大的峰值平均功率比。OFDM的优点6）OFDM技术的特点频谱利用率高带宽可灵活配置可扩展性强系统的自适应能力增强抗衰落能力和抗干扰能力强OFDM的缺点OFDM的峰均比高多普勒频移大时间和频率同步要求严格小区间干扰控制难度大

1）

MIMO的原理

多输入多输出（Multiple-InputMultiple-Output，MIMO）的系统框图如图8.9所示。该技术最早是由Marconi于1908年提出的，它利用多天线来抑制信道衰落。MIMO技术是指在发射端和接收端分别设置多副发射天线和接收天线，其出发点是将多发送天线与多接收天线相结合以改善每个用户的通信质量（如差错率）或提高通信效率（如数据速率）。2.MIMO与智能天线图8.9

MIMO系统框图

信道容量随着天线数量的增大而线性增大。也就是说可以利用MIMO信道成倍地提高无线信道容量，在不增加带宽和天线发送功率的情况下，频谱利用率可以成倍地提高。

发射端：输入的串行码流通过某种方式（编码、调制、加权、映射）转换成并行的多路子码流，通过不同的天线同时同频发送出去。

接收端：利用信道传输特性与发送子码流之间一定的编码关系，对多路接收信号进行处理，从而分离出发送子码流，最后转换成串行数据输出。2）MIMO核心技术

MIMO系统在一定程度上可以利用传播中多径分量，也就是说MIMO可以抗多径衰落，但是对于频率选择性深衰落，MIMO系统依然是无能为力。目前解决MIMO系统中的频率选择性衰落的方案一般是利用均衡技术，还有一种是利用OFDM。OFDM由于码率低和加入了时间保护间隔而具有极强的抗多径干扰能力。由于多径时延小于保护间隔，所以系统不受码间干扰的困扰，这就允许单频网络（SFN）可以用于宽带OFDM系统，依靠多天线来实现，即采用由大量低功率发射机组成的发射机阵列消除阴影效应，来实现完全覆盖。MIMO-OFDM系统的核心技术主要包括：

（1）MIMO-OFDM的信道估计

MIMO-OFDM系统信道估计方法一般有三种：非盲信道估计、盲信道估计和半盲信道估计。

第一种方法：非盲信道估计非盲信道估计是通过在发送端发送导频信号或训练序列，接收端根据所接收的信号估计出导频处或训练序列处的信道参数，然后根据导频或训练序列处的信道参数得到数据信号处的信道参数。这类方法的好处是估计误差小，收敛速度快，不足是由于发送导频或训练序列而浪费了一定的系统资源。

第二种方法：盲信道估计盲信道估计是利用信道的输出以及与输入有关的统计信息，在无需知道导频或训练序列的情况下估计信道参数。其好处是传输效率高，不足是鲁棒性相对较差、收敛速度慢，而且运算量较大。

第三种方法：半盲信道估计半盲信道估计是在盲信道估计的基础上发展起来的，它利用尽量少的导频信号或训练序列来确定盲信道估计算法所需的初始值，然后利用盲信道估计算法进行跟踪、优化、获得信道参数。由于盲信道算法运算复杂度较高，目前还存在很多问题，难以实用化。而半盲信道估计算法有望在非盲算法和盲算法的基础上进行折衷处理，从而降低运算复杂度。（2）空时信号处理技术空时信号处理是随着MIMO技术而诞生的新概念，与传统信号处理方式的区别在于其从时间和空间两方面同时研究信号的处理问题。从信令方案的角度看，MIMO主要分为空时编码和空间复用两种。

第一种：空时编码空时编码技术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所导致的符号错误率，同时增加信号的冗余度，从而使信号在接收端获得最大的分集增益和编码增益。

第二种：空间复用空间复用是通过不同的天线尽可能多地在空间信道上传输相互独立的数据。（3）

MIMO-OFDM系统同步技术①载波同步

载波频率不同步会破坏子载波之间的正交性，不仅造成解调后输出的信号幅度衰减以及信号的相位旋转，更严重的是带来子载波间的干扰（ICI），同时载波不同步还会影响到符号定时和帧同步的性能。一般来说，MIMO-OFDM系统的子载波之间的频率间隔很小，因而所能容忍的频偏非常有限，即使很小的频偏也会造成系统性能的急剧下降，所以载波同步对MIMO-OFDM系统尤为重要。②符号同步在接收数据流中寻找OFDM符号的分界是符号同步的任务。MIMO-OFDM系统的符号不存在眼图，没有所谓的最佳抽样点，它的特征是一个符号由IV个抽样值（IV为系统的子载波数）组成，符号定时也就是要确定一个符号开始的时间。符号同步的结果用来判定各个OFDM符号中用来做FFT的样值的范围，而FFT的结果将用来解调符号中的各子载波。③帧同步帧同步是在OFDM符号流中找出帧的开始位置，也就是我们常说的数据帧头检测，在帧头被检测到的基础上，接收机根据帧结构的定义，以不同方式处理一帧中具有不同作用的符号。

（4）分集技术无线通信的不可靠性主要是由无线衰落信道时变和多径特性引起的，如何在不增加功率和不牺牲带宽的情况下，减少多径衰落对基站和移动台的影响就显得很重要。唯一的方法是采用抗衰落技术，而克服多径衰落的有效方法就是采用前面第五章介绍的各种分集技术。不同分集技术的适用场合不同，一般系统中都会考虑多种技术的结合。在MIMO-OFDM中，由于利用了时间、频率和空间3种分集技术，大大增加了系统对噪声、干扰、多径的容限。3）智能天线智能天线系统在移动通信链路的发射端或接收端带有多根天线，根据信号处理位于通信链路的发射端还是接收端，智能天线技术被定义为多入单出（MISO，MultipleInputSingleOutput）、单入多出（SIMO，SingleInputMultipleOutput）和多入多出（MIMO，MultipleInputMultipleOutput）等几种方式。下面分别介绍智能化接收、智能化发射及动态信道分配这三种智能天线技术的特点。（1）智能化接收技术应用智能天线CDMA系统中，由于不同用户占用同一信道，不同用户带来的多址干扰（MAI）和多径信道带来的码间干扰（ISI）会使到达基站的用户信号产生畸变，所以必须采用信道估计和均衡技术，将各用户信号进行分离和恢复（即多用户检测MUD）。整个上行信道等效为一个多重单输入多输出系统。另一方面，为了给智能发射提供依据，在上行中还需要估计反映用户空间位置信息的参量，它们的精度估计将直接影响到下行选择性发送的性能。（2）智能化发射技术智能化发射技术利用用户的空间差异，保证每个用户只接收基站发给它的下行信号，不受同一信道中基站发给其他用户信号的干扰。实现智能化发射有基于反馈和基于上行链路参数估计两种方法：一种方法是基站通过移动台返回基站的训练信号，估计下行信道的响应情况，其缺点是浪费带宽。另一种方法是利用一些特征参量相对于上下行链路的不变性，通过各用户对上行信号的估计，确定下行链路的波束形成方案。

（3）动态信道分配技术在通信中，信道分配是保障通信质量、有效利用信道的核心技术之一。在空分信道引入系统后，空分、频分、时分和码分信道的动态分配技术已成为新的技术难点。后三种信道分配技术是确定性的，可由系统根据用户情况动态分配，但空分信道分配不同。在基站处，接收功率相差不大和用户方向角度差大于天线主波瓣的用户，可分享同一时、频域信道。这样，空分信道分配就成为动态的条件组合问题，且随着用户空间位置的移动，为跟踪用户，空分信道必须相应变化，随时进行动态分配。

混合自动重传请求（HybridAutomaticRepeatRequest，HARQ）由于信息在信道传输的过程中，会产生信息丢失，所以为了保持信息的完整性，务必需要重传信息至所有的信息都完成接收为止。3.HARQHARQ分类

按照重传发生时刻，可以将HARQ分为同步和异步两种。同步HARQ是指HARQ的传输（重传）发生在固定时刻，由于接收端预先知道传输发生的时刻，因此不需要额外的信令开销来表示HARQ进程的序号，此时的HARQ进程号可以从子帧号获得；异步HARQ是指HARQ的重传可以发生在任意时刻，因为接收端不知道传输的发生时刻，所以HARQ的进程处理序号需要连同数据一起发送。

同步HARQ的优势：开销小；在非自适应系统中接收端操作复杂度低；提高了信道的可靠性。

异步HARQ的优势：在完全自适应系统中，可以采用离散、连续的子载波分配方式，调度具有很大的灵活性；可以支持一个子帧多个HARQ进程；重传调度的灵活性强。

LTE下行链路系统采用异步自适应的HARQ技术，上行系统采用同步非自适应的HARQ技术；上行链路系统选择同步非自适应的HARQ技术，主要是因为上行链路复杂，来自其他小区干扰的不确定性，基站无法精确的估测出各个用户的信干比(SINR)值，下行链路系统采用的异步自适应的HARQ技术，下行HARQ时序图如图8.10所示：图8.10

下行HARQ时序图下行传输发送端通过PDSCH来调度，PDSCH对应的ACK或者NACK在PUCCH或者PUSCH上发送；下行传输接收端通过PDCCH来调度；假设传输信息1234，每经过一次传输只留下一位，比如1，2，3，4一次递进，那么久需要重传4次，才能将所有的信息完整传输完毕（理想状态）。每次传输，我们一般用跟踪（Chase）或者软合并（SoftCombining）来实现所有数据的合并。3.自适应调制编码AMC（AdaptiveModulationandCoding，自适应调制编码）是无线信道上采用的一种自适应的编码调制技术，通过调整无线链路传输的调制方式与编码速率，来确保链路的传输质量。三种编码方式：QPSK:QuadraturePhaseShiftKeying

四相相移键控，一个符号代表2bit16QAM:16QuadratureAmplitudeModulation

16正交幅相调制，一个符号代表4bit64QAM:64QuadratureAmplitudeModulation

64正交幅相调制，一个符号代表6bit。CQI

值调制方式编码效率1QPSK0.15232QPSK0.23443QPSK0.37704QPSK0.60165QPSK0.8770616QAM1.1758716QAM1.4766816QAM1.9141916QAM2.40631064QAM2.73051164QAM3.32231264QAM3.90231364QAM4.52341464QAM5.11521564QAM5.55478.5.2

LTE-Advanced关键技术

载波聚合技术是指在移动通信网络中，将不同的载波（频段）聚合起来使用，以提高网络的容量和速率。在LTE网络中，采用了一种名为OFDM（OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing，正交频分复用）的调制方式，将整个频段分成多个子载波，每个子载波之间是正交的，互相不干扰。因此，载波聚合技术的基本原理就是将不同的频段分别分成多个子载波，然后将这些子载波聚合到一起，使得不同的频段能够同时传输数据。1.载波聚合技术1）载波聚合技术的优势（1）提高网络容量和速率。（2）提高网络稳定性和可靠性。（3）降低功耗和延迟。2）载波聚合技术的应用场景(1)高速移动场景。(2)大规模数据传输场景。(3)边缘区域场景。3）载波聚合技术的发展趋势随着移动通信技术的不断发展，载波聚合技术也在不断的演进和发展中。以下是载波聚合技术的发展趋势：（1）更高的带宽。随着5G技术的推出，载波聚合技术的带宽也将进一步提高。目前，5G网络中使用的载波聚合技术可以将多达16个频段组合在一起，最高可以达到1GHz的带宽。（2）更高的频段数量。随着新的频段的不断开放，载波聚合技术可以使用更多的频段进行组合，从而提高网络的容量和速率。（3）更加智能的载波分配。随着5G网络的推出，网络架构也将变得更加分布式和智能化。在这样的网络中，载波聚合技术可以通过智能的载波分配算法，根据不同的网络情况和用户需求，动态调整不同频段的使用，从而提高网络的效率和性能。（4）更加灵活的网络组网。5G网络组网变得更加灵活和可扩展。在这样的网络中，载波聚合技术可以根据不同的网络需求和部署情况，灵活地组合不同的频段，提高网络的容量和覆盖范围。（5）更加安全的网络通信。随着网络安全问题的日益严重，网络通信的安全性也变得越来越重要。在这样的背景下，载波聚合技术可以使用多个频段进行数据传输，从而提高网络的安全性和可靠性，避免单点故障对网络通信的影响。

传统的MIMO技术面临着诸多挑战，如干扰、功耗和频带限制等。为了克服这些挑战，增强的MIMO技术应运而生。增强的MIMO技术包括以下几种技术：（1）空间分集技术。（2）多用户MIMO技术多。（3）全双工MIMO技术。（4）MIMO中继技术。2.增强的MIMO技术3.协作多点传输技术

协作多点传输技术（CoMP）是一种利用多个节点协同工作来提高无线网络性能的技术。这种技术可以通过共享信道资源、减少干扰和提高传输速度等方面来提高无线网络的效率和可靠性。它的基本原理是通过多个节点之间的协同工作来提高系统的性能。这些节点可以是无线终端、中继器或基站等。在协作多点传输技术中，节点可以共享信道资源、相互协作进行信号处理和干扰抑制等操作。

协作多点传输技术可以分为两种基本类型：分布式和集中式。在分布式协作中，各个节点可以自主地对信号进行处理和传输。在集中式协作中，一个节点可以作为协调者对其他节点进行控制和协调。这两种类型都可以提高系统的性能，但集中式协作通常需要更高的计算能力和复杂的协议。1）协作多点传输技术的优点（1）提高系统容量和可靠性：通过多个节点的协作，可以有效地减少信道干扰和提高信号质量，从而提高系统的容量和可靠性。（2）提高频谱效率：通过共享信道资源，协作多点传输技术可以提高频谱利用率，从而在相同频谱带宽下传输更多的数据。（3）降低能源消耗：通过多个节点的协作，可以在保证系统性能的同时降低能源消耗，从而延长无线设备的电池寿命。2）协作式多点传输技术的缺点（1）需要更高的计算能力和复杂的协议：协作多点传输技术需要对多个节点之间进行协调和控制，因此需要更高的计算能力和更复杂的协议，这会增加系统的设计和实现成本。（2）对网络拓扑和节点位置要求较高：协作多点传输技术需要对网络拓扑和节点位置进行优化，从而最大化协作效果，这对系统设计和实现的要求较高。（3）易受信道变化和干扰的影响：协作多点传输技术的协作效果受到信道变化和干扰的影响较大，因此需要进行更复杂的信号处理和干扰抑制。3）协作多点传输技术的应用领域（1）移动通信：协作多点传输技术在移动通信领域中被广泛应用，可以提高系统的容量和可靠性。例如，在LTE-Advanced系统中，CoMP技术可以提高覆盖范围和频谱效率。（2）无线传感器网络：协作多点传输技术可以用于无线传感器网络中，通过多个节点的协作可以提高网络的能源效率和覆盖范围。例如，多个传感器节点可以协作地将数据汇聚到一个基站或中继节点上进行处理和传输。（3）卫星通信：协作多点传输技术可以用于卫星通信中，通过多个卫星节点的协作可以提高系统的容量和可靠性。例如，在卫星网络中，多个卫星节点可以协作地提高地球覆盖范围和数据传输速率。（4）无线电视和广播：协作多点传输技术可以用于无线电视和广播领域中，通过多个基站或中继节点的协作可以提高系统的覆盖范围和信号质量。例如，在数字电视和广播领域中，多个基站或中继节点可以协作地传输同一信号，以提高接收端的信号质量和覆盖范围。4.异构网络异构网络是指由不同技术的网络设备组成的网络，它可以实现不同网络之间的协同工作，使整个网络更加高效、稳定和灵活。在移动通信领域，异构网络指的是由不同种类的网络设备组成的网络，例如2G、3G、4G等不同的无线通信技术组成的网络。2G网络采用的是TDMA技术，3G网络采用的是宽带码分多址（WCDMA）技术，4G网络采用的是OFDMA技术。这些不同的无线通信技术可以实现不同的数据传输速率和覆盖范围，但是由于它们采用的是不同的调制方式和频段，因此无法互相协作。异构网络技术可以将这些不同的网络整合在一起，形成一个统一的网络，从而提高整个网络的容量和覆盖范围。1）异构网络的组成（1）宏基站，是LTE-A网络中的主要基站类型，它采用的是OFDMA技术，可以实现高速的数据传输和广阔的覆盖范围。宏基站一般覆盖几公里到十几公里的范围，可以支持数千个终端设备同时连接。宏基站通常设置在高楼大厦的顶端、山顶或者广阔的平原上，可以提供更广泛的覆盖范围和更好的通信质量。（2）微基站，是LTE-A网络中的辅助基站，它采用的是分时频分多址（TD-LTE）技术，可以提供更加高效的数据传输和更加密集的覆盖范围。微基站一般覆盖几百米到一公里的范围，可以支持数十个终端设备同时连接。微基站通常设置在建筑物内、地铁站、商场等密集的区域，可以提供更好的室内覆盖和更快的数据传输速率。微基站还有一个重要的特点，就是可以与宏基站进行无缝的切换。在用户从一个覆盖范围内的宏基站移动到另一个覆盖范围内的微基站时，微基站可以接管用户的通信，从而避免通信中断和数据传输中断。2）LTE-A异构网络的实际应用（1）室内覆盖。（2）高密度区域。（3）网络升级。（4）多网络融合。

异构网络技术是4G移动通信技术的重要组成部分，它能够有效地提高网络的容量和覆盖范围，降低通信成本，提高用户的满意度。目前，异构网络技术已经广泛应用于移动通信领域，特别是在室内覆盖、高密度区域、网络升级和多网络融合等方面。未来，随着移动通信技术的不断发展，异构网络技术将会更加成熟和完善，为用户带来更加优质的移动通信服务。5.小区间干扰协调技术

随着移动通信的发展，网络规模和用户数量不断增加，同时，由于无线频谱资源的有限性，小区间干扰也逐渐成为一个重要的问题。为了解决这个问题，LTE-A引入了小区间干扰协调技术，这项技术在网络优化和优化网络性能方面具有重要的意义。

小区间干扰是指在同一频段上，由于小区的位置和参数设置等因素，使得相邻小区之间发生干扰。干扰的程度取决于相邻小区之间的距离、信号强度和频率等因素。如果小区之间的干扰超过了一定的阈值，那么通信就会出现故障或降速，从而影响用户的使用体验。

1）小区间干扰协调技术的原理

小区间干扰协调技术是一种基于LTE-A标准的技术，它通过对小区参数的优化和调整来降低小区之间的干扰。具体来说，小区间干扰协调技术的实现原理包括以下几个方面：（1）动态频谱分配，一种基于TDMA或FDMA等技术的频谱管理方法。（2）动态功率控制，一种基于信号强度的干扰控制方法。（3）预编码技术，一种通过对数据进行编码处理来减少干扰的技术。（4）中继技术，一种通过中继站来转发数据的技术。2）小区间干扰协调技术的应用（1）提高网络容量和覆盖范围。（2）提高通信质量和数据传输速率。（3）降低用户抱怨率和流失率。3）小区间干扰协调技术的发展（1）强化网络智能化。（2）拓展应用场景。（3）强化网络安全保障。（4）强化产业生态。

4G网络在设计之初主要是为了数据通信而设计的，而传统的2G/3G网络主要用于语音通信，因此4G网络在刚开始推广时并不支持语音通信，这给用户带来了不便。为了满足用户的需求，4G网络需要提出相应的语音解决方案。

另外，4G网络使用的技术是基于IP协议的技术，而传统的语音通信技术是基于电路交换的技术，两种技术的差异性使得4G网络无法直接支持传统的语音通信服务。因此，4G网络需要提出新的语音解决方案，将语音信号转换为数字信号进行传输，以满足用户的语音通信需求。最后，语音通信作为移动通信服务中最基本、最重要的一项服务，对于用户的体验和满意度具有非常重要的影响。因此，为了提高用户体验和满意度，4G网络需要提供高质量、低延迟、高保真的语音通信服务。8.64G的语音解决方案

CSFB（CircuitSwitchedFallback）是一种4G网络中的语音解决方案，用于实现4G网络向2G/3G网络的语音切换。CSFB技术是指在4G网络中实现语音通信时，当用户需要进行语音通话时，将4G网络切换到2G/3G网络进行语音通话，完成通话后再切回4G网络。这种技术的基本原理是利用4G和2G/3G网络之间的切换，将4G网络的数据流转换为2G/3G网络的语音通信流，实现语音通话。

CSFB技术的实现主要有两种方式：一种是CSFBtoGSM（CSFB转向GSM），另一种是CSFBtoUMTS（CSFB转向UMTS）。具体来说，当用户需要进行语音通话时，MME将语音通话请求转发给MSC/VLR，并将UE指示切换到2G/3G网络。如果是CSFBtoGSM，UE将切换到GSM网络；如果是CSFBtoUMTS，UE将切换到UMTS网络。在通话结束后，UE再切换回4G网络。8.6.1CSFB语音方案1.CSFB的优势（1）实现简单：CSFB技术可以通过对4G网络进行少量修改就可以实现，而且对于2G/3G网络的支持也非常成熟，因此实现起来比较简单。（2）兼容性好：由于2G/3G网络已经得到了广泛的应用和支持，因此CSFB技术的兼容性非常好，可以保证用户的语音通话需求得到满足。2.CSFB的不足（1）时延较大：由于需要进行网络切换，因此CSFB技术在切换过程中会产生一定的时延，从而影响用户体验。（2）对网络资源的浪费：由于需要同时支持4G和2G/3G网络，因此会浪费网络资源，影响网络的效率。（3）对电池的消耗较大：由于需要频繁切换网络，因此会对手机的电池寿命产生一定的影响。3.CSFB的应用场景CSFB技术主要应用于4G网络中的语音通信场景，例如在4G网络覆盖区域外，用户需要使用2G/3G网络进行语音通话；在4G网络中，如果用户需要进行紧急呼叫，则需要使用2G/3G网络进行呼叫。此外，在4G网络覆盖区域内，由于2G/3G网络的语音通话质量和稳定性相对较好，因此在一些特殊场景下，如地下停车场、电梯、高层建筑等信号较弱的地方，也可以使用CSFB技术进行语音通话。随着移动通信的发展，CSFB技术已逐渐退出历史舞台。

在4G网络中，一种被使用的语音解决方案是SVLTE，即SimultaneousVoiceandLTEData（同时语音和LTE数据）。VLTE技术是一种基于VoLTE的语音解决方案，可以实现同时进行语音通话和数据传输。

当用户进行语音通话时，SVLTE技术会自动将通话切换到2G/3G网络中，当用户需要进行数据传输时，SVLTE技术会将数据传输切换回到4G网络中。SVLTE技术的实现需要一定的硬件和软件支持。首先，需要支持双路收发的无线芯片，以便同时处理语音通话和数据传输。其次，需要在手机上安装SVLTE软件，用于管理语音和数据之间的切换。最后，需要在网络侧进行配置和优化，以确保SVLTE技术的正常运行。8.6.2SVLTE语音方案1.SVLTE的优势（1）同时进行语音通话和数据传输：SVLTE技术可以实现同时进行语音通话和数据传输，提高用户的通信效率和体验。（2）兼容性好：SVLTE技术可以兼容2G/3G和4G网络，支持多种语音和数据传输方式。（3）信号稳定：由于SVLTE技术可以自动切换网络，因此可以保证语音通话和数据传输的信号稳定和连续性。2.SVLTE的不足（1）硬件成本高：实现SVLTE技术需要一定的硬件支持，包括双路收发的无线芯片等，因此对手机的硬件成本有一定的要求。（2）网络切换时延：由于SVLTE技术需要在2G/3G和4G网络之间进行切换，因此会出现一定的网络切换时延，可能影响用户的通信体验。（3）不适用于全球漫游：由于不同国家和地区的移动通信标准不同，SVLTE技术可能无法实现全球漫游。（4）维护和升级成本高：SVLTE技术需要在网络和终端两方面进行配置和优化，因此维护和升级成本较高。3.SVLTE的应用场景2014年，同时工作在CS和LTE方式的手机被推向市场，电信的4G手机一般支持该功能，例如酷派全魔王手机、荣耀畅玩5C、华为Mate8。支持这种功能的手机制造成本高，销售价更高，耗电量也大，会影响用户的使用体验。与CFSB需要网络和终端配合实现语音传输不同的是，SVLTE则是完全由一个终端自主实现的方案，不需要网络升级改造，就可以实现同时进行语音通话和数据传输。随着移动通信的发展，SVLTE技术已逐渐退出历史舞台。

VoLTE（VoiceoverLTE）是一种在4G网络上实现语音通信的技术，它基于IP网络传输语音数据，可以实现高质量、高清晰度的语音通话。与传统的语音通信方式相比，VoLTE具有更快的呼叫建立速度、更低的呼叫掉线率、更好的通话质量和更好的用户体验，是当前移动通信领域的一项重要技术。VoLTE技术基于LTE网络，通过IP网络传输语音数据，实现高质量的语音通话。具体来说，VoLTE利用IMS（IPMultimediaSubsystem）技术实现呼叫控制和信令传输，利用AMR-WB（AdaptiveMulti-RateWideband）编解码器实现高清晰度语音通话。8.6.3VoLTE语音方案1.VoLTE的架构VoLTE技术的架构分为终端侧和网络侧两部分。图8.11VoLTE网络参考架构终端侧：VoLTE技术需要支持高质量的语音编解码和通信协议，因此需要相应的硬件和软件支持。目前，大部分手机终端已经支持VoLTE技术，用户只需要开启手机中的VoLTE开关，即可使用该技术进行语音通话。网络侧：VoLTE网络是指提供VoLTE服务的网络，它由多个不同的子系统组成，包括eNodeB、MME、S-GW、P-GW、IMS核心网等。这些子系统负责处理语音通话的不同方面，包括呼叫信令、媒体传输、QoS管理、安全性保障等。。2.VoLTE的优势（1）高清语音：VoLTE采用的是基于IP网络的语音传输技术，音质清晰，声音更加自然。。（2）快速呼叫建立：VoLTE使用了IMS技术，通过单一平面架构实现了语音和数据的传输，从而缩短了呼叫建立时间。用户只需要点击通话按钮，即可快速连接对方，省去了等待时间。（3）高清视频通话：VoLTE不仅支持高清语音通话，还可以支持高清视频通话，提供更加丰富的通信体验。（4）多任务支持：在进行VoLTE通话的同时，可以进行其他网络操作，如下载、浏览等。（5）QoS支持：在VoLTE中，QoS被用来保证语音通话的优先级高于数据传输，以确保通话的质量不会受到数据传输的干扰。（6）较高安全性：VoLTE也具有很高的安全性。3.VoLTE的典型应用场景（1）商务电话：VoLTE可以提供高质量、高效率的语音通信服务，为商务电话、远程会议等提供了更加便捷的解决方案。（2）视频通话：VoLTE不仅支持高清语音通话，还可以支持高清视频通话，为用户提供更加生动、直观的沟通方式。（3）网络游戏：VoLTE可以提供低延迟、高速度的网络传输服务，满足网络游戏对于快速响应、稳定传输的需求，提供更加顺畅的游戏体验。（4）社交通信：VoLTE支持多媒体消息，包括语音、图片、视频等，提供更加丰富的通信体验。同时，VoLTE也可以支持高质量的语音聊天、多方通话等功能，为社交通信提供更加强大的支持。（5）物联网通信：VoLTE可以为物联网设备提供高速、低延迟的通信服务，为物联网应用提供更加可靠的支持。

在4G时代，移动通信技术的发展演进以及通信设备厂家间的激烈竞争，使得移动通信现网存在多制式、多厂商、多层网络并存的现象。同时，随着移动通信的快速发展，用户规模和需求不断增长，为了满足用户的业务需求不断进行网络建设，从而导致网络规模越来越大，网络节点数以十万计。另外，运营企业要求LTE网络规划优化朝着高效率和低成本方向发展，并且由于LTE系统性能对系统内外干扰高度敏感，使得LTE网络规划和优化变得十分复杂。

一个精品的网络需要符合覆盖连续、容量合理、成本最优三个基本条件。8.7LTE无线网络规划8.7.1LTE规划要点

网络规划就是根据建网目标，确定基站数目及配置；确定站址位置及天线挂高、方向角、下倾角等工程参数；确定信道配置、邻区、频率等无线参数的过程。规划过程图8.12无线网络规划流程四种制式对比比较项GSMWCDMATD-SCDMALTE建网目标广域连续覆盖连续覆盖连续覆盖热点区域连续覆盖

覆盖规划仅取决于发射端的发射功率和接收端的解调门限覆盖能力还取决于系统的负荷状态，存在明显的呼吸效应覆盖能力还取决于系统的负荷状态，和WCDMA相比，呼吸效应不明显LTE的覆盖能力还取决于负荷的状态，但呼吸效应不明显；覆盖能力还和对业务边缘速率的要求、MIMO配置、CP配置、子载波数目相关

业务类型支持语音业务和低速速率业务，质量目标确定支持不同速率、不同QoS要求的业务类型；在规划过程中，各种业务的覆盖和容量特性差别较大支持不同速率、不同QoS要求的业务类型；在规划过程中，各种业务的覆盖和容量特性差别较大LTE支持比WCDMA更复杂的业务类型

规划仿真体现覆盖、容量、质量三者相互独立的特性体现覆盖、容量、质量三者相互影响的特性体现覆盖、容量、质量三者相互独立的特性，同时体现了TD-SCDMA智能天线，上、下行时隙灵活比，多用户检测等特点输入参数体现了LTE的技术特点，OFDM参数配置、MIMO参数配置、RB承载参数配置、ICIC和DRA算法的设置

频率规划异频组网，需要根据网络现状进行频率规划；当网络结构变化时，需要进行评论重整支持同频组网，不需要频率规划同频组网性能较低，需要频率规划中心区域的同频组网，边缘区域的异频组网；中心区域不需要频率规划，边缘区域需要频率规划8.7.2LTE覆盖估算图8.13覆盖估算的基本流程例题：假设某个城市区域内有一个面积为100平方公里的区域需要覆盖LTE网络信号，假设该城市区域内平均每平方公里有1000个用户，假设使用LTE网络需要的最小信号强度为-110dBm，假设每个LTE基站最大传输功率为50W，基站的天线增益为18dBi，那么该区域内至少需要多少个LTE基站才能实现全覆盖？解题思路：首先计算该区域内总共的用户数量：100平方公里

×1000个用户/平方公里=10万个用户。计算信号覆盖的半径：根据LTE网络信号覆盖范围的计算公式，信号覆盖半径为(50W×18dBi×1000)/(4π×(110-30)dBm×1)≈2.7公里。计算每个基站的覆盖面积：根据圆的面积公式，每个基站的覆盖面积为π×2.7公里

×2.7公里≈23平方公里。计算覆盖该区域所需的最小基站数量：10万个用户

÷23平方公里/基站≈