LTE教程：结构与实施

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《LTE丛书之学好LTE系列》是专为LTE学习而打造的，内容脱胎于作者深受好评的LTE公开课程，并加以完善和增补，循序渐进，娓娓道来，非常适合LTE学习。本书是《LTE丛书之学好LTE系列》中的一册， 全书分为结构篇和实施篇两部分，详细介绍了LTE技术的基本结构以及具体的实施方法，可帮助读者快速了解和理解LTE的结构与实施。

孙宇彤：高级工程师，中国电子学会会员。已出版了十余部技术专著，是《空中接口学园》和《读懂通信》网站的创建者。

结 构 篇
导言 2
第1章 时频结构 3
本章导读 4
1．1 概述 4
1．1．1 什么是时频结构 4
1．1．2 如何理解时频结构 5
1．1．3 双工方式 6
1．2 FDD的时间结构 8
1．2．1 FDD的时间结构：线帧 8
1．2．2 FDD的时间结构：子帧 8
1．2．3 FDD的时间结构：时隙 9
1．2．4 更小的时间结构 10
1．2．5 上、下行子帧对齐 11
1．3 TDD的时间结构 14
1．3．1 TDD的时间结构 14
1．3．2 TDD的时间结构：特殊子帧 16
1．3．3 TDD的特殊子帧：GP 18
1．3．4 TD-LTE与TD-SCDMA共存 22
1．4 频率结构 24
1．4．1 频率结构：子载波 24
1．4．2 频率结构：资源块（RB） 27
1．4．3 频率结构：频点 28
1．5 时频分布 30
1．5．1 各种下行信号与信道的时间分布 30
1．5．2 各种下行信号与信道的频率分布 33
1．5．3 各种上行信号与信道的时频分布 33
1．6 总结 35
第2章 参考信号 37
本章导读 38
2．1 概述 38
2．1．1 什么是参考信号 38
2．1．2 小区参考信号的发展史 39
2．1．3 小区参考信号的设计 41
2．1．4 小区参考信号的分布 42
2．2 小区参考信号的生成 44
2．2．1 小区参考信号的生成过程 44
2．2．2 扰码的生成方式 45
2．2．3 Gold码的初始值 46
2．2．4 扰码的输出方式 48
2．2．5 扰码的输出过程 48
2．2．6 扰码的时频映射 50
2．3 小区参考信号的KPI 51
2．3．1 参考信号强度：RSRP 51
2．3．2 参考信号质量：RSRQ 53
2．3．3 参考信号信噪比：RS-SINR 54
2．4 终端专用参考信号 56
2．4．1 什么是终端专用参考信号 56
2．4．2 R8的终端专用参考信号 56
2．4．3 R9的终端专用参考信号 59
2．5 上行参考信号 60
2．5．1 上行参考信号的生成过程 61
2．5．2 上行参考信号的资源映射（业务信道） 61
2．6 总结 63
第3章 控制信道 65
本章导读 66
3．1 概述 66
3．1．1 控制信息 66
3．1．2 LTE系统的控制信道 70
3．2 LTE系统的下行物理控制信道 71
3．2．1 物理信道类型（用于控制） 71
3．2．2 PBCH信道 71
3．2．3 PCFICH信道 74
3．2．4 PHICH信道 77
3．2．5 PDCCH信道 80
3．2．6 下行控制信道小结 86
3．3 LTE系统的上行物理控制信道 87
3．3．1 物理信道类型（用于控制） 87
3．3．2 PRACH信道 87
3．3．3 PUCCH信道 90
3．4 总结 95
第4章 业务信道 97
本章导读 98
4．1 概述 98
4．1．1 业务信息 98
4．1．2 业务信道 99
4．1．3 移动通信系统中的业务信道 101
4．1．4 LTE系统中的信道 105
4．2 LTE下行共享物理信道 106
4．2．1 处理流程概述 106
4．2．2 资源映射 108
4．2．3 寻呼信道PCH 109
4．3 LTE上行共享物理信道 109
4．3．1 处理流程概述 109
4．3．2 资源映射 111
4．3．3 复用控制信息 112
4．4 总结 113
4．4．1 LTE系统抛弃了CDMA技术吗 113
实 施 篇
导言 116
第5章 覆盖设计 119
本章导读 120
5．1 概述 120
5．2 设计条件 121
5．2．1 移动信道模型 121
5．2．2 传播模型 122
5．2．3 区域类型 125
5．2．4 业务要求 125
5．3 覆盖设计的指标 126
5．3．1 参考信号强度RSRP 126
5．3．2 参考信号质量RS-SINR 129
5．3．3 下行控制信号的SINR 130
5．3．4 下行业务信号的SINR 131
5．3．5 上行业务信号的SINR 132
5．4 链路预算 132
5．4．1 上行链路预算 133
5．4．2 上行链路预算的参数 134
5．4．3 上行链路预算的案例 136
5．4．4 下行链路预算 138
5．4．5 下行链路预算的参数 139
5．4．6 下行链路预算的案例 140
5．5 评估基站的覆盖范围 141
5．5．1 上行覆盖范围的计算 141
5．5．2 覆盖设计校验 143
5．6 小结 146
第6章 容量分析与评估 147
本章导读 148
6．1 概述 148
6．2 下行峰值速率 148
6．2．1 下行峰值速率的RE计算法 149
6．2．2 下行峰值速率的精确值 152
6．3 上行峰值速率 153
6．3．1 上行峰值速率的RE计算法 153
6．3．2 上行峰值速率的精确值 155
6．4 最大用户数量 156
6．4．1 用户分类 156
6．4．2 PHICH支持的调度用户数 157
6．4．3 PDCCH支持的调度用户数 157
6．4．4 最大调度用户数 160
6．4．5 最大排队用户数 160
6．5 边界容量与覆盖的评估 161
6．5．1 小区的最大吞吐率 162
6．5．2 孤立小区的边界吞吐率 162
6．5．3 孤立小区的边界速率 167
6．5．4 网络小区的边界吞吐率 168
6．5．5 网络小区的边界速率 173
6．5．6 小区边界在哪里 175
6．5．7 边界吞吐率的修正 178
6．5．8 FDD LTE对称吗 179
6．6 小结 180
第7章 TDD与VoLTE 181
本章导读 182
7．1 TDD的速率与吞吐率 182
7．1．1 TDD速率的换算 182
7．1．2 精确的TDD峰值速率 184
7．1．3 TDD边界吞吐率 184
7．2 TDD的链路预算 187
7．2．1 上行链路预算 187
7．2．2 TDD上行覆盖 189
7．2．3 TDD下行链路预算 190
7．2．4 TDD下行覆盖 193
7．3 TD-LTE与FDD LTE的覆盖对比 193
7．3．1 对比分析条件 194
7．3．2 FDD LTE与TD-LTE主要参数的关系 194
7．3．3 覆盖对比的评估方法 196
7．3．4 FDD LTE与TD-LTE的覆盖对比 197
7．3．5 综合指标对比 198
7．3．6 性能对比 202
7．4 VoLTE 204
7．4．1 LTE系统的语音解决方案 204
7．4．2 VoLTE方案的特点 206
7．4．3 VoLTE的语音处理 207
7．4．4 VoLTE的网络规划 209
7．4．5 VoLTE的切换 212
7．4．6 VoLTE引发的问题 213
7．5 小结 214
第8章 线网络的部署方案 215
本章导读 216
8．1 概述 216
8．1．1 线网络的部署 216
8．1．2 部署方案的提供者 217
8．1．3 部署原则：多快好省 218
8．1．4 部署方案的关键因素 220
8．1．5 分步实施 221
8．2 双工方式 223
8．2．1 双工方式的差异 223
8．2．2 中国的双工方式 224
8．2．3 FDD与TDD的协同 226
8．3 工作频段 229
8．3．1 LTE工作频段的差异 229
8．3．2 中国的TD-LTE工作频段 230
8．3．3 中国的FDD LTE工作频段 231
8．3．4 TD-LTE频段的部署方案 235
8．4 天线类型 238
8．5 总结 239
附录A资源分配类型 241
A．1 分配类型0 241
A．2 分配类型1 242
附录B干扰分析 247
B．1 覆盖模型以及蜂窝模型 247
B．2 小区参考信号上的干扰 248
B．3 下行控制信号上的干扰 253
B．4 下行业务信号上的干扰 254
B．5 上行信号上的干扰 256
缩略语 261
参考文献 266

2.1 概 述
2.1.1 什么是参考信号
在第1章时频结构中，我们已经知道了LTE系统处理的内容包括各种信号以及信道上的各种信息。在各种信号中，最重要的就是参考信号（Reference Signal，RS）了。
不过有意思的是，很多人会把参考信号称为导频信号，这只能说明大家受3G的影响太深了，一时间还没有办法进入4G的环境。但是，这种情况不足为奇，因为参考信号的确与导频信号非常类似。
参考信号与导频信号有哪些相似之处呢？
首先看定义，顾名思义，参考信号就是发射机发送的基本信号，是LTE网络中的接收机正常工作的基础，这与3G网络的导频信号定义是一致的。
其次看功能，参考信号的功能也与导频信号类似，提供判断覆盖、获取无线环境的状态（信道估计）、协助解调信号等功能。
因此，把参考信号称为导频信号也是情有可原的。
在LTE系统中，参考信号不止一种，分布在基站和终端两种设备上，接下来我们就来分别了解这些参考信号。
1．基站侧的参考信号
LTE基站产生的参考信号种类非常多，其中最著名也是最常用的叫小区参考信号，简称CRS（Cell Reference Signal）。
我们知道，小区是基站进行业务覆盖的基本单位，一个基站通常分为3个小区，每个小区都会广播相应的小区参考信号。
因此小区参考信号是公共信号，为小区覆盖范围内的所有用户服务。在LTE系统中，除小区参考信号外，在波束赋形的TM7、TM8模式下，还会发送基于终端UE的参考信号，也就是终端专用的参考信号；在多媒体单频广播MBSFN网络中，还会发送MBSFN的参考信号。后一种参考信号，由于MBSFN网络还没有应用，因此本书不做介绍，大家可以自行查阅其他参考书。另外，如果大家想深入了解TM7和TM8模式，可以查阅《LTE教程：原理与实现》一书。
到了R10的LTE-A以后，基站的参考信号做了重大的变革，从小区参考信号中拆分出了解调参考信号（DMRS）、信道状态参考信号（CSI-RS），还引入了用于定位的定位参考信号（PRS）。以上这些新增的参考信号，由于在现阶段部署的LTE网络中还没有引入，因此本书同样不会涉及，请大家自行查阅其他参考书。
2．终端侧的参考信号
在终端侧，终端可以发送两种参考信号：解调参考信号（DMRS）和探测参考信号（SRS）。解调参考信号服务于基站相干解调，而探测参考信号主要用于基站获取无线环境的状态。
在这两种参考信号中，解调参考信号是必备的，探测参考信号是可选的。因此本书只介绍解调参考信号，不会涉及探测参考信号，请大家自行查阅其他参考书来了解探测参考信号。
最后，我们在图2.1中罗列出了LTE系统使用的各种参考信号，其中小区参考信号极其重要，所以专门用粗体标出，而且本章的后续内容将主要围绕小区参考信号来展开。
2.1.2 小区参考信号的发展史
既然小区参考信号来源于导频信号，这里我们就简单回顾一下各种移动通信制式中与LTE小区参考信号类似的信号。
1．GSM
在GSM系统中，有很多公共的信道，其中广播信道BCCH起到了小区参考信号的作用。BCCH是终端测量GSM小区信号强度的目标：终端通过测量BCCH的强度来判断GSM小区的覆盖范围，决定是否驻留以及是否切换。当然，GSM系统的BCCH比起LTE系统的小区参考信号功能丰富一些，还能广播系统信息。
为了区分各个小区的BCCH，GSM系统引入了频分多区技术，采用频率规划来避免相邻小区BCCH的相互干扰，具体内容可以查阅《LTE教程：原理与实现》。
LTE小区参考信号的另外两个功能：获取无线环境的状态和协助解调信号，在GSM系统中由业务信道自己来承担，主要通过时隙上的训练比特来完成。
2．PHS
PHS系统与GSM系统非常类似，终端通过测量PHS控制频点上控制时隙的信号强度，来判断PHS小区的覆盖范围，决定是否驻留以及是否切换。
为了区分各个小区的控制时隙，PHS系统引入了时分多区技术，利用逻辑控制信道LCCH来避免相邻小区控制时隙的相互干扰。
小区参考信号的另外两个功能：获取无线环境的状态和协助解调信号也由业务信道自己来承担，主要通过时隙上的UW识别字来完成。
3．cdma2000
cdma2000系统的导频信号Pilot是终端进行测量的主要目标，可以帮助终端获取无线环境的状态和协助解调信号。
为了区分各个cdma2000小区的导频信号，cdma2000系统引入了码分多区技术，利用PN码的不同相位来降低相邻小区导频信号的相互干扰。
值得注意的是，EVDO与cdma2000有所不同，EVDO的导频信号是不连续发射的。
4．WCDMA
WCDMA系统的导频信号CPICH是终端进行测量的主要目标，至于获取无线环境的状态和协助解调信号这两大功能，则可以利用业务信道上嵌入的导频比特来实现。
为了区分各个WCDMA小区的导频信号，WCDMA系统引入了码分多区技术，利用不同的主扰码来降低相邻小区导频信号的相互干扰。
5．TD-SCDMA
TD-SCDMA系统的导频信号PCCPCH是终端进行测量的主要目标，至于获取无线环境的状态和协助解调信号这两大功能，都通过时隙上的训练序列 Midamble部分来实现，类似GSM系统。
为了区分各个TD-SCDMA小区的导频信号，TD-SCDMA系统引入了码分多区技术，利用不同的扰码来减少相邻小区导频信号的相互干扰。
2.1.3 小区参考信号的设计
了解了各种移动通信制式的类似信号后，接下来我们来分析LTE系统的小区参考信号在设计时需要考虑哪些因素。
1．功率
很显然，为了方便终端进行信号强度的判断，我们要求小区参考信号的发射功率必须维持恒定。功率恒定这个特点其实在GSM、WCDMA等系统中也是如此。因此，功率恒定是小区参考信号的第一要求。
此外，为了方便终端判断路径损耗，以确定上行的发射功率，小区参考信号发射功率的具体数值将通过系统信息SIB2广播出来，让终端心知肚明。
附带说一下，在天文领域中，天文学家利用超新星的最大亮度基本相当这个条件，测量出了大量河外星系的距离，并结合河外星系的巨量红移，为宇宙大爆炸理论奠定了坚实的基础。
2．区分
为了避免相邻小区间参考信号的干扰，LTE系统必须引入小区参考信号的区分机制。在LTE系统中，同时使用了频分多区技术和码分多区技术，这些技术的具体实施方法，将在后续小节中介绍。
3．分布
由于LTE系统是多载波系统，大量的子载波同时工作，而无线环境的特性是与子载波相关联的，因此，为了方便终端评估无线环境的特性，我们希望小区参考信号在每个子载波上都能出现。
同样地，我们在第1章介绍了时频结构，知道LTE系统的一个时隙中通常承载有7个OFDM符号，那么，如果让小区参考信号在每个OFDM符号上都能出现，对终端及时评估无线环境的特性也是有利的。
LTE系统还采用了多天线技术，通常情况下，每个天线端口发射的信号以及对应的发送特性是不同的，需要区分。为了方便终端进行各个天线端口的评估，小区参考信号还需要在每个天线端口上发送。
这样看来，在子载波、OFDM符号以及各个天线端口上部署的小区参考信号越多，终端对无线环境特性的把握就越好。
但是，小区参考信号不能传送业务内容，属于系统开销。小区参考信号越多，系统的开销越大。就像一个单位一样，如果管理层太多，做事的人太少，只能是办事不力的结果。
因此，在LTE系统中采用了变通的方式，并不是在每个子载波或者OFDM符号上都部署小区参考信号，而是每隔若干个子载波以及OFDM符号才会部署一个小区参考信号，让小区参考信号在时频网格上不连续分布，但却是均匀分布，保证每个调度块中总会分布固定数量的小区参考信号。
这样做之后，可以大幅降低系统开销，从而提高LTE系统的吞吐率。当然这样做也会带来一个明显的缺点：如果子载波或者OFDM符号上刚好没有参考信号，其无线环境的状态需要根据邻近的子载波或者OFDM符号来推断，可能会不够准确。
2.1.4 小区参考信号的分布
了解了小区参考信号的三大考量因素后，接下来我们介绍小区参考信号在时频网格上的分布情况。小区参考信号的分布与天线端口数量相关，以下分开来介绍。
1．单天线端口
为了简化学习过程，我们先考虑基站的小区使用一个天线端口的情况，也就是单天线端口时的分布情况。所谓天线端口，指的是天线的逻辑端口，在FDD双工方式下，也就是小区采用单天线；在TDD双工方式下，也就是小区采用单天线或8天线，详细情况可以查阅《LTE教程：原理与实现》一书。
在图2.2中，时频网格横向以OFDM符号为单位，以l为OFDM符号的序号，从0到6；纵向以子载波为单位，共12个子载波。时频网格的每个方格对应一个资源颗粒RE，而图2.2中的时频网格对应1个调度块SB。
在图2.2中，标明R0的方格被小区参考信号占用，以时隙为重复周期。我们不难看出，在时间上，小区参考信号只出现在时隙的第0号（第1个）和第4号（第5个）OFDM符号上；在频率上，1个RB的带宽内每6个子载波上有一个小区参考信号。另外，在不同的OFDM符号上，小区参考信号的位置会彼此错开。
在单天线端口下，一个调度块中均匀分布了8个小区参考信号，占用了8个RE。结合一个调度块中有168个RE，计算可得小区参考信号的开销约为5%。
2．双天线端口
接下来，我们考虑基站的小区使用两个天线端口的情况，也就是双天线端口，即小区配置了两个天线逻辑端口。
双天线端口在FDD双工方式下，也就是小区采用2天线；在TDD双工方式下，也就是小区采用2天线或8天线。双天线端口是LTE小区中最常用的一种天线配置。
图2.3展示了小区参考信号在双天线端口时频网格上的分布，其中左图是第1个天线端口上的时频网格，右图是第2个天线端口上的时频网格。
对比图2.2与图2.3的左图，我们发现两种情况的小区参考信号的分布完全一样，而图2.3的右图相当于左图中第0号OFDM符号与第4号OFDM符号交换了一下，小区参考信号（用R1来表示）同样也是均匀分布。小区参考信号这样的交错分布可以带来一大好处：避免了两个天线端口上小区参考信号的相互干扰。