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第二章LTE基本理论2.1LTE网络结构2.1.1网络实体和功能整个TD-LTE系统由3部分组成：核心网（EPC,EvolvedPacketCore）、接入网（eNodeB）、用户设备（UE）。EPC分为三部分：MME(MobilityManagementEntity,负责信令处理部分）S-GW(ServingGateway,负责本地网络用户数据处理部分）、P-GW(PDNGateway，负责用户数据包与其他网络的处理)和接入网（也称E-UTRAN）由eNodeB构成网络接口：S1接口：eNodeB与EPC；X2接口：eNodeB之间；Uu接口：eNodeB与UE。网络架构由图2-1所示：图2-1网络架构eNB功能：无线资源管理相关的功能，包括无线承载控制、接纳控制、连接移动性管理、上/下行动态资源分配/调度等；IP头压缩与用户数据流加密；UE附着时的MME选择；提供到S-GW的用户面数据的路由；寻呼消息的调度与传输；系统广播信息的调度与传输；测量与测量报告的配置。MME功能：寻呼消息分发，MME负责将寻呼消息按照一定的原则分发到相关的eNB；安全控制；空闲状态的移动性管理；EPC承载控制；非接入层信令的加密与完整性保护。服务网关功能：终止由于寻呼原因产生的用户平面数据包；支持由于UE移动性产生的用户平面切换。PDN网关功能：逐用户数据包的过滤和检查。2.1.2无线接口协议无线接口是指终端和接入网质检费接口，简称Uu接口，通常我们称之为空中接口。无线接口协议主要分为三层两面，三层包括物理层、数据链路层、逻辑链路层，两面是指控制平面和用户平面。数据链路层被分为3层，包括媒体接入控制（MACMediumAccessControl）、无线链路控制(RLCRadioLinkControl)和分组数据汇聚协议(PDCPPacketDataConvergenceProtocol)3个子层。网元间控制面整体协议栈和网元间用户面整体协议栈分别如图2-2和图2-3所示：图2-2网元间控制面整体协议栈图2-3网元间用户面整体协议栈2.2物理层关键技术2.2.1OFDM基本理论在共享的信道中进行多路或多用户传输时，需要采用信道复用技术。多路复用和多址技术，是对信道资源的一种分割复用和对接受信号的寻址分离技术：在通信系统的发送端，对信道资源进行划分分割，分配给多路和多用户进行复用传输；在通信系统的接受端，对接受到的信号进行分离和寻址，恢复发送端的多路和多用户信号。信道的复用方式有：①频分复用方式，信道按照频率进行划分分割，多路或多址信号占用不重叠的频带；②时分复用方式，信道按照时间进行划分分割，多路或多址信号占用不重叠时隙的时隙；③码分复用方式，多路或多址信号占用时间和频率重叠，依照不同扩频地址码进行复用和分割；④空分复用方式，信道按照空间进行划分分割，多路或多址信号占用不重叠的空间。OFDM是一种基于正交多载波的频分复用技术。OFDM传输的基本概念：高速串行数据流经串/并转换后，分割成大量的低速数据流，每路数据采用独立载波调制并叠加发送，接受端依据正交载波特性分离多路信号。OFDM的工作原理如图2-1所示。我们看到，OFDM与传统FDM的区别在于，传统的频分复用技术需要在载波间保留一定的保护间隔来减少不同载波间频谱的重叠，从而避免各载波间的相互干扰；而OFDM技术的不同载波间的频谱是重叠在一起的，各子载波间通过正交特性来避免干扰，有效减少了载波间的保护间隔，提高了频谱利用率。图2-1OFDM基本原理总结目前OFDM技术和应用的现状，可以归纳出5个重要特点。①低速并行传输：高速串行数据流经串/并转换后，分割成若干低速并行数据流；每路并行数据流采用独立载波调制并叠加发送。②抗摔落与均衡：由于OFDM对信道频带的分割作用，每个子载波占据相对窄的信道带宽，因而可以把它看作是平坦衰落的信道；这样，OFDM技术就具有系统大带宽的抗摔落特性和子载波小带宽的均衡简单的特性。③抗多径时延引起的码间干扰：在OFDM技术中可以引入循环前缀(CP)，只要CP的时间间隔长于信道时延扩展，就可以完成消除码间干扰的影响。④多用户调度：OFDM系统可以利用信道的频率选择性进行多用户调度，用户可以选择最好的频率资源进行数据传输，从而获得频域的多用户分集增益。⑤基于DFT的实现：可以采用离散傅里叶变换（DFT）进行OFDM信号的调制和解调，从而解决了OFDM的技术实现问题。在更宽带宽下，为何是OFDM技术而不是CDMA技术？我们可以从如下几个方面去理解这个问题。第一，OFDM比较干净、简单地解决了多径信道的问题，而CDMA系统的Rake接收机在更高数据速率下的复杂性和性能难以接受；第二，OFDM实现简单，造价便宜；第三，OFDM可以灵活地选择带宽；第四，可以方便的进行自适应控制和调度，具有较高的频谱利用率；第五，OFDM易于与，MIMO技术结合；第六，闭环的功率控制技术在分组域传输的情况下难以有效的工作，给CDMA带来较大的困难。2.2.2多天线技术多入多出（MIMO）是指在发送端有多根天线，接收端也有多根天线的通信系统。一般将在发射端和接收端中的某一端拥有多天线的多入单出（MISO）、单入多出（SIMO）也看作是MIMO的一种特殊情况。MIMO可以有效提高信道容量，提高系统性能，被认为将是移动通信实现高速率数据传输、提高传输质量的重要途径。作为第四代移动通信技术的长期演进（LTE），可以实现极高的数据传输速率。而OFDM和MIMO技术作为LTE的两项最重要的技术，是LTE能够实现极高数据峰值的关键所在。MIMO在LTE中的应用模式主要有两种，一种用于提高链路质量，即MIMO发射分集；一种用于提高数据传输速率，即MIMO空分复用。对比分析MIMO系统有以下优点:(1)MIMO系统降低了码间干扰(ISI).在移动通信空间无线信道中,由于多径效应等原因造成码间干扰.在MIMO系统中,高速的数据流经过串并转换为多个低速的数据子流,每个码的长度增加,抗码间干扰的能力明显增加。(2)MIMO系统提高了空间分集增益.由于MIMO系统中发射或者接收端的多个天线中,各个天线之间有足够的隔离度,各空间信道的相关性很小,因此能够提供更高的空间分集增益。(3)MIMO系统提高了无线信道容量和频谱利用率.MIMO将多径无线信道与发射、接收视为一个整体进行优化,从而实现高的通信容量和频谱利用率.这是一种近于最优的空域时域联合的分集和干扰对消处理。2.2.3子帧结构TD-LTE帧结构如图2-2所示：无论是正常子帧还是特殊子帧，长度均为1ms。FDD子帧长度也是1ms。一个无线帧分为两个5ms半帧，帧长10ms。和FDDLTE的帧长一样。特殊子帧DwPTS+GP+UpPTS=1ms图2-2子帧结构转换周期为5ms表示每5ms有一个特殊时隙。这类配置因为10ms有两个上下周期行转换点，所以HARQ的反馈较为及时。适用于对时延要求较高的场景，转换为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。TD-LTE上下行配比表如图2-3所示：图2-3上下行配比表2.2.4PRACH2..2.4.1PRACH规划PRACH传送被分为:•时域(prachConfigIndex)–适用于TDD,同步的FDD网络或非同步的FDD网络中某个eNB的小区–[-]:小区A的PRACH将对小区B的PUSCH产生干扰，相反也是–[+]:如果PRACH区域不重叠，则PRACH间没有干扰(取决于PRACH格式)•频域(prachFreqOff)–PRACH频域位置应紧随PUCCH信道区域，或者在频带的上边界，或者在频带的下边界,不能与PUCCH信道区域有重叠。–PRACH配置避免把PUSCH信道区域分成两个区域。–所有小区设置相同的配置。•序列(PRACHCSandrootSeqIndex)–所有相邻小区使用不同的序列3GPP(TS36.211)关于TDD定义了5种前导信号格式如图2-4所示，格式0~3随即接入信号在常规子帧上发射，格式4仅在特殊子帧的UpPTS上发射随机接入信号.图2-4前导信号格式2.2.4.2PRACH配置指示prachConfIndex如图2-5所示，该参数定义了前导信号的格式类型及其允许随机接入前导信号发射的子帧。•PRACH密度数值指示每10ms帧发射多少随机接入信道资源。–RACHdensity=1每帧发射一个随机接入信道资源；–RACHdensity=2每帧发射2个随机接入信道资源。PRACH频率偏置prachFreqOff指示PRACH在上行频带的第一个有效的PRB位置。•PRACH频域(6PRBs)位置应紧随PUCCH信道区域，或者在频带的上边界，或者在频带的下边界,不能与PUCCH信道区域有重叠。•参数配置基于PUCCH区域(参见PUCCHdimensioning)，该值决定多少个有效的PUCCH信道资源。•如果PRACH区域被放置在上行频带的下边缘，则:PRACH-FrequencyOffset=roundup[PUCCHresources/2]•如果PRACH区域被放置在上行频带的上边缘，则:PRACH-FrequencyOffset=NRB-6-roundup[PUCCHresources/2]图2-5PRACH配置指示2.2.4.3PRACH循环移位PrachCS定义了循环移位尺寸，用于前导序列的生成。例如生成某前导序列需要循环移位的数量。PrachCS决定了小区覆盖半径，并且不同小区半径对应不同的CS。RootSeqIndex指示生成一组64个前导序列时所用到第一个根序列：每一个逻辑根序列对应一个物理根序列号，一旦需要超过一个根序列，则须选择连续的号码，直到全部生成。2.3干扰随着新技术的不断出现以及移动通信理念的变革，为了把握新一轮的技术浪潮，保持在移动通信领域的领导地位，2004年底3GPP启动了关于3G演进，即LTE的研究与标准化工作。随着LTER8、R9标准的冻结，LTE正日益成为业界的热点。LTE系统同时定义了频分双工(FrequencyDivisionDuplexing,FDD)和时分双工(TimeDivisionDuplexing,TDD)两种方式，但由于无线技术的差异、使用频段的不同以及各个厂家的利益等因素，LTEFDD支持阵营更加强大，标准化与产业发展都领先于LTETDD。2007年11月，3GPPRAN1会议通过了27家公司联署的LTETDD融合帧结构的建议，统一了LTETDD的两种帧结构。融合后的LTETDD帧结构是以TD-SCDMA的帧结构为基础的，这就为TD-SCDMA成功演进到LTE乃至4G标准奠定了基础。在工信部TD-LTE工作组的领导下，规范制定、MTNet测试和6城市试验网正在紧张有序地进行。随着技术标准不断完善、产业链不断成熟、系统能力不断提高，TD-LTE将很快进入商用时代。干扰是影响网络质量的关键因素之一，对通话质量、掉话、切换、拥塞以及网络的覆盖、容量等均有显著影响。如何降低或消除干扰是TD-LTE网络性能能否充分发挥的重要环节，同时也是网络规划、优化的重要任务之一。TD-LTE组网干扰分内部干扰和外部干扰，内部干扰包括同频组网干扰和异频干扰，外部干扰又包括系统间干扰及其它随机干扰。本文将重点分析系统内的同频和异频干扰，以及系统间与TD-SCDMA的干扰。2.3.1系统内干扰TD-LTE的组网包括同频和异频两种方式，对于同频组网，整个系统覆盖范围内的所有小区可以使用相同的频带为本小区内的用户提供服务，因此频谱效率高。但是对各子信道之间的正交性有严格的要求，否则会导致干扰。对于异频组网，由于频率的不同产生了一定的隔离度，但是仍然需要进行合理的频率规划，确保网络干扰最小，同时由于受限于频带资源，所以存在着干扰控制与频带使用的平衡问题。2.3.1.1同频组网由于OFDM的各子信道之间是正交的，这种特点决定了小区内干扰可以通过正交性加以克服。如果由于载波频率和相位的