LTE基础知识第读书笔记

Q：什么是LTE?

A：LTE（Long Term Evolution）是3GPP主导的无线通信技术的演进。接入网将演进为E-UTRAN(Evolved UMTS Terrestrial Radio Access Network)。连同核心网的系统架构将演进为SAE(System Architecture Evolution)。

Q：LTE的设计目标是什么？ A：设计目标如下：

1 带宽灵活配置：支持1.4MHz，3MHz，5MHz，10MHz，15MHz，20MHz； 2 峰值速率（20MHz带宽）：下行100Mbps，上行50Mbps； 3 控制面延时小于100ms，用户面延时小于5ms；

4 能为时速大于350km/h的用户提供100kbps的接入服务； 5 支持增强型MBMS(E-MBMS)；

6 取消CS域：CS业务在PS域实现，如VOIP； 7 系统结构简单化，低成本建网。

Q：LTE支持什么双工方式和频段？ A：根据LTE R8协议，支持FDD和TDD两种双工方式，支持频段包括2.1GHz、1.9GHz、1.7GHz、2.6GHz、900 MHz、800 MHz、450 MHz等等（详细请参考协议36.101），多种宽带配置：1.4MHz、3MHz、5MHz、10MHz、15MHz、20MHz。

Q：什么是OFDM?

A：OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）属于调制复用技术，它把系统带宽分成多个相互正交的子载波，在多个子载波上并行数据传输。各个子载波的正交性是由基带IFFT（Inverse Fast Fourier Transformation快速傅里叶反变换）实现的。由于子载波带宽较小（15kHz），多径时延将导致ISI（Inter-Symbol Interference符号间干扰），破坏子载波之间的正交性，为此在OFDM符号间插入保护间隔，通常采用循环前缀CP（Cyclic Prefix）来实现。 OFDM的优点： l

频谱配置方式灵活，能使用1.4MHz~20MHz的带宽范围配置，由于OFDM子载波间正交复用，不需要保护带，频率利用率高； l

合理配置CP，能有效克服无线环境中多径干扰引起的ISI，保证小区内用户的相互正交，改善小区边缘的覆盖； l

支持频率维度的链路自适应和调度，对抗信道的频率选择性衰落，获得多用户分集增益，提高系统性能； l

子载波带宽在10kHz的数量级，每个子载波经历的是频谱的平坦衰落，使得接收机的均衡容易实现；

l

OFDM容易和MIMO技术相结合。 OFDM的缺点： l

对时域和频域的同步要求高，子载波间隔小，系统对频率偏移敏感，收发两端晶振的不一致也会引起ICI（Inter-Carrier Interference载频间干扰），频率估计不精确会导致信号检测性能下降； l

移动场景中多普勒频移引起的频偏同样会导致ICI，需要设置合理的频率同步参数； l

OFDM的PAPR（Peak-to-Average Power Ratio峰均功率比）高，对功放的线性度和动态范围要求很高。这也是上行采用SC-FDMA（Single-Carrier Frequency Division Multiple Access单载波FDMA）的原因，大部分欧美设备商对OFDM的上行峰平比PAPR(将影响手持终端的功放成本和电池寿命)有顾虑，坚持采用具有较低的PAPR的SC-FDMA。

Q：LTE的终端能力等级分为几种？

A：3GPP R8（ 36.301）定义了5类不同能力的终端，其中CAT5支持4流，CAT2-CAT4可支持双流，具体峰值能力如下：

UE等级 CAT1 CAT2 最大速率 （MAC） CAT3 CAT4 CAT5

Q：LTE的主要网元有哪些？ A：LTE的主要网元有：

1 接入网E-UTRAN（Evolved UMTS Terrestrial Radio Access Network）由e-NodeB组成，提供用户面和控制面。接入网扁平化、IP化，去掉RNC的物理实体，功能实体分解到基站和核心网元。

e-NodeB的主要功能包括： l

无线资源管理功能，即实现无线承载控制、无线徐可控制、连接移动性控制，在上下行链路上完成UE上的动态资源分配（调度）； l

用户数据流的IP报头压缩和加密； l

UE附着状态时MME的选择； l

DL 10M 51M 102M 150M 300M UL 5M 25M 51M 51M 75M 实现S-GW用户面数据的路由选择； l

执行由MME发起的寻呼信息和广播信息的调度和传输； l

完成有关移动性配置和调度的测量和测量报告。

2 核心网EPC（Evolved Packet Core）由MME（Mobility Management Entity），S-GW（Serving Gateway）和P-GW（PDN Gateway）组成，用户面和控制面分离，原有SGSN实体分解为MME（控制面实体）和Gateway（用户面实体）。 MME的主要功能包括： l

NAS（Non-Access Stratum）非接入层信令的加密和完整性保护； l

AS（Access Stratum）接入层安全性控制、空闲状态移动性控制； l

EPS（Evolved Packet System）承载控制； l

支持寻呼、切换、漫游、鉴权。 S-GW的主要功能包括： l

分组数据路由及转发； l

移动性及切换支持； l

合法监听； l

计费。

P-GW的主要功能包括： l

分组数据过滤； l

UE的IP地址分配； l

上下行计费及限速。

与传统3G网络相比，LTE的网络结构更加简单扁平，因此可以降低组网成本，增加组网灵活性，并能大大减少用户数据和控制信令的时延。

Q：LTE的网络接口有哪些？ A：LTE的网络接口有：

1 X2：e-NodeB之间通过X2接口连接，支持数据和信令的直接传输；

2 S1：e-NodeB和EPC之间通过S1接口连接，其中S1-MME是e-NodeB连接MME的控制面接口，S1-U是e-NodeB连接S-GW的用户面接口。

Q：LTE中的SON是什么？

A：SON（Self Organization Network）是自组织网络的缩写，是由下一代移动网NGMN（Next Generation Mobile Network）运营商发起的要求LTE实现的功能，主要集中在FCAPSI（Fault, Configuration, Alarm, Performance, Security, Inventory）的管理： l

自规划（Self-planning） l

自配置（Self-deployment） l

自优化（Self-optimization） l

自维护（Self-maintenance） SON的优势在于： l

运营商可以减少规划、优化、维护的成本，降低OPEX； l

设备商可以促进性能特性、工具等的销售，降低交付后网络优化的成本； l

低附加值和低技术含量的工作将减少。

Q：LTE的协议栈有哪些内容？ A：LTE的协议栈有两个面： l

用户面协议栈：负责用户数据传输 l

控制面协议栈：负责系统信令传输 其中用户面的主要功能有： l 头压缩 l

加密 l 调度 l

ARQ/HARQ

控制面的主要功能有： l

RLC和MAC层功能与用户面中的功能一致 l

PDCP层完成加密和完整性保护 l

RRC层完成广播、寻呼、RRC连接管理、资源控制、移动性管理、UE测量报告控制

l

NAS层完成核心网承载管理、鉴权及安全控制

Q：什么是SC-FDMA？为什么上行采用SC-FDMA?

A：LTE上行采用SC-FDMA（Single-Carrier Frequency Division Multiple Access单载波FDMA）,能够灵活实现动态频带分配，其调制是通过DFT-S-OFDM(Discrete Fourier Transform Spread OFDM)技术实现的。DFT-S-OFDM类似于OFDM，每个用户占用系统带宽中的某一部分，占用带宽大小取决于用户的需求和系统调度结果。与传统单载波技术相比，DFT-S-OFDM中不同用户占用相互正交的子载波，用户之间不需要保护带，具有更高的频率利用效率。受终端电池容量和成本的限制，上行需要采用PAPR比较低的调制技术，提高功放的效率。

Q：FDD和TDD的无线帧结构有什么不同?

A：LTE支持两种无线帧结构：类型1适用于频分双工FDD，类型2适用于时分双工TDD。 FDD类型无线帧结构： l

采用OFDM技术，子载波间隔为△f=15kHz，2048阶IFFT，则帧结构的时间单位为Ts=1/(2048*15000)秒； l

FDD类型无线帧长10ms，每帧含有20个时隙，每时隙为0.5ms。普通CP配置下，一个时隙包含7个连续的OFDM符号（Symbol）。 l

LTE具有时域和频域的资源，资源分配的最小单位是RB（Resource Block资源块），RB由RE（Resource Element）组成； l

RE是二维结构，由时域符号（Symbol）和频域子载波（Subcarrier）组成； l

1个时隙和12个连续子载波组成一个RB。 TDD类型无线帧结构： l

同样采用OFDM技术，子载波间隔和时间单位均与FDD相同； l

帧结构与FDD类似，每个10ms帧由10个1ms的子帧组成，子帧包含2个0.5ms时隙； l

10ms帧中各个子帧的上下行分配策略可以设置。

Q：LTE的组网拓扑图是什么样的?

A：LTE的组网拓扑图如下，方便大家查找相关协议。

Q：什么是CP?

A：为克服OFDM系统所特有的符号间干扰ISI，LTE引入了循环前缀CP（Cyclic Prefix）。CP的长度与覆盖半径有关，一般情况下配置普通CP（Normal CP）即可满足需求，广覆盖等小区半径较大的场景下可配置扩展CP（Extended CP）。CP长度配置越大，系统开销越大。

Q：LTE物理信道有哪些?

A：LTE的下行物理信道主要有： l

PBCH（Physical Broadcast Channel）：物理广播信道，承载小区ID等系统信息，用于小区搜索过程； l

PDCCH（Physical Downlink Control Channel）：物理下行控制信道，承载寻呼和用户数据的资源分配信息，以及与用户数据相关的HARQ信息； l

PDSCH（Physical Downlink Shared Channel）：物理下行共享信道，承载下行用户数据； l

PCFICH（Physical Control Format Indicator Channel）：物理控制格式指示信道，承载控制信道所在的OFDM符号的位置信息； l

PHICH（Physical Hybrid Automatic Repeat Request Indicator Channel）：物理HARQ指示信道，承载HARQ的ACK/NACK信息；

l

PMCH（Physical Multicast Channel）：物理多播信道，承载多播信息。 LTE的下行物理信道主要有： l

PRACH（Physical Random Access Channel）：物理随机接入信道，承载随机接入前导； l

PUSCH（Physical Uplink Shared Channel）：物理上行共享信道，承载上行用户数据； l

PUCCH（Physical Uplink Control Channel）：物理上行控制信道，承载HARQ的ACK/NACK，调度请求（Scheduling Request），信道质量指示（Channel Quality Indicator）等信息。

Q：物理信道处理过程是什么? A：下行物理信道处理过程： l 加扰； l

调制：对加扰后的码字进行调制，生成复数值的调制符号； l

层影射：将复数调制符号影射到一个或多个发射层中； l

预编码：对每个发射层中的复数调制符号进行预编码，并影射到相应的天线端口； l

RE影射：将每个天线端口的复数调制符号影射到相应的RE上； l

OFDM信号生成：每个天线端口信号生成OFDM信号。 下行物理信道的调制方式 物理信道 PBCH PDCCH PDSCH 调制方式 QPSK QPSK 物理信道 PCFICH PHICH 调制方式 QPSK BPSK QPSK,16QAM,64QAM QPSK,16QAM,64QAM PMCH

上行物理信道处理过程： l 加扰； l

调制：对加扰后的码字进行调制，生成复数值的调制符号； l

转换预编码：生成复数值的符号； l

RE影射：将复数符号影射到相应的RE上； l

SC-FDMA信号生成：每个天线端口信号生成SC-FDMA信号。

上行物理信道的调制方式

物理信道 PUCCH PUSCH PRACH 调制方式 BPSK,QPSK QPSK,16QAM,64QAM Zadoff-Chu序列

Q：上下行物理信号有哪些? A：下行物理信号：

1 下行参考信号RS（Reference Signal）：类似CDMA的导频信号，用于下行物理信道解调及信道质量测量（CQI）。协议指定有三种参考信号，其中小区指定参考信号（Cell-Specific Reference Signal）为必选，另外两种参考信号（MBSFN Specific RS&UE-Specific RS）为可选，有以下特点： l

小区特定参考信号由小区特定参考信号序列及频移影射得到，RS本质上是在时频域上传播的伪随机序列； l

在某一天线端口上，RS的频域间隔为6个子载波； l

RS离散地分布在时频域上，相当于对信道的时频域特性进行抽样，供下行信道估计和信号解调提供参考； l

RS分布越密集，则信道估计越精确，但开销越大，影响系统容量。

2 同步信号（Synchronization Signal）用于小区搜索过程中UE和e-UTRAN的时频同步，包括两个部分： l

主同步信号（Primary Synchronization Signal）：用于符号timing对准，频率同步，以及部分的小区ID侦测； l

次同步信号（Secondary Synchronization Signal）：用于帧timing 对准，CP长度侦测，以及部分的小区ID侦测。 同步信号有以下特点： l

无论系统带宽是多少，同步信号只位于系统带宽的中部，占用62个子载波； l

同步信号只在每个10ms帧的第1个和第11个时隙中传送； l

主同步信号位于传送时隙的最后一个符号，次同步信号位于传送时隙的倒数第二个符号。 上行物理信号：上行参考信号RS（Reference Signal）是上行的导频信号，用于e-UTRAN与UE的同步和上行信道估计。上行参考信号有两种：

l

调制参考信号DM RS（Demodulation Reference Signal），PUSCH和PUCCH传输时的导频信号； l

Sounding参考信号SRS（Sounding Reference Signal），无PUSCH和PUCCH传输时的导频信号。 上行参考信号有以下特点： l

由于上行采用SC-FDMA，每个UE只占用系统带宽的一部分，DM RS只在相应的PUSCH和PUCCH分配带宽中传输； l

DM RS在时隙中的位置根据伴随的PUSCH和PUCCH的不同格式而有所差异； l

Sounding RS的带宽比单个UE分配到的带宽要大，目的是为e-NodeB作全带宽的上行信道估计提供参考； l

Sounding RS在每个子帧的最后一个符号发送，周期/带宽可以配置，Sounding RS可以通过系统调度由多个UE发送。

Q：物理层过程中小区搜索过程是什么? A：小区搜索（Cell Search）是UE实现与e-UTRAN下行时频同步并获取服务小区ID的过程，分为两个步骤： l

第一步：UE解调主同步信号实现符号同步，并获取小区组内ID； l

第二步：UE解调次同步信号实现帧同步，并获取CP长度和小区组ID。 初始化小区搜索（Initial Cell Search）： l

UE上电后开始进行初始化小区搜索，UE第一次开机时并不知道网络的带宽和频点； l

UE会重复基本的小区搜索过程，历遍整个频谱的各个频点尝试解调同步信号，这个过程耗时较长，但一般对这个时间要求并不严格，可以通过一些方法缩短以后的UE初始化时间，如UE储存以前的可用网络信息，开机后优先搜索这些网络； l

一旦UE搜寻到可用网络并与网络实现时频同步，获得服务小区ID，即完成小区搜索后，UE将解调下行广播信道PBCH，获取系统带宽、发射天线数等系统信息； l

完成上述过程后，UE解调下行控制信道PDCCH，获取网络指配给这个UE的寻呼周期，然后在固定的寻呼周期中从IDLE态醒来解调PDCCH，监听寻呼。如果有属于该UE的寻呼，则解调指定的下行共享信道PDSCH资源，接收寻呼。

Q：物理层过程中随机接入的过程是什么?

A：随机接入（Random Access）是UE与e-UTRAN实现上行时频同步的过程，随机接入前，物理层应该从高层接收到以下内容： l

随机接入信道PRACH参数：PRACH配置，频域位置，前导（preamble）格式等； l

小区使用preamble根序列及其循环位移参数，以解调随机接入preamble。 物理层的随机接入过程包括两个步骤： l

UE发送随机接入preamble； l

E-UTRAN对随机接入的响应。 随机接入的具体过程为： l

高层请求发送随机接入preamble，继而触发物理层随机接入过程； l

高层在请求中指示preamble index，preamble目标接收功率，相关的RA-RNTI，以及随机接入信道的资源情况等信息； l

UE决定随机接入信道的发射功率为preamble的目标接收功率+路径损耗，发射功率不超过UE的最大发射功率，路径损耗为UE通过下行链路估计的值； l

通过preamble index选择preamble序列； l

UE以计算出的发射功率，用所选的preamble序列，在指定的随机接入信道资源中发射单个preamble； l

在高层设置的时间窗内，UE尝试侦测以其RA-RNTI标识的下行控制信道PDCCH，如果侦测到，则相应的下行共享信道PDSCH传往高层，高层从共享信道中解析出20位的响应信息。

Q：物理层过程中功率控制有哪些? A：功率控制（Power Control）包括： l

下行功控决定了每个RE上的能量EPRE（Energy per Resource Element）； l

上行功控决定了每个DFT-S-OFDM（上行SC-FDMA的复用调制方式）符号上的能量。 上行功控： l

上行功控的方式有开环功控和闭环功控两种； l

可以通过X2接口交换各小区的过载指示OI（Overload Indicator）实现小区间的集中式功控，使得功控有可能提升整个系统的性能； l

上行功控可以分别控制PUSCH，PUCCH，PRACH和Sounding RS，各种信道/信号的功控大同

小异。 下行功控： l

下行RS一般以恒定功率发射，下行共享信道PDSCH的发射功率是与RS发射功率成一定比例的； l

下行功控根据UE上报的CQI与目标CQI的对比，调整下行发射功率。