TDLTE无线网络规划设计高级.docx
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TDLTE无线网络规划设计高级
TD-LTE无线网络规划设计（高级）
第一章概述
1.1.LTE发展概况
LTE（LongTermEvolution）是3GPP于2004年11月启动的UMTS技术长期演进项目，分为FDD（频分双工）方式的LTE和TDD（时分双工）方式的LTE，其中TDD方式的LTE又由于演进路线的不同分为LTETDD1和LTETDD2。
我国从2005年开始推动LTE的TDD方案（LTETDD2方式）的研究并被3GPP所接受，之后由我国大力推动并通过多方努力，目前两种TDD方式已经融为一种，统称为TD-LTE。
TD-LTE同时也被确定为TD-SCDMA标准的后续演进技术。
1.2.系统架构
1.2.1.LTE系统网络架构
在3GPP的长期演进（LongTermEvolution，LTE）项目中，对LTE系统提出了严格的时延需求。
其中，控制面时延由LTE空闲态转移到激活态时延要求为100ms，休眠态转移到激活态的时延要求为50ms；对于用户面时延，UE或RAN边缘节点IP层分组数据至RAN边缘节点或UEIP层分组数据的单向传输时间要求为5ms。
为了满足如上要求，除空中接口无线帧长度、TTI（TransmittingTimeInterval）等变化以缩短空中接口的时延之外，3GPP对网络结构也进行了优化和演进，尽量减少通信路径上的节点跳数，从而减少网络中的传输时延。
同3GPP既有系统相似的是，LTE无线接入网与核心网仍然遵循各自发展的原则，空中接口终止在无线接入网。
因此，无线接入网与核心网的逻辑关系仍然存在，无线接入网与核心网的接口也依然明晰。
从整体上说，与3GPP既有系统类似，LTE系统架构仍然分为两部分，如图1-1所示，包括演进后的核心网EPC（即图中的MME/S-GW）和演进后的接入网E-UTRAN演进后的系统仅存在分组交换域。
从整体上说，与3GPP既有系统类似，LTE系统架构仍然分为两部分，如图1-1所示，包括演进后的核心网EPC（即图中的MME/S-GW）和演进后的接入网E-UTRAN。
演进后的系统仅存在分组交换域。
LTE接入网仅由eNodeB（evolvedNondeB）组成，提供到UE的E-UTRA控制面与用户面的协议终止点。
eNodeB之间通过X2接口进行连接，并且在需要通信的两个eNodeB之间总是存在X2接口，如为了支持LTE激活状态下不同eNodeB之间的切换，源eNodeB与目标eNodeB之间会存在X2接口。
LTE接入网与核心网之间通过S1接口进行连接，S1接口支持多对多连接方式。
与3G系统的网络架构相比，接入网仅包括eNodeB一种逻辑节点，网络架构中的节点数量减少，网络架构更加趋于扁平化。
这种扁平化的网络架构带来的好处是降低了呼叫建立时延以及用户数据的传输时延，并且由于减少了逻辑节点，也会带来OPEX与CAPEX的降低。
如图1-2所示，由于eNodeB与MME/S-GW之间具有灵活的连接（S1-flex），UE在移动过程中仍然可以驻留在相同的MME/S-GW上，这将有助于减少接口信令交互数量以及MME/S-GW的处理负荷。
当MME/S-GW与eNodeB之间的连接路径相当长或进行新的资源分配时，与UE连接的MME/S-GW也可能会改变。
eNodeB是E-UTRAN侧的S1接入点，MME或S-GW是EPC侧的Sl接入点。
E-UTRAN与EPC之间可以具有多个Sl接入点，每一个S1接入点都应满足S1接口定义的需求，并满足S1接口所有的功能。
定义E-UTRAN架构及E-UTRAN接口的工作主要遵循了以下基本原则。
（1）信令与数据传输在逻辑上是独立的。
（2）E-UTRAN与EPC在功能上是分开的。
E-UTRAN与EPC的寻址方案与传输功能的寻址方案不能绑定。
（3）RRC连接的移动性管理完全由E-UTRAN进行控制，使得核心网对于无线资源的处理不可见。
（4）E-UTRAN接口上的功能应定义得尽量简化，选项应尽可能的少。
（5）多个逻辑节点可以在同一个物理网元上实现。
（6）Sl/X2接口是开放的逻辑接口，应满足不同厂家设备之间的互联互通。
1.2.2.E-UTRAN与EPC的功能划分
如上节所述，LTE系统架构包括E-UTRAN与EPC，其中E-UTRAN（即无线部分）主要由eNodeB组成，取消了3G中的RNC；EPC则分为MME和S-GW。
因此，LTE的主要逻辑节点可以分为eNodeB、MME和S-GW，以下将分别对每种逻辑节点进行阐述。
eNodeB为无线接入节点，其功能主要包括：
（1）无线资源管理功能：
无线承载控制、无线接入控制、连接移动性控制、UE的上/下行动态资源分配（调度）；
（2）IP头压缩及用户数据流加密；
（3）UE附着时的MME选择；
（4）路由用户面数据至服务网关；
（5）寻呼消息的组织和发送（由MME产生）；
（6）广播信息的组织和发送（由MME或O&M产生）；
（7）以移动性或调度为目的的测量及测量报告配置。
MME处理控制平面功能，主要包括：
（1）非接入层（Non-AccessStratum，NAS）信令的处理；
（2）分发寻呼消息至eNodeB；
（3）接入层安全控制；
（4）移动性管理涉及核心网节点之间的信令控制；
（5）空闲状态移动性控制；
（6）SAE承载控制；
（7）NAS信令的加密与完整性保护；
（8）跟踪区列表管理；
（9）PDNGW与S-GW选择；
（10）向2G/3G切换时的SGSN选择；
（11）漫游；
（12）鉴权。
S-GW处理用户平面功能，主要包括：
（1）终止因为寻呼产生的用户面数据；
（2）支持UE移动性的用户面切换；
（3）合法监听；
（4）分组数据的路由与转发；
（5）传输层分组数据的标记；
（6）运营商间计费的数据统计；
（7）用户计费。
图1-3描述了逻辑节点（eNodeB、MME、S-GW）、功能实体以及协议层之间的关系以及功能划分。
1.3.业务承载
1.3.1.移动通信市场需求现状和趋势
当前，语音业务仍然是移动通信业务收入的主要来源，但是非语音业务的地位正日益提高，业务发展重点也在不断改变。
最初几年，短信业务占据非语音业务收入的主体地位。
2005年以后，3G技术和设备逐渐成熟，网络覆盖和终端性能都有了很大的提高，尤其是2006年HSDPA开始在全球规模商用，全面提升了用户体验，大大推动了移动数据业务的发展。
2007年是3G业务市场的转折点，伴随着3G增强型技术的普及和发展，3G特色业务成为推动移动运营商增加收入的主要驱动力。
从移动数据收入在总收入中的占比历史数据可以看出，主流运营商的移动数据业务收入比重都呈现上升趋势，这一趋势在2006年之后更加明显，而这些运营商的HSDPA网络大多从2006年开始商用。
移动数据业务的兴起带来了很多新应用和新市场，这些新的应用体现了用户对业务和带宽的需求也在发生着变化，呈现出新的趋势。
1.3.1.1.用户对业务的需求
1.3.1.1.1.趋势1：
移动互联网
在全球LTE融合的大趋势下，移动网与互联网的融合日趋明显，大量源自互联网的业务被移植到移动互联网上，即时消息、博客、电子邮件等都已经在移动互联网上获得了良好的应用。
人们开始体会到移动互联网的方便和魅力，越来越期望通过无线网络获得与固定互联网同样的速率和体验。
同时，互联网在人们的生活和工作中深入渗透，随时随地通过无线宽带接入互联网的需求呈现出井喷的趋势。
根据预测，未来5年，无线宽带上网将会占据全部移动网络总流量的56%，成为占用网络带宽和容量最大的业务。
1.3.1.1.2.趋势2：
生活化——工作化
目前移动增值业务中，娱乐类业务占主导。
人们主要还是在闲暇的时候使用移动业务来解闷。
而随着业务和网络技术的发展，改善人们生活和工作的业务将会越来越普及，这些业务在各类用户需求中都是最受欢迎的，全面覆盖用户的各类需求。
移动业务能够满足用户日常生活和工作的需要，为用户的生活带来了极大的便利。
只需携带一部多功能手机终端，用户即可畅行无阻。
移动支付、移动导航、远程医疗、移动办公、移动视频会议等，体现在人们生活和工作的方方面面。
1.3.1.1.3.趋势3：
视频化
作为一种最直观的内容表现形式，视频业务一直受到用户的推崇。
但是，在网络发展初期，带宽的局限使得视频业务的发展举步维艰。
3G网络成为视频业务飞速发展的催化剂，以视频作为表现形式的业务将越来越多。
根据预测，未来手持终端中，视频类业务将会占据网络总流量的28%，成为第二大流量业务。
NTTDoCoMo等国际先进的3G运营商的数据业务中，增长最快的都是移动视频类业务。
由于视频类业务对带宽的需求较高，也直接导致了这些运营商对移动宽带技术的需求非常急迫。
1.3.1.1.4.趋势4：
物联网
物联网的兴起和发展无疑将会开创出一个蓝海，用户从人-人通信到人-物、物-物通信的扩充，将会使移动运营商的市场饱和"瓶颈"出现重大转折。
未来人-物、物-物之间的通信和信息联络将会对网络提出更大、更高的需求，也将推动新一代宽带无线接入技术的发展和普及，也将成为未来业务发展一片广阔的蓝海。
我们所了解的互联网正在发生剧烈的改变，一开始，它只是一个局限在象牙塔里的少数人的交流工具，之后，它变成了一个广泛商业化、以消费者为核心的网络。
现在，它要雄心勃勃地普及，与人互动并变得智能化。
不光人与人之间，在物与物之间，随时随地的实时交流都变得可能。
1.3.1.2.用户对网络带宽的需求
在3G商用之前，用户基于2G网络（包括GPRS、EDGE、CDMAlx等增强型技术）使用语音和中低速的数据业务，业务类型主要基于文字和图片类内容，带宽都在100kbit/s以内。
这时，人们还没有移动宽带的体验，对业务的需求也没有那么丰富和高要求。
随着3G的发展和普及，人们开始体验到移动多媒体业务和移动互联网业务，而这些业务对网络带宽的需求则达到了100～500kbit/s不等。
3G最大的作用就是激发了人们对移动数据业务的需求，使人们从打电话、发短信，逐步发展到用手机娱乐，并开始体验由此带来的生活和工作中的便利。
如前所述，随着人们对移动数据业务需求的爆发，无线宽带上网、移动视频、家庭和企业客户类业务将成为未来发展的主流业务，这些业务对无线网络的带宽需求增长到1Mbit/s以上，企业级别的高清视频会议等大带宽业务，更是需要8Mbit/s以上的带宽才能够满足。
移动宽带的需求一下子变得日益紧迫。
1.3.2.LTEFDD/TD-LTE与2G/3G网络业务承载能力对比
用户对带宽的需求在不断地增长，推动无线网络不断演进和发展。
有人会问，即使按照发展趋势的要求，未来几年也仅需要1Mbit/s的带宽就可以满足绝大部分业务需求，3G不是可以达到2Mbit/s甚至十几Mbit/s的速率吗？
为什么还要发展下一代宽带无线接入技术呢？
这个问题属于无线通信技术共有的问题。
3G、LTE乃至4G宣传和公布的速率都是系统的峰值速率，而用户使用业务需要的是网络能够提供给每个用户的平均速率。
3G的HSPA峰值速率可以达到14.4Mbit/s，而实际网络的单载波平均吞吐量是2.5Mbit/s。
而这2.5Mbit/s也不是一个用户独享的，而是由本小区的用户所共享。
按照典型的网络配置和用户规模计算，平均每用户能够使用的带宽是200~300kbit/s。
LTE和WiMAX同样有峰值速率和实际平均速率问题。
当然，不同的技术设计、不同的算法、不同的频率配置、不同的网络环境等因素会影响平均吞吐量，技术越先进，应该越接近峰值吞吐量。
随着移动视频类业务的普及和发展，随着人们对无线宽带上网需求的日益提升，用户数和用户的使用量必将快速增长。
届时，就急需一个大带宽、高容量的新型网络来提供支撑。
通过研究多媒体业务对带宽的需求，我们发现，未来承载在iPhone等大屏幕移动互联网终端上的高清视频业务，需要平均800bit/s的网络速率才能够有较好的用户体验：
即使是移动数据卡和上网本的无线宽带互联网接入服务，用户也期待能够达到至少1~2Mbit/s的速率。
而3G对于这些大容量带宽需求的业务无法提供规模商用后的良好支撑，用户会感觉业务体验没有想象中的好，网络容量和速率的压力巨大。
因此，当3G开始快速发展的时候，很多传统的移动运营商，特别是主流的移动运营商都在全力推动LTE的产业化。
3G对移动数据业务的发展起到了很好的推动作用，但是受限于网络承载能力的局限性，大规模推动和普及移动多媒体业务和移动互联网业务，仅仅依靠3G是很难实现的。
而LTE对于多媒体业务和移动互联网业务的良好承载，将掀开无线宽带时代的真实篇章。
1.3.3.移动宽带业务和应用的发展趋势
作为新一代宽带无线接入技术的主流技术，LTE在网络能力和成本上都较3G有着明显的优势。
通过前面的对比分析也可以看出，LTE能够满足未来四大趋势业务的需求，全面承载移动互联网、视频类、家庭和企业类以及物联网类业务应用。
与3G发展的阶段类似，受限于手持终端的丰富程度不足和功能性不强的问题，以及网络覆盖不到位，LTE需要逐步完善，从业务的发展来看，移动宽带业务将会沿着不同的阶段逐步发展。
（1）LTE在发展初期，由于网络覆盖还不到位，终端类型也以较容易实现的USB数据卡、CPE类终端为主；业务的发展将会以纯无线数据业务为主，满足个人、家庭、企业客户的上网需求。
无线宽带上网业务最能直接体现带宽和速率提升，但同时也是对网络带宽占用最大的业务。
从NTTDoCoMo等3G主流运营商的业务发展可以看出，无线宽带上网是在初期发展最快的业务。
（2）LTE在发展期阶段，网络覆盖开始扩大，终端也从单一的数据类终端，发展到推出移动智能手持终端。
此时，将会为用户提供全方位的移动宽带服务；为家庭用户提供丰富的家庭类服务，包括高清视频、视频电话、家庭监控、远程教育、娱乐等业务；为企业客户提供移动办公和行业类应用服务，包括移动监控、移动视频会议等。
此阶段为业务极大丰富的阶段，用户开始快速增长。
（3）LTE大规模发展阶段。
这个阶段应该算是LTE发展的成熟阶段，网络覆盖基本到位，终端涵盖上网卡、CPE、智能手机、行业终端等各种类型。
此时，将会全方位提供包括语音业务在内的各类型通信业务，成为业务承载的主导网络。
业务应用开始渗透到社会的各个角落，大大提高人们生活的便利性和效率，为社会信息化和经济的发展提供坚实的基础。
第二章TD-LTE关键技术
2.
2.1.多址传输方式
多址传输技术是无线通信的基础，LTE中采用OFDM调制作为其多址技术。
OFDM技术的原理是将高速数据流通过串/并变换，分配到传输速率相对较低的若干个相互正交的子信道中进行传输。
由于每个子信道中的符号周期会相对增加，因此可以减轻由无线信道的多径时延扩展所产生的时间弥散性对系统造成的影响。
同时，通过在OFDM符号之间插入保护间隔，令保护间隔大于无线信道的最大时延扩展，可以最大限度地消除由于多径带来的符号间干扰（ISI）。
此外，在LTE中采用循环前缀作为保护间隔，可以避免由于多径带来的信道间干扰。
多址接入技术是用于基站与多个用户间在无线电信道中建立通信链路的一种信号调制方式。
多址接入方式决定了信号的生成、发送和接收形态，是整个蜂窝系统中最为基础且最为核心的技术。
多址接入技术的基本原理是利用为不同用户发送信号特征上的差异来区分用户。
它要求每个信号的特征彼此独立或相关性尽可能小，使用户具有更好的可分性。
依据信号在频时域的波形以及空域的特征，多址技术可以分为频分多址（FDMA）、时分多址（TDMA）、码分多址（CDMA）和空分多址（SDMA）。
蜂窝移动通信系统中一般采用这4种方式之一或混合方式。
根据3GPPLTE协议规定，其下行方向采用基于循环前缀（CyclicPrefix，CP）的OFDMA；上行方向采用基于循环前缀的单载波频分多址SC-FDMA（SingleCarrier-FrequencyDivisionMultiplexingAccess）。
为了支持成对和不成对的频谱，LTE支持频分双工（FDD）和时分双工（TDD）两种模式。
根据LTE系统的上/下行传输方式的特点，无论是下行OFDMA还是上行SC-FDMA，都保证了使用不同频谱资源用户间的正交性。
LTE系统频域资源的分配以正交子载波组资源块（RB，ResourceBlock）为基本单位，由于可采用不同的映射方式，子载波可以来自整个频带，也可以取自部分连续的子载波。
2.1.1.OFDM技术综述
OFDM技术是将频率选择性宽带信道划分成若干重叠但是相互正交的非频率选择性窄带信道，这就避免了需要利用保护带宽来分隔载波，因此使得OFDM系统具有较高的频谱利用率。
也正因为OFDM子系统信道在接收机端能完全分离，降低了接收机的实现复杂度，使得OFDM系统对于高速率的移动数据传输有较大的适用性，例如LTE下行链路。
但是，如果不使用信道编码，将传输信道划分为多个窄带子信道的优点并不能对时变信道表现出健壮性，LTE下行链路是将OFDM、信道编码和HARQ技术结合起来克服发生在子信道上的深度衰落和干扰。
LTE在进行数据传输时，将上、下行时频域物理资源组成RB，作为物理资源单位进行调度与分配。
一个RB在频域上包含12个连续的子载波，在时域上包含7个连续的OFDM符号（在扩展CP情况下为6个），即频域宽度为180kHz，时间长度为0.5ms。
2.1.2.LTE协议中的下行多址技术——OFDMA
OFDMA是OFDM技术的演进，将OFDM扩展到多用户通信系统，如图2-1所示，在同一时间分配子载波给不同用户，这样做可使多个用户同时接收数据，使OFDM获得多用户分集增益。
图2-1OFDM发送机及接收机
OFDMA技术主要有以下几点优势：
（1）频谱效率高
OFDMA可以实现小区内各用户的正交，从而有效避免用户间干扰，实现很高的系统容量。
但是，虽然多载波系统在小区内部可以更直接地实现正交传输，但有可能带来更严重的小区间干扰，因此，其小区间多址问题将更严重。
（2）接收信号处理简单，降低了接收机的实现复杂度
对于OFDM多址的符号调制方式，数据并行地在多个子载波上进行传输，对于每个子载波，多径时延对传输数据造成的影响并不严重，采用简单的滤波器就可以补偿信道传输带来的损失，所以OFDM系统可以极大地减少接收端的复杂程度。
（3）带宽扩展性强
OFDM系统由于信号带宽取决于使用的子载波数量和傅里叶变换的实现方式，因此具有很好的带宽扩展性，而增大带宽后所带来的系统复杂度增加相对不明显。
因此，针对LTE向宽带化发展的趋势，OFDM系统对于大带宽的有效支持成为其相对于单载波技术（如CDMA）的最大优势。
（4）抗多径衰落能力强
由于OFDM将宽带传输转化为很多子载波上的窄带传输，每个子载波上的信道可以被看成平坦衰落信道，加上CP的插入，可以采用简单的单抽头频域均衡纠正信道扭曲，从而大大降低结合均衡器带来的复杂度。
（5）频域调度与自适应
OFDMA系统可以在不同的频带采用不同的调制编码方式，以更好地适应信道的频率选择性。
由于无线信道的SINR是随频率变化的，这种频率选择性随着系统带宽的增加越加严重。
对此，OFDM系统可以将整个系统带宽分成若干个小的频带，分别进行自适应调制和编码操作，从而在保证误码率的同时提高系统吞吐量。
另外，OFDM的资源分配方式使其在频域资源划分的颗粒度更为精细，并使得相关带宽内的传输数据与信道状态可以更好地匹配，可以让用户选择信道条件更好的频域资源块进行数据发送，从而更有效地利用自适应技术提升系统性能。
同时，通过在频域上的多用户调度可以获得明显的多用户调度增益。
（6）实现MIMO较简单
由于每个OFDM子载波内的信道可以看作平坦衰落信道，而平坦衰落信道下可以实现更为简单的MIMO接收。
因此，MIMO系统带来的额外复杂度可以控制在较低的水平（随天线数量呈线性增加）。
（7）易于MBMS业务传输
多小区的MBMS业务可以为用户提供更有效的多媒体业务体验，是未来无线通信系统中重要的业务。
对于多小区MBMS业务，它采取不同地理位置的多个基站同时发送相同的数据业务，在终端对信号进行合并接收方式。
由于地理位置不同，信号到达终端的时间不一致，接收信号的时延更为明显，通常情况下可达几十微秒。
因此，采用OFDM调制方式，可以克服多径时延带来的干扰，使得接收端实现更为简单，有效提高了MBMS业务的接收性能。
2.1.3.LTE协议中的上行多址技术-SC-FDMA
与基站相比，终端设备对成本更加敏感，耗电问题也是需要考虑的重点。
因此，LTE的上行技术目前主要采用SC-FDMA，对LTE上行物理设计来说，单载波技术可以降低对终端功放的要求，提高功放效率。
具体来说，是采用基于频域生成的单载波方法——离散傅里叶变换扩展OFDM（DFT-s-OFDM）作为其实现方法。
通过在发射机的IFFT处理前对系统进行预扩展处理，其中最典型的就是用离散傅里叶变换进行扩展，即DFT-s-OFDM技术。
理论上，单载波的FDMA信号可以在频域或者时域产生，而这从功能上看是等价的，但从带宽效率来看，时域滤波器的爬升滚降时间会有一定的损失，因此频域实现的方式效率更高。
SC-FDMA的子载波映射分为两种方式：
（1）集中式FDMA
每个终端用户分配一段连续的子载波：
每个终端用户的带宽为系统带宽的1/Q（假设有Q个用户）。
（2）分布式FDMA
每个终端用户分配一段不连续的子载波：
每个终端用户的带宽扩展为整个系统的带宽。
LTE最后确定仅采用集中映射的方式来实现，从实现的复杂度来看更简单，对于频率分集增益的获得，可以通过子帧内的跳频来实现。
2.2.MIMO与智能天线技术
MIMO技术大致可以分为两类：
发射/接收分集和空间复用。
传统的多天线被用来增加分集度从而克服信道衰落。
具有相同信息的信号通过不同的路径被发送出去，在接收机端可以获得数据符号多个独立衰落的复制品，从而获得更高的接收可靠性。
举例来说，在慢瑞利衰落信道中，使用1根发射天线和n根接收天线，发送信号通过n条不同的路径到达接收机。
如果各个天线之间的衰落是独立的，可以获得最大的分集增益为n。
对于发射分集技术来说，同样是利用多条路径的增益来提高系统的可靠性。
智能天线技术也是通过不同的发射天线来发送相同的数据，形成指向某些用户的赋形波束，从而有效地提高天线增益，降低用户间的干扰。
广义上来说，智能天线技术也可以算作一种天线分集技术。
2.2.1.发射分集
分集技术主要用于对抗衰落、提高链路的可靠性。
分集技术需要接收端接收到多个重复的发射信号，这些发射信号携带同样的信息，其衰落在统计上有较低的相关性。
分集的基本思想是，如果能够传输多个独立衰落的信号，从统计意义上来说，合成信号的衰落比每一路信号衰落要降低很多。
这是因为，在独立衰落的假设下，当一些信号发生深衰落时，可能另一些信号的衰落较轻，各路信号同时发生深衰落的概率是很低的，从而发生信号深衰落的概率也大大降低。
也就是说，要获得分集增益，多个独立衰落信号的产生和多个独立信号的合成是关键，一个合适的产生和合成方法将大大减轻合成信号的衰落。
现代通信系统中，基站一般会装置多根天线，天线间距较大时，天线间的衰落相关性是较低的，因此恰当地设计发送方式可以获得空间发射分集增益。
为多天线传输设计的编码叫做空时（频）编码，空时编码还可以用于多天线接收来对抗多径衰落，从而提高信道容量。
发射分集主要是利用空间信道的弱相关性，结合时间/频率上的选择性，为信号的传递提供更多的副本，提高信号传输的可靠性，从而改善接收信
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