3GPP长期演进（LTE）技术原理与系统设计.pdf

本书作者全部为3GPP各工作组参会代表，自2005年开始参与LTE标准化工作的全过程。 第一作者沈嘉为工业和信息化部（原信息产业部）电信研究院通信标准研究所高级工程师，从事3GPP LTE、LTE-Advanced、IMT-Advaced、UWB等宽带无线移动通信技术和标准化研究工作；现任工业和信息化部IMT- Advanced推进组技术工作组副组长；自2005年4月起参加LTE标准化工作，向3GPP提交、宣讲文稿30余篇，申请专利4项；2000年毕业于清华大学电子工程系，获学士学位；2004年毕业于英国约克大学电子学系，获博士学位。 第1章 背景与概述 1 1.1 什么是LTE 1 1.2 LTE项目启动的背景 2 1.2.1 移动通信与宽带无线接入技术的融合 2 1.2.2 国际宽带移动通信研究和标准化工作 3 1.2.3 我国宽带移动通信研究工作 5 1.3 3GPP简介 5 1.3.1 3GPP的组织结构 6 1.3.2 3GPP的工作方法 7 1.3.3 3GPP技术规范的版本划分 8 1.4 LTE研究和标准化工作进程 12 1.4.1 LTE项目的时间进度 12 1.4.2 LTE协议结构 14 1.5 LTE技术特点 16 1.5.1 LTE需求 16 1.5.2 系统架构 17 1.5.3 空中接口 18 1.5.4 移动性和无线资源管理 23 1.5.5 自配置与自优化 24 1.5.6 和LTE相关的其他3GPP演进项目 24 1.6 LTE和其他宽带移动通信技术的对比 27 1.6.1 性能指标对比 27 1.6.2 关键技术对比 29 1.7 小结 31 参考文献 31 第2章 LTE需求 32 2.1 系统容量需求 33 2.1.1 峰值速率 33 2.1.2 系统延迟 33 2.2 系统性能需求 34 2.2.1 用户吞吐量与控制面容量 34 2.2.2 频谱效率 35 2.2.3 移动性 36 2.2.4 覆盖 36 2.2.5 进一步增强的MBMS 36 2.2.6 网络同步 37 2.3 系统部署需求 38 2.3.1 部署场景 38 2.3.2 频谱扩展性 38 2.3.3 部署频谱 38 2.3.4 与其他3GPP系统的共存和互操作 39 2.4 对无线接入网框架和演进的要求 39 2.5 无线资源管理需求 40 2.6 复杂度要求 40 2.6.1 系统复杂度 40 2.6.2 UE复杂度 40 2.7 成本要求 41 2.8 业务需求 41 2.9 小结 41 参考文献 42 第3章 LTE物理层协议 43 3.1 物理层概述 43 3.1.1 协议结构 43 3.1.2 物理层功能 44 3.1.3 LTE物理层协议概要介绍 44 3.2 物理信道与调制 46 3.2.1 帧结构 46 3.2.2 上行物理信道 48 3.2.3 下行物理信道 64 3.2.4 伪随机序列产生 89 3.2.5 定时 89 3.3 复用与信道编码 89 3.3.1 物理信道映射 89 3.3.2 信道编码和交织 90 3.4 物理层过程 111 3.4.1 同步过程 111 3.4.2 功率控制 111 3.4.3 随机接入过程 114 3.4.4 PDSCH相关过程 114 3.4.5 PUSCH相关过程 118 3.4.6 PDCCH相关过程 120 3.4.7 PUCCH相关过程 120 3.5 物理层测量 121 3.5.1 UE/E-UTRAN测量概述 121 3.5.2 UE/E-UTRAN测量能力 121 参考文献 123 第4章 LTE无线传输技术 125 4.1 双工方式 125 4.1.1 FDD双工方式 125 4.1.2 TDD双工方式 125 4.1.3 H-FDD双工方式 126 4.2 宏分集的取舍 127 4.2.1 宏分集技术在WCDMA中的应用情况 128 4.2.2 LTE系统对宏分集的取舍 129 4.3 下行多址技术 130 4.3.1 OFDMA技术方案 130 4.3.2 VSF-OFDM技术方案 135 4.3.3 OFDM/OQAM技术方案 138 4.3.4 多载波WCDMA(MC-WCDMA)技术方案 140 4.3.5 多载波TD-SCDMA(MC-TD-SCDMA)技术方案 143 4.3.6 下行多址技术的确定 143 4.4 上行多址技术 143 4.4.1 PAPR和立方量度(Cubic Metric，CM)问题 144 4.4.2 采用PAPR降低的OFDMA(OFDMA with PAPR Reduction)技术方案 145 4.4.3 单载波频分多址(SC-FDMA)技术方案 147 4.4.4 单载波和频域均衡(SC-FDE)技术方案 148 4.4.5 交织FDMA(IFDMA)技术方案 149 4.4.6 DFT扩展OFDM(DFT-S-OFDM)技术方案 151 4.4.7 可变扩频和码片重复系数CDMA(VSFCR-CDMA)技术方案 151 4.4.8 广义多载波(Generalized Multi-Carrier，GMC)技术方案 152 4.4.9 SC-FDMA技术的深入研究 154 4.5 下行MIMO技术 158 4.5.1 空时/频编码 158 4.5.2 循环延时分集 159 4.5.3 天线切换分集 161 4.5.4 空间复用传输 162 4.5.5 下行预编码 163 4.5.6 下行波束赋形 169 4.5.7 用于下行MIMO传输的终端反馈 172 4.5.8 下行多用户MIMO 176 4.5.9 E-MBMS中的MIMO技术 180 4.6 上行MIMO技术 181 4.6.1 上行传输天线选择 181 4.6.2 上行多用户MIMO 183 4.7 调制技术 184 4.7.1 下行增强调制技术的取舍 184 4.7.2 上行增强调制技术的取舍 185 4.8 信道编码 186 4.8.1 信道编码技术的选择 186 4.8.2 Turbo码内交织器优化 186 4.8.3 编码块分段 187 4.8.4 速率匹配(Rate Matching)与冗余版本(Redundancy VersionRV) 187 4.8.5 循环冗余校验(CRC) 188 4.9 演进型多媒体(E-MBMS广播和多播业务)技术 189 4.9.1 MBMS信号和单播信号的复用 190 4.9.2 MBSFN传输技术优化 190 4.9.3 MBMS数据和控制信令的复用 190 4.9.4 MBMS的参数设计 190 4.9.5 MBMS参考信号(RS)的设计 190 4.10 小区间干扰抑制技术 191 4.10.1 在LTE研究中考虑的干扰抑制技术 191 4.10.2 小区间干扰协调技术的取舍 197 4.10.3 基于HII和OI的上行ICIC技术 199 4.11 小结 201 参考文献 202 第5章 LTE无线传输系统设计 207 5.1 帧结构设计 210 5.1.1 FDD下行帧结构(FS1) 211 5.1.2 FDD上行帧结构(FS1) 211 5.1.3 TDD帧结构(FS2) 212 5.2 系统参数设计 215 5.2.1 LTE系统参数设计需求 216 5.2.2 TTI长度 217 5.2.3 子载波间隔 217 5.2.4 CP长度 218 5.3 参考信号设计 220 5.3.1 下行参考信号设计 220 5.3.2 上行参考信号设计 231 5.4 资源映射与调度 240 5.4.1 下行资源映射 240 5.4.2 上行资源映射 245 5.4.3 资源调度和CQI测量 247 5.5 控制信道设计 249 5.5.1 下行控制信令设计 249 5.5.2 下行控制信道设计 251 5.5.3 上行控制信令设计 258 5.5.4 上行控制信道设计 260 5.6 终端等级 266 5.7 小结 268 参考文献 268 第6章 LTE自适应与物理过程 274 6.1 自适应调制和编码 274 6.2 混合自动重传请求 275 6.2.1 下行HARQ流程 276 6.2.2 上行HARQ流程 276 6.2.3 HARQ进程数量 277 6.3 功率控制 278 6.3.1 下行功率控制 278 6.3.2 上行功率控制 278 6.4 小区搜索过程与SCH/BCH设计 280 6.4.1 SCH和BCH的时频结构 280 6.4.2 用于SCH和BCH的发送分集 287 6.4.3 SCH的信号结构 288 6.4.4 小区搜索流程 289 6.4.5 SCH序列设计 292 6.4.6 相邻小区搜索 297 6.4.7 广播信息和PBCH/DBCH设计 300 6.5 随机接入过程 304 6.5.1 非同步随机接入过程 304 6.5.2 同步随机接入过程 312 6.6 上行时钟控制 313 6.6.1 上行同步的维持 313 6.6.2 上行同步的建立 313 6.7 切换测量过程 314 6.7.1 E-UTRAN系统内的测量 314 6.7.2 对其他系统的测量 315 6.8 小结 315 参考文献 316 第7章 LTE空中接口协议 320 7.1 协议设计要求 320 7.2 协议框架 320 7.2.1 协议总框架 320 7.2.2 无线接口协议栈 321 7.2.3 层1(L1)协议框架 322 7.2.4 层2(L2)协议框架 323 7.2.5 层3(L3)协议框架 327 7.2.6 NAS控制协议 333 7.2.7 E-UTRAN空中接口的标识 334 7.3 HARQ与ARQ 335 7.3.1 HARQ原理 335 7.3.2 ARQ原理 341 7.3.3 HARQ/ARQ的关系 343 7.4 调度 350 7.4.1 分组调度原理 350 7.4.2 LTE系统中的分组调度 352 7.5 QoS控制 358 7.5.1 QoS概述 358 7.5.2 UMTS中的QoS结构 359 7.5.3 LTE中的QoS结构 360 7.6 移动性 362 7.6.1 E-UTRAN内的移动性 362 7.6.2 Inter-RAT移动性 366 7.7 安全性 367 7.8 MBMS 369 7.8.1 目的和意义 369 7.8.2 基本原理和特点 369 7.8.3 E-MBMS系统结构 370 7.8.4 数据同步分发过程 371 7.8.5 中心功能模块 374 7.8.6 E-MBMS传输模式 374 7.9 小结 375 参考文献 376 第8章 无线接入网络功能和接口 378 8.1 LTE系统架构 378 8.1.1 LTE系统架构定义的基本原则 378 8.1.2 LTE系统架构描述 378 8.1.3 影响LTE系统架构的一些重要因素 379 8.1.4 EPC与E-UTRAN功能划分 380 8.1.5 E-UTRAN接口的通用协议模型 381 8.1.6 S1接口 381 8.1.7 X2接口 384 8.1.8 RAN设备的互操作性要求 385 8.1.9 演进策略 385 8.2 无线资源管理 386 8.2.1 无线资源管理功能 386 8.2.2 无线资源管理架构 388 8.3 移动性管理 388 8.3.1 跟踪区 388 8.3.2 空闲状态下LTE接入系统内的移动性管理 391 8.3.3 连接状态下LTE接入系统内的移动性管理 395 8.3.4 3GPP无线接入系统之间的移动性管理 402 8.4 网络共享 409 8.5 QoS概念 411 8.5.1 EPS承载概述 412 8.5.2 承载服务的架构 413 8.5.3 S1接口上的QoS信令参数处理 414 8.5.4 资源建立与QoS信令 417 8.6 网络自配置与自优化 418 8.6.1 基本概念 418 8.6.2 网络自配置 419 8.6.3 网络自优化 420 8.6.4 自配置和自优化功能的典型应用场景 420 8.7 小结 423 参考文献 424 第 9章 LTE-Advanced——LTE的进一步演进 425 9.1 LTE-Advanced与IMT-Advanced的互动关系 425 9.2 LTE-Advanced需求发展趋势 426 9.2.1 “平滑演进”与“强兼容”要求 426 9.2.2 针对室内和热点游牧场景进行优化 426 9.2.3 有效支持新频段和大带宽应用 427 9.2.4 峰值速率大幅提升和频谱效率有限改进 428 9.3 LTE-Advanced技术和网络演进趋势 428 9.3.1 多频段协同与频谱整合 428 9.3.2 中继(Relay)技术 429 9.3.3 分布式天线 431 9.3.4 基站间协同 433 9.3.5 家庭基站带来的挑战 434 9.3.6 物理层传输技术 434 9.3.7 自组织网络 437 9.3.8 频谱灵活使用与频谱共享 437 9.3.9 E-MBMS增强 437 9.4 小结 437 参考文献 438 缩略语 439

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