作者：孙宇彤
出版社：电子工业出版社
格式: AZW3, DOCX, EPUB, MOBI, PDF, TXT
LTE教程：原理与实现(第2版)试读：
前言
《LTE教程：原理与实现》出版以来，承蒙读者们的喜爱，有了修订的机会。这段时间，也是中国LTE网络商用大发展的时间，LTE技术广为普及已经成为中国通信技术的主流，为了与时俱进，我对《LTE教程：原理与实现》第1版的第1章内容做了大幅度的修订。
本次修订还涉及了LTE系统中最关键的技术——OFDM。OFDM技术是学习的天王山，曾几何时我还以为已经征服了这座天王山，彻底了解和理解了OFDM技术。但是在《LTE教程：原理与实现》第1版出版以后，才发现完全不是这么回事，OFDM技术只是被揭开了一层神秘的面纱而已，还有很多奥秘等待我们去发现，无限风光在前头。
通过不断的探索，我对OFDM技术的理解也得到了深化。因此，本次修订版我就不再奢望彻底了解和理解OFDM技术了，而是与各位读者分享一下我对OFDM技术的最新理解，希望能帮助大家更好地掌握OFDM技术。这些增补的内容，主要集中在第3章，同时对第2章的内容也做了相应调整。
当然，利用这次修订的机会，我还对本书其他章节的内容也做了一定程度的修改和完善。第1版“代序：LTE的自学指南2014版”的内容已经失效，第2版就不再收录，读者可以在http://www.readhere.cn/html/2016/2016A.htm处浏览最新内容。
本书由孙宇彤编著，汪洲参与了本书的编写工作，孙沛然、杨慧瑞、汪中位、张秋娥、朱美根、蒋中定、查昊协助了本书的编写工作，在此一并表示感谢。
在本书修订过程中，空中接口学园诸多热心网友提出了不少改进的建议，在此表示感谢。我还要感谢家人为本书修订做出的贡献，感谢电子工业出版社宋梅编审对本书修订的大力支持。
读者在学习过程有任何问题，想要与我联系的话，可以关注我的微博和公众微信，都是“LTE学习大使”。大家还可以加入QQ群“学好LTE”，交流学习中的问题。采用本书作为教材的老师，可以通过readhere@163.com与我联系，以获得教学支持。微博公众微信
最后，预祝各位读者都能通过阅读“学好LTE系列”丛书，读懂LTE，学好LTE。孙宇彤于2016年初秋前言——从此，学好LTE！
这是一本专为LTE学习而写的书，目标就是帮助大家学好LTE。
在筹划这本书的时候，正赶上江南百年未遇的酷暑，几乎天天最高气温破40℃。不过，在通信业界，通信人学习LTE的热情决不比大自然的热度逊色：大自然的热度还有退烧的时候，但是我们可以明显感到，LTE学习的热情一浪高过一浪，一年更胜一年。
作为【空中接口学园】和【读懂通信】网站的创办人，我在业界较早就介入到LTE学习中，发表过不少LTE相关书籍的点评、导读，撰写过LTE的自学指南，分享过LTE视频公开课。因此，有不少网友问了我许多关于LTE学习的问题，其中典型的问题是：“学习LTE有没有捷径可走？哪本书比较适合初学者阅读？”
对于第一个问题，我想起了两千多年前的一个故事，当时埃及的托勒密国王曾经问《几何原本》的作者欧几里得，学习几何有没有捷径可走。“抱歉，陛下！在几何学里，没有专为国王铺设的大道。”欧几里得答道，“学习几何是没有什么捷径可走的”。
同样，学习LTE也是没有什么捷径可走的。LTE技术的难度系数很高，学习LTE的道路并不轻松。如果有谁告诉你，LTE的学习很轻松，那就是一个谎言。因此，学习LTE需要学习者足够的专注，并投入精力，这样才能学好LTE。
虽然没有捷径可走，作为LTE学习的先行者，我可以告诉大家，哪些是LTE学习的正路、哪些是LTE学习的弯路，哪些是LTE学习的天王山，哪些是LTE的点缀。这样，虽然没有捷径，但是学习路上也不至于落入陷阱，耽误行程。
对于第二个问题，坦率地说，这也是我为什么要写这本书的原因。虽然在本书的“代序：LTE自学指南2014版”中我推荐了5本LTE学习的必读书，但在这些书里，基本上没有对LTE基本原理的介绍和描述。换言之，没有打基础就直接登堂入室了，对很多初学者来说，还是有很多遗憾的。
在LTE中，技术原理的天王山就是OFDM和多天线——大王OFDM，小王多天线。我阅读过很多LTE书籍，对这“两王”，要么避之不及，要么语焉不详。有的写出一大堆公式，仿佛看了公式就能理解，更有甚者，其理解完全是错误的。
很多人觉得，不理解OFDM和多天线，也不会妨碍自己从事LTE相关工作。但是，一直处于知其然不知其所以然的状态，肯定不是有追求的技术人的心愿。我在最初学习LTE时，也经历了对OFDM和多天线似是而非的过程，只有在彻底理解OFDM和多天线后，才发现对LTE原理的理解真正上了一个台阶。因此，我也愿意在这本书里，分享我对OFDM和多天线等关键技术原理的理解。
细说起来，我与电子工业出版社和宋梅编辑非常有缘。早在2007年我在《WCDMA无线网络设计》一书中，就非常早地提到了LTE技术，可以算是为本书的写作埋下了一个伏笔，而《WCDMA无线网络设计》也是电子工业出版社宋梅编辑出版的。
这本书对于我来说，也是非常有意义的。在出版了9本移动通信技术书籍后，我又开始了新的写作形式：教程。这本教程是我在2013年LTE公开课内容基础上的总结和扩充，可以说是先有了蛋，再去找鸡，与以前写的书有明显的区别。
在写这本教程的时候，我把握了这样一些原则。（1）重点突出
LTE技术千头万绪，要想面面俱到，写起来很难，读者看起来很累。况且市面上已经出版了很多LTE的书籍，各种参考书已经是汗牛充栋了。因此本教程另辟蹊径，就围绕LTE技术的两大难点展开，把LTE技术的这笔糊涂账说清楚，讲明白，让读者看过后，能从云里雾里到“一览众山小”。
不过读者也不用担心教程内容不全面，这本教程只是“LTE丛书之学好LTE系列”的第一本，后续的教程还将探讨LTE的信道结构和信息处理过程、LTE网络的部署与实施、LTE无线网络的调度机制及运作方式、EPC的结构、功能及运作方式。（2）线索清晰
与以前的著作一样，我非常重视写作线索，这本教程更进一步，不仅章节之间紧密联系，一环扣一环，达到循序渐进的效果，而且在各个小节之间我还加入了串联的内容，让读者阅读时有一种一气呵成、顺水推舟的感觉，能够一口气从头看到尾。简言之，看书就像在参与培训一样。
当然，读者还可以到【学好LTE】网站：http://www.readhere.com.cn/lte，去观看相关的培训课程，这样学习起来会相得益彰。（3）语言流畅
由于这本教程来源于培训的讲稿，教程中保留了培训课程中比较多的口语化描述以及通俗化的术语，希望给读者一种原汁原味的感觉。我希望这本教程不仅好读、易读，还要能朗读，朗朗上口。
以上三点，有没有做到，就请读者来评判了。
教程中的思考题供学有余力的读者使用，读者可以把思考题答案以及LTE学习中遇到的疑难问题，发布在【空中接口学园】论坛：http://www.pch.com.cn/bbs，我将及时点评与回复。
读者在学习过程中有任何问题，想要与我联系的话，可以关注我的微博和微信，都是“读懂通信”。读者也可以访问【读懂通信】网站：http://www.readhere.cn/bs，深入阅读相关的技术文章。
本书由孙宇彤编著，汪洲参与了本书的编写工作，孙沛然、杨慧瑞、汪中位、张秋娥协助了本书的编写工作，在此一并表示感谢。
最后，预祝各位读者都能从此学好LTE。孙宇彤2013年盛夏第1章LTE技术概述内容提要本章导读
本章是全书的背景介绍，首先介绍什么是LTE、LTE技术的特点、LTE的版本和演进；然后讲解LTE核心网的组成，各个网元的主要功能以及相互的连接关系与接口；接着介绍LTE无线网络的组成与功能、信令与业务的承载以及分层处理的过程；最后介绍了LTE终端的种类、频段特点以及芯片。1.1 LTE技术1.1.1 什么是LTE
欢迎大家开始LTE的学习之旅，我们的课程就从什么是LTE开始。
LTE是一个缩写，全称是Long Term Evolution，也就是长期演进的意思。请大家注意T是Term的缩写，不是Time的缩写。国人听到长期，往往会理解为长时间，其实T在LTE中是长时期的意思。
LTE这个名称非常有意思。大家都知道，LTE是一个与WCDMA、GSM相类似的术语，指的是一种移动通信的技术体系。不过与WCDMA、GSM的命名方式不一样：从WCDMA的命名中我们可以看到采用的关键技术；从GSM的命名中，我们可以看到应用场合；而从LTE的命名中我们完全看不出技术特点和应用场合，是一种非常玄妙的命名方式。
很多人对LTE的第一印象就是4G，其实这并不足以反映LTE技术的全貌。LTE技术还有以下这样一些特点。（1）系出名门，众望所归
移动通信技术也有渊源。与武侠小说中描述的江湖类似，移动通信技术也分为许多门派，每种门派就是一种技术体系，例如，前面讲到的WCDMA、GSM，还有CDMA、WiMAX、PHS等。门派还会组织起来，其中最大的两个组织就是3GPP和3GPP2。
武林门派在江湖中的地位是不同的，少林、武当可谓高高在上，即所谓的名门正派。移动通信的技术门派在全球的影响力也是大不相同的，有的是全球市场的主宰，如GSM、WCDMA，有的只是旁枝末节，如PHS、WiMAX。因此，GSM、WCDMA就是移动通信技术的主流，是移动通信技术的名门，类似于少林武当。
很有意思的是，GSM、WCDMA和LTE都出自3GPP（3rd Generation Partnership Project，3G伙伴项目）旗下，并且有明显的传承关系，GSM交棒给WCDMA，而WCDMA的下一棒，就是LTE。因此，说LTE是名门之后，毫不夸张。
3GPP还设计了LTE的图标，如图1.1所示。这个图标在各种参考书和资料中频繁出现。图1.1 LTE的图标（3GPP制定）
各种移动通信技术在全球市场中进行激烈的竞争，争夺市场的占有率。制造商和运营商都有“随大流”的想法，愿意去选用一些有美好未来的技术体系。名门之后的光环，对LTE的推广，无疑起了一个关键作用。大量的运营商表态支持和采用LTE，其市场主导地位也如众星捧月，呼之欲出了。（2）演进，还是革命
LTE既然是名门之后，那么对前辈技术，到底是继承还是推倒重来呢？也就是LTE技术体系，对于WCDMA技术而言，到底是演进还是革命呢？这是一个大家都很关注的问题，一直以来众说纷纭。
从LTE的命名来看，E是演进的缩写，说是演进可能比较符合当初设计者的想法。不过，虽然从名称上看LTE还是声称为演进，但是从网络架构上看，其实LTE是对WCDMA技术的一种颠覆。
因此，LTE到底是演进还是革命，我们会在后续内容中详细介绍。（3）4G的敲门砖，下行峰值速率150 Mbps/上行峰值速率50 Mbps
前面已经说过，很多人对LTE的第一印象就是4G，这里的G是代的缩写，4G就是第四代移动通信技术。
移动通信技术自从诞生以来，经历了1G、2G、3G和4G的发展过程，1G基于模拟技术，已经被淘汰；2G基于数字技术，实现了移动通信的全球普及，功不可没，代表者就是GSM；3G面向移动多媒体，正准备接2G的班，代表者就是WCDMA；4G迈向移动宽带，速率更快，是当下发展最为迅猛的移动技术。
之所以说LTE是4G的敲门砖，而不直接说4G，这里还有一个故事。
国际电信联盟ITU是4G概念的首创者。一开始时，ITU给出了这样的4G技术硬指标：低速移动的下行速率超过1 Gbps，高速移动的下行速率在100 Mbps以上。从LTE的性能指标看，离4G的要求还有一段距离，因此LTE也往往被称为3.9G技术。
不过，到了2010年的年底，ITU修改了一贯的说法，表示什么是4G技术并没有明确的定义，所有的后3G技术都可以认为是采用了4G技术，这样就大大拓宽了4G技术的范畴，从LTE、WiMAX到HSPA+，都可以纳入4G的范围。
这种做法明显受到运营商、终端厂商甚至用户的欢迎，LTE也就逐步成为了4G的代名词。在这种情况下，继续纠结LTE是不是4G就显得很古板了。（4）有FDD与TDD两大分支
FDD和TDD是移动通信系统常用的两种双工方式：频分双工和时分双工。双工用来解决移动通信设备同时收发的问题，关于双工方式，在第2章中还会详细介绍。
在LTE之前的移动通信技术，要么采用FDD或者TDD之一，如GSM、PHS；要么包含了FDD与TDD，但两者是基本独立的，比如UMTS技术体系中的WCDMA与TD-SCDMA，技术规范就是分开的文件，互相井水不犯河水，独立发展。
到了LTE，FDD与TDD被整合到了一起，写在了一个统一的技术规范中，FDD与TDD的关系变得更为紧密，同步发展。LTE的TDD部分还定义了一个专有的名称：TD-LTE，在中国甚至更早得到了商用。1.1.2 LTE：名门之后
前面已经讲到，LTE是名门之后，那么什么是名门呢？在移动通信技术体系中，我们把名门称为主流移动通信技术。衡量主流移动通信技术有以下两个指标：● 覆盖的用户数量；● 部署的网络数量。
如果在这两个指标上都是领先的话，就是主流的移动通信技术中。目前，GSM和WCDMA可以当之无愧地称为2G和3G的主流移动通信技术，而GSM和WCDMA技术体系都是由3GPP负责制定的。
我曾经写过一篇文章，把主流移动通信技术比作英国王室：GSM相当于伊丽莎白女王，老当益壮；WCDMA相当于威尔士亲王，接班遥遥无期；而LTE就像威廉王子一样，气势如虹。
各大移动通信技术的演进路线（发展方向）如图1.2所示。图1.2 移动通信技术的演进路线图
WCDMA技术还在持续发展，会经历HSPA、HSPA+的发展过程，而HSPA+就是前面提到的一种4G技术。不过最终，WCDMA技术体系会演进到LTE的FDD版本。
TD-SCDMA的标准也是由3GPP负责制定的，是在中国广泛使用的3G技术。与WCDMA类似，TD-SCDMA还会经历TD-HSPA的发展阶段，但是会跳过TD-HSPA+的阶段，直接演进到LTE的TDD版本。
cdma2000是3GPP2负责标准化的，cdma2000技术体系目前已经发展到了EV-DO阶段。3GPP2原计划从EV-DO发展到UMB（Ultra Mobile Broadband，超级移动宽带），但是目前已经放弃该计划，转而直接采用LTE的FDD版本作为后续技术。
图1.2的最下角还列出了WiMAX技术，WiMAX（Worldwide Interoperability for Microwave Access，全球互操作式微波接入）是与LTE相竞争的4G技术。其实，LTE的诞生还得归功于WiMAX，没有WiMAX的异军突起，LTE也不会在2004年年底就出炉了。不过，与LTE得到多方宠爱不同，WiMAX的发展一直都不是很顺畅，总是处在LTE的阴影下。
有意思的是，国内目前三大通信运营商各遵循了其中的一条技术演进路线，比如中国联通走的是WCDMA这条全球的主流路线，中国移动走的是TD-SCDMA这条技术路线，中国电信走的是cdma2000这条技术路线。
不管走哪条路线，国内这三大通信运营商的技术演进路线，最终的结局都是演进到LTE，可谓条条大路通罗马。因此，作为通信人，尤其是从事移动通信技术的人士，了解和掌握LTE技术，就责无旁贷了。1.1.3 LTE：架构的革命
前面提到，LTE的命名中有演进，但很多人还是认为LTE是革命，其中一个重要的论据就是相比WCDMA系统，LTE系统的架构发生了巨大的变化。
图1.3展示了LTE与WCDMA系统架构的对比，左图是LTE系统的架构，右图是WCDMA系统的架构，可以看到两者的无线网络架构完全不同。在LTE的无线网络中只有一种设备——基站eNodeB，eNodeB直接与核心网连接，而WCDMA无线网络中的主角——基站控制器RNC已经消失。这样，LTE的无线网络就形成了所谓的扁平化结构。图1.3 LTE与WCDMA系统架构对比
为什么LTE要革RNC的命呢？原来，LTE是为了减少业务的延迟。RNC在WCDMA网络中的作用就像单位里的中层领导，减少了一个管理环节，处理节奏自然要加快许多。但是，这样做不是没有代价的，核心网从面对几十套RNC到面对成千上万台基站，连接就成了一个大问题。
于是，LTE又引入了另外一个革命，实施核心网的全IP化以及核心网与无线网络接口的IP化，曾经在WCDMA网络中还有一席之地的ATM技术，这回被LTE系统彻底地抛弃了。
核心网实施全IP后，LTE系统还去掉了WCDMA网络中的CS电路交换域设备，只保留了PS分组域设备，这下核心网的架构也得到了大幅度的精简。不过，作为CS业务的代表，语音业务是不能放弃的，因此LTE系统也做了一些变通，打算采用VoLTE（可以理解为VoIP）来承载语音业务，也就是通过PS域来承载语音业务。
总之，从系统结构看，无论是无线侧还是核心侧，LTE都是一场革命。注意LTE系统只是一个通俗的说法，实际上规范的称法是EPS（Evolved Packet System，演进的分组系统）。EPS由核心网EPC（Evolved Packet Core，演进的分组核心网）以及E-UTRAN（演进的无线网）组成。EPC基于SAE（System Architecture Evolution，系统架构演进）技术，E-UTRAN基于LTE技术。显然，这么多名词会很快让初学者糊涂，为此，本书采用如下通俗的说法：● EPS=LTE系统；● EPC=LTE核心网；● E-UTRAN=LTE无线网。尽管不够精确，但学习起来比较方便，希望各位读者注意。1.1.4 LTE：功能的演进
前面介绍LTE系统的架构发生了巨大的变化，但是LTE的功能并没有发生翻天覆地的变化，只是一种演进。为什么这样说呢？我们还是回到图1.4展示的LTE系统的架构图。图1.4 LTE系统功能的演进
从功能上，我们可以把LTE系统分为空中接口的物理层、空中接口的链路与网络层、无线网络的接口和核心网四个层次。
在这四个功能层次中，只有第一个层次，也就是LTE空中接口的物理层相对于WCDMA空中接口发生了根本的变化，其他三个层次都是继承为主，改进为辅，只是演进。
首先，LTE空中接口的链路与网络层和WCDMA空中接口的链路与网络层基本一致，只是由于LTE核心网取消了CS域，因此链路与网络层的功能得到了精简，不再使用专用业务信道，只采用共享业务信道。
其次，LTE无线网络接口也是类似的情况，基本上照搬了WCDMA的Iu和Iur接口，当然也做了一些调整。
另外，LTE核心网源自WCDMA核心网的PS域，其中最重要的GTP协议（GPRS Tunnelling Protocol，GPRS隧道协议）被继承下来。
其实这种局面完全符合LTE技术创始人的愿望。作为厂商和运营商的代表，有谁愿意放弃大好的江山，推倒重来，另起炉灶呢？
因此，从功能上看，LTE就是演进，不过是长期的，积少成多，从量变到质变。注意这里说的革命还是演进，参照的对象都是WCDMA系统。如果是对cdma2000系统，LTE就是彻底的革命了。如果是对TD-SCDMA系统，其变革程度类似于WCDMA系统。1.1.5 LTE的技术突破
前面讲了，相对于WCDMA，LTE空中接口的物理层发生了巨大的变化。接下来我们详细介绍LTE技术为什么要变，是怎样变的。
图1.5展示了LTE的主要技术突破，这正是LTE相对于WCDMA革命性的一面。图1.5 LTE的技术突破
LTE的设计初衷就是提供比WCDMA高得多的速率。有很多办法可以提升速率，但是最简单、最快捷的办法就是增加带宽。LTE最高可使用20 MHz的带宽，是WCDMA带宽的4倍，在同等条件下，LTE至少可以比WCDMA快3倍。
由于LTE有4G、名门之后等多重光环，所以成为移动通信技术中最被看好的技术。于是各大运营商对LTE趋之若鹜，纷纷准备上马LTE。但是不是所有运营商都具备20 MHz带宽的条件，怎么办呢？让LTE敞开大门，既支持20 MHz的大带宽，又支持15 MHz、10 MHz、5 MHz、3 MHz甚至1.4 MHz的带宽，充分满足运营商更新换代的要求。
除了带宽可变，全球各个运营商使用的频段也是五花八门的。LTE一咬牙，又扛起来了。在LTE规范中，定义了30多个工作频段，远远超过了GSM和WCDMA。这一方面说明了LTE受欢迎的程度，另一方面也给无线设备和终端厂商带来了巨大的实现压力。不过不管怎么样，总是一种幸福的烦恼。
LTE的灵活性还体现在LTE是第一种同时支持TDD和FDD的移动通信技术，可以支持TDD和FDD的混合组网。
为了满足大带宽和可变带宽的需求，人们发现在3G技术中一直广泛使用的CDMA技术有心无力，一种新的调制和复用技术应运而生，这就是OFDM技术（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交频分复用）。
OFDM是一种特殊的频分复用技术，使用正交的子载波。通过调整子载波数量，OFDM技术可以灵活地改变工作带宽，满足了大带宽和可变带宽的需求。在LTE系统中，下行方向采用了OFDM技术，上行方向则是OFDM的变形：SC-FDMA。OFDM还可以用于多用户接入，即OFDMA。
OFDM技术是LTE技术中最关键、最精华的部分，也是LTE技术学习的重点和难点。本书的后续章节将会详细介绍OFDM技术的原理以及在LTE系统中的具体实现方式。
OFDM技术可以充分利用大带宽，但是人们还希望提高带宽的使用效率，毕竟带宽是非常宝贵的资源。于是，多天线技术也被引入LTE技术中。
多天线技术分为3种工作方式：发射分集、波束赋形以及MIMO（多入多出，有时也称为空间复用），其中的MIMO可以大幅度地提高带宽利用率，从而提升业务的吞吐率。
多天线技术也是LTE技术中非常重要的环节，同样是LTE学习的重点和难点，本书的后续章节将会详细介绍多天线技术的原理以及在LTE系统中的具体实现方式。
附带讲一下，从基站的硬件上看，我们发现LTE基站标准配置就是双发射，而WCDMA基站只是单发射，这是一个显著的变化。双发射会带来硬件成本的提高，但是也会带来性能的显著提升。1.1.6 LTE：性能的飞跃
LTE在物理层上进行了大刀阔斧的革命，会带来什么效果呢？我们看一下图1.6峰值速率对比就清楚了。
在图1.6中，TD-SCDMA、EV-DO和HSPA等3G技术的下行峰值速率普遍在10 Mbps以下，而HSPA+、TD-LTE、FDD LTE等4G技术的下行峰值速率普遍在40 Mbps以上，甚至可以超过100 Mbps。
上行峰值速率的情况与下行峰值速率也是类似的。
因此，从峰值速率这个关键的性能指标上看，4G技术遥遥领先，抛开3G技术一个数量级，的确是性能上的一大飞跃。
值得注意的是，图1.6比较的是2013年年初的商用系统性能，而不是设计值。比如HSPA+，目前商用的是R8版本，其下行峰值速率为42 Mbps。HSPA+还有后续版本，其峰值速率还可能提高，但是还处于研发阶段，并没有商用。
LTE系统也是类似的，峰值速率与终端的类型相关，图1.6中给出的是第3类终端的性能。关于LTE终端的类型，本章后续将深入介绍。图1.6 不同制式峰值速率的对比（2013年年初）1.1.7 LTE：实测效果
除了峰值速率的理论对比，这里还展示一下我的亲身体验。我在中国第一个TD-LTE商用城市杭州做了详细的定点测试，结果如图1.7所示。图1.7 TD-LTE网络实测效果（杭州）
从图1.7上不难看出，无论是在信号好的还是信号差的地点，在下行平均速率、上行平均速率和往返延迟这三大性能指标上，TD-LTE网络都远远领先HSPA网络，更不用说完爆TD-SCDMA网络了，的确给用户一种改朝换代的感觉。1.1.8 LTE：后浪推前浪
由于LTE技术性能优异，相对3G技术的优势非常明显，因此人们普遍认为，LTE技术的前途非常光明。
爱立信公司曾经预测了各种移动通信技术的全球用户数量，具体内容如图1.8所示。这个预测结果被大量的研究报告所引用，看来是得到了大家的认可。图1.8 全球移动用户数量的预测
资料来源：爱立信（2012.6）
图1.8给人最明显的感观，就是用户的分布仿佛是海浪一样，一浪推一浪：GSM这一浪已经过了高点，正在下滑；WCDMA这一浪气势正盛，要接GSM的班；而LTE这一浪正在发轫，但是发展空间很大。
这张图让我想起了国父的名言：“天下大势，浩浩汤汤，顺之者昌，逆之者亡。”作为一个通信技术人，一定要对技术发展的趋势有一个清晰的认知，及早布局。
LTE网络的发展也印证了以上的预测。2010年是LTE的商用元年，北欧等地已经有LTE的商用网络，美国运营商Verzion也于2010年年底实现了LTE的商用，LTE的发展也就此正式起步。而在中国，2014年可以算是LTE的商用元年。
到2015年年底，全球的LTE用户数突破了10亿，发展势头超出了图1.8的预测，这主要是中国贡献了3.86亿LTE用户。1.1.9 LTE：演进无极限
作为WCDMA的后续技术，LTE自从诞生以来，就不断发展。图1.9展示了LTE技术的发展历程。图1.9 LTE的技术发展之路
3GPP于2004年底开始制定LTE的技术规范，到了2008年发布了LTE技术规范的第一个版本R8。之所以叫R8，主要是与WCDMA/HSPA技术规范的版本同步，代表2008年发布。目前大部分的LTE商用网络都是基于R8的版本。
之后，3GPP继续发布LTE技术规范新的版本，每个版本都会增加一些新的功能。2009年发布的是R9版本，2010年发布的是R10版本。R10版本已经在全球初步商用了，国内的三大运营商都已经开始试商用的工作。
R10版本还发生了个小变化，起了一个新的名称：LTE-A，A是Advanced的缩写，也就是增强版。LTE-A具体增强了哪些内容，1.1.10节会详细介绍。
R10之后是R11、R12，…，到2016年，已经发布的最新版本是R13，并在2015年10月得到了新的命名：LTE-Advanced Pro。1.1.10 LTE-A的特点
前面说过，LTE技术是为了应对WiMAX技术的挑战而产生的，并且还需要成为合格的4G技术。所谓4G技术，如同3G技术一样，也是由ITU主导的。ITU发布3G的标准IMT—2000后，提出了后续的IMT-Advanced，也就是4G技术须要满足低速移动下速率超过1 Gbps，高速移动速率在100 Mbps以上。
LTE技术的诞生有些早，当时还没有IMT-Advanced的要求。从LTE的设计指标看，离IMT-Advanced的4G要求还有一段距离，因此，LTE也往往被咬文嚼字的人称为3.9G技术。
为了满足IMT-Advanced的要求，LTE进一步发展为LTE-A，对应LTE的R10以及后续的版本。LTE-A利用频点捆绑（载波聚合），最大带宽可扩展到100 MHz，加上增强的下行MIMO和引入上行MIMO技术的配合，最高上、下行速率均可以突破1 Gbps，达到了IMT-Advanced的要求。由于目前LTE已经被约定成俗地定义为4G技术，LTE-A就被冠为4.5G技术了（当然，也有观点将LTE-Advanced Pro称为4.5G）。
图1.10展示了LTE-A的主要技术特点，当然，除了图1.10列出的技术外，LTE-A的技术体系中还包括异构网络HETNET和协作多点CoMP等技术。图1.10 LTE-A的技术特点
表1.1给出了LTE-A与LTE的性能对比，可以看到LTE-A的性能又上了一个大台阶。表中出现的一些技术术语，如TM发射模式，将在第6章中详细介绍。表1.1 LTE-A与LTE的性能对比1.1.11 强强对话：LTE与WiFi
前面说过，LTE技术在4G领域的潜在对手WiMAX发展不利，LTE在4G领域已经没有对手，强者地位不可动摇。
不过，尽管在4G技术领域顺风顺水，但是在室内高速数据业务这个领域，LTE技术未必是最强。大家知道，作为无线局域网WLAN技术的杰出代表，WiFi技术一直以来都是室内高速数据接入之王，而LTE技术雄心勃勃，也想在室内高速数据接入上大展身手，这就与WiFi迎头相撞，展开了强强对话的好戏。
所以，一直以来都有人关心，在室内高速数据业务领域，LTE与WiFi，高手过招，谁更强，谁又会笑到最后？
在我看来，其实两种技术各有各的优势。
先说技术本质，LTE的技术特点前面已经介绍过了，而WiFi技术中的IEEE 802.11n版本也集OFDM和MIMO技术于一身，带宽也有20 MHz，还支持两个载波的聚合，最高下行速率可达600 Mbps，商用系统的最高下行速率可达100 Mbps，与LTE技术相比，没有明显的高下差异。
至于后续版本，LTE有LTE-A，最高速率可达Gbps；IEEE 802.11n，同样有IEEE 802.11ac，利用载波聚合等技术，最高速率也可达Gbps，可谓旗鼓相当。
再看无线参数，两者有比较大的差别：IEEE 802.11n主要采用的是5.8 GHz的频段，而LTE通常采用的都是2 GHz甚至更低的频率。频段低对室外覆盖是非常大的利好，不过对于室内覆盖，5.8 GHz的频段并不是一个缺陷。
另外一个差别是基站的发射功率，LTE的基站最大发射功率可达40 W，而WiFi的家用AP（接入点）最大发射功率仅有100 mW，差别极大。但是在室内覆盖的场合，并不需要天线输出太大的发射功率，反倒是LTE的基站有施展不开的问题。
接下来看实施，LTE采用的是管制频段，频段的质量有保证，服务可靠，适合运营商；而WiFi采用的是非管制频段，被干扰也无话可说，作为商业运营不够可靠。不过，目前商业运营的WiFi网络只是WiFi的一小部分，更多WiFi设备都是非运营的，仅仅用于用户个人的无线接入。
最后看终端，目前WiFi终端的支持率远远超过LTE终端的支持率，WiFi的普及程度远胜于LTE。
总之，客观地看，在室内高速数据业务领域，尽管LTE也很努力，但由于自身特点所限，除了大型建筑外，一般情况下应该是WiFi更加普及。
LTE与WiFi都是非常受欢迎的技术，强强对话能否演绎为强强携手，各自发挥自己的优势，实现共赢呢？
很多厂商和运营商已经在思考这个问题，其实LTE-A的异构网络就考虑了与WiFi的协同，室外用LTE来覆盖，室内可以在LTE网络的引导下，自动切换到运营商的WiFi来接入和分流。对运营商而言，未来的LTE与WiFi可能不是对手，而是战友。1.2 LTE核心网
了解了LTE技术的来龙去脉后，接下来我们来仔细了解LTE系统的各个组成部分。
我们的学习先从核心网开始。前面已经讲到，本书由于是学习教程，为了方便记忆，因此采用了一些大众化、容易理解的提法。比如这里说的LTE核心网，其实是指采用SAE技术的核心网系统，也就是EPC。
在开始讲解LTE核心网之前，我们先来了解一些背景知识。1.2.1 CS域与PS域
本节标题中的域，也就是Domain，代表相关设备构成的系统。CS域是由支持CS业务的核心网设备构成的系统，PS域是由支持PS业务的核心网设备构成的系统。因此，我们先来了解CS业务和PS业务。
CS业务是电路交换业务的意思，是移动通信系统从固定通信系统中继承过来的业务，历史悠久。CS业务自1G以来，就是移动通信系统支持的经典业务，其中的代表者就是语音业务，也就是我们熟悉的打电话。
电路交换这个术语说明了网络侧处理CS业务的特点：需要为业务分配专用的通道，仿佛是在端到端之间建立了一条电路，把主叫方和被叫方连接在一起。因此，CS业务需要独占资源，能保证良好的业务质量，但资源的利用率不高。
与CS业务相提并论的就是PS分组交换业务。分组交换业务是伴随着IP技术而成长起来的，随着IP技术的一统天下，Internet的普及，各种业务都分组化了，PS业务日渐兴盛。我们最常用的PS业务就是上网。
所谓分组交换，就是用一个个数据包来承载业务信息，利用数据包上的地址来区分不同的用户。分组交换不需要配置单独的专用通道，数据包可以走同一个通道。
分组交换技术的最大优点是传输通道共享，因此大大提升了资源的利用率。采用IP技术后还有一个优点，由于IP技术极为普及，设备之间互连互通变得非常方便。就好像英语一样，可以让不同国家的人之间进行沟通。
图1.11展示了移动通信系统中的CS域和PS域。CS域存在于GSM系统和WCDMA系统中，但是在LTE系统这里，就戛然而止了。取消CS域，这是LTE系统的一大革命。图1.11 移动通信系统CS与PS域
PS域由GPRS引入移动通信系统，GPRS是GSM系统的发展。因此PS域开始自GPRS，经过WCDMA，传递到了LTE，成为硕果仅存的业务域了。
值得注意的是，虽然LTE革除了CS域，但不代表LTE不支持CS业务，CS业务在LTE网络中依然存在。1.2.2 CS域与PS域的设备
接下来，我们以WCDMA系统为例，介绍一下CS电路域与PS分组域各由哪些设备组成，图1.12展示了这些设备。图1.12 CS域与PS域的设备
从图1.12中可见，电路域的设备包括MSC-Server和MGW（Media Gateway，媒体网关）两种网元。MSC是移动交换机的意思，MSC-Server可以简写为MSC-S。
MSC-S对应移动核心网的控制功能，包括呼叫控制、用户管理、计费、协议管理等，还用来控制MGW，并包含VLR（拜访用户寄存器）的功能；MGW对应移动核心网的承载功能，主要负责无线网络的接入。值得注意的是，由于MSC-S承担控制功能，因此无线网络的信令还是需要透过MGW的传输，交由MSC-S来处理，而电路交换的业务数据流只需要经过MGW。
分组域的主要设备是SGSN（GPRS服务支持节点）和GGSN（GPRS网关支持节点）。SGSN的角色类似于电路域的MSC-S，负责为服务区域内的分组数据用户提供服务，并进行分组数据用户的接入控制、安全认证和位置管理等工作。GGSN负责将分组数据传送到相应的网络，是GPRS网络与外部分组交换网络的接口，还要完成协议转换、路由选择和消息过滤等工作。分组业务数据流先经过SGSN，再经过GGSN。
电路域和分组域公用一些设备，负责提供用户管理和网络设备管理。这类设备包括HLR、AUC和智能网设备（SCP）等。另外，还有一些业务支撑设备同时提供了与电路域和分组域的接口，如短消息中心（SMSC）。
从图1.12可以看到，WCDMA无线网络需要同时连接电路域与分组域，比较复杂。1.2.3 EPC的组成
在了解了CS域与PS域的基础知识后，接下来，我们介绍EPC，也就是LTE核心网。EPC的组成如图1.13所示。图1.13 EPC的组成
从图1.13可以看到，EPC主要包含了如下五大网元。● MME（Mobility Management Entity，移动性管理实体）：EPC中
的主要网元，从名称上就可以看到，MME负责管理和控制，相
当于班长。● SGW（Serving GateWay，业务网关）：EPC中的主要网元，负
责处理业务流。● PGW（PDN GateWay，PDN网关）：EPC中的主要网元，负责
与PDN接口。所谓PDN（分组数据网），通常是指Internet。● HSS（Home Subscribers Server，归属用户服务器）：HLR的升
级，但是作用与HLR一样，负责存储用户的关键信息。● PCRF（Policy and Charging Rules Function，策略与计费规则功
能）：用来控制服务质量QoS的网元。
在这五大网元中，前三个网元最重要，在后续小节中将详细介绍。
从图1.13还可以看到，LTE的无线网络E-UTRAN与EPC的MME和SGW分别连接，而外界的IP网络（即Internet）则与PGW和PCRF连接。1.2.4 MME
接下来我们详细介绍EPC的各个组成部分。我们首先从MME开始，简单地说，MME就是SGSN的控制面，负责处理用户业务的信令，用来完成移动用户的管理，并且与eNodeB、HSS和SGW等设备进行交互，如图1.14所示。图1.14 EPC中的MME
在图1.14中，MME与HSS通过S6a接口连接，与SGW通过S11接口连接，而与基站eNodeB通过S1-MME接口连接，这些接口都基于IP协议。
MME有如下的一些主要功能：● 用户鉴权：这是移动通信系统最基本的功能之一，本功能需要与
HSS交互。● 移动性管理（寻呼、切换）：是移动通信系统最基本的功能之一。● 漫游控制：当漫游用户接入系统后，MME需要访问漫游用户所
属的HSS，从而得到该用户的信息。● 网关选择：MME下会连接多个SGW，用户业务选择哪个SGW，
由MME来指派。● 承载管理：承载是WCDMA引入的概念，对应用户数据流。承载
管理涉及承载的建立、释放等工作。● TA列表管理：TA（Tracking Area，跟踪区）是LTE中引入的新
术语，类似WCDMA和GPRS系统的路由区RA，当终端离开所属
TA，就须要做TA更新。在LTE系统中，eNodeB可以属于多个
TA（多达16个），同样终端也可以归属于多个TA（多达16个），
这样就为LTE系统带来了更多的灵活性。
从以上介绍的MME功能可以看出，MME在EPC中的地位相当重要。为了维持LTE系统的可靠运行，通常我们会在网络中部署多套MME，构成一个MME池组，MME之间进行负荷分担。eNodeB与池组中的MME都连接上，这样即使有一套MME发生故障，也不会影响eNodeB的正常工作。当然，由于S1-MME是IP接口，因此连接还是很方便的。1.2.5 SGW
SGW的功能与MME相呼应。简单地说，SGW就是SGSN的业务面，负责处理用户的业务，用来完成移动数据业务的承载，并且与eNodeB、MME和PGW等设备进行交互，如图1.15所示。图1.15 EPC中的SGW
其中，SGW与MME通过S11接口连接，与PGW通过S5或S8接口连接，而与基站eNodeB通过S1-U接口连接，这些接口都基于IP协议。
SGW的主要功能有：● 漫游时分组核心网的接入点；● LTE系统内部移动性的锚点；● 空闲状态时缓存下行数据；● 数据包路由和转发；● 计费；● 合法监听。
这些功能都比较容易理解，这里就不详细介绍了。
从SGW功能可以看出，SGW相当于数据业务的中转站，理解为港口也比较贴切，实现了移动用户与固定网络的结合。1.2.6 PGW
PGW的功能非常类似GGSN，负责与Internet的接口，并且与PCRF和PGW等设备进行交互，如图1.16所示。图1.16 EPC中的PGW
其中，PGW与SGW通过S5或S8接口连接，与PCRF通过Gx接口连接，与PDN通过SGi接口连接，这些接口都基于IP协议。
值得注意的是，PGW不会直接与基站eNodeB打交道。另外，在实际系统中，SGW和PGW往往是同一套物理设备，这样可以减少处理时延。
PGW的主要功能有：● 外网互联的接入点；● 用户IP地址分配；● 数据包路由和转发；● 计费；● 策略控制执行（PCEF）；● 合法监听。1.2.7 EPC：漫游业务的处理
讲到这里，细心的读者要问了，SGW与PGW之间到底是S5还是S8接口呢？要回答这个问题，我们得先了解EPC是怎样处理漫游业务的。
所谓漫游，就是指移动用户离开了自己的归属地网络，进入了异地网络，并进行业务的过程。归属地网络称为本地Home，异地网络称为漫游地Visit。从技术上看，本地网络的HSS存放有移动用户的信息，而漫游地网络的HSS没有存放移动用户的信息。
因此，当漫游用户进行业务的时候，经过无线网络的接入，相关信息被送到MME。MME在进行用户移动性管理时，发现是漫游用户，会找到该漫游用户所属的本地网络，通过其本地网络的HSS获取相关信息，并完成认证鉴权的工作。这一过程，与GSM、WCDMA系统的漫游处理过程是相同的。
接下来，在建立业务承载时，EPC有两个选择：就近接入和回归接入，如图1.17所示。图1.17 EPC：漫游业务的处理
所谓就近接入，就是漫游地的SGW通过S5接口与漫游地的PGW连接，就近接入Internet；而回归接入是漫游地的SGW通过S8接口与本地的PGW连接，再连接到Internet。显然，采用就近接入比较方便，节省资源，不过回归接入也有优势，可以控制业务的QoS以及实施特定的计费策略，因此各有各的应用场景。1.2.8 EPC：与其他网络的连接
EPC在实施时，有一个宏大的目标，就是作为单一的核心网，去连接各种移动通信系统的无线网络，也就是连接GPRS、WCDMA、cdma2000网络，从而实现与2G、3G网络的互操作，甚至让GPRS、WCDMA、cdma2000等的核心网彻底下岗。
当然，直接与2G和3G无线网络打交道并不是最优的方案，况且无线网络还未必具备IP接口。更好的方案是通过某个代理设备与无线网络打交道，这个代理设备在GPRS和WCDMA的PS域中就是原来SGSN的升级，而在cdma2000的网络中就是一个新增的GW网关，如图1.18所示。图1.18 EPC：与其他网络的连接
由于LTE与GSM和WCDMA的传承关系，因此升级后的SGSN可以直接与MME以及SGW连接；而cdma2000网络中的GW就只能与PGW连接。
最后我们介绍一下如何从WCDMA的PS域升级到EPC。另起炉灶其实是没有必要的，因为EPC继承了很多WCDMA PS域的功能，而且前面我们也讲了网元之间的对应关系。目前比较常见的升级方式是把SGSN升级为MME，把GGSN升级为SGW和PGW，这样SGW和PGW就是同一套物理设备。
讲到这里，我们已经把LTE核心网，也就是EPC的主要网元、连接关系以及功能介绍完了，接下来我们介绍LTE无线网络的内容。1.3 LTE无线网络1.3.1 LTE无线网络的组成
在移动通信系统中，无线网络承上启下，连接核心网和终端设备，实现移动通信业务的覆盖，是移动通信系统的关键组成部分。
想要了解LTE无线网络，我们还是从LTE无线网络的组成开始。
在介绍LTE无线网络的组成时，各类参考书往往会先展示图1.19。这是一张非常有名的图，出自LTE的技术规范TS36.300。在LTE无线网络的相关技术规范中，TS36.300是一个总体概述，值得大家好好研读。
在图1.19中，E-UTRAN通俗地说就是LTE无线网络，与EPC相对应。不过与EPC不同，LTE无线网络中只有一种网元：基站eNodeB（简写eNB），非常精简。图1.19 LTE无线网络的组成（引自TS36.300）
从图1.19中，我们看到基站eNB之间通过X2接口互连，通过S1接口与核心网设备相连。从1.2节我们知道，S1分为两个接口：S1-MME和S1-U。基站eNB通过S1-MME与MME连接，通过S1-U与SGW连接。这些接口都基于IP技术，而正是利用IP技术来组网，才能方便成千上万基站之间的互连以及与核心网设备的连接。
从图1.19中我们还可以看到，基站与多个MME连接，这些MME构成了一个池组；基站也与多个SGW连接，这些SGW之间可以实现负荷分担。
当然，图1.19与真实网络还是有一些出入的，也就是图1.19很容易让人理解为MME与SGW是同一套物理设备，而事实上，MME与SGW往往是两套单独的物理设备。1.3.2 LTE无线网络的功能
了解了LTE无线网络是什么之后，接下来我们介绍LTE无线网络做什么，也就是LTE无线网络的功能。
这里又会引出一张非常面熟的图，各类参考书往往会引用，本书也不例外，这就是图1.20。图1.20也是出自LTE的技术规范TS36.300。
图1.20我不打算翻译为中文，因为翻译版已经很多了，况且原版的英文单词也不是很生僻的，理解起来并不困难。图1.20 LTE无线网络的功能与层次结构（引自TS36.300）
图1.20的右边讲的是核心网三大网元的功能，可以看成前一节内容的复习，比如MME最主要的功能是鉴权、寻呼、位置更新和切换；SGW的主要功能是移动性的锚点，也就是中转站；PGW的主要功能是IP地址分配以及分组数据包的过滤。
图1.20的左边介绍了无线网络的功能与层次结构，无线网络的功能在浅色方框中列出，包括如下一些功能：● 小区间无线资源的管理；● 无线承载的控制；● 连接状态移动性管理（切换）；● 无线准入控制；● eNodeB测量报告的配置与发送；● 动态资源调度。
如果大家想深入了解这些功能，可以阅读《LTE教程：机制与流程》一书，书中安排了相当多的篇幅来介绍LTE无线网络的功能。
LTE无线网络的功能其实就是基站eNB的功能，与之相对，WCDMA无线网络的功能分布在RNC和NodeB两个网元上，这是LTE无线网络与WCDMA无线网络的显著差别。
不难看出，eNB的主要功能就是连接、管理和控制终端，并且为核心网连接、管理以及控制终端提供沟通的管道。
显然，为了实现这些功能，eNB需要与终端以及核心网进行交互，也就是要传递大量的信息，接下来我们就来了解LTE无线网络是怎么传递信息的。1.3.3 LTE无线网络与信息传递
在讲解LTE无线网络如何传递信息前，我们先简单介绍一下与信息传递密不可分的接口——空中接口。
空中接口是终端与基站两种设备之间的无线接口，如图1.21所示。图1.21 空中接口示意图
空中接口是终端与移动通信网络之间的唯一接口，终端只有通过空中接口连接到无线网络，才能获得移动通信系统提供的服务，空中接口的重要性可见一斑。
具体到LTE空中接口，这是终端UE与eNB两种设备之间的无线接口。LTE空中接口称为Uu接口，与WCDMA空中接口保持一致。
空中接口是终端与无线网络之间信息传递的接口，LTE无线网络上的信息利用承载（Bearer）来传递。承载是LTE技术规范中的专用术语，可以理解为车辆，而信息则相当于车辆上的乘客。
LTE无线网络的承载分为信令承载和业务承载两大类。
1. 信令承载
eNB会在空中接口上建立与终端连接的信令承载，其专用名称为SRB，也就是信令无线承载。图1.22展示了LTE无线网络中的信令承载，图1.22的左下角就是SRB，位于Uu接口中。
附带说一下，WCDMA空中接口也是用SRB来承载信令的。
eNB还会在S1-MME接口上建立与MME连接的信令承载，其专用名称为S1-CP，图1.22的右下角就是S1-CP。
SRB上承载了两种信令，一种是终端与无线网络交互的信令，简称无线信令；另外一种是终端与MME交互的信令，称为上层信令。
从图1.22可以看到，传送上层信令需要S1-CP和SRB的共同参与，而传送无线信令只需要借助SRB。图1.22 LTE无线网络的信令承载
此外，S1-CP上除了承载上层信令外，也会承载S1接口上的信令。这两种信令的区别是，eNB只是透传上层信令，不会处理上层信令。换言之，上层信令的终点不是eNB，而是终端。S1信令正好相反，在eNB终结，eNB需要处理S1信令。
2. 端到端的业务承载
信令其实是为业务服务的，介绍了LTE无线网络中的信令承载后，接下来我们介绍业务承载。
LTE无线网络的业务承载是端到端业务承载的一部分，而端到端业务承载的结构如图1.23所示。
图1.23同样来自于TS36.300，从图1.23可以看到，要想实现端到端的分组业务，需要网络中更多设备接力工作。因此，处理业务承载远比处理信令承载复杂，这主要是对端设备的差异：信令承载的对端就在LTE网络的核心网上，而业务承载的对端远在Internet上。图1.23 端到端的业务承载（引自TS36.300）
我们从图1.23的最下面看起，左下角的Radio就是空中接口，也就是Uu接口。Uu接口上面就是无线承载RB。RB与S1接口上的承载S1 Bearer合在一起，就构成了E-RAB。无线接入承载RAB是WCDMA无线网络中业务承载的处理单位，而在LTE无线网络中改名为E-RAB。
E-RAB和SGW与PGW之间的S5/S8承载组合在一起，就构成了EPS承载。所谓EPS，就是LTE网络。EPS承载再加上PGW与Internet的外部承载，连接到对端网络的承载通道，就实现了端到端的业务连接（End-to-end Service）。1.3.4 LTE空中接口的分层结构
了解了LTE无线网络中传递的信息后，接下来我们介绍LTE空中接口内部是如何处理这些信息的。
1. 信令承载与业务承载的复用
从1.3.3节我们看到信令无线承载SRB和业务承载RB有明显的差别，一个与MME相关，一个与SGW相关。
那么问题来了，在LTE空中接口上，两者是不是各自为政，你走你的阳关道，我过我的独木桥呢？答案是否定的。
图1.24展示了LTE空中接口上信令无线承载SRB和业务承载RB的处理过程。从图1.24可以看到，信令无线承载SRB和业务承载RB的来源或者目的地不同，在eNB中也使用了不同的信道来处理，但是最后还是会复用到一起的，通过统一的无线连接发送给终端。也就是说，尽管有这样那样的差别，但是LTE空中接口会把SRB和RB看成一类：都是空中接口要传送的信息，也就是负载。
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