作者：元泉
出版社：电子工业出版社
格式: AZW3, DOCX, EPUB, MOBI, PDF, TXT
LTE轻松进阶试读：
前言
写作背景移动通信的永恒追求是高速、可靠、便捷。为了这一追求，无线制式已经付出了三代的努力。第一代移动网络已经进入了博物馆，第二代移动网络正在服务着地球上为数最多的用户，而第三代移动网络正在以新颖丰富的业务应用吸引着日益壮大的用户群。
对未来的展望和探索，人类从来没有停止过。为了提供更高的业务速率、更高的频谱利用效率、更低的建设运营成本，3GPP推出了移动网络的长期演进项目——LTE，计划使之成为在未来10年内持续领先的无线制式。3GPP LTE（全书简称LTE）在全球已经有了数十个实验网，中国也启动了多个城市的TD-LTE规模试验。
随着LTE的脚步声越来越近、越来越急促，LTE的知识，你储备好了吗？面对未来广阔的职场空间、无限的商机，LTE的知识，你掌握好了吗？写作特点
有志于了解和掌握LTE知识的人，一定是对当今移动通信的发展有初步认识的人。已有的移动通信知识可能是你进一步掌握LTE知识的垫脚石，也有可能成为你理解LTE知识的拦路虎。
本书在写作过程中，大量使用对比的手法。有很多人想知道“和其他无线制式相比，LTE到底有哪些不同？”通过对比LTE与其他多种无线制式的技术特点，可以找到它们的共同点和差异点。有一个成语叫做“相形见绌”，通过对比，可以区别其高低；还有一个成语叫“相得益彰”，通过对比，可以发挥各自优势。有一定移动知识的读者在比较中学习，使已有的无线知识成为掌握LTE知识的桥梁，而不是理解LTE的鸿沟。
其次，本书通过故事连载、拟人比喻的方式阐述LTE的技术原理和技术特点。生活中的故事和技术原理在哲理层面上是相通的，只不过技术原理穿上了数学符号、物理定律的外衣，使得它神秘莫测、难以接近。幽默的故事、通俗化的语言，使读者阅读起来轻松愉快、毫不费力。在不知不觉中，你已掌握了LTE的精髓。
在LTE知识点的选择上，摒弃了晦涩难懂的LTE技术，选择了在多数工作岗位上能够用到的LTE知识进行阐述。初学LTE的人，最忌讳的就是一开始碰到大量的专业术语、复杂的数学公式，就好比一进门，被抡了一闷棍，顿时丧失了走进去的信心。
本书采用从总体到细节、从原理到实践的顺序提纲挈领地介绍了LTE无线侧工程师需要掌握的关键技术，主要的目的是把复杂的东西讲清楚、讲明白，而不是面面俱到、事无巨细地介绍一切LTE知识。LTE的知识点之间相互渗透、错综复杂。本书的内容安排如同软件程序设计一样，做到模块化，对知识点间的相互依赖进行充分解耦，让读者步步为营地攻克LTE的堡垒。
本书如同一本纵贯全国的交通地理手册，靠着这个手册，能够方便地找到某个乡镇，但这个乡镇里的小路就得自己熟悉了。也就是说，本书是从应用的角度来讲LTE的，是给初学开车（LTE这辆时代列车）的人使用的，而不是给设计车的人使用的。故事梗概
本书各章通过介绍三吉皮皮国无形货物贸易过程中涉及的一系列问题，来牵引出每章LTE相应的技术原理。读者可以逐章阅读，也可以将各章三吉皮皮国的故事作为一个整体，先统一阅读，对全书介绍的内容大致做一了解。
三吉皮皮国是3GPP组织的化身；三吉皮皮国的核心主导者有两个：国王塞地安莫尔（正文中称为国王）和接班人奥夫地安莫尔（正文中称为接班人奥先生）；这两个主导者分别代表无线通信技术中两个重要的多址技术：CDMA和OFDMA。
国王塞地安莫尔发现本国的贸易体系的效率已经不再领先的时候，就确定了以接班人奥先生为首的新贸易体系构建与推行小组。
国王和接班人奥先生就无形货物贸易体系的关键问题交换了意见。之后，接班人奥先生在组织架构变革、标准文书传递、消除地方贸易保护、规范进出口贸易模式、提高贸易效率、建立标准化物流渠道、改善百姓服务流程、提高资源配给效率等方面做了详细的讨论。这一部分对应着LTE无线侧的关键技术。
最后，接班人奥先生的视角从微观转向宏观，从提高团队成员素质转移到了打造高素质团队。打造高素质团队包括需要多少个团队成员、各安排什么位置、新团队成员如何与老体系成员共存、新组织如何防腐的问题。这一部分对应着LTE规划与优化的技术问题。本书结构
本书分为三个大的篇章进行介绍。
在第一篇，站在一定的高度、拉开一定的距离，看LTE的技术。正像我们观察一个人从远处走来一样，你先看到的是他的轮廓、衣着。LTE知识的轮廓包括LTE的演进目标、LTE用到的部分无线原理、LTE的一个组网架构和三个无线侧接口。
在第二篇，LTE已经走到了我们的面前，给我们呈现出了丰富多彩的个性。这里介绍的LTE无线侧关键技术，包括两个基本的物理层技术OFDM和MIMO，两个帧结构FDD和TDD，三个上行物理信道，六个下行物理信道，六个物理层过程，七个无线资源管理模块等内容。
在第三篇，我们已经决定与LTE共舞。如何充分发挥LTE的作用，是需要我们考虑的内容，包括如何规划、如何建设、如何优化的内容。适合读者
本书适合具有一定无线基础知识的LTE入门者使用，如LTE项目管理者、LTE营销人员、售前支持人员、工程服务人员、管理人员、在校大学生。如果是LTE的某一方面的研发人员，本书只适合他了解LTE的关键技术，具体的实现细节还需参考协议类书籍。致谢
本书的写作前后持续一年半的时间。我在这个漫长的写作过程中，得到很多亲人和朋友的关心和帮助。
首先感谢我的父亲和母亲，是他们的持续鼓励和默默支撑，使我能够长时间专注于无线通信的通俗写作。其次，要感谢我的妻子和孩子，温暖的家庭生活是我持续奋斗的原动力。尤其要感谢的是赵文超先生，他的漫画构思不仅折射出他对无线通信行业的深刻理解，而且体现了他在生活中乐观和幽默的特质，我非常享受和赵文超先生默契合作的过程。两年半前，我就收到本书编辑的约稿邀请，直到今天才完成写作，感谢本书编辑追求卓越的工作精神，感谢她充分为读者考虑的持续付出。最后，感谢所有的读者朋友，你们的持续关注是原创作者最大的欣慰。
由于作者水平有限，书中难免疏漏和错误之处，敬请批评指正。元泉2012年3月 第一篇 LTE总体第1章凤凰台上凤凰游——LTE的演进目标知识要点无线宽带化和宽带无线化融合的趋势促进了3GPP LTE项目的产生。那么，大家首先应该了解的是，LTE提出了哪些目标，为了实现这些目标做了哪些标准化的工作，LTE的标准与2G、3G的增强型标准有哪些区别，如何查阅LTE标准化的协议。这些都是每个初学LTE的读者首先应该掌握的基本内容。东胜神州的海滨有个三吉皮皮（3GPP化名）国，吸天地之灵气、纳日月之光辉、集旷野之朝露、汇百川之俊秀，推出了一套新的贸易标准，取得了巨大的成功，已经发展成为一个颇有影响力的外贸大国。它的贸易不是有形的货物，而是无形的数据，俗称为比特。但这里的人们仍习惯称为货物。高效、快速、可靠地传送这些货物是三吉皮皮国的最大追求。三吉皮皮国的国王塞地安莫尔（CMDA化名，后面简称国王）最近有些忧郁，他听说有个叫爱三易（IEEE化名）的国家每秒最大的出口比特量（下行）可达70 M，每秒最大进口比特量（上行）可达30 M。而本国的每秒最大出口比特量仅为14.4 M，每秒最大进口比特量仅为5.76 M。这一点给国王莫大的刺激，他发誓三吉皮皮国在比特贸易能力方面一定要超过爱三易国。他任命了专门的工作小组，代号LTE（Long Term Evolution，长期演进），由接班人奥夫地安莫尔（OFDMA化名，后面简称接班人奥先生）负责主持工作。国王是一个诗人，喜欢用诗来表达自己的心情；而他表达的心情，接班人奥先生懂！“凤凰台上凤凰游”，国王吟道。接班人奥先生给大家翻译国王的心情：“这几十年，各种无线送货标准、无线送货体系粉末登场、纷繁芜杂。”“凤去台空江自流”，国王又吟道。接班人奥先生继续翻译：“有些标准已经过时了，离开了比特贸易的舞台，但是用户的比特贸易需求像滔滔江水一样，从没有中断过。”“吴宫花草埋幽径，晋代衣冠成古丘。”国王作怀古惋惜状。接班人奥先生跟随着国王的心情，作惆怅状：“人工挑货的货物交换时代一去不复返了，模拟移动标准也已经入土为安。”“三山半落青天外，二水中分白鹭洲。”国王描述当今大势。接班人奥先生也理解当今时势：“三种3G比特贸易标准（TD-SCDMA，WCDMA，cdma2000 1x）已经被应用了若干年，但从使用标准的最终人数上看，两种2G标准（GSM、CDMA）仍然是服务用户的主力。”“总为浮云能蔽日，长安不见使人愁。”国王描述对未来的期待。接班人奥先生了解国王的期待：“当今多制式并存的乱局不能遮挡我们前进的道路，希望多网融合、一统江湖的LTE早日到来。”（见图1-1）图1-1 三吉皮皮国的期待大家听完了国王和接班人奥先生的一唱一和，激动加感动外带心动，爆发出了雷鸣般的掌声。接班人奥先生宣布：“国王时刻关注LTE的工作进展，要求整合国际上各大客户的需求，快马加鞭，推出有竞争力的、新的贸易标准。”1.1 移动宽带化与宽带无线化
通信三要素：发送、接收、传送。其中信息传送技术是通信技术的基础。通信技术的不同，主要表现在传送方式的不同上。像戴宗送信、飞鸽传书，都是通信传送方式，但是这些都是通过有形的方式传送信息。广义地说，经过无形的媒介进行信息交换，就是“无线通信”，如古代的烽火、旗语的信息传送方式。
但是，现代真正意义的无线通信是在麦克斯韦预言电磁波的存在、赫兹证实了电磁波的存在、马可尼通过实验实现了无线通信之后开始的。
1.1.1 移动宽带化
无线接入技术（Radio Access Technology，RAT）的发展先后经历了无线移动化、模拟数字化、无线宽带化三大进程。
早在出现第一代移动通信（1G）之前，就存在“不移动”的无线通信。早在一战、二战期间，“无线电报”就大范围应用在了军事上。这样的无线通信方式不支持信号的发送或接收设备在不中断业务的情况下大范围移动。所以不能称为移动通信。“蜂窝组网”和“频率复用”技术的实现，标识着无线移动化进程的完成，于是第一代移动通信（1G）制式诞生了。但是第一代移动通信是模拟系统，设备庞大，耗电量大，通信可靠性低。
伴随着模拟器件数字化的进程，移动通信设备也实现了数字化，第二代移动通信系统（2G）出现了。移动通信的模拟数字化的代表制式是GSM（Global System for Mobile Communication，全球移动通信系统）、CDMA 95 A。
人们需要交换的信息量在不断地增长，数字洪水的时代大踏步地走来。人们对无线通信的需求不仅仅满足于窄带的语音业务，业务数据化成为不可逆转的趋势。传统的窄带无线通信系统必将向能提供综合数据信息服务的宽带移动通信发展。移动宽带化革命迎来了第三代移动通信系统，代表制式就是WCDMA、TD-SCDMA、cdma2000。
1.1.2 宽带无线化
与此同时，随着互联网技术的发展，以传统以太网为主的有线宽带技术越来越不能满足人们随时随地获取互联网信息的需求。宽带技术的无线化、移动化成为互联网技术的发展趋势。WLAN（Wireless LAN，无线局域网）、WiMAX（Worldwide Interoperability for Microwave Access，全球微波互联接入）就是宽带无线化的主要代表。
IEEE组织只是针对宽带无线制式的物理层（PHY）和媒质接入控制层（MAC）制定了标准，并没有对高层进行规范。WiMAX制式是IEEE（Institute of Electrical and Electronics Engineers，美国电气和电子工程师协会）组织制定的802.16系列的协议；WLAN是IEEE组织制定的802.11系列的协议；IEEE 802是关于局域网和城域网的一系列标准；我们比较熟悉的IEEE 802.3是固定以太网协议，IEEE 802.5是令牌环协议。
谈到互联网技术，大家想到了IP网。IP传输网是主流的互联网技术，属于分组包交换的技术，效率较高，但缺点是没有服务质量（Quality of Service，QoS）的保证，对质量的保证只是尽力而为（Best Effort）。对比3G无线制式（如WCDMA）中使用的ATM技术，传送效率不高，但却有服务质量的保证。
1.1.3 LTE的产生动因
移动宽带化进程和宽带无线化进程的融合为LTE的产生奠定了技术基础，如图1-2所示。无线接入网的网元之间使用IP技术进行数据传输，即移动通信网IP化是二者融合的网络基础。通信网IP化最重要的技术就是IP网支持QoS保证，将IP网效率高的优点和通信网QoS保证的特点结合起来。图1-2 宽带无线化和移动宽带化的融合
随着通信技术、广电技术、互联网技术三网融合进程的快速发展，通信产业的价值链从封闭走向开放，无线通信业务数据化、多媒体化成为必然，数字洪水的时代已悄然来临。未来无线通信的主体不只是人与人之间的通信，还会扩展到人与物、物与物之间（从物联网的发展可以看出端倪），爆炸式的无线通信需求为LTE的发展奠定了坚实的市场基础。
3GPP执意要把LTE打造成未来较长时间内领先的无线制式，最直接的压力来自WiMAX。3GPP制定的3G WCDMA可以实现上行128 kbps，下行14.4 Mbps的时候，IEEE制定的WiMAX（802.16）则号称在20 MHz带宽的时候，上行30 Mbps，下行可达到70 Mbps。虽然IEEE的WiMAX宣称的速率只是一个理论上的极限速率，但这也给3GPP对WCDMA未来的信心构成了重大的负面影响。于是3GPP LTE的产生如箭在弦上，不得不发了。1.2 LTE标准化
LTE（Long Term Evolution，长期演进）是3GPP主导制定的无线通信技术，关注的核心是无线接口和无线组网架构的技术演进问题。LTE不等于4G，人们更愿意称它为“准4G”或者叫“3.9G”，更愿意相信它是3G与4G之间的一个过渡，这样就给未来的4G技术更大的想象空间。
但是，LTE技术与其说是“Evolution”（演进），不如说是“Revolution”（革命）。无论在无线接口技术上还是在组网架构上，LTE相对于以往的无线制式都发生了革命性的变化。
既然是“长期”演进，那LTE一定是志存高远。3GPP的目标是使下一代的无线通信系统能够雄踞在现有无线制式能力之上，全面掌控无线制式性能的制高点，“确保在未来10年内领先”（协议上原话）。
如何确保新制定的无线制式在未来的10年内领先呢？有以下几个技术目标：（1）带宽灵活配置：支持1.4 MHz、3 MHz、5 MHz、10 MHz、15 MHz、20 MHz的带宽。（2）峰值速率更高：下行100 Mbps，上行50 Mbps。（3）时延更小：控制面小于100 ms，用户面小于5 ms。（4）支持高速：速度大于350 km/h的用户支持最少100 kbps的业务接入。（5）简化结构：取消电路（CS）域，取消无线网络控制（RNC）节点。
在实现以上系统高目标的同时，降低系统复杂性和组网成本。有点又让马儿跑得快，又让马儿不吃草的味道。在降低系统复杂性这一条里，在LTE的需求里提出了“最小化可选项、没有冗余的强制特性”的要求。这一点是一个典型的运营商主导的需求。为了说明这个要求，先举个例子。
某美容院推出免费做脸部美容的活动。你的女友挺感兴趣，进去了。美容院的服务员告诉你的女友，免费的护肤品是最低档的，有几种非常适合她皮肤的护肤品，可以选择一下（见图1-3）。可选项太多（最小化可选项多么必要），你的女友选择了最贵的；如此多个回合。最后，美容院又说，为了效果好，必须买一种神仙水天天保养（这就叫做强制特性）。从美容院里出来，你的女友已经花了你1000元钱。图1-3 最小化可选项的必要性
看来运营商对这种减少配置低价吸引客户，然后通过增加可选项，增加新特性来扩大销售的营销策略是有所提防的。
1.2.1 LTE标准化进程
高速业务需求迅速增多的牵引力、移动宽带化和宽带无线化技术共同发展的合力、IEEE WiMAX的压力共“三力”一起催生了LTE标准化项目的启动。
在2004年12月召开的多伦多3GPP会议上，LTE的概念被正式提出。之后，启动了3GPP LTE的相关研究工作。为了保证竞争优势，计划用两年左右的时间完成LTE标准的制定。实际上，由于物理层技术确定过程的复杂性，标准制定过程被拖延了很长时间。
LTE标准的制定分为三个阶段，如图1-4所示：需求讨论阶段、标准研究阶段、标准制定阶段。图1-4 LTE标准制定过程
从2004年12月到2005年6月，是LTE项目需求讨论阶段。
先定需求，再选用满足需求的可应用技术，这是LTE标准制定的一个特点。根据需求选取技术，不只看技术的先进性，还须考虑器件芯片的成熟程度、技术实现的复杂度和实现成本、理论及实测效果等多方面的因素。
以往的无线制式多是先看成熟的技术有哪些，再看能满足什么样的需求，而且在LTE的需求讨论中，有很多强势的运营商参与进去，如日本的NTT Docomo、欧洲的沃达丰（Vodafone）等。中国移动在2007年以一个较高的姿态参与进去，目的是把TDD双工方式写入LTE。
以前的无线制式制定，则主要是各设备厂家的事情，运营商很少参与。这就决定着LTE是更加贴近用户需求的技术。这一阶段的主要输出为：LTE需求报告（TR25.913）。
从2005年6月到2006年9月，是LTE标准研究阶段，即SI阶段（Study Item Stage）。
SI阶段原定于2006年6月完成，实际拖延了3个月，到2006年9月才完成可行性研究。这是因为在2006年6月完成的可行性报告里，LTE的频谱效率没有达到运营商的要求。直到把MIMO（Multiple Input Multiple Output，多入多出）天线技术的天线配置数目从2×2（输入×输出）提高到4×4，才达到了运营商的频谱效率要求。
在SI阶段输出的是TR25．xxx系列的文档，其中TR是Technical Report，属于研究报告类型，如LTE可行性研究报告（TR25.912）、LTE物理层研究报告（TR25.814）、LTE无线接口研究报告（TR25.813）等。
从2006年9月到2008年12月，是LTE标准制定阶段，即WI阶段（Work Item Stage）。
2006年9月正式开始WI阶段，由于SI阶段推迟了3个月，于是修改了计划完成日期。原定于2007年9月完成LTE的第一个商用标准版本，结果延期了一年多，到2008年年底才推出首个商用协议版本。
延期的主要原因是对物理层技术的选用存在很大的争议。有些技术在理论上很好，但实测或者仿真性能不理想；有些技术在理论和实测上都还可以，但设备实现的复杂度很大。延期的另一个原因是LTE的帧结构确定不下来，虽然后来帧结构确定以后，没有大家想象得那么复杂。经济基础决定上层建筑，物理层协议出不来，层二、层三的标准制定工作就会白费。最终选择的技术不一定是理论上最先进的，但一定是可实现的和满足需求的。
LTE主要涉及TS36．xxx系列协议，其中TS是Technical Specification，属于技术协议细则类型，如LTE系统整体描述报告（TS36.300）。
当然，现在LTE标准还在不断完善更新之中，还会不断出现各种新标准、新技术，如LTE Advanced、IMT-advanced。有兴趣的读者可以登录http://www.3gpp.org/网站，查看动态信息。
1.2.2 LTE的设计目标
对LTE所有的需求概括一句话：网络性能更好，网络成本更低（当然相对3G系统来说），如图1-5所示。图1-5 LTE设计目标分解
网络性能更好包括更广的覆盖范围、更大的系统容量、更高的用户速率、更高的频谱效率、更短的等待时间、较高的移动速度、更丰富的业务种类、更佳的业务质量；网络成本的降低是指更低的部署成本和运营成本。
为了这样的需求，就需要明确LTE在无线接口和网络架构方面演进的设计目标。先从覆盖、容量、吞吐率、频谱效率、时延、移动性、业务支持等方面谈一下网络性能方面的功能设计目标。（1）覆盖（Coverage）
在5 km范围内，能够满足LTE相关协议定义的吞吐率、频谱效率以及移动性需求；在30 km范围内，保证移动性需求的情况下，用户吞吐率允许轻微下降，频谱效率可以有明显的下降。100 km的覆盖范围不排除支持。
在覆盖上的需求，LTE技术如果能够满足的话，可以极大地降低建网成本和部署成本。但这将对LTE的发射功率和功放效率提出比较大的挑战。尤其是上行方向，手机如何实现，对终端和芯片、器件厂家的考验无疑是很大的。（2）容量（Capacity）
在5 MHz带宽内，LTE要支持200个激活用户；带宽在5 MHz到20 MHz范围内，要支持400个激活用户。（3）吞吐率（Throughput）及频谱效率（Spectrum Effectiveness）
在20 MHz的带宽时，下行峰值数据速率（Peak Data Rate）达到−1100 Mbps（频率效率：5 bs/Hz）；上行峰值数据速率达到50 −1Mbps（频率效率：2.5 bs/Hz）。
LTE在MIMO 2×2配置下，下行小区边缘用户吞吐率是R6 HSDPA的2～3倍；平均用户吞吐率是R6 HSDPA的3～4倍；LTE的频谱效率是R6 HSDPA的3～4倍；上行小区边缘用户吞吐率是R6 HSUPA的2～3倍；平均用户吞吐率是R6 HSUPA的2～3倍；频谱效率是R6 HSUPA的2～3倍。
LTE实现吞吐率和频率利用效率大幅提升最给力的技术有OFDM、MIMO、高阶调制技术64QAM。OFDM、MIMO这两个物理层技术的选用并不是LTE的首创，在IEEE标准的WLAN、WiMAX制式里，已经选用了这两项技术。（4）时延（Latency）
无线接入网UE到eNodeB用户面的延迟时间低于10 ms，控制面延迟时间低于100 ms。注意，这里的时延不是端到端时延，而是无线接入侧的时延。即使如此，这个时延要求也是非常苛刻的。网络架构扁平化、调度粒度细微化是LTE实现低时延的主要手段。（5）移动性（Mobility）
用户的移动速度在15 km/h以内时，保持最优的业务性能；在15～120 km/h范围内，能够有较高的业务性能；120～500 km/h范围内，提供与3GPP R6质量相等或者更优的业务。LTE技术对移动性的要求并不苛刻，主要考虑到选用的OFDM技术对多普勒频移较为敏感。
LTE不仅支持大范围移动条件下的业务使用，更注重低速条件下的使用效果，像WLAN一样，支持对便携式终端话务的吸收，支持热点区域的小范围高质量的覆盖，如世博会。（6）业务支持
LTE需要有效地支持多种业务，除了现有网页浏览、FTP、视频流、VoIP业务之外，还需支持实时视频、Push-to-X（X代表各种应用：Push-to-Talk，一键语音通话；Push-to-View，一键视频通话；Push-to-Share，一键文件共享）等业务，支持增强型MBMS（Multimedia Broadcast Multicast Service，多媒体广播和组播业务）。
为了支持上面的网络性能需求目标，LTE网络的技术基础设计目标有：一个扁平化的网络架构、两个物理层关键技术（OFDM、MIMO），带宽灵活配置，各种无线资源算法。这些内容将在后面的章节中分别介绍。
为了降低建网成本，首先，从降低网络复杂性开始，要求接入网的网元种类减少，接口简单，单个网元功能增强，减少基站规模；其次，降低功能复杂性，严格禁止冗余的强制功能特性、可选特性最少化；再次，要求LTE支持和2G、3G无线制式共站址建设，降低建站成本；最后，要求LTE和其他制式能够互操作，实现多制式网络资源的共享。
为了降低运营成本，运营商要求LTE具备自组织网络（Self Organization Network，SON）功能，即要求LTE网络具有自规划（Self-Planning）、自配置（Self-Configuration）、自优化（Self-Optimization）、自维护（Self-Maintenance）的能力。这是典型的、运营商站在自己的利益角度提出的组网功能需求，目的是减少规划、优化、维护的成本，降低运营成本。
另外，LTE在设计过程中，不强制要求网络同步（Network Synchronization），也就是说不用依赖美国的GPS进行同步，这一点非常类似于WCDMA（软同步），有别于对同步要求相当严格的TD-SCDMA系统（硬同步）。
这里需要指出的是，严格地说，任何无线系统都需要同步，否则系统无法正常有序地工作，只不过同步实现的途径不同。
1.2.3 EDGE＋、HSPA＋、LTE标准的比较
LTE标准问世并开始逐渐成熟以后，很多运营商一方面在展望LTE带来的技术竞争力，另一方面却担心在已有无线制式2G/3G上投资浪费的问题。
LTE毕竟是一个“革命性”的技术，在网络架构和无线空中接口上，都有很大的变化。那么人们自然会想，在LTE没有大规模部署之前，是否可以在网络架构和无线空中接口不做根本性变化的前提下，进一步挖掘已建无线网络（如WCDMA/TD-SCDMA，GSM等制式）的潜力，使之在业务速率上更上一层楼，做到物尽其用呢？
其实类似的问题在3G标准出来后也存在过。当时人们在问，WCDMA/TD-SCDMA规模使用之前，能否进一步挖掘GSM的潜力？于是EDGE（GPRS增强版）技术产生了。也就是说，先有WCDMA的R99协议版本，后有GSM的EDGE技术。EDGE技术在不改变已有无线接口的前提上，进一步提升了GSM的业务速率。
多址技术是不同于无线制式的重要区别之一。多址技术的不一样会使无线接口做重大改变。在多址技术方面，LTE主要是OFDMA；WCDMA主要是宽带CDMA（码分多址）。TD-SCDMA主要是SDMA（智能天线空分多址）、TDMA、CDMA、FDMA；GSM则主要是TDMA、FDMA。也就是说，要进一步增强WCDMA、TD-SCDMA、GSM，它们已使用的多址技术不能变，即LTE的OFDMA不能在WCDMA、TD-SCDMA、GSM上使用，否则已有的无线制式的空中接口改变太大及设备射频部分变化太大，将无法做到尽量利用已有投资的目的。
那么，LTE中的其他业务速率增强技术可否用来增强WCDMA、TD-SCDMA和GSM的容量特性呢？
于是人们想在不改变已有的时隙帧结构、信道结构的前提下，把多天线技术、高阶的调制技术用在已有的3G或2G网络，做到后向兼容。于是，出台了HSPA＋、EDGE＋标准。也就是说，先有LTE标准，然后才有HSPA＋、EDGE＋，它们的出现完全是为了尽量保护运营商的已有投资（见图1-6）。图1-6 已有无线制式的功力提升
LTE与HSPA＋、EDGE＋技术特性对比如表1-1所示。在组网架构和多址技术方面，已有无线制式的增强型版本和其派生母体保持一致。表1-1 EDGE＋、HSPA＋、LTE技术特性对比 EDGE＋HSPA＋LTE 与UMTS/HSPA网 与UMTS/HSPA 与GSM/EDGE不同，扁平化的络相同，四层组网相同，四层组网三层网络架构，结架构，软件平滑架构，平滑升级组网架构需要大构升级的变化多址 FDMA、TDMA CDMA OFDMA技术调 支持16QAM和制32QAM调制方 支持64QAM 支持64QAM编式，支持Turbo编码码 固定带宽：带 可变带宽：最 固定带宽：WCDMA、5M/宽大为20 MHz200 kHzTD-SCDMA、1.6 MHz天 FDD智能天线线、终端双天线 MIMO MIMO技接收分集术 50～70 ms（与EDGE相比，时 20～30 ms 10 ms网络时延降低一延半）下行 理论速率为2 峰 42 Mbps 100 MbpsMbps，实测速率值可达1 Mbps速率 终端与兼 终端与GSM、 与2G、3G网络WCDMA/TD-容GPRS、EDGE后不兼容，终端、SCDMA、HSPA性向兼容网络自成一体后向兼容产业链 2011年 2009年 2011年以后成熟期
LTE为三层的扁平化组网架构，但HSPA＋、EDGE＋仍然保持3G、2G制式的四层架构；LTE采用新的多址技术和新的空中接口技术（新的信道结构、时隙帧结构），而HSPA＋、EDGE＋仍然沿用3G、2G制式原有的空中接口技术（旧的信道结构、时隙帧结构）。
高阶调制的信号峰均比更高，对功放功率回退的要求和接收机灵敏度的要求更加严格。由于高阶调制信号需要较多的功率回退，所以采用高阶调制的信号覆盖范围会变小。LTE和HSPA＋可以使用64QAM的高阶调制技术，可选的还有QPSK、16QAM的调制方式；而EDGE＋则只做到32QAM，可选的调制方式还有GMSK、QPSK、8PSK、16QAM。
LTE使用的是可变带宽，而HSPA＋、EDGE＋使用的是固定带宽。在HSPA＋和LTE都使用5 MHz带宽的时候，业务性能是差不多的。LTE和HSPA＋可以使用MIMO技术，EDGE＋使用的是智能天线和接收分集的天线技术。
在时延、峰值速率等性能指标方面，HSPA＋、EDGE＋虽然无法超越LTE，但已经达到了该制式在目前技术条件下的极致水平。
实现HSPA＋、EDGE＋，终端比基站侧做的改动要大。支持HSPA＋的终端一定能够在HSPA、R5网络上使用，支持EDGE＋的终端一定能够在GSM、GPRS/EDGE网络上使用，这就是所谓的后向兼容性问题。但LTE的终端，和以往无线制式都不会兼容，需要等待产业链的进一步成熟。1.3 LTE协议族
一个社会的法律体系就是约束和规范社会各阶层经济生活、政治生活的参考依据。任何单位和个人的行为需要符合法律体系的规范内容。但是，一个想学习法律的人如果从逐篇阅读法律法规文档开始，那一定是一件非常痛苦的事情。
LTE协议族是规范和指导LTE设备研发、LTE组网技术的法律体系。LTE标准研究阶段SI输出的是TR25．xxx系列的文档，沿用了原3G RAN的25系列编号；在LTE标准制定阶段开始后，给LTE规范分配了专门的编号，即TS36．xxx系列（见图1-7）。图1-7 LTE协议族
目前，LTE的TS36．xxx协议已经包含了50多个技术规范，可以分为五大类：射频系列规范（TS36.1xx）、物理层系列规范（TS36.2xx）、高层系列规范（TS36.3xx）、接口系列规范（TS36.4xx）、终端一致性系列规范（TS36.5xx）；后来又补充了两个系列规范（TS36.8xx和TS36.9xx）。表1-2所示为LTE主要的但不是全部的技术规范，在学习LTE时，这是优先查阅的参考文献。本书最后所附的参考文献按顺序给出了常用的LTE协议名称。表1-2 LTE主要技术规范
读者可以从http://www.3gpp.org/ftp/Specs/archive/36_series寻找自己所需的协议。
但是，通过阅读协议来学习LTE是一个相当痛苦的过程，会使很多意志坚强的人望而生畏。所以建议初学者使用通俗的LTE学习材料，掌握其中主要内容，然后需要的时候再通过查阅协议方式去学习技术细节。第2章国王答疑——咀嚼几个无线术语知识要点无线传输技术和多址技术的基础是信道资源的正交性。无线资源有多种形式，如何恰当地使用这些无线资源是各种无线制式都面临的核心问题。无线组网技术是关系网络性能的重要技术。无线传输技术、多址技术、无线资源使用技术、无线组网技术是无线通信技术的基础，LTE也概莫能外。自适应能力是无线制式资源使用优劣的重要衡量标准。从资源的使用范围上来看，无线资源分为共享资源和专用资源；从资源承载的信息性质上来看，可分为业务面和控制面；从获取资源的方式来看，可以分为基于竞争和基于调度；从物理资源的所在位置上来看，可分为集中配置和分布配置。上一章介绍了LTE标准设计目标，本章将介绍实现LTE设计目标的最基本技术问题。接班人奥先生就管理中的难题问计于国王：“工作效率提不高、汇报信息不可靠，怎么办？”国王赞道：“问得好。效率不高的时候，一个人干多个人的活；信息不可靠的时候，多个人干一个人的活！”接班人奥先生说：“不理解！愿闻其详！”国王解释说：“一个人干多个人的活，就是提高一个人的复用度；左手打乒乓球，右手打篮球，这叫空分复用；这一秒钟打乒乓球，下一秒钟打篮球，这叫时分复用。复用提高了一个人的干活效率，但……”接班人奥先生说：“有什么问题吗？”国王说：“这个对人要求太高了。左手打乒乓球，右手打篮球，这就要求左手和右手互不影响；这一秒钟打乒乓球，下一秒钟打篮球，这就要求这一秒钟和下一秒钟互不影响。这就是正交性的要求”（见图2-1）。图2-1 提高工作效率的关键接班人奥先生说：“多个人干一个人的活，如何提高信息汇报的可靠性？”国王说：“多个人就是多条渠道。从多条互不相关的渠道获取信息，综合一看，就能把正确的信息判断出来。”接班人奥先生得到国王莫大的信任和鼓舞，吟道：“今日长缨在手，何时缚住苍龙”。2.1 正交性、相关性
有了好处都想要，有了问题都想躲。怎么办？大家自然会想到：人们的责、权、利统一明确，彼此独立，避免相互交叉。用数学上的术语来表达就是一个人的责、权、利与另外一个人的责、权、利完全正交。
正交，在数学上就是相互垂直的意思；也就是说，相互正交的几个向量，也就是相互垂直的几个向量。
其实，“正交”可以理解为“互不依赖、相互独立，互不相关、没有重叠，相互区别、没有疑似”。甲的发展不依赖于乙的发展，彼此独立；甲的状况和乙的状况毫不相关、没有重叠；甲和乙的特性可以相互区别，没有似是而非的地方。诸如此类的表述，我们都可以认为是正交。
相关性，在数学上则是互不垂直的几个向量，其中一个向量在其他向量上有一定的分量。其实，“相关性”可以理解为“互相依赖、互不独立，互有重叠，相互耦合、你中有我”。甲的发展依赖于乙的发展，彼此促进或阻碍；甲的状况和乙的状况相关、有一定重叠；甲和乙的特性可以有一定重叠，有似是而非的地方。相关性过大，彼此无法区别。二者其实是合二为一，只能算一个。“正交性”有什么好处呢？两个字：简单。把一个复杂的事情分解成相互独立、互不相关、互不依赖的几个因素，便于问题的分析和解决，我们称之为解耦。
编过程序的人都知道，模块化设计的一个重要思想就是保证各模块之间的“正交性”。这样可以将软件设计过程简单化，可重复化；避免你中有我，我中有你，相关性强，这样剪不断、理还乱。
公司的管理也是如此。划分的部门的业务职能之间最好有一定的“正交性”。部门的业务职能的“正交性”太差，或者称“相关性”太大，彼此交叉太多，必然会增加业务管理的复杂性，产生争功诿过的现象，有人积极邀功领奖金，没有人主动担责接受处罚。
在无线通信环境中，相互正交的信道就是互不依赖、互不相关、相互区别的信道，可以通过空间、时间、频率、码等途径实现信道之间的“正交”。
无线空中接口资源是有限的。相互正交的信道可以传送完全不同的信息，在接收端同时接收不同信道的不同信息，重复利用空中接口资源，起到提高空中接口利用效率的作用；无线传播环境是险恶的，相互正交的信道可以传送完全相同的信息，在接收端合并不同信道来的相同信息，去伪存真，起到提高空中接口可靠性的作用。
2.1.1 正交码
对于无线的空口资源来说，空间、频率、时间都是硬资源。空间资源是指天线单元；频率资源是指载波、频点资源；时间的资源是指无线里的每一个时隙。我们说，这些资源都是有限的，不可再生的，属于硬资源。
码资源就不一样了。在理论上，相互正交的码可以在同一个空间、频率、时间资源上，区分出不同的信道来。这样，只要码足够长，同一空间、频率、时间，可以支持无穷多个相互正交的信道。也就是说，码资源是一种软资源。但是码不宜过长，否则计算复杂性增加，对芯片的计算能力要求就苛刻了。
基于CDMA原理的无线制式都采用了码分多址的技术。那么什么样的扩频码是正交呢？
满足下面两个条件的数字序列是相互正交的：（1）自己和自己按位相乘之和大于0；（2）自己和别人按位相乘之和等于0。
如扩频码a＝｛1，-1，1，-1｝、b＝｛1，-1，-1，1｝，a和b按位相乘结果为｛1，1，-1，-1｝，此时各位之和为0；a或者b自己和自己按位相乘之和则大于0。所以a和b是正交的，如图2-2所示。这样相互正交的码可以在同一时隙、频点、空间资源上传送不同的信息，而接收端使用同样的扩频码可以把原始信息正确地解扩后，接收下来。图2-2 正交码
2.1.2 正交子载波
几乎所有的无线制式都采用频分多址的技术。传统的频分多址方式用不相重叠的两个频带及频带之间有一定的保护带宽来区分不同的信息通道。
人类的聪明在于发现了频带有所重叠的载波，也可以区分不同的信道，即引入了正交子载波的概念。那么什么样的子载波是正交的呢？
正弦波和余弦波就是正交的，因为它们满足以下两个条件：（1）正弦波和余弦波的乘积在一个周期T内的积分等于0，即（2）正弦波或余弦波的平方在一个周期T内的积分大于0，即
这样在发送端用一定频率的正弦波调制的无线信号，把要调制的数据（设为a，取值为0或1）作为正弦波的系数。
在接收端如用余弦波解调，得到的数据永远是0，即
而用正弦波解调，就能够把真实的数据a解出来。
同样地，任两个不同的正弦波（频率为ω的整数倍），任意两个0不同的余弦波（频率为ω的整数倍），任一个正弦波和任一个余弦波0都是正交的，即
只要两个子载波是正交的，就可以用它们来携带一定的信息。在接收端，只要分别用同样的子载波进行运算，就可以把相应的数据解出来。
LTE的关键技术之一的OFDM就是正交子载波的频分复用技术。2.2 复用、分集、多址
2.2.1 复用与分集
复用与分集是两种典型的无线传输技术。
复用（Multiplexing）技术，在通信领域，是指在同一个传输路径上传送多路独立的信号。也就是说，不同的信号、共同的通道，如图2-3所示。图2-3 复用
在发送端，将多个独立信号合成为一个多路信号，叫做复用；在接收端，将多路信号分解成各个独立信号的过程，叫做解复用。通信领域里，复用的共同特点是在保证多路收发信息传送质量的同时，提高某一传送通路资源的利用效率。
和复用技术不同的是，在通信领域，分集（Diversity）技术是指多路彼此独立的传输路径上传送同一信号。也就是说，相同的信号、独立的通道，如图2-4所示。图2-4 分集技术
同一信号经过彼此独立的通道发送出去，显然不能提高通道的利用效率，相反，降低了通道的利用效率。那么，这样做的目的只有一个：提高信息传送的可靠性、正确性。
在无线传播环境中，无线信号会碰到各种各样的衰落，影响接收机正确地接收信号。通过分集技术，同一信号在彼此独立的不同路径上传送，经历不同的衰落；在接收端把不同路径来的信号合并起来，可以获得分集增益，提高信号接收的正确性。
在一个通路中传送多路信号的复用技术，多路信号如何相互区分？在多个通路中传送同一信号的分集技术，多个通路如何彼此独立？也就是说，在通信领域，无论是复用技术、还是分集技术，都涉及“正交”的概念。
举例来说，频分复用区别的是频率，复用的是时隙等其他资源，即在同一时隙、同一空间（天线单元）、同一正交码的情况下，将一个载波带宽划分为相互区别的、多个不同频点的子信道，分别传送不同的信号。同样的道理可以理解时分复用、码分复用、空分复用，如表2-1所示。表2-1 复用通路相互区别的信号通路类型可复用的通路资源（正交信道）频分复用时隙、空间、码频率时分复用频率、空间、码时隙码分复用时隙、频率、空间正交码空分复用时隙、频率、码空间
同一信号必须经过相互独立的不同通路，才能起到分集作用。分集技术有很多种，如频率分集、时间分集、空间分集、角度分集、极化分集，如表2-2所示。不管什么类型的分集技术，必须有相互独立的信息通路，保证同一信号经历不同的衰落，以便合并的时候有相互参考、相互补充、相互验证的效果。表2-2 分集技术 实现分集的途径频率分集 不同频点的子载波、扩频 大于一定间隔的时间（大于信道的相干时时间分集间） 相隔数个波长（一般要求10个波长）的天空间分集线单元角度分集 天线波束指向不同 天线极化方向的不同，如水平和垂直极极化分集化、±45°极化
LTE使用多进多出的MIMO技术，可以起到空间复用和空间分集的作用。
2.2.2 复用与多址
经常张冠李戴，搞不清楚谁是谁，怎么办？避免张冠李戴、搞清楚谁是谁，就是所谓的多址技术。把人撒出去，还能认回来。这就需要按照一定规则区别这些人，避免混淆（见图2-5）！图2-5 相互区别的必要性
复用（Division Multiplexing，DM）和多址（Division Multiple Access，DMA）的共同特点是在某一共同资源上传送多个数据流。但“复用”技术并不管多个数据流是用于一个用户，还是几个用户。也就是说，“复用”只是区别不同的数据流，并不区别数据流是哪个用户的。“多址”技术则是不同用户的多个数据流的复用，是要区分不同用户的。
复用技术可以用“XDM”表示，多址技术可以用“XDMA”来表示。其中“X”可以是“T”（Time，时间）、“F”（Frequency，频率）、“S”（Space，空间）、“C”（Code，码）。
以FDM和FDMA为例说明一下复用和多址的区别，如图2-6所示。图2-6 复用和多址
总之，在无线通信里面，复用技术是为了提高无线信道的容量；分集技术是为了提高信息传送的可靠性；而多址技术则是为了把信息传送给正确的人。2.3 自适应
形势变了，可很多人刻舟求剑，静止地看问题。这样的人不是自以为是，就是错误不断。
我们的态度是世易时移，变法宜矣。反对刻舟求剑，鼓励见机行事。也就是说，提高人们的自适应能力，环境、条件变了，对策自然应该变化。
天气变冷了，给孩子多穿一些衣服；天气变热了，给孩子少穿一些衣服。我们通过给孩子增减衣服来适应环境温度的变化。有一天，孩子可以自己根据环境温度的变化来增减衣服了，这叫做孩子具备了自适应（Self-Adaptive）能力（见图2-7）。图2-7 自适应能力
在通信系统里，系统自身能够根据环境、目标、资源供给等条件的变化，调节自己的状态，无须人为参与，称为自适应。这里面有三个关键点：自身、适应、变化。
无线传播环境在随时随地的变化，无线通信资源也在时多时少地波动。这就需要无线通信系统能够在无须人为参与的情况下，适应这种变化，保证无线通信业务的正常进行。
无线链路的自适应是现代无线制式首先要考虑的能力。没有这种自适应能力，用户通信质量将无法切实保证，网络通信资源难以高效利用。
无线链路自适应常通过功率控制或者速率控制来实现。无论是功率控制，还是速率控制，都是一种信道自适应技术。
有的“自适应”是变化的功率、恒定的速率（速率不控制），如WCDMA或TD-SCDMA中的PS64k、PS128k；还有的“自适应”是变化的速率、恒定的功率，如WCDMA或TD-SCDMA中的HSDPA（其业务信道不进行功控）。
还有一种动态信道分配（Dynamic Channel Allocation，DCA）的技术，也属于信道自适应技术，或者叫做资源自适应。
智能天线或者自适应天线，其实也是一种链路自适应的技术，属于空间自适应技术或者波束自适应技术范畴。
以上这些自适应技术，不外乎是空间、时域、码域、频域方面的自适应。在LTE中，一种全新的自适应技术——带宽自适应技术将被应用，我们将在后面的章节中介绍。
2.3.1 功率自适应
功率控制是无线链路自适应的一项重要技术，是发射端根据无线链路的接收电平、接收质量动态地调整发射功率的技术。
功率控制分为开环功控、闭环功控，如图2-8所示。图2-8 链路自适应功率控制
开环功控是终端或基站自己根据无线链路的状况判断功率发射的大小，而不交互升高和降低功率的命令，可称为“我的地盘我做主”的功率控制方式；而闭环功控是终端或基站根据对方升高和降低功率的命令，来决定发射功率的大小，可称为“唯马首是瞻”的工作方式。
2.3.2 速率自适应
速率控制是系统通过调节业务速率的方式，来自适应无线环境的链路自适应技术。速率的变化通常是通过调节数据块大小、编码方式和调制方式来实现的。
3G中语音业务速率控制的技术是AMR（Adaptive MultiRate，自适应多速率）。在GSM中，为了提高系统的无线链路的自适应能力，引入了半速率技术；有的厂家借鉴了3G的AMR技术，在GSM中也实现了AMR技术。
AMR共定义了8种语音业务的数据块大小模式，每一种模式对应一种速率。在无线环境中，由于用户通信位置的变换，链路质量在不断变化。系统根据变化的无线环境，选择一种模式，即一种速率来适应这种变化。在进行语音通话的无线链路中，当功率控制调整到极限仍不能适应无线链路的时候，可以采用AMR的技术，降低业务速率，进而减少质量差的链路对网络资源的无效占用，提高无线网络资源的使用效率。
3G中HSDPA速率控制的技术是AMC（Adaptive Moderation and Coding，自适应调制编码）。其实，在GSM的GPRS/EDGE制式中使用的也是这种速率控制方式。AMC技术是发送端通过改变数据传输的编码和调制方式，进而适应无线链路的变化，如图2-9所示。图2-9 AMC速率控制方式
从2G、3G，甚至到4G，都有速率控制的自适应技术，最基本的速率控制手段不外乎改变调制和编码的方式。
靠近基站的用户，其无线环境良好，接收到的无线信号功率强，链路质量较高，一般采用高阶调制方式（如HSDPA中的16QAM和EDGE中的8PSK）和高效率信道编码（如3/4编码速率），可获得较高的数据业务吞吐率。
远离基站的用户，其无线环境较差，接收到的无线信号功率低，链路质量很低，一般采用低阶调制方式（如QPSK）和低效率的信道编码（如1/4编码速率），可获得的数据业务吞吐率较低。2.4 共享和专用
资源使用效率很低，怎么办？提高资源的使用效率，就应该增加资源的共享性，尽量减少少数人独占资源。
想象一下，你是一家公司的领导，给你分配一间专用的办公室，由你一个人使用，办公条件相当优越，此时你会有一种运筹帷幄之中决胜千里之外的感觉。这时，你个人的用户体验是非常好的。
但是，好景不长，公司发展迅速，领导迅速增多。总经理觉得你一个人独自占用一间办公室，资源有些浪费，决定在这间办公室里再增加两张办公桌，同时考虑到领导经常出差，为了提高座位的利用率，再增加三个领导在这里办公。这时候，一间办公室、三张桌子、四个领导。领导需要共享座位资源。也就是说，地方是大伙的，你走了就是我的。伴随着公司资源利用率的提升，你的个人感觉就会不断下降。
同样大小的办公室，你一个人专用和大家共享，有什么不同呢？
你一个人专用，个人体验非常好，但是办公室的利用效率不高；大家共享，个人体验不好了，但是办公室的利用效率提高了（见图2-10）。图2-10 专用和共享
在GSM、WCDMA、TD-SCDMA制式中，有电路交换域（CS域）和分组交换域（PS域）的区别，如图2-11所示。图2-11 电路交换域和分组交换域
电路交换域在连接建立时核心网要分配专用的网络资源，在释放连接时，释放专用资源；分组交换域的分组交换是以分组（Packet）为单位进行传输和交换的，无须在信息交互的双方建立专用的链接，无须为某一个业务分配专用的资源。电路交换域保证了业务的实时性，但资源利用效率不高；分组交换域提高了资源的共享性，但牺牲了业务的实时性。LTE的核心网将取消CS域，全部采用PS域。
无线制式的物理或者传输信道的设计，也分共享（Shared）信道和专用（Dedicated）信道，如图2-12所示。共享信道（Shared Channel，SCH）可以由多个用户的信息共同占用，而专用信道（Dedicated Channel，DCH）在一定时间内仅由单个用户的信息占用。图2-12 专用信道和共享信道
在3GPP设计的无线制式中，CS业务（包括AMR、VP）和PS业务（PS64k、PS128k、PS384k）的业务承载常采用专用信道的方式，而HSDPA、HSUPA、LTE中的业务承载则采用共享信道的方式。
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]