TD-LTE无线网络规划与设计(txt+pdf+epub+mobi电子书下载)

作者：戴源,朱晨鸣,王强,赵超,王太峰,刘永洲

出版社：人民邮电出版社

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TD-LTE无线网络规划与设计试读：

前言

20世纪90年代，随着GSM等无线网络的广泛普及，移动通信进入了数字时代。在市场和技术的共同驱动下，移动通信网络经历了数字化浪潮之后，又加速向宽带化演进。从移动通信业务的发展趋势来看，用户的需求正从单一的语音业务向语音、数据以及多媒体业务转变，这要求新的移动通信系统数据传输速率更高，传输时延更低。

2009年1月，我国工业和信息化部颁发了WCDMA、cdma2000以及TD-SCDMA 3张3G牌照，我国移动通信正式进入3G时代。其中TD-SCDMA是具有我国自主知识产权的、被国际上广泛接受和认可的无线通信国际标准，它的大规模商用是我国电信发展史上重要的里程碑。

为了满足用户持续提升的业务需求，3GPP推出了新的演进技术—演进分组系统（EPS）：无线接口长期演进（LTE）和系统架构演进（SAE）。LTE系统具有更高的频谱效率、更高的传输速率和更低的时延性能。LTE是现有3G通信系统向4G演进的路线和方向。LTE又分为两个版本：TDD和FDD。TD-LTE是TDD版本的LTE技术，是TD-SCDMA的长期演进方向；FDD-LTE是FDD版本的LTE技术，是cdma2000和WCDMA的长期演进方向。

LTE通常被称为3.9G技术，与4G标准相比，除最大带宽、上行峰值速率两项指标外，其他性能指标都已经达到了4G标准的要求。LTE-Advanced是LTE的后续演进技术，其整体技术设计已经超过了4G的最小需求。2008年6月，3GPP完成了LTE-Advanced的技术需求报告。2010年10月20日，ITU-R第5研究组（国际移动通信工作组，WP5D）在我国重庆的第9次会议上，确定LTE-Advanced和802.16m为新一代移动通信（4G）国际标准。

2011年年初，我国工业和信息化部批准在上海、杭州、南京、广州、深圳、厦门6个城市开展TD-LTE规模技术试验。随着TD-LTE规模技术试验网的建设，未来2～3年，我国移动通信将进入LTE时代。在此背景下，在基础研究领域，需要在广度和深度上加强针对LTE-Advanced的研究；在工程应用领域，需要加强针对TD-LTE网络规划和设计方面的研究，为即将来临的TD-LTE大规模网络建设做好技术储备。

无线网络规划设计是一门理论和实践紧密结合的综合性技术，是一项系统工程。它从无线传播理论研究到天馈设备指标分析，从网络详细规划、网络能力预测到工程详细设计，从网络性能测试到系统参数调整优化，贯穿了整个网络建设的全过程。在国内，公开出版的针对TD-LTE系统结构和空中接口技术方面的图书、文献较多，而针对TD-LTE无线网络规划设计的工程应用类图书、文献则较难见到。

本书作者是江苏省邮电规划设计院从事移动通信网络研究的专业技术人员，长期跟踪研究LTE系统架构、规范与组网方案。本书在编写过程中融入了作者在长期从事移动通信网络规划设计工作中积累的经验和心得，可以使读者更好地理解TD-LTE系统架构和网络规划设计等内容。

本书是一本以TD-LTE无线网络规划和设计为主要内容的书籍。全书首先系统阐述了TD-LTE的网络结构、关键技术、空中接口，接着全面介绍了无线网络规划基础和流程，重点从TD-LTE无线网络规划的准备、无线网络预规划、无线网络详细规划、天馈系统设计、室外覆盖设计、室内分布系统设计、规划设计实务等方面详细介绍了TD-LTE网络规划和设计技术及方法。书中包含了大量图表和实例，使得读者可以更好地理解TD-LTE网络规划设计工作的步骤和过程。

本书对TD-LTE技术的介绍总体概念突出，内容清晰，具有新颖性、专业性和实用性。本书的出版，希望能够为通信业相关人员在TD-LTE领域的技术研究、网络规划和网络建设等方面提供参考。

本书由戴源、朱晨鸣策划和主编，朱晨鸣、王强负责全书的结构和内容的掌握与控制。本书各章节写作分工如下：戴源、朱晨鸣、王强、李新、许华东编写了第1、2、3、4、5章及第8章部分内容；赵超、王园明、夏宇星、丁智、黄磊编写了第6、7章及第8、12章部分内容；王太峰、宗春、邢强强、刘洋、林涛、贾军、王鹏编写了第9、10章；刘永洲、孔繁俊、张磊、胡军、查昊、魏子杰、高梦奎、陈路编写了第11章及第12章部分内容。

本书在编写期间得到了刘圣洁、桂福良、樊恒波、顾晓丽、李巍、周辉等同仁的支持和帮助，在此谨向他们表示衷心的感谢。

书中不当之处，恳请读者批评指正。作者2012年4月于南京

第1章 概述

1.1 移动通信技术发展

通信的发展历史，可以回溯到远古时代。本书所述的通信，仅指借助于电磁信号形式，通过电缆、光缆、无线电波等媒介进行的双方之间的单向或双向远距离信息交换。

19世纪30年代有线电报试验成功，用电磁系统传递信息的电信系统开始迅速发展；1872年贝尔发明电话，将人类社会带入电信时代；1898年，马可尼拍发了第一封收费电报，标志着无线电通信进入实用阶段。虽然“点”与“划”表示的Morse码本质上属于数字信号的形式，但自那以后的近百年中，数字通信发展缓慢，以电话、广播、电视为代表的模拟制的通信形式占据了统治地位。

通过有线信道传输的信号稳定，干扰与失真较小，但是由于通信设备必须连接在固定的线路上，通信形式不够灵活，难以满足某些场合的通信需求。无线通信利用电磁波携载信息，通信双方无需拘泥于固定的地点，是实现个人通信的最佳选择，逐渐成为研究与应用的重点。

移动通信的雏形在20世纪中期已被开发出来了，包括步话机、对讲机等，这些早期的无线通信主要应用于军事或特种领域，仅能在少数特殊人群中使用且携带不便。近几十年来，无线通信技术在民用领域发展迅猛，先后出现了蜂窝移动通信系统、微波通信、卫星通信、固定宽带无线接入、802.x系列无线接入标准、LMDS、MMDS等技术。其中蜂窝移动通信的出现影响了全球数10亿人的生活方式，它的发展先后经历了模拟移动通信、数字移动通信、第三代移动通信系统（3G）以及后3G阶段。1．第一代移动通信系统（1G）

第一代蜂窝移动电话系统是模拟蜂窝移动电话系统，主要特征是用模拟方式传输模拟信号，美国、英国和日本都先后开发了各自的系统。

随着对电磁波研究的深入、大规模集成电路的问世，移动电话首先被制造出来，移动终端设备的研制成功带动了对于网络结构的探索。20世纪70年代初，贝尔实验室提出蜂窝系统覆盖小区的概念和相关的理论后，立即得到迅速的发展，很快进入了实用阶段，移动通信跨入了第一代模拟蜂窝移动电话系统的时代。

1978年年底，美国贝尔试验室研制成功先进移动电话系统（AMPS），建成了蜂窝状移动通信网，大大提高了系统容量。1983年，AMPS首次在芝加哥投入商用，同年12月在华盛顿也开始启用，到1985年3月已扩展到47个地区、约10万移动用户。其他工业化国家也相继开发出蜂窝式公用移动通信网。日本于1979年推出800MHz汽车电话系统（HAMTS），在东京、大阪、神户等地投入商用。英国在1985年开发出全接入通信系统（TACS），首先在伦敦投入使用，以后覆盖了全国，频段为900MHz。法国开发了工作于450MHz的系统，加拿大也推出450MHz移动电话系统（MTS）。瑞典等北欧四国于1980年开发出NMT-450移动通信系统并投入使用，频段为450MHz。2．第二代移动通信系统（2G）

第一代模拟制系统解决了移动通信系统的有无问题，但它们在应用中的各种缺点也不断浮现出来，包括系统间没有公共接口、难以互通，频谱利用率低、系统容量小，安全性差、容易被窃听等。

为克服模拟通信的上述缺点，蜂窝移动通信系统引入了数字技术，并且在20世纪八九十年代得到了长足的发展，称之为第二代移动通信系统。2G系统提供更高的网络容量，改善了话音质量和保密性，并为用户提供无缝的国际漫游。2G的制式主要有GSM、CDMA（IS-95）、D-AMPS等，其中GSM与CDMA系统应用广泛。（1）GSM/GPRS/EDGE

GSM数字移动通信系统源于欧洲。1982年，北欧国家提交了一份建议书，要求制定900MHz频段的公共欧洲电信业务规范。随后欧洲电信标准学会（ETSI）技术委员会成立了“移动特别小组”（Group Special Mobile），简称GSM，主要负责制定有关的标准和建议书。1986年在巴黎，该小组对欧洲各国及各公司经大量研究和实验后所提出的8个建议系统进行了现场实验。1990年该小组完成了GSM900的规范，共产生大约130项的全面建议书，不同建议书经分组而成为一套，共包含12个系列。

1991年欧洲开通了第一个GSM系统，并且GSM更名为“全球移动通信系统”（Global System for Mobile communications），从此移动通信跨入了第二代数字移动通信时代。同年，移动特别小组还完成了制定1800MHz频段的公共欧洲电信业务的规范，名为DCS1800系统。该系统与GSM900具有同样的基本功能特性，因而该规范只占GSM建议的很小一部分，仅将GSM900和DCS1800之间的差别加以描述，绝大部分二者是通用的，两系统均可通称为GSM系统。

在这之后，为了实现对数据业务的支持，GSM体制制定了GPRS与EDGE这两种标准。

GPRS（General Packet Radio Service，通用分组无线业务）由GSM Phase 2.1版本定义，是为适应移动数据接入需求的增长而产生的。由于GPRS支持中低速率的数据传输，常被称作一种2.5G的技术，支持9.05～171.2kbit/s的数据速率接入。

EDGE（Enhanced DataRate for GSM Evolution，增强型数据速率GSM演进）技术介于GPRS与3G之间，也常被称作2.75G的技术。它在GSM系统中采用了多时隙操作和8PSK调制，能够支持300kbit/s的数据速率接入，匹敌CDMA 1x。（2）IS-95/cdma2000 1x

在2G时代，CDMA技术和GSM技术几乎是同时开始发展的。cdma2000标准是一个体系结构，称为cdma2000 family，它包含一系列子标准。由cdmaOne向3G演进的途径为：cdmaOne（IS-95A/B）→cdma2000 1x→cdma2000 1x EV。其中cdma2000 1x属于准3G技术，cdma2000 1x EV之后均属于标准的3G技术。

1993年，高通公司提出了CDMA第一个商用标准，被美国TIA/EIA定为IS-95A（TIA/EIA INTERIM STANDARD/95A）标准。1994年，第一个CDMA商用网络在香港地区（香港和记电讯）开通。1995年，CDMA（IS-95A）在韩国、美国、澳大利亚等国得到大规模应用。

从技术角度来说，IS-95A技术完全是一种第二代移动通信技术，它主要支持语音业务。IS-95A商用几年以后，市场对数据业务的需求逐渐显现。在这种情况下，美国电信工业协会（TIA）制定了IS-95B标准。IS-95B通过将多个低速信道捆绑在一起来提供中高速的数据业务，可提供的理论最大比特速率为115kbit/s，实际只能实现64kbit/s。但是，从技术角度来说，IS-95B并没有引入新技术，所以通常将IS-95B也作为第二代移动通信技术。

cdma2000 1x是由IS-95A/B标准演进而来的，由3GPP2负责具体标准化工作。cdma2000 1x在IS-95的基础上升级空中接口，可在1.25MHz带宽内提供307.2kbit/s高速分组数据速率。cdma2000成为窄带CDMA系统向第三代系统过渡的标准。cdma2000在标准研究的前期，提出了1x和3x的发展策略，但随后的研究表明，1x和1x增强型技术（1x EV）代表了未来发展方向。

cdma2000 1x仅能提供准3G的数据业务，目前发表的版本包括以下两种。

Release 0：1999年10月发布，Release 0的主要特点是沿用基于ANSI-41D的核心网，在无线接入网和核心网增加支持分组业务的网络实体，单载波最高上下行速率可以达到153.6kbit/s。

Release A：2000年7月发布，与Release 0相比没有网络结构上的变化，增加了对业务特征的信令支持，如新的公共信道、QoS协商、增强鉴权、加密、话音业务和分组业务并发业务。Release A单载波最高数据传输速率可以达到307.2kbit/s。3．第三代移动通信系统

第三代移动通信系统（3G）的技术发展和商用进程是近年来全球移动通信产业领域最为关注的热点问题之一。

3G在ITU的正式名称是IMT-2000，其前身为1985年提出的FPLMTS（未来公共陆地移动通信系统）。ITU在1996年年底确定了第三代移动通信系统的基本框架，包括业务需求、工作频带、网络过渡要求和无线传输技术的评估方法等，并将FPLMTS更名为IMT-2000，其用意在于希望在2000年左右商用、最高数据传输速率达2000kbit/s、工作在2000MHz频段。IMT-2000的目标是：

● 全球统一频段、统一标准，全球无缝覆盖；

● 高频谱效率、高服务质量和高保密性能；

● 提供多媒体业务，速率最高到2Mbit/s；

● 车速环境：144kbit/s；

● 步行环境：384kbit/s；

● 室内环境：2Mbit/s；

● 易于从第二代系统过渡和演进。

1999年10月ITU在赫尔辛基举行的会议确定了5种3G方案：

● IMT-2000 CDMA DS（Direct Spread），即欧洲和日本的UTRA FDD（WCDMA）；

● IMT-2000 CDMA MC（Multi-carrier），即美国的cdma2000；

● IMT-2000 CDMA TC（Time-Code），即欧洲的UTRA TDD和中国的TD-SCDMA；

● IMT-2000 TDMA SC（Single Carrier），即美国的UWC-136；

● IMT-2000 FDMA/TDMA FT（Frequency Time），即欧洲的DECT。

经过融合和发展，形成了3种最具代表性的3G技术标准，分别是TD-SCDMA、WCDMA和cdma2000。其中TD-SCDMA属于时分双工（TDD）模式，是由中国提出的3G技术标准；而WCDMA和cdma2000属于频分双工（FDD）模式。

在3G的商用发展过程中，又发展出两大标准化论坛：一个是推广WCDMA和TD-SCDMA标准的3GPP标准化论坛，另外一个是推广cdma2000标准的3GPP2论坛。（1）WCDMA

WCDMA是由3GPP具体制定的，基于GSM MAP核心网，UTRAN（UMTS陆地无线接入网）为无线接口的第三代移动通信系统，先后发布了Release 99（简称R99）、R4、R5、R6、R7等多个版本。

WCDMA采用直接序列扩频码分多址（DS-CDMA）、频分双工方式，码片速率为3.84Mchip/s，载波带宽为5MHz。早期提出的R99/R4版本，在5MHz的带宽内可提供最高384kbit/s的用户数据传输速率。

在R5版本引入了下行链路增强技术，即HSDPA（High Speed Downlink Packet Access，高速下行分组接入）技术，在5MHz的带宽内可提供最高14.4Mbit/s的下行数据传输速率。在R6版本引入了上行链路增强技术，即HSUPA（High Speed Uplink Packet Access，高速上行分组接入）技术，在5MHz的带宽内可提供最高约6Mbit/s的上行数据传输速率。

除了上述标准版本之外，3GPP从2004年即开始了LTE（Long Term Evolution，长期演进）的研究，基于OFDM、MIMO等技术，致力于发展无线接入技术向“高数据速率、低延迟和优化分组数据应用”方向演进。（2）cdma2000

cdma2000 1x提供高速分组数据业务的能力还是有限的。在向着更高的目标迈进的道路上，又出现了cdma2000 1x EV技术。EV代表“Evolution”，有两方面含义，一方面是比原有的技术容量更大而且性能更好，另一方面是和原有技术后向兼容。

韩国、日本是cdma2000 1x EV商用网络的领军者。2002年1月韩国SKT开通全球首个EV-DO商用网，紧随其后的是韩国KTF与日本KDDI。

在技术发展上，cdma2000 1x EV-DO逐步成熟并投入商用，cdma2000 1x EV-DV以及与cdma2000 1x同时提出的cdma2000 3x技术基本被市场所抛弃，大部分cdma2000 1x网络通过升级到EV-DO而跨入3G时代。

EV-DO的演进又可以进一步细分为Rev.0、Rev.A、Rev.B以及Rev.C/D等不同阶段，上/下行最高分别支持1.8/3.1Mbit/s数据传输速率的EV-DO Rev.A网络已广泛部署。（3）TD-SCDMA

TD-SCDMA（Time Division-Synchronization Code Division Multiple Access）的中文含义为时分同步码分多址。从2001年3月开始，TD-SCDMA被正式融入3GPP的Release 4版本。目前TD-SCDMA已有Release 4、Release 5、Release 6等版本。

TD-SCDMA采用不需成对频率的TDD模式以及FDMA/TDMA/CDMA相结合的多址接入方式，使用1.28Mchip/s的低码片速率，扩频带宽为1.6MHz，同时采用了智能天线、联合检测、上行同步、接力切换、动态信道分配等先进技术。基于R4版本，TD-SCDMA可在1.6MHz的带宽内提供最高384kbit/s的用户数据传输速率。

TD-SCDMA在R5版本中引入了HSDPA技术，在1.6MHz带宽上理论峰值数据传输速率可达到2.8Mbit/s。通过多载波捆绑的方式可进一步提高HSDPA系统中单用户峰值数据传输速率。TD-SCDMA上行链路增强（HSUPA）的研究和标准制定工作也在3GPP、CCSA等组织内进行。1.1.2 3G的应用

移动通信由模拟制转换到数字技术（2G系统取代1G系统）时，为用户带来全新的体验和服务，技术上的差异是最主要的吸引力。但向3G过渡的过程中，用户更关心的是运营商究竟能够提供怎样的服务，服务质量如何，是不是能够满足自身的需求。

3G技术的频谱效率是2G的1.5～3倍，再加上频谱带宽的成倍增长，语音与数据传输能力大幅提高。3G的应用可提高用户的工作学习效率和生活质量，但如果不能推出吸引用户的服务，同样不能被用户接受。受制于成本、商业模式、内容、需求等多种因素，3G应用的进程一度并不顺利。

随着因特网和移动通信网之间的相互连接日益紧密，手机功能也逐步从简单的语言工具转变为数据信息终端，移动数据业务成为新的业务增长点。虽然语音业务在相当长的时期内仍是移动通信的主要业务，但随着3G的出现，信息资讯、实时视音频、移动商务等移动多媒体业务得到了快速的发展。3G的核心应用包括以下几个方面。（1）移动宽带接入。为计算机用户提供在3G移动通信网络覆盖范围内任何地点的高速无线上网服务，让用户可以发送和接收带大附件的电子邮件、享受实时互动游戏、收发高分辨率的图片和视频、下载视频和音乐内容。（2）手机宽带上网。进入移动互联网时代，手机宽带上网是一项重要的功能，通过手机收发语音邮件、写博客、聊天、搜索、下载图铃等，让手机变成个人的小电脑。（3）手机办公。利用手机的移动信息化软件，建立手机与电脑互连互通的企业软件应用系统，摆脱时间和场所局限，随时进行随身化的公司管理和沟通。（4）无线搜索。许多电脑用户都将百度、谷歌等搜索引擎设置为浏览器的主页，或者将其快捷方式放在最明显、最便于操作的位置，由此可见搜索服务在人们的生活中扮演着很重要的角色。而从需求方面来讲，手机上网与PC端上网没有明显的区别，手机的移动性反而使得搜索更加便捷。对用户来说，这是比较实用型的移动网络服务，也能让人快速接受。随时随地用手机搜索将会变成更多手机用户一种平常的生活习惯。（5）手机阅读。在丰富的资源和便携性下，越来越多的用户加入到手机电子阅读中，手机阅读成为用户在地铁上和闲暇时光中最为常见的应用之一。手机阅读已经成为移动互联网用户使用频率较高的应用之一，每天阅读一次及以上的用户占比达到45%。（6）视频通话。传统的语音通话资费降低，而视觉冲击力强、快速直接的视频通话会加快普及和发展。（7）手机电视与流媒体。3G流媒体是指以“流”的形式运行的数字媒体，运用可变带宽技术在3G网络中实现欣赏连续的音频和视频节目。移动视频也被认为是未来电信市场的最大热点，CMMB等标准的建立推动了手机电视行业的发展，手机流媒体软件应用也越来越多，在视频影像的流畅和画面质量上不断提升、突破技术“瓶颈”，真正大规模被应用。（8）手机音乐下载。爱音乐、爱生活，直接用手机下载喜欢的音乐是一项深受年轻用户群体喜爱的3G应用。3G网络的速率可以让用户摆脱用电脑传输到手机的麻烦方式，直接用手机下载喜欢的歌曲。在一些无线互联网发展成熟的国家，通过手机上网下载音乐是电脑的50倍。（9）手机购物。和电脑上网购物类似，只不过载体从电脑变成了上网手机，利用手机上网实现网购的过程，属于移动电子商务。事实上，移动电子商务是3G时代手机上网用户的最爱。利用3G网络，用户只要开通手机上网服务，就可以通过手机查询商品信息，并在线支付购买产品。（10）手机网游。与电脑的网游相比，手机网游的体验虽不好，但方便携带、随时可以玩，这种利用了零碎时间的网游是目前年轻人的新宠，也是3G时代的一个重要增长点。3G时代之后，游戏平台会更加稳定和快速，兼容性更高、更具可玩性，让用户在游戏的视觉和效果方面感觉更佳。1.1.3 未来移动通信趋势

从提供基本的移动语音，到短消息、WAP等低速数据业务，再发展到移动宽带所支持的各种高速无线上网、娱乐、计算与移动信息服务，在多种技术融合与发展的基础上，以用户为中心的移动通信系统逐渐浮现。技术的发展与业务的应用相互促进，未来的移动通信呈现出以下特征。1．移动宽带化趋势明显

移动通信领域经过多年的内部自我发展，开始面临外部非电信业技术领域的影响与挑战。802.16/WiMAX的提出，促使整个无线通信领域开始了新一轮的技术发展，加速了蜂窝移动通信技术演进的步伐。正是为了对应WiMAX标准的竞争，3GPP启动了长期演进计划。显而易见，长期演进计划的目标首先是提高蜂窝移动网的宽带接入能力。2．融合成为趋势

纵观全球通信业的发展，融合正在成为不可阻挡的趋势。总体来看，整个产业正处在重大转型期。从运营上来看，全球电信运营商陆续成为同时拥有固网和移动网的全业务运营商；从网络层面来看，多种网络、技术和业务的融合趋势日益明显；从技术上看，信息通信技术正处于更新换代的关键时期，以IPv6技术为代表的下一代互联网呼之欲出，3G演进技术发展迅猛，FMC（固定网与移动网之间的融合）技术的发展使融合成为可能；从通信业务来看，正在由传统的话音业务向宽带数据业务转变，更引人注目的是，互联网向电信网的延伸明显加速。

信息通信业务呈现出宽带化、移动化、IP化和融合化特征，其中移动通信和互联网是发展最快、影响最大的两个领域。这两个领域的融合，催生出蓬勃发展的移动互联网。越来越多的人希望在移动的过程中高速地接入互联网，获取急需的信息，完成想做的事情。所以移动网与互联网融合的趋势是历史的必然。移动互联网已逐渐渗透到人们生活、工作的各个领域，短信、铃图下载、移动音乐、手机游戏、视频应用、手机支付、位置服务等丰富多彩的移动互联网应用迅猛发展，正在深刻改变信息时代的社会生活。3．新技术不断应用

宽带无线接入技术的发展极为迅速，各种微波、无线通信领域的先进手段和方法不断引入，使用频段从2.4GHz开始向上直至38GHz仍在不断扩展。一方面，这些技术充分利用过去未被开发或者应用不是很多的频率资源；另一方面，它们融合了在其他通信领域成功应用的先进技术如64QAM、OFDM等，以实现更大的频谱利用率、更丰富的业务接入能力、更灵活的带宽分配方法。

目前，宽带OFDM技术、软件定义的无线电技术的应用、调制阶数和覆盖面大小可变的自适应技术、高效率频谱成型技术、自适应动态时隙分配技术、自适应信道估值与码间干扰对抗技术、自适应带宽分配及流量分级管理技术、中频与射频集成组装的紧凑型的户外单元技术和高级编码调制与收信检测技术等正成为宽带无线接入技术领域的最新技术亮点。整个移动接入技术领域的发展体现出如下趋势：

应用更高的频段、频率利用效率持续提高；

● OFDM技术兴起；

● 多址方式不断充实；

● 调制方式向多状态化发展；

● 双工方式灵活选择；

● 网络业务数据化、分组化；

● 带宽动态分配；

● 业务接口日趋丰富。

1.2 TD-LTE的发展

3GPP（The 3rd Generation Partnership Project，第三代合作伙伴计划）是一个3G技术规范的制定机构，由欧洲的ETSI、日本的ARIB和TTC、韩国的TTA以及美国的T1在1998年年底发起成立，中国无线通信标准组（CWTS）于1999年加入3GPP。除了300多家独立会员外，3GPP还有TD-SCDMA产业联盟（TDIA）、TD-SCDMA论坛、CDMA发展组织（CDG）等13个市场伙伴。

3GPP成立的宗旨在于研究制定并推广基于演进的GSM核心网络的3G标准，即WCDMA、TD-SCDMA、EDGE等。3GPP受组织合作伙伴委托制定通用的技术规范。其组织机构分为项目合作和技术规范两大职能部门。项目合作组（Project Coordination Group，PCG）是3GPP的最高管理机构，负责全面协调工作；技术规范组（TSG）负责技术规范制定工作，受PCG的管理。3GPP最初建立了4个不同的技术规范组，分别负责UMTS无线接入网、核心网、业务和架构、终端这4个领域技术规范的制定。当GSM/EDGE的标准化工作移交给3GPP之后，2005年重新划分组成了4个TSG：

● 无线接入网（TSG RAN，Radio Access Network）；

● 核心网和终端（TSG CT）；

● 业务和系统架构（TSG SA）；

● GSM/EDGE无线接入网（TSG GERAN）。

每个技术规范组下又分为多个工作组，如图1-1所示。图1-1 3GPP组织架构图

负责3G无线技术标准制定的是TSG RAN。

3GPP最初的工作范围是为第三代移动通信系统指定全球适用的技术规范和技术报告，正式的工作始于1998年年底，技术工作则开始于1999年年初。1999年年底，3GPP发布了第一个包含全系列的WCDMA商用版本规范—Release 99（R99规范）。之后每1～2年3GPP发布一个新版本规范，包括针对WCDMA/TD-SCDMA的R4规范（2001年年初）、R5规范（2002年）、R6规范（2004年）。从R7阶段开始，引入了对LTE技术与标准的研究。LTE的第一个系统规范体现在R8版本中，在R9阶段进行了完善与增强，目前已发展到R10，如图1-2所示。图1-2 3GPP版本的发展2．中国通信标准化协会

中国通信标准化协会（China Communications Standards Association，CCSA）于2002年12月18日在北京正式成立。该协会是经业务主管部门批准，国家社团登记管理机关登记，开展通信技术领域标准化活动的社会团体。

协会的主要任务是为了更好地开展通信标准研究工作，把通信运营企业、制造企业、研究单位、大学等关心标准的企事业单位组织起来，按照公平、公正、公开的原则制定标准，进行标准的协调、把关，把高技术、高水平、高质量的标准推荐给政府，把具有我国自主知识产权的标准推向世界，支撑我国的通信产业，为世界通信作出贡献。

CCSA由会员大会、理事会、技术专家咨询委员会、技术工作委员会（TC）和秘书处组成。11个技术工作委员会主要开展技术标准化工作，主要负责无线通信的是TC5：无线通信技术工作委员会。

TC5下设8个工作组，分别对应不同的研究方向，见表1-1。表1-1 CCSA TC5工作组划分1.2.2 TD-LTE标准进展

为了满足新型业务需求、保持在移动通信领域的技术及标准优势，3GPP规范不断增添新特性来增强自身能力。

在2004年11月的魁北克会议上，3GPP决定启动UTRAN系统的长期演进（Long Term Evolution，LTE）研究项目。世界主要的运营商和设备厂家通过会议、邮件讨论等方式，开始形成对LTE系统的初步需求，确定的工作目标如下：

● 使用5MHz或者更宽频谱分配时，无线网络用户面的时延应低于5ms，而使用更小的频谱分配时，时延应低于10ms；

● 减小控制面时延；

● 灵活的带宽分配，最高可达20MHz，使用的带宽可以更小，包括1.25MHz、2.5MHz、5MHz、10MHz和15MHz；

● 下行链路的峰值数据传输速率可达到100Mbit/s；

● 上行链路的峰值数据传输速率可达到50Mbit/s；

● 频谱利用率是HSDPA/HSUPA的2～3倍；

● 改善位于小区边缘用户的数据速率；

● 可以只支持PS域。

LTE是定位于3G与第四代移动通信系统（4G）之间的一种技术标准，致力于填补这两代标准间存在的巨大技术差异，希望使用已分配给3G的频谱，保持无线频谱资源的优势，同时解决3G中存在的专利过分集中的问题。

LTE标准化工作分为两个阶段：始于2004年年底的研究阶段以及始于2006年年中的工作阶段。2008年年底，LTE的第一个版本R8发布。

与3GPP在3G时代的标准制定上类似，LTE也同时定义了LTE FDD（Frequency Division Duplexing）和LTE TDD（Time Division Duplexing）两种方式。两种方式在标准上具有共同的基础，实现技术基本一致，两种技术信号的生成、编码技术以及调制解调技术完全一样。但是基于TDD方式的TD-LTE有它自己的特性和优点，保持了TDD技术独有的特点和关键技术。

作为LTE的需求，TDD系统的演进与FDD系统的演进是同步进行的。2005年6月法国在3GPP会议上提出了基于OFDM的TDD演进模式的方案，同年11月汉城工作组会议通过了针对TD-SCDMA后续演进的LTE TDD技术提案。到2006年6月，LTE的可行性研究阶段基本结束，规范制定阶段开始启动。在2007年9月，3GPP RAN37次会议上，几家国际运营商联合提出了支持Type2的TDD帧结构，同年11月在济州工作组会议上通过了LTE TDD融合技术提案，基于TD的帧结构在延续已有标准的两种TDD模式基础上进行了统一。在RAN38次全会上融合帧结构方案获得通过，被正式写入3GPP标准中。1.2.3 TD-LTE业务与应用

2G取代1G是由明确的使用需要（安全、统一制式、漫游等）促发的技术革新。而3G、4G以及将来的移动系统，主要是带宽越来越宽、数据传输速率越来越快，当然安全性、稳定性都会有提升。拿这些提升的性能用来干什么？如何发掘出足够的业务，让新一代技术有用武之地？业务应用的发展逐渐成为影响技术进步的重要因素，而技术自身的发展和业务的发展相比，反而是一件相对容易的事情。

目前，3G逐步在全球规模商用，尤其是3G增强型技术HSPA/EV-DO的普及和推广，使得移动多媒体业务和移动互联网得到快速发展。在给用户带来新体验的同时，由于用户对于数据业务需求的爆发，导致网络容量和业务承载的压力日益增大。并且，对于许多高带宽业务，如移动视频类、大容量文件传输和无线上网等业务，随着用户数量的激增，对带宽的占用快速增加，用户业务体验也开始逐步下降。

在3G发展的阶段中，存在手持终端丰富程度不足、功能性不强、网络覆盖不到位的问题，LTE与其类似，在这些方面上仍需要逐步完善。

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于业务和带宽的需求也在发生着变化，呈现出新的趋势。1．个人应用（1）移动互联网

在全球ICT融合的大趋势下，移动网与互联网的融合日重，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，移动办公、移动上网、移动收发邮件将逐渐成为日常工作与生活的一部分。移动网络数据流量以超过100%的速度激增，现有无线网络在承载这些爆发性增长的业务时难堪重负，数据业务急需分流，而TD-LTE无线网络将带给用户更好的体验。（2）生活与娱乐

智能终端的普及带来移动业务的迅速增长。市场调研表明，智能手机用户的业务应用比普通手机多出50%，而这多出的50%就是各种移动应用业务。手机终端处理能力已经超过电脑，iPhone比1969年美国宇航局的阿波罗登月计划中的所有计算机的运算能力加在一起都多。2．行业应用（1）移动视频会议

越来越多的企业都希望能够借助视频会议特别是高清视频会议产品优化沟通形式，提高会议和决策效率并降低运营成本。TD-LTE在系统带宽、网络时延、移动性方面都有了跨越式提高，可帮助移动视频会议使用者获得更佳的远程会议体验。（2）移动商务

利用TD-LTE无线网实现移动互联网接入，在移动终端与互联网终端之间建立连接，让用户实现移动办公、移动供应链等商务活动。（3）视频监控

TD-LTE的高带宽、移动性适合于提供广域范围内的视频监控解决方案。与3G相比，移动摄像前端的视频采集可以达到标清质量，视频质量提升多达16倍，移动客户端可以观看720P/1080P高清质量的视频。3．家庭应用

为用户提供无线宽带、基本语音业务和数据业务接入等多种基本通信服务，并基于TD-LTE平台提供多种增值信息服务。

TD-LTE的业务发展与网络发展一样是一个逐步完善的进程。建设初期，网络终端类型较为受限，主要为USB数据卡和CPE等形态，主要满足无线上网需求。网络发展期阶段，终端类型也由单一的上网卡逐步推广到智能手机、平板电脑、行业终端等，此时将会为用户提供包括高清视频通话、移动视频监控、即摄即传、远程教育、无线视频会议和动态电子商务等多种应用。1.2.4 TD-LTE产业

移动通信的产业链涵盖芯片、网络主设备、终端、测试仪表、配套设备、软件、业务提供商等，这个链条非常长，任何一家企业不可能做到独立支撑起完整的产业。产业的发展需要一个大规模的技术和组织平台，让整个产业链在这样的平台上，完成“端到端”的试验，并使其逐步成熟。

为推动TD-SCDMA技术的产品化、商用化和国际化，TD-SCDMA技术论坛于2000年成立，2009年更名为TD技术论坛，同时承担起了TD-SCDMA的后续演进技术—TD-LTE的产业发展推广重任。十年来，TD技术论坛成了国内、国际厂商以及全球金融、媒体机构了解跟踪中国TD发展状况的主要信息平台，产业界和政府之间的沟通平台，产业链内外企业和机构之间的技术交流与合作平台，向海内外媒体和金融机构宣传TD技术优势和市场前景的宣传平台。

在实验室验证与示范网展示后，需要通过一个相对较大规模的试验网，来全面验证TD-LTE“端到端”设备的成熟性，从而使得TD-LTE技术不断成熟完善，并将同步带动整个产业、包括在国际上的进展和应用。

国内多家通信企业在TD-LTE系统设备上积极投入，包括国外厂商在内共11家企业的主设备通过入网测试验证。通过规模试验网，TD-LTE系统组网能力总体上得到了规模验证，进一步优化完善TD-LTE设备关键性能，促进技术和产品的成熟，促进产业链各环节的研发和产业化进展。另外，取得了TD-LTE规模组网能力、网络质量以及业务应用的基础数据，积累了网络规划和网络优化的经验。

终端芯片作为TD-LTE产业链中关键的一环，其发展进度一直备受业界关注。相比系统设备，TD-LTE终端芯片发展相对滞后，在系统稳定性和产品成熟度方面仍然存在不足，是产业链发展的“瓶颈”。终端芯片的发展影响整个TD-LTE产业链的发展进程，TD-LTE的商用速度也与多模终端的成熟度息息相关。与TD-SCDMA产业发展有所不同，TD-LTE产业在发展初期就重视国外芯片厂商的参与，一些国际芯片巨头也出现在TD-LTE芯片研发测试的行列中。

随着各种具备TD-LTE功能的系统、终端的推出，一条中国主导、全球参与的TD-LTE产业链已初具雏形。在产业化逐步成熟的同时，海外推广将是TD-LTE的发展重点。只有整个产业链形成合力，让TD-LTE走向全世界，才能占得规模经济的优势，在国际上站稳脚跟。

1.3 TD-LTE网络规划与设计特点

与2G/3G系统相比，TD-LTE无论是物理层技术、网络结构、调度算法等都发生了很大的变化，这些变化决定了TD-LTE的网络规划与以往的3G系统有所不同。网络规划的流程与3G系统相似，但TD-LTE在网络需求分析、频率规划、规模估算（包括覆盖和容量估算）、网络仿真和参数规划方面与3G存在较大差异，TD-LTE的技术特点在小区边界用户频率规划、用户和业务模型以及蒙特卡罗仿真上体现较为明显。1.3.1 需求分析

在TD-LTE引入之时，既有的3G/2G网络正在为公众提供成熟的移动服务。与新建一张移动通信网不同，TD-LTE不是对原有网络的替代，在规划时就必须考虑与现有网络的协同关系。在引入初期，TD-LTE的定位首先是解决热点区域的高速、大流量的业务需求；另外，规划TD-LTE的覆盖区域不宜太零散，应保证一定区域范围内连续覆盖，避免用户使用业务时过多的系统间交互。在TD-LTE网络规划时，需考虑以下几点。（1）部署场景

覆盖区域选择应结合室内和室外热点区域，综合考虑确定TD-LTE覆盖区域，优先考虑室外热点区域和室内热点区域重合的区域。（2）新业务引入

高速、高清、高带宽和大容量使TD-LTE可以承载高清视频下载、3D高清游戏等3G时代不可能完成的任务，实时视频传送、集团客户应用等新业务的引入需要在TD-LTE网络规划阶段予以考虑。（3）新KPI要求

TD-LTE无线信号电平覆盖指标常采用参考信号接收功率来表征。除信号电平、信号质量与数据速率外，由于同频组网时小区间的干扰对处于小区边缘的用户影响较大，小区边缘用户速率也成为无线网络规划时重点关注的指标。（4）用户模型

随着移动互联网业务的迅猛发展以及智能终端的普及，宽带业务呈现移动化趋势。LTE网络将承载更多的高带宽业务，单用户数据业务流量比现有2G/3G网络中的单用户数据业务流量会有明显的提升。（5）多模终端

TD-LTE提供高速的数据业务，但发展初期对语音业务的支持考虑不足。多模终端的成熟商用进程会影响到TD-LTE用户（尤其是手持终端用户）的发展，在业务规划中需加以考虑。1.3.2 频率规划

TD-LTE系统是基于OFDM/OFDMA多载波调制技术的系统，而3种主流的3G制式都是基于CDMA的。与CDMA技术通过码字来区分用户、让用户共享载频资源的机制不同，TD-LTE系统通过时间或频率子带来区分用户。TD-LTE系统的频率规划需要考虑到如何合理分配和复用有限的频段，解决小区间的干扰这一主要干扰问题。

协议规定TD-LTE系统可支持1.4MHz、3MHz、5MHz、10MHz、15MHz、20MHz载波带宽的灵活配置。因此，与固定带宽的3G网络频率规划不同，TD-LTE网络频率规划首先要确定系统工作带宽。使用较大的带宽有利于优化OFDM的多用户频选调度性能，因此在频谱资源允许的情况下，首先考虑采用大带宽进行组网部署。

另一方面，TD-LTE可选工作频段较多，在建网初期即可能使用多个分离的频段，部分频段与TD-SCDMA共用，因此在频率规划中需要考虑与TD-SCDMA无线网络的频率协调与干扰问题。

截至2011年3月底，75个国家的196个运营商计划部署LTE网络，包括140个商用网络和56个试验网络。已经部署的LTE FDD商用网络共有18个（位于12个国家），TD-LTE网络共4个。FDD网络主要集中在2.6GHz频段（11个）、700/800MHz（4个），少数运营商使用了1800MHz（3个）。TD-LTE网络主要占用2.6GHz、2.5GHz、2.3GHz。

国内TD-LTE在应用初期，使用2570～2620MHz之间共50MHz的频率。由于需在频谱两端各留出保护带，实际可用频谱仅40MHz。在40MHz带宽下，依据大带宽组网部署的建议，有同频组网及异频组网两种方式。TD-LTE采用OFDM技术，若采用同频组网方案，则系统中的干扰主要来源于小区间干扰。如何解决同频组网下的小区间干扰，是需要在规划中考虑的问题。1.3.3 覆盖规划及链路预算1．频段对覆盖的影响

TD-LTE主要工作在2.3～2.6GHz频段，该频段频率高，电波在空间传输过程中衰减大，穿透能力差，会显著影响TD-LTE的覆盖范围与传输速率。在2G/3G规划中广泛使用的经验传播模型Okumura-Hata与COST231-Hata仅适用于150～2000MHz，在2000MHz以上频段使用时必须通过细致的测试修正才能用于对传播损耗的估计。

室内覆盖也是类似的情况，2.3～2.6GHz经过馈缆的损耗更大，单天线覆盖半径变小。共用原有分布系统的，为满足TD-LTE信号的覆盖要求，部分主干线缆需更换为更粗的馈缆。2．技术差异对覆盖的影响

TD-LTE中业务信道为共享信道，因此要确定小区的有效覆盖范围，首先需要确定小区边缘用户的最低保障速率要求。由于TD-LTE采用时域/频域的两维调度，还需要确定不同速率的业务在小区边缘区域占用的RB数或者SINR要求，才能确定满足既定小区边缘最低保障速率下的小区覆盖半径。

在一定边缘业务速率性能的要求下，业务信道占用的RB资源、子帧数目越多，覆盖距离就越远。3．链路预算中的不同

TD-LTE链路预算流程包括：输入速率需求和系统带宽、确定天线配置、MIMO配置、确定DL/UL公共开销负荷、发送端功率增益和损耗计算、接收端功率增益和损耗计算，最后得到链路总预算。在链路预算方面，需注意以下几点。（1）天线类型对覆盖的影响

对于上行链路来说，基站侧天线数增加，体现为接收分集增益能力的提升；对于下行链路来说，SFBC发射分集时，4、8天线比2天线的增益稍高，但差别不大；采用波束赋形时，8天线比2天线高6dB左右的增益。（2）发送功率对覆盖的影响

基站发射功率增大，覆盖能力增强，但干扰也将逐步增加，在一定功率值附近频谱效率达到平稳。实际设备功率取值会在覆盖能力、频谱效率、设备成本与体积方面进行平衡。不同信道的下行功率可以依据功率配置准则进行功率的配置和调整，这种配置方式会影响到覆盖性能。4．CP配置对覆盖的影响

CP配置与覆盖能力没有直接的关系，但CP配置要覆盖到多径延迟以规避干扰。密集城区多径丰富的环境下，常规CP适用于1.5km以内的覆盖范围，扩展CP适用于5km以内的覆盖范围。5．多天线技术的影响

TD-LTE中采用了多种多天线技术，多天线技术的选用会对覆盖产生直接影响。现有研究结果表明，采用波束赋形后，小区边缘频谱效率比采用发射分集时提升明显。也就是说，在同等条件下，采用波束赋形的覆盖范围大于采用发射分集的覆盖范围。1.3.4 容量规划与规模估算

与TD-SCDMA不同，TD-LTE小区的容量不仅与信道配置和参数配置有关，而且与调度算法、小区间干扰协调算法、多天线技术选取等都有关系。考虑到业务信道均为共享信道，TD-LTE容量估算的方法不能按照TD-SCDMA业务容量估算的方法来进行。TD-LTE容量规划可通过系统仿真和实测统计数据得到各种无线场景下网络和UE各种配置下的小区吞吐量和小区边缘吞吐量。

TD-LTE系统的容量由很多因素决定，包括固定的配置和算法的性能、实际网络整体的信道环境和链路质量等。利用规划软件进行仿真分析可知采用合适站距并接近理想蜂窝结构的规划方案其小区吞吐量比其他方案有明显提升，因此在TD-LTE规划时应比2G/3G系统更加关注网络结构，严格按照站距原则选择站址，避免选择高站及偏离蜂窝结构较大的站点。1.3.5 性能仿真

与3G规划仿真流程相比，TD-LTE网络仿真有一些区别，主要体现在具体的参数配置和功能模块中。这些参数配置和功能模块体现了TD-LTE的技术特点，包括承载参数配置、多天线的应用、ICIC干扰消除功能和无线资源调度。

TD-LTE的技术特点会在小区边界用户频率规划、用户和业务模型以及蒙特卡罗仿真上体现出来。在覆盖预测方面，RS的门限不仅满足RS信号的解调要求，还需结合小区边缘最低保障业务速率来设定。TD-LTE的蒙特卡罗仿真与TD-SCDMA的差异主要体现在TD-LTE支持设备RB相应的调度算法和基于SFR的ICIC等的小区间干扰协调算法。由于要考虑模拟MIMO的性能，TD-LTE系统要同时考虑大尺度衰落和小尺度衰落。1.3.6 参数规划

除前节所述的频率规划外，TD-LTE无线网络参数规划还包括邻区规划与扰码（PCI）规划。

邻区规划与3G无线网邻区规划原则基本相同，综合考虑各小区的覆盖范围及站间距、方位角，依照互易性、邻近原则等进行规划，不同的是需考虑与TD-SCDMA、GSM等异系统间的切换关系，邻区设置更为复杂。

在PCI规划方面，TD-LTE的PCI规划与3G的扰码规划类似，基本原则是在覆盖区交叠的相邻小区不分配互相关性相对较高的码字对。由于PCI码资源充足，LTE的PCI规划较TD-SCDMA的扰码规划相对容易。

第2章 TD-LTE无线通信网

2.1 总体架构

2G移动通信系统提出的目的之一是改进不同制式移动系统间难以互通、无法漫游的不足，在标准化的过程中也奠定了后期移动通信网络的基本架构，网络侧主要包括核心网与无线接入网以及它们之间的标准化接口。这种网络架构为核心网与无线网技术标准的独立演进创造了便利，在3G以及后期的TD-LTE仍一直沿用。

TD-LTE通信网按照功能结构，可划分成演进型陆地无线接入网（Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network，E-UTRAN）、演进的分组核心网（Evolved Packet Core，EPC）和用户设备（User Equipment），其中E-UTRAN负责处理无线通信相关的功能。TD-LTE网络系统架构如图2-1所示。图2-1 TD-LTE网络系统架构

3GPP无线接入网UTRAN由Node B和RNC两层节点构成。而在制定LTE标准时，对控制面与用户面的时延提出了更加严格的要求。为满足这些要求，在考虑LTE技术架构时，为简化网络结构和减小时延，采用了单层无线网络结构，省去了RNC，这是LTE的无线接入网与3G的无线接入网的显著区别。

EPC与E-UTRAN合称演进的分组系统（Evolved Packet System，EPS）。

E-UTRAN由一个或者多个演进型基站（evolved Node B，eNode B）组成，eNode B通过S1接口与EPC连接，eNode B之间则可以通过X2接口互连。S1接口和X2接口为逻辑接口。

2.2 TD-LTE网络结构

eNode B除了具有原来Node B的功能外，还承担了传统的3GPP接入网中RNC的大部分功能，如物理层（包括HARQ）、MAC层（包括ARQ）、无线资源控制和调度、无线准入、无线承载控制、移动性管理和小区间无线资源管理等。

eNode B之间通过X2接口彼此互连，eNode B与CN间通过S1接口连接，而eNode B与UE间通过LTE-Uu互连。

继承了UTRAN接口的定义思路，E-UTRAN接口协议保持了用户平面与控制平面相分离的原则。这样做的好处是各层与各平面在逻辑上彼此独立，能够保持控制平面与用户平面、无线网络与传输网络层技术的独立演进，同时减少LTE接口标准化的工作量。1．水平分层

E-UTRAN划分为无线网络层（Radio Network Layer，RNL）和传输网络层（Transport Network Layer，TNL），如图2-2所示。图2-2 E-UTRAN接口的通用协议模型

E-UTRAN中的逻辑节点及它们之间的接口，定义在无线网络层中。S1和X2接口的传输网络层协议则使用标准传输技术，提供用户平面的传输与信令传输。2．垂直平面

Uu和S1接口的协议结构分为用户面和控制面两个部分，如图2-3所示。图2-3 S1接口和Uu接口用户面（1）用户面

用户面协议完成实际的E-UTRAN无线业务承载的接入，通过接入层传输用户数据。用户面Uu无线接口协议的定义参阅TS 36.2xx和TS 36.3xx系列文档，S1接口协议的定义参阅TS 36.41x系列文档。（2）控制面

控制面协议控制E-UTRAN无线业务的接入（包括业务请求、传输资源控制和切换等），同时提供非接入层消息透明传输的机制，如图2-4所示。控制面Uu无线接口协议的定义参阅TS 36.2xx和TS 36.3xx系列文档，S1接口协议的定义参阅TS 36.41x系列文档。图2-4 S1接口和Uu接口控制面2.2.2 EPC

作为无线接入网未来的演进方向，越来越多的运营商、设备商积极参与并推动LTE的标准化和产业化进程。在此过程中，一些问题也浮出水面。目前众多移动网络都采用2.5G/3G基础设施，如何平滑过渡到LTE已成为需要重点考虑的问题，包括现有网络与新建LTE网络的互通、与其他运营商网络的漫游以及用户在两个网络接入时如何为用户提供一致的业务等需求。因此，伴随着无线接入网的演进研究，3GPP同期开展了分组核心网架构方面的演进工作，并将其定义为EPC。EPC旨在帮助运营商通过采用LTE技术来提供先进的移动宽带服务，以更好地满足用户现在以及未来对宽带及业务质量的需求。

作为LTE eNode B连接到分组网络的核心网络，EPC包含了移动性管理实体（MME）、服务网关（S-GW）、分组数据网络网关（P-GW）、归属签约用户服务器（HSS）及策略和计费功能体（PCRF）。S-GW与P-GW统称SAE-GW。

EPC网络架构如图2-5所示。图2-5 EPC网络架构图2.2.3 TD-LTE网元与主要功能

HSS、MME、SAE-GW是EPC的基本网元，实现了E-UTRAN的直接接入以及与非3GPP网络的互通能力，而S4接口及SGSN则保留了UTRAN和GERAN的接入能力。E-UTRAN与EPC各网元功能划分如图2-6所示。图2-6 E-UTRAN与EPC网元的功能划分1．eNode B

演进型Node B（evolved Node B，eNode B）是LTE中基站的名称。相比现有3G中的Node B，eNode B集成了部分RNC的功能，减少了通信时协议的层次。

eNode B的功能包括：

● 无线资源管理功能（无线承载控制、接纳控制、连接移动性控制、上下行动态资源调度）；

● IP头压缩及用户数据流加密；

● 用户面数据到S-GW的路由；

● UE附着时的MME选择；

● 寻呼信息的调度传输；

● 广播信息的调度传输；

● 设置和提供eNode B的测量等。2．MME

MME（Mobility Management Entity）是LTE接入下的控制面网元，它在EPC核心网中起到类似于传统SGSN的控制面功能。MME负责与用户和会话管理有关的控制平面功能，包括：

● NAS信令处理；

● NAS信令的安全保护；

● AS安全性控制；

● 3GPP内不同节点之间的移动性管理；

● 空闲状态下的UE可达性管理；

● TA List管理；

● PDN GW和Serving GW选择；

● MME和SGSN的选择；

● 漫游控制；

● 安全认证；

● 承载管理。3．S-GW

S-GW（Serving Gateway）是SAE网络用户面接入服务网关，在EPC核心网中起到相当于传统SGSN的用户面功能，包括：

● eNode B之间的切换的本地锚点；

● 3GPP不同接入系统间切换的移动性锚点；

● E-UTRAN空闲模式下数据缓存以及触发网络侧Service Request流程；

● 合法监听；

● 数据包路由和转发；

● 上下行传输层数据包标记；

● 基于用户和承载的计费。4．P-GW

P-GW（PDN GW）是SAE网络的边界网关，提供承载控制、计费、地址分配和非3GPP 接入等功能，相当于传统的GGSN。它的功能包括：

● 用户级数据包过滤；

● 合法监听；

● UE IP地址分配；

● 路由选择和数据转发功能；

● PCRF的选择；

● 对EPS承载的存储和管理，基于PCC进行QoS处理，作为PCC的策略执行点；

● 非3GPP接入；

● 基于业务的计费。5．HSS

HSS（Home Subscriber Server）是SAE网络用户数据管理网元，提供鉴权和签约等功能，包括：

● 用户注册：当用户向网络发起注册时，HSS询问相应的核心网节点，以便验证用户的订阅权限。用户订阅权限验证可以由MSC、SGSN或MME来完成，取决于网络和请求注册的类型；

● 终端位置更新：随着终端改变位置区域，HSS随之进行更新，并记录所知道的最新区域；

● 用户被叫时会话请求：HSS询问并向核心网节点提供所记录的当前用户位置。2.2.4 主要接口

E-UTRAN主要接口包括S1接口和X2接口。1．S1接口（1）S1接口结构

S1接口是EPC和E-UTRAN之间的接口界面。沿袭了承载和控制分离的思想，S1接口也分为用户平面和控制平面，EPC侧的接入点是控制平面的MME或用户平面的SGW。对应地，S1接口包括两部分：控制面的S1-MME接口和用户面的S1-U接口，如图2-7所示。图2-7 S1接口结构

S1是一个逻辑接口，从任何一个eNode B可能有多个S1-MME逻辑接口面向EPC，多个S1-U逻辑接口面向EPC。

S1接口完成以下功能：

● S1接口UE上下文管理功能；

● 无线接入承载管理功能；

● S1接口连接管理功能；

● UE在LTE_Active状态下的移动性管理功能；

● 寻呼功能；

● 漫游和区域限制支持功能；

● S1接口管理功能；

● 协调功能；

● 安全功能；

● 服务和网络接入功能；

● 无线接入网信息管理功能。（2）S1-MME接口

S1-MME接口定义为eNode B和MME功能之间的接口，主要完成S1接口的无线接入承载控制、接口专用的操作维护等功能。图2-8为S1-MME接口的协议栈结构。（3）S1-U接口

S1-U定义为eNode B和SAE网关之间的接口，用于传送用户数据和相应的用户平面控制帧，图2-9为S1-U接口的协议栈结构。图2-8 S1-MME接口协议栈结构图2-9 S1-U接口协议栈结构

EPC和eNode B之间的关系是多到多，即S1接口实现多个EPC网元和多个eNode B网元之间的接口功能。2．X2接口

X2接口定义为各个eNode B之间的接口，主要用于支持激活模式的手机移动，转发分组数据，也可以用于多小区的无线资源管理功能。eNode B之间通过X2接口互相连接，形成了网状网络，这是LTE相对传统移动通信网的重大变化。产生这种变化的原因在于E-UTRAN网络结构中没有了RNC，原有的树型分支结构被扁平化，使得基站承担更多的无线资源管理功能，需要更多的和相邻的基站直接对话，从而保证用户在整个网络中的无缝切换。

与S1接口类似，X2接口也分为用户平面和控制平面，协议栈结构如图2-10所示。图2-10 X2接口协议栈结构

X2接口主要功能如下：

● 连接状态下UE在LTE接入网内的移动性支持；

● 负载管理；

● 小区间干扰协调；

● X2接口综合管理和错误处理功能；

● eNode B间的应用级数据交换；

● 跟踪功能。

2.3 TD-LTE关键技术

OFDM是HPA联盟（HomePlug Powerline Alliance）工业规范的基础，它采用一种不连续的多音调技术，将被称为载波的不同频率中的大量信号合并成单一的信号，从而完成信号传送。由于这种技术具有在杂波干扰下传送信号的能力，因此常常会被利用在容易被外界干扰或者抵抗外界干扰能力较差的传输介质中。

无线信道的频率响应曲线大多是非平坦的，具有比较明显的频率选择性。OFDM技术的主要思想就是在频域内将给定信道分成许多正交子信道，在每个子信道上使用一个子载波进行调制，并且各子载波并行传输，这样使得虽然总的无线信道是非平坦的，但是每个子信道是相对平坦的，在每个子信道上进行的是窄带传输，信号带宽小于信道的相应带宽，因此就可以大大消除信号波形间的干扰。由于在OFDM系统中各个子信道的载波相互正交，于是它们的频谱是相互重叠的，这样不但减小了子载波间的相互干扰，而且提高了频谱利用率。另外，OFDM之所以备受关注，其中一条重要的原因是它可以利用离散傅里叶反变换/离散傅里叶变换（IDFFT/DFFT）代替多载波调制和解调。OFDM收发机框图如图2-11所示。图2-11 OFDM收发机框图

OFDM技术的优点如下。（1）OFDM技术的最大优点是对抗频率选择性衰落或窄带干扰。在单载波系统中，单个衰落或干扰能够导致整个通信链路失败，但是在多载波系统中，仅仅有很小一部分载波会受到干扰。对这些子信道可以采用纠错码来进行纠错。（2）可以有效对抗信号波形间的干扰，适用于多径环境和衰落信道中的高速数据传输。当信道中因为多径传输而出现频率选择性衰落时，只有落在频带凹陷处的子载波以及其携带的信息受影响，其他的子载波未受损害，因此系统总的误码率性能要好得多。（3）通过各个子载波的联合编码，具有很强的抗衰落能力。OFDM技术本身已经利用了信道的频率分集，如果衰落不是特别严重，就没有必要再加时域均衡器。通过将各个信道联合编码，就可以使系统性能得到提高。（4）OFDM技术抗窄带干扰性很强，因为这些干扰仅仅影响到很小一部分的子信道。（5）易于实现。可以选用基于IFFT/FFT的OFDM实现方法。（6）信道利用率很高，这一点在频谱资源有限的无线环境中尤为重要。当子载波数量很多时，系统的频谱利用率趋于2Baud/Hz。

相对于CDMA更高的频谱利用效率，以及更加灵活和精确的带宽分配能力是使OFDM成为LTE系统最终采用的多址技术的关键原因。但OFDM系统相对于单载波系统也存在如下的缺点。（1）对同步误差十分敏感，OFDM子信道的频谱相互混叠，只有保证各个子载波之间保持正交才能解调出每一路数据。但是无线信道具有多径时变特性，在传输过程中出现的无线信号频谱偏移或者发射机与接收机振荡器之间的频率偏差都会破坏子载波间的正交性，引起严重的子信道间干扰。（2）峰值平均功率比（PAPR）较高。OFDM系统的输出是多个子信道信号的叠加，输出信号的包络起伏大，当OFDM系统中的多个信号相位一致时，叠加信号造成的瞬时功率会远远大于信号的平均功率，造成出现较大的峰值平均功率比。这要求发射机的放大器要有很大的线性动态范围，否则就会引起信号畸变，破坏各子信道信号之间的正交性，使系统性能恶化。2.3.2 MIMO

多输入多输出（Multiple Input Multiple Output，MIMO）技术是无线通信领域智能天线技术的重大突破。该技术能在不增加带宽的情况下成倍地提高通信系统的容量和频谱利用率。MIMO技术利用空间中的多径因素，在发送端和接受端采用多天线同时发送信号，可以实现分集增益或复用增益，进而提高小区容量、扩大覆盖范围、提升数据传输速率等性能指标。根据收、发两端天线数量，相对于普通的SISO（Single Input Single Output）系统来说，MIMO还可以包括单输入多输出（Single Input Multiple Output，SIMO）系统和多输入单输出（Multiple Input Single Output，MISO）系统。

在LTE R8标准中下行支持1、2、4天线发射，终端侧2、4天线接收，下行可支持最大4层（Layer）传输。上行只支持终端侧单天线发送，基站侧最多4天线接收。LTE R8的多天线发射模式包括开环（Open loop）MIMO、闭环（Closed loop）MIMO、波束赋形（Beamforming，BF），以及发射分集。1．LTE中的下行MIMO技术

为了满足系统在高速数据传输速率和高系统质量方面的需求，LTE系统的下行MIMO基本天线配置为2×2，即2发射天线2接收天线。可以采用7种传输模式，具体见表2-1。表2-1 LTE R8下行链路的传输模式

下行链路中采用的MIMO技术有：发射分集、空分复用和波束赋形，多用户MIMO和闭环单层预编码都只是空分复用的一种形式或特例。（1）发射分集是空间分集的一种形式。当发射天线的数目比接收天线的数目多，就称之为发射分集。空间分集的主要原理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，从而改善接收信号的信噪比。发射分集的优点是将多天线带来的复杂性置于发射端，接收端只需要使用单天线即可获得分集增益。（2）空分复用（Spatial Division Multiplexing，SDM）的主要原理也是利用空间信道的弱相关性，通过在多个相互独立的空间信道上传递不同的数据流，从而提高数据传输的峰值速率。LTE系统中空分复用技术包括：开环空分复用和闭环空分复用。

开环空分复用主要用在反馈不太可靠的高速移动场景，用户端不需要反馈预编码矩阵指示（PMI）信息，但需要反馈信道秩指示（RI）信息。在RI大于1的时候开启开环空分复用，否则将采用发射分集方案。在LTE中的开环空分复用采用循环延迟分集方案，即通过在不同的天线上发送具有不同相对时延的同一信号来获得分集增益。

闭环空分复用需要用户端反馈PMI和RI，通过PMI和RI来选择预编码矩阵码本来获得分集增益。

闭环单层预编码对应的是RI=1情况下闭环空分复用的一种特例。

多用户MIMO是SDM的另外一种特例，同时支持下行两个用户的同时传输，每个用户限制RI=1。多用户MIMO要求两个UE的预编码向量尽量正交，最小化用户间干扰，这由调度算法实现。下行MU-MIMO是提高LTE系统下行频谱效率的一个重要手段，主要用于高负载区，用于提高平均吞吐量，但无法提高单用户峰值速率。（3）波束赋形是一种利用小间距天线阵列的多天线传输技术，其主要原理是利用空间信道的强相关性，利用波的干涉原理产生强方向性的方向图，从而提高信噪比，增加系统容量或覆盖范围。

下行MIMO以闭环SDM为基础，SDM可以分为多码字SDM和单码字SDM。在多码字SDM中，多个码流可以独立编码，并采用独立的循环冗余码校验（Cyclical Redundancy Check，CRC），码流数量最大可达4个。对每个码流，可以采用独立的链路自适应技术。2．LTE中的上行MIMO技术

在LTE中应用MIMO技术的上行基本天线配置为1×2，即一根发送天线和两根接收天线。考虑到终端实现复杂度的问题，对于上行目前并不支持一个终端同时使用两根天线进行信号发送。在当前阶段，上行仅仅支持上行天线选择和多用户MIMO两种方案。

对于FDD LTE，存在开环和闭环两种天线选择方案。但是，对于TDD模式，可以利用上行与下行信道之间的对称性。这样上行天线选择可以基于下行MIMO信道估计来进行。一般来讲，最优天线选择准则可以分为两种：一是以最大化多天线提供的分集来提高传输质量；另一种是以最大化多天线提供的容量来提高传输效率。

上行多用户MIMO是一个虚拟的MIMO系统，即每一个终端均发送一个数据流，但是两个或者更多的数据流占用相同的时频资源，这样从接收机来看，这些来自不同终端的数据流可以被看做来自同一个终端上不同天线的数据流，从而构成一个虚拟的MIMO系统。虚拟MIMO技术的本质就是利用多天线所提供的多个信号的自由度来复用多个移动台的数据。在LTE系统中，用户之间不能相互通信，所以该方案必须由基站统一调度。

虚拟MIMO系统为空间维度资源的开发提供了可能。为了充分利用空间维度资源分配的自由度，增大系统的多用户分集增益，需要挑选出适当的用户，配对成虚拟MIMO链路。好的配对算法可以最大化虚拟MIMO的信道容量，从而达到提高系统吞吐量的目的。目前已提出了若干相应的配对算法，包括随机配对、正交配对和基于路径损耗和慢衰落排序的配对3种方案。（1）随机配对

所谓随机配对，就是随机挑选出两个用户搭配成一对，其优点是计算复杂度低，缺点是无法合理利用信道矩阵特性，无法得到最大化的信道容量。（2）正交配对

首先通过Round Robin或其他调度算法选择任意用户，然后计算所有其他用户与该用户配对后的正交因子，选择正交因子最大的与该用户完成配对。这种方法可以减少用户之间的配对干扰，但是由于选择正交用户计算量大，所以复杂度太大。（3）基于路径损耗和慢衰落排序的配对

首先将用户路径损耗加慢衰落值的和进行排序，然后对排序后相邻的用户进行配对。这种配对方法简单、复杂度低。在用户移动缓慢、路径损耗和慢衰落变化缓慢的情况下，用户重新配对的频率也会降低。由于配对用户的路径损耗加慢衰落值的值相近，所以也降低了用户产生“远近”效应的可能性。该方案的缺点是：配对用户信道相关性可能较大，配对用户之间的干扰可能会比较大。2.3.3 链路自适应

链路自适应（Link Adaptation，LA）动态的跟踪信道变化，根据信道情况确定当前信道的容量，进而确定传输的信息符号速率、发送功率、编码速率和编码方式、调制的星座图尺寸和调制方式等参数，因此可以最大限度地发送信息，实现更低的误码率，并保持恒定发射功率，以减轻对其他用户的干扰，满足不同业务的需求，提高系统的整体吞吐量。

由于无线信道的不断变化，需要通过调度、自适应调制编码（Adaptive Modulation and Coding，AMC）、功率控制、混合自动请求重传（Hybrid Automatic Repeat Request，HARQ）等技术适应信道的特性，灵活调整系统配置。对于移动通信系统，由于信道和终端位置的不确定性，终端甚至要在多个基站之间进行选择，并和其他终端竞争接入，这就大大增加了移动通信的物理过程的复杂性。要实现新一代无线通信的高速传输的要求以及多种业务的支持能力，必须考虑LA技术。LA技术包括AMC、HARQ、动态功率控制等技术。1．AMC

AMC技术就是根据信道条件的瞬时变化，动态地选择适当的调制和编码方式。AMC扩展了系统自适应信道条件的能力，在LTE FDD中，信道条件应基于从接收机的反馈信息来估计；而在TD-LTE系统中，可根据信道的互易性，直接将上行估计结果用于下行链路。

由于信道条件随时间变化，接收机需收集一系列信道的统计参数，用于提供给发射机和接收机以优化系统参数，如调制编码格式、信号带宽、信号功率、信道估值滤波器以及自动增益控制等。自适应传输方案实施的前提是信道变化不能太快，否则选择的信道参数将很难与信道实际情况相匹配。因此，该技术只适用于多普勒扩展不是很大的情况。

AMC在OFDMA这样一个多载波系统中应用时，还需要考虑这样一个重要的问题：是否需要对一个用户的不同频率资源块采用不同的AMC（RB-dependent AMC）。理论上，由于频率选择性衰落的影响，这样做可以比在所有频率资源上采用相同的AMC配置取得更好的性能。但在实际的评估模型和系统假设下，经过仿真研究，发现这种方法带来的增益并不明显，反而会带来额外的信令开销。因此，TD-LTE最终采用RB-common AMC的方式。也就是说，对于一个用户的一个数据流，在一个TTI（Transmission Time Interval）内，一个层2的PDU只采用一种调制编码格式，当然在MIMO的不同流之间可以采用不同的AMC组合。

需要说明的是，AMC操作和频域调度、功率控制、HARQ、MIMO预编码等技术是密不可分的，它们都是为了适应信道的变化、提高系统容量而采用的自适应技术。它们可以共享一部分反馈信息，例如，AMC和频域调度都可以基于信道质量信息（CQI）反馈来实现。2．HARQ

为了克服无线移动信道时变和多径衰落对信号传输的影响，可以采用基于前向纠错（FEC）和自动重传请求（ARQ）等差错控制方法，来降低系统的误码率以确保服务质量。虽然FEC方案产生的时延较小，但存在的编码冗余却降低了系统吞吐量；ARQ在误码率不大时可以得到理想的吞吐量，但产生的时延较大，不宜于提供实时服务。为了克服两者的缺点，将这两种方法结合就产生了HARQ方案：在一个ARQ系统中包含一个FEC子系统，当FEC的纠错能力可以纠正这些错误时，则不需要使用ARQ；只有当FEC无法正常纠错时，才通过ARQ反馈信道请求重发错误码组。ARQ和FEC的有效结合不仅提供了比单独的FEC系统更高的可靠性，而且提供了比单独的ARQ系统更高的系统吞吐量。

基本的HARQ可以分为3种类型，即HARQ-I型、HARQ-II型和HARQ-III型。（1）HARQ-I型

HARQ-I即为传统HARQ方案，它仅在ARQ的基础上引入了纠错编码，即对发送数据包增加循环冗余校验（CRC）比特并进行FEC编码。接收端对接收的数据进行FEC解码和CRC校验，如果有错，则放弃错误分组的数据，并向发送端反馈NACK信息请求重传与上一帧相同的数据包。一般来说，物理层设有最大重发次数的限制，防止由于信道长期处于恶劣的慢衰落而导致某个用户的数据包不断地重发，从而浪费信道资源。如果达到最大的重传次数时，接收端仍不能正确解码（如LTE系统中设置的最大重传次数为3），则确定该数据包传输错误并丢弃该包，然后通知发送端发送新的数据包。这种HARQ方案对错误数据包采取了简单的丢弃，而没有充分利用错误数据包中存在的有用信息。所以，HARQ-I型的性能主要依赖于FEC的纠错能力。（2）HARQ-II型

HARQ-II也称作完全增量冗余方案。在这种方案下，信息比特经过编码后，将编码后的校验比特按照一定的周期打孔，根据码率兼容原则依次发送给接收端。收端对已传的错误分组并不丢弃，而是与接收到的重传分组组合进行译码；其中重传数据并不是已传数据的简单复制，而是附加了冗余信息。接收端每次都进行组合译码，将之前接收的所有比特组合形成更低码率的码字，从而可以获得更大的编码增益，达到递增冗余的目的。每一次重传的冗余量是不同的，而且重传数据不能单独解码，通常只能与先前传的数据合并后才能被解码。（3）HARQ-III型

HARQ-III型是完全递增冗余重传机制的改进。对于每次发送的数据包采用互补删除方式，各个数据包既可以单独解码，也可以合成一个具有更大冗余信息的编码包进行合并解码。另外，根据重传的冗余版本不同，HARQ-III又可进一步分为两种：一种是只具有一个冗余版本的HARQ-III，各次重传冗余版本均与第一次传输相同，即重传分组的格式和内容与第一次传输的相同，接收端的解码器根据接收到的信噪比（SNR）加权组合这些发送分组的复制，这样，可以获得时间分集增益。另一种是具有多个冗余版本的HARQ-III，各次重传的冗余版本不相同，编码后的冗余比特的删除方式是经过精心设计的，使得删除的码字是互补等效的。所以，合并后的码字能够覆盖FEC编码中的比特位，使解码信息变得更全面，更利于正确解码。

根据重传发生的时刻来区分，可以将HARQ分为同步和异步两类。（1）同步HARQ是指一个HARQ进程的传输（重传）是发生在固定的时刻，由于接收端预先已知传输的发生时刻，因此不需要额外的信令开销来标示HARQ进程的序号，此时的HARQ进程的序号可以从子帧号获得。（2）异步HARQ是指一个HARQ进程的传输可以发生在任何时刻，接收端预先不知道传输发生的时刻，因此HARQ进程的处理序号需要连同数据一起发送。

根据重传时的数据特征是否发生变化又可将HARQ分为非自适应和自适应两种，其中传输的数据特征包括资源块的分配、调制方式、传输块的长度和传输的持续时间。（1）自适应传输是指在每一次重传过程中，发送端可以根据实际的信道状态信息改变部分传输参数，因此，在每次传输的过程中包含传输参数的控制信令信息要一并发送。可改变的传输参数包括调制方式、资源单元的分配和传输的持续时间等。（2）在非自适应系统中，这些传输参数相对于接收端而言都是预先已知的，因此，包含传输参数的控制信令信息在非自适应系统中是不需要被传输的。

在LTE系统中，在下行链路系统中采用异步自适应的HARQ技术。因为相对于同步非自适应HARQ技术而言，异步HARQ更能充分利用信道的状态信息，从而提高系统的吞吐量。另一方面异步HARQ可以避免重传时资源分配发生冲突从而造成性能损失。LTE系统在上行链路采用同步非自适应HARQ技术。虽然异步自适应HARQ技术相比较同步非自适应技术而言，在调度方面的灵活性更高，但是后者所需的信令开销更少。由于上行链路的复杂性，来自其他小区用户的干扰是不确定的，因此基站无法精确估测出各个用户实际的信干比（Signal to Interference Ratio，SIR）值。在自适应调制编码系统中，一方面AMC根据信道的质量情况，选择合适的调制和编码方式，能够提供粗略的数据速率的选择；另一方面HARQ基于信道条件提供精确的编码速率调节，由于SIR值的不准确性导致上行链路对于调制编码模式的选择不够精确，所以更多地依赖HARQ技术来保证系统的性能。因此，上行链路的平均传输次数会高于下行链路。所以，考虑到控制信令的开销问题，在上行链路使用同步非自适应HARQ技术更加合适。2.3.4 小区间干扰控制

LTE采用OFDM的多址技术，使同一个小区内的用户信息承载在相互正交的不同载波上，有效地避免了小区内干扰，但来自其他小区的干扰则不可避免。在小区边缘，由于来自相邻小区占用同样载波资源的用户干扰比较大，加之距离基站较远，造成信干噪比（SINR）相对较小，难以支持多流传输，无法享受到MIMO技术带来的性能提升，同时小区中心可以使用的高价调制在小区边缘也很难使用，造成小区中心和边缘的性能差距越来越大。因此，在LTE中抑制小区间干扰对整个系统性能的提高将起着至关重要的作用。

关于小区干扰控制技术，主要的研究集中在小区间干扰随机化、小区间干扰消除、小区间干扰协调与避免这3种上。干扰随机化继续沿用CDMA系统成熟的加扰技术，比较简单可行，但面对的问题是将干扰视为白噪声处理，可能会造成由于统计特性的不同而带来的测量误差。干扰消除技术可以显著改善小区边缘的系统性能，获得较高的频谱效率，但是对于带宽较小的业务（如VoIP）则不太适用，在OFDMA系统中实现也比较复杂，因此在后期讨论不多。干扰协调与避免技术实现简单，可以应用于各种带宽的业务，并且对于干扰抑制有很好的效果，适合于OFDMA这种特定的接入方式，但是在提高小区边缘用户性能的同时带来了小区整体吞吐量的损失。目前，LTE系统采用504个小区扰码（和504个小区ID绑定）进行干扰随机化作为基本的小区区分手段。2.3.5 多媒体广播多播业务

广播和多播是一种从一个数据源向多个目标传送数据的技术。在传统移动网络中，小区广播业务（Cell Broadcast Service，CBS）允许低比特率数据通过小区共享广播信道向所有用户发送，但越来越多的多媒体业务，如视频点播、电视广播、视频会议、网上教育等，要求多个用户能同时接收相同数据。这些移动多媒体业务与一般的数据相比，具有数据量大、持续时间长、时延敏感等特点，但因为移动网络具有特定的网络结构、功能实体和无线接口，传统的IP组播技术并不适用于移动网络。

为了有效地利用移动网络资源，3GPP在3G标准的R6版本中引入了多媒体广播多播业务（Multimedia Broadcast Multicast Service，MBMS），在移动网络中提供一个数据源向多个用户发送数据的点到多点业务，实现网络资源共享，提高网络资源的利用率，尤其是空中接口资源。

在R6/R7中，MBMS功能是通过在3G系统中增加新的功能实体广播组播业务中心（BM-SC）来提供与管理MBMS业务，并在已有的功能实体上（包括GGSN、SGSN、BSC/RNC和UE）增加对MBMS业务的支持，因此只是对3G系统的一种功能扩展。

在3GPP的R9版本中，对增强型MBMS（eMBMS）进行了标准化，定义了完整的逻辑架构。如图2-12所示，完整的eMBMS架构包括在核心网中定义的MBMS逻辑实体和在接入网中定义的动态管理（MCE）功能实体，以及相关的控制面、用户面接口。eMBMS这种完整、独立的逻辑架构，便于对MBMS各部分功能进行灵活部署，有利于MBMS的资源优化和性能提升。图2-12 eMBMS逻辑架构1．eMBMS的业务承载类型

eMBMS定义了增强广播承载类型，这种承载类型介于广播和组播之间，吸收了广播中流程简单和组播中资源优化的优点。从业务流程上看，增强广播也包括组播中的订阅、加入和离开过程，都需要针对特定的MBMS承载业务实现从UE到BM-SC的注册和注销。不同的是，组播的加入和离开过程需要涉及承载网络层（GTP层），需要将UE信息保存在承载网络的相关节点上（包括RNC、SGSN和GGSN），并使其成为承载网络该业务组播树的一部分。而增强广播的加入和离开过程实现于应用层，承载网络对此是不可感知的。因此，对于承载网络而言，增强广播更接近于广播。

使用MBMS组播承载时，用户通过在单播承载上发送互联网组管理协议/组播侦听发现（IGMP/MLD）加入消息来发起业务，收到该消息的GGSN会向BM-SC请求授权，获得授权后GGSN会发起承载网络层的加入过程，将UE信息加入到承载网络中相关节点对应的组成员关系中。可见，组播的加入/离开过程发起于IP层而实现于承载网络层，因此需要在承载网络层的相关网络节点之间进行复杂的信令交互。

使用eMBMS增强广播承载时，只需要在应用层上通过加入/离开过程就可实现从UE到BM-SC的注册/注销，无需在承载网络层进行信令交互和信息存储。增强广播是对广播的一种优化和扩展，如在接入网，增强广播不会向那些没有接收用户的小区发送数据。2．eMBMS的传输方式

eMBMS在接入网中引入了单频网（SFN）传输方式，即MBSFN传输方式，就是在同一时间以相同频率在多个小区进行同步传输。使用这种传输方式可以节约频率资源，提高频谱利用率。同时，这种多小区同频传输所带来的分集效果可以解决盲区覆盖等问题，增强接收的可靠性，提高覆盖率。3．eMBMS的信道结构

MBMS可以使用两种模式进行业务下发：p-t-p或者p-t-m。一方面，使用p-t-m模式可以让所有定制相同MBMS业务的用户在同一个传输信道FACH（前向接入信道）上接收同一份数据。相对于p-t-p模式而言，这种模式能够很大程度地提高无线信道的使用效率。但是另一方面，使用FACH信道时的发射功率要大于专用传输信道（DCH），当接收该MBMS业务的用户很少时，使用FACH信道会造成功率浪费。因此综合考虑发送功率的限制和无线信道的使用效率等因素，MBMS支持两种模式下发业务，其中使用FACH作为p-t-m模式下的传输信道，使用DCH作为p-t-p模式下的传输信道。

为了提供p-t-m模式，MBMS定义了新的功能实体MAC-m和新的逻辑信道MTCH（多点时间信道）、MCCH（多点控制信道）和MSCH（多点调度信道），分别用于下发MBMS的业务数据、控制信息和调度信息。这些逻辑信道只在p-t-m模式下使用，并且都被映射到传输信道FACH上。

而在eMBMS中只定义了两个逻辑信道来支持p-t-m下发：MCCH和MTCH。这是由于eMBMS中MBMS业务的调度信息和控制信息都能够通过MCCH信道下发，因此不需要再使用专门的MSCH信道。为了实现对MBSFN传输方式的支持，eMBMS定义了新的传输信道MCH（多播信道），这种信道不仅能够实现对整个小区的广播覆盖，还支持在多个小区之间进行MBMS同步传输。当对MBMS业务进行单小区传输时（非MBSFN传输方式），使用下行共享信道DL-SCH；当进行多小区传输（MBSFN传输方式）时，则需要使用MCH来进行同步传输。

总的来说，eMBMS是MBMS在逻辑架构、业务模式、传输方式和信道结构等多个方面全面演进的产物。通过这些演进，eMBMS能够适应更高的业务要求，并具有更强的竞争力。2.3.6 TD-LTE-Advanced技术发展

3GPP于2009年3月发布第一版（Release 8），R8版本为LTE标准的基础版本；于2010年3月发布第二版（Release 9），R9版本为LTE的增强版本，主要增加了支持多流Beamforming、eMBMS、SON、Home eNode B等新功能。而LTE在R10版本后，进入LTE-Advanced阶段。相对于TD-LTE，TD-LTE-Advanced引入了一系列无线通信领域最新的技术研究成果，包括“载波聚合”、“高阶MIMO技术”、“协调多点传输（Coordinated Multipoint Transmission and Reception，CoMP）”和“中继（Relay）”等。1．载波聚合

IMT-Advanced要求支持最大100MHz带宽，以实现下行1Gbit/s、上行500Mbit/s的超高峰值速率，这将主要通过载波聚合来实现。如聚合5个20MHz的载波，这些载波可以是连续的，也可以是离散的，可以在同一频段上，也可以在不同频段上。这使得运营商可以有效利用自己拥有的不同载波，使部署更加灵活。当进行载波聚合时应该根据上下行需求灵活考虑上下行载波带宽，多载波间应进行协调调度和控制。2．高阶MIMO

LTE标准最多支持4×4的MIMO，而在LTE-Advanced中将在下行引入8×8甚至更高阶的MIMO，在上行引入4×4 MIMO，并可能通过改进单用户MIMO和多用户MIMO算法，使用更多码字的多码MIMO等，来实现更高的峰值速率。3．CoMP

在LTE系统中，相邻小区通过传输流量负载指示和过载指示来协调相邻小区之间的干扰水平，可以算作一种简单的CoMP技术。在LTE-Advanced系统中，为了得到更好的小区边缘性能，提升小区的吞吐能力，需要采用更复杂的多点合作技术。

根据基站间是否共享用户的数据信息，可将CoMP分为联合处理（Joint Processing，JP）和协作调度两类。联合处理是通过协调多个基站（称为协作簇）对用户数据进行联合预处理的方式来消除基站间干扰。协作簇内的多个基站不仅需要共享信道信息，还需要共享用户的数据信息，整个协作簇同时为一个或者多个用户服务。协作调度是通过协作对系统资源进行有效的分配，尽可能避免小区边缘用户使用的资源在时频资源上的冲突。在此协作方式下，协作簇内的多个基站间只需要共享信道信息，不需要共享数据信息，每个用户只由一个基站提供服务。

协作簇的选择主要有静态协作、动态协作、半动态协作3种方式。静态协作利用一定的准则来固定地选取几个基站进行协作，最简单易行，但难以适应UE环境和地理位置的动态变化。动态协作根据UE反馈的干扰源信息，由主服务基站动态选择对该UE服务的协作簇，能够最大化地消除干扰，但是实施负责代价较高。半动态协作是在一个预先确定的大协作集中动态地选择参与协作基站，其效果要比静态协作好，代价要比动态协作低，是目前3GPP主要讨论的一种协作簇选择方式。4．Relay

根据现在的频谱分配方案，可以分配给LTE-Advanced的大带宽频谱都在较高频段，但是这些频段路损和穿透损耗都比较大，很难实现良好的覆盖。为了解决这个问题，Relay作为一项关键技术被引入3GPP R10中。Relay技术是在原有站点的基础上，引入Relay节点，Relay节点和基站通过无线连接，下行数据先由基站发送到中继节点，再由中继节点传输至终端用户，上行则反之。根据功能和特点的不同，Relay可分为两类：Type1 Relay和Type2 32 Relay。Type1 Relay具有独立的小区标识，具有资源调度和混合自动重传请求功能，对于遵循3GPP R8标准的终端类似于基站，而对于LTE-Advanced的终端可以具有比基站更强的功能。Type2 Relay不具有独立的小区标识，对R8标准的终端透明，只能发送业务信息而不能发送控制信息。3GPP R10版本主要考虑Type1 Relay。

Relay技术不仅具备扩展网络覆盖的能力，还具备提高网络容量的可能。在Relay节点引入基带信号处理，Relay节点不仅能够放大信号，抵抗移动信道的大尺度衰落，还可以抑制干扰与噪声。

由于Relay不仅能够扩展网络覆盖，也可能提高网络容量，因此Relay技术不仅可以用于网络补盲或农村等偏远地区。在热点地区，也可以利用Relay节点来补偿无线信道大尺度衰落，抑制对干扰和噪声的放大，提升系统容量。另外，由于Relay节点采用无线回传技术，不需要光纤接入，而且对无线传播环境也远不如微波链路那样敏感，因此Relay节点具有部署灵活、快速的特点，也是一种应急通信的理想解决方案。此外，在公共交通中，例如高速铁路，可在车厢部署Relay节点，补偿无线信号穿透损耗，为旅途中的用户提供高速数据接入服务。

2.4 小结

本章介绍了TD-LTE系统的网络架构与关键技术，阐述了新一代移动通信系统的主要技术特征。首先，2.1节概要介绍了TD-LTE系统的总体架构与系统组成；接着，2.2节阐述了E-UTRAN的接口协议栈以及EPC网络架构，在此基础上对系统的主要网元以及S1接口、Uu接口的功能进行了说明。最后，2.3节对OFDM、MIMO、链路自适应、小区间干扰控制等TD-LTE的关键技术进行了介绍，这些技术的应用是TD-LTE系统性能得以提升的源泉。

第3章 空中接口

3.1 TD-LTE物理层概述

LTE系统接入网协议分为3个层次结构，其中物理层为第一层，位于接入网协议的最下层，它负责为上层提供数据传输服务。LTE接入网具体层次结构如图3-1所示。图3-1 LTE接入网具体层次结构

物理层规范定义了物理层采用的基本技术、信号和信道的设计方案、传输信道向物理层信道的映射、信道编码方法以及基本的物理层过程。

3.2 空中接口协议

控制平面协议栈负责完成对无线接口的管理和控制功能，主要包括RRC协议、数据链路层协议以及物理层协议。其中，RRC协议实体位于UE和eNode B网络实体内，负责接入层的控制和管理。数据链路层和物理层提供对RRC协议消息的数据传输功能。2．用户平面协议栈

用户平面协议包括数据链路层和物理层协议。物理层通过传输信道为MAC子层提供相应的服务。MAC子层通过逻辑信道向RLC子层提供相应的服务。3.2.2 协议栈功能划分1．物理层功能

物理层位于无线接口协议栈最底层，其主要功能为数据端设备提供传送数据的通路。物理层为MAC层和高层提供信息传输服务，其中，物理层提供的服务通过传输信道来描述。传输信道描述了物理层为MAC层和高层所传输的数据特征。2．数据链路层

数据链路层是无线接口协议栈中的第二层，位于物理层和网络层之间，由MAC、RLC和PDCP 3个子层构成。数据链路层在物理层提供服务的基础上向网络层提供服务。3.2.3 MAC层协议

MAC子层为上层提供数据传输和无线资源分配服务，MAC子层实现的功能主要有3类：eNode B和UE中MAC实体共有功能，eNode B中MAC实体特有的功能，UE中MAC实体特有的功能。其具体功能如下：（1）逻辑信道到传输信道的映射；（2）复用和解复用；（3）上行调度信息上报；（4）通过HARQ修正传输错误；（5）UE内多逻辑信道间的优先级处理；（6）动态调度UE间的优先级处理；（7）传输格式选择；（8）填充功能。3.2.4 RLC层协议

RLC子层为来自上层的用户数据和控制数据提供传输服务，RLC子层的功能由RLC实体实现，RLC实体配置有3种方式：透明模式、非确认模式和确认模式。其主要功能如下：（1）对确认模式和非确认模式的RLC实体，支持对RLC SDU的串接、分段和重组；（2）对确认模式和非确认模式的RLC实体，支持高层数据的按序递交，重复检测和RLC SDU丢弃功能；（3）对配置确认模式的RLC实体，支持ARQ传输；（4）对配置确认模式的RLC实体，在数据重传时支持RLC data PDU重分段功能；（5）支持RLC重建立功能。3.2.5 PDCP协议

PDCP子层的作用是将网络层的传输技术与E-UTRAN的空中接口处理技术分开，从而使其上的各协议层无需考虑与空中接口相关的问题。PDCP子层向上层提供用户平面和控制平面的数据传输功能。

PDCP子层用于用户平面的功能如下：（1）支持头压缩和加密功能；（2）PDCP子层向上层提供按序提交和重复分组检测功能；（3）在切换过程中，支持对确认RLC模式的逻辑信道的PDCP SDU的重传；（4）业务面数据的传输；（5）上行基于定时器的SDU丢弃机制。

PDCP子层用于控制平面的功能如下：（1）为RRC子层提供信令传输服务；（2）实现对RRC信令的加密/解密和完整性保护功能。3.2.6 无线资源控制协议

无线资源控制（RRC）协议功能分为：系统信息广播、寻呼，RRC连接建立、维护、释放，安全功能密钥管理，无线承载管理，移动性管理，MBMS服务通知，MBMS服务承诺管理，QoS管理，UE测量报告和控制，NAS直传消息传输。

在LTE中，RRC的协议状态从原来UTRAN的5个减少为LTE的2个，即RRC-IDLE和RRC-CONNECTED状态，每个状态下的特征见表3-1。表3-1 RRC状态和行为对照表3.2.7 非接入层控制协议

非接入层控制协议（NAS）完成SAE承载管理；鉴权；AGW和UE间信令加密控制；用户面信令加密控制；移动性管理；LTE_IDLE时的寻呼发起。NAS层主要包括3个协议状态。（1）LTE_DETACHED：网络和UE侧没有RRC实体，此时UE通常处于关机、去附着等状态。（2）LTE_IDLE：对应RRC的IDLE状态，UE和网络侧存储的信息包括：UE的IP地址，与安全相关的参数（密钥等），UE的能力信息，无线承载。此时UE的状态转移由基站或AGW决定。（3）LTE_ACTIVE：对应RRC的连接状态，状态转移由基站或AGW决定。

3.3 帧结构

帧结构是用来约束数据的发送时间参数以保证收发的正确进行。对于TDD系统而言，因为上下行工作于同一频率，所以帧结构需要同时给出上下行占用资源的时间和位置等信息。

在LTE系统中，无线帧长度为10ms。LTE支持两种帧结构—Type 1和Type 2，其中Type 1用于FDD，Type 2用于TDD。

Type 2 TDD物理层帧结构如图3-2所示，10ms的无线帧分为两个半帧，长度各为5ms。每个半帧由5个长度为1ms的子帧组成。其中包括4个普通子帧和1个特殊子帧。普通子帧由2个时隙组成，特殊子帧由3个时隙（UpPTS、GP、DwPTS）组成。图3-2 帧结构

TD-LTE（Type 2）帧结构存在多种时隙比例配置，在5ms周期中，子帧1和子帧6固定配置为特殊子帧；10ms周期中，子帧1固定配置为特殊子帧。每一个特殊子帧由DwPTS、GP和UpPTS 3个特殊时隙组成。3.3.2 时隙

TD-LTE系统支持多种时隙比例配置，具体配置情况见表3-2。表3-2 上下行时隙比例配置表

对于5ms周期的帧结构，即两个半帧时隙比例一致，有以下4种配置。（1）配置0：1DL+DwPTS+3UL。（2）配置1：2DL+DwPTS+2UL。（3）配置2：3DL+DwPTS+1UL。（4）配置6：3DL+2×DwPTS+5UL。

对于10ms周期的帧结构，即两个半帧时隙比例不一致，有以下4种配置。（1）配置3：6DL+DwPTS+3UL。（2）配置4：7DL+DwPTS+2UL。（3）配置5：8DL+DwPTS+1UL。（4）配置7：保留。3.3.3 资源单元

资源单元简称RE（Resource Element），是上下行传输使用的最小资源单位，对于每一个天线端口，一个OFDM或者SC-FDMA符号上的一个子载波对应的一个单元就是一个资源单元。1 RE=1 subcarrier×1 sysmbol period3.3.4 资源块

资源块简称RB（Resource Block），是系统为业务信道分配的资源单元，用于描述物理信道到资源单元的映射，一个RB包含若干个RE，一个RB由12个在频域上的子载波和时域上一个slot周期构成（1 RB=12 subcarriers×1 slot）。

1个RB在频域上对应180kHz：1 RB=12 subcarriers×15kHz。

1个RB在时域上对应1个时隙：1 slot=0.5ms。

3.4 物理信道

LTE物理层定义的物理信道分为上行物理信道和下行物理信道。

下行物理信道主要有：PBCH（物理广播信道）、PDSCH（物理下行共享信道）、PMCH （物理多播信道）、PDCCH（物理下行控制信道）、PCFICH（物理控制格式指示信道）和PHICH （物理HARQ指示信道）；

上行物理信道主要有：PRACH（物理随机接入信道）、PUSCH（物理上行共享信道）和PUCCH（物理上行控制信道）。3.4.1 上行物理信道1．物理随机接入信道（PRACH）

物理随机接入信道（Physical Access Channel，PRACH）用于终端发送随机接入信号（Random Access Preamble），发起随机接入过程。

随机接入信号由CP（Cyclic Prefix）、序列（Sequence）和GT（Guard Time）3个部分组成，其格式如图3-3所示。图3-3 物理随机接入信道

根据适用的场景不同，LTE物理层支持5种随机接入信号格式，不同的格式有不同的时间长度，具体见表3-3。表3-3 物理随机接入信号格式2．上行物理控制信道（PUCCH）

上行物理控制信道（Physical Uplink Control Channel，PUCCH）用于传输上行物理层控制信息，承载“上行调度请求”、“对下行数据的ACK/NACK信息”和“信道状态信息CSI反馈（包括CQI、PMI、RI）”等信息。

PUCCH信道在时频域上占用1个RB-pair物理资源，采用时隙跳频方式，在上行频带两边进行传输，而上行频带中间部分用于上行共享信道（PUSCH）的传输。

根据所承载上行控制信息的不同，LTE物理层支持不同的PUCCH格式，采用不同的发送方法，PUCCH信道格式见表3-4。表3-4 上行物理控制信道格式3．上行物理共享信道（PUSCH）

上行物理共享信道（Physical Uplink Shared Channel，PUSCH），用于传输上行数据的调度信息，承载来自上层不同的传输内容，上行主要包括控制信息、用户业务信息和广播业务信息。

PUSCH的传输支持各种物理层机制，包括自适应的调度、HARQ等。3.4.2 下行物理信道1．下行同步信号（PSS/SSS）

下行同步信号用于物理层小区搜索，实现用户终端对小区的识别和下行同步。

LTE物理层同步信号包括主同步信号（Primary Synchronization Signal，PSS）和辅同步信号（Secondary Synchronization Signal，SSS）。PSS/SSS信号使用的序列与物理层小区ID相关，用于终端对小区的识别。LTE物理层支持504个小区ID。分为168个组（0～167），每个组包含3个小区ID（0～2）。与此相对应，主同步信号PSS序列包含3种可能性，用于指示小区的组内ID；辅同步信号SSS序列包含168种可能性，用于指示小区的组ID。2．物理广播信道（PBCH）

物理广播信道（Physical Broadcast Channel，PBCH）用于广播小区基本的物理层配置信息。PBCH信道传输周期为40ms，在每个10ms的无线帧的第一个子帧上传输，占用4个连续的OFDM符号，在频域上占用下行频带中心1.08MHz的带宽。

LTE系统广播信息分为MIB（Master Information Block）和SIB（System Information Block），其中MIB为系统基本的配置信息，在PBCH固定的物理资源上传输；SIB在DLSCH上调度传输。3．下行物理共享信道（PDSCH）

下行物理共享信道（Physical Downlink Shared Channel，PDSCH），用于下行数据的调度传输，承载来自上层的寻呼信息、广播信息、控制信息和业务数据信息等的不同信息。4．物理控制格式指示信道（PCFICH）

物理控制格式指示信道（Physical Control Format Indicator Channel，PCFICH），指示物理层控制信道的格式。在LTE中，下行物理层控制信道（PDCCH）在每个子帧的前几个OFDM符号上传输。在LTE物理层中，除了一些特殊情况之外，每个子帧的前1～3个符号可能用于PDCCH的传输。5．物理HARQ指示信道（PHICH）

物理HARQ指示信道（Physical HARQ Indicator Channel，PHICH），携带对上行数据传输的HARQ ACK/NACK反馈信息。

PHICH信道传输以PHICH组的形式进行，每个PHICH组内的多个PHICH信道采用正交扩频序列的复用方式。6．下行物理控制信道（PDCCH）

下行物理控制信道（Physical Downlink Control Channel，PDCCH），传输下行物理层控制信令信息，包括上/下行数据传输的调度信息和上行功率控制命令信息。7．物理多播信道（PMCH）

物理多播信道（Physical Multicast Channel，PMCH），传输下行广播/多播业务（MBMS）信息。在该信道上，在多个小区间，可能发送相同内容的信号，并由终端在接收时进行合并。而在小区内，PMCH信道仅支持单天线端口的发送。

3.5 编码与调制

在LTE系统中，上下行物理信道主要采用QPSK、16QAM和64QAM调制方式。

下行物理信道支持BIT/SK、QPSK、16QAM和64QAM调制方式，其中PDSCH（物理下行共享信道）的调制方式为QPSK、16QAM和64QAM。PBCH（物理广播信道）调制方式为QPSK。PMCH（物理多播信道）的调制方式为QPSK、16QAM和64QAM。PHICH（物理HARQ指示信道）的调制方式为BIT/SK。PDCCH（物理下行控制信道）的调制方式为QPSK。PCFICH（物理控制格式指示信道）的调制方式为QPSK。

上行物理信道支持QPSK、16QAM和64QAM（64QAM对于手机是可选功能）。其中PUSCH（物理上行共享信道）的调制方式为QPSK、16QAM和64QAM。PUCCH（物理上行控制信道）调制方式为QPSK。PRACH（物理随机接入信道）调制方式为QPSK。1．四相相移键控（Quadrature Phase Shift Keying，QPSK）

四相相移调制是利用载波的4种不同相位差来表示输入的数字信息，是四进制相移键控。QPSK是M=4时的调制技术，其规定了4种载波相位，分别为0°、90°、180°、270°。调制器输入的数据是二进制数字序列，为了能和四进制的载波相位配合起来，则需要把二进制数据变换为四进制数据，这就是说需要把二进制数字序列中每两个比特分成一组，共有4种组合，即00、01、10、11，其中每一组称为双比特码元。每一个双比特码元是由两位二进制信息比特组成，它们分别代表四进制4个符号中的一个符号。QPSK中每次调制可传输2个信息比特，这些信息比特是通过载波的4种相位来传递的。

QPSK是一种恒包络调制，它的信号的平均功率是恒定的，因此不受幅度衰减的影响，也就是说幅度上的失真不会使QPSK产生误码。2．正交振幅调制（Quadrature Amplitude Modulation，QAM）

QAM是幅度、相位联合调制的技术，它同时利用正交载波对两路信号分别进行双边带抑制载波调幅进行调制。通常有二进制QAM、四进制QAM（16QAM）、八进制QAM（64QAM）等。对应的空间信号矢量端点分布图称为星座图，分别有4、16、64个矢量端点。电平数m和信号状态数M之间的关系是：对于4QAM，当两路信号幅度相等时，其产生、解调、性能及相位矢量均与4PSK相同。

QAM是一种矢量调制，将输入比特先映射（一般采用格雷码）到一个复平面（星座）上，形成复数调制符号，然后将符号的I、Q分量（对应复平面的实部和虚部，也就是水平和垂直方向）采用幅度调制，分别对应调制在相互正交（时域正交）的两个载波（cosωt和sinωt）上。这样与幅度调制（AM）相比，其频谱利用率将提高1倍。QAM是幅度、相位联合调制的技术，它同时利用了载波的幅度和相位来传递信息比特，因此在最小距离相同的条件下可实现更高的频带利用率，QAM最高已达到1024QAM（1024个样点）。样点数目越多，其传输效率越高，例如具有16个样点的16QAM信号，每个样点表示一种矢量状态，16QAM有16种状态，每4位二进制数规定了16种状态中的一态，16QAM中规定了16种载波和相位的组合，16QAM的每个符号和周期传送4bit。3.5.2 物理信道映射1．逻辑信道

一般逻辑信道分为控制信道和业务信道两大类，其中控制信道包含以下5种类型。（1）广播控制信道（Broadcast Control Channel，BCCH）。传输广播系统控制信息的下行信道。（2）寻呼控制信道（Paging Control Channel，PCCH）。传输寻呼信息和系统信息改变通知信息的下行信道。（3）公共控制信道（Common Control Channel，CCCH）。当终端和网络间没有RRC连接时，用于传输终端级别控制信息，包括上行信道和下行信道。（4）多播控制信道（Multicast Control Channel，MCCH）。该信道为点到多点的下行信道，只用于UE接收MBMS业务时的控制信令使用。（5）专用控制信道（Dedicated Control Channel，DCCH）。该信道为点到多点的双向信道，传输终端侧和网络侧存在RRC连接时的专用控制信息。

传输信道主要有专用业务信道和多播业务信道两种类型，具体功能如下。（1）专用业务信道（Dedicated Traffic Channel，DTCH）。传输单个用户的点到点的业务。（2）多播业务信道（Multicast Traffic Channel，MTCH）。该信道为点到多点的下行信道。2．逻辑信道到传输信道的映射关系

LTE上行逻辑信道传输全部映射在上行共享信道上传输；下行逻辑信道的传输中，除PCCH和MBMS逻辑信道有专用的PCH和MCH传输信道外，其他逻辑信道全部映射到下行共享信道上。具体映射关系如图3-4和图3-5所示。图3-4 上行逻辑信道到传输信道的映射关系图3-5 下行逻辑信道到传输信道的映射关系3.5.3 信道编码1．卷积编码

卷积码是1955年由Elias等人提出的。在卷积码的编码过程中，对输入信息比特进行分组编码，每个码组的编码输出比特不仅与该分组的信息比特有关，还与前面时刻的其他分组的信息比特有关。同样，在卷积码的译码过程中，不仅从当前时刻收到的分组中获取译码信息，还要从前后关联的分组中提取相关信息。正是由于在卷积码的编码过程中充分利用了各组的相关性，使得卷积码具有相当好的性能增益。

LTE物理层编码采用限制长度为7的“截尾卷积码”。与普通卷积码方案采用全零的寄存器初始状态不同，在“截尾卷积码”中，6个寄存器的初始状态设置为编码数据块最后6个比特的数值，这样卷积编码的起始和结束将是相同的状态，省去了普通卷积码方案中用于将结束状态归0的尾比特。2．Turbo编码

Turbo码最先是由C. Beηou等人提出的。它是一种并行级联卷积码（Parallel Concatenated Convolutional Codes）。Turbo码编码器是由两个反馈的系统卷积编码器通过一个交织器并行连接而成，编码后的校验位经过截断器（或称删余阵），从而产生不同码率的码字。

LTE物理层Turbo编码方案为由2个并行子编码器和1个内交织器组成的Turbo编码方法。在LTE中的Turbo码的编码器采用了相同的子编码器结构，状态数目为8，交织器采用了QPP（Quadratio Permutation Polynominal，二次置换多项式）。

3.6 用户数据传输

控制平面的PDCU PDU和用户平面的PDCP PDU都有一个SN字段，PDCP子层的发送和接收实体通过设置和检查SN字段来实现PDCP PDU的按序发送和接收。PDCP子层在发送侧和接收侧分别维护一个重排序窗口，重排序窗口大小是SN范围的一半，当SN为0～4095时，即“最大_PDCP_SN”的值为4095时，重排序窗口的大小为2048。

在非切换状态下，RLC子层为PDCP子层提供按序提交和重复包丢弃服务。而在切换状态下，由于终端与两个eNode B同时通信，因此其RLC子层无法保证按序提交和重复包丢弃，从而需要由PDCP子层来完成这些功能。

下面以用户侧的操作说明PDCP子层的发送和接收流程。3.6.1 发送流程

用户侧PDCP PDU的发送流程如图3-6所示。图3-6 用户侧PDCP PDU的发送流程3.6.2 接收流程

PDCP PDU的接收流程根据数据映射到数据无线承载（DRB）还是信令无线承载（SRB），以及使用RLC确认模式还是非确认模式而有所不同。PDCP子层接收侧的加密/解密和一致性检查功能都使用由RX_HFN和PDCP SN组成的32bit COUNT值实现，因此在接收存在乱序的情况下，接收方需要根据接收到的PDCP PDU的SN与接收窗口的关系得到正确的RX_HFN，从而生成正确的COUNT值进行解密和一致性检查。

在数据无线承载上采用RLC确认模式时，由于存在RLC PDU重传，因此需要由PDCP子层保证PDCP SDU的按序提交和重复丢弃，数据无线承载上采用RLC确认模式的数据接收流程如图3-7所示。图3-7 数据无线承载RLC确认模式接收流程图

数据无线承载上采用RLC非确认模式的接收流程如图3-8所示。图3-8 数据无线承载RLC非确认模式接收流程图

信令无线承载上的数据接收流程如图3-9所示。图3-9 信令无线承载接收流程图

3.7 无线资源管理

无线资源管理（Radio Resource Management，RRM）是对移动通信系统中有限的无线资源进行合理分配和有效管理，使系统性能和容量达到最佳状态。

在TD-LTE系统中，主要包括时间、频率、功率等无线资源。无线资源管理以无线资源的分配和调整为基础实现相关功能。其具体功能包括资源分配、接入控制、负荷均衡等几个方面。3.7.1 分组调度管理

为了更加有效地利用和分配资源，在TD-LTE系统中，采用了共享信道机制。系统需要在不同用户之间进行调度。调度可以为用户平面和控制平面的分组数据分配或回收资源，包括缓冲区资源和空中接口的传输资源等。

调度功能包含：物理资源相关选择的决策、资源分配策略、进行必要的资源管理（功率或者被使用的特定资源块）。

调度时需要考虑业务QoS需求、用户无线信道质量、缓冲区状态、用户功率限制和小区中干扰情况等。除上述因素外，还需要考虑为了进行小区间干扰协调等而对资源块或资源块集合分配过程引入的限制或优先级因素。3.7.2 切换

在TD-LTE系统中UE处于连接状态下的移动性相关资源管理操作，分为系统内操作和系统间操作。系统内操作是指UE处于连接状态下移动性处理的切换操作，系统间的操作是指从TD-LTE系统移动到其他RAT或其他RAT移动到TD-LTE系统的操作方式，主要包括切换、CCO（Cell Change Order）和重定向3种操作方式。

在LTE系统内切换控制，分为以下5种方式：

● MME/S-GW不变，基站内切换；

● MME/S-GW不变，基站间切换；

● MME不变，S-GW重定位，基站间切换；

● MME重定位，S-GW不变，基站间切换；

● MME重定位，S-GW重定位，基站间切换。

在LTE系统间切换控制，分为以下两种方式：

● E-UTRAN和UTRAN之间的切换；

● E-UTRAN和GERAN之间的切换。3.7.3 接入控制

由于受到空中接口无线资源以及硬件资源的限制，eNode B需要对请求建立的承载执行接入控制，接入控制的目标是在保证已接入承载的QoS情况下，尽可能多地接入承载，并保证接入承载的QoS，提高系统的容量资源利用率。

接入控制算法应用场景主要包括以下几种。（1）用户开机、空闲状态下发起呼叫或者接收到寻呼消息需要建立RRC连接时，用户向eNode B发送RRC连接建立请求消息，eNode B收到RRC连接建立请求消息后判断是否可以建立RRC连接。（2）核心网节点MME向eNode B发送承载建立请求消息，请求建立新的数据无线承载，在承载建立请求消息中携带了请求接入的承载列表以及每个承载的QoS参数信息，eNode B根据收到的消息判断是否可以接纳消息中携带的承载列表中的承载。（3）核心网节点MME向eNode B发送承载修正请求消息，更新已建立承载的QoS参数信息，如果QoS参数要求提高，例如保证比特速率值增加，则需要eNode B判断是否可以接纳。（4）当一个连接状态的用户切换到其他小区时，目标小区需要对请求切换的用户进行接纳判决。

3.8 物理层过程

在TD-LTE系统中，下行同步信号分为主同步信号（PSS）和辅同步信号（SSS），采用主辅同步信号可以保证终端能够准确并快速检测出主同步信号，并在已知主同步信号的前提下来检测辅同步信号，从而加快小区的搜索速度。

TD-LTE系统中主同步信号采用Zadoff-Chu序列，辅同步信号采用m序列。

主同步序列包括3个Zadoff-Chu序列，序列为长度63的Zadoff-Chu序列截去处于直流载波子载波上的符号所得到的一个长度为62个符号的序列。

辅同步信号由两个长度为31的m序列交叉级联得到的长度为62的序列组成。在一个无线帧内，前半帧中辅同步信号的交叉级联方式与后半帧中辅同步信号的交叉级联方式相反。为了提高不同小区间同步信号的辨识度，辅同步信号使用两组扰码进行加扰。经过两次加扰后的辅同步信号具有更好的相关性，能够保证在正确检测到主同步信号后，更加准确地检测出辅同步信号。2．时间同步

时间同步的基本原理是使用本地同步序列和接收信号进行同步相关，进而获得期望的峰值，根据峰值判断出同步信号的位置。TD-LTE系统中的时域同步检测分为两步：第1步，检测主同步信号，在检测出主同步信号后，根据主同步信号和辅同步信号之间的固定关系，进行第2步的检测，即检测辅同步信号。3．频率同步

为了保证下行信号的正确接收，在小区初搜过程中，完成时间同步后，系统需要进行频率同步，确保收发两端信号频偏一致性。为了实现频率同步，可通过辅同步序列、导频序列、CP等信号进行频偏估计，对频率偏移进行纠正。3.8.2 小区搜索

小区搜索是终端获得时间和频率同步并且检测小区ID的过程。LTE系统中用于小区搜索的信道为广播信道；用于小区搜索的信号主要包括主同步信号、辅同步信号，另外下行参考信号也可以用于一部分小区搜索。终端通过以上信道及信号获得小区ID、小区天线配置情况等小区特定信息。

具体的小区搜索过程如下。（1）从P-SCH获取5ms定时与小区ID。终端采用基本同步序列确定符号同步和识别一个小区ID组中的一个小区ID。（2）从S-SCH获取无线帧定时和小区组ID。终端采用辅同比序列确定第一步中检测到符号同比的小区的无线帧定时和小区组ID索引。

根据检测的小区组ID索引和在本地小区ID组中的小区ID，终端将得到小区ID。

检测S-SCH的同时，CP长度可通过盲检测获得。（3）从下行参考信号获得小区ID的验证（可选）。（4）读取BCH。小区搜索过程如图3-10所示。图3-10 小区搜索过程3.8.3 功率控制1．上行PUSCH功控

PUSCH信道闭环功率调整是基于接收到的探测参考信号（SRS）并进行必要计算得到的。基站收到SRS信号后，物理层开始测量收到的SRS宽带范围内的平均信噪比，并计算其有效信噪比。基站物理层最终把有效信噪比的计算数值报告给MAC层，基站MAC层比较该值和参考PUSCH信道的信噪比门限后，产生PUSCH信道闭环功率修正的TPC比特，并在上行授权或者TPC PUSCH信令中发送。2．上行PUCCH功控

PUCCH信道闭环功率控制调整值是基于接收到的解调参考信号（DMRS）通过算法得到的。基站物理层接收到PUCCH信道的DMRS信号，测量其信号质量计算出有效信噪比，然后报告MAC层。基站MAC层比较PUCCH信道信噪比（SINR）的目标门限后产生PUCCH信道的功率修正TPC比特，用于下行授权或者TPC PUCCH信令中。3．上行Sounding信道的功控

上行Sounding参考信号SRS提供上行信道信息，该信息被利用来作为基站快速链路适应、频率选择性调度和上行虚拟MIMO数据传送SDMA配对的参考。4．下行PDSCH的功控

PDSCH数据信道采用了AMC及HARQ技术，下行功率控制通常基于业务类型会应用于干扰消除技术的场景，有时也可以采用慢速功率控制技术来提高小区边缘数据速率。5．下行PDCCH功控

每个下行控制信道的功率设定是由基站完成的，在一个TTI中，其功率通常是一个定值。大体上说，PDCCH的功率控制是必需的。6．下行PDSCH功率分配

基站决定每个资源块（RB）的下行发射功率。在整个系统下行链路带宽上的每个子帧，除非接收到不同的特定小区的参考信号功率信息，通常UE会假设下行小区特定的参考信号RS EPRE值均为常数。3.8.4 随机接入

随机接入在LTE系统中起着重要的作用，是用户进行初始连接、切换、连接重建立，从空闲模式转换到连接模式时重新恢复上行同步以及UL-SCH资源请求的唯一策略。随机接入过程包括两种。1．基于竞争的随机接入过程

随机接入的整个过程主要包括随机接入参数计算，随机接入Preamble发送，随机接入成功（失败）处理等几个主要部分。随机接入过程的步骤如下。（1）RACH前导信号分配信息包含在S1信息内。（2）根据前导信号产生RACH突发，存在4种突发格式。（3）在PRACH信道发送RACH信息，PRACH每个子帧包含6个资源块。（4）当PRACH发送后随即触发一个时间计数器，计数器超时之前必须收到响应信息。（5）接收到响应信息后可获得必要的参数信息，包含RACH前导信号、时间和频率调整信息、临时C-RNTI和UL-SCH信道资源。（6）RRC连接请求，在分配的资源上发送信息，包含临时C-RNTI和IMSI/TMSI以及可选的初始NAS信息。（7）RRC竞争策略，网络侧进行冲突检测和永久C-RNTI分配。2．基于非竞争的随机接入过程

同步随机接入主要用于UL-SCH信道资源请求、UL同步，接入过程的步骤如下。（1）随机接入前导信号的分配：基站分配6bit的前导信号编码。（2）随机接入前导信号的发送：UE发射所分配的前导信号。（3）随机接入响应：一个响应信息中支持一个或多个UE。3.8.5 物理共享信道相关过程1．下行物理共享信道相关过程

LTE物理层下行共享信道的传输包括“调度信息（PDCCH）”和“数据信息（PDSCH）”两部分。在长度为1ms的子帧结构中，前面的1～3个OFDM符号用于传输下行控制信息，而子帧中剩余的符号用于传输数据信息（PDSCH）。

在下行数据接收的过程中，终端对子帧中PDSCH所承载的调度信息进行检测，如果发现属于自己的调度信息，那么终端将根据该调度信息的指示，解调接收当前子帧中属于自己的PDSCH数据信息。2．上行物理共享信道相关过程

上行共享信道的传输包括“上行调度信息（PDCCH）”和“数据信息（PUSCH）”两个部分。与下行情况不同的是，在下行共享信道的传输过程中，调度信息与对应的数据信息处于同一个子帧内。而在下行的情况中，终端需要根据PDCCH调度信息的指示，进行上行数据的发送，因此二者之间存在一定的时延。3.8.6 物理控制信道过程1．下行控制信道相关过程（1）PDCCH

LTE系统中的PDCCH用来承载下行控制信息，通过下行子帧中的控制区域中的RE传输，控制区域中用于承载PDCCH的最小资源的单位是CCE。

在LTE系统中，为了有效地利用控制区域资源，降低信令开销，采用PDCCH盲检的方法获得下行控制信息。（2）PHICH

对于上行数据传输，基站需要在下行发送ACK/NACK反馈，该信息在PHICH上承载。对于TDD系统，由于不同TDD子帧配置下的上下行子帧数目是不同的，可能会出现多个上行子帧的ACK反馈信息在同一个下行子帧上传输的情况，对于在第n个子帧上的上行数据，其对应的ACK反馈信息是在第n+k个下行子帧上传输的，其中，k的值见表3-5。表3-5 TDD系统下行反馈时序对应关系2．上行控制信道相关过程（1）上行控制信令

PUCCH上传输的上行控制信息（Uplink Control Information，UCI），包含以下几种信息。

①ACK/NACK。

● 物理下行共享信道对应的HARQ ACK/NACK反馈；

● 指示半持续调度资源释放的PDCCH的ACK反馈。

②CQI/PMI/RI：反映当前用户下行信道状态的信道质量信息。

③SR：表示该用户需要下行资源传输上行数据的调度请求。（2）ACK/NACK反馈

在相同物理资源上，ACK/NACK信息在PUCCH上的反馈可以采用码分复用的信道结构，为多个用户同时提供多个相互正交的信道。

TD-LTE系统下行HARQ反馈的特点是：由于上下行子帧的不对称性，用户可能会在一个上行子帧中反馈多个下行子帧对应的ACK/NACK。针对多ACK/NACK反馈的问题，TD-LTE系统配置两种反馈模式，即ACK/NACK合并模式（ACK/NACK Bundling Mode）和ACK/NACK复用模式（ACK/NACK Multiplexing Mode）。（3）调度请求

用户发送调度请求通知基站其需要上行资源传输上行数据，SR采用开关键控（On-Off Key，OOK）的方式在PUCCH上传输，避免了不必要的电能消耗和干扰。和ACK/NACK一样，SR的传输也需要配置相应的上行控制信道资源，但与ACK/NACK不同的是，基站会周期性地为每个用户分配一个该用户专属的传输调度请求可用的上行控制信道资源，这样可以有效地避免资源的竞争，减小调度的延时。实际上，不同的用户通过配置不同的SR周期，可以提高调度的灵活性和半静态资源的利用率，但是仍然可能存在某些用户的SR资源并没有在PUCCH上预留的情况，此时这些用户可以通过发起上行随机接入来完成调度请求。

3.9 小结

本章主要从空中接口角度对TD-LTE系统进行概要介绍。其中，3.1节介绍了TD-LTE物理层的功能和构成；3.2节介绍了TD-LTE空中接口协议，包括控制平面、用户平面、MAC层、RLC层、无线资源控制和非接入层协议；3.3节介绍了TD-LTE的帧结构，包括帧结构、时隙、资源单元和资源块；3.4节介绍了TD-LTE的物理信道，包括上行信道和下行信道；3.5节介绍了TD-LTE编码和调制，包括信号调制、物理信道映射和信道编码；3.6节介绍了用户数据传输流程包括发送流程和接收流程；3.7节介绍了TD-LTE无线资源管理，包括分组调度管理、切换和接入控制；3.8节介绍了TD-LTE物理层过程，包括同步、小区搜索、功率控制、随机接入、物理共享信道相关过程以及物理控制信道过程。

第4章 无线网规划基础

4.1 电波传播

无线电波可通过多种方式从发射端传输到接收端，传播方式具体主要包含以下几种：视距传播、地波传播、对流层散射传播、电离层传播，如图4-1所示。图4-1 无线电波传播方式

视距传播包括直射波和地面反射波，当周围存在障碍物和散射物时，也存在绕射波和散射波。

地波传播由空间波和地表波组成。地表面波沿着地球表面传播，当离发射机很远时，一般只存在地表面波。

对流层散射传播由对流层的湍流不均匀散射进行传播。

对于电离层反射传播，用于短波远距离通信。除了反射，由于折射率不均匀，电离层也可产生电波散射。

蜂窝系统的无线传播是属于视距传播范畴的多径传播。4.1.2 无线信道

无线信道是基站天线与用户天线之间的传播路径。与其他通信信道相比，由于频谱资源受限、传播环境复杂、干扰严重，因此无线信道是一种最为复杂的通信传播信道。

对于无线信道，衡量其性能的主要指标有以下几种。（1）传播损耗：无线信号的损耗主要包含路径损耗、阴影衰落以及多径衰落3种。（2）传播时延：包括传播时延的平均值、传播时延的最大值和传播时延的统计特性等。（3）时延扩展：信号通过不同的路径沿不同的方向到达接收端会引起时延扩展，时延扩展是对信道色散效应的描述。（4）多普勒扩展：由于多普勒频移现象引起的衰落过程的频率扩散，又称时间选择性衰落。（5）干扰：包括干扰的性质以及干扰的强度。4.1.3 传播损耗

由于传播路径和地形的影响，传播信号强度减小，这种信号强度减小的现象称为传播损耗。自由空间的路径损耗为：

其中，f为频率（MHz），d为距离（km）。L与路径d成反比。当pd增加1倍时，自由空间路径损耗增加6dB。同时，当减小波长λ（提高频率f）时，路径损耗增大。可以通过增大辐射和接收天线增益来补偿这些损耗。当已知工作频率时，上式还可以写成：

式中γ称为路径损耗斜率。在实际的蜂窝系统中，根据测量结果显示，γ的取值范围一般在3～5之间。

可以根据自由传播的路径损耗公式，计算平坦但不理想的表面上的两个天线之间的实际传播情况。

平坦地面传播的路径损耗为：

式中γ=4，该式表明增加天线高度一倍，可补偿6dB损耗；而移动台接收功率随距离的4次方变化，即距离增大一倍，接收到的功率减小12dB。

地形地物的种类千差万别，对移动通信电波传输损耗的影响也是错综复杂的。在实际应用中不可能存在绝对的平坦地形。地形一般可分为两类，即“准平滑地形”和“不规则地形”。“准平滑地形”指表面起伏平缓、高度不超过20m的地形。除此以外的其他地形，统称为“不规则地形”，按其状态可分为丘陵地形、孤立山岳、倾斜地形和水陆混合地形等。

在市区及其附近地区分析传输损耗时，可以依据区域的拥挤程度分类，如分成开阔区、密集城区、中等市区、郊区等。

在分析山区或者城市密集城区的传输损耗时，通常还要分析绕射损耗。绕射损耗是对障碍物高度和天线高度的一种测量。障碍物高度必须与传输波长比较，同一障碍物高度对长波长产生的绕射损耗小于短波长。预测路径损耗时，把这些障碍物看做尖形障碍，即“刃形”。

用物理光学中常用的方法可计算其损耗。4.1.4 移动通信信号传播特性1．慢衰落

移动台接收信号的场强中值随着地区位置改变出现较慢的变化，这种变化称为慢衰落，它是由阴影效应引起的，所以也称为阴影衰落。电磁波传播路径上遇到地形起伏、建筑物以及其他障碍物的阻挡，就会产生电磁场的阴影，当移动台通过不同障碍物的阻挡造成电磁场阴影时，就会发生接收场强中值的变化，变化的大小取决于障碍物的状况和工作频率，慢衰落的变化服从对数正态分布。

另外，由于气象条件随时间变化，大气介电常数的垂直梯度发生慢变化，使电波折射系数随之变化，结果造成同一地点的场强中值也随时间发生慢变化。2．快衰落

由于接收机和发射机之间的直达路径常常被建筑物、障碍物阻挡，所以在移动通信中，基站与移动台间的通信通常通过多径来完成。通过多径传输，移动台的信号将由多个信号分量合成而成，多个分量信号合成产生一个干涉波，信号强度根据各分量的相对变化增加或减小。

大量的传播路径的存在产生了多径现象，其合成波的幅度和相位随移动台的运动产生很大的起伏变化，通常把这种现象称为多径衰落或快衰落。3．多普勒频移

当移动体在X轴上以速率v移动时，会引起多普勒频率漂移，多普勒频移可以按下式表示：

其中，v为移动速度，λ表示波长，α表示入射波与移动台移动方向之间的夹角。

由上式可以看出，多普勒频移与移动台的运动方向、速率及无线电波入射角有关。若移动台向入射波方向移动，则多普勒频移为正，接收信号的频率增加；反之，则多普勒频移为负，接收信号频率减小。信号经过多径传输，其多径分量造成接收机信号的多普勒扩展，增加了信号的带宽。

4.2 无线传播模型

传播模型是移动通信小区规划的基础。传播模型的准确与否关系到小区规划是否合理，多数模型是预测无线电波传播路径上路径损耗的。所以传播环境对无线传播模型的建立起关键作用。

无线传播模型还受到系统工作频率和移动台运动状况的影响，在相同地区，工作频率不同，接收信号衰落状况各异。静止的移动台与高速运动的移动台的传播环境也大不相同。一般分为室外传播模型和室内传播模型。常用的模型见表4-1。表4-1 几种常见的传播模型

4.3 天馈线

移动通信的天线通常是无源器件，按照辐射方向划分，天线分为全向天线和定向天线；按外形结构分，有鞭状天线、平板天线和帽形天线等；按极化方式分，有垂直极化天线（也叫单极化天线）和交叉极化天线（也叫双极化天线）。2．天线的工作原理

根据麦克斯韦方程，当导线载有交变电流时，就可以产生电磁波辐射，辐射能力与导线长短和形状有关。

如图4-2（a）所示，当两根导线距离很近时，理想导线上产生的感应电动势相互抵消，辐射到两根导线之外的能量很小；如图4-2（b）所示，当两根导线张开一定角度后，由于两根导线的电流方向相同，产生的感应电动势方向相同，向外辐射的能量较大；如图4-2（c）所示，当张开导线的长度与波长可比拟时，导线上的电流大大增加，因而就能图4-2 天线辐射原理够形成较强的辐射。通常将上述能产生显著辐射的直导线称为振子，两臂长度均为1/4波长的振子叫做对称半波振子。

对称半波振子是移动通信天线中的基本单元，实际的天线是由多个振子组成的。4.3.2 天线的重要技术特性1．天线增益

天线通常是一种无源器件，其本身没有增加所辐射信号的能量，它只是通过天线振子的组合并改变其馈电方式把能量集中到每一个方向。

增益是天线的重要指标之一，它表示天线在每一个方向能量集中的能力（相对于特定天线）。表示天线增益的单位通常有dBi和dBd两个。2．方向图

辐射强度与辐射方向有关，这种关系以相对刻度绘制出来就是天线的方向图（或称作辐射图）。方向图的绘制有3种相对刻度：

● 线性（功率方向图）；

● 平方根（场强方向图）；

● 分贝。

分贝刻度较为常用，因为它能更方便地表示出旁瓣电平值。

天线方向图是空间立体图形，但是通常应用的是两个互相垂直的主平面的方向图，称为平面方向图。在线性天线中，由于地面影响较大，都采用垂直和水平面作为主平面。在平面型天线中，则采用E平面和H平面作为两个主平面。3．极化方式

极化是描述电磁波场强矢量空间指向的一个辐射特性，当没有特别地说明时，通常以电场矢量的空间指向作为电磁波的极化方向。

电场矢量在空间的取向在任何时刻都保持不变的电磁波叫线性极化波。有时以地面波参考，将电场矢量方向与地面平行的波叫水平极化波；与地面垂直的波叫垂直极化波。电场矢量在空间的取向有时并不固定，电场矢量端点描绘的轨迹是圆，称圆极化波；若轨迹是椭圆，称之为椭圆极化波。椭圆极化波和圆极化波都有旋相性。

不同频段的电磁波适合采用不同的极化方式进行传播，移动通信系统采用垂直极化方式，而广播系统通常采用水平极化方式，椭圆极化方式通常用于卫星通信。4．下倾

天线的下倾方式通常有机械下倾、电子下倾两种方式。机械下倾是通过调节天线支架将天线压低到相应位置来设置下倾角的，而电子下倾是通过改变天线振子的相位来控制下倾角的。在实际工程中，在采用电子下倾角的同时也结合机械下倾一起控制天线的倾角。

电子下倾天线一般倾角固定，即我们通常所说的预置下倾。最新的技术是倾角可调的电子下倾角，为区分前面的电子下倾天线，这种天线我们通常称为电调天线。4.3.3 天线选型

在移动通信网络中，天线的选择是一个很重要的部分，应根据网络的覆盖要求、话务量、干扰和网络服务质量等实际情况来选择天线。天线选择得当，可以增大覆盖面积，减少干扰，改善服务质量。由于天线的选型是与覆盖要求紧密相关的，根据地形或话务量的分布可以把天线使用的环境分为城区、郊区、农村和公路4种类型。4.3.4 天线下倾角设计与覆盖区规划

在设计天线倾角时必须考虑的因素有天线的高度、方位角、增益、垂直半功率角以及期望小区覆盖的范围。

对于分布在市区的基站，当天线无倾角或倾角很小时，各小区的服务范围取决于天线的高度、方位角、增益和发射功率以及地形地物等，此时覆盖半径可以根据常用的传播模型公式计算，当天线倾角较大时，因一般传播模型公式中没有考虑倾角，无法计算出覆盖的半径。此时可以根据天线垂直半功率角和倾角大小按三角几何公式直接估算，方法如下。

图4-3中，当天线倾角为0时，天线波束主瓣即主要能量沿水平方向辐射；当天线下倾α时，主瓣方向的延长线最终必将与地面的一点（A点）相交。由于天线在垂直方向有一定的波束宽度，因此在A点往B点方向，仍会有较强的能量辐射。根据天线技术性能，在半功率角β内，天线增益下降缓慢；超过半功率角后，天线增益（特别是上波瓣）迅速下降，因此在考虑天线倾角大小时可以认为半功率角延长线到地平面的交点（B点）内为该天线的实际覆盖范围。图4-3 天线主瓣波束与地平面的关系

根据上述分析以及三角几何原理，可以推导出天线高度、下倾角和覆盖距离三者之间的关系为：

上式可以用来估算倾角调整后的覆盖距离，在优化现场的实际使用效果显示出该式具有较强的指导意义。但应用该式时有限制条件：倾角必须大于半功率角的一半；距离D必须小于无下倾时按公式计算出的距离。式中垂直波束宽度可以查天线具体的技术指标或计算得出大致值。4.3.5 馈线基础1．馈线的使用

常用的馈线有两种，即7/8英寸馈线和5/4英寸馈线，具体的使用情况如下。（1）低频段系统的馈线长度小于80m时使用7/8英寸馈线；长度大于80m时使用5/4英寸馈线。（2）高频段系统的馈线长度小于50m时使用7/8英寸馈线；长度大于50m时使用5/4英寸馈线。2．馈线技术指标

常用馈线的技术指标见表4-2。表4-2 常用馈线的技术指标3．馈线的安装

馈线的安装应使所用的馈线最短且安装和维护方便，馈线弯曲的曲率应该参照馈线厂商的曲率要求。无论天线安装在屋顶或其他任何位置，其馈线在进入机房时，都应将馈线的外导体良好接地。

4.4 站址选择

在无线网络的规划中，基站站址选择一般需要满足以下要求。

站址尽量以满足合理的小区结构为目标，利用电子地图和市区纸质地图综合分析，考虑几个备用站址，主要通过覆盖、抗干扰和话务均衡等方面进行筛选。在实际情况下，一般站址范围应在蜂窝基站半径（短径r）的1/4区域内。在建网初期建站较少时，一般应将站址选在用户最密集地区的中心。站址的选择应重点保证用户较多的政府机关所在地、机场、火车站等特殊区域的良好通话，并避免对该类区域的重叠覆盖；其他需要覆盖的地区可根据标准蜂窝结构来选择站址；而郊区、公路和农村等广覆盖区域的选址则不受蜂窝网孔的限制。

在不影响基站布局的情况下，尽量选择现有的站址资源，充分利用其机房、电源和铁塔等设施。

城市市区或郊区的海拔很高的山峰（与市区海拔高度相差200～300m以上）一般不考虑作为站址，一是为防止出现干扰，同时避免在本覆盖区内出现弱信号区，二是为了减少工程建设的难度，方便维护。

新建的基站应建在交通方便、市电可用、环境安全及少占农田的地方，避免在大功率无线电发射台、雷达站或其他易发生干扰的设备附近，干扰场强不应超过基站设备所要求的限制指标。

4.5 小结

本章主要介绍了无线网络规划的基础理论。4.1节介绍了电波传播相关内容，包括无线传播原理，无线信道、传播损耗以及移动通信信号的传播特性；4.2节介绍了无线传播模型；4.3节介绍了天馈线理论，包括天线基础、天线的重要技术特性、天线选型、天线下倾角设计与覆盖区域规划、馈线基础；4.4节介绍了站址选择相关理论。

第5章 无线网络规划流程

5.1 网络规划范围

网络规划是指规划工程师根据建网目标和网络演进需要，结合成本要求，运用理论分析、仿真、测试和勘查等手段进行的网络规模估算，网络构架设计，并确定网元数目、网元配置，确定网元间的连接方式等一系列工作。网络规划的主要目标是实现网络规模和质量与建设成本之间平衡。网络规划是整个网络建设工作的第一个环节，也是展开下一步工程设计和建设的依据和基础。

移动通信网络的建设，特别是像TD-LTE这样缺乏商用基础和可借鉴经验的移动通信网络的建设，对于移动网络运营商来说是一个挑战。如何在满足网络覆盖、容量要求、服务质量的前提下，有效控制建设成本是运营商进行网络建设时最关心的问题。经济有效的网络建设离不开细致、准确的移动通信网络规划。移动通信网络的规划是一个系统性的工作，从规划所涵盖的内容可以分为核心网规划、传输网规划、无线接入网规划。核心网规划主要关注核心网侧网元的数目、架构等。传输网规划侧重各网元之间的链路需求和连接方式的规划。无线接入网规划关注无线接入网侧各网元的数目和配置。由于无线接入网的投资一般会占据整个移动通信网络建设总投资的70%以上，同时无线接入网在建设和运营时受到的外界制约和影响因素也远较核心网和传输网多，因而无线接入网规划的质量对于移动网络的服务质量、建设成本甚至后期的网络扩容和优化的成本等都有非常直接和关键的影响。无线接入网规划是整个移动通信网规划的重点和关键。

无线接入网规划从流程上来说主要分为规划准备阶段、预规划阶段和详细规划阶段3个阶段，需要完成市场需求预测、覆盖规划、容量规划、站址规划、频率规划、邻区规划、码资源规划、网络仿真等一系列工作，最终目标是实现网络覆盖、网络容量、服务质量和建设成本之间的平衡。5.1.1 规划目标1．网络覆盖

网络覆盖的规划需要根据各类业务需求预测及总体发展策略，针对不同的业务和覆盖区域使用覆盖率、穿透损耗等指标来表示。移动通信网络中的业务分为分组业务和语音业务，分组业务和语音业务还可以进一步按不同速率等级进行细分。覆盖区域可以划分为市区、县城、乡镇、交通干道、旅游景点等，其中市区还可以进一步细分为密集城区、一般城区、郊区等。覆盖率是描述不同业务在不同网络覆盖区域覆盖效果的主要指标，覆盖率可以分为面积覆盖率和人口覆盖率。面积覆盖率是指在区域内满足一定的覆盖门限条件的区域面积占总区域面积的百分比。人口覆盖率是指区域内满足一定覆盖门限条件的区域中人口总数占总区域人口的百分比。人口覆盖率反映了无线网络某个业务的发展潜力，区域覆盖率反映了无线网络某个业务的覆盖完备程度和可移动范围。

在网络规划时，规划工程师需要合理划分覆盖区域，并根据无线网络的各业务市场定位和发展目标，设定不同业务在不同区域中的覆盖目标，然后利用网络规划软件，计算规划区内的每个点接收和发送无线信号的质量，根据预先确定的不同业务的覆盖门限，判断该点是否被该业务覆盖，然后对整个规划区进行统计，以确定覆盖概率是否达标。2．网络容量

网络容量反映系统建成后所能够满足的各类业务的用户总数。对于不同的业务，用于评估用户数的关键指标也不同。对于电路域的业务来说，网络容量的关键评估指标是拥塞概率。分组域业务的关键性网络容量评估指标有平均吞吐量和边缘吞吐量等。而对于TD-LTE系统来说，不存在电路域的业务，关键性的评估指标有同时调度用户数、平均吞吐量、边缘吞吐量、VoIP用户数、同时在线用户数等。

在进行网络容量规划时，需要根据对不同业务的市场预测和发展目标，预测各业务的用户规模和区域网络容量需求，然后根据不同业务的业务模型来计算不同基站配置下基站对各业务的容纳能力，最后利用网络规划软件来仿真计算以判断网络容量的达标情况。

不同的移动技术体制对网络容量影响的主要因素也不同，比如TD-SCDMA主要属于码道受限的系统，WCDMA系统主要属于功率（下行）或者干扰（上行）系统，而TD-LTE网络容量与信道配置、参数配置、调度算法、小区间干扰协调算法、多天线技术选取等都有关系。因此，在进行TD-LTE网络容量规划和仿真时，需要考虑的因素更加复杂。3．服务质量

评估无线网络服务质量的指标有接入成功率、忙时拥塞率、无线信道呼损、块误码率、切换成功率、掉话率等。在进行无线网络规划时，网络覆盖连续性、附加损耗冗余、网络容量等指标的设定对最终无线网络的服务质量都有十分重要的影响。4．成本目标

在满足网络覆盖、网络容量、服务质量目标的基础上，综合考虑网络中远期的发展规划，尽可能地降低建设成本，是网络规划的主要目标。无线网络规划应遵循统一规划、分步实施的原则，加强指导性和前瞻性。网络结构和目标站址的规划应统筹考虑中远期网络发展需要和现有网络、站址资源的分布情况，进行滚动规划，并充分利用现有的站址资源以降低建设成本。5.1.2 规划内容

按照网络建设阶段的不同，无线网络规划可以分为网络扩容规划和新建网络规划两类。无论是新建网络还是扩容网络，均是根据网络建设要求，在目标覆盖区域内，通过布置一定数量配置适当的基站，实现网络建设的目标。对于新建网络，只要确定了网络覆盖目标，就可以在整个覆盖范围内成片地进行站点设置，不需要考虑对现网的影响，但因为没有实际运营数据进行参考，网络规划只能依赖理论计算、软件仿真和试验网测试结果，因此网络规划的精确性上可能相对存在不足。而扩容网络的规划，由于有准确的路测数据、用户投诉及操作维护中心的统计报告，并且目标覆盖区域的市场发展情况和目标更为清晰，因此针对性和精确性更高。

由于LTE网络取消了无线网络控制器（RNC），因此LTE的无线网络规划中不再包含以前2G、3G无线网络规划中的RNC规划的内容。LTE无线网的规划主要工作内容是针对基站（eNode B）的站址、设备配置、无线参数设置等进行规划，并对最终的无线网络性能进行预测和分析。1．站址规划

在进行站址规划时，需要根据小区覆盖能力和容量，计算完成覆盖目标所需要的基站数，并通过站址选取确定基站的地理位置。

在LTE网络中，LTE小区的覆盖能力与设备性能、系统带宽、每小区用户数、天线模式、调度算法、边缘用户所分配到的RB数、小区间干扰协调算法、多天线技术选取等都有关系。但在进行小区的覆盖能力测算时，链路预算仍然是可行的方法。可以通过对小区特定参考信号（RS）和上下行控制信道的覆盖性能进行预测，并结合小区边缘业务速率来实现对小区的有效覆盖范围的判定。

LTE小区的容量与信道配置和参数配置、调度算法、小区间干扰协调算法、多天线技术选取等都有关系。在进行小区容量测算时需要借助系统仿真、实验网测试数据统计等手段计算小区吞吐量和边缘吞吐量。2．基站设备配置

无线网的基站设备配置需要根据各基站服务区域内的覆盖、容量、质量要求和设备能力，确定每一个基站的硬件和软件配置，包括基站的处理能力、发射功率、载扇数、信道单元等参数的配置。由于多天线是TD-LTE的关键技术之一，在LTE的基站配置中，天线配置也是需要考虑的一项重要内容。3．无线参数规划

无线参数规划包括频率规划、码资源规划和时隙规划等。TD-LTE网络有同频组网和异频组网两种方式，同时也有多种带宽配置方案，在网络规划时可以根据可用频点数量、覆盖区域、市场和业务发展目标等进行灵活的频率配置。

TD-LTE的码资源规划与3G网络的扰码规划类似，TD-LTE中有504个物理小区标识（Physical Cell Identify，PCI）。这些PCI决定了小区的识别参考信号、第一同步和第二同步信号的伪随机序列的生成，因此为了保证终端可以正确地进行小区识别并与小区实现同步，相邻小区的RS信号、第一同步和第二同步信号必须不能成为干扰源，因此相邻小区的PCI之间的相关性越低越好，也就是使用同一个PCI的小区之间必须有足够的隔离度。由于PCI资源相比起TD-SCDMA网络只有32个扰码组128个扰码来说要充足许多，TD-LTE的PCI规划也要比TD-SCDMA的扰码规划容易很多。

TD-LTE网络可以支持7种不同的上下行时隙配比，分别对应不同的上下行带宽分配比例。在网络规划时，需要根据不同场景下不同业务的需求进行灵活配置。此外，TD-LTE进行时隙规划时也需要考虑到减少交叉时隙干扰的需求。交叉时隙干扰可能来自TD-LTE系统本身也有可能来自TD-SCDMA网络。如果TD-LTE采用同频组网，并且相邻小区之间存在交叉时隙时，上下行信号会发生较大的相互干扰，因此各小区需要采用相同的时隙配比。同样情况也会发生在TD-LTE和TD-SCDMA之间，如果TD-LTE和TD-SCDMA之间工作于邻频且存在交叉时隙时，也会产生较大的时隙干扰，因此在进行TD-LTE的时隙规划时也必须考虑到同一区域内TD-SCDMA网络的时隙分配情况。4．无线网络性能预测分析

TD-LTE网络关注的性能参数包括覆盖、小区吞吐量、边缘速率、可接入率、BLER分布、无线接通率、掉线率、切换成功率等，这些网络性能参数是网络服务质量的数据化体现。在规划前，应根据市场及业务发展目标设定合理可行的网络质量指标，在规划过程中需要利用仿真软件对规划结果进行多次系统仿真和性能预测，并根据预测结果与规划目标之间的差距对规划进行反复调整，直至得到的系统仿真结果达到或者超过设定目标。在利用网络性能预测时要采用由粗到细的方式进行，首先对规划结果进行诸如覆盖效果、小区吞吐量等宏观参数的仿真和预测，直至这些指标达到预期目标后再逐步增加限制条件进行接通率、掉线率、切换成功率等性能的仿真和预测。由于系统仿真软件不可能完全反映系统实际运行环境中的情况，仿真的结果与系统实际运行时测量得到的网络性能参数比会有一定的误差，因此在进行规划目标设定或者对仿真结果进行判断时，设定的目标网络性能指标应略高于网络实际运行时需要达到的性能参数指标。

无线网络规划是一个系统性的工作，在规划时需要统筹考虑阶段性需求与后续发展需要、区域性要求与整网需求的平衡。TD-LTE在网络建设初期，一般主要考虑实现对市场和业务重点区域的高质量覆盖，以提供相较于2G/3G更加优异的数据服务。随着用户数量的增加、业务需求的增长以及网络的不断发展，TD-LTE的覆盖范围将会不断扩展，同时2G/3G网络也存在逐步退出服务的可能。因此对一个新建网络进行的规划，既要考虑网络新建阶段网络容量、覆盖和服务质量的要求，又要把握网络未来演进、业务发展的趋势以及与同区域异系统的互操作，不仅要立足于满足当前对网络覆盖、服务质量的需求，也需要兼顾网络后期的维护、扩容和升级的要求。

无线网络规划作为网络规划建设的重要环节，应以基础数据的收集整理以及需求分析为基础，确定规划目标，完成用户及业务预测并制定网络发展策略，然后利用链路预算，大致确定满足覆盖目标所需的基站数量，再经容量估算，得到在满足容量目标的前提下所需的基站数量。比较满足覆盖需求和容量需求的基站数量，选择其中较大者，作为初步布站的数量。

基站站址规划是一个复杂的工作，除去工程技术的因素，站址建站的可行性也是需要考虑的一个重要因素。从技术角度考虑的最适宜建站的地方并不一定能够安放基站设备，因此在站址选择的过程中，为拟定安放的基站设定站址搜索圈，通过实地勘察，在站址搜索圈中落实基站站址。完成实地勘察后，应当根据初选的基站站址和基站工程参数，对网络的总体性能进行仿真。通过对仿真结果的分析，判断规划方案是否满足规划要求。若不符合，应对规划方案（含网络规模、基站站址和设备配置等方面内容）进行修改，并重新做网络仿真，直到符合规划要求。

经过上述步骤完成站址选择和基站工程参数设计以后，再进行频率规划、邻区规划、码资源规划、跟踪区规划最终完善整个网络规划。

5.2 网络规划流程

从规划流程上来看，一个完整的无线网规划一般可以分为规划准备、预规划和详细规划3个阶段。网络规划过程中各阶段的工作内容如图5-1所示。在网络规划建设的不同阶段，对无线网络规划的深度有不同要求，并非每次规划都需要涵盖所有的规划步骤。例如，为了估算投资规模，只需通过预规划对基站数量和规模进行初步估算，即可得到大约的投资规模，而无需完成详细规划。在具体工作中，可以根据具体的目标和需要，对规划流程进行合理剪裁和调整。图5-1 无线网络规划流程5.2.1 规划准备阶段

准备阶段主要是对网络规划工作进行分工和计划，准备需要用到的工具和软件，收集市场、网络等方面的资料，并进行初步的市场策略分析。1．项目分工及计划

无线网规划是一个很大的系统工程，包含了数据分析、软件仿真、实地勘测、无线信号测试等诸多工作，为了能够按时按质地完成整个工作，在项目开始前期对整个项目的关键时间点设定、工作流程、人员安排、设备使用等进行统筹和计划是十分必要的。项目的总负责人需要根据项目的目标，合理选择工作内容，统筹安排工作进度计划，合理选择项目组成员，并对参加的项目人员进行一定的培训，让项目组成员从技术上和工作分工上对项目都有清楚的认识和了解，要求各项目组成员在项目开始前必须对各自负责的工作目标、工作内容、时间节点等有清楚的认识。2．工具和软件的准备

一般网络规划可能需要的工具和软件有GPS、数码相机、纸质地图和数字地图、本地区step-20m（山区为step-50m）高程图、规划软件等。如果需要做CW（连续波）测试，还需要准备规划工作频段内的发射机和接收机等。3．规划区域调研、基础资料收集

调研和基础资料收集的目的是通过对网络覆盖区域、市场需求、业务规划等进行细致了解，获取数据化的资料，作为后期规划的输入。

试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]

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