作者：宋铁成 宋晓勤
出版社：人民邮电出版社
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移动通信技术试读：
前言
国内4G网络的全面覆盖，标志着高速移动通信时代的来临。相对于3G网络，4G能够实现更高的数据通信速率、更低的时延以及更大的系统容量。4G网络在网络结构和关键技术等方面也与3G网络有着较大的区别。对于移动通信工程的行业从业者来说，LTE是必须要掌握的移动通信技术。
移动通信运营商目前需要大量 LTE 网络建设和维护人员。本书基于作者多年的现网工作经验，从现网工程师实际需要的角度出发，以理论知识与实际应用相结合的方式，介绍 LTE 领域的专业人才需要掌握的知识。
本书以现网工程建设和维护的各个环节为主线，介绍 LTE 网络建设和维护中每个环节需要掌握的理论知识以及实际操作的专业技能。无线传播理论、LTE关键技术和LTE空中接口章节，全面介绍LTE无线部分的理论知识。LTE 信令流程章节主要介绍 LTE 协议基础，附着、寻呼、位置区更新以及切换等信令流程。EPC网络原理章节主要介绍与LTE对接的核心网网络结构、网络主要接口和协议以及EPC的主要工作原理。LTE基站原理及运行维护章节主要介绍LTE站点开通阶段用到的基站硬件知识和LTE基站数据配置，还有维护阶段的LTE基站操作维护和LTE基站故障处理等方面的知识。LTE网络规划与优化章节主要介绍建网前的规划工作和设备入网使用后的优化工作。LTE仿真系统章节介绍利用软件模拟实际设备的操作维护。5G技术演进章节主要介绍5G性能需求、频谱、新空口和无线接入虚拟化等下一代移动通信技术。
本书中穿插了很多在线视频二维码，读者可以通过扫描二维码，在线观看相关技术视频，帮助消化吸收。通过本书的学习，读者能够掌握LTE产品工程师需要具备的各项技能。
本书的参考学时为46～64学时，建议采用理论实践一体化教学模式，各章的参考学时见下面的学时分配表。学时分配表
本书由宋铁成、宋晓勤任主编，朱彤、赵航、王春峰任副主编。由于编者水平和经验有限，书中难免有不妥和疏漏之处，恳请读者批评指正。读者可登录人民邮电出版社教育社区（www.ryjiaoyu.com）下载本书相关资源。编者2017年10月第1章绪论
电信技术及业务移动化、宽带化和IP化的趋势日益明显，移动通信技术正处于网络技术演进的关键时期。长期演进（Long-Term Evolution，LTE） /系统架构演进（System Architecture Evolution，SAE）作为下一代移动通信的统一标准，具有高频谱效率、高峰值速率、高移动性和网络架构扁平化等多种优势。课堂学习目标
● 掌握移动通信网络架构
● 了解移动通信网络演进过程
● 掌握双工技术和多址技术1.1 LTE移动通信网络架构
在过去的一段时间里，世界通信行业发生了巨大的变化，移动电话逐步代替固定电话，从单一的语音通话为主转为以数据业务、增值业务为主。移动通信网络也从TDM、ATM转为全IP，网络架构也变得更加扁平化。LTE移动通信网络架构如图1-1所示，主要可分成以下几部分。（1）LTE 无线接入网部分，亦称演进型通用陆地无线接入网（Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network，E-UTRAN），该部分只包含一种设备：演进型LTE基站（Evolved Node B，eNodeB）。（2）移动承载网部分，实现无线接入网与核心网的对接，以及跨省漫游通信。移动承载网主要包括分组传送网（Packet Transport Network，PTN）、光传送网（Optical Transport Network，OTN）、用户边缘（Customer Eedge, CE）路由器、防火墙（Firewall，FW）等。（3）核心网部分，包括2G/3G核心网和LTE核心网。2G/3G核心网包括电路交换（Circuit Switched， CS）和分组交换（Packet Switched，PS）域，主要设备包括移动交换中心（Mobile Switching Center， MSC）和通用分组无线系统业务支撑节点（Serving GPRS Support Node，SGSN）。LTE核心网SAE，亦称演进型分组核心网（Evolved Packet Core，EPC），该部分包含了移动性管理实体（Mobility Management Entity，MME）、系统架构演进网关（System Architecture Evolution Gateway，SAE-GW）、策略和计费规则功能（Policy and Charging Rules Function，PCRF）、归属用户服务器（Home Subscriber Server， HSS）等设备。（4）配套系统部分，该部分包含保证网络正常运行的必不可少的设备和网络。其主要包括设备网管系统U2000或者操作维护中心（Operation and Maintenance Center，OMC）、在线计费系统（Online Charging System，OCS）、短消息中心（Short Message Center，SMC）、域名服务器（Domain Name Server， DNS）、Diameter路由代理（Diameter Routing Agent，DRA）、低级信令转接点（Low-level Signaling Transfer Point，LSTP）、高级信令转接点（High-level Signaling Transfer Point，HSTP）、业务运营支撑系统（Business and Operation Support System，BOSS）等设备和系统。图1-1 LTE移动通信网络架构
本书重点介绍LTE无线接入网部分，包括无线接入关键技术，LTE空中接口，LTE信令流程，无线接入设备硬件介绍、调测和维护，无线网络规划优化等内容。1.2 移动通信网络演进
随着移动用户的增多，以及人们对移动通信业务需求的不断增加，移动通信系统已经经历了四代的变革，并继续向着第五代技术演进。本节主要对移动通信网络演进过程进行介绍。1.2.1 第一代移动通信系统
第一代移动通信技术（1st Generation，1G）诞生在20世纪40年代，美国底特律警察使用车载无线电系统进行联络，主要采用大区制模拟技术。1978 年底，美国贝尔实验室成功研制了先进移动电话系统（Advanced Mobile Phone System，AMPS），建成了蜂窝状移动通信网，这是第一种真正意义上的具有及时通信功能的大容量蜂窝状移动通信系统。1983年，AMPS首次在芝加哥投入商用并迅速推广。1985年，已扩展到了47个地区。
与此同时，其他国家也相继开发出各自的蜂窝移动通信网。英国在1985年开发出全接入通信系统（Total Access Communications System，TACS），频带为900 MHz；加拿大推出450 MHz移动电话系统（Mobile Telephone System，MTS）；瑞典等北欧四国于1980年开发出北欧移动电话（Nordic Mobile Telephone， NMT）移动通信网，频带为450 MHz；中国的1G系统于1987年11月18日在广东第六届全运会上开通并正式商用，采用的是TACS制式。从1987年11月中国电信开始运营模拟移动电话业务到2001年12月底中国移动关闭模拟移动通信网，1G系统在中国的应用长达14年，用户数最高曾达到了660万。如今， 1G时代像砖头一样的手持终端——“大哥大”，已经成为很多人的回忆。
由于 1G 系统是基于模拟通信技术传输的，存在频谱利用率低、系统安全保密性差、数据承载业务难以开展、设备成本高、体积大、费用高等局限，最关键的问题在于系统容量低，已不能满足日益增长的移动用户需求。为了解决这些缺陷，第二代移动通信系统（2nd Generation，2G）应运而生。1.2.2 第二代移动通信系统
20世纪80年代中期，欧洲首先推出全球移动通信系统（Global System for Mobile Communications， GSM）数字通信网。随后，美国、日本也制定了各自的数字通信体系。数字通信系统具有频谱效率高、容量大、业务种类多、保密性好、语音质量好、网络管理能力强等优势，使得数字通信网得到迅猛发展。
第二代移动通信系统（2st Generation，2G）包括GSM、IS-95码分多址（IS-95 Code Division Multiple Access，IS-95 CDMA）、先进数字移动电话系统（Digital Advanced Mobile Phone System，DAMPS）、个人数字蜂窝系统（Personal Digital Cellular，PDC）等。特别是GSM系统，体制开放、技术成熟、应用广泛，成为陆地公用移动通信的主要系统。
使用900 MHz频带的GSM称为GSM900，使用1800 MHz频带的称为DCS1800。它是依据全球数字蜂窝通信的时分多址（Time Division Multiple Access，TDMA）标准而设计的。GSM支持低速数据业务，可与综合业务数字网（Integrated Services Digital Network，ISDN）互联。GSM采用频分双工（Frequency Division Duplex，FDD）方式、TDMA多址方式，每载频支持8信道，载频带宽为200 kHz。随着通用分组无线系统（General Packet Radio System，GPRS）、增强型数据速率GSM演进技术（Enhanced Data Rate for GSM Evolution，EDGE）的引入，使GSM的功能得到不断增强，初步具备了支持多媒体业务的能力，可以实现图片传送、电子邮件收发等。
IS-95 CDMA是北美数字蜂窝系统标准，使用800 MHz频带或1.9 GHz频带。IS-95 CDMA的多址方式为时分多址（Code Division Multiple Access，CDMA）。CDMA One是IS-95 CDMA的品牌名称。IS-95 CDMA又分为IS-95A和IS-95B两个阶段。
DAMPS也称IS-54/IS-136（北美数字蜂窝），使用800 MHz频带，是两种北美数字蜂窝标准中推出较早的一种，使用TDMA多址方式。
PDC是由日本提出的标准，也就是后来中国的个人手持电话系统（Personal Handyphone System， PHS），俗称“小灵通”，后因技术落后和后续移动通信发展的需要，已经关闭。
我国的2G系统制式主要是GSM和IS-95 CDMA，比如中国移动和中国联通都部署了GSM网络。2001年，中国联通开始在中国部署IS-95 CDMA网络（简称C网）。2008年5月，中国电信收购中国联通C网，并将C网规划为中国电信未来主要的发展方向。
2G系统的主要业务是语音，其主要特性是提供数字化的语音业务及低速数据业务。它克服了模拟移动通信系统的弱点，语音质量、保密性能得到很大提高，并可进行省内、省际自动漫游。2G系统替代1G系统，完成了模拟技术向数字技术的转变，但由于 2G 采用不同的制式，移动通信标准不统一，用户只能在同一制式覆盖的范围内进行漫游，因而无法进行全球漫游。又由于 2G 系统带宽有限，限制了数据业务的应用，因此无法实现高速率的业务，如移动的多媒体业务。
尽管 2G 系统技术在发展中不断得到完善，但随着人们对于移动数据业务的需求不断增加，希望能够在移动的情况下达到类似于宽带上网时所要求的速率，因此，需要有新一代的移动通信技术来支持高速的空中承载，以提供各种各样的高速数据业务，如电影点播、文件下载、视频电话、在线游戏等。1.2.3 第三代移动通信系统
第三代移动通信系统（3rd Generation，3G）又被国际电联（International Telecommunication Union， ITU）称为国际移动电话系统2000（International Mobile Telecom System-2000，IMT-2000），是在2000年左右开始商用，并工作在2 000 MHz频带上的国际移动通信系统。IMT-2000的标准化工作开始于1985年。3G标准规范具体由第三代移动通信合作伙伴项目（3rd Generation Partnership Project，3GPP）和第三代移动通信合作伙伴项目二（3rd Generation Partnership Project 2，3GPP2）分别负责。
3G 系统最初有 3 种主流标准，即欧洲国家和日本提出的宽带码分多址（Wideband Code Division Multiple Access，WCDMA），美国提出的码分多址2000（Code Division Multiple Access 2000，CDMA 2000），又称多载波码分复用扩频调制，中国提出的时分同步码分多址接入（Time Division-Synchronous Code Division Multiple Access，TD-SCDMA）。
3G系统采用CDMA技术和分组交换技术，而不是2G中GSM系统通常采用的TDMA技术和电路交换技术。在业务和性能方面，3G不仅能传输语音，还能传输数据，提供高质量的多媒体业务，如可变速率数据、移动视频和高清晰图像等多种业务，实现多种信息一体化，从而提供快捷、方便的无线应用。
3G系统具有低成本、优质的服务质量、高保密性及良好的安全性能等优点。但是，3G系统仍有不足：第一，3G标准有WCDMA、CDMA 2000和TD-SCDMA三大分支，3个制式之间存在相互不兼容的问题；第二，3G的频谱利用率还比较低，不能充分地利用宝贵的频谱资源；第三，3G支持的速率还不够高。这些不足点远远不能适应未来移动通信发展的需要，因此需要寻求一种能适应未来移动通信需求的新技术。
此外，微波存取全球互通（Worldwide Interoperability for Microwave Access，WiMAX），又称为802·16无线城域网，是另一种为企业和家庭用户提供“最后一千米”的宽带无线连接方案。由于成本较低，将此技术与需要授权或免授权的微波设备相结合之后，能扩大宽带无线市场，改善企业与服务供应商的认知度。2007年10月19日，在ITU于日内瓦举行的无线通信全体会议上，经投票表决，WiMAX正式被纳入3G标准，成为继WCDMA、CDMA 2000和TD-SCDMA之后的第四个全球3G标准。1.2.4 第四代移动通信系统
2000年确定了3G国际标准之后，ITU就启动了第四代移动通信（4th Generation，4G）的相关工作。2008年，ITU开始公开征集4G标准，有3种方案成为4G的标准备选方案，分别是3GPP的LTE、3GPP2的超移动宽带（Ultra Mobile Broadband，UMB）以及电气和电子工程师协会（Institute of Electrical and Electronics Engineers，IEEE）的WiMAX，其中最被产业界看好的是LTE。LTE、UMB和移动WiMAX虽然各有差别，但是它们也有一些相同之处，3个系统都采用正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）和多入多出（Multi-input Multi-output，MIMO）技术来提供更高的频谱利用率。
LTE并不是真正意义上的4G技术，而是3G向4G技术发展过程中的一个过渡技术，也被称为3.9G的全球化标准。它采用OFDM和MIMO等关键技术，改进并且增强了传统的无线空中接入技术。这些技术的运用，使得LTE的峰值速率与3G相比有很大的提高。同时，LTE技术改善了小区边缘位置的用户的性能，提高小区容量值，降低了系统的延迟以及网络成本。
2012 年，LTE-Advanced 正式被确立为 IMT-Advanced（也称 4G）国际标准，我国主导制定的TD-LTE-Advanced 也同时成为 IMT-Advanced 国际标准。LTE 包括 LTE 时分双工（Time Division Duplexing，TDD）和LTE频分双工（Frequency Division Duplexing，FDD）两种制式，其中，我国引领LTE TDD（简称TD-LTE）的发展。TD-LTE继承和拓展了TD-SCDMA在智能天线、系统设计等方面的关键技术和自主知识产权，系统能力与LTE FDD相当。1.2.5 第五代移动通信系统
第五代移动通信技术（5th Generation，5G）是4G的延伸。5G是新一代移动通信技术发展的主要方向，是未来新一代信息基础设施的重要组成部分。与4G相比，5G不仅能进一步提升用户的网络体验，同时还将满足未来万物互联的应用需求。
从用户体验看，5G具有更高的速率、更宽的带宽，预计5G的网速比4G高10倍左右，只需要几秒即可下载一部高清电影，能够满足消费者对虚拟现实、超高清视频等更高的网络体验需求。
从行业应用看，5G具有更高的可靠性、更低的时延，能够满足智能制造、自动驾驶等行业应用的特定需求，拓宽融合产业的发展空间，支撑经济社会创新发展。
从发展态势看，5G目前还处于技术标准的研究阶段，今后几年，4G还将保持主导地位，并实现持续高速发展。5G有望在2020年正式商用。
2016年11月，在美国内华达州里诺举行的3GPP RAN1#87会议上，国际移动通信标准化组织3GPP确定了Polar码（极化码）作为5G eMBB（增强移动宽带）场景的控制信道编码方案。至此，5G eMBB场景的信道编码技术方案完全确定，其中，极化码作为控制信道的编码方案，LDPC 码（低密度奇偶校验码）作为数据信道的编码方案。
华为作为中国 IMT-2020（5G）推进组的成员，参与了 Polar 码的研究与创新，后续也将和推进组全体成员持续加大对 5G 的研究投入。同时，与全球产业伙伴开放合作，通过充分整合全球优秀的创新资源来共同推动标准化工作的协同，为形成全球统一的5G标准、提升5G标准竞争力做出重大贡献。1.3 双工技术和多址技术
移动通信技术里的双工技术是用于区分用户上行和下行信号的方式。上行信号是指移动台发给基站的信号，下行信号是指基站发给移动台的信号。双工技术主要包含TDD和FDD两种。
当把多个用户接入一个公共的传输媒质以实现相互间的通信时，需要给每个用户的信号赋予不同的特征，以区分不同的用户，这种技术即为多址技术。1.3.1 双工技术
对于FDD，系统发送和接收数据使用不同的频段，在上行和下行频率之间有双工间隔。GSM、CDMA 2000、WCDMA等系统都是典型的FDD系统。而对于TDD，系统的发送和接收使用相同的频段，上、下行数据发送时在时间上错开。通过在不同时隙发送上、下行数据，可有效避免上、下行干扰。TD-SCDMA就是TDD系统。
FDD和TDD技术有各自的特点与优势。（1）TDD系统便于进行信道估计。对于TDD技术，只要基站和移动台之间的上、下行时间间隔不大，小于信道相干时间，就可以简单地根据接收信号估计收、发信道特征。这一特点使得采用TDD方式的移动通信体制在功率控制及智能天线技术的使用方面有明显的优势。而对于FDD技术，通常上、下行频率间隔远远大于信道相干带宽，几乎无法利用上行信号估计下行信道，也无法用下行信号估计上行信道。（2）FDD系统硬件实现简单。对于FDD技术，由于基站的接收和发送使用不同射频单元，且有收发隔离，因此使得系统的设计、实现相对简单。而对于TDD技术，射频单元在发射和接收时分时隙进行，因此， TDD的射频模块里要配置一个收发开关。（3）TDD系统更适合支持非对称业务。对非对称业务而言，TDD技术可以灵活设置上、下行的转换时刻，可用于实现不对称的上行和下行业务带宽，有利于实现明显上、下行不对称的互联网业务。当然，这种转换时刻的设置必须与相邻基站协同进行。因此，在支持非对称业务时，TDD频谱利用率更高。（4）FDD系统在实现对称业务时，频谱利用率更高。对于对称业务，FDD技术的上行和下行使用不同的频率，因此FDD上、下行间没有干扰。而TDD技术的上行和下行使用相同的频率，为了避免上、下行信号间的干扰，需要在上、下行中间插入一个保护间隔，从而导致FDD在支持对称业务时，能充分利用上下行的频谱，但在支持非对称业务时，频谱利用率将大大降低。1.3.2 多址技术
无线通信系统中常用的多址技术分为频分多址（Frequency Division Multiple Access，FDMA）、时分多址（Time Division Multiple Access，TDMA）、码分多址（Code Division Multiple Access，CDMA）、空分多址（Space Division Multiple Access，SDMA）和正交频分多址（Orthogonal Frequency Division Multiple Access，OFDMA）。在实际的移动通信系统中，某一种多址技术可以单独使用，也可以两种或者多种多址技术相结合使用。（1）FDMA：以传输信号的频率不同来区分信道的接入方式，即为不同的用户分配不同的载波频率来共享无线信道。在FDMA系统中，总频带被分成若干个带宽相等且没有交集的子频带，将不同的子频带分配给不同的用户，每个子频带在同一时间只能供一个用户使用，相邻子频带之间有保护间隔，频带之间无明显的干扰。一个子频带相当于一个信道，从基站发送到移动台的信号在前向信道上传输，而从移动台发送到基站的信号在反向信道上传输。频分多址技术比较成熟，1G系统均采用该技术，但是由于各个用户使用不同频率的信道，所以用户容量受限。FMDA示意图如图1-2所示。（2）TDMA：以传输信号存在的时间段不同来划分信道的接入方式，即给不同的用户分配不同的时间段以共享无线信道。TDMA 是在一个具有一定宽带的无线载波上把时间分成周期性的帧，每一帧再分成若干时隙，每个时隙就是一个通信信道。然后根据一定的时隙分配原则，使每个用户只能在指定的时隙内发送。2G中的GSM系统在FDMA的基础上还采用了TDMA。对比单纯采用FDMA的系统，在可用频段相同的情况下，TDMA 能够容纳更多的用户。但是时分通信系统需要精确的时间同步，以保证各用户发送的信号不会发生时间上的重叠。TMDA示意图如图1-3所示。图1-2 FDMA示意图图1-3 TDMA示意图（3）CDMA：以传输信号的码字不同来区分信道的接入方式，即给每个移动用户分配不同的码字。每个用户所分配到的码字是唯一的、互相正交或准正交的，从而实现不同用户的信号在频率、时间上都可以重叠。发送时使用该码字对基带信号进行扩频，接收机使用相关检测器将具有特定码字的用户信号检测出来，与接收机本地产生的码字正交或准正交，从而被消除或大部分被消除，残留的小部分非本用户信号相当于背景噪声。3G系统主要采用CDMA。CDMA可容纳比TDMA系统更多的用户，且具有低功率、软切换、抗干扰能力强等优点。CDMA示意图如图1-4所示。（4）SDMA：亦称多波束频率复用，即通过在不同方向上使用相同频率的定位天线波束来区分信道的接入方式。该多址方式以天线技术为基础，用点射束天线实现信道复用。理想情况下，它要求天线给每个用户分配一个点波束，这样，根据用户的空间位置就可以区分每个用户的无线信号，从而完成多址的划分。SDMA示意图如图1-5所示。图1-4 CDMA示意图图1-5 SDMA示意图（5）OFDMA：以相互正交的不同频率子载波来区分信道的接入方式，即为不同的用户分配若干不同的正交频率子载波来共享无线信道。在OFDMA系统中，总频带被分成若干个相互正交的子载波，根据用户需求调度若干个不同的子载波给不同的用户，每个子载波在同一时间只能供一个用户使用。4G 系统采用 OFDMA 技术。由于OFDMA系统中的子载波之间是相互正交的，子载波之间的排列更加紧密，因此OFDMA能够提高频谱效率和系统容量。OFMDA示意图如图1-6所示。图1-6 OFDMA示意图1.4 本书内容与安排
本书共包含10个章节，分别是绪论、无线传播理论、LTE关键技术、LTE空中接口、LTE信令流程、EPC网络原理、LTE基站原理及运行维护、LTE网络规划与优化、LTE仿真系统和5G技术演进。第1章 绪论
绪论章节主要介绍无线网络架构、移动通信网络演进过程、双工技术以及多址技术。本章节的主要知识点如下：（1）掌握LTE移动通信网络架构的基本组成；（2）了解移动通信1G、2G、3G、4G及5G系统的发展历程；（3）掌握时分双工技术和频分双工技术，掌握频分多址技术、时分多址技术、码分多址技术、空分多址技术和正交频分多址技术。第2章 无线传播理论
无线传播理论章节主要介绍无线电波传播特性、无线电波传播模型和抗衰落技术。本章节的主要知识点如下：（1）掌握多径效应和多普勒效应等无线电波传播特性；（2）了解常见的无线电波传播模型；（3）掌握抗衰落分集技术和均衡技术。第3章 LTE关键技术
LTE 关键技术章节主要介绍正交频分多址、多入多出、高阶调制和自适应调制编码、载波聚合。本章节的主要知识点如下：（1）掌握正交频分多址技术的原理、技术特点以及在LTE中的应用；（2）掌握多入多出技术的产生背景、技术分类和增益；（3）掌握调制的基本概念，掌握高阶调制和自适应调制编码的技术优势；（4）掌握载波聚合的定义、应用场景，以及载波管理。第4章 LTE空中接口
LTE空中接口章节主要介绍LTE空中接口协议、LTE帧结构、LTE物理信道和LTE参考信号。本章节的主要知识点如下：（1）掌握LTE空中接口协议的栈分层以及每一层的功能；（2）掌握LTE FDD和TDD帧结构；（3）掌握LTE物理信道分类，各物理信道的作用和应用；（4）了解上、下行参考信号在LTE中的应用。第5章 LTE信令流程
LTE信令流程章节主要介绍LTE协议基础和LTE协议流程分析。本章节的主要知识点如下：（1）掌握LTE空口和S1接口协议栈；（2）理解LTE附着流程、寻呼流程、位置更新流程、切换流程和去附着等典型信令流程。第6章 EPC网络原理
EPC网络原理章节主要介绍EPC网络结构和EPC网络工作原理。本章节的主要知识点如下：（1）掌握EPC网络架构；（2）掌握EPC网络的主要接口和协议；（3）理解EPC网络的主要工作原理。第7章 LTE基站原理及运行维护
LTE基站原理及运行维护章节主要介绍LTE基站系统、LTE基站数据配置、LTE基站操作维护和LTE基站故障处理。本章节的主要知识点如下：（1）掌握eNodeB的硬件结构及应用场景；（2）掌握eNodeB初始数据配置；（3）掌握eNodeB的日常操作及维护任务；（4）掌握eNodeB的常见故障处理。第8章 LTE网络规划与优化
LTE网络规划与优化章节主要介绍LTE网络规划与优化的基本原理、LTE网络规划和LTE网络优化的日常具体工作。本章节的主要知识点如下：（1）掌握LTE网络规划和网络优化的基本流程；（2）掌握LTE网络覆盖规划、容量规划和传输规划；（3）掌握LTE入网优化和日常优化的具体工作。第9章 LTE仿真系统
LTE仿真系统章节主要介绍LTE仿真系统的组成、LTE仿真界面和LTE仿真操作。本章节的主要知识点如下：（1）了解LTE仿真系统的组成，掌握LTE仿真软件如何安装；（2）熟悉LTE仿真界面，如设备面板、命令操作界面、告警查看界面等；（3）掌握LTE的典型仿真操作，如拓扑操作、覆盖操作、切换操作等。第10章 5G技术演进
5G技术演进章节主要介绍5G性能需求、5G频谱、5G新空口和无线接入虚拟化。本章节的主要知识点如下：（1）了解5G性能需求；（2）了解5G频谱划分趋势；（3）掌握5G系统中新的空中接口技术；（4）了解无线接入虚拟化的基本概念。第2章无线传播理论
无线电波在基站与终端之间的传播往往经过多条路径。由于经过不同传播路径到达接收机的信号具有不同的幅度和相位，因此它们的合成效果将导致接收机收到的信号产生衰落。本章节主要介绍无线电波的多径效应和多普勒效应，常见的无线电波传播模型，以及对抗衰落的分集和均衡技术。课堂学习目标
● 掌握无线电波传播特性
● 了解常见的无线电波传播模型
● 掌握抗衰落分集技术和均衡技术2.1 无线电波传播特性
无线电波是指在自由空间（包括空气和真空）传播的射频频段的电磁波。无线电波在空间中的传播方式有以下情况：直射、反射、折射、穿透、绕射（衍射）和散射。理想的自由空间中没有阻挡，电波传播只有直射，不存在其他传播方式。而对于日常生活中的实际传播环境，由于地面存在各种各样的物体，因此使得电波的传播有直射、反射、绕射（衍射）等不同方式。另外，对于室内或列车内的用户，还有一部分信号来源于无线电波对建筑的穿透。这些都造成无线电波传播的多样性和复杂性，增大了对电波传播研究的难度。2.1.1 多径效应
在复杂的环境中，接收到的信号可能是直射波、反射波和绕射波的合成信号，电波传播方式如图 2-1所示。接收到的合成场强为各部分的矢量合成波，从而产生多径效应。图2-1 电波传播方式
在高楼林立的市区，由于终端天线的高度比周围建筑物矮很多，因此经常不存在从终端到基站的视距传播。即使有这样一条视距传播路径存在，由于地面与周围建筑物的反射，多径传播仍会发生。入射电波以不同的传播方向到达，具有不同的传播时延。空间任一点的终端所收到的信号由许多平面波组成，它们具有随机分布的幅度、相位和入射角度。这些多径成分被终端天线按矢量合并，从而使接收信号产生快衰落失真。即使移动接收机处于静止状态，接收信号也会由于无线信道所处环境中物体的运动而产生衰落。典型移动通信系统传播路径如图2-2所示。图2-2 典型移动通信系统传播路径2.1.2 多普勒效应
多普勒效应是为纪念奥地利物理学家及数学家克里斯琴·约翰·多普勒（Christian Johann Doppler）而命的名。1842年的一天，奥地利一位名叫多普勒的科学家正路过铁路交叉处，恰逢一列火车从他身旁驰过，他发现火车由远而近行驶时汽笛声变响，音调变尖，而火车由近而远行驶时汽笛声变弱，音调变低。他对这个物理现象产生了极大的兴趣，并进行了研究。发现这是由于振源与观察者之间存在的相对运动，使观察者听到的声音频率不同于振源频率，这就是频移现象。因此，声源相对于观察者运动时，观察者所听到的声音会发生变化。当声源离观察者而去时，声波的波长增加，音调变得低沉；当声源接近观察者时，声波的波长减小，音调就变高。多普勒效应示意图如图2-3所示。音调的变化同声源与观察者间的相对速度和声速的比值有关。这一比值越大，改变就越显著，后人把该现象称为“多普勒效应”。图2-3 多普勒效应示意图
假设原有声源的波长为λ，波速为c，观察者移动速度为ν。当观察者走近声源时，观察到的声源频率为（c+ν）/λ；如果观察者远离声源，则观察到的声源频率为（c+ν）/λ。
在移动通信中，当终端移向基站时，频率变高；远离基站时，频率变低。所以在移动通信系统中，要充分考虑多普勒效应。当然，由于日常生活中物体移动速度的局限，不可能会带来十分大的频率偏移，但是不可否认移动会给通信带来影响。为了避免这种影响造成通信中的问题，必须在技术上加以各种考虑。这也增大了移动通信的复杂性。
当终端以恒定速率v在长度为d，端点分别为X和Y的路径上运动时，收到来自远端源S发出的信号，多普勒效应示意图如图2-4所示。图2-4 多普勒效应示意图
无线电波从源S发出，在X点与Y点分别被终端接收时所走的路径差为Δ1。设Δt是终端从X运动到Y所需的时间，θ是X和Y处与入射波的夹角。由于远端距离很远，可假设X、Y处的θ是相同的。所以，由路程差造成的接收信号相位变化值为：d
由此可得出频率变化值，即多普勒频移 f为：
由公式中可以看出，多普勒频移与终端运动速度、终端运动方向、无线电波入射方向之间的夹角有关。若终端朝向入射波方向运动，则多普勒频移为正（即接收频率上升）；若终端背向入射波方向运动，则多普勒频移为负（即接收频率下降）。信号经不同方向传播，其多径分量造成接收机信号的多普勒扩散，因而增加了信号带宽。2.2 无线电波传播模型
传播模型用于预测无线电波在各种复杂传播路径上的路径损耗，是移动通信网小区规划的基础。传播模型的准确与否，关系到小区规划是否合理，运营商是否以比较经济合理的投资满足了用户的需求。模型的价值就是保证了精度，同时节省了人力、费用和时间。2.2.1 自由空间传播
在研究电波传播时，首先要研究两个天线在自由空间（各向同性，无吸收，电导率为零的均匀介质）条件下的特性，即自由空间的传播损耗。
自由空间传播损耗公式：Lp=32.44+20 lg f +20lg d
式中：f的单位为MHz，d的单位为km，Lp的单位为dB。
通过公式可以推导出以下结论：（1）当距离d加倍时，自由空间传播损耗增加6 dB，即信号衰减4倍。（2）当频率f加倍时，自由空间传播损耗增加6 dB，即信号衰减4倍。（3）有了自由空间的传播损耗公式后，考虑到传播环境对无线传播模型的影响，确定某一特定地区的传播环境的主要影响因素有下列这些。
● 自然地形（高山、丘陵、平原、水域等）。
● 人工建筑的数量、高度、分布和材料特性。
● 在做网络规划时，一个城市通常会被划分为密集城区、一般城区、郊区、农村等几类不同的区域，以保证预测的精度。
● 该地区的植被特征，表现为植物覆盖率，不同季节的植被情况是否有较大的变化。
● 天气状况，是否经常下雨、下雪。
● 自然和人为的电磁噪声状况，周边是否有大型的干扰源（雷达等）。
● 系统工作频率和终端运动状况，在某一地区，工作频率不同，接收信号衰落状况各异，静止的终端与高速运动的终端的传播环境也大不相同。
常用传播模型如表2-1所示。表2-1 常用传播模型2.2.2 Okumura-Hata模型
Okumura-Hata 模型在 900 MHz 的 GSM 中得到了广泛应用，适用于宏蜂窝的路径损耗预测。Okumura-Hata模型是根据测试数据统计分析得出的经验公式，应用在150~1 000 MHz之间，适用于小区半径在1~20 km的宏蜂窝系统，基站天线高度在30~200 m之间，终端有效天线高度在0~1.5 m之间。
Okumura-Hata传播模型公式为：bbhm
Lp=69.55+26.16 lg f −13.82 lg h+(44.9−6.55 lg h)lg d+A
式中 f——频率；b
h——基站天线有效高度；
d——发射天线和接收天线之间的水平距离；hmm
A=(1.1× lg f −0.7)h−(1.56lg f −0.8)。
当模型应用于郊区和开阔地区时，为了使预测结果更准确，需要对计算结果进行修正。
对于郊区，结果修正为公式：
对于开阔地区，结果修正为公式：2Lp(open)=Lp−4.78 ×[lg(f)]+18.33 × lg(f)−40.942.2.3 COST231-Hata模型
COST231-Hata 模型是欧洲研究委员会（陆地移动无线电发展）COST231 传播模型小组根据Okumura-Hata模型扩展的版本，应用频率在1 500~2 000 MHz之间，适用于小区半径在1~20 km的宏蜂窝系统，发射有效天线高度在30~200 m之间，接收有效天线高度在1~10 m之间。
COST231-Hata传播模型公式：bbhmmLp=46.3+33.9 lg f −13.82 lg h+(44.9−6.55 lg h)lg d−A+C
式中 f——频率；b
h——基站天线有效高度；
d——发射天线和接收天线之间的水平距离；hmm
A=(1.1× lg f −0.7)h−(1.56lg f −0.8)；mm
C——大城市中心校正因子，大城市中的C为3 dB，中等城市m和郊区中心区中的C为0 dB。当模型应用于农村地区时，为了使预测结果更准确，需要对计算结果进行修正。
对于农村（准开阔地），结果修正为公式：2Lp(quasi−open)=Lp−4.78 ×[lg(f)]+18.33 × lg(f)−40.94
对于开阔地区，结果修正为公式：2Lp(open)=Lp−4.78 ×[lg(f)]+18.33 × lg(f)−40.942.2.4 Keenan-Motley模型
Keenan-Motley模型应用于室内环境。
视距传播模型（LOS）公式：σLp=20 lg d+20 lg f −28+X
非视距传播模型（NLOS）公式：Lp=20 lg d+20 lg f −28+L f(n)Xσ
式中 Xδ——慢衰落余量，取值与覆盖概率和室内慢衰落标准差有关；i
( )Lf n 0i==∑n P，pi表示第i面隔墙的穿透损耗，n表示隔墙数量。
隔墙穿透损耗典型值如表2-2所示。表2-2 隔墙穿透损耗典型值2.2.5 “通用”传播模型
在实际使用过程中，还需要考虑到现实环境中各种地物地貌对电波传播的影响，从而更好地保证了覆盖预测结果的准确性。因此，在各种规划软件里，一般都使用“通用”的传播模型，然后根据各个地区的不同情况，对模型参数校正后再使用。“通用”传播模型公式：121Txeff45Lp=K+Klg(d)+Klg(H)+K×Diffractionloss+Klg(d)×Txeff6Rxeffclutterlg(H)+K(H)+K f(clutter)1
式中 K——与频率相关的常数；2
K——距离衰减常数；
d——发射天线和接收天线之间的水平距离；3
K——基站天线高度修正系数；Txeff
H——发射天线的有效高度；4
K——绕射损耗的修正因子；
Diffraction loss——传播路径上障碍物绕射损耗；5
K——基站天线高度与距离修正系数；6
K——终端天线高度修正系数；Rxeff
H——接收天线的有效高度；clutter
K——地物clutter的修正因子；
f(clutter) ——地貌加权平均损耗。
不同地物地貌情况下的参考修正值如表2-3所示。无线电波传播模型表2-3 不同地物地貌情况下的参考修正值2.3 抗衰落技术
无线信道是随机时变信道。信号在无线信道中传播时会产生传播损耗（路径损耗）、慢衰落（阴影衰落）和快衰落。信号衰落示意图如图2-5所示。图2-5 信号衰落示意图
传播损耗是指在空间传播所产生的损耗，它描述了由于移动用户与基站之间相对距离发生变化而引起的损耗变化，主要与无线电波频率以及移动用户与基站之间的距离有关。
慢衰落损耗是由于在电波传播路径上受到建筑物及山丘等的阻挡所产生的阴影效应而产生的损耗。它反映了中等范围内数百波长量级接收电平的均值变化而产生的损耗，一般遵从对数正态分布。
快衰落损耗是由于多径传播而产生的损耗，它反映微观小范围内数十波长量级接收电平的均值变化而产生的损耗，一般遵从瑞利分布或莱斯分布。快衰落又可以细分为以下3类。（1）空间选择性衰落：不同的地点、不同的传输路径，衰落特性不一样。（2）时间选择性衰落：用户的快速移动在频域上产生多普勒效应而引起频率扩散，从而引起时间选择性衰落。（3）频率选择性衰落：不同的频率，衰落特性不一样，引起时延扩散，从而引起频率选择性衰落。衰落会降低通信系统的性能，为了对抗衰落，可以采用多种措施，常用方法有分集技术和均衡技术。2.3.1 分集技术
分集就是利用两条或多条传输途径传输相同信息，并对接收机输出信号进行选择或合成，来减轻衰落影响的一种措施。常用的分集技术有空间分集、极化分集、时间分集和频率分集。1.空间分集
空间分集采用主分集天线接收的方法来解决快衰落问题。基站的接收机对主分集通道分别接收到的信号进行处理（一般采取最大似然法），接收的效果由主分集天线接收的不相关性所保证。所谓不相关性，是指主分集天线接收到的信号与分集天线的接收信号不具有同时衰减的特性，这就要求采用空间分集时，主分集天线之间的水平间距大于10倍的无线信号波长。如图2-6所示，分集距离D的合理范围为10～20波长。或者采用极化分集的办法，保证主分集天线接收到的信号不具有相同的衰减特性。图2-6 分集距离D的合理范围为10～20波长2.极化分集
极化分集采用双极化天线，一根天线内有两个极化方向，衰落特性互不相关的两路多径A和B最终被合并成一路信号。极化分集与空间分集相比，可以节省安装空间。极化分集天线如图2-7所示。“V+H”表示垂直和水平两路信号，“\+/”表示+45°和-45°两路信号。图2-7 极化分集天线3.时间分集
时间分集采用符号交织、检错和纠错编码等方法。不同编码所具备的抗衰落特性不一样。编码也是当今移动通信广泛使用的技术。交织技术如图2-8所示。图2-8 交织技术4.频率分集
频率分集采取扩频方式来解决快衰落。频率分集理论的基础是相关带宽，即当两个频率相隔一定间隔后，就认为它们的空间衰落特性是不相关的。在移动通信频段中，当两个频率间隔大于200 kHz时，就可获得这种不相关性。在GSM移动通信中，采用跳频这种扩频方式来获得分集增益。在CDMA移动通信中，由于每个信道都工作在较宽频段，本身就是一种扩频通信。2.3.2 均衡技术
在数字通信系统中，由于多径传输、信道衰落等的影响，在接收端会产生严重的码间干扰（Inter Symbol Interference，ISI），增大了误码率。为了克服 ISI，提高通信系统的性能，在接收端需要采用均衡技术。均衡是指对信道特性的均衡，即接收端的均衡器产生与信道特性相反的特性，用来减小或消除信道的时变多径传播特性引起的码间干扰。
均衡有两种基本实现途径。一为频域均衡，它使包括均衡器在内的整个系统的总传输函数满足无失真传输的条件。它往往是分别校正幅频特性和群时延特性，序列均衡通常采用这种频域均衡法。二为时域均衡，就是直接从时间响应考虑，使包括均衡器在内的整个系统的冲击响应满足无码间串扰的条件。目前广泛利用横向滤波器来实现，它可以根据信道特性的变化而不断地进行调整，实现起来比频域均衡方便，性能一般也比频域均衡好，故得到广泛的应用。特别是在时变的移动通信中，几乎都采用时域均衡的实现方式。
时域均衡器常采用横向均衡器，横向均衡器原理如图2-9所示。它的主要部分是一组抽头延迟线。相邻抽头间的时延是T，即一个码元的持续时间。图2-9 横向均衡器原理图
有码间干扰的单个码元响应波形进入有抽头的时延线，经过各横i1向支路并乘以不同系数C后相加。调节C，可以抵消拖尾对下一个码s元（相距T）的干扰。类似的，调节其他抽头系数，可分别抵消对其他码元的干扰。这样，进行数码传输时，相互间就几乎没有码间干扰。有一套严谨的数学方法来计算抽头系数，如迫零算法、最小均方误差算法。在频带利用率高的数字通信设备中，常用这种均衡器。无线电波传播特性-衰落课后练习（1）请简述引起快衰落损耗的原因。（2）请分析自由空间传播模型中的距离d和频率f如何影响传播损耗。（3）当终端高速移向基站或远离基站时，产生的多普勒频移将会如何影响频率的变化？（4）采用空间分集时，为了保证主分集天线接收到的信号不具有相同的衰减特性，主分集天线之间的间距需要满足什么要求？（5）请简述什么是多普勒频移。（6）请简述什么是分级技术。移动通信系统中通常使用哪几种分级技术。（7）请简述什么是均衡技术。（8）工作在城市环境的某一移动通信系统，工作频率为800 MHz，基站天线高度为40 m，移动台高度为2 m，传输路径为平坦地形，通信距离为15 km，试用Okumura-Hata模型求传输路径的衰耗中值。第3章LTE关键技术
LTE 的主要设计目标是高峰值速率、高频谱效率和高移动性，采用低时延、低成本和扁平化的网络架构。为了实现这样的目标，LTE 运用了多种关键技术，本章节介绍正交频分复用、多入多出、高阶调制、自适应调制编码和载波聚合等关键技术。课堂学习目标
● 掌握正交频分复用的原理与特点
● 掌握多入多出的优势与分类
● 掌握高阶调制的原理
● 掌握自适应调制编码的原理
● 了解载波聚合的概念及约束条件3.1 正交频分复用
OFDM 技术由多载波调制（Multi-Carrier Modulation，MCM）技术发展而来。美国军方早在20世纪的50~60年代就创建了世界上第一个MCM系统。1970年衍生出采用大规模子载波和频率重叠技术的OFDM系统。但在以后相当长的一段时间，OFDM迈向实践的脚步放缓。由于OFDM的各个子载波之间相互正交，可采用快速傅里叶变换（Fast Fourier Transform，FFT）实现这种调制。但在实际应用中，实时傅里叶变换设备的复杂度、发射机和接收机振荡器的稳定性以及射频功率放大器的线性要求等因素制约了OFDM技术的实现。自20世纪80年代以来，随着数字信号处理（Digital Signal Processing，DSP）技术的发展，FFT技术的实现设备向低成本、小型化的方向发展，使得OFDM技术走向了高速数字通信的领域。LTE关键技术及特性-OFDM3.1.1 OFDM技术原理
OFDM 是一种多载波调制方式，通过减小和消除码间串扰的影响来克服信道的频率选择性衰落。它的基本原理是将信号分割为N个子信号，然后用N个子信号分别调制N个相互正交的子载波。OFDM子载波如图3-1所示。由于子载波的频谱相互重叠，因而可以获得较高的频谱效率。图3-1 OFDM子载波
OFDM还是一种多载波并行调制方式，将符号周期扩大为原来的N倍，从而提高了抗多径衰落的能力。OFDM可以通过快速傅里叶反变换（Inverse Fast Fourier Transformation，IFFT）和FFT分别实现OFDM的调制和解调。OFDM信号在发射时使用IFFT，把需要传输的比特信息调制到不同的子载波上。OFDM的调制过程如图3-2所示。
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]