LTE架构与实现
2017-06-22
1总体概况
LTE的产生路线：
IEEE主导的802工作组提出宽带无线化，802.16 WiMax直接对3GPP的3G技术产生了冲击，由此3GPP提出LTE. 而宽带的无线化和通信的宽带化需求也为LTE奠定了基础。
LTE协议上指出要确保至少十年内的领先，提出了"最小可选项，没有冗余强制特性"的要求。
设计目标：
LTE的总需求是网络性能更好，成本更低，采样率OPDM，MIMO，64QAM关键技术。
覆盖：5km满足所有指标，30km保证移动性，100km保持连接；
容量：5MHz 200用户，5MHz-20MHz 400用户；
吞吐率：20M带宽下下行100Mbps，上行50Mbps；
时延：接入网用户面10ms，控制面100ms.
(在LTE大规模应用之前，还提出了HSPA+和EDGE+，用于对现有3G投入进行改造升级)
2基本概念
正交：
，正交码，正交子载波
复用：不同信号通过一个信道发送，为了提升容量。时、空、码、频
分集：同一信号通过不同通路传播，为了提高可靠性。频、时、空、角度、极化方向
复用(Division Multiplexing)和多址(Division Multiple Access)的区别：复用从传输多路数据角度考虑，多址区分不同的用户。
自适应：功率自适应，速率自适应(自适应多速率AMR，自适应调制编码AMC)，动态信道分配。
交换方式：LTE的核心网中取消了电路交换(CS)，只存在分组交换方式(PS)。
//无线资源分配：无线资源管理模块(RRM)负责无线资源的管理和调度.
无线组网架构：LET采用扁平化的架构，eNB中集成了基站控制器和基站的功能。eNB之间有线连接。
3 LTE的扁平化组织架构
LTE将传统3G网的4层结构减少到了3层，去掉了RNC(无线网络控制器)，这有助于降低系统复杂性，减小用户面延迟。
eNodeB之间增加了X2接口，使得eNB之间可以互连，ip化传输，最小化了"单点失败"，网络健壮性提升。
eNodeB具有射频处理，基带处理，无线资源管理，移动性管理功能，相当于以前的NodeB和RNC。
核心网演进为EPC(Evolved packet core)。EPC由MME(Mobility Management Entity),SGW(Serving Gateway)和PGW(Packet Data Node GateWay)构成。EPC的演进将电路交换域CS的任务转移到了分组交换域PS上，实现了全IP化，语言业务可以从CS域转移到PS上，即VoIP（voice over IP）。
（扩展：各制式对应的接入网名称：）
制式 |
接入网 |
制式 |
接入网 |
LTE |
eUTRAN |
CDMA |
1xRTT |
UMTS(WCDMA TD-SCDMA) |
UMTS |
CDMA2000 |
HRPD |
GSM、 EDGE |
GERAN |
LTE的EPC在设计时为多制式支持和多网融合预留了丰富的接口，如图3.8. eUTRAN与EPC之间的功能划分如图3.9.
其中服务网关SGW是EPC与eNodeB 之间的网关，PGW是该EPC与其他分组交换网络之间的网关。一般MME和PGW不会位于一个物理实体内。
4接口
接口分为空中接口和地面接口，接口协议的架构称为协议栈。
LTE的空中接口为UE到eNB的LTE-Uu接口，地面接口有eNB之间的X2接口和EPC和eNB之间的S1接口。
空中接口：2017-06-23
空中接口接口可以分为3层，分别是物理层(PHY)、数据链路层(DLL)、网络层(NL)；分2个面，用户面和控制面。物理层没有区分用户面和控制面，但第二层以上就开始区分了，在核心网中，两个面位于不同的实体上。三层和两面可以用图4-1表示：
用户面没有第三层功能模块，第二层的主要功能模块有：媒质接入控制（Medium Access Control，MAC），无线链路控制（Radio Link Control，RLC），包数据汇聚协议（Packet Data Convergence Protocol，PDCP）。发送端的IP数据流经过头压缩，加密，分段，复用，送到物理层，接收端以相反顺序恢复数据帧。控制面的第二层与用户面的对应模块类似，只是在PDCP中还需对信令作完整性校验。
第三层是对控制面而言的，具有两个模块：无线资源控制（Radio Resource Control，RRC）,非接入层(Non Access Stratum，NAS)。位于eNB的RRC向层一层二释放设置参数，同时向UE传达核心网的参数，负责系统信息的广播、寻呼、RRC连接管理、无线资源控制，以及移动性管理。NAS负责UE和MME之间的信令交换，eNodeB只起到传输作用。
地面接口：
同级之间X2接口：用于eNB和eNB之间的连接，在用户面上提供基于IP的不可靠业务数据连接（UDP/IP + GTP-U），在控制面上基于IP的可靠信令传输（IP + SCTP）。
上下级接口S1：S1接口连接eNB和核心网的SGM，也是建立在IP基础上，与X2架构基本一致。
5 OFMD
从频率复用角度解释：
OFDM根本上是一种频分复用技术，基带的子载波设置相互正交( exp(nwt) )。在接收端以对应频率本振，在一个码元周期内积分，可以解得原始信息。频域上看，虽然子载波间有重叠，但由于码元长度相等，一个子载波的峰值位于相邻载波的零点上，因为不会造成干扰。OFDM调制解调的原理如图5-4.
OFDM通过串/并行转换，将宽带单载波转换成了窄带多载波，增大了码元周期，可以减小多径干扰，降低了均衡的复杂度。上图中，OFDM的调制数学表达式为：
$$s(t) = \sum\limits_{n = 1}^N {{a_n}(t)\cos (n{\omega _o}t)} - {b_n}(t)\sin (n{\omega _o}t) = \sum\limits_{n = 1}^N {{x_n}(t){e^{n{\omega _o}t}}} $$
与傅里叶反变换的形式相同，因此在数字系统中可以用IFFT实现，IFFT之后的时域信号称为一个OFDM符号。同理，恢复出${x_n}(t)$可以用FFT. 整个系统的实现如图5-6.
多径干扰的存在会造成载波间干扰ICI，在OFMD符号上使用循环前缀CP可以对抗多径干扰。
LET载波间隔为15kHz，一个时隙（slot）包含7个OFDM符号周期，而符号周期包含了符号时间和循环前缀的时间。
OFDMA多址：
下行使用OFDMA多址接入。OFDMA在时间和频域上维度上分配给不同用户，形成物理资源块（PRB），1个PRB包含12个子载波（15k×12=180kHz），7个OFDM符号周期（0.5ms）。而一个子载波和一个符号周期称为一个资源单位（RE），所以1PRB=84 RE. 每一个RE可以根据环境切换不同的调制方式，分别为QPSK，16QAM，64QAM，同时信道带宽动态调整机制将会调整信道带宽，这将改变子载波的个数，进而影响PRB个数。为了模块化，引入了虚拟资源块VRB，映射到PRB。
上行使用SC-FDMA（Single Carrier Frequency Division Multiple Access），使用了DFT-S-OFMD，在频域进行预扩展，以减小峰平比。UE的单载波对于接入网来说是子载波，而且UE发射的载波之间是相互正交的。
从码分复用角度解释[1]
2017-06-27
OFDM也可以看成是一种码分复用的方式，其扩频码$${{\bf{c}}^k} = {[c_1^k{\kern 1pt} {\kern 1pt} c_2^kc_3^k \cdots {\kern 1pt} {\kern 1pt} c_Q^k{\kern 1pt} {\kern 1pt} ]^{\text{T}}}$$
，其中Q是扩频码长，k为发送码元的序号。
发射端将码元经过串、并转换，包含不同数据的位同时叠加后发射。
对于第k个码x^k，扩频后为$${{\bf{x}}^k} = {{\bf{c}}^k}{x^k}$$，
一次并行发射K个码元，则$${\bf{x}} = \sum\limits_{k = 1}^K {{{\bf{c}}^k}{x^k}} $$。
与CDM不同在于OFDM的扩频码是正交的复数，可以是
$$\eqalign{
& {{\bf{c}}^k} = {[c_1^k{\kern 1pt} {\kern 1pt} c_2^kc_3^k \cdots {\kern 1pt} {\kern 1pt} c_Q^k{\kern 1pt} {\kern 1pt} ]^{\text{T}}} \cr
& {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} = {\left[ {{e^{\frac{{j2\pi (k - 1)}}{Q} \cdot 0}}{\kern 1pt} {\kern 1pt} {e^{\frac{{j2\pi (k - 1)}}{Q} \cdot 1}}{\kern 1pt} {\kern 1pt} {e^{\frac{{j2\pi (k - 1)}}{Q} \cdot 2}}{\kern 1pt} {\kern 1pt} {e^{\frac{{j2\pi (k - 1)}}{Q} \cdot 3}}{\kern 1pt} \cdots {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {e^{\frac{{j2\pi (k - 1)}}{Q} \cdot (Q - 1)}}} \right]^{\text{T}}} \cr} $$
X就可以表示为矩阵形式：
$$\eqalign{
& {\bf{x}} = \sum\limits_{k = 1}^K {{{\bf{c}}^k}{x^k}} \cr
& {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} = {\bf{C}}\operatorname{X} \cr} $$
其中，
,
当Q=K时，上式就是IDFT的表达式，即使K
通过IFFT运算之后得到的序列就是OFMD的一个符号。
OFMD的符号在时域上看，有两个特点，1是码元周期扩展了，这就可以应对衰弱影响，2是多个并行码元的叠加。从频域上看，由Q个正交子载波组成，虽然彼此重叠，但因为正交性，在接收端可以解扩频，也即通过FFT实现。
6 TDD与FDD
LTE可以同时支持TDD和FDD两种双工模式，两者只在物理层软件上不同，MAC层以上都是类似的。
TDD双工是在同样的频率上对时间复用；FDD是在连续时间上对频率复用。图6-3直观描述了FDD和TDD的区别。目前标准支持的频段数量FDD明显多于TDD，FDD的频段特性也更优。
采样周期：对每个15kHz带宽的子载波采样2048点，因此采样周期Ts=1/15k/2048=0.033us.
帧结构：
FDD和TDD的帧结构实现了同一，不同之处在于TDD帧内存在特殊帧，以及上下行转换点。
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Ref.
1通信之道，从微积分到5G
2 LTE轻松进阶