LTE通讯基础知识

LTE（Long Term Evolution，长期演进）：由3GPP主导制定的无线通信标准。

IEEE对宽带无线制式物理层（PHY）和媒介接入控制层（MAC）制定了标准。

一、概要

对于无线的空口资源：空间资源指天线单元；频率资源指载波、频点资源；时间资源指时隙。这些都属于硬资源，因为不可再生。
码资源就不一样了。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。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计算能力要求就会苛刻。

CDMA（码分多址）：扩频码是用来扩展信号的频谱的，接收端用同样的码实现解扩。
正交扩频码定义：一、自己与自己按相位相乘之和大于0；
二、自己与别人按相位相乘之和等于0。
即使频带有所重叠的载波，也是可以相互区分不同的信道的，从而引入了正交子载波的概念。
正交子载波定义：一、Sin波和Cos波的乘积在一个周期T内的积分等于0；
二、Sin波和Cos波自身的平方在一个周期T内积分大于0。
这样在发送端用一定频率的正弦波调制信号，把要调制的数据作正弦波的系数a，在接收端如果用余弦波解调，可以得出结果恒等于0；而用正弦波就能解除真实的a。



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。接收端只要分别用同样的子载波进行运算，就可以解出原数据。
LTE的关键技术之一OFDM就是正交子载波的频分复用技术。

在2G、3G中有电路交换域（CS域）和分组交换域（PS域）。LTE的核心网取消了CS域，全部采用PS域。

二、网络架构

LTE/SAE（System Architecture Evolution，系统架构演进）包括无线接入网和核心网在内的组网架构变迁，是LTE各项演进的基础。3G UMTS协议中，组网架构为4层：终端（VE）、基站（NodeB）、无线网络控制器（RNC）、核心网（CN）。4层网络架构如下图：

TE/SAE的无线接入网叫eUTRAN（Evolved UMTS Terrestrial Radio Access Network，演进的通用陆地无线接入网络，3G叫eUTRAN，网络架构如下图：

eUTRAN和UTRAN比，去掉了RNC，减少了一层。
有几个好处：
（1）节点数量减小，用户面时延大大缩短

（2）简化了控制平面从睡眠状态到激活状态的过程，减少了状态迁移的时间

（3）降低系统复杂性，减少了接口类型，系统内部相应的交互操作也随之减少。

三、接口协议

无线制式的接口协议也分层，粗略分为物理层（层一，L1，PHY)、数据链路层（层二，L2，DLL）、网络层（层三，L3，NL）。
LTE空口控制面层三有两个功能模块：RRC（Radio Resource Control，无线资源控制）和NAS（Non Access Stratum，非接入层）。

UE和eNodeB之间的控制信令主要是无线资源控制（RRC）消息。RRC就相当于eNodeB内部的一个司令部，RRC消息携带建立、修改和释层二和层一协议实体所需的全部参数；另外，RRC还要给UE透明传达来自核心网的指示。
在干活前先听一下领导意见，UE和eNodeB在承载业务前，先要建立RRC连接。RRC模块的主要功能有系统信息的广播、寻呼、RRC连接管理、无线资源控制、移动性管理。

LTE的RRC状态管理比较简单，只有两种状态：空闲状态（RRC_IDLE）和连续状态（RRC_CONNECTED）。系统信息块个数降低很多，传输信道个数也减少了。这样针对系统信息或传输信道的参数配置也减少很多。

UE处于空闲状态时，接收到的系统信息有小区选择或重选的配置参数、邻小区信息；在UE处于连接状态时，接收到的是公共信道配置信息。

寻呼（Paging）消息是eUTRAN用来寻找或通知一个或多个UE，主要携带的内容包括拟寻呼UE的标识、发起寻呼的核心网标识、系统消息是否有改变的指示。UE划分成多个寻呼组，在空闲状态时并不是始终检测是否有呼叫进入，而是采用DRX方式，只有在特定时刻接收寻呼信息。可避免寻呼消息过多，减少UE功耗。

四、OFDM——正交频分复用技术

OFDM本质是一个频分复用系统，其子载波之间频率间隔为OFDM符号周期的倒数。OFDM就是利用相互正交的子载波来实现多载波通信的技术。在基带相互正交的子载波就是类似sinwt，sin2wt……和coswt，cos2wt，cos3wt……的正弦波和余弦波，属于基带调制部分。基带互相正交的子载波再调制到射频载波ωc上，称为可以发射出去的射频信号。

OFDM实现：（利用FFT实现正交变换，发射端使用IFFT实现多载波映射叠加过程）

OFDM中，使用的保护间隔是CP（循环前缀），即将每个OFDM符号的尾部一段赋值到符号之前。两个好处：一、大大减少了ISI（符号间干扰）；二、保证了信道见的正交行，大大减少ICI（多载波间干扰）。

五、LTE

LTE同时支持时分双工（TDD）和频分双工（FDD）。
FDD必须采用成对的频率区分上、下行链路（频率间有保护段），TDD是用同一频率不同时隙来区分上、下行信道的。其中FDD的上下行时间连续，可同时收发。
LTE有苛刻的时延要求，负载轻时，用户面t延时小于5ms。因此LTE系统必须用很短的交织长度（TTI）和自动重传请求（ARQ）。

信道就是信息的通道。不同的信息类型需要经过不同的处理过程。
广义地讲，发射端信源信息经过层三、层二、物理层处理，在通过无线环境到接收端，经过物理层、层二、层三的处理被用户高层所识别的全部环节，就是信道。
信道就是信息处理的流水线。上一道工序和下一道工序是相互配合、相互支撑的关系。
上一道工序把自己处理完的信息交给下一道工序时，要有一个双方都认可的标准，这个标准就是业务接入点（Service Access Point，SAP）。
协议的层与层之间要有许多这样的业务接入点，以便接收不同类别的信息。狭义的讲，不同协议之间的SAP就是信道。

LTE采用UMTS相同的三种信道：逻辑信道、传输信道和物理信道。

物理信道是高层信息在无线环境中的实际承载。在LTE中，物理信道是由一个特定的子载波、时隙、天线口确定的。即在特定的天线口上，对应的是一系列无线时频资源（Resource Element，RE）。
物理信道一般要进行两大处理过程：比特级处理和符号级处理。
从发射端角度看，比特级处理是物理信道数据处理的前端，主要是在二进制比特数据流上添加CRC校验；进行信道编码、交织、速率匹配以及加扰。
加扰之后进行的是符号级处理，包括调制、层映射、预编码、资源块映射、天线发送等过程。
在接收端先进性的是符号级处理，然后是比特级处理，处理顺序与发射端不同。

信道映射是指逻辑信道、传输信道、物理信道之间的对应关系，这种对应关系包括底层信道对高层信道的服务支撑关系及高层信道对底层信道的控制命令关系。

从图中可以看出LTE信道映射的关系有以下几个规律：

（1）高层一定需要底层的支撑，工作需要落地；

（2）底层不一定都和上面有关系，只要干好自己分内的活，无须全部走上层路线；

（3）无论传输信道还是物理信道，共享信道干的活种类最多；

（4）由于信道简化、信道职能加强，映射关系变得更加清晰，传输信道DL/UL-SCH功能强大，物理信道PUSCH、PDSCH比UMTS干活的信道增强了很多。

六、MIMO

MIMO技术和OFDM技术一起并称为LTE的两大最重要物理层技术。最早的多天线技术是一种接收分集技术。多条接收通道同时处于深度衰落的可能性比单天线通道处于深度衰落的可能性小很多。接收分集可以提高无线传输的可靠性，基站侧布置多个接收天线实现上行接收分集较为容易。但终端侧布置多个天线会提高手机复杂度和成本，实现较困难，那能不能在基站侧实现发射分集（多天线发射相同的数据流）来提高下行传输可靠性呢？人们尝试这样做，但发现多天线发送相同的数据流，他们是相互干扰的，甚至会相互抵消，起不到分集的作用。想要实现发送分集，必须解决发送天线之间无线链路的正交性问题。


MIMO系统容量会随着发射端或接收端天线数中较小的一方min（Mr，Mt）的增加而线性增加（不是对数增加）。

有两个思想要提到一下：
空分复用（Space Multiplexing，SM）思想是把1个高速的数据流分割为几个速率较低的数据流，分别在不同的天线进行编码、调制，然后发送。天线之间相互独立，一个天线相当于一个独立的信道，接收机利用空间均衡器分离接收信号，然后解调、解码，将几个数据流合并，恢复出原始信号。

空间分集（Space Diversity，SD）的思想是制作同一个数据流的不同版本，分别在不同的天线进行编码、调制，然后发送，如图所示，这个数据流可以是原来要发送的数据流，也可以是原始数据流经过一定的数学变换后形成的新数据流。同一个东西，不同的面貌。接收机利用空间均衡器分离接收信号，然后解调、解码，将同一数据流的不同接收信号合并，恢复出原始信号。空间分集可以起到可靠传输数据的作用。

复用技术和分集技术，都涉及把一路数据变成多路数据的技术，即时空编码技术。
空间分集常用的技术有STBC（空时块编码）、SFBC（空频块编码）、TSTD/FSTD（时间/频率转换传送分集）、CDD（循环延时分集）。

多天线技术主要指以下四种：空间复用、空间分集、空分多址（SDMA）、波束赋型。
空间分集利用天线间的不相关性来实现，这个不相关要求天线间距在10个电磁波波长以上。目的是提高链路质量而不是链路容量。
空间复用也是利用天线间不相关性来实现的。一般需要多个发射和接受天线，是一种MIMO方式，也可以是智能天线方式。在复用时，并行发射和接受多个数据流，目的是调高链路容量（峰值速率），而不是链路质量。
空分多址是利用相同的时隙、相同的子载波，但不同的天线传送多个终端用户的数据。不同用户的数据如果要彼此相互区别就要求天线间的不相关性。空分多址的主要目的是通过空间上区别用户，在链路上容纳更多的用户，提高容量。
波束赋型利用电磁波之间的相干特性，将电磁波的能量（波束）集中于某个特定的方向上。不同于以上三种，波束赋型利用的是天线阵元之间的相关性。因此波束赋型要求天线之间的距离小一些，通常在波长的1/2左右。主要目的是增强覆盖和抑制干扰。使用波束赋型的多天线技术，就是传统的智能天线（Smart Antenna)技术，也叫AAS（Adaptive Antenna System，自适应天线系统）。TD-SCDMA系统的关键技术就是智能天线。

MIMO的实现可以看成：
把货物运送的港口的过程分为三个步骤：

步骤一：打包方式的选择（类似传输块TB的形成）；

步骤二：根据货物的种类和去往的目的地进行初步的分类（类似层映射）；

步骤三：运输公司的选择（预编码矩阵的选择）。

简单说一个信息处理的过程：
以发送图片为例，经过手机高层对照片的处理，把照片变成了告诉的比特流，这个过程就是信源编码的过程。这些告诉比特流要在MAC层按照一定的方式进行打包封装，形成传输块（TB）。TB就是MAC层传到物理层的货物。TB是一个子帧内含有信道编码前的比特数据，时间长度为1ms（一个TTI）。一个TB由很多个RB组成，也就是说，TB块有大有小，取决于调度器（Scheduler）分配给某用户的资源数量、调制编码方式、天线映射方式等。 然后送到物理层进行处理。