项目2　LTE网络和LTE关键技术的认知

【项目内容】

对LTE的发展进程、特性进行介绍，从整体上讲解LTE是怎么来的，是什么及未来发展的方向；在了解LTE背景下对LTE关键技术进行介绍，以便深入地理解LTE的技术知识。

【知识目标】

了解LTE标准化进程、发展现状及发展方向。

熟知LTE的网络架构、不同制式LTE的帧结构和LTE的信道及映射。

理解LTE的调制技术、多天线技术、调度机制以及中调度机制和功率分配。

掌握LTE中的不同状态、系统消息类型和功能、同步和小区搜索以及接入过程等。

任务1　认知LTE

【知识链接】 LTE初步认识

从20世纪70年代开始，现代通信技术进入到一个飞速发展阶段；从第一代的模拟技术到OFDM的大数据时代，移动通信先后经历1G到4G的发展历程，如图2-1所示。受不同时期技术的限制，每个时代通信的容量和质量都不一样；简单地说1G是小容量语音时代，2G是语音+文本时代，3G是语音+图片+小视频时代，4G才真正进入大数据时代。而在近代通信行业发展的过程中，“宽带接入移动化”和“移动通信宽带化”相互竞争与融合，正是这种竞争与融合的关系大幅推动了近代通信的进步，演绎出802.16m和LTE的行业标准。

图2-1　移动通信技术发展历程

2004年IEEE开始802.16系列标准（WiMAX）制定，其理论速率达到75Mbit/s。这一标准的提出极大地刺激了3GPP组织，3GPP意欲打造新的通信标准，并要在较长时间处于国际领先水平。2008年12月R8版本发布，即LTE正式面世。

长期演进（Long Term Evolution，LTE）是根据3G演进而来的，采用OFDM、MIMO和多天线等关键技术，在3G的基础上增强了空口接入技术。根据3G的不同标准产生两个不同的演进版本，即WCDMA→FDD-LTE和TD-SCDMA→TD-LTE。FDD-LTE主要由欧洲发起，并在全球快速形成产业链，应用范围较广。TD-LTE主要由我国发起，在亚洲和非洲应用较广。为了保证全球LTE技术相互融合，FDD-LTE和TD-LTE的关键技术、帧结构、系统构架等极为相似。

LTE采用扁平化系统设计，简化了网络结构，优化了信令过程；从而LTE在设计之初便具有以下特性。

（1）高速率：在20MHz带宽时，下行速率达到100Mbit/s，上行速率达到50Mbit/s；随着技术的更新和发展，LTE的上下行速率将会进一步提升。

（2）高效率：LTE下行频谱效率为5bit/s/Hz，是HSDPA的3～4倍；上行频谱效率2.5bit/s/Hz，是HSUPA的2～3倍。

（3）高容量：配置在5MHz带宽情况下，LTE可支持200个激活用户；配置在20MHz带宽情况下，LTE可支持400个激活用户。

（4）低时延：无线接入网UE到eNodeB之间用户面的连接时延小区5ms，控制面的连接小区100ms。

（5）低成本：采用扁平化结构，减少网元种类；即相对于3G系统结构，减少了RNC，减少了投入。LTE基站可与3G、2G共址建设，并支持多制式间互操作，可灵活组网，减少建站成本。LTE系统具备自组织网络（Self Organization Network，SON）功能，即自规划（Self-Planning）、自配置（Self-Configuration）、自优化（Self-Optimization）、自维护（Self-Maintenance）的能力；减少运营成本。

（6）灵活带宽：LTE支持6种带宽配置，即支持1.4MHz、3 MHz、5MHz、10MHz、15MHz、20MHz不同的带宽。

（7）增强移动性：0～15千米/小时为最优的性能，15～120千米/小时是较高的性能，120～350千米/小时可支持实时业务。

任务2　了解LTE的发展

【知识链接1】 LTE网络的标准化进展

第三代合作伙伴项目（3GPP）的组织成立于1999年 1月，是欧洲的ETSI、日本的ARIB、日本的TTC、韩国的TTA、美国的ATIS和中国的CCSA六个标准化组织。它是制定LTE/LTE Advanced、3G UTRA、2G GSM系统标准的开发机构，由 4 个技术规范组（TSG）组成，如图2-2所示。

图2-2　3GPP组织机构

3GPP组织由项目协调组（Project Cooperation Group，PCG）负责3GPP总的管理、时间计划、工作分配等；而技术规范组（Technology Standards Group，TSG）负责技术方面的工作。

目前，3GPP包括四个TSG，分别负责核心网和终端（Core Network and Terminal，TSG CT）、系统和业务方面（Service and System Aspects，TSG SA）、无线接入网（Radio Access Network，TSG RAN）以及GSM EDGE无线接入网（GSM EDGE Radio Access Network，TSG GERAN）方面的工作。其中，每一个TSG又进一步可以分为多个不同的工作组（Work Group，WG），每个WG分别承担具体的任务。

2004年3GPP举办了一个研讨会，开启了继3G技术的长期演进（LTE）工作。会议决定在2004年12月在TSG RAN创建一个研究项目，负责LTE相关工作。该项目的前6个月是需要讨论阶段，而在2005年6月获得批准，进入标准研究阶段，在标准研究阶段确定采用OFDM技术等一些关键性技术。2006年中进入标准制定阶段，但直到2007年12月才获得ITU批准。LTE标准不同版本发布的时间如图2-3所示。

图2-3　LTE标准化进程

【知识链接2】 LTE网络的发展现状

从全球LTE市场发展情况来看，LTE已经如火如荼，根据全球移动供应商联盟（the Global mobile Suppliers Association，GSA）信息，截至2015年6月，全球共有142个国家和地区422个LTE网络正式商用，在过去的一年内全球有106个LTE网商用，而在全球共有181个国家和地区638个运营商承诺发展LTE网络（包括已商用的422个LTE网络）。

根据GSA统计报告，截至2015年3月，全球LTE用户已经超过6亿，仅在2015年第一季度全球LTE新增用户1.237亿，如图2-4所示，而此时3G用户增长为0.78亿，LTE新增用户超过3G增长用户数的58%。与此同时，GSM用户下降1亿。

图2-4　全球用户发展情况

从2011年2月起，LTE终端发展非常迅速，截至2015年6月，支持LTE的终端达到3253种，如图2-5所示，仅在2014年就产生了1275种新型终端。在2646类终端中，智能手机达到1395种，占比为53%；其次LTE无线路由器种类为612种，占比23%。其他应用包括数据卡、调制解调器、智能平板、笔记本电脑、相机等。

图2-5　全球终端发展情况

在国内，三家运营商都已经取得了LTE的牌照，中国移动的LTE TDD网络经过2年多的发展已经趋于成熟，市场用户超过1亿。中国联通和中国电信同样发力LTE，进行大规模的LTE网络建设和工程优化，这种竞争会将国内LTE网络引向成熟，给用户带来更多的实惠。

【知识链接3】 LTE的发展前景

1．LTE全球发展强劲

2013年，全球多家运营商开始布局和商用LTE网络，LTE进入发展的快车道。在通信发达的美国、日本、韩国以及部分欧洲国家，LTE基本都达到全覆盖。LTE在全球发展呈现两种情况，一是投资建设、商用运营，如中国；二是深度优化，提升覆盖和容量，如美国。

美国通信运营商较多，其中处于LTE主导地位有四家，分别是Verizon无线、AT&T、Sprint和T-Mobile。2010年开始，Verizon无线开始部署LTE网络，是目前美国LTE网络规模最大、覆盖区域最广的运营商。迫于Verizon无线的压力，AT&T、Sprint也于2012年开始部署LTE网络，其网络规模仅逊于Verizon无线，占据着重要地位。2013年T-Mobile开始LTE的商用部署，但其重点发展HSPA+业务。目前美国LTE网发展已经非常成熟，主要的四家运营公司先后升级LTE为LTE Advanced，从业务类型、商场营销等方面开展全面竞争。

LTE在中国的发展晚于美、日、韩等通信技术先进国家，2013年底工信部发放了TD-LTE的牌照，但在当时仅中国移动开展了大规模建设、优化，以及后期商用；中国联通和中国电信仅仅以试验网之名进行验证性投资和建设。业界普遍认为2014年工信部将进行LTE多牌照的发布，LTE将在国内掀起通信技术革新的新高潮。然而由于种种原因，LTE牌照发布一波三折，直到2015年2月27日中国联通和中国电信获得FDD-LTE牌照。也就是说，中国电信和中国联通对LTE的大规模投资和建设比中国移动整整晚了一年多，LTE在国内发展呈现出一家引领，两家追随的格局，国内LTE的竞争在2015年才真正开始，出现蓬勃生机。

除此之外，韩国、日本、新加坡、中国香港均为早期发展LTE的国家和地区，LTE网发展水平和情况与美国类似，均进入深度优化和升为LTE Advanced的阶段；而在全球其他区域LTE发展水平不一，有正在建设的、有试商用的、有商用发展阶段的。正是这种不平衡的发展才展现出全球LTE的蓬勃生机。

2．LTE Advanced引领未来

基于LTE增强的LTE Advanced已经在3GPP 的R10版本正式发布，后续的版本R11、R12已经对LTE Advanced进一步完善和增强。从标准准备和制订来看，R12并非LTE Advanced的终结版本，R13的准备工作正在紧张进行中。3GPP每一个版本都在无线接入技术上引入更多的能力和进一步增强系统性能，同时扩大业务范围，应用在更广的领域。

（1）更高效、更节能

自从移动通信技术产生以来，能耗一直是一个令运营商、设备厂商和手机厂商头痛的问题；能耗往往与覆盖效果、通信质量密切相关，甚至在很多情况下需要以更高的能耗换取最佳的通信质量。在移动通信网络建设得越来越复杂，网络节点越来越多的情况下，降低能耗成为一个非常重要的问题。首先，能源价格对于运营商而言是一项非常高的支出，作为运营商想要不断的压缩运营成本，就需要各通信节点以更低的能耗运行。其次，手机厂商为了给手机更多的电路空间和更大程度的增加待机时长，只能要求电池体积越来越小、容量越来越大、手机能耗越来越低。最后，通信设备厂商为了适应运营商对能耗的要求，不断提高自身的产品竞争力，就会不断地对产品进行改进，采用更高密度的集成设备，降低设备的能耗。

在2G时代，通信设备已经具有功率控制技术；在3G时代功率成为一种无线资源；这些都是在保证通信质量的前提下降低能耗的手段。在LTE网中，同样有功率控制技术，在以后的演进版本中此项技术更会增强，以达到空载时用非常低的能耗运行。

（2）物物通信得以实现

物联网已经是一项非常热门的技术，简单地说就是通过特定的接入手段（红外、蓝牙等）将所有的物品都接入到互联网中进行分析和管理的技术。LTE在设计之初就付出巨大的精力来研究和实现物物通信，LTE的宽带化、低时延为物物通信提供了传输支撑；LTE产业化已经非常发达，各类芯片被广泛应用，只需要对物物（相应产品，如交通监控器、车载终端、水电表等）进行相应的改造就可实现LTE的接入并将采集相应的数据进行传输，或者接受相应的指令进行相应的动作。预计未来在交通、安防、电网等行业会较早实现；在其他行业，如医疗、矿山开采、农业生产等领域也会陆续应用。

（3）安全性更好

首先，LTE是全IP化的网络，随着智能终端和移动应用的增多，网络承载的负荷不断变大，严重威胁着网络的安全，随时有可能超过网络所能承载的负荷导致全网崩溃。其次，随着越来越多基于IP通信网络节点的接入，登录LTE网中的所有终端、网络节点都暴露在互联网中，更容易受到来自互联网的攻击。这就要求LTE网络要有强有力的安全机制，一方面能保障通信网络的正常运营，另一方面保障整张LTE网络不受攻击。目前来看，LTE采用了EPS方案，对终端和网络中节点进行比较有效的保护，但互联网中的安全就像一个大盾牌，总会有矛攻破它的时候，随着信息技术的发展，需要把更优秀的安全机制引入到LTE网中。

（4）更智能

由于LTE网络规模越来越大，多种制式并存，在规划、优化、维护方面需要更大的投入。应运营商降低成本的要求，LTE网络需要具有很好的自维护能力、自优化能力，因此在LTE-advanced中引入了自组织网络（Self-Organized Network，SON）概念，SON具有自规划、自配置、自优化和自修复四大功能，其主要目的是减少运营成本，增强操作效率，增强网络性能和稳定性。虽然SON功能在3GPP中已经做了相应的规范，但在实际应用中仍未达到预期效果。未来的LTE网络将在现有SON各项功能的基础上加强，根据LTE网的实际情况协调其他网络对LTE进行强有力的支撑；快速分析网络性能，动态地进行参数调整；快速判断故障，实现自我修复。

任务3　认知LTE网络

【知识链接1】 LTE无线频率划分

LTE可使用的频段较为宽泛，配置非常灵活；它的这一特性使得LTE支持全球主流的2G/3G频段，同时也支持新增频段。全球频段划分如表2-1所示。

表2-1　3GPP LTE频谱划分

频段号	上行频段（MHz）	下行频段（MHz）	双工方式	信道带宽	频带（MHz）
1	1920～1980	2110～2170	FDD	5, 10, 15, 20	2100
2	1850～1910	1930～1990	FDD	1.4,3,5,10, 15, 20	1900
3	1710～1785	1805～1880	FDD	1.4, 3, 5, 10, 15, 20	1800
4	1710～1755	2110～2155	FDD	1.4, 3, 5, 10, 15, 20	1700
5	824～849	869～894	FDD	1.4, 3, 5, 10	850
6	830～840	875～885	FDD	5, 10	850
7	2500～2570	2620～2690	FDD	5, 10, 15, 20	2600
8	880～915	925～960	FDD	1.4, 3, 5, 10	900
9	1749.9～1784.9	1844.9～1879.9	FDD	5, 10, 15, 20	1800
10	1710 ～1770	2110～2170	FDD	5, 10, 15, 20	1700
11	1427.9～1447.9	1475.9～1495.9	FDD	5, 10	1500
12	699～716	729～746	FDD	1.4, 3, 5, 10	700
13	777～787	746～756	FDD	5, 10	700
14	788～798	758～768	FDD	5, 10	700
15	1900～1920	2600～2620	FDD	5, 10
16	2010～2025	2585～2600	FDD	5, 10, 15
17	704～716	734～746	FDD	5, 10	700
18	815～830	860～875	FDD	5, 10, 15	850
19	830～845	875～890	FDD	5, 10, 15	850
20	832～862	791 ～821	FDD	5, 10, 15, 20	800
21	1447.9～1462.9	1495.9-1510.9	FDD	5, 10, 15	1500
22	3410～3490	3510 ～3590	FDD	5, 10, 15, 20	3500
23	2000～2020	2180 ～2200	FDD	1.4, 3, 5, 10	2000
24	1626.5～1660.5	1525～1559	FDD	5, 10	1600
25	1850～1915	1930- 1995	FDD	1.4, 3, 5, 10, 15, 20	1900
26	814～849	859～894	FDD	1.4,3,5,10, 15	850
27	807～824	852～869	FDD	1.4, 3, 5, 10, 15	850
28	703～748	758～803	FDD	5, 10, 15, 20	700
29	N/A	716～728	FDD	5, 10	700
30	2305～2315	2350～2360	FDD	5, 10	2300
31	452.5～457.5	462.5～467.5	FDD		450
未分配	1915～1920	1995～2000	FDD		1900
未分配	1755～1780	2155～2180	FDD		1700
33	1900～1920		TDD	5, 10, 15, 20	2100
34	2010～2025		TDD	5, 10, 15	2100
35	1850～1910		TDD	1.4, 3, 5, 10, 15, 20	1900
36	1930～1990		TDD	1.4, 3, 5, 10, 15, 20	1900
37	1910～1930		TDD	5, 10, 15, 20	1900
38	2570～2620		TDD	5, 10, 15, 20	2600
39	1880～1920		TDD	5, 10, 15, 20	1900
40	2300～2400		TDD	5, 10, 15, 20	2300
41	2496～2690		TDD	5, 10, 15, 20	2500
42	3400～3600		TDD	5, 10, 15, 20	3500
43	3600～3800		TDD	5, 10, 15, 20	3700
44	703～803		TDD	5, 10, 15, 20	700

在使用过程中，上下行载波频率用绝对无线频点号EARFCN标识，范围为0-65535。计算方法如下。

下行　　　　　　　　FDL = FDL_low + 0.1（NDL−NOffs-DL）

上行　　　　　　　　FUL = FUL_low + 0.1（NUL−NOffs-UL）

主要频段和频点对应如表2-2所示。

表2-2　常见LTE频谱

频段号	下　　行			上　　行
	FDL_low （MHz）	NOffs-DL	下站频点序列	FUL_low （MHz）	NOffs-UL	上行频点序列
1	2110	0	0～599	1920	18000	18000～18599
2	1930	600	600～1199	1850	18600	18600～19199
3	1805	1200	1200～1949	1710	19200	19200～19949
7	2620	2750	2750～3449	2500	20750	20750～21449
38	2570	37750	37750～38249	2570	37750	37750～38249
39	1880	38250	38250～38649	1880	38250	38250～38649
40	2300	38650	38650～39649	2300	38650	38650～39649
41	2496	39650	39650 ～41589	2496	39650	39650 ～41589

在中国LTE频谱的划分情况如表2-3所示。

表2-3　中国LTE频谱

归　　属	TDD		FDD		合计
	频段	频谱资源	频段	频谱资源
中国移动	1880～1900MHz	20MHz			130MHz
	2320～2370MHz	50MHz
	2575～2635MHz	60MHz
中国联通	2300～2320MHz	20MHz	1850～1860MHz	10MHz	50MHz
	2555～2575MHz	20MHz
中国电信	2370～2390MHz	20MHz	1860～1875MHz	15MHz	55MHz
	2635～2655MHz	20MHz

虽然频谱资源的划分为上表所示，但在实际使用中运营商可以根据自己所拥有的频谱资源进行相应的调整，选择最适合自己的频谱使用。

【知识链接2】 LTE无线接入网的架构

LTE无线接入网架构分为两个部分，即系统架构和协议架构。本知识链接将分别对系统架构进行总体介绍和对协议架构进行简单描述，从总体上把握LTE无线接入网的架构。

根据3GPP的要求，LTE无线接入网系统架构采用扁平化设计，相对于3G/2G更简单，取消了基站控制器（3G取消了RNC、GSM取消了BSC），仅有eNodeB（eNB）、MME和S-GW三个网元；后来3GPP通过新版本的发布引入了新功能，增加了Home eNodeB（HeNB）和X2 GW。

LTE基本架构与传统通信系统相比有如下主要变化。

1．取消CS域

LTE取消了CS域，减少了相应的网元，简化了网络结构，使得网络IP化更加容易，节省了成本。但LTE并非放弃了语音业务，目前LTE语音可以通过三种方式实现，CSFB（Circuit Switched Fallback，即语音接入时回落到3G或者2G，语音结束时重回LTE）、VoLTE（语音IP化）、SGLTE（Simultaneous GSM and LTE，即PS域驻留在LTE网、CS域驻留在3G或者2G网）。

2．全IP化

全网各网元之间全部使用IP传输。IP化传输成本更低，性价比更高；但是IP化的网络是非保障的，只是尽力而为的网络，在网络稳定性上和QoS质量上要求会更高。

3．实现控制和业务分离

用户面和控制面完全分离，即用户面和控制面由不同的网元实体完成。这样有利于降低系统时延，提高业务处理效率。

LTE无线接入网采用扁平化架构，它只有eNodeB（eNB）一个单一的节点，主要完成一个或者多个小区的无线相关功能。eNodeB只是一个逻辑节点而非物理实现，eNB的实现通常是一个三扇区的基站，但基站并不等同于eNodeB。

从图2-6中可以看出，eNodeB通过X2接口相互连接，它完成UE在LTE网内的移动性管理、小区负荷管理、小区间干扰协调、X2接口管理和错误处理功能。eNodeB通过S1-u与S-GW相连，提供eNodeB与S-GW之间用户面PDU非保证传输；基于UDP/IP和GTP-U。eNodeB通过S1-c与MME相连（有时也叫此接口为S1-MME接口），提供S1-AP信令的可靠传输，基于IP和SCTP。为了LTE网的负荷分担和冗余保护，一个eNodeB可以接入多个MME/S-GW。S1接口是LTE中最重要的接口，完成的功能如下。

图2-6　LTE网系统架构（R12）

（1）SGW承载业务管理功能，例如建立和释放。

（2）UE在LTE_ACTIVE状态下的移动性管理功能，例如切换。

（3）S1接口的寻呼功能。

（4）NAS信令传输功能。

（5）S1接口管理功能，例如错误指示，S1接口建立等。

（6）网络共享功能。

（7）漫游和区域限制支持功能。

（8）NAS节点选择功能。

（9）初始上下文建立功能。

（10）S1接口的无线网络层不提供流量控制功能和拥塞控制功能。

LTE系统架构中取消了基站控制器（RNC/BSC），将原来基站控制器的功能整合到eNodeB中，相对于传统的基站，eNodeB扮演了更重要的角色，功能更加复杂；MME（移动性管理实体）与S-GW属于EPC（核心网）架构，MME是控制面的节点，S-GW是用户面的节点。各网元节点的主要功能如下。

1．eNodeB功能

（1）无线资源管理。

（2）IP头压缩和用户数据流加密。

（3）UE连接期间选择MME，当无路由信息利用时，可以根据UE提供的信息来间接确定到达MME的路径。

（4）路由用户面数据到SGW。

（5）调度和传输寻呼消息（来自MME）。

（6）调度和发送广播消息（来自MME或O&M）。

（7）就移动性和调度，进行测量和测量报告的配置。

（8）调度和发送ETWS消息。

2．MME功能

（1）NAS信令以及安全性功能。

（2）3GPP接入网络移动性导致的CN节点间信令。

（3）空闲模式下UE跟踪和可达性。

（4）漫游。

（5）鉴权。

（6）承载管理功能（包括专用承载的建立）。

3．S-GW功能

（1）支持UE的移动性切换用户面数据的功能。

（2）E-UTRAN空闲模式下行分组数据缓存和寻呼支持。

如图2-7所示，LTE协议架构分为控制面和用户面，但两者的许多协议实体都是相同的，只有个别地方存在差异。LTE协议实体各自完成不同的功能，归纳如下。

图2-7　LTE网络协议架构

1．PDCP（分组数据汇聚协议）的功能

（1）头压缩和解压缩功能。

（2）在切换时，保证数据按序发送。

（3）底层SDU的重复检测。

（4）加密及完整性保护功能。

2．RLC（无线链路控制）功能

（1）支持AM、UM和TM模式传输。

（2）ARQ。

（3）分段、级联。

（4）按序发送。

（5）重复检测。

3．MAC（媒体接入控制）功能

（1）逻辑信道和传输信道的映射功能。

（2）HARQ。

（3）传输格式选择。

（4）UE内部逻辑信道之间优先级调度功能。

（5）UE间根据优先级动态调度功能。

4．PHY（物理层）功能

（1）编码/解码的管理。

（2）调制/解调。

（3）多天线的映射。

（4）物理层过程，如小区搜索、上行同步、功率控制等。

【知识链接3】 LTE帧结构

LTE有两种制式，支持成对频谱的FDD和支持非成对频谱的TDD。它们都采用OFDM技术、MIMO、多天线等关键技术，在很多方面它们是相一致的；但是它们也有差别，其中最大的差别就是帧结构的不同，如图2-8所示。

图2-8　LTE无线帧结构

LTE FDD无线帧长10ms，每个无线帧包含10个子帧，每个子帧包含2个时隙，每个时隙长度为0.5ms，对应一个资源块（RB）。在调度方面，如果是对每个RB进行调度的话，信令面开销太大，对器件的要求较高；目前技术条件下调度周期一般为一个子帧的长度，即TTI=1ms，对应两个资源块，通常称之为PRB，它是一个调度的概念，1PRB=2 RB。

LTE TDD帧结构支持半双工和全双工两种双工方式，半双工指上下行两个方向的数据传输是通过同一通道不同时刻传输的；全双工指上下行两个方向的数据传输是通过同一通道相同时刻传输，即这个通道是可以双向通行的。

LTE 帧结构中一个时隙包含7个OFDM符号，但为了克服符号间的干扰（ISI），需要加入循环前缀（CP）。CP的长度根据覆盖范围要求进行不同的配置，覆盖范围越大，需要CP的长度就越长；但CP长度越长系统的开销就越大，过长的CP对于系统来说是一种负担。一般情况下采用的是Normal CP，在需要广覆盖和采用MBMS时配置较长的Extended CP，它们子载波的间隔为15kHz。在下行采用独立载波的MBSFN时使用超长CP，此时子载波的间隔为7.5kHz，上行不存此配置，如表2-4所示。

表2-4　CP情况

CP	子载波间隔	下行OFDM CP长度	上行SC-FDMA CP长度	有用符号	子载波RB数	每时隙箱号数
Normal CP	15kHz	符号0 CP长为160 符号1～6 CP长为144	符号0 CP长为160 符号1～6 CP长为144	2048	12	7
Extended CP		符号0～5 CP长为512	512时隙#0～#5	2048		6
	7.5kHz	符号0～2 CP长为1024	无	4096	24	3

LTE TDD和LTE FDD帧长一样，每个无线帧长是10ms，一个无线帧分为两个5ms的半帧，每个半帧包含4个传输子帧和1个特殊子帧，特殊子帧 DwPTS + GP + UpPTS = 1ms。特殊子帧的长度为1ms；但其所点的比例是可调的，同时传输子帧上下行也是可调的，如表2-5和表2-6所示；因此LTE TDD具有灵活的时隙配比。

表2-5　TDD子帧对应表

上下行配置	DL→UL切换点周期	子 帧 序 号
		0	1	2	3	4	5	6	7	8	9
0	5ms	D	S	U	U	U	D	S	U	U	U
1	5ms	D	S	U	U	D	D	S	U	U	D
2	5ms	D	S	U	D	D	D	S	U	D	D
3	10ms	D	S	U	U	U	D	D	D	D	D
4	10ms	D	S	U	U	D	D	D	D	D	D
5	10ms	D	S	U	D	D	D	D	D	D	D
6	5ms	D	S	U	U	U	D	S	U	U	D

（1）转换周期为5ms表示每5ms有一个特殊时隙。这类配置因为10ms有两个上下行转换点，所以HARQ的反馈较为及时。适用于对时延要求较高的场景。

（2）转换周期为10ms表示每10ms有一个特殊时隙。这种配置对时延的保证略差一些，但是好处是10ms只有一个特殊时隙，所以系统损失的容量相对较小。

表2-6　TDD子帧与CP对应时特殊子帧配置

LTE FDD与LTE TDD的比较内容如下。

（1）上/下行配比。LTE TDD中支持不同的上/下行时间配比，上/下行时间比不总是“1:1”，可以根据不同的业务类型，调整上下行时间配比，以满足上/下行非对称的业务需求。

（2）特殊时隙的应用。为了节省网络开销，TD-LTE允许利用特殊时隙DwPTS和UpPTS传输系统控制信息。LTE FDD中用普通数据子帧传输上行sounding导频，而TDD系统中，上行sounding导频可以在UpPTS上发送。另外，DwPTS也可用于传输PCFICH、PDCCH、PHICH、PDSCH和P-SCH等控制信道和控制信息。

（3）多子帧调度/反馈。和FDD不同，TDD系统不总是存在1:1的上/下行比例。当下行多于上行时，存在一个上行子帧反馈多个下行子帧的情况。TDD-LTE提出的解决方案有：multi-ACK/NAK、ACK/NAK捆绑（Bundling）等。当上行子帧多于下行子帧时，存在一个下行子帧调度多个上行子帧（多子帧调度）的情况。

（4）LTE同步信号的周期是5ms，分为主同步信号（PSS）和辅同步信号（SSS），如图2-9所示。在LTE TDD和FDD帧结构中，同步信号的位置/相对位置不同。在TDD帧结构中，PSS位于DwPTS的第三个符号，SSS位于5ms第一个子帧的最后一个符号；在FDD帧结构中，主同步信号和辅同步信号位于5ms第一个子帧内前一个时隙的最后两个符号。利用主、辅同步信号相对位置的不同，终端可以在小区搜索的初始阶段识别系统是TDD还是FDD。

图2-9　LTE中同步信号位置

（5）LTE FDD 系统中，HARQ的环回时间（Round Trip Time ，RTT）固定为8ms，且ACK/NACK位置固定。TD-LTE系统中HARQ的设计原理与LTE FDD相同，但是实现过程却比LTE FDD复杂。这是由于TDD上下行链路在时间上是不连续的，UE发送ACK/NACK的位置不固定，而且同一种上下行配置的HARQ的RTT长度都有可能不一样，如图2-10所示。

图2-10　LTE中HARQ比较

【知识链接4】 LTE信道及映射

信道就是信息处理的通道，按照信息不同的类型，以特定的格式在不同类型的通道上传输。这就是说信道会有多种多样的形式。按照信道的功能可以分为控制信道和业务信道；按照信息处理过程，会有逻辑信道、传输信道和物理信道。

逻辑信道是MAC层为RLC层提供服务的通道，它所承载的信息分为两类，一类是控制信道，用于传输控制平面的信息和系统配置信息；另一类是业务信道，用于传输用户的数据。LTE系统中共有7逻辑信道，其中控制信道5个，业务信道2个，具体如下。

1．控制信道

广播控制信道（Broadcast Control Channel，BCCH）：用于系统向所有终端进行广播系统消息。终端要接入网络之前，需要通过解码BCCH获取系统信息和系统配置。

寻呼控制信道（Paging Control Channel，PCCH）：用于发送系统的寻呼信息，由于网络不知道所寻呼的终端具体所在的小区，所以寻呼消息是在多个小区内传输的。

公共控制信道（Common Control Channel，CCCH）：在网络和UE之间发送控制信息的双向信道，这个逻辑信道总是映射到RACH/FACH传输信道。

多播控制信道（Multicast Control Channel，MCCH）：用于传输MTCH所需的控制信息。

专用控制信道（Dedicated Control Channel，DCCH）：在UE和网络之间发送专用控制信息的点对点双向信道。该信道在RRC连接建立过程期间建立。

2．业务信道

专用业务信道（Dedicated Traffic Channel，DTCH）：专用业务信道是为传输用户信息的专用于一个UE的点对点信道。该信道在上行链路和下行链路都存在。

多播业务信道（Multicast Traffic Channel，MTCH）：用于传输MBMS业务数据。

3．传输信道

传输信道是物理层为MAC层提供服务的通道。传输信道上的数据根据传输格式被组织成传输块，在每个传输周期（TTI）内进行传输。在不采用MIMO情况下一个TTI只传输1个传输块，采用MIMO情况下可以传输2个传输块。传输块由传输格式（TF）指定其大小、调制方式、编码方案和天线映射等信息。由于传输格式的不同，传输块所携带的速率也就不相同，所以通过改变传输格式可以改变传输的速率。

传输信道分为下行和上行，下行传输信道有4个，上行传输信道有2个，具体如下。

（1）下行传输信道

寻呼信道（Paging Channel，PCH）：用于传输来自PCCH上的寻呼信息。PCH支持不连续接收（DRX），允许终端只在特定的时间读取PCH信息，延长终端待机时长。

广播信道（Broadcast Channel，BCH）：用于传输BCCH系统部分信息，即MIB的传输。

下行共享信道（Downlink Shared Channel，DL-SCH）：用于下行链路数据的传输和BCCH没有映射到BCH的信息部分。LTE的关键功能都在此信道上使用，如MIMO、HARQ、动态速度自适应等。

多播信道（Multicast Channel，MCH）：用于传输MBMS业务。

（2）上行传输信道

随机接入信道（Random Access Channel，RACH）：用于随机接入过程，它不携带传输块。

上行共享信道（Uplink Shared Channel，UL-SCH）：与DL-SCH功能一样，只上它是上行链路，传输上行链路的数据。

4．物理信道

物理信道是无线环境中实在的承载体，用来承载传输信道的数据；除此之外，还有一部分物理信道没有传输信道的映射，直接承载物理层自身的控制信息。没有传输信道映射的物理信道有PDCCH、PHICH、PCFICH、PUCCH、SCH以及参考信号。物理层完成的功能最为复杂，它负责编码、调制、HARQ、多天线处理等，而这些操作需要物理层的信道相互协作才能实现。

（1）下行物理信道

下行物理共享信道（Physical Downlink Shared Channel，PDSCH）：用于承载下行数据传输和寻呼信息。

物理广播信道（Physical Broadcast Channel，PBCH）：用于传递UE接入系统所必需的系统信息，如带宽天线数目、小区ID等。

物理多播信道（Physical Multicast Channel，PMCH）：用于传递MBMS（单频网多播和广播）相关的数据。

物理控制格式指示信道（Physical Control Format Indicator Channel，PCFICH）：用于表示一个子帧中用于PDCCH的OFDM符号数目。

物理HARQ指示信道（Physical HARQ Indicator Channel，PHICH）：用于NodeB向UE 反馈和PUSCH相关的ACK/NACK信息。

下行物理控制信道（Physical Downlink Control Channel，PDCCH）：用于指示和PUSCH、PDSCH相关的格式、资源分配、HARQ信息，位于子帧的前n个OFDM符号，n≤3。

同步信道（Synchronization Channel，SCH）：完成终端与系统之间的同步，使终端能正常读取系统消息。

（2）上行物理信道

物理上行共享信道（Physical Uplink Shared Channel，PUSCH）：下PDSCH类似，承载上行链路的数据。

物理随机接入信道（Physical Random Access Channel，PRACH）：获取小区接入的必要信息进行时间同步和小区搜索等。

物理上行控制信道（Physical Uplink Control Channel，PUCCH）：UE用于发送ACK/NAK、CQI、SR、RI信息。

简单地说，逻辑信道承载的是信息的内容，传输信道完成的是信息以何种方式传递，物理信道则是无线环境中的承载。它们之间是紧密相连的，而这个相互关联的方式称为信道映射。LTE无线系统完整的信道映射如图2-11和图2-12所示。

图2-11　LTE下行信道映射

图2-12　LTE上行信道映射

5．参考信息和控制信息

LTE系统中除以上所列的信道外，还有参考信息和控制信息。参考信号不承载任何信息内容，它主要是对无线信道进行估计，完成相干性检测、解调。

（1）上行参考信号

DM-RS与PUSCH和PUCCH的发送相关联，用作求取信道估计矩阵，帮助这两个信道进行解调。 SRS独立发射，用作上行信道质量的估计与信道选择，计算上行信道的SINR。　

（2）下行参考信号

CRS（小区特定的参考信号，也叫公共参考信号）是用于除了不基于码本的波束赋形技术之外的所有下行传输技术的信道估计和相关解调。小区特定是指这个参考信号与一个基站端的天线端口（天线端口0-3）相对应。

MBSFN-RS是用于MBSFN的信道估计和相关解调。在天线端口4上发送。

UE-specific RS（移动台特定的参考信号）用于不基于码本的波束赋形技术的信道估计和相关解调。移动台特定指的是这个参考信号与一个特定的移动台对应。在天线端口5上发送。

PRS是R9中新引入的参考信号。

CSI-RS是R10中新引入的参考信号。

控制信息完成相应信道的格式指标、信息调试方式等。每类控制信息完成的功能不同，如表2-7所示。

表2-7　控制信息和信道对应

控制信息	物理信道	承载的信息
UCI	PUCCH	对下行传输的ACK/NACK的反馈、调度请求以及CQI的测量结果
CFI	PCFICH	PDCCH占用几个OFDM符号，CFI取值为1或2或3
HI	PHICH	对上行传输的ACK/NACK的反馈，HI取值为0或者1
DCI	PDCCH	资源分配信息、HARQ信息、上行调度确认以及其他控制信息。 根据承载信息不同，PDCCH分为以下几种格式： DCI 格式0承载UL-SCH资源分配信息； DCI 格式1 承载SIMO方式的DL-SCH资源分配信息； DCI 格式1A承载简单的SIMO方式的DL-SCH资源分配信息； DCI 格式2承载MIMO方式的DL-SCH资源分配信息； DCI格式3承载对于PUCCH和PUSCH的TPC命令字（2比特的功率调整）； DCI格式3A承载对于PUCCH和PUSCH的TPC命令字（1比特的功率调整）

【知识链接5】 LTE网络的混合组网方式

中国联通和中国电信均获取了两种制式的LTE牌照，也就是说中国联通和中国电信将采用双LTE的组网方式；中国移动目前只获取了TDD-LTE的牌照，只能组多频段LTE TDD制式的网络。对于运营商来说，在布局LTE时必然要结合现有3G/2G网络情况进行综合组网。典型的多制式组网方式如图2-13所示。

图2-13　多制式网络组网方式

在LTE建设初始阶段，LTE覆盖与3G/2G存在较大的差距；运营商为权衡其利益，在网络建设上也会有着不同的要求，如城区热点优先建设LTE，组成多网同覆盖，郊区使用3G+2G的组网方式，偏远农村仍使用2G覆盖。在多种制式网络之间如何选择驻留、如何实现业务的平滑过渡，这就涉及不同网络之间操作的问题。LTE在设计之初就要求具有良好的兼容能力，能够向不同的网络进行良好的操作。2G/3G/4G之间的互操作如图2-14所示。

图2-14　多制式网络互操作简图

2G与3G互操作UE在空闲状态通过重选实现，在连接状态通过切换实现业务的迁移。3G与4G互操作UE在空闲时通过重选实现两个网的变更，数据业务通过重定向实现两个网的迁移，CS业务通过CSFB从4G回落到3G。4G与2G的互操作方式同3G与4G的互操作方式一致。但在实际配置中不同运营商会有不同的策略，如中国联通4G与3G实现互操作，不与2G直接实现互操作。

对于LTE两种制式都建设的运营商来说，组网方式主要有两种，一是LTE FDD与LTE TDD分别建网，LTE FDD为主要覆盖，LTE TDD用作热点以吸收话务；另一种是LTE FDD与LTE TDD统一EPC，两者之间进行互操作，为后期的LTE FDD和LTE TDD的载波聚合做准备。由于LTE FDD和LTE TDD在使用的频率上不同，受频率衰减和穿透力的影响，往往选择低频段作为广覆盖，高频段用于吸收话务。如中国联通和中国电信将使用LTE FDD作为广覆盖，LTE TDD仅在热点区域吸收话务。

【知识链接6】 LTE语音业务解决方案

由于LTE的IP化，去掉了电路域，从而LTE网络不再支持传统的语音业务，但是LTE提供了CSFB、单卡多模多待和VoLTE三种语音解决方案。

1．基于CSFB的语音解决方案

CSFB的基本原理是终端驻留在LTE时，如果终端发起或接收呼叫，需要先从LTE重选回2G/3G，由2G/3G的电路域来提供语音，如图2-15所示。

图2-15　CSFB示意图

目前所用的4G手机均支持CSFB功能，CSFB语音解决方案为LTE初期的一种解决方案，被国际标准化组织NGMN定义为LTE语音解决方案的过渡方案和国际漫游互通的必选方案。CSFB因LTE的版本有不同的实现方案，实现较为复杂，优化难度大，CSFB接续时延长，用户感知较差；同时由于要维护至少两张网络的运营，维护难度大。CSFB不利于未来网络的发展。

2．基于单卡多模多待的语音解决方案

双待机终端可以同时待机在LTE网络和3G/2G网络里，而且可以同时从LTE和3G/2G网络接收和发送信号。双待机终端在拨打电话时，可以自动选择从3G/2G模式下进行语音通信。也就是说，双待机终端利用其仍旧驻留在3G/2G网络的优势，从3G/2G网络中接听和拨打电话；而LTE网络仅用于数据业务，如图2-16所示。

图2-16　单卡多模双待

单卡多模双待是一个较为简单的方案，终端使用一个多模模块或者多个单模模块（芯片）实现双待。这样LTE与3G/2G网络不需要任何互操作，终端不需要实现异系统测量，在技术上实现起来较为简单。但是终端成本较高，一般高端机型才支持此技术。

3．基于VoLTE的语音解决方案

VoLTE解决方案其实是语音全IP化，不需要2G/3G网络的技术。LTE未全覆盖时，在覆盖区域采用VoLTE；而在LTE覆盖区域外可以切换到3G/2G网络，实现平滑过渡。通过IMS系统的控制，可以使LTE提供类似于CS域的语音和视频通话，其性能甚至优于传统语音，如图2-17所示。

图2-17　VoLTE

VoLTE技术使全部业务承载于4G网络上，它具有接入快速、话音清楚、视频更高清流畅的优点。在LTE全覆盖时，对于运营商来说，不再需要对其他系统的网络进行维护和优化，减少了运营商的负担。

任务4　认知LTE关键技术

【知识链接1】 OFDMA/SC-FDMA

1．基本原理

LTE下行采用正交频分多址（Orthogonal Frequency Division Multiple Access，OFDMA）传输技术，上行采用单载波频分多址（Single-carrier Frequency-Division Multiple Access，SC-FDMA）多址技术。OFDMA技术其实是将OFDM和FDMA技术结合，OFDM调制中每个子载波之间具有相对的独立性，每个子载波都可以被指定一个特定的调制方式和发射功率电平。通过对所有的子载波进行分组，为每个用户指定一组或多组子载波，就得到一种新的多址方式——OFDMA。

OFDM调制技术的本质就是利用快速傅立叶变换（FFT）将多个子载波压缩在更窄的频带内传输，如图2-18所示。

传统频分复用、频分多址（FDM/FDMA）由于各个子载波间存在较强的干扰，所以在相邻子载波间要有一定的保护间隔。这就是说传输的频分多址技术频谱利用率低，而在频谱资源稀缺的情况下，传统的频分多址技术势必会被淘汰。

图2-18　传输FDM与OFDM的比较

目前LTE系统中OFDM有两种子载波间隔：15kHz，用于单播（unicast）和多播（MBSFN）传输；7.5kHz，仅仅可以应用于独立载波的MBSFN传输。从而可以推算出在不同带宽下子载波的数目如表2-8所示。

表2-8　LTE带宽与子载波数目

信道带宽（MHz）	1.4	3	5	10	15	20
子载波数目	72	180	300	600	900	1200

循环前缀长度配置情况如表2-9所示。

表2-9　CP与循环长度

配　　置		循环前缀长度Ncp,l
常规CP	∆f=15kHz	160 for l=0 144 for l=1,2,3,4,5,6
扩展CP	∆f=15kHz	512 for l=0,1,2,3,4,5
	∆f=7.5kHz	1024 for l=0,1,2

相对于传统的频分多址方式，OFDM技术有如下优势。

（1）频谱效率高

① OFDM采用多载波方式避免用户的干扰，只是取得用户间正交性、“防患于未然”的一种方式。

② CDMA采用等干扰出现后用信号处理技术将其消除的方式，例如信道均衡、多用户检测等，以恢复系统的正交性。

③ 相对单载波系统（CDMA）来说，多载波技术（OFDM）是更直接地实现正交传输的方法。

（2）带宽扩展性强

① OFDM信道带宽取决于子载波的数量。

② CDMA只能通过提高码片速率或者多载波方式支持更大带宽，使得接收机复杂度大幅上升。

（3）抗多径衰落

相对于CDMA系统，OFDMA系统是实现简单均衡接收机的最直接方式。

（4）频域调度及自适应

① OFDM可以实现频域调度，相对CDMA来说灵活性更高。

② 可以在不同的频带采用不同的调制编码方式，更好地适应频率选择性衰落。

（5）实现MIMO技术较简单

① MIMO技术的关键：有效避免天线之间的干扰以区分多个数据流。

② 水平衰落信道中实现MIMO更容易，频率选择性信道中IAI和ISI混合在一起，很难将MIMO接收和信道均衡区分开。

当然，OFDM也有缺陷。

（1）PAPR问题

① 高PAPR给系统很多不利：增加模数/数模转换的复杂度，降低RF功放的效率，增加发射机功放的成本等。

② 降低PAPR的方法：信号预失真技术，如消峰（Clipping）、峰加窗、编码技术、加扰技术。

（2）时间和频率同步

① 时间偏移会导致OFDM子载波的相位偏移，所以引入循环前缀（CP）。

② 载波频率偏移带来两个影响：降低信号幅度，造成ICI。

保护间隔可以有空白保护和循环前缀，空白保护可以消除ISI，但引入了ICI。循环前缀即保护间隔中的信号与该符号尾部相同，既可以消除多径的ISI，又可以消除ICI，如图2-19所示。

图2-19　循环前缀示意图

（3）多小区多址和干扰抑制MA接入技术

为了消除峰均比，SC-FDMA采用了离散傅立叶变换（DFT-S-OFDM）进行扩展。由于OFDMA有较高的峰均比问题，会增加终端功放的复杂度和功耗，所以在上行采用了峰均比较低、频谱效率相对于OFMDA略差的SC-FDOFDM，它具备灵活的带宽配置，减少了均衡器的复杂度，降低了功率峰均比。DFT-S-OFDMA传输基本原理如图2-20所示。

DFT-S-OFDMA子载波间隔为15kHz，不同带宽下子载波数目与OFDM一致，DFTS-OFDM符号的循环前缀长度与下行基本保持一致。

图2-20　DFT-S-OFDMA传输基本原理

2．资源分配

OFDMA将传输带宽划分成一系列正交的子载波资源，将不同的子载波资源分配给不同的用户实现多址。因为子载波相互正交，所以小区内用户之间没有干扰。在子载波调度上可以是分布式的（分配给用户的RB不连续，频选调度增益较大），也可以是集中式的（连续RB分给一个用户，调度开销小）。上行SC-FDMA只能采用集中式的调度方式，如图2-21所示。

图2-21　LTE资源调度方式

LTE中无线资源的资源块（RB）可以从频域和时域两个维度来区别。在频域上，RB包括多个子载波；在时域上，RB包含多个OFDM符号周期。一个用户在调度时占用一个或者多个RB。在无线空口资源分配的最基本单位是物理资源块（PRB），1个PRB在频域上包含连续的12个子载波，在时域上包含连续的7个 OFDM符号周期；那么在频域上PRB是12×15kHz=180kHz，在时域上则是0.5ms长度，但为了实现方便，减小调度的复杂度，目前LTE实际调度周期TTI=1ms。

LTE最小的资源单位是PRB，如图2-22所示。

图2-22　LTE PRB资源
RE：Resource Element。LTE最小的时频资源单位。频域上占一个子载波（15kHz），
时域上占一个OFDM符号（1/14ms）；
REG：RE group，资源粒子块，1 REG=4 RE；
CCE：Control Channel Element，CCE=9 REG。

【知识链接2】 MIMO技术

MIMO（Multiple-Input Multiple-Output）技术指在发射端和接收端分别使用多个发射天线和接收天线，使信号通过发射端与接收端的多个天线传送和接收，从而改善通信质量。MIMO技术是多天线技术的典型应用，它能充分利用空间资源，通过多个天线实现多发多收，在不增加频谱资源和天线发射功率的情况下，可以成倍地提高系统信道容量。MIMO技术有着明显的优势，因此在LTE中成为核心技术，乃至在下一代通信（5G）中MIMO只会进一步加强而不会减弱。

MIMO技术是相对于SISO（单输入单输出）而言的，在SISO情况下根据香农公式无线信道容量C由信号带宽和信噪比决定。

C=Blog₂（1+S/N）

在多天线技术下，在相同的带宽内传输的通道相应地增加，而这些传输信道传输的数据流可以完全不同，那么理论上无线信道的容量成倍地增加。

C=MBlog₂（1+S/N）

多天线技术的技术应用有分集、空间复用和波束赋形几种情形。

1．发射分集

如果发射天线数目比接收天线数目更多，称之为发射分集。最简单的发射分集形式是用2个发射天线和1个接收天线（MISO，2×1），具体参见图2-23。

图2-23　MISO天线配置

在2×1的MISO系统中，两个天线发送相应的数据内容。Alamouti的空时码是应用最广泛的天线编码方式。Alamouti编码可以增加空间分集的性能，信号的副本通过不同的天线在不同的时间进行发送。发送的时延称为时延分集。Alamouti编码的实现方式如图2-24所示。

图2-24　Alamouti编码

在Alamouti编码中，信源首先被分为两组，每组两个字符。在第一个给定的字符间隔内，每组中的两个字符被同时发射：从天线1发射的信号为S1，从天线2发射的信号为S2。在下一个字符间隔内，信号-S2*从天线1发射，信号S1*从天线2发射。

目前，Alamouti编码已经扩展到多天线系统。当然，Alamouti编码也可以在频域实现，此时称为空频编码。

2．空分复用

空分复用不仅仅是为了增加系统的稳定性，同时也可以增加传输速率。为了提高传输速率，数据可以分成几个数据流，然后在不同的天线上进行传输。如果把空间的分割来区别同一个用户的不同数据，就叫做MIMO空分复用。空分复用的天线形式如图2-25所示。

图2-25　MIMO天线配置

因为MIMO通过无线信道进行传输，不同的收发天线之间都存在相应的传输信道。同时由于每个传输路径的冲击响应的存在，不同的传输信道之间存在相互影响。如果MIMO系统的传输矩阵H是已知的，那么从接收机可以得到不同天线的数据内容。

3．波束形成

通过使用不同的天线技术可以明显地增加网络容量。例如，对于不同扇区的天线，每个天线可以覆盖60度或120度，作为一个工作小区。在GSM系统中，相比于全向天线而言，采用120度波束天线可以提高3倍的小区容量。

自适应天线阵列可以通过窄带波束实现空间分集。智能天线属于自适应天线阵列的一种。智能天线可以形成一个特定用户的波束，并且可以根据反馈信号实现实时的动态调整。智能天线可包括切换式波束形成和自适应波束形成，可以用于所有的天线阵列系统以及MIMO系统（见图2-26）。

图2-26　切换波束形成和自适应波束形成

切换式波束形成可以计算到达角并且切换固定的波束。用户只有沿波束方向才可以得到最优的信号强度。而自适应波束形成可以根据运动的终端实时地调整波束方向，因此自适应波束形成要比切换式波束形成的复杂程度更高，花费也更大。

3GPP定义了9种传输模式，如表2-10所示。

表2-10　3GPP的9种传输模式

模式	模式分称	技 术 特 征	应 用 场 景
TM1	单天线传输	数据流通过单天线端口传输	主要应用于单天线传输的场合
TM2	发射分集	数据流通过多个天线端口发送，每个端口发送的数据是相同的	适合于小区边缘信道情况比较复杂、干扰较大的情况，有时候也用于高速的情况，分集能够提供分集增益
TM3	开环空间复用	终端不反馈信道信息，发射端根据预定义的信道信息来确定发射信号	适合于终端（UE）高速移动的情况
TM4	闭环空间复用	终端反馈信道信息，发射端根据反馈的信息进行信号的预处理，产生空间独立性	适合于信道条件较好的场合，用于提供高的数据率传输
TM5	多用户MIMO	基站使用相同的时频资源将多个数据流发送给不同的用户，接收端利用多根天线对干扰数据流进行取消和零陷	主要用来提高小区的容量
TM6	单层闭环空间复用	终端反馈RI=1时，发射端采用单层预编码，使其适应当前的信道	主要适合于小区边缘的情况
TM7	单流波束赋形	发射端利用上行信号来估计下行信道的特征，在下行信号发送时，每根天线上乘以相应的特征权值，使其天线阵发射信号具有波束赋形的效果	主要也是小区边缘，能够有效对抗干扰
TM8	双流波束赋形	结合复用和智能天线技术，进行多路波束赋形发送，既提高用户信号强度，又提高用户的峰值和均值速率	可以用于小区边缘也可以应用于其他场景
TM9	增强双流波束赋形	传输模式9是LTE-A中新增加的一种模式，传输模式TM9适宜配合8天线使用，与TM8同样具备波束赋形技术和空间复用两者的优势，既能够保持传统单流波束赋形技术广覆盖、提高小区容量和减少干扰的特性，而且更加突出的是可以有效提升小区中心用户的吞吐量	可以支持最大到8层的传输，提高吞吐率

【知识链接3】 链路自适应

在过去传统的通信系统中，如GSM、WCDMA、CDMA2000等都采用动态功率控制技术来补偿瞬时信道质量的变化。这个功率控制的目的是为维护一个较为平衡的信道质量，保障数据传输速率的稳定。然而随着分组数据业务的应用越来越广泛，人们越来越期望提供的数据速率尽可能的高，以至于数据速率的稳定性反而被忽略。受这种需求的驱动，链路控制技术由原来的动态功率控制向动态速率控制转变。

功率控制通过动态调整发射功率，维持接收端一定的信噪比，从而保证链路的传输质量，当信道条件较差时需要增加发射功率；当信道条件较好时需要降低发射功率，从而保证了恒定的传输速率。功率控制可以很好地避免小区内用户间的干扰，如图2-27所示。

图2-27　功率控制示意图

速率控制是在保证发送功率恒定的情况下，通过调整无线链路传输的调制方式与编码速率，确保链路的传输质量；当信道条件较差时选择较小的调制方式与编码速率，当信道条件较好时选择较大的调制方式，从而使传输速率最大化。它可以充分利用所有的功率，如图2-28所示。

图2-28　速率控制示意图

无线链路数据速率是通过调节调制方式或信道编码速率来实现的。当无线信道质量好时，接收机具有较高的信噪比，此时采用高阶调制（64QAM或16QAM）与较高的速率编码；当无线信道质量较差时，采用QPSK和较低的速率编码。

【知识链接4】 混合自动重传技术

无线环境是复杂多变的，信道质量波动容易造成传输数据出错。虽然链路自适应技术可以在一定程度上克服这种信道质量的波动，但对于接收机的噪声和干扰的波动是无法克服的。因此在所有的通信系统中都有相应的纠错技术，如常见的前项纠错（FEC）和自动重传请求（ARQ）。LTE采用的是基于FEC和ARQ结合的混合自动重传请求（HARQ）纠错技术。HARQ技术发展经历了不同的阶段，不同类型的HARQ技术具有不同的特征。

TYPE1 HARQ虽然将检错与纠错技术相互结合，但对于传错的数据帧只是单纯地丢弃，没能充分利用其中有用的信息，如图2-29所示。

图2-29　TYPE1 HARQ

TYPE2 HARQ在接收端对收到的数据帧采用了合并（Combining）的方法，这是 Type2 HARQ最大的特点。图2-30所示接收端保留无法正确译码的数据帧，将它与重传的数据帧合并后再进行译码。合并后的信号信噪比将会比第一次收到的信号信噪比高，具有更强的纠错能力，对吞吐量的提升效果明显；但实现Type2 HARQ 需要较多的存储器，实现相对复杂。

图2-30　TYPE2 HARQ

LTE所使用的正是这种带有软合并能力的HARQ，合并方案有跟踪合并和增量冗余两种。跟踪合并方案中重传数据流与原始传输的数据流完全相同，每次重传完成后接收机采用最大比合并原则对每次接收到的数据比特与之前接收到的相同数据比特进行合并，然后将合并后的数据发送给解码器。增量冗余方案中每次重传并不需要带有与原始传输完全相同的内容。相反，将会产生多个编码比特的集合，每个都代表同一集合的信息比特。无论何时需要重传，都采用与之前传输不同的编码比特集合。接收机对该重传包与相同数据包之前的传输尝试进行合并。由于重传包可能包含了之前传输尝试中没有包含的额外校验比特，从而重传通常导致编码速率降低。此外，每次重传并非必须包含与原始传输相同数目的编码比特，通常也可以在不同重传中采用不同调制方式。

LTE在下行采用自适应异步HARQ，即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的发生时刻，因此HARQ进程的处理序号需要连同数据一起发送。下行HARQ通过上行ACK/NAK 在PUCCH/PUSCH发送PDCCH 携带 HARQ 进程号，重传总是通过PDCCH调度。上行采用同步HARQ，即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HARQ进程的序号可以从子帧号获得。相对于第一次传输，会在固定的地方重传，最大传输次数是针对UE而不是RB，在PHICH 发送DL ACK/NAK。

LTE下行链路系统中将采用异步自适应的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。例如，在同步HARQ中，如果优先级较高的进程需要被调度，但是该时刻的资源已被分配给某一个HARQ进程，那么资源分配就会发生冲突；而异步HARQ的重传不是发生在固定时刻，可以有效地避免这个问题。

同时，LTE系统将在上行链路采用同步非自适应HARQ技术。虽然异步自适应HARQ技术与同步非自适应技术相比，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（SINR）值。在自适应调制编码系统中，一方面自适应调制编码（AMC）根据信道的质量情况，选择合适的调制和编码方式，能够粗略地提供数据速率的选择；另一方面HARQ基于信道条件提供精确的编码速率调节，由于SINR值的不准确性导致上行链路对于调制编码模式（MCS）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，在上行链路确定使用同步非自适应HARQ技术。

TYPE3 HARQ采用的是删除格式的方式，即将成员编码器的输出比特按一定的规则删除部分比特，仅仅传送剩余的比特，以实现与交织器等的速率匹配。接收端采用码字合并和分集合并技术。Type3 HARQ中重传的码字分别采用不同的删除格式，而且经过这些删除格式的码字是互补的。目前应用较少。

【知识链接5】 调度机制

调度其实就是为每个用户在一定的时间间隔内分配共享资源，是一个非常复杂的过程，不但上下行需要区别对待，同时还要考虑不同用户的传输之间是否正交等。在LTE中无线资源的调度由eNodeB中的动态资源调度器实现。动态资源调度器为下行共享信道（DL-SCH）和上行共享信道（UL-SCH）分配物理层资源。

由于LTE中的调度是在共享信道基础上进行的，将用户数据分割成小块，通过调度机制将不同用户的数据块利用在一个共享的数据信道中，因此，LTE为了达到最佳性能，需要根据信道特性进行灵活地调度，但又不能过大地增加系统信令开销。

系统资源的调度在规范中没有明确的定义，具体由各个eNodeB厂家决定，每个厂家会有不同的算法，这也是衡量LTE各个厂家产品的重要指标。总的来说设备厂家会根据上下行信道的CQI（信道质量指示）、QoS参数和测量、eNodeB缓存中等待调度的负载量、在队列中等待的重传任务、UE能力（Capability）、UE睡眠周期和测量间隔/测量周期、系统参数（如系统带宽/干扰水平/干扰结构）等信息进行评估，动态地分配RB资源进行上下行的传输。

下行链路调度

下行链路调度的具体执行是在共享信道上的物理层，在进行用户数据包分配和发送之前需要UE根据参数信息对信道质量进行估算，并将结果以CQI的方式上报给eNodeB，之后eNodeB通过PDCCH信道将资源分配方案下发下去，通知UE在什么时频资源、以什么样的工作方式向UE发送数据。最后，下行数据通过PDSCH信道发送给该UE，UE则根据PDCCH信道上的指示找到eNodeB发给自己的数据，如图2-31所示。

图2-31　下行资源调度

下行资源调度信息是封装在DCI（下行控制信息）中的，DCI再映射到PDCCH信道，PDCCH信道所占的OFDM符号数由PCFICH或者说由PDCCH信道负荷而定。DCI包含的信息除了RB分配及分配类型外，还可根据需求携带MCS信息、HAQR信息、上行信道的功率控制命令等，如表2-11所示。

DCI包含以下功能。

下行调度分配：包含PDSCH资源分配、传输格式、混合ARQ信息、空分复用相关的控制信息和功率控制信息。

上行调度请求：包含PUSCH资源分配、传输格式、混合ARQ的相关信息、PUSCH上行功率控制命令。

表2-11　上行调度控制命令

大小	用　　途
	上行（调度）授权		下行（调度）分配		功率拥塞
小	-		1C	专门目的的紧密分配	-
	0	单层	1A	只连续分配	3，3A
…	-		1B	利用CRS的基于码本的波束赋形	-
	-		1D	利用CRS的多用户MIMO	-
	4	空分复用	-		-
	-		1	灵活分配	-
	-		2A	利用CRS的开环空分复用	-
	-		2B	利用DM-RS的双流传输	-
	-		2C	利用DM-RS的多流传输	-
	-		2D	利用DM-RS的多流传输	-
大	-		2	利用CRS的闭环空分复用	-

下行资源调度信息除了由不同DCI格式所承载外，还包含资源调度的方法，即资源分配的类型，每一种DCI格式都与资源分配类型对应。资源分配一共有3种类型，分别是类型0、1、2，如表2-12所示。

表2-12　DCI格式与资源分配类型对应表

DCI格式	Type0	Type1	Type2
1	支持	支持	不支持
1A	不支持	不支持	支持
1B	不支持	不支持	支持
1C	不支持	不支持	支持
1D	不支持	不支持	支持
2	支持	支持	不支持
2A	支持	支持	不支持
2B	支持	支持	不支持
2C	支持	支持	不支持

通常情况下，分配类型0用于数据或信令的资源分配，分配PRB的资源组粒度由系统带宽决定，如表2-13所示，如20MHz带宽，组粒度为4。

表2-13　与RBG对应表

下行系统带宽RB数	RBG（无线资源组）大小（P）
<=10	1
11～26	2
27～63	3
64～110	4

类型0分配的资源可以是整个系统带宽，由于是按组来进行分配，可提供最大的速率，因此最适合数据传输场景，一般与DCI=1、2、2A进行对应。

资源分配类型2，一般用于公共信道的资源分配，承载信令或者控制信息。与DCI=1A\1B\1C\1D进行对应。

资源分配的方法是，每个PDCCH信道中包含两部分资源分配字段，一部分是类型字段，指的是类型0或1，另一部分是真正的资源分配信息。资源分配类型0和1，因为有着相同的PDCCH格式，所以只能通过类型字段区分，当系统带宽所能提供的PRB数量小于等于10个时，PDCCH内仅包含真正的资源分配信息，而不包括类型字段信息。由于资源分配类型2与类型0或1的PDCCH格式不同，因此，不需要类型字段。

资源分配类型0，采用位图的方式分配RBG（无线资源组）给调度的UE，RBG的大小与系统带宽相关（如上表），与位图的bit数是一致的，如20MHz带宽，100个RB，25个RBG，也就是由25bit组成的位图，这样相对于用1个bit标识一个RB而言，位图的方式减少了开销，如图2-32所示。

图2-32　资源分配类型0示意图

资源分配类型1，同样采用位图的方式，但RB资源被划分成多个子组（P），增加了频率分集增益，每一个位图表征一个子组的资源分配，分配的RB数最大为子组带宽。由于资源子组的存在，相对于分配类型0，位图bit开销更少。类型1资源分配由三部分字段决定：子组识别bit、偏移bit、位图bit。例如，图2-33中RB被分为2个子组调度。

图2-33　资源分配类型1示意图

在资源分配类型2中，通过PDCCH信道中的1bit标志，可以分配给UE一组连续的物理资源或者VRB（虚拟资源块），资源分配范围可以是一个RB到整个系统带宽。VRB的资源分配方式有两种，一种为区域型方式，即资源调度信息包含在11bit的RIV（资源指示值）中，由VRB的开始位置和VRB连续RB的长度决定资源分配，如图2-34所示。

图2-34　资源分配类型2示意图

另一种为分布式方式，VRB资源分配可以在整个系统带宽中，但在频域不是连续的（可能存在1个或2个Gap），需要通过跳频实现。值得注意的是，DCI格式-1C总是采用分布式VRB分配方式，而其他的如DCI格式-1A\1B\1D可以通过1bit标志指示采用区域性方式或者分布式方式。

最后，网络侧通过带有DCI格式的PDCCH信道发送资源调度信息给UE，但对于公共信道的信息，UE是如何判断DCI格式是属于自己的呢，答案是RNTI，因为PDCCH信道有RNTI加扰处理，因此可以实现对UE的资源分配。

上行链路调度

上行链路调度主要分为三个步骤，一是UE向eNB请求上行资源，二是上报UE的缓存，三是资源分配和传输数据，如图2-35所示。

图2-35　上行调度过程

在LTE中，UE如果没有上行数据传输，eNodeB是不会进行相应的资源分配的，为了保证上行资源分配的准确、有序、高效，LTE中有存在调度请求（Scheduling Request ,SR）机制。UE通过SR告诉eNodeB是否需要上行资源以便用于UL-SCH传输，但并不会告诉eNodeB有多少上行数据需要发送（这是通过BSR上报的）。eNodeB收到SR后，给UE分配多少上行资源取决于eNodeB的实现，通常的做法是至少分配足够UE发送BSR的资源。eNodeB不知道UE什么时候需要发送上行数据，即不知道UE什么时候会发送SR。因此，eNodeB需要在已经分配的SR资源上检测是否有SR上报。由于SR的作用UE告诉eBodeB有数据发送，但数据的大小、形式并不确定，因此在载波聚合时，无论配置了多少个上行载波单元（component carrier），都只需要1个SR就够了。

SR只有在UE处理RRC_CONNECTED态且保持上行同步时才会发送，它只用于请求新传数据的UL-SCH资源，而不是新请求重传数据。UE是因为没有上行PUSCH资源才发送SR的，所以UE只能在PUCCH上发送SR。eNodeB可以为每个UE分配一个专用的SR资源用于发送SR。该SR资源是周期性的，每n个子帧出现一次。SR的周期是通过IE：SchedulingRequestConfig的sr-ConfigIndex字段配置的。

由于SR资源是UE专用且由eNodeB分配的，因此SR资源与UE一一对应且eNodeB知道具体的对应关系。也就是说，UE在发送SR信息时，并不需要指定自己的ID（C-RNTI），eNodeB通过SR资源的位置就知道是哪个UE请求上行资源。SR资源是通过IE：Scheduling RequestConfig的sr-PUCCH-ResourceIndex字段配置的。根据3GPP协议，配置如下。

路测软件中相应信息如图2-36所示。

图2-36　路测软件中SR信息

UE需要通过BSR（Buffer Status Report）告诉eNodeB，其上行buffer里有多少数据需要发送，以便eNodeB决定给该UE分配多少上行资源。

根据业务的不同，UE可能建立大量的无线承载（radio bearer，每个bearer对应一个逻辑信道），如果为每一个逻辑信道上报一个BSR，会带来大量的信令开销。为了避免这种开销，LTE引入了LCG（Logical Channel Group）的概念，并将每个逻辑信道放入一个LCG（共4个）中。UE基于LCG来上报BSR，而不是为每个逻辑信道上报一个BSR。

某个逻辑信道所属的LCG是在逻辑信道建立时通过IE: LogicalChannelConfig 的logicalChannelGroup字段来设置的。根据3GPP协议，配置如下。

路测软件中相应信息如图2-37所示。

图2-37　路测软件中LCG信息

将逻辑信道分组是为了提供更好的BSR上报机制。将那些有相似调度需求的逻辑信道放入同一LCG中，并通过short BSR上报其buffer状态。

如何分组取决于eNodeB的算法实现（例如，将相同QCI/priority的逻辑信道放入同一LCG中）。即上行的QoS管理是由eNodeB负责管理的。

由于UE的LCG和逻辑信道的配置是由eNodeB控制的，所以eNodeB知道每个LCG包含哪些逻辑信道以及这些逻辑信道的优先级。虽然eNodeB无法知道一个单独的逻辑信道的buffer状态，但由于同一LCG中的逻辑信道有着类似的QoS/priority需求，所以基于LCG来上报buffer状态也可以使得上行调度提供合适的调度结果。

ENB收到UE上报的BSR之后，根据该UE上报的SRS及eNB现有资源等综合分析决定是否给UE分配资源。若条件不满足就不分配资源给UE，UE在多次SR不成功后会重新发起RACH。分配完资源后eNB还必须把分配的结果（即uplink grant，PDCCH的内容之一，包括PRB & MCS）告诉UE，即UE可以在哪个时间哪个载波上传输数据，以及采用的调制编码方案。E-UTRAN在每个TTI动态地给UE分配资源（PRBs & MCS），并在PDCCH上传输相应的C-RNTI，同时规定UE上传的bit数。

【知识链接6】 小区间干扰协调

LTE系统上、下行使用了OFDMA/SC-FDMA多址接入技术，小区内的用户使用正交的子载波相互区别，也就是说小区的用户具有不同的时频资源；因此小区内不同用户之间的干扰基本可以忽略。但是LTE主要的组网方式仍是同频组网，在两个相邻小区交界区域的用户可能使用相同的时频资源，则会相互之间干扰，这种干扰被称为小区间干扰（Inter Carrier Interference，ICI）。小区间干扰影响边缘用户的业务质量，如接入性差、数据速率低等。

根据LTE原理，应对干扰可采用的手段有三种，即小区间干扰随机化、小区间干扰消除和小区间干扰协调。小区间干扰随机化主要利用了物理层信号处理技术和频率特性将干扰信号随机化，使干扰的特性近似“白噪声”，从而使终端可以依赖处理增益对干扰进行抑制，以降低对有用信号的不利影响；小区间干扰消除也是利用物理层信号处理技术，但是这种方法能“识别”干扰信号，对干扰小区的干扰信号进行某种程度的解调甚至解码，然后利用接收机的处理增益从接收信号中消除干扰信号分量，以降低干扰信号的影响；小区间干扰协调技术是对小区资源管理（频率资源、功率设定等）进行一定的限制，协调多个小区相互配合，避免产生小区间相互干扰。由于小区干扰协调技术使用较为灵活，对抑制干扰、提升小区边缘性能效果明显，因此最早得以应用。

小区间干扰协调又称为回避-软频率复用，其基本的原理为允许小区中心的用户自由使用所有频率资源；对小区边缘用户只允许按照频率复用规则使用一部分频率资源。它是一种频域协调技术，采用软频率复用SFR（Soft Frequency Reuse）和部分频率复用FFR（Fractional Frequency Reuse）等干扰协调机制来控制小区边缘的干扰，如图2-38所示。

图2-38　小区间干扰协调实例

同一基站不同小区之间进行的抗干扰手段为时域协调，其基本原理是同站小区边缘用户在调度时采用不相同的子帧，在时域上分隔开来，如图2-39中黄色区域的用户只在偶数子帧调度，淡蓝色区域的用户只在奇数子帧调度；这样同一基站的小区边缘用户在时域上错开，不同基站的小区边缘用户在频域上错开，达到了降低小区间干扰的效果。

图2-39　同站小区干扰协调实例

在上行链路，LTE定义了两个消息以帮助减少不同小区上行链路的相互干扰。

（1）OI（Overload Indicator）。当基站测量的PRB上行干扰（Interference Over Thermal Noise，IOT）超过一定门限时，即满足了OI的触发条件。OI分高、中、低三个级别，由测量到干扰的小区确定。相邻小区收到OI指示后，了解到服务小区哪些上行资源受到干扰后，确认是否由自己引起的干扰，若是则进行降干扰处理。降干扰的措施有两种，一是在相应PRB上降低发射功率；二是不使用干扰过大的PRB，让UE使用性能好的时频资源。为了避免增加系统的信令负荷，OI的最小周期是20ms。

（2）HII（High Interference Indicator）。HII通知相邻小区，本小区在未来一段时间里将分配哪些PRB给边缘用户，可能对相邻小区的这些频域资源产生干扰。因此相邻小区为用户调度上行资源时必须考虑这个情况，要么不为边缘用户分配这些PRB，要么只为可接受较低发射功率的那组用户分配这些PRB，要么完全不使用这些PRB。和OI类似，HII也是一个位元组，每个比特代表1个RB。HII的发送周期不小于20ms。

上行抗干扰技术还包括功率控制，将在项目2的知识链接7中介绍。

【知识链接7】 上行功率控制和下行功率分配

根据上行和下行信号的发送特点，LTE物理层定义了相应的功率控制机制。

对于上行信号，终端的功率控制在节电和抑制小区间干扰两方面具有重要意义，因此，上行功率控制是LTE重点关注的部分。小区内的上行功率控制，分别控制上行共享信道PUSCH、上行控制信道PUCCH、随机接入信道PRACH和上行参考信号SRS。PRACH信道总是采用开环功率控制的方式。其他信道/信号的功率控制，是通过下行PDCCH信道的TPC信令进行闭环功率控制。

对于下行信号，基站合理的功率分配和相互间的协调能够抑制小区间的干扰，提高同频组网的系统性能。严格来说，LTE的下行方向是一种功率分配机制，而不是功率控制。不同的物理信道和参考信号之间有不同的功率配比。下行功率分配以开环的方式完成，控制基站在下行各个子载波上的发射功率。下行RS一般以恒定功率发射。下行共享控制信道PDSCH功率控制的主要目的是补偿路径损耗和慢衰落，保证下行数据链路的传输质量。下行共享信道PDSCH的发射功率是与RS发射功率成一定比例的。它的功率是根据UE反馈的CQI与目标CQI的对比来调整的，是一个闭环功率控制过程。在基站侧，保存着UE反馈的上行CQI值和发射功率的对应关系表。这样，基站收到什么样的CQI，就知道用多大的发射功率，可达到一定的信噪比（SINR）目标。

1．上行功率控制

上行功率控制可以兼顾两方面的需求，即UE的发射功率足够大时可以满足QoS的要求，足够小时可以节约终端电池并减少对其他用户的干扰。为了实现这个目标，上行链路功率控制必须使自己适应于无线传播信道的特征（包括路径损耗特征、阴影特征和快速衰落特征），并克服来自其他用户的干扰（包括小区内用户的干扰和相邻小区内用户的干扰）。

LTE功率控制是开环功控和闭环功控的组合，与纯粹的闭环功控相比，理论上需要的反馈信息量比较少，即只有当LTE UE不能准确估算功率设置时才需要闭环功控。根据路径损耗估算和开环算法，LTE系统为功率频谱密度（Power Spectral Density，PSD）发射设定了一个粗糙的操作点，能在最普通的路径损耗及阴影衰落场景中为平均的调制编码方法提供适当的PSD。围绕着开环操作点，LTE上行的闭环功率控制能提供更快的调整，能够更好地控制干扰，并且更精细地调整功率以适应信道情况（包括快衰落变化）。由于LTE的上行链路是完全正交的，上行功率控制不需要像CDMA那样快，功控周期一般不超过几百赫兹。

每个UE根据接收到的参考信号RS的信号强度完成路径损耗测量，以确定要补偿部分路径损耗（fraction of the path-loss）需要多大的发射功率，因此也被称作部分功率控制（Fractional Power Control）。部分功率控制的参数由eNodeB决定，该参数的取值需要兼顾平衡整体频谱效率和小区边缘性能。部分功率控制和闭环功率控制命令合作完成上行功率控制。

功率控制可以与频域资源分配策略相结合，以实现小区间的干扰协调，提高小区边缘性能和整体频谱效率。其中的一种干扰协调技术是为位于相邻小区的路径损耗相似的几个UE分配相同的时频资源，这样可以提高小区边缘的性能，避免那些离基站比较近的相邻小区UE引起的强干扰（特别是有些基站的前后比性能不理想）。

LTE上行链路对PUSCH、PUCCH和SRS进行功率控制。三种上行信道或者信号功率控制的数学公式不同，但都可以分成两个基本的部分，一是根据eNodeB下发的静态或者半静态参数计算得到的基本开环操作点；二是每个子帧都可能调整的动态偏置量。其表达式如下。

每个RB的功率=基本开环操作点+动态偏置量。

基本开环操作点取决于一系列因素，包括小区间的干扰状况和小区负荷，它可以进一步分成两部分。一个是半静态功率基数值P₀，P₀可以分成适用所有小区内UE的通用功率数值，即每个UE不同的偏置量；另一个是开环路径损耗补偿分量。开环路径损耗补偿分量取决于UE对下行路径损耗的估算，后者由UE测量到的RSRP数值和已知的下行参考信号（RS）的发射功率计算而得。在一种极端情况下，eNodeB可以把P₀设置为最小值−126dBm，完全根据UE测量的路径损耗的大小来调整上行功率。

如果执行完全路径损耗补偿方法能让小区边缘的UE得到最大程度的公平对待，但是在多小区并存的现实部署环境中，实施部分路径损耗补偿方法能减少小区间的干扰，不需要为确保小区边缘用户的传输质量分配过多的资源，从而能提高系统的整体上行链路容量。因此LTE系统引入了部分路径损耗补偿因子α，以平衡上行公平调度和整体频谱效率。当α的取值为0.7～0.8时，既能让系统接近最大容量，又不让小区边缘的数据速率过多地下降。于是，每个RB的发射功率中的基本开环操作点被定义为如下公式。

基本开环操作点 = P₀ +α×PL

式中，PL是Path Loss的缩写。

对于低速率的PUCCH信道（传送ACK/NACK和CQI信息），路径损耗补偿是和PUSCH分开实施的。不同用户的PUCCH信道之间是码分复用（CDMA），为了更好地控制彼此之间的干扰，PUCCH的功率控制采用完全路径损耗补偿方法。PUCCH的P₀也和PUSCH的不同。

每个RB的发射功率中的动态偏置量（Dynamic Offset）也可分成两个分量，即MCS决定的分量和TPC（Transmitter Power Control）命令决定的分量。MCS决定的分量也叫Δ_TF（TF是Transport Format）的缩写。

综上所述，UE上行发射功率可以表达为如下的公式 。

以PUSCH为例，在子帧i，终端的PUSCH信道的发射功率可以表示为下面的公式

式中，

P_CMAX——终端的最大发射功率；

M_PUSCH（i）——PUSCH的传输带宽（RB数目）；

（j）——由高层信令设置的功率基准值，可以反应上行接收端的噪声水平。

α的取值范围是{0,0.4,0.5,0.6,0.7,0.8,0.9,1}，表示部分功率控制算法中对大尺度衰落的补偿量，由高层信令使用3bit信息指示本小区所使用的数值。而PL是终端测量得到的下行大尺度损耗。

_TF（i）表示由调制编码方式和数据类型（控制信息或者数据信息）所确定的功率偏移量。

f（i）是由终端闭环功率控制所形成的调整值，它的数值根据PDCCH format 0/3/3A上的功率控制命令进行调整。在物理层有两种闭环功率控制类型——累计型（accumulation）和绝对值型（absolute）。

终端的功率空间（Power Headroom）是功率控制过程的重要参数，物理层对终端剩余的功率空间（即终端最大发射功率与当前实际发射功率的差值）进行测量，并上报高层。

2．下行功率分配

下行功率分配以每个RE为单位，控制基站在各个时刻各个子载波上的发射功率。下行功率分配中包括提高导频信号的发射功率，以及与用户调度相结合实现小区间干扰抑制的相关机制。

下行在频率上和时间上采用恒定的发射功率。基站通过高层指令指示该恒定发射功率的数值。在接收端，终端通过测量该信号的平均接收功率并与信令指示的该信号的发射功率进行比较，获得大尺度衰落的数值。

下行共享信道PDSCH的发射功率表示为PDSCH RE与CRS RE的功率比值，即ρ_A和ρ_B。其中ρ_A表示时隙内不带有CRS的OFDM符号上PDSCH RE与CRS RE的功率比值（例如2天线Normal CP的情况下，时隙内的第1、2、3、5、6个OFDM符号）；ρ_B表示时隙内带有CRS的OFDM符号上PDSCH RE与CRS RE的功率比值（例如2天线Normal CP的情况下，时隙内的第0、4个OFDM符号）。

下行链路功率分配的方法之一是提高CRS的发射功率。小区通过高层指令设置ρ_A和ρ_B的比值，通过不同的比值可以设置信号在基站总功率中不同的开销比例，由此做到在不同程度上提高CRS的发射功率。例如以发射天线数目等于2为例，规范中支持4种不同的小区配置ρ_B/ρ_A={5/4,1,3/4,1/2}，分别对应于CRS占总功率开销为[1/6,1/3,3/6,2/3]的情况。图2-40表示了ρ_B/ρ_A=1和ρ_B/ρ_A=1/2时天线端口#0的信号功率情况，对应的CRS功率开销分别是2/6=1/3和8/12=2/3，分别实现了CRS高于同一OFDM符号中数据元素3dB和9dB的发送功率。

图2-40　不同ρ_B/ρ_A发送功率对比

在设定ρ_A和ρ_B比值的基础上，通过高层参数PA可以确定ρ_A的具体数值，得到基站下行针对用户的PDSCH发射功率。PA和ρ_A的数值关系是ρ_A=δ_power-offset+PA，其中δ_power-offset用于MU-MIMO的场景，例如δ_power-offset=-3dB可以表示功率平均分配给两个用户的情况。

为了支持下行小区间干扰协调的操作，规范中定义了关于基站窄带发射功率限制（Relative Narrowband Tx Power，RNTP）的物理层测量，并在小区间X2接口上进行交互。该消息表示了基站在未来一段时间内下行各个PRB将使用的最大发射功率的情况，相邻小区可以利用该消息来协调用户调度的过程，实现同频小区间干扰抑制的效果。

【知识链接8】 中继

影响终端接入网性能的因素之一为路径损耗，LTE链路性能已经非常接近香农公式的极限值；当然这是在非常高的信噪比前提下。为了解决路径损耗，在LTE　R10中引入了中继的技术。其实在传统的通信系统中已经有中继的概念，即直放站；但是直放站的作用是简单地对信号放大和转发，包括有用信号、噪声和干扰，这样就要求直放站的应用要有较高的信噪比，而且直放站输出信号的信噪比永远低于输入信号的信噪比。LTE中，中继是指带有解码和转发功能的中继，它会把接收到的信号进行解码，并重新编码后进行转发，这样就不会放大噪声和干扰；因此中继可以在低信噪比的环境下使用。由于中断需要对信号进行解码和重新编码，就意味着中继的时延要大于直放站。

中继器的功率较低，主要用于解决小区边缘覆盖和容量问题。由于中继器解决方案的基本要求是对终端透明，即终端不知道是否连接到中继器或者传统基站上；为解决这一问题，在中继器解决方案中引入了自我回程技术。回传链路和接入链路用来区分中继与基站之间、中继与终端之间的连接；与中继相连接的小区称为供体小区，它可以为一个或者几个中继服务，同时还为不使用中继接入的终端服务，如图2-41所示。

图2-41　中继示意图

由于中继器的接收端和发射端分别与供体小区和终端相连，那么在回传链路和接入链路之间的干扰就必须避免。避免这种干扰的方式就是接收端和发射端之间有必要的隔离，通常可以采用空间、频率和时间域来进行隔离。

根据接入和回传链路采用的频率，可以将中继分为带内中继和带外中继。带内中继即回传链路和接入链路工作要在相同的频率，而这种中继在接入链路和回传链路容易产生干扰，甚至自激。在对带内中继进行施工时，需要对主天线和重发天线进行适当的布局，适用于隧道、地下停车场、电梯等较为封闭的场景。在R10的版本中，可以从时域上区分回传链路和接入链路，那么就需要对帧的结构进行调整和复用，它们在传输上相互依赖，但是不能同时工作。带外中继是回传链路和接入链路工作在不同的频率，只要回传链路与接入链路之间的频率间隔足够大，那么它们之间的干扰就可以避免。

【知识链接9】 载波聚合

为了提高上下行的峰值速率，LTE-A中提出了载波聚合（Carrier Aggregation, CA）的解决方案，其主要思想就是将两个或者更多的载波单元（Component Carrier, CC）聚合在一起，以增加传输带宽来达到更高的速率。

载波聚合是在R10的版本中提出的，向下兼容R8/R9，载波聚合可以发生在FDD和TDD两种制式下，上下行聚合方式可以相同，也可以不相同。以FDD聚合为例子，如图2-42所示。

图2-42　FDD载波聚合上下行使用示例

在载波聚合中单一载波可以使用1.4, 3, 5, 10, 15 和 20 MHz 六种带宽，最多可以支持5个单一载波聚合在一起，即聚合后的最大带宽为100MHz。LTE-A载波聚合可以在同一频段的连续频率上，也可以在同一频段的非连续频率上，甚至可以在不同频段的非连续频率上聚合，如图2-43所示。

图2-43　FDD载波聚合频率组合

在载波聚合中，由于是多个载波小区为终端提供服务，那么就会有主服务小区（Primary Cell，Pcell）和从服务小区（Secondary Cell，SCell）的概念，主服务小区是工作在主频带上的小区。UE在该小区进行初始连接建立过程，或开始连接重建立过程。在切换过程中该小区被指示为主小区。从服务小区是工作在辅频带上的小区。一旦RRC连接建立，辅小区就可能被配置以提供额外的无线资源。在载波聚合状态下，主服务小区和从服务小区共同为终端提供数据，那么就同时存在两个服务小区；在没有使用载波聚合时终端的服务小区只有一个，即主服务小区，如图2-44所示。

图2-44　载波聚合中主服务小区示例

任务5　认知LTE主要过程

【知识链接1】 LTE中UE状态

在LTE中以EPS移动性管理EMM（EPS Mobility Management）和EPS连接性管理ECM（EPS Connection Management）两种方式来定义状态及迁移。EMM描述的是移动管理结果产生的状态，如Attach和TAU过程，它有EMM-DEREGISTERED和EMM-REGISTERED两种状态。ECM描述的是UE与PEC之间的信令连接，它有ECM-IDLE和ECM-CONNECTED两种状态。一般来说，ECM和EMM两个是相互独立的，MM-REGISTERED 到 EMM-DEREGISTERED的迁移与ECM状态无关，如ECM-CONNECTED 状态下的显性detach 信令或者ECM_IDLE下MEE的部分时隐性detach。当然，它们之间也有联系，如UE从EMM-DEREGISTERED到EMM-REGISTERED的迁移就必须在ECM-CONNECTED下，如图2-45、图2-47所示。

图2-45　UE中EMM状态模式

在EMM-DEREGISTERED状态，EMM上下行不包含UE的位置区和路由信息，MME不知道UE的位置；EMM-REGISTERED状态，MME知道UE的位置，UE通过Attach或者TAU进入EMM-REGISTERED，如图2-46所示。

图2-46　MME中EMM状态模式

图2-47　UE中ECM状态模式

在ECM_IDLE状态下，UE与网络之间不存在信令连接，UE几乎处于休眠状态，电池消耗很低；此时网络只知道UE所在的Tracking Area，UE监听寻呼信道来进行更多的操作，如图2-48所示。在IDLE状态执行以下任务。

图2-48　MME中ECM状态模式

（1）广播消息的发送；

（2）通过非连续接收（DRX）来省电（与寻呼周期相关）；

（3）UE主导的移动性控制；

（4）UE监测寻呼信道，执行小区选择和小区重选，获取系统信息；

（5）执行对邻小区测量。

在RRC_CONNECTED状态下，因存在RRC连接，网络知道UE所在处的具体小区，并且对于UE和网络来说它们之间的通信参数都是已知的，通过配置小区无线网络临时标识（C-RNTI）用于UE和接入网之间的信令交互。在CONNECTED状态执行以下任务。

（1）广播消息的发送，单播数据的收发；

（2）通过配置DRX来省电（与业务活跃性相关）；

（3）网络主导的移动性控制；

（4）UE监测与共享信道分配相关的控制信道；提供信道质量和反馈信息；执行对邻小区测量，获取系统信息。

【知识链接2】 同步与小区搜索

UE在接入LTE网络之前必须完成同步和解码系统消息两个步骤，即寻找并获得与网络中一个小区的同步和对小区系统信息解码，以便完成更多的网络操作。

UE在初始接入（开机）时需要进行小区搜索，同时为了支持UE的移动性，需要不断地对邻小区进行搜索，根据接收的信号质量执行重选或者切换。小区搜索的过程如图2-49所示。

图2-49　小区搜索流程

（1）一开机，就会在可能存在LTE小区的几个中心频点上接收数据并计算带宽RSSI，以接收信号强度来判断这个频点周围是否可能存在小区。如果UE能保存上次关机时的频点和运营商信息，则开机后可能会先在上次驻留的小区尝试驻留。如果没有先验信息，则很可能要全频段搜索，发现信号较强的频点，再去尝试驻留。需要指出的是UE进行全频段搜索时，在其支持的工作频段内以100kHz为间隔的频栅上进行扫描，并在每个频点上进行主同步信道检测。这一过程中，终端仅仅检测1.08MHz的频带上是否存在主同步信号，这是因为PSS在频域上占系统带宽中央1.08MHz。

（2）PSS映射在频域上位于频率中心的1.08MHz的带宽上，包含6个RB，72个子载波。检测出PSS可首先获得小区组内ID。PSS每5ms发送一次，因而可以获得5ms时隙定时。可进一步利用PSS获取粗糙频率同步。

（3）SSS映射在频域上与PSS一样位于频率中心的1.08MHz的带宽上，包含6个RB，72个子载波。在这里FDD与TDD结构出现不同，FDD系统：#0子帧和#5子帧第一个时隙的倒数第二个OFDM符号。TDD系统：#0子帧和#5子帧最后一个OFDM符号。对于FDD和TDD系统，PSS和SSS之间的时间间隔不同，CP的长度（常规CP或扩展CP）也会影响SSS的绝对位置（在PSS确定的情况下）。因而，UE需要进行至多4次的盲检测。完成SSS检测，即可以识别出物理小区ID。

（4）通过检测到的物理小区ID，可以知道CRS的时频资源位置。通过解调参考信号可以进一步精确时隙与频率同步，同时为解调PBCH做信道估计。

（5）此时UE获得了PCI并获得与小区精确时频同步，但UE接入系统还需要小区系统信息，包括系统带宽、系统帧号、天线端口号、小区选择和驻留以及重选等重要信息，这些信息由MIB和SIB承载，分别映射在物理广播信道（Physical Broadcast CHannel，PBCH）和物理下行共享信道（Physical Downlink Shared CHannel，PDSCH）。通过对MIB和SIB消息的读取，获取基本的接入信息，即完成了小区的驻留。

【知识链接3】 系统消息

UE完成小区搜索后，需要读取小区的系统消息，这些小区系统消息在系统内重复广播，以便UE获取并完成相应小区的驻留。

系统信息分为MIB（Master Information Block）和多个SIBs（System Information Blocks ）。MIB为主信息块，包含系统信息数量有限的重要信息，如系统帧号（SFN）、上下行配置的带宽以及PHICH配置信息；通过这些信息，UE可以读取SIBs。MIB在BCH上以40ms的间隔发送，因此BCH的传输时间间隔（TTI）为40ms。第一次传输在SFN满足SFN mod 8 = 0的无线帧上#5子帧传输，重传是在SFN满足SFN mod 2 = 0的无线帧（即偶数帧）的#5子帧上。

UE要完成小区搜索，仅有MIB信息是不够的，还需要不断的读取SIB，即是BCCH映射在PDSCH上的部分。UE首先读取的是SIB1，它采用固定的80ms为周期的调度方式。

要完成小区搜索，仅仅接收MIB是不够的，还需要接收SIB，即UE接收承载在PDSCH上的BCCH信息。UE在接收SIB信息是首先接收SIB1信息。SIB1采用固定周期的调度，调度周期80ms。第一次传输在SFN满足SFN mod 8 = 0的无线帧上#5子帧传输，并且在SFN满足SFN mod 2 = 0的无线帧（即偶数帧）的#5子帧上传输。而高序号的SIB发送周期是灵活的，根据不同的网络是可以不同的，它们是由SIB1中scheduling Info List 进行配置。

SIB1中包含了基本的系统信息，它直接映射到传输块中；而之后的SIB映射到不同的系统信息消息（SI）上，SI对应DL-SCH上传输的实际传输块。但不是每一个SIB都必须存在，根据网络配置和运营商的选择，可以省去部分SIB；一般来说除SIB1、SIB3、SIB5、SIB7外，其他的都可以省去，如表2-14所示。

表2-14　系统消息

SIBs	消 息 内 容	消息详细说明
SIB1	小区选择和驻留相关信息	PLMN标识、小区是否被禁止驻留、是否为CSG小区、小区选择的信息、小区偏移、所用的频段信息等
	其他系统信息块的调度信息	SI-window长度、周期，SIB映射信息、系统信息变更标签等
SIB2	接入限制信息	提供了接入服务的级别等信息，以控制UE接入概率
	公共信道参数	提供了公共信道资源配置信息
	MBSFN配置	提供了预留给MBSFN子帧的位置信息
SIB3	小区重选相关信息	重选信息包括同频、异频以及异系统的公用信息、服务的频点信息以及部分同频小区重选信息
SIB4	同频小区重选信息	提供了同频邻小区的列表
SIB5	异频小区重选信息	提供了异频载波的相关小区重选参数，也可以提供异频小区的列表信息（该内容为可选提供）
SIB6	异系统小区重选信息（UTRAN）	提供UTRAN的小区重选相关参数，相关载波信息
SIB7	异系统小区重选信息（GERAN）	提供GERAN的小区重选相关参数，相关载波信息
SIB8	异系统小区重选信息（cdma2000）	提供cdma2000的小区重选相关参数，相关载波信息
SIB9	家庭eNB名字	提供家庭eNB的名字
SIB10	ETWS的主要通知信息	提供地震、海啸告警系统的主要通知信息
SIB11	ETWS的次要通知信息	提供地震、海啸告警系统的次要通知信息，支持分段传输
SIB12	CMAS的告警通知信息	提供商用UE告警服务
SIB13	MBMS信息	提供MBSFN area list信息和MBMS通知信息

目前3GPP已经定义了多达19种SIB，更多内容可以参阅3GPP协议的TS 36.331。

【知识链接4】 随机接入过程

随机接入是蜂窝系统中UE向网络申请建立连接，并通过网络响应分配接入信道资源的过程。LTE中随机接入有6种场景，如表2-15所示。

表2-15　随机接入情况

随机接入场景	基于竞争接入	非竞争接入
初始网络接入	•
无线链路失败后的重建	•
进入切换时建立所需的对新小区的上行链路同步	•	•
下行数据传输时的上行链路同步	•	•
上行数据传输时的上行链路同步	•
在没有配置专用调度请求资源时的需要	•

随机接入分为竞争接入和非竞争接入两种情况，竞争接入过程如图2-50中的1、2、3、4步，非竞争接入过程如图2-50中的0、1、2、3步。竞争接入与非竞争接入最大的区别是非竞争接入时UE由小区分配了专用的前导码序列，因此UE可以使用相同的接入前导码序列进行接入尝试。这使得非竞争接入过程快速地避免了第4步的竞争过程。

图2-50　随机接入流程

1．随机接入前导信号传输

UE 从64-Ncf个 PRACH 的竞争性前缀标志中选择一个，其中Ncf 是 eNodeB 为无竞争 RACH 预留的数目。竞争性前缀标志进一步分成两组， UE 从哪个组选择竞争性前缀标志取决于这次RACH 申请需要的传输资源的大小。eNodeB 根据每个组的负荷控制每个组里的前缀标志的数量。

初始前缀的发射功率根据开环估算决定，需要考虑对路径损耗进行全额补偿，以确保接收到的前缀的功率与路径损耗完全无关，从而帮助eNodeB区分同一块PRACH时频资源内几个同时发生的前缀传输。UE根据下行链路 RSRP（Reference Signal Received Power）平均测量值估算路径损耗。eNodeB可能还需要配置额外的功率偏移，因为需要考虑目标SINR要求、上行链路分配给 RACH 前缀的时频时隙的干扰和噪声水平，和前缀格式等因素。

2．随机接入响应

eNodeB 通过 PDSCH 信道发送随机接入响应（RAR，Random Access　Response），并用RA-RNTI （Random Access Radio Network Temporary ID）加以识别，以识别在哪个时频时隙侦测到了接入前缀。如果因为几个UE 在相同的前缀时频资源中选择了相同的标志而发生碰撞，这些 UE也都会收到 RAR。

RAR消息携带的参数包括侦测到的接入前缀、要求 UE 同步随后的上行数据包的时间调整指令、一个用于传送步骤 3 中层 3 消息的初始上行资源授予命令，以及系统分配的 C-RNTI（Cell Radio NetworkTemporary ID）。UE 希望在一个时间窗口内收到 RAR，这个时间窗口由 eNodeB 确定，并通过小区特定的系统信息广播消息发送给 UE。如果UE没有在规定的时间窗口收到 RAR，则重发前缀。

eNodeB 可以设置前缀功率调整斜坡，这样每个重发的前缀的功率可以根据一个固定的数值增加。然而，由于在 LTE 网络中，每个随机接入前缀都与其他的上行传输正交，因此不需要向 WCDMA 网络那样强调第一个前缀的发射功率必须尽可能地小以减少干扰，即 LTE 初始随机接入前缀的功率要比 WCDMA 高，所以初始接入尝试的成功几率比较大，也就是说前缀功率调整斜坡这个功能往往可以省略。

3．终端标志

这是调度分配在 PUSCH 信道的第一个与随机接入相关的消息，并启用了 HARQ（Hybrid Automatic Repeat reQuest）机制。这个消息携带了确定的随机接入过程消息，比如 RRC 连接请求消息、位置区更新消息，或者调度请求消息。这个消息还携带了在步骤 2 的 RAR 消息中分配的临时 C-RNTI 消息，以及 C-RNTI（如果 UE 处于 RRC 连接状态且已经分配有 C-RNTI）或者一个唯一的 48 比特 UE ID。如果在步骤1 发生前缀冲突，这些彼此冲突的 UE 就会从 RAR 消息中获取相同的临时 C-RNTI，于是在用相同的上行链路时频资源发送 L2/L3 消息时也会发生冲突。产生的干扰可能导致这些彼此冲突的 UE 没有一个能使其上传的数据被解码，这些 UE 达到 HARQ 最大重传次数后，被迫重新开始随机接入过程。即便有一个 UE 被成功解码，其他UE 的问题仍然没有得到解决。在 4 中，相关的下行消息能为这个竞争问题提供一个快速解决方案。

4．竞争解决消息

竞争解决消息是针对 C-RNTI 或者临时 C-RNTI 的。在后一种情况下，竞争解决消息回应的是L2/L3消息中携带的 UE ID。竞争解决消息支持HARQ。如果竞争冲突发生之后，有一个L2/L3消息被成功解码，则只有那个侦测到自己的UE ID（或者C-RNTI）的 UE 才会发 HARQ反馈消息，而其他UE 则意识到存在一个冲突，就不会发HARQ反馈消息，而是尽快结束这次接入过程，并开始一个新的随机接入。UE根据接收到的竞争解决消息的三种情况采取不同的行为对策。

（1）UE 正确解码了消息，并侦测到了自己的ID；UE回一个ACK确认消息；

（2）UE 正确解码了消息，并侦测到该消息携带的是其他UE的ID；UE不回任何消息

（3）UE 无法解码消息，或者错过了 DL 授予；UE 不回任何消息。

【知识链接5】 小区选择与重选

UE 在可以接受网络正常服务之前，必须通过 PLMN 选择在选定的 PLMN 中注册。PLMN 选择期间，UE 为找到可用 PLMN 会根据其能力在所有 E-UTRA 频带和其他 RAT 频带中搜索。

UE 会从各 RF 载波中最强的小区读取系统消息以决定可用的 PLMN。然后从一组可用 PLMN 中选择一个PLMN。基站会在每个小区的 SIB1 中的 plmn-IdentityList 中包含了一组 PLMN 标志，指示小区中可用的PLMN。

UE选定PLMN后，或者UE释放RRC连接并返回空闲状态后，会进行小区选择以寻找可以驻留的小区。

图2-51显示了空闲状态 UE 进行小区选择和重选的功能流程。

图2-51　小区选择和重选流程

小区选择进程中，UE 基于它的能力进行 E-UTRAN 射频扫描。UE 可基于存储在 UE 中的先前了解到的可用 E-UTRA 载波来优化扫描。合适小区是符合下列准则的小区。

（1）满足小区选择准则。

（2）未被禁止。

（3）是所选 PLMN 的一部分并且属于一个未被禁止的 TA。

当 UE 发现了一个合适小区并驻留后，就进入了“正常驻留”状态。此时可从网络接受正常的服务。一旦驻留到一个小区后，UE 为发起小区重选评估进程继续监测某些触发准则，以便作出新的小区驻留决定。如果小区未能发现合适小区，它就进入“任意小区选择”状态，此时UE会尝试找到一可接受小区（满足驻留准则）。如果UE能够找到可驻留的可接受小区，它就进入“任意小区驻留”状态。在该状态下，UE不能从网络接受正常服务。UE 除了紧急呼叫外不允许进入连接模式。在“任意小区驻留”状态下，UE 重复尝试寻找一个合适小区。为此，UE 基于其能力扫描 E-UTRA 频率和其他 RAT 频点。

小区重选（cell reselection）指UE在空闲模式下通过监测邻区和当前小区的信号质量以选择一个最优的小区提供服务信号的过程。当邻区的信号质量及电平满足S准则且满足一定重选判决准则时，终端将接入该小区驻留。UE驻留到合适的LTE小区停留1s后，就可以进行小区重选的过程。小区重选过程包括测量和重选两部分过程，终端根据网络配置的相关参数，在满足条件时发起相应的流程。

（1）系统内小区测量及重选（同频小区测量、重选和异频小区测量、重选）

（2）系统间小区测量及重选。

UE成功驻留后，将持续进行本小区测量。RRC层根据RSRP测量结果计算Srxlev，并将其与Sintrasearch和Snonintrasearch比较，作为是否启动邻区测量的判决条件。对于重选优先级高于服务小区的载频，UE始终对其测量；对于重选优先级等于或者低于服务小区的载频同频情况下。

（1）当服务小区Srxlev > Sintrasearch时，UE自行决定是否进行同频测量。

（2）当服务小区Srxlev <= Sintrasearch或系统消息中Sintrasearch为空时，UE必须进行同频测量。

异频情况下。

（1）当服务小区Srxlev > Snonintrasearch时，UE自行决定是否进行异频测量。

（2）当服务小区Srxlev <= Snonintrasearch或系统消息中Snonintrasearch为空时，UE必须进行异频测量。

以上描述了LTE中信号测量准则（S准则），然而对于重选，LTE有基于R准则和基于优先级两种重选方式。

1．基于R准则

服务小区Cell Rank（R值）　 Rs = Qmeas,s + Qhyst。

候选小区Cell Rank（R值）　 Rt = Qmeas,t – Qoffset。

根据R值计算结果，对于重选优先级等于当前服务载频的邻小区，若邻小区Rn大于服务小区Rs，并持续Treselection，同时UE已在当前服务小区驻留超过1s以上，则触发向邻小区的重选流程。

2．基于优先级的小区重选

基于优先级的小区重选主要应于异频小区之间。

当同时满足以下条件，UE重选至高优先级的异频小区。

（1）UE在当前小区驻留超过1s。

（2）高优先级邻区的Snonservingcell > Threshx,high。

（3）在一段时间（Treselection-EUTRA）内，Snonservingcell 一直好于该阈值 （Threshx, high）。

当同时满足以下条件，UE重选至低优先级的异频小区。

（1）UE驻留在当前小区超过1s。

（2）高优先级和同优先级频率层上没有其他合适的小区。

（3）Sservingcell < Threshserving,low。

（4）低优先级邻区的Snonservingcell,x　> Threshx,low。

（5）在一段时间（Treselection-EUTRA）内，Snonservingcell,x 一直好于该阈值（Threshx, low）。

【知识链接6】 TAU过程

一个 TA 是系统信息中由共同跟踪区码（TAC）标识的一组 E-UTRA 小区。当 UE 注册至一个网络时，核心网存储着注册处的跟踪区相关信息。该信息可被利用，例如用于 UE 寻呼的辅助。

TA 更新进程被 UE 用来更新它在网络中实际跟踪的注册。核心网向 UE发一张注册有效的TA列表。UE 要么在一定的时间（周期性注册）后进行新的注册，要么在进入一注册已不再有效的新TA 后进行新的注册。运营商可给每个小区配置相关的 TAC。在以下情况下会产生TAU。

（1）当前TA不在UE的TAI list里。

（2）周期性TAU表明UE Alive；网络配置，IDLE或连接状态均强制执行。

（3）从服务区外返回服务区时，且周期性TAU到期，立刻执行。

（4）MME负载均衡时，可要求UE发起TAU。

（5）ECM-IDLE状态下UE的GERAN和UTRAN Radio能力发生变化。

（6）从UTRAN PMM Connected或GPRS READY状态通过小区重选进入E-UTRAN时。

根据S-GW是否改变存在两种类型的TAU过程，如图2-52所示。

图2-52　S-GW改变的TAU流程

（1）UE根据网络变化或者状态的变化触发TAU进程。

（2）手机会初始化TAU过程。首先向eNodeB发送TAU Request，包含UE核心网能力、MS网络能力、原GUTI、原GUTI类型、最新注册的TAI、激活标志、EPS承载状态、P-TMSI、额外的GUTI、加密信息和NAS消息等。

（3）eNodeB从RRC 参数 老的 GUMMEI 和 已选择网络ID中获得MME地址。如果MME与eNodeB并没有关联或者GUMMEI是无效的，再或者TAU过程是由负载平衡触发的，eNodeB会通过“MME Selection Function”功能选择一个MME。eNodeB向前转发TAU Request（TAI+ECGI） 到新的MME。

（4）新的MME通过从手机得到的GUTI来获得老的MME/S4 SGSN的地址，并且发送Context Request（参数间原文中彩色部分）到old MME/old S4 SGSN来取得用户信息。老的S4 SGSN会对Context Request进行验证。

（5）Context Request可能会被发送到老的MME或老的S4 SGSN，它们都会返回Context Response给新的MME，但消息中包含的参数会有所区别。

（6）TAU Request完整性检查失败，系统则会启动身份验证过程。

（7）当老的Serving GW 不能继续为手机服务时，新的MME会决定重新选择Serving GW。也有一些情况MME会决定使用新的SGW,例如新的SGW可以为手机提供更长时间的服务, 或者提供更多的到PGW的路径。新MME 会发送 Context Acknowledge （Serving GW change indication） 到老的MME/老的 S4 SGSN。

（8）MME为手机构造了MM context。MME会验证EPS承载的状态，如果不存在bearer context,MME会拒绝TAU Request。如果MME选择了一个新的SGW,它会发送Create Session Request。

（9）当信息被修改时，SGW会通知PDN GW， 例如RAT type被修改了，可以通过每个PDN连接发送Modify Bearer Request到PDN GW来进行通知。

（9a）如果部署了动态PCC，并且RAT type信息需要由PDN GW 传达到PCRF，就需要PDN GW通过IP CAN Session Modification过程发送RAT type信息到PCRF。

（10）PDN GW更新了承载上下文并且返回Modify Bearer Response。

（11）Serving GW更新了它的承载上下文。这样Serving GW就可以把从eNodeB收到的PDU路由发送到 PDN GW。Serving GW返回Create Session Response给新的MME。

（12）新的MME验证是否持有验证过的订阅数据（可以通过GUTI，additional GUTI，IMSI）。如果新的MME对于当前手机不存在订阅数据，MME将会发送Update Location Request到HSS。Update Type标示了是否只有MME注册应该被更新到HSS。Update Type标示了是否需要取消其他RAT的信息。

（13）HSS发送消息取消位置更新给原MME（IMSI, 取消类型） 用于取消更新过程。

（14）在第4步时系统启动了一个计时器，如果这个计时器没有被启动，则MME删除MM context，如果计时器超时contexts被删除。另外还需要确保UE启动另一次TAU过程前老的MME保持MM context。老的MME返回Cancel Location Ack。

（15）当老的S4 SGSN接收到确认消息和UE建立了Iu连接，在第4步启动的定时器超时后老的S4 SGSN发送Iu释放消息给RNC。

（16）RNC通过Iu释放完成消息来影响。

（17）HSS通过向新的MME返回Update Location Ack确认Update Location Request。如果HSS拒绝了 Update Location，新的MME将拒绝TAU。新的MME验证手机在新的TA中是否存在。如果由于订阅限制或接入限制，手机不允许被接入TA，MME将会拒绝Tracking Area Update Request。

（18）如果第4步启动的计时器超时，老的 MME/S4 SGSN会释放所有的本地MME 或 SGSN承载的资源，并且如果它收到的Context Acknowledge中有Serving GW变更标志，老的MME/S4 SGSN会通过向老的Serving GW发送Delete Session Request删除 EPS承载的资源。

（19）S-GW通过Delete Session Response （Cause） messages进行确认，S-GW取消给UE准备的缓冲数据。

（20）MME会发送TAU Accept到UE。如果设置了active flag，MME 会向eNodeB提供Handover Restriction 列表。如果MME分配了新的GUTI，这个ID将会被包含在消息中。如果在TAU Request 消息中“active flag”被设置了，TAU Accept消息就可以直接启动user plane建立的过程。

（21）如果GUTI被包含在TAU Accept中，UE会通过向MME发送TAU Complete来进行确认。

TAU过程并不是每次都能被接受，受到区域部署、漫游限制或者接入限制，TAU会被拒绝；在用户收到HSS数据时，新的MME会构建MM上下行并为优化MME和HSS信令面存储用户数据，这种情况下也会产生TAU拒绝，S1连接会释放。

S-GW不做改变情况下的TAU流程与S-GW改变情况的TAU流程类似，只是它不需要进行S-GW变更，其详细流程如图2-53所示。

图2-53　S-GW不改变的TAU流程

【知识链接7】 Attach与Detach

一、Attach过程

LTE UE通过Attach接入EPC，完成数据业务的接入过程，享受EPS提供的服务。UE在单一PS模式、CS/PS或者紧急承载三种情况下需要进行Attach过程。UE Attach过程如图2-54所示。

图2-54　Attach信令过程

（1）在已经建立NAS信令连接基础上，UE通过向MME发送Attach Request 消息来发起Attach过程；该消息中包含IMSI或GUTI、Last Visited TAI、UE Network Capbility、PDN IP Option、Connect Type等。

（2）步骤3中，如果UE最新连接的（新）MME与最后一次离开网络时连接的（旧）MME相比已经发生改变，新MME就会向旧MME发送一个ID请求来申请当前UE的IMSI，用于为当前UE重新分配GUTI。

（3）步骤4中，如果新MME和旧MME都不能识别当前的UE，那么新MME会给UE发送一个ID请求，随后UE应告诉新MME自己的IMSI。

（4）步骤5、6过程为网络安全过程，如果当前网络中没有UE的安全上下文，那么MME会发起一个鉴权过程，UE和MME相互鉴权之后会在两侧产生相关的安全下文。（漫游情况下，MME应从HSS获取UE的签约信息等内容）。鉴权结束后，MME可能发送移动设备标志检查请求到EIR（Equipment Identity Register），MME的经营可能会检查EIR中的移动设备标志，至少在漫游时，MME应将移动设备标志传给HSS。

（5）步骤7的过程，如果MME中有激活的承载上下文（比如之前连接尝试失败时已经创建了承载），那么MME会发送消息到各个P-GW来删除这些无效的承载上下文。

（6）步骤8、9为位置区更新请求，由于位置已经变化（MME变化），新MME就发送一个位置更新请求到HSS（指明MME标志、IMSI和ME标志等）。

（7）步骤10为位置区更新取消请求，新MME向HSS发送位置更新请求后，旧的MME就可以删除其中保存的UE的位置信息以及相应的承载上下文。

（8）步骤11中，HSS向新MME回送一个位置更新响应，来指明位置更新的状态。若HSS拒绝位置更新，那么MME就拒绝UE的Attach请求。

（9）步骤12～17的过程，位置更新完毕后，新MME就可以与PDN-GW之间建立默认承载，建立默认承载后P-GW就为UE创建了PDN地址、EPS承载标志、协议配置选项等，并将相关消息返回给MME，S-GW可以缓存一些来自P-GW的下行数据包。

（10）MME接受Attach及附着完成。MME通过eNB将APN、GUTI、PDN地址、TAI列表等信息反馈给UE，并请求UE建立无线承载；UE完成无线承载建立后向MME返回一个完成消息指明Attach完成。

二、Detach过程

UE去附着是完成UE与EPS的分离，UE完成数据业务、UE与PDN连接丢失或者网络认为UE需要重新使用Attach情况下UE会进行Detach过程，Detach信令过程如图2-55所示。

图2-55　Detach信令过程

（1）步骤1过程中，处在RRC_CONNECTED态的UE进行Detach过程，向eNB发送UL NAS Transfer消息，包含NAS层Detach Request信息；eNB向MME发送上行直传Uplink NAS Transport消息，包含NAS层Detach Request信息；

（2）步骤2～9过程，MME向Serving-GW发送Delete Session Request，以删除EPS承载；Serving-GW向MME发送Delete Session Response，以确认EPS承载删除。

（3）步骤10～11过程中，MME向基站发送下行直传Downlink NAS Transport消息，包含NAS层Detach Accept消息；eNB向UE发送DL　InformationTransfer消息，包含NAS层Detach Accept消息；

（4）步骤12中为信令释放过程，主要有MME与eNB之间的UE Context Release和UE与eNB之间的RRC　Connection　Release。

【知识链接8】 切换流程

连接状态下的UE通过切换实现业务的连续性。然而对于目前复杂的网络结构来说，切换是一个非常复杂的过程。LTE系统的切换包括系统内同频/异频切换、LTE系统内异模式切换和异系统的切换；对于LTE同频切换也有eNB内切换、基于X2的切换和基于S1切换。切换触发的原因也多种多样，常见的切换触发类型有基于覆盖、基于邻区优先级和基于业务的触发。

对于移动通信切换来说，可分为三个阶段即测量阶段、决策阶段和执行阶段。在LTE系统中的测量阶段，UE根据eNB下发的测量配置消息进行相关测量，并将测量结果上报给eNB。决策阶段，eNB根据报告及RRM信息决定UE是否需要切换。当需要切换时，源eNB向目标eNB发送切换请求；目标eNB根据收到的QoS信息执行接纳控制，并返回至ACK。执行阶段，源eNB向UE发送切换指令，UE接到后进行切换并同步到目标eNB；网络对同步进行响应，当UE成功接入目标eNB后，向目标eNB发送切换确认消息。如果是eNB之间的切换，MME向S-GW发送用户面更新请求，用户面切换下行路径到目标侧；目标eNB通知源eNB释放原先占用的资源。

与UTRAN一致，在LTE中也是基于事件进行切换，即根据不同的信号质量条件激活不同的切换事件，根据相应的事件执行切换。

1．同系统测量

（1）A1事件：表示服务小区信号质量高于一定门限；用于关闭正在进行的频间测量，原因是异频测量或异系统测量会在无线帧上产生间隙，类似于WCDMA的压缩模式，会对链路质量产生影响，因此当信号质量好时，会关闭这种测量。

事件进入条件是Ms - Hys > Thresh。

事件离开条件是Ms + Hys < Thresh。

Ms为当前服务小区的测量结果，Hys为磁滞值，Thresh为此事件的门限参数。

（2）A2事件：表示服务小区信号质量低于一定门限；它与A1事件相反，当信号质量较差时，需要启动频间测量，寻找更好的信号。

事件进入条件是Ms + Hys < Thresh。

事件离开条件是Ms - Hys > Thresh。

（3）A3事件：表示邻区质量高于服务小区质量，用于同频、异频的基于覆盖的切换。

事件进入条件是Mn + Ofn + Ocn - Hys > Ms + Ofs + Ocs + Off。

事件离开条件是Mn + Ofn + Ocn + Hys < Ms + Ofs + Ocs + Off。

Mn为邻小区的测量结果，不考虑计算任何偏置。

Ofn为该邻区频率特定的偏置（即offsetFreq，在measObjectEUTRA中被定义为对应于邻区的频率）。

Ocn为该邻区的小区特定偏置（即cellIndividualOffset，在measObjectEUTRA中被定义为对应于邻区的频率），同时如果没有为邻区配置，则设置为零。

Ms为没有计算任何偏置下的服务小区的测量结果。

Ofs为服务频率上频率特定的偏置（即offsetFreq，在measObjectEUTRA中被定义为对应于服务频率）。

Ocs为服务小区的小区特定偏置（即cellIndividualOffset，在measObjectEUTRA中被定义为对应于服务频率），并设置为0，如果没有为服务小区配置的话；

Hys为该事件的滞后参数（即hysteres，为reportConfigEUTRA内为该事件定义的参数）。

Off为该事件的偏移参数（即a3-Offset，为reportConfigEUTRA内为该事件定义的参数）。

Ofn, Ocn, Ofs, Ocs, Hys, Off 单位为dB。

（4）A4事件：表示邻区质量高于一定门限，用于基于负荷的切换，可用于负载均衡。

事件进入条件是Mn + Ofn + Ocn - Hys > Thresh。

事件离开条件是Mn + Ofn + Ocn + Hys < Thresh。

（5）A5事件：表示服务小区质量低于一定门限并且邻区质量高于一定门限，可用于负载均衡。

事件进入条件是Ms + Hys < Thresh1 & Mn + Ofn + Ocn - Hys >Threah2。

事件离开条件是Ms - Hys > Thresh1 or Mn + Ofn + Ocn + Hys < Thresh2。

2．异系统测量

（1）B1事件：邻小区质量高于一定门限，用于测量高优先级的异系统小区。

事件进入条件是Mn + Ofn - Hys > Thresh。

事件离开条件是Mn + Ofn + Hys < Thresh。

（2）B2事件：服务小区质量低于一定门限，并且邻小区质量高于一定门限，用于相同或较低优先级的异系统小区的测量。

事件进入条件是Mn + Hys < Thresh1 & Mn + Ofn - Hys >Thresh2。

事件离开条件是Mn - Hys > Thresh1 or Mn + Ofn + Hys <Thresh2。

（一）系统内切换

系统内切换过程分为eNB内切换、基于X2切换和基于S1的切换。

（1）eNB内切换流程如图2-56所示。

图2-56　eNB内切换流程

终端在一个 eNB 内的多个不同小区之间进行切换，它的切换准备消息不再通过 S1 或者 X2 接口传输，而是在 eNB 内的板卡间进行交互。当终端上报测量报告后，基站判决需要做 eNB 内切换时，就直接通过板卡间消息交互向目标小区申请做切换。如果目标小区准备完毕，会通知源小区相关的资源信息等。于是源小区在 Uu 口向 UE 发送重配置消息指示终端执行切换。切换完成后，也不用通知核心网，在此切换过程中，不涉及 S1/X2 链路。

（2）eNB 间 X2切换信令流程如图2-57所示。

图2-57　基于X2的切换流程

UE 进入切换区满足 A3 事件后，向服务小区上报测量报告。源小区下发切换命令，挂起 PDCP，此时源小区停止向 UE 下发数据，下行数据传输中断，同时向目标小区转发数据。UE 收到切换命令后，指示 RLC 重建，同时指示MAC随机接入至目标小区。UE 的 MAC等待物理层回复同步指示后，发送前导（msg1）。目标小区回应RAR（msg2）。UE 的MAC向L3返回随机接入完成（RA_CFN）,同时指示目标侧发送切换完成（msg3）及 UE状态报告。目标侧收到 meg3 和 UE 状态报告后，向 UE 发送下行数据，下行数据传输恢复（PDCP 恢复是根据SN_STATUS_TRANSFER 中的 HFN 和 SN 来恢复数据传输的）。

（3）eNB间S1切换信令流程如图2-58所示。如果源 eNB 与目标eNB间无 X2 接口或X2接口阻塞或发生故障时进行S1切换；如果UE跨 MME 切换时，通过S1接口向目标小区切换。

图2-58　基于S1的切换流程

切换过程是可以根据网络参数来控制的，以适应不同的无线场景；一般情况下UE会检测合适的邻小区信号质量，无需服务 RBS 发送的邻区列表的辅助。UE 基于物理小区标志（PCI）搜索并检测合适的切换候选小区。随后使用配置得偏置、迟滞和触发事件的值来进行A3事件评估。一个典型的切换测量配置模式如图2-59所示。

图2-59　A3事件说明

当服务小区的RSRP低于某一参数（sMeasure）设定的值时，开始对服务小区和邻区的测量。UE 通过频内搜索检测邻区。UE 使用RSRP或RSRQ测量来决定事件A3的条件是否满足，至于使用何种参考方式可以用参数来设定，对于同频网络一般设置为RSRQ，对于异频网络设置为RSRP。然后对于信号的抖动，可以通过偏置值、磁滞值和事件报告间隔来规避，决定是否触发A3事件。

（二）异系统切换

在LTE的异系统切换中包括LTE到3G、LTE到2G、3G到LTE、2G到LTE四种情景；LTE异系统切换有三个前提条件内容如下。

（1）UE在ECM-CONNECTED状态（E-UTRAN模式）下。

（2）网络侧，LTE系统和3G系统均支持 LTE到3G的PS切换。

（3）UE侧，UE需要支持异系统的PS切换，在FGI（Feature Group Indicator）中相应bit值须设为1。如LTE向UTRAN切换，UE的FGI bit位8 和bit位22数值必须为1；LTE向GERAN切换，UE的FGI bit位9 和bit位23数值必须为1。

1．E-UTRAN to UTRAN的切换

准备阶段如图2-60所示。

图2-60　E-UTRAN to UTRAN Iu 模式通过RAT HO,准备阶段

（1）源eNodeB决定发起一个到目标接入网（UTRAN Iu mode）的Inter-RAT切换。此时，上行和下行用户数据通过UE和源eNodeB间的承载，源eNodeB S-GW和PDN GW间的GTP通道进行传输。若UE有持续的紧急承载业务，源eNodeB将不发起PS切换到UTRAN小区，即没有IMS 语音能力。

（2）源eNodeB给源MME发送Handover Required（（S1AP Cause, Target RNC Identifier, CSG ID, CSG Access Mode, Source to Target Transparent Container））信息来请求CN在目标RNC、目标SGSN和S-GW中创立资源。承载网络若在之后的步骤中被目标SGSN认定，则进行数据转发。当目标小区为CSG小区或混合小区时，源eNodeB将包含目标小区的CSG ID。若目标小区是混合小区，CSG访问模式将被指定。

（3）源MME通过'Target RNC Identifier' IE决定针对UTRAN Iu模式切换的类型是IRAT切换。源MME通过发送一个Forward Relocation Request信息给目标SGSN来发起切换资源分配程序。

（4）目标SGSN决定是否S-GW被重定位。若S-GW被重定位，目标SGSN根据相应规则对S-GW功能函数的描述选择目标S-GW，通过PDN连接发送一个Create Session Request信息给目标S-GW。S5/S8协议类型提供给S-GW，该协议必须使用S5/S8接口。

目标SGSN在显示序列（Indicated Order）中建立EPS承载。依据步骤7的执行阶段，EPS承载不能够建立，因为SGSN使其无效。

（4a）目标S-GW分配本地资源并反馈Create Session Response信息给目标SGSN。

（5）目标SGSN通过发送Relocation Request信息，请求目标RNC去建立广播网络资源（RAB）。对于每个RAB请求的建立，RABs To Be Setup应该包含如RAB ID、RAB参数、传输层地址和Iu传输协会等。RAB ID信息元素包含NSAPI值，RAB参数信息元素给出了QoS简况。传输层地址是用户平面的S-GW地址（若使用直达通道）或用户面的SGSN地址（不使用直达通道），Iu传输协会分别对应S-GW或SGSN中的上行通道断点标志符数据。

（5a）目标RNC分配资源，在Relocation Request Acknowledge信息中返回应用参数。要发送Relocation Request Acknowledge信息，在接收的RABs直达通道不能使用的前提下，目标RNC必须准备从S-GW或目标SGSN来接收下行GTP PDUs。

（6）若目标SGSN使用间接转发、S-GW应用的重定位和直接通道发送Create Indirect Data Forwarding Tunnel Request信息给S-GW。间接转发可能通过S-GW执行，该S-GW不同于作为UE定位点使用的S-GW。

（6a）S-GW返回一个Create Indirect Data Forwarding Tunnel Response信息给目标SGSN。

（7）目标SGSN发送Forward Relocation Response信息给源MME。S-GW变化标志来指示一个新的S-GW已被选中，目标到源的Transparent Container包含从目标RNC接收到的目标RNC到源RNC的Transparent Container。

（8）若间接路由应用，源MME发送Create Indirect Data Forwarding Tunnel Request信息给S-GW，用于间接路由。间接路由通过一个S-GW执行，该S-GW与用于UE定位点的不同。

（8a）S-GW通过发送Create Indirect Data Forwarding Tunnel Response信息来反馈转发参数。若S-GW不支持数据转发，则一个适当的原因值应该被反馈而Serving GW Address（es）and TEID（s）不在该信息内。执行阶段如图2-61所示。

图2-61　E-UTRAN to UTRAN Iu模式通过RAT HO，执行阶段

源eNodeB持续接收上下行用户平台PDUs。

（1）源MME发送Handover Command信息来完成对源eNodeB的准备阶段。IE“Bearers Subject to Data Forwarding List”可能包含在该信息中，当直接路由应用或当间接路由应用时，参数从步骤8a准备阶段接收，该信息应该是一系列准备阶段（步骤7的准备阶段）从目标侧接收的“Address（es） and TEID（s） for User Traffic Data Forwarding”。

源 eNodeB开始“Bearers Subject to Data Forwarding List”中指定承载层的数据转发。该数据转发直接或者通过S-GW到达目标RNC，方式在准备阶段的源MME或目标SGSN中确定。

（2）源eNodeB命令UE通过从E-UTRAN Command来的HO信息切换到目标接入网络。该信息包含一个透明容器（Transparent Container），透明容器中包括目标RNC在准备阶段配置的无线方面参数。

依据从包含Handover Command信息的 E-UTRAN Command信息中接收到的HO，基于与NSAPI的关系，UE将该其承载ID与各自的RABs联系起来，并将延缓用户平面数据的上行传输。

（3）空缺。

（4）UE移动到目标UTRAN Iu （3G）系统，并通过步骤2中交付信息提供的参数执行切换。UE只可能为这些NSAPIs恢复用户数据传输，NSAPIs有目标RNC分配的无线资源。

（5）当新的源RNC-ID + S-RNTI成功与UE交换时，目标RNC将发送Relocation Complete信息给目标SGSN。Relocation Complete程序的目的是通过目标RNC指示从源E-UTRAN到RNC重定位的完成。接收Relocation Complete信息后，目标SGSN应该准备从目标RNC接收数据。每个通过目标SGSN接收的上行N-PDU直接转发给S-GW。

对于在本地网有着独立操作GW结构的SIPTO来说，目标RNC在Relocation Complete中应该包含目标小区的Local Home Network ID。

（6）然后目标SGSN知道UE到达目标侧，目标SGSN发送Forward Relocation Complete Notification信息通知源MME。若显示激活的ISR到达源MME，则应该维持UE的context，并只有在S-GW不改变的情况下激活ISR。源MME将同样承认该信息。在源MME中的定时器开始监督，直到源eNodeB和源Serving GW （for Serving GW Relocation）中的资源被释放。

当定时器到期，激活的ISR不通过目标SGSN指示源MME释放所有UE承载资源。若S-GW被指示变化且定时器到期，源MME通过发送Delete Session Request （Cause, Operation Indication）信息给源S-GW来删除EPS承载资源。操作认证标志没有设置，指示源S-GW将不开始一个PDN GW的删除程序。若ISR在该程序前被激活，对源S-GW进行cause指示，源S-GW将通过发送Delete Bearer Request信息给CN节点来删除另一老的CN节点上的承载资源。

在接收到Forward Relocation Complete Acknowledge信息后，若目标SGSN用间接路由分配S-GW资源，则目标SGSN启动一个定时器。

（7）目标SGSN将通过通知S-GW（for Serving GW Relocation，this will be the Target Serving GW）为UE确立的所有EPS Bearer Contexts负责来完成切换程序。每个PDN连接在信息Modify Bearer Request中执行。若PDN GW请求UE的位置以及用户CSG信息（Determined From the UE Context），SGSN在信息中也包含用户位置信息IE和用户CSG信息IE。若S-GW没有重定位但服务网络有变化，或者SGSN没有从旧MME中接收到任何旧服务网络信息，则SGSN在信息中包含新服务网络IE。在网络分享场景下，服务网络指示服务核心网络。若已指示，ISR激活信息指示ISR被激活，该情况只可能发生在S-GW不改变的情况下。当Modify Bearer Request不能指示ISR激活且S-GW没有变化时，S-GW通过发送Delete Bearer Request给其他核心节点来删除任意ISR资源，其中核心节点在预留的S-GW上有承载资源。

SGSN通过触发Bearer Context deactivation程序来释放非接收EPS Bearer Contexts。若S-GW为了不接受承载而接收了一个DL数据包，该S-GW停止该DL数据包，不将下行数据通知发送到SGSN。

（8）S-GW（for Serving GW Relocation，this will be the Target Serving GW）可能通知PDN GW例如S-GW重定位或RAT类型的变化，例子可通过PDN连接发送Modify Bearer Request信息进行命令。S-GW同样包含User Location Information IE或UE Time Zone IE和User CSG Information IE，若它们存在于步骤7中。若在步骤7或条款5.5.2.1.2的步骤4进行接收，服务网络应被包括在内。对于S-GW重定位，S-GW根据S5/S8分配DL TEIDs，即使对于非接受承载业务，可能包含PDN Charging Pause Support Indication。PDN GW必须承认带有Modify Bearer Response信息的请求。在S-GW重定位的情况下，PDN GW更新其Context Field并返回一个Modify Bearer Response （Charging Id, MSISDN, PDN Charging Pause Enabled Indication （if PDN GW has chosen to enable the function, etc.）信息给S-GW。若PDN GW将MSISDN存储在其UE Context里，则MSISDN也包含在内。

若使用PCC结构，PDN GW将通知PCRF一些变化，如RAT类型等。

若S-GW重定位，PDN GW将在转换路径后立即通过老的路径发送一个或多个结束标记数据包。源S-GW将向前传送结束标记数据包给源eNodeB。

（9）S-GW承认通过信息Modify Bearer Response使用户平台转换到目标SGSN。若S-GW没有改变，在变化路径后，将立即通过老的路径发送一个或多个结束标记数据包。

（10）当UE承认其当前路由区域没有向网络登记，或当UE的TIN表明“GUTI”时，UE开始一个路由区域更新程序，伴随目标SGSN的通知，UE已定位到一个新的路由区域。这是一种RAN功能，用于提供PMM-CONNECTED UE路由区域信息。

目标SGSN知道UE接收到切换信息发送的Bearer Context（s）时，对UE的一个IRAT切换将执行，所以目标SGSN执行RAU程序的子集，尤其当它排除了源MME和目标SGSN间的Context Transfer程序时。

（11）当步骤6中定时器开启到期，或源MME接收Forward Relocation Response 信息中的S-GW变化指示，它将通过发送Delete Session Request （Cause, Operation Indication）信息给源S-GW删除EPS承载资源。操作指示标志没有设置，给源S-GW的指示使源S-GW将不对PDN GW开始一个删除程序。若ISR在该程序前被激活，S-GW将通过发送Delete Bearer Request信息给核心节点来删除其他老的核心节点上的承载资源。

（12）若间接路由被使用，步骤6中源MME上定时器的过期会触发源MME发送一条Delete Indirect Data Forwarding Tunnel Request信息给S-GW来释放用于间接路由的临时资源。

（13）若间接路由被使用且S-GW重定位，步骤6中目标SGSN中定时器的过期会触发目标SGSN发送Delete Indirect Data Forwarding Tunnel Request信息给目标S-GW来释放用于间接路由的临时资源。

2．UTRAN to E-UTRAN的切换

在UTRAN 向 E-UTRAN的切换流程中，首先Serving RNC初始化Handover并且通知Serving SGSN。Serving SGSN 会通知目标MME，准备Handover需要的资源。目标MME 会初始化S-GW和eNB需要的资源。详细流程如图2-62所示。

图2-62　UTRAN 向E-UTRAN 切换，准备阶段

在切换执行阶段，目标MME在S-GW初始化分配Indirect Data Forwarding Path 并且通知SGSN。Serving SGSN命令RNC进行Handover。RNC命令UE Handover到E-UTRAN。 MME会根据eNB的返回通知 SGSN 是否成功地进行了Handover。MME开始进行 Bearer Modification过程。PS切换完成后进行链路拆除。执行阶段详细流程如图2-63所示。

图2-63　UTRAN 向E-UTRAN 切换,执行阶段

在异系统切换中，除了UTRAN 与E-UTRAN双向切换外，E-UTRAN与GERAN也可双向切换，在3GPP 23.401中有详细的描述，其过程类似UTRAN 与E-UTRAN之间的切换。

【知识链接9】 寻呼

寻呼是空闲状态UE与网络建立会话的过程，此时网络不知UE所在的小区，网络仅知道UE所在的TA；因此网络需要向整个TA内的小区广播寻呼消息，UE收到寻呼消息后通过寻呼响应来建立网络的连接。寻呼同时用网络向UE通知网络信息的改变。因此寻呼可以是空闲状态，也可以是连接状态。寻呼可以是核心网发起，也可以是eNB发起，如图2-64所示。

图2-64　LTE寻呼示意图

核心网触发：通知UE接收寻呼请求（被叫，数据推送）。

eNodeB触发：通知系统消息更新以及通知UE接收ETWS等信息。

在S1AP接口消息中，MME对eNB发Paging消息，每个Paging消息携带一个被寻呼UE信息；eNB读取Paging消息中的TA列表，并在其属于该列表内的小区进行空口寻呼。若之前UE已将DRX消息通过NAS告诉MME，则MME会将该信息通过Paging消息告诉eNB，如图2-65所示。

图2-65　LTE寻呼消息

空口进行寻呼消息的传输时，eNB将具有相同寻呼时机的UE寻呼内容汇总在一条寻呼消息里。寻呼消息被映射到PCCH逻辑信道中，并根据UE的DRX周期在PDSCH上发送。

UE对寻呼消息的接收采用非连续接收（DRX）模式，UE根据DRX周期在特定时刻根据P-RNTI读取PDCCH；UE根据PDCCH的指示读取相应PDSCH，并将解码的数据通过寻呼传输信道（PCH）传到MAC层。PCH传输块中包含被寻呼的UE标志（IMSI或S-TMSI），若未在PCH上找到自己的标志，UE再次进入DRX状态。

【实战技巧】

LTE核心技术是OFDM技术和MIMO技术，掌握了OFDM和MIMO就掌握了LTE最核心的东西，但这并不代表其他内容就不重要。在其他知识中，LTE的网络架构、信道结构和主要过程却是更加与优化紧密相连的，需要重点理解和记忆。它们能帮助分析问题，理解为什么会产生问题以及解决问题的办法。

LTE理论知识不仅是优化的理论基础，同时也是上岗的理论基础。现在所有的运营商、设备厂商甚至优化公司会对员工进行考核，只有考核通过才能从事LTE优化工作。但是LTE基础优化工作并不需要太多理论作为支撑，只要掌握其基本原理即可，并不需要深入的去研究如何计算和推导。但如果想提升能力，要做高级优化工程师、优化专家，那么就需要深入地理解LTE原理，熟悉LTE所有过程，熟悉基站原理、天线知识、无线传播知识，甚至需要了解相关协议规范。