LTE移动通信网络设计.docx
《LTE移动通信网络设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《LTE移动通信网络设计.docx（166页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
LTE移动通信网络设计
中网华通公司工程设计实用教材系列
LTE移动通信网络设计
（V1.0）
编制
张传福、张宇、赵立英
日期
2015年11月
审批
于新雁
日期
2015年12月
批准
王伯仲
日期
2015年12月
北京中网华通设计咨询有限公司
公司技术发展部
修订记录
日期
修订版本
描述
作者
前言
LTE是4G标准，我国三大运营商都在全国范围建设了LTE商用网络。
本教材围绕LTE通信网络技术、覆盖分析、容量分析、室内分布系统、高铁建设、语音解决方案、TD-LTE与LTEFDD混合组网、微基站的应用以及LTE关键技术的应用等方面进行编制，旨在为员工提供LTE通信网络设计方面的实用素材，规范LTE通信网络设计各环节的工作。
本教材为中网华通公司工程设计实用教材系列之《LTE移动通信网络设计（V1.0）》，由公司技术发展部编制完成，并经公司无线专业组审核。
教材使用过程中，编制人员会根据大家反馈的意见和建议以及技术的发展进行定期补充修订，以保证教材与实际工作结合得更加紧密，更具实用性。
公司其它专业相关工程设计教材正在陆续安排编制中，希望各项目能积极提供相关素材、建议，支持和参与工程设计实用教材系列的编制工作。
一、LTE移动通信网络概述
1.LTE发展演进情况
LTE是3G的演进，是在2004年3GPP多伦多会议上提出的。
LTE是3G与4G技术之间的一个过渡，它改进并增强了3G的空中接入技术，采用OFDM和MIMO作为其无线网络演进的唯一标准。
LTE版本演进及升级历程如下：
Ø2008年1月：
3GPP将LTE列入3GPPR8正式标准；
Ø2008年12月：
3GPP发布了LTER8版本的FDD-LTE和TDD-LTE标准，它定义了LTE基本功能，包含了LTE的绝大部分特性，原则上完成了LTE标准草案，LTE进入实质研发阶段。
Ø2009年底：
完成LTER9版本，R9版本主要以完善和增强LTE系统为目标，与以前的版本相比变化不大，已在2009年底完成。
Ø后续：
LTER10将以LTE-Advanced为主要内容，R10版本可以超过l00M带宽以上，上行传输性能也应进一步提升。
LTE-Advanced从3GPPR10版本协议开始，形成了载波聚合（CA）、多点协作（CoMP）、中继（relay）、增强的小区间干扰协调（eICIC）和MIMO增强5个关键技术。
2.LTE系统设计要求
（1）频谱带宽配置
实现灵活的频谱带宽配置，支持1.4MHz，3MHz，5MHz，l0MHz，15MHz和20MHz的带宽设置，从技术上保证LTE系统可以使用第三代移动通信系统的频谱。
（2）小区边缘传输速率
提高小区边缘传输速率，改善用户的小区边缘的体验，增强LTE系统的覆盖性能，主要通过频分多址和小区间干扰抑制技术实现。
（3）数据率和频谱利用率
在数据率和频谱利用率方面，实现下行峰值速率100Mbit/s，上行峰值速率50Mbit/s；频谱利用率为HSPA的2~4倍，用户平均吞吐量为HSPA的2~4倍。
为保证LTE系统在频谱利用率方面的技术优势，主要通过多天线技术、自适应调制与编码和基于信道质量的频率选择性调度实现。
（4）时延
提供低时延，使用户平面内部单向传输时延低于5ms，控制平面从睡眠状态到激活状态的迁移时间低于50ms，从驻留状态到激活状态的迁移时间小于100ms，以增强对实时业务的支持。
（5）多媒体广播和多播业务。
（6）支持增强型MBMS（E-MBMS）。
（7）取消CS域，CS域业务在PS域实现（如VoIP）。
（8）系统结构简单化，低成本建网。
3.LTE系统架构
LTE系统主要由E-UTRAN和EPC组成（见图1.3.1）。
E-UTRAN由WCDMA的UTRAN演进而来，与UTRAN相比，去掉了RNC，向扁平化的结构迈进了一步。
LTE的核心网EPC（EvolvedPacketCore，演进的分组交换核心网）主要由MME（MobilityManagementEntity，移动性管理实体）、SGW（ServingGateway，服务网关）和PGW（PacketDataNodeGateway，PDN网关或分组数据节点网关）组成。
多个EPC的集合可以称为EPS（EvolvedPacketSystem，演进的分组交换系统）。
系统架构如图1.3.1所示。
图1.3.1LTE系统架构
各部分的功能如下：
（1）MME的功能：
包括寻呼消息发送，安全控制，Idle态的移动性管理，SAE承载管理以及NAS信令的加密及完整性保护等。
（2）SGW的功能：
包括数据的路由和传输，以及用户面数据的加密。
（3）eNB的功能：
包括RRM功能，IP头压缩及用户数据流加密，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以及设置和提供eNB的测量等。
（4）S1接口：
连接eNB与核心网边缘节点MME及S-GW，分为控制平面的S1-MME和用户平面的S1-U接口。
（5）X2接口：
提供eNB之间的互相连接，分别提供控制平面和用户平面的功能，为切换、小区间的RRM等功能提供支持。
4.LTE物理资源
LTE的物理资源有多个层次，如图1.4.1所示。
图1.4.1LTE的物理资源
LTE的空中接口的多址技术是以OFDM技术为基础的。
OFDM多址接入的资源具有时间和频率两个维度。
这两个维度的大小决定了用户接入资源占用的多少。
也就是说，OFDMA其实是TDMA和FDMA的结合。
OFDMA的主要思想是从时域和频域两个维度将系统的无线资源划分成资源块（ResourceBlock，RB），每个用户占用其中的一个或者多个资源块。
从频域的角度说，无线资源块包括多个子载波；从时域上说，无线资源块包括多个OFDM符号周期。
也就是说，OFDMA本质上是TDMA+FDMA的多址方式。
LTE的空中接口资源分配的基本单位是物理资源块（PhysicalResourceBlock，PRB）。
1个物理资源块PRB在频域上包括12个连续的子载波，在时域上包括7个连续的常规OFDM符号周期。
LTE的一个物理资源块PRB对应的是带宽为180kHz、时长为0.5ms的无线资源，如图1.4.2所示。
图1.4.2OFDMA资源块RB结构
LTE的子载波间隔Δf＝15kHz，于是PRB在频域上的宽度为
12×15=180（kHz）
7个连续的常规OFDM符号周期的时间长度为0.5ms，每个常规OFDM符号周期为71.4μs。
LTE的下行物理资源可以看成由时域和频域资源组成的二维栅格。
可以把一个常规OFDM符号周期和一个子载波组成的资源称为1个资源单位（ResourceElement，RE）。
于是，一个RB包含的RE数目为
12×7=84RE
即一个RB包含84个RE。
每一个资源单位RE都可以根据无线环境选择QPSK、16QAM或64QAM的调制方式。
调制方式为QPSK的时候，一个RE可携带2bit的信息；调制方式为16QAM的时候，一个RE可携带4bit的信息；调制方式为64QAM的时候，一个RE可携带6bit的信息。
LTE支持1.4MHz、3MHz、5MHz、10MHz、15MHz、20MHz等级别的动态带宽配置，带宽的动态配置是通过调整资源块RB数目的多少来完成的。
不同的RB数目又对应着不同的子载波数目，如表1.4.1所示。
表1.4.1带宽与资源块数目
5.LTE关键技术
5.1现阶段的关键技术
（1）OFDM和SC-FDMA
LTE在下行采用OFDM，上行采用单载波-频分多址（SC-FDMA）。
OFDM使得同一小区中用户信号之间可以保持正交性，SC-FDMA可以看成是对用户信号的频域分量进行正交频分多址（OFDMA），相比于普通OFDMA，其优点是峰均比较低，从而可以简化终端上的功放设计和更有效地利用终端上的功放资源。
LTE中任一时刻同一用户在上行占用的子载波永远是连续的，以简化终端实现；下行则可以是交错的，以增加频域分集增益。
未来有可能在上行中引入直接使用OFDMA，因它调度更灵活，也可以简化演进的基站（eNB）侧均衡器和上行使用MIMO时的实现。
（2）更高阶调制（64QAM）
LTE中上、下行均可自适应使用正交相移键控（QPSK）、16星座正交幅度调制（16QAM）和64QAM等多种调制技术，64QAM的使用可以支持更高的峰值速率，当信道条件足够好和功率资源足够时它也能更有效地利用系统资源。
在R8LTE中，上行支持64QAM对终端和eNB均为可选。
（3）HARQ
同高速下行分组接入和高速上行分组接入（HSDPA/HSUPA）一样，LTE也使用自适应调制编码（AMC）和HARQ技术，来进行速率控制和有效利用信道时变特性。
LTE下行采用异步自适应HARQ，eNB在物理下行控制信道（PDCCH）上指示HARQ的流程数和当前发送是新的还是重传，终端在eNB发送子帧后的第4个子帧上返回确认（ACK）或者否认（NAK）指示，该指示用物理上行控制信道（PUCCH）或物理上行共享信道（PUSCH）承载，由于是异步HARQ，每一次重传都需要eNB用PDCCH进行调度。
上行则采用同步HARQ，它有两种模式：
普通模式和子帧捆绑模式，它们的区别是：
子帧捆绑模式每次对4个连续的上行子帧进行捆绑操作，这是为了提高承载基于IP的语音（VoIP）业务时的性能，普通模式是对单个子帧操作；两种模式所支持的HARQ流程数也是不一样的，普通模式对应的流程数为8，子帧捆绑模式的流程数为4。
终端根据eNB在下行PDCCH上的新数据指示（NDI）比特或物理HARQ指示信道（PHICH）来判断是否需要重传，如果需要重传，终端将会在固定数目子帧后重传。
（4）先进的多天线技术
LTE在下行灵活使用MIMO、空分多址（SDMA）、波束成型和接收/发送分集等多天线技术：
对信干比高和空间信道散列度高（信道矩阵值高和奇异值高）的用户使用MIMO技术，以提供更高的数据速率；当需要为更多用户服务时，利用SDMA技术在同一时频资源上为多个用户同时提供服务；对某些用户使用波束成型技术，将发送/接收波束对准用户，以提高用户的数据速率；当不需要使用SDMA，MIMO也无法带来附加增益时，使用传统的天线接收、发送分集技术以获取多天线增益。
LTER8在上行只使用SDMA和多天线接收分集技术，未来应该也会考虑MIMO技术。
LTE标准目前最高支持4×4MIMO，当带宽为20MHz时，下行峰值速率可达约300Mbit/s，上行峰值速率可达约75Mbit/s，早期部署可能更多会用到2×2MIMO。
LTE阶段定义了8种下行多天线MIMO传输模式（transmissionmode，TM）：
单天线发送（TM1）；发射分集（TM2）；循环时延分集（TM3）；闭环空间复用（TM4）；多用户MIMO（TM5）；单层闭环空间复用（TM6）；单流波束成形（TM7）；双流波束成形（TM8）。
发展历程如图1.5.1所示。
图1.5.1下行MIMO传输模式发展历程
（5）快速同步技术
LTE提供两种同步信号：
主同步信号和次同步信号，它们在每一个物理帧（10ms）的两个固定子帧上被等间隔地广播两次，从而保证终端在正常情况下能在5ms内获得同步。
终端利用主同步信号来获取次同步信号的相位参考，然后利用次同步信号获取物理帧的边界定时，最后利用二者确定小区标识号（ID）。
不管系统实际使用的带宽是多少，同步信号永远使用最中间的1.08MHz子载波来承载，以确保支持不同带宽的终端都可以快速捕获网络。
LTE-FDD和LTE-TDD使用不同的子帧和符号来承载同步信号，FDD和TDD双模终端可以借此来确定当前是FDD网络还是TDD网络。
（6）灵活的控制信道设计
LTE中下行控制信道PDCCH（物理下行控制信道）和业务信道PDSCH（物理下行共享信道）被时分复用在每个子帧（1ms）的不同OFDM符号上，eNB可以根据负载情况和信道条件等动态调整分配给PDCCH的资源，包括它所占用的OFDM符号数和所使用的功率，eNB用物理控制格式指示信道（PCFICH）来指示分配给PDCCH的符号数。
LTE对业务信道和控制信道使用不同的信道编码，对业务信道使用Turbo码，因它数据块较大可以有更深的交织，对控制信道等则使用卷积码或块编码，这主要是考虑它们的数据量小、交织深度不足。
（7）自适应资源分配
LTE资源的最小单位是一个OFDM符号上的一个子载波，为方便分配和减小信令开销，实际资源分配是以资源块（RB）为单位进行的，一个资源块由一个时隙（半个子帧，0.5ms）上的12个子载波（总带宽为12×15=180kHz）组成。
LTE可以根据业务类型对资源进行自适应分配，例如对时延不敏感的非实时业务（如文件传输FTP和网页浏览HTTP业务）使用动态分配，即根据所有请求用户的信道条件和业务需求、系统资源情况等进行动态调度，以最大匹配信道时变特性和充分利用多用户分集，增加系统的吞吐量。
对于实时业务（如VoIP业务），则可以采用半持久分配，即eNB不通过调度器而直接将预先定义的资源分配给终端，以减少因需频繁发送请求和等待分配所带来的时延和开销，满足实时业务的需求。
（8）干扰抑制技术
OFDMA和SC-FDMA多址技术的使用使小区内干扰基本得到消除，LTE在eNB间引入X2接口，该接口的一个功能是实现切换，另一功能是使得相邻小区能共享负载信息和进行协调调度，以减小小区间干扰。
LTE部署时也可以考虑采用部分频率复用技术，其主要思想是让各相邻小区为位于其小区边缘的用户分配相互不重叠的子载波资源，从而确保小区边缘用户也能享受较高的数据速率，对非小区边缘用户则没有此限制。
（9）网络扁平化
为减少网络处理节点从而减少相关处理时延，LTE采用了扁平化网络架构，网络由eNB、移动性管理实体（MME）和服务网关/分组数据网关（SGW/PGW）组成，原无线网络控制器（RNC）的功能被相应分散到它们中，大部分功能由eNB承担，这同时也意味着LTE不支持软切换（激活集中只能有一个服务的eNB），上行更软切换功能也是可选的，原关口GPRS支持节点（GGSN）/服务GPRS支持节点（SGSN）的功能则由MME和SGW/PGW完成。
eNB成为接入网中的核心网元，它实现如下功能：
无线资源管理；用户数据的IP头压缩和加密；选择MME，用S1-MME接口和MME通信来实现移动性管理、寻呼用户、传递非接入子层（NAS）信令和选择SGW/PGW等；用S1-U接口和SGW通信来传递用户数据。
MME的主要功能有：
接入子层（AS）安全控制；NAS信令和其安全；对空闲模式终端的寻呼；选择SGW/PGW；跨MME切换时选择目标MME；和3GPP网络互通和切换时实现核心网网元间信令和3GPP网络侧SGSN的选择。
SGW的主要功能是：
分组路由和前转；用户面交换以支持终端移动性；eNB间切换时充当本地移动性锚点；与3GPP网络互通时充当移动性锚点；上、下行分组计费。
PGW的主要功能是：
分配IP地址；基于用户的分组过滤；合法监听等。
（10）FDD和TDD技术最大共用
WCDMA和TD-SCDMA仅共用核心网和部分上层信令设计，LTE-FDD和LTE-TDD则实现了自物理层往上的最大融合和技术共用，这可以极大地方便网络设备厂家和终端设备厂家同时开发这两种产品，也方便运营商使用成对和非配对频率资源来部署技术基本相同的两套系统。
LTE-FDD和LTE-TDD的差异被最小化，差异主要体现在双工方式和部分子帧设计上：
LTE-FDD上、下行采用相同的帧结构，但占用不同的频率。
LTE-TDD上、下行在同一频率上，但占用不同的子帧；LTE-FDD和LTE-TDD的帧结构相同，一个无线帧（10ms）由10个子帧（各1ms）组成，当使用相同长度的循环前缀（CP）时每个子帧中的OFDM符号数也相同。
但LTE-TDD的子帧0和5固定用于下行，子帧1是一个特殊子帧，它承载下行导频时隙（DwPTS）、上行导频时隙（UpPTS）和它们间的保护期，子帧2固定用于上行，其它子帧可以根据系统的上、下行速率需求进行灵活分配。
当系统需要分配较多的上行资源，例如需要将后半个帧中的部分子帧分配给上行时，子帧6也将用于承载DwPTS、UpPTS和它们间的保护期。
5.2LTE-Advanced关键技术
（1）聚合多载波
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。
后者使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-Advanced将在下行引入8×8甚至有可能更高阶的MIMO，在上行引入4×4MIMO，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。
LTE-Advanced阶段，3GPP在下行引入了一种新型的MIMO传输模式——TM9。
TM9可以采用基于非码本和码本两种预编码方式。
（3）智能中继
中继和传统直放站的区别是它更像是一个使用无线回程（Backhaul）的微基站，它只放大信号而避免放大噪声和干扰，从而能既增加覆盖也增加容量。
LTE-Advanced已接受层3和带内中继方式以支持旧LTE终端，即Relay站支持层1到层3基本协议，具有自己的ID和调度功能，在一个R8的LTE终端看来，它就像是一个普通的eNB，它与终端间的通信和它与eNB间的回程通信时分复用在同一频带上进行。
（4）异构网络
LTE-Advanced将通过综合使用宏蜂窝、微蜂窝、微微蜂窝、家庭基站（HomeNB）、中继等提供泛在服务和节省网络部署及运营成本。
异构网络间的协调、移动性管理和干扰控制将是研究的热点。
（5）协调多点发送
协调多点发送（CoMP）主要考虑三种技术：
合作干扰抑制、协调波束成型和联合处理。
合作干扰抑制是指将一些资源进行分割，通过对特定资源不使用或者减小使用功率来避免或者减少干扰。
协调波束成型通过扩展的eNB间接口来协调相邻基站的天线波束，实现波束对准本小区的用户和避开使用相同资源的邻小区用户。
联合处理则是指分布式基站/天线间采用协同和联合处理，来为一个或多个用户实现分布式MIMO发送或接收。
（6）先进的干扰管理
CoMP可以规避或者减少干扰，为了更有效地支持异构网络部署，特别是提高小区边缘用户的使用体验，有必要引入更多的干扰抑制技术，如不同场景下如何选择干扰最优的服务基站、小区间的干扰协调和负载均衡技术、终端和基站相互协同的干扰管理策略等。
二、
LTE网络覆盖分析
1.LTE覆盖能力的影响因素
在WCDMA和TD-SCDMA的3GPPR4版本之前，不同的业务通过功率控制，尽量维持其额定的速率，即“动态的功率、额定的速率”。
当小区边缘的覆盖电平太低，使得信噪比低于一定程度，且不满足该业务的解调门限时，该业务则无法继续。
也就是说，不同的业务有不同的覆盖范围。
在LTE里，由于采用AMC（自适应编码调制）技术，功率可以不变，业务速率是可变的；当覆盖电平不足以支撑较高的业务速率时，通过降低速率，业务还可以继续，即不同的速率有不同的解调门限要求。
降低速率要求，可以增加覆盖范围。
其实，这一点和3GPPR5版本的HSDPA技术是相同的。
LTE的覆盖能力应该是满足一定业务速率要求的最大覆盖范围。
也就是说，要说LTE的一个小区覆盖多大范围，必须指出满足多大的边缘速率要求。
在一定业务速率要求下，LTE的覆盖能力还和基站的发射功率、选用的载波频率及带宽、多天线方式、RB资源占用情况、RRM算法的选用、帧结构等因素有关，如图2.1.1所示。
发射功率由每个RE进行均分，可以应对灵活的资源分配和发射。
图2.1.1LTE覆盖能力的影响因素
1.1发射功率
发送功率对覆盖的影响是一把“双刃剑”。
一方面，基站发射功率的增大，会使覆盖能力增强；另一方面，基站发射功率的增大，会导致小区间干扰的迅速增加。
也就是说，功率不是越大越好，要看功率的增加，信噪比是否相应增加。
功率大到一定程度，干扰的增加会导致信噪比的恶化，于是频谱效率开始下降，如图2.1.2所示。
在一定功率值附近，信噪比和频谱效率达到峰值。
图2.1.2发射功率和信噪比的关系
实际设备功率取值一定要在覆盖能力、频谱效率、设备成本与体积方面综合权衡。
基站的下行发射功率和UE的上行覆盖能力是不一样的，因此上、下行的覆盖水平可能不一致。
1.2载波频率及带宽
LTE支持从700MHz~2.6GHz等多种频段。
高频段的传播损耗、穿透损耗比低频段的要大10dB左右。
所以使用高频段时，LTE的覆盖范围要缩小很多。
表2.1.1是自由空间传播模型下，不同频率的路径损耗的对比。
表2.1.1不同频率的自由空间损耗（dB）
1.3多天线的选用
多天线技术如何选用、是否开启对覆盖有比较大的影响。
通常来说，天线数目配置越多，覆盖范围越大，分集模式比复用模式覆盖范围大。
也就是说，天线配置、天线工作模式对覆盖影响显著。
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，发射分集时，4天线、8天线比2天线的增益稍高；采用波束赋型时，8天线比2天线高6dB左右的增益。
采用波束赋型后，小区边缘频谱效率比采用发射分集时有明显提升。
基于波束赋型的天线工作方式，在下行方向，既提供了赋型增益，又提供了分集增益。
而在发射分集模式的时候，没有赋型增益的效果。
1.4RB资源占用
LTE支持1.4MHz、3MHz、5MHz、10MHz、15MHz、20MHz等多种带宽的动态配置。
一方面，用户占用的载波资源越多，接收机底噪越大，对覆盖有收缩效果；另一方面，业务信道占用的子载波数目越多，在边缘业务速率要求一定的情况下，支持的覆盖距离就越大。
业务信道由专用信道变为共享信道后，不同用户的RB资源占用不同，覆盖范围也不一样。
资源占用越多，意味着带宽增大，覆盖范围的变化需分析噪声上升和解调门限要求降低两个趋势中哪个占据优势。
LTE需根据信道环境、业务速率需求及QoS要求来选择合适的业务信道资源配置方式。
单用户带宽过大，接入用户数就会减少，所以单用户子载波数目的调度需要兼顾总体接入用户的规模。
LTE增加了64QAM高阶调制方式，高阶调制的解调门限也增加了，因此高阶调制的覆盖范围相对其他方式来说会有所缩小。
降低业务速率需求、降低调制/解调等级，降低信噪比、降低QoS要求，可提高覆盖范围。
控制信道（PDCCH、PUCCH、PRACH等）的资源配置的方式不同，覆盖能力也就不同。
如PDCCH的DCl格式等效编码率不同，PUCCH的CQI的反馈模式、PRACH的不同格式配置、不同循环移位参数配置都影响其能够获得的解调门限。
解调门限要求过高，覆盖范围则相应缩小。
1.5RRM算法
对覆盖有影响的RRM算法主要是ICIC模块、DRA模块。
小区间干扰的存在会导致接收机底噪的抬升，从而降低接收机灵
升级会员 