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目 录
1 概述 1
1.1 LTE起源 ......................................................................................................................................... 1
1.2 LTE发展的里程碑 ......................................................................................................................... 1
1.3 LTE 演进目标 ............................................................................................................................... 2
1.3.1 能力 ....................................................................................................................................... 2
1.3.2 性能 ....................................................................................................................................... 2
1.3.3 部署 ....................................................................................................................................... 4
1.3.4 网络架构 ............................................................................................................................... 4
1.3.5 无线资源管理 ....................................................................................................................... 5
1.3.6 其他 ....................................................................................................................................... 5
1.4 LTE主要技术特征 ......................................................................................................................... 6
1.4.1 峰值数据速率 ....................................................................................................................... 6
1.4.2 降低时延 ............................................................................................................................... 6
1.4.3 增强频谱效率 ....................................................................................................................... 6
1.4.4 移动性 ................................................................................................................................... 7
1.4.5 增强小区覆盖 ....................................................................................................................... 7
1.4.6 灵活支持不同带宽 ............................................................................................................... 7
1.4.7 减小CAPEX和OPEX ........................................................................................................... 7
2 LTE网络架构 ......................................................................................................................................... 8
2.1 网络结构 ........................................................................................................................................ 8
2.2 网元功能 ........................................................................................................................................ 9
2.2.1 eNB ....................................................................................................................................... 9
2.2.2 MME ................................................................................................................................... 10
2.2.3 S-GW .................................................................................................................................. 10
2.2.4 P-GW .................................................................................................................................. 11
2.3 系统接口协议 .............................................................................................................................. 11
2.3.1 S1接口 ................................................................................................................................ 11
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2.3.2 X2接口 ................................................................................................................................ 12
2.3.3 无线接口(X1\Uu) ............................................................................................................... 13
3 物理层 ................................................................................................................................................... 15
3.1 信道带宽 ...................................................................................................................................... 15
3.2 多址技术 ...................................................................................................................................... 15
3.3 双工方式与帧结构 ...................................................................................................................... 15
3.4 物理资源概念 .............................................................................................................................. 16
3.4.1 LTE系统基本时间单位 ...................................................................................................... 16
3.4.2 资源单元 ............................................................................................................................. 16
3.4.3 物理资源块（PRB） ......................................................................................................... 16
3.4.4 资源栅格（Resource Grid） .............................................................................................. 16
3.5 物理信道 ...................................................................................................................................... 16
3.5.1 下行物理信道： ................................................................................................................. 16
3.5.2 上行物理信道： ................................................................................................................. 18
3.6 物理信号 ...................................................................................................................................... 20
3.6.1 下行参考信号 ..................................................................................................................... 20
3.6.2 下行主/辅同步信号 ............................................................................................................ 21
3.6.3 上行参考信号 ..................................................................................................................... 21
4 关键技术 ............................................................................................................................................... 23
4.1 多址接入技术-OFDM.................................................................................................................. 23
4.1.1 下行OFDMA ...................................................................................................................... 24
4.1.2 上行SC-FDMA ................................................................................................................... 30
4.2 多天线技术 .................................................................................................................................. 34
4.2.1 传输分集概述 ..................................................................................................................... 34
4.2.2 波束赋形概述 ..................................................................................................................... 38
4.2.3 空间复用概述 ..................................................................................................................... 39
4.2.4 LTE系统中的多天线技术 .................................................................................................. 43
4.3 链路自适应 .................................................................................................................................. 44
4.4 快速分组调度 .............................................................................................................................. 46
4.5 HARQ ........................................................................................................................................... 48
4.5.1 FEC，ARQ以及HARQ ...................................................................................................... 48
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4.5.2 HARQ与软合并 ................................................................................................................. 53
4.6 小区间干扰消除 .......................................................................................................................... 55
4.6.1 发射端波束赋形以及IRC .................................................................................................. 55
4.6.2 小区间干扰协调 ................................................................................................................. 57
4.6.3 功率控制 ............................................................................................................................. 59
4.6.4 比特级加扰 ......................................................................................................................... 60
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1 概述
1.1 LTE起源
LTE项目的启动主要有三方面的考虑：
(1) 基于CDMA技术的3G标准在通过HSDPA以及Enhanced Uplink 等技术增
强之后，可以保证非来几年内的竞争力。但是，需要考虑如何保证在更长时间内
的竞争力LTE需求
(2) 应对来自于WiMAX的市场压力
(3) 为应对ITU的4G标准征集做准备
1.2 LTE发展的里程碑
2004年底：LTE项目启动
2004~2005/06：需求讨论阶段
LTE需求报告：TR25.913v7.3.0
2005/06~2006/06：Study Item阶段
LTE可行性研究报告：TR25.912v7.1.0
物理层部分研究报告：TR25.814v7.1.0
无线接口部分研究报告：TR25.813v7.1.0
2006/06~2007/03：Work Item Stage 2阶段
LTE系统整体描述报告：TS36.300v8.4.0
2007/03~至今：Work Item Stage 3阶段以及标准维护阶段
RAN各组进行相关研究，分别完成各组规范。
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1.3 LTE 演进目标
1.3.1 能力
1.3.1.1 峰值数据速率（Peak Data Rate）
下行：100Mbps（20MHz，2天线接收）
上行：50Mbps（20MHz，1天线发送）
1.3.1.2 C-plane时延
图1 时延需求
1.3.1.3 C-plane容量：
200个激活用户（≤5MHz）;400个激活用户（>5MHz）
1.3.1.4 U-plane时延：
5ms (unload condition, small IP packet)
1.3.2 性能
1.3.2.1 用户吞吐量（User throughput）
下行：
小区边缘用户吞吐量是R6 HSDPA的2~3倍
平均用户吞吐量是R6 HSDPA的3~4倍
其中：HSDPA参考配置：1x1； LTE参考配置：2x2
上行：
Camped-st (il)Active (l_DH)Dorant (el_PCH)Lh10msc Ls than50c
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小区边缘用户吞吐量是R6 Enhanced Uplink的2~3倍
平均用户吞吐量是R6 Enhanced Uplink的2~3倍
其中：Enhanced Uplink参考配置：1x2； LTE参考配置：1x2
1.3.2.2 频谱效率（Spectrum efficiency）
下行：
R6 HSDPA的3~4倍
其中：HSDPA参考配置：1x1；LTE参考配置：2x2
上行：
R6 Enhanced Uplink的2~3倍
其中：Enhanced Uplink参考配置：1x2；LTE参考配置：1x2
1.3.2.3 移动性（Mobility）
系统性能与移动速度的关系
0~15km/h：Optimized performance
15km/h~120km/h：high performance
120km/h~350km/h：maintained
120km/h~500km/h：maintained，取决于频段
在整个速度范围内要提供与R6 CS域质量相等或者更优的语音和实时业务
同频切换的质量应该相等或者优于GERAN提供的CS域切换质量
1.3.2.4 覆盖（Coverage）
~5km：满足前面定义的用户吞吐量，频谱效率以及移动性需求
~30km：用户吞吐量可以轻微下降；频谱效率可以有明显的下降；必须保证移动
性的需求
~100km：不排除支持
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支持EMBMS (Further Enhanced MBMS)
不强制要求网络同步 (Network synchronization)
1.3.3 部署
1.3.3.1 部署场景
独立部署：Standalone deployment scenario
共同部署：Integrating with existing UTRAN and/or GERAN deployment scenario
1.3.3.2 频率灵活性
支持不同大小的频段分配
支持离散的频谱分配
1.3.3.3 频谱部署
可以与GERAN/3G在同一地区进行邻频共存和共站址
可以实现不同运营商在同一地区进行邻频共存和共站址
可以在国家边界在频谱重叠和/或邻频情况下共存
可以独立运营
在遵循发布的独立频段原则下，允许使用所有的频段
1.3.3.4 共存与互操作（3GPP RAT）
Inter-RAT切换与测量
1.3.4 网络架构
单一网络架构
基于分组业务的网络架构，支持实时以及会话类业务
尽可能的不通过增加额外的回程开销，最小化“单点失败（Single points of failure）”
的出现机会。
尽可能简化和最小化引入的接口数目
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如果需要提高系统性能，不排除无线网络层（RNL）与传输网络层（TNL）之间
的交互
支持端到端的QoS。传输网络层向无线网络层提供适当的Qos。
Qos机制需要考虑存在的多种业务类型，保证有效的带宽使用率：控制平面业务，
用户平面业务，以及Q&M业务等。
最小化时延抖动，比如针对分组通信的TCP/IP
1.3.5 无线资源管理
增强支持端到端的QoS
增强的QoS控制，保证更优的业务、应用与协议需求（包括高层信令）的匹配
有效支持高层传输
有效的支持高层协议在无线接口上的传输和操作，比如IP头压缩
支持不同RAT之间的负载共享和管理
支持EUTRA与其他RAT（GERAN，UTRA）之间的负载共享和管理
最小化时延
切换时支持端到端的QoS
1.3.6 其他
1.3.6.1 成本
优化回程通信的协议
保证使用现有站址的情况下，降低未来网络部署的开销
开放所有标准化的接口，提供多厂商设备的互操作性
最小化/优化UE复杂度和功率开销，避免复杂的UTRAN结构和不必要的接口
1.3.6.2 业务
有效的支持多种业务，包括现有的业务：网页浏览，FTP，视频流，VoIP；以及
高级的分组域业务，比如实时的视频，Push-to-x
支持VoIP，至少保证与UMTS电路域语音业务同样好的无线、回程效率以及时延。
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1.4 LTE主要技术特征
3GPP要求LTE支持的主要特性和性能指标如下图所示。
图2 LTE主要技术需求和性能指标概括
1.4.1 峰值数据速率
20MHz带宽的条件下，下行峰值数据速率可达到100Mbps（5 bps/Hz），上行峰值
数据速率可达到50Mbps（2.5 bps/Hz）。
1.4.2 降低时延
从驻留状态到激活状态，控制面的传输延迟时间小于100ms；从睡眠状态到激活
状态，控制面传输延迟时间小于50ms。空载条件即单用户单个数据流情况下，小
的IP包传输时间延迟小于5ms。
1.4.3 增强频谱效率
在20MHz带宽内，LTE下行链路频谱效率达到5 bit/s/Hz，是HSDPA的3到4倍，
LTE上行链路频谱效率频谱效率达到2.5 bit/s/Hz，是HSUPA的2到3倍。
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1.4.4 移动性
E-UTRAN可以优化0-15km/h时移动用户的系统特性；能为15-120km/h的移动用
户提供高性能的服务；可以支持蜂窝网络之间以120-350km/h（甚至在某些频带
下，可以达到500km/h）速率移动的移动用户的服务；对高于350km/h的情况，
系统要能尽量实现保持用户不掉网。
1.4.5 增强小区覆盖
吞吐量、频谱效率和LTE要求的移动性指标在5公里半径覆盖的小区内将得到充
分保证，当小区半径增大到30公里时，只对以上指标带来轻微的弱化。同时支持
小区覆盖在100公里以上的移动用户业务。
1.4.6 灵活支持不同带宽
E-UTRAN可以在不同尺寸的频频中部署，包括1.4MHz、3MHz 、5MHz、10 MHz、
15MHz以及20MHz。支持成对或非成对的频谱。
1.4.7 减小CAPEX和OPEX
体系结构的扁平化和中间结点的减少使得设备成本和维护成本得以显著降低。
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2 LTE网络架构
2.1 网络结构
LTE采用扁平化、IP化的网络架构，E-UTRAN用E-NodeB替代原有的RNC-NodeB
结构，各网络节点之间的接口使用IP传输，通过IMS承载综合业务，原UTRAN
的CS域业务均可由LTE网络的PS域承载。
简化的网络架构具有以下优点：
◆ 网络扁平化使得系统延时减少，从而改善用户体验，可开展更多业务
◆ 网元数目减少，使得网络部署更为简单，网络的维护更加容易
◆ 取消了RNC的集中控制，避免单点故障，有利于提高网络稳定性
LTE总体系统架构如下图所示：
ME /S-GWE /S-X21EPCE-UTRANSeodBeNodBeod
图3 EPS架构图
整个TD-LTE系统由核心网（EPC）、基站（eNodeB）和用户设备（UE）3部分组
成。其中eNodeb负责接入网部分，也称E-UTRAN；EPC 负责核心网部分，EPC信
令处理部分称MME，数据处理部分称为S-GW。
eNodeB与EPC通过S1接口连接， eNodeB间通过X2接口连接，UE与eNodeB
通过Uu接口连接。和TD-SCDMA相比，X2接口类似于Iur接口，S1接口类似于Iu
接口，但有较大简化。另外，由于NodeB和RNC融合为网元eNodeb，TD-LTE 比
TD-SCDMA少了Iur接口。与本系统相关的外部系统、接口如下表：
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表1 LTE相关系统功能及接口说明
相关系统 相关系统功能概述 相关接口说明
MME（控制面）
EPC演进报文核心网的控制中心，主要完成呼叫接续及
控制功能
S1接口
S-GW（用户面） 作为媒体网关，完成无线接入、传输与媒体流的转换等
承载功能
S1接口
EPC 核心网，实现业务交换和业务管理 S1接口
eNodeb 演进基站 X2接口
UE 用户设备 Uu接口
2.2 网元功能
E-UTRAN与EPC之间的功能划分如下图所示，其中浅黄色的方块代表逻辑节点，
蓝色长方形条代表逻辑节点中的各层无线协议，白色长方形条代表逻辑节点中的
控制平面的功能实体。
图4 网元功能
逻辑节点E-NodeB、移动性管理实体MME、服务网关S-GW、网关P-GW各自实
现的功能如下：
2.2.1 eNB
主要功能包括空中接口的phy、mac、rlc、rrc各层实体，用户通信过程中的控制
面和用户面的建立，管理和释放；以及部分无线资源管理rrm方面的功能。
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? 无线资源管理（RRM）；
? 用户数据流IP头压缩和加密；
? UE附着时MME选择功能；
? 用户面数据向Serving GW的路由功能；
? 寻呼消息的调度和发送功能
? （源自MME和O&M的）广播消息的调度和发送功能；
? 用于移动性和调度的测量和测量报告配置功能。
? 基于AMBR和MBR的上行承载级速率整型。
? 上行传输层数据包的分类标示
2.2.2 MME
? NAS信令，NAS信令安全；
? 认证；漫游跟踪区列表管理；
? 3GPP接入网络之间核心网节点之间移动性信令；
? 空闲模式UE的可达性；
? 选择PDN GW 和 Serving GW；
? MME改变时的MME选择功能；
? 2G、3G切换时选择SGSN；
? 承载管理功能（包括专用承载的建立）；
2.2.3 S-GW
? eNodeB之间切换时本地移动性锚点和3GPP之间移动性锚点；
? 在网络触发建立初始承载过程中，缓存下行数据包；
? 数据包的路由[SGW可以连接多个PDN]和转发；
? 切换过程中，进行数据的前转；
? 上下行传输层数据包的分类标示；
? 在漫游时，实现基于UE，PDN和QCI粒度的上下行计费；
? 合法性监听；
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2.2.4 P-GW
? 基于单个用户的数据包过滤；
? UE IP地址分配；
? 上下行传输层数据包的分类标示；
? 上下行服务级的计费（基于SDF，或者基于本地策略）；
? 上下行服务级的门控；
? 上下行服务级增强，对每个SDF进行策略和整形；
? 基于AMBR的下行速率整形基于MBR的下行速率整上下行承载的绑定；合
法性监听；
2.3 系统接口协议
2.3.1 S1接口
S1用户平面接口位于E-NodeB和S-GW之间，用户平面协议伐如下图所示，传
输网络层建立在IP传输之上，UDP/IP之上的GTP-U用来携带用户平面的PDU。
S1控制平面接口位于E-NodeB和MME之间，控制平面协议伐如下图所示。传输
网络层是利用IP传输，这点类似于用户平面；为了可靠的传输信令消息，在IP
曾之上添加了SCTP。应用层的信令协议为S1-AP。
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图5 S1接口协议
S1接口控制面的功能：
? SAE承载管理功能（包括SAE承载建立、修改和释放）；
? 连接状态下UE的移动性管理功能（包括LTE系统内切换和系统间切换）；
? S1寻呼功能；
? NAS信令传输功能；
? S1 UE上下文释放功能；
? S1接口管理功能（包括复位、错误指示以及过载指示等）；
? 网络共享功能；
? 网络节点选择功能；
? 初始上下文建立功能；
? 漫游和接入限制支持功能
S1接口业务面的功能：
eNodeB与S-GW之间的用户面接口，提供eNodeB与S-GW之间用户面PDU非
保证传输。基于UDP/IP和GTP-U协议。
2.3.2 X2接口
X2用户平面接口是E-NodeB之间的接口，用户平面协议伐如下图所示，E-UTRAN
的传输网络层是基于IP传输的，UDP/IP之上是利用GTP-U来传送用户平面PDU。
X2控制平面接口是E-NodeB之间的接口，控制平面协议伐如下图所示。传输网
络层是利用IP和SCTP协议，而应用层信令协议为X2接口应用协议X2-AP。
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图6 X2接口协议
X2接口控制面的功能：
? 连接状态下UE的移动性管理功能（针对LTE系统内切换）；
? 上行负荷管理功能；
? X2接口管理功能（包括复位和错误指示）。
2.3.3 无线接口(X1\Uu)
控制面协议结构如下图所示：
图7 空口控制面协议
控制面协议栈
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RRC完成广播、寻呼、RRC连接管理、RB控制、移动性功能和UE的测量报告
和控制功能。RLC和MAC子层在用户面和控制面执行功能没有区别。
用户面协议结构如下图所示：
图8 空口用户面协议
用户面协议栈
用户面各协议体主要完成信头压缩、加密、调度、ARQ和HARQ等功能。
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3 物理层
3.1 信道带宽
LTE带宽可以为1.4/3/5/10/15/20MHz。
3.2 多址技术
下行的多址方式为OFDMA，上行为基于OFDM传输技术的SC-FDMA。
3.3 双工方式与帧结构
双工方式：TDD 需要考虑保护间隔，LTE TDD系统中的TUD，通过定时提前来
创造
帧结构类型2适用于TDD模式。每一个无线帧由两个半帧（half-frame）构成，
每一个半帧长度为5ms。每一个半帧包括8个slot，每一个的长度为0.5ms；以及
三个特殊时隙，DwPTS、GP和UpPTS。DwPTS和UpPTS的长度是可配置的，
并且要求DwPTS、GP以及UpPTS的总长度等于1ms。子帧1和子帧6包含DwPTS、
GP以及UpPTS，所有其他子帧包含两个相邻的时隙，其中第i个子帧由第2i个
和 2i+1个时隙构成。如下图所示。
子帧0和子帧5以及DwPTS永远预留为下行传输。
支持5ms和10ms的切换点周期。
在5ms切换周期情况下，UpPTS、子帧2和子帧7预留为上行传输。
在10ms切换周期情况下，DwPTS在两个半帧中都存在，但是GP和UpPTS只在
第一个半帧中存在，在第二个半帧中的DwPTS长度为1ms。UpPTS和子帧2预
留为上行传输，子帧7和到子帧9预留为下行传输。
图，LTE帧结构类型2
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3.4 物理资源概念
3.4.1 LTE系统基本时间单位
LTE定义基本时间单元为 ??204815001s ??T 秒。即0.326us.
Ts表示的是一个符号的采样时间。1500表示的是1500个子载波，2048表示每载
波采样2048个采样点。
3.4.2 资源单元
对于每一个天线端口，一个OFDM或者SC-FDMA符号上的一个子载波对应的一
个单元叫做资源单元（RE：Resource elements）。
3.4.3 物理资源块（PRB）
一个时隙中，频域上连续的宽度为180kHz的物理资源称为一个物理资源
块（PRB：Physical Resource Block）。如果使用子载波个数和符号个数表示，
一个PRB的大小为：
子
载波间隔 CP长度 子载波个数
OFDM/ SC-FDMA
符号个数 RE个数
kHz 15??f 常规CP 12 7 84 扩展CP
12 6 72
kHz 5.7??f 常规CP 24 3 72
PRB大小
3.4.4 资源栅格（Resource Grid）
一个时隙中传输的信号所占用的所有资源单元构成一个资源栅格，它包含整数个
PRB，也可以用包含的子载波个数和OFDM或者SC-FDMA符号个数来表示。
3.5 物理信道
3.5.1 下行物理信道：
- 物理下行共享信道（PDSCH）
- 物理多播信道（PMCH）新增信道
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- 物理下行控制信道（PDCCH）
- 物理广播信道（PBCH）新增信道
- 物理控制格式指示信道（PCFICH）新增信道
- 物理HARQ指示信道（PHICH）新增信道
3.5.1.1 下行物理信道一般处理流程
图，下行物理信道一般处理流程
具体如下：
? 加扰：对将在一个物理信道上传输的每一个码字中的编码比特进行加扰；
? 调制：对加扰后的比特进行调制，产生复值调制符号
? 层映射：将复值调制符号映射到一个或者多个传输层
? 预编码：将每层上的复值调制符号进行预编码，用于天线端口上的传输
? 资源单元映射：将每一个天线端口上的复值调制符号映射到资源单元上
? OFDM信号产生：为每一个天线端口产生复值的时域OFDM信号
3.5.1.2 下行物理信道的调制方式
物理信道 调制方式
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理信道
调制方式
DSCH QPSK, 16QAM, 64QAM
MCH QPSK, 16QAM, 64QAM
DCCH QPSK
BCH QPSK
CFICH QPSK
HICH [TBD]
3.5.2 上行物理信道：
物理上行共享信道（PUSCH）
物理上行控制信道（PUCCH）
物理随机接入信道（PRACH）
3.5.2.1 PUSCH的处理流程
PUSCH的处理流程如下：
PUSCH处理流程
具体如下：
? 加扰；
? 对加扰的比特进行调制，生成复值符号；
? 传输预编码，生成复值调制符号；
? 将复值调制符号映射到资源单元；
? 为每一个天线端口生成复值时域SC-FDMA信号。
3.5.2.2 PUSCH的调制方式
物理信道 调制方式
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理信道
调制方式
USCH QPSK, 16QAM, 64QAM
在RE映射时，PUSCH映射到子帧中的数据区域上。
3.5.2.3 PRACH
LTE定义了5种PRACH（Preamble）结构，频域上占用6个PRB（即72个子载
波），Preamble基本结构如下图所示，
TSEQT
Preamble结构示意图
Preamble的其它参数如下表所示。
Preamble格式 时间长度 CPT SEQT 序列长度
0 1ms s3152 T? s24576 T? 839
1 2ms s21012 T? s24576 T? 839
2 2ms s6224 T? s245762 T?? 839（传输两次）
3 3ms s21012 T? s245762 T?? 839（传输两次）
4 (只能用于FS 2) ≈157.3us s448 T? s4096 T? 139
Preamble格式4在帧结构2中的UpPTS域中传输。
序列
Preamble使用Zadoff-Chu序列产生，一个小区需要支持64个Preamble。一个小
区的premable由一个Zadoff-Chu根序列通过进行不同的循环移位产生，如果这种
方式不能提供足够的Preamble 数目，可以使用逻辑序号与其相邻的Zadoff-Chu
根序列产生。
对于Preamble格式0~3，存在838个根序列；
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对于Preamble格式4，存在138个根序列。
Preamble信号采用的子载波间隔与上行其它SC-FDMA符号不同。如下表所示：
Preamble格式 子 载 波 间 隔
RAf?
0 – 3 1250 Hz
4 7500 Hz
3.6 物理信号
3.6.1 下行参考信号
下行参考信号包括：
小区专用的参考信号。该参考信号与非MBSFN传输关联。
MBSFN参考信号。该参考信号与MBSFN传输关联。
终端专用的参考信号
3.6.1.1 小区专用的参考信号
小区专用参考信号将在支持非MBSFN传输的小区中的所有下行子帧中传输。当
子帧用于MBSFN传输时，仅仅在一个子帧中的第一个时隙中的前两个OFDM符
号中的小区专用参考信号被传输。
小区专用参考信号在天线端口0~3中的一个或者多个端口上传输。
3.6.1.2 MBSFN参考信号
MBSFN参考信号将只在分配给MBSFN传输的子帧中传输。
MBSFN参考信号在天线端口4上传输。
3.6.1.3 终端专用参考信号
终端专用的参考信号用于进行波束赋形传输，在天线端口5上传输。
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3.6.2 下行主/辅同步信号
对于帧结构2，主同步信号映射到DwPTS中的第三个OFDM符号上的中间的72
个子载波上；辅同步信号映射到时隙1和时隙11的最后一个OFDM符号上的中
间的72个子载波上，如下图所示（以常规CP为例）。
主/辅同步信号位置示意图（帧结构2，常规CP）
信号序列
主同步信号使用：Zadoff-Chu序列。
副同步信号使用的序列：由两个长度为31的二进制序列通过交织级联产生，并且
使用由主同步信号序列决定的加扰序列进行加扰，长度为31的二进制序列以及加
扰序列都由m序列产生。
3.6.3 上行参考信号
上行参考信号包括：
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解调用参考信号（DRS）
探测用参考信号（SRS）
3.6.3.1 解调用参考信号（DRS）
对于PUSCH，其解调用参考信号占用每一个Slot中的第4个SC-FDMA符号，如
下图所示。其频域宽度与PUSCH占用的PRB一致，频域上连续，
不同用户使用参考信号序列的不同循环移位值进行区分。
PUSCH使用的子载波
PUSCH使用的子载波
(a) 常规CP (b)扩展CP
PUSCH参考信号结构示意图
3.6.3.2 探测用参考信号（SRS）
探测用参考信号主要用于上行调度。
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4 关键技术
4.1 多址接入技术-OFDM
正交频分复用是一种多载波调制技术，具有很高的频谱利用率，能够有效减小无
线信道的时间弥散所带来的ISI。对于存在多径传播的无线环境，它能够很好地抵
抗多径衰落，无需复杂的均衡技术。
无线信道的频率响应曲线大多是非平坦的，而OFDM技术的主要思想就是在频域
内将给定信道分成许多正交子信道，在每个子信道上使用一个子载波进行调制，
并且各子载波并行传输。这样，尽管总的信道是非平坦的，具有频率选择性，但
是每个子信道是相对平坦的，在每个子信道上进行的是窄带传输，信号带宽小于
信道的相应带宽，因此就可以大大消除信号波形间的干扰。由于在OFDM系统中
各个子信道的载波相互正交，它们的频谱是相互重叠的，这样不但减小了子载波
间的相互干扰，同时又提高了频谱利用率。
OFDM的基本思想主要是以下三点：
? OFDM将频域划分为多个子信道，各相邻子信道相互重叠，但不同子信道
相互正交。将高速的串行数据流分解成若干并行的子数据流同时传输。
? OFDM子载波的带宽 < 信道“相干带宽”时，可以认为该信道是“非频
率选择性信道”，所经历的衰落是“平坦衰落”
? OFDM符号持续时间 < 信道“相干时间”时，信道可以等效为“线性时
不变”系统，降低信道时间选择性衰落对传输系统的影响
OFDM技术有非常明显的优势，同时也存在一些不足，分析如下：
◆ OFDM系统的优点
各子信道上的正交调制和解调可以采用IDFT和DFT实现，运算量小，实现简单。
OFDM系统可以通过使用不同数量的子信道，实现上行和下行链路的非对称传输。
所有的子信道不会同时处于频率选择性深衰落，可以通过动态子信道分配充分利
用信噪比高的子信道，提升系统性能。
◆ OFDM系统的缺点
对频率偏差敏感：传输过程中出现的频率偏移，如多普勒频移，或者发射机载波
频率与接收机本地振荡器之间的频率偏差，会造成子载波之间正交性的破坏。
-24-
存在较高的峰均比(PARA)：OFDM调制的输出是多个子信道的叠加，如果多个信
号相位一致，叠加信号的瞬间功率会远远大于信号的平均功率，导致较大的峰均
比，这对发射机PA的线性提出了更高的要求。
LTE系统下行采用使用CP的OFDM多址技术，上行采用使用CP的SC-FDMA
多址技术。
4.1.1 下行OFDMA
4.1.1.1 OFDM原理
OFDM是一种多载波传输技术，与传统的多载波传输相比，OFDM可以使用更多
的更窄的彼此正交的子载波进行传输，如下图所示：
图，OFDM vs FDM
其中，一个OFDM（不包含CP）子载波的脉冲形状（Pulse shape）和频谱（Subcarrier
spectrum）的示意如下图所示：
图，一个OFDM子载波的脉冲形状和频谱示意图
那么，一个OFDM符号是由多个这样的子载波构成，并且在频域上彼此重叠、正
交。如上图所示，其中 表示子载波间隔。
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一个OFDM信号 在时间间隔 上的表示为：
?????? ?
?
??
?
?? 1
0
21
0
Nc
k
ftkjmkNc
k
k eatxtx ?
其中 为第k个子载波对应的时域信号，其频率为 ， 为第m个OFDM符号（即
时间间隔 ）上的第k个子载波上的复调制符号。可以看出OFDM传输是一种基
于块的传输方式，在每一个OFDM符号间隔中， 个复调制符号进行并行传输，
如图3-4所示。
图 一个OFDM符号的频谱示意图
图，OFDM调制
其中OFDM的正交性是指，在一个OFDM符号中，任意两个子载波是彼此正交
的，即
??
??
21
1
22
21
1
21 021 kkdteeaadttxtx u
u
u
u
Tm
mT
ftkjftkj
kk
Tm
mT
kk ??? ??
?
???
?
??
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正因为这种正交性，OFDM的解调也相对简单，如下图所示。它由一系列相关器
构成，每一个对应于一个子载波。
图，OFDM解调
4.1.1.2 OFDM实现（IFFT/FFT处理）
OFDM调制和解调可以使用IFFT和FFT实现，从而降低OFDM实现的复杂度。
假设时间离散OFDM信号的采样率为 sf ，它是子载波间隔的整数倍，即
fNTf ss ???? /1 。N的选取要满足采样定理。由于 fNc ?? 可以看作OFDM
信号名义上的带宽，那么N值的选取应该大于 cN，从而保证充足的余量。
时间离散的OFDM信号可以表示为： ??
??? ?
?
?
?
?
?
? ???? 1
0
/21
0
/21
0
2 ''N
k
NknjkNc
k
NknjkNc
k
fnTkj
ksn eaeaeanTxx s ??
?
其中
??
?
??
???
NkN
Nkaa
c
ck
k 0
0''
这里，省略了OFDM符号的序号m。
序列 nx ，即采样的OFDM信号，是将块调制符号 110 ,,, ?Ncaaa ? 通过补零扩展到
长度N之后，进行N点IDFT的所得。那么OFDM调制就可以通过使用IDFT处
-27-
理以及数模变换来实现，如下图所示。特别的，如果IDFT的大小等于 m2 ，且m
为整数，那么OFDM调制可以通过基数为2的IFFT实现。
与OFDM调制类似，OFDM解调也可以通过高效的FFT处理来实现，即模拟信
号通过采样（ ss Tf /1? ）之后变成离散信号，然后利用点数为N的DFT/FFT实
现，如图所示。
图，通过IDFT/IFFT实现的OFDM解调
图，通过DFT/FFT实现的OFDM解调
4.1.1.3 循环前缀
在前面章节中，描述子载波间的正交性时，是认为一个积分周期中包含复指数的
整数周期。而在时间色散信道条件下，如果OFDM符号中不插入CP，那么子载
波间的正交性将或多或少有些影响，这是因为，针对一条径的解调相关间隔将与
其他径的符号边界重叠（导致ISI），如下图所示。这样的话，在一个积分周期中，
将不仅包括主径所对应的复指数的整数周期，也包括其他径所对应的复指数的分
数周期，从而影响子载波间的正交性。这样的话，在时间色散信道条件下，不仅
在一个子载波上存在符号间干扰，也存在子载波之间的干扰。
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图，ISI以及ICI产生示意图
使用循环前缀（CP）可以有效的降低符号间干扰以及子载波间干扰。如下图所示，
循环前缀的插入是指将OFDM符号的最后部分复制，并且插入到OFDM符号的
前端。CP的插入使得OFDM符号的长度从 uT变为 CPu TT ? ，其中 CPT 是CP的长
度。如下图中的下半部分所示，如果接收端的积分周期依旧为 fTu ?? /1 ，只要
保证CP的长度大于时延扩展值，那么子载波间的正交性将获得保证。
图 ，循环前缀的插入
实际上，对于采用IFFT实现的OFDM调制，CP的插入是将IFFT输出块中最后
CPN 个样点，复制并插入到块的前端，使得IFFT输出的块长从N变为 CPNN? 。
插入CP可以有效的降低OFDM信号对于时间色散信道的敏感性，同时，也存在
一些缺点：
功率损失：只有 ??CPuu TTT ?/ 的接收信号功率真正应用于OFDM解调
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带宽损失：CP的插入使得OFDM符号速率降低，但是信号的传输带宽没有变换
4.1.1.4 LTE OFDM参数
对于OFDM传输，有如下基本OFDM参数：
子载波间隔 f? ；
子载波数目 cN，与子载波间隔 f? 一起可以确定OFDM信号的传输带宽；
循环前缀长度 CPT ，与子载波间隔 uTf /1?? 一起可以确定整个OFDM符号的时
间长度 uCP TTT ?? 。
对于LTE的下行传输，其基本的OFDM参数如下：
子载波间隔：LTE系统下行支持两种子载波间隔，分别为
kHzf 15?? ，用于单播（unicast）和多播（MBSFN）传输
kHzf 5.7?? ，仅仅可以应用于独立载波的MBSFN传输
子载波数目 cN：不同的系统带宽，其子载波数目不同，目前LTE系统规定的子
载波数目如下表所示：
表格 LTE OFDM子载波数目 cN
信 道
带宽（MHz） 1.4 3 5 10 15 20
子 载
波数目 cN 72 180 300 600 900 1200
循环前缀长度 CPT ：对于 kHzf 15?? ，LTE支持两种长度的循环前缀：常规CP
和扩展CP，分别适用于不同的传输环境；对于 kHzf 5.7?? ，LTE仅支持扩展
CP。同时，为了保证一个时隙的长度为0.5ms，一个时隙中不同OFDM符号的循
环前缀长度不同，如下表所示：
表格 LTE OFDM循环前缀长度 CPT
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配置 循环前缀长度 lN ,CP
常规CP kHz 15??f 0for 160 ?l 6,...,2,1for 144 ?l
扩展CP kHz 15??f 5,...,1,0for 512 ?l kHz 5.7??f 2,1,0for 1024 ?l
其中， lN ,CP 表示一个时隙中第l个OFDM符号对应的循环前缀包含的样点值。
4.1.2 上行SC-FDMA
LTE上行传输采用SC-FDMA，即DFTS-OFDM。
4.1.2.1 DFTS-OFDM原理
DFTS-OFDM传输的基本原理如下图所示。M个调制符号首先进行M点的DFT
变换，然后进行N点的IDFT变换，其中N>M，其他点设置为0。特别的，IDFT
的大小应该选择为 nN 2? ，从而可以使用基数为2的IFFT实现。与OFDM类似，
循环前缀将被插入到每一个传输块中，使用循环前缀可以更方便的在接收端应用
低复杂度的频域均衡。
图 ，DFTS-OFDM信号产生
如果DFT的大小M与IDFT的大小N相同，那么两个相互级联的DFT和IDFT
可以互相抵消。如果N>M，IDFT的输出信号将是一个具有单载波特性的信号，
即信号具有低的峰均比，信号带宽取决于M。更准确的说，假设IDFT输出的采
样率为 sf ，那么传输信号名义上的带宽将为 sfNMBW ?? / 。这样，通过改变
块大小M，就可以改变传输信号的瞬时带宽。
为了保证瞬时带宽的高灵活性，不能确保DFT大小M可以表示为 m2 ，且m是整
数。但是，只要保证M可以表示为相对小的素数乘积，DFT依旧可以使用相对低
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复杂度的基数非2的FFT来实现。比如DFT的大小为M=144，可以通过基数为2
和基数为3的FFT处理来实现（ 42 23144 ?? ）。
DFT的输出向IDFT的输入进行映射时，可以采用两种方式，分别称为Localized
DFTS-OFDM和Distributed DFTS-OFDM，其中Localized DFTS-OFDM是指将DFT
的输出映射到IDFT的多个连续的输入上；而Distributed DFT-OFDM是指将DFT
的输出映射到IDFT的多个等间隔的输入上，其他输入补零。如下图所示。
图，Localized DFTS-OFDM vs. Distributed DFTS-OFDM
Localized DFTS-OFDM和Distributed DFTS-OFDM信号的频谱如下图所示。虽然
Distributed DFTS-OFDM信号的频谱分散在整个系统带宽内，但是其同样具有单
载波的特性。实际上，Distributed DFTS-OFDM即所谓的IFDMA。
图，Localized以及Distributed DFTS-OFDM的频谱
特别需要注意的是，LTE中并不支持采用Distributed DFTS-OFDM方式进行信号
传输。
4.1.2.2 LTE DFTS-OFDM参数
与OFDM类似，DFTS-OFDM也有如下基本参数：
子载波间隔 f? ；
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子载波数目 cN，与子载波间隔 f? 一起可以确定DFTS-OFDM信号的传输带宽；
循环前缀长度 CPT ，与子载波间隔 uTf /1?? 一起可以确定整个DFTS-OFDM符号
的时间长度 uCP TTT ?? 。
信道
带宽（MHz） 1.4 3 5 10 15 20
子载
波数目 cN 72 180 300 600 900 1200
对于LTE的上行传输，其基本的DFT-OFDM参数如下：
子载波间隔：LTE系统上行仅支持一种子载波间隔，即
kHzf 15??
子载波数目 cN：不同的系统带宽，其子载波数目不同，目前LTE系统规定的子
载波数目如下表所示：
表格LTE DFTS-OFDM子载波数目 cN循环前缀长度 CPT ：LTE支持两种长度的
循环前缀：常规CP和扩展CP。同时，为了保证一个时隙的长度为0.5ms，一个
时隙中不同DFTS-OFDM符号的循环前缀长度不同，如下表所示：
表格LTE DFTS-OFDM循环前缀长度 CPT
配置 循环前缀长度 lN ,CP
常规CP 0for 160 ?l 6,...,2,1for 144 ?l
扩展CP 5,...,1,0for 512 ?l
其中， lN ,CP 表示一个时隙中第l个DFTS-OFDM符号对应的循环前缀包含的样点
值。
4.1.3 OFDMA与SC-FDMA比较
SC-FDMA的用户原始信息符号在时域传输，而OFDMA的用户原始信息在频域
传输。SC-FDMA比OFDMA多了一个DFT预编码过程。OFDMA在频域上传输，
可以利用频率选择性衰落，SC-FDMA在时域上传输，可以利用时域选择性衰落。
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实际上信道大都是慢衰落信道（时域选择性不强），但多径延时严重（频率选择性
强），所以利用频率选择性的OFDMA的性能一般比利用时域选择性的SC-FDMA
要好。
SC-FDMA的在任何时刻都传输的是单个符号，但带宽却是所分配的整个带宽，
而OFDMA在任何时刻都是多个独立符号的叠加；从IDFT前端来看，SC-FDMA
的频域子载波信号是相关的数据。OFDMA则相互独立的信息符号直接输入到子
载波上，存在多个独立符号叠加的问题。所以，应用统计分析或者从直观上看，
SC-FDMA的峰均比会比OFDMA低。
现举例说明两者差别，如下图所示：
OFDMA与SC-FDMA对比示意图
例子的假设条件：（1）只用4个子载波(M)，实际上的LTE最小分配12个载波；
（2）只演示2个符号周期；（3）只用QPSK调制。图中空缺处是CP，把后面符
号尾部复制到CP处，实际上功率是连续发射的，只不过相位有跳变。
从例子中可以看出，OFDM中一个符号占用一个载波，但是SC-FDMA中一个符
号占用了整个带宽，更像是单载波（这就是SC: Single-Carrier的来历）。注意OFDM
和SC-FDMA的每个符号长度均为66.7μs，但是SC-FDMA中的每个符号包含了
M个“子符号”。OFDM的时域数据并行传输导致了很高的峰均比产生，而
SC-FDMA的M倍速率的串行传输，虽然占用了与OFDM一样的带宽，但是其峰
均比却和原始数据的峰均比大小一样，在终端侧比较容易的做出来。
-34-
4.2 多天线技术
4.2.1 传输分集概述
4.2.1.1 循环时延分集
时延分集即通过不同的天线传输同一个信号的不同时延副本，那么对于该信号本
身等效于经过一个时延扩展增大的无线信道，即增加了信道的频率选择性。此时
传输天线分集被转换为频率分集。如下图所示，是一个两天线情况下的时延分集
示意图。
图 ，时延分集示意图
原则上，在应用时延分集的情况下，终端只看到一个发送信号，所有时延分集可
以很方便的应用到任何一个无线通信系统中，并且不需要标准支持。此时，需要
参考信号也进行CDD才可以估计出等效的空间信道。这就对参考信号提出了较
强的要求，使其可以估计出较大时延扩展的信道。所以一般情况下，使用时延分
集时只能延时较小的时延。
对于OFDM传输，可以很方便的应用循环时延分集，即其可以在增加CP之前，
将在不同天线上发送的信号时域样点值进行循环移位，获得频率分集增益。如下
图所示。其中，在OFDM传输情况下，时域信号的循环移位对应于频域的相位偏
移。
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图 ，循环时延分集示意图
CDD相对于DD的好处是，其时延值可以任意的选取，但是需要不同的天线上传
输彼此正交的参考信号，其等效的信道可以通过独立的信道估计之后，通过CDD
处理得到。由于使用CDD时接收端也需要进行CDD处理，所以应用CDD时发
射端和接收端需要约定所采用的时延值，或者通过信令告知。
4.2.1.2 空时/频编码
对于两根传输天线来说，最著名的空时/频块码方式即Alamouti编码，如下图所示，
在第一根天线上传输原始信号，而再第二根天线上，以两个符号为一组变换信号
的传输顺序，并进行共轭和/或取反的操作。
图 ，STBC示意图
-36-
如果上述符号对应的是不同子载波上的符号，而不是时域上的符号，即空频块码
（SFBC，Space Frequency Block Code）。如下图所示，其中（a）为SFBC，（b）
为CDD的频域描述，可以发现SFBC与两天线CDD的差别在于其第二根天线上
的符号映射方法。SFBC相对于CDD的好处是，SFBC可以提供调制符号级别的
分集，而CDD必须依靠信道编码以及频域交织来提供分集。
图，SFBC与CDD的差别
目前LTE已经确定在两天线发送时，采用的发射分集技术为SFBC。特别的，与
上述描述不同，LTE明确了SFBC的传输方式如下：
1S2?
图，SFBC定义
在四天线发送时，采用SFBC与FSTD结合的方式。
-37-
4.2.1.3 天线切换分集
简单的说，天线切换分集技术即当发射端存在多根传输天线时，从时间上或者频
率上按照一定的顺序依次选择其中一根天线进行传输的技术。如果在不同的时间
上进行天线的切换，即时间切换传输分集（TSTD，Time Switched Transmit
Diversity）；如果在不同的子载波上进行天线的切换，即频率切换传输分集（FSTD，
Frequency Switched Transmit Diversity）技术。如下图所示。
天线1 天线2
使用的子载波 空子载波 频率
时间
(a) TSTD
天线1 天线2
天线1使用的子载波 空子载波 频率
时间
天线2使用的子载波
(b) FSTD
图，天线切换分集示意图
FSTD也可以很方便的与SFBC结合起来，支持4发送天线情况下的传输分集技
术。目前LTE支持的SFBC与FSTD结合的传输分集方式如下图所示。
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341200SS??
图，SFBC+FSTD
4.2.2 波束赋形概述
根据应用波束赋形的天线之间的相关性，波束赋形可以分为传统的波束赋形（或
者称为 long-term beam-forming）和基于预编码的波束赋形（short-term
beam-forming）。
当天线之间相关性比较高时，一般天线阵列为小间距的天线阵列，可以应用传统
的波束赋形，如下图中（a）所示。同一个信号可以应用不同的相位偏移，映射到
不同的天线上进行发送。由于天线之间高的相关性，可以在发射机端形成一个具
有特定指向的较大的波束，如下图中（b）所示。通过调整不同天线上使用的相位
偏移值，可以调整波束的方向，从而使得该方向的信号强度得到提高，并降低对
其他方向的干扰。该相位权值可以通过估计信号的来波方向获得。
传统的波束赋形通常使用专用参考信号来实现，这是因为为了保证传统波束赋形
的性能，一般需要较大的天线数目，如果在每一根天线上都传输彼此正交的公共
参考信号的话，其参考信号的开销过大。
图，传统波束赋形示意图
-39-
如果天线之间的相关性较小，一般天线阵列为大间距的天线阵列，或者信号在不
同极化方向上传输的极化天线阵列。与传统的波束赋形类似，在天线之间的相关
性较小时，基于预编码的波束赋形也是在不同的天线上应用不同的传输权值，不
同之处在于这里的权值不仅包括相位上的调整，也包括幅度上的调整。如下图所
示。
图，基于预编码的波束赋形示意图
相对于传统的波束赋形，基于预编码的波束赋形，需要更详细的信道信息来进行
其赋形权值的计算，比如瞬时的信道衰落。其赋形权值的更新需要在相对短的时
间内完成，用来捕获衰落的变化。因此，基于预编码的波束赋形不仅可以提供赋
形增益，还可以提供分集增益。
基于预编码的波束赋形可以采用码本的方式实现，也可以采用非码本的方式。其
中对于FDD来说，由于上行传输和下行传输所经历的信道的差别较大，比较适合
采用码本的方式来实现基于预编码的波束赋形，即终端通过进行下行方向的信道
估计，从已知的码本中选择下一次传输的赋形权值，并反馈给基站。对于TDD来
说，由于上下行信道之间的对称性，可以直接利用上行信道估计，进行下行方向
赋形权值的计算，所以不需要使用码本方式。
另外，使用码本方式进行基于预编码的波束赋形，需要在不同发射天线上传输彼
此正交的参考符号。当天线数目较大时，其参考符号的开销可能过大。而使用非
码本方式进行基于预编码的波束赋形，则需要使用专用参考信号，这与传统的波
束赋形类似。
目前LTE中已经支持一个天线端口的专用的参考信号，可以进行单流的波束赋形。
4.2.3 空间复用概述
LTE的空间复用具有如下的特征：
多码字传输
-40-
采用预编码技术，即闭环的空间复用
与CDD结合使用
支持MU-MIMO
4.2.3.1 多码字传输
如下图所示，所谓多码字传输即复用到多根天线上的数据流可以独立进行信道编
码和调制；而单码字传输是一个数据流进行信道编码和调制之后再复用到多根天
线上。多码字传输可以使用每个码字的传输速率控制，以及SIC接收机。
图，(a) 单码字 (b) 多码字
LTE支持最大的码字数目为2。
4.2.3.2 预编码技术
与基于预编码的波束赋形类似，基于预编码的空间复用是将多个数据流在发送之
前使用一个预编码矩阵进行线性加权。如下图所示：
图，基于预编码的空间复用
使用基于预编码的空间复用有两个目的：
-41-
当被空间复用的信号数目等于发送天线数目时（NL=NT），预编码可以用来对多
个并行传输进行正交化，从而增加在接收端的信号隔离度。
当被空间复用的信号数目小于发送天线数目时（NL
个空间复用信号映射到NT个传输天线上的作用，通过提供空间复用和波束赋形
增益。
4.2.3.3 与CDD结合使用
空间复用与CDD结合有两种方式，当CDD的时延较小或者为0时，传输信号首
先进行预编码操作，再进行CDD操作，如下图所示（以2天线发送为例）：
)1(2a?Wax? ???????????ikje201)(1)1(2b?)(1)1(2b?????????)(1)(kjkjeeb
图，空间复用与小时延CDD的结合方式
当CDD的时延较大时，传输信号首先进行CDD操作，再进行预编码操作，如下
图所示（以2天线发送为例）：
-42-
)1(2a?WDUax?????????1)(1 )2(1)(12aa?? )1(2x??????????2/01ijeD?)()(?
)2(
1
)2(
2 x
图，空间复用与小时延CDD的结合方式
4.2.3.4 MU-MIMO
下行MU-MIMO如下图所示，当基站将占用相同时频资源的多个数据流发送给同
一个用户时，即单用户MIMO（SU-MIMO），或者叫做空间复用（SDM）；当基
站将占用相同时频资源的多个数据流发送给不同的用户时，即多用户MIMO
（MU-MIMO），或者叫做空分多址（SDMA）。
图，下行MU-MIMO
基本上存在两种实现MU-MIMO的方式，其主要差别是如何进行空间数据流的分
离。一种方式是，数据流的分离是在接收端进行的，它通过利用接收端的多根天
线对干扰数据流进行取消（canceling）和零陷（nulling）达到分离数据流的目的。
另外一种方式是在发射端使用ZF波束赋形，此时空间数据流的分离是在基站进
行的。基站利用反馈的信道状态信息，为给定的用户进行波束赋形，并保证对其
他用户不会造成干扰或者很小的干扰，即传输给给定用户的波束对其他用户形成
了零陷。此时，理论上终端只需要使用单根天线就可以工作。
-43-
与下行多用户MIMO不同，上行多用户MIMO是一个虚拟的MIMO系统，即每
一个终端均发送一个数据流，但是两个或者更多的数据流占用相同的时频资源，
这样从接收机来看，这些来自不同终端的数据流，可以被看作来自同一个终端上
不同天线的数据流，从而构成一个MIMO系统。如下图所示，其中（a）为传统
的MIMO系统，即单用户MIMO（SU-MIMO），（b）为多用户MIMO（MU-MIMO）。
（a） SU-MIMO （b）MU-MIMO
图，上行SU-MIMO以及MU-MIMO
与SU-MIMO相比，MU-MIMO可以获得多用户分集增益。即对于SU-MIMO，
所有的MIMO信号都来自同一个终端上的天线；而对于MU-MIMO，信号是来自
于不同终端的，它比SU-MIMO更容易获得信道之间的独立性。
4.2.4 LTE系统中的多天线技术
LTE 系统下行多天线技术采用如下两个模块以及一个标准中未规定的模块
（Antenna Port Mapper）来实现：
图，多天线操作流程
-44-
Layer Mapper模块完成码字到层的映射操作，其中层有不同的解释：在使用单天
线传输、传输分集以及波束赋形时，层数目等于天线端口数目；在使用空间复用
传输时，层数目等于空间信道的Rank数目，即实际传输的流数目。
Pre-coding模块完成层到天线端口的映射操作，空间复用中的预编码操作、传输
分集操作主要在这个模块中完成。
Antenna Port Mapper模块完成天线端口到物理天线单元的映射操作，波束赋形操
作主要在这个模块中完成。
上行只支持采用MU-MIMO，其每一个终端的上行传输即单天线传输。
4.3 链路自适应
移动无线通信信道的一个典型特征就是其瞬时信道变化较快，并且幅度较大，信
道调度（Channel-dependent scheduling）以及链路自适应可以充分利用信道这种变
化的特征，提高无线链路传输质量。
链路自适应技术包含两种：功率控制以及速率控制，其中速率控制即AMC
（Adaptive Modulation and Coding）技术。
功率控制的一个目的是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。这样，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。如下图中（a）所示。而
链路自适应技术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。这样当信道条件较差时选择较小的调制
方式与编码速率，当信道条件较好是选择较大的调制方式，从而最大化了传输速
率。如下图中（b）所示。显然速率控制的效率要高于使用功率控制的效率，这是
因为使用速率控制时总是可以使用满功率发送，而使用功率控制则没有充分利用
所有的功率。
-45-
(a) 功率控制
(b) 速率控制
图，功率控制 vs. 速率控制
上述结论并不意味着不需要使用功率控制，在采用非正交的多址方式（比如
CDMA）时，功率控制可以很好的避免小区内用户间的干扰。
特别的对于LTE的链路自适应技术，
下行支持：自适应调制编码技术
上行支持：自适应调制编码技术、功率控制技术、以及自适应传输带宽技术，这
个可以认为是信道调度技术的一部分，如下一章节所描述。
-46-
在进行AMC时，一个用户的一个码字中所对应的资源块使用相同的调制与编码
方式。
4.4 快速分组调度
对于同一块资源，由于移动通信系统用户所处的位置不同，其对应的信号传输信
道也是不同的。信道调度的基本思想是，对于某一块资源，选择信道传输条件最
好的用户进行调度，从而最大化基站的吞吐量。这种调度通常被称为最大C/I
（max-C/I）调度，如下图所示。假设资源块是时分的，每一个时刻只有一个用户
被调度，那么采用最大C/I调度时，尽管每一个用户所经历的信道在不同时刻有
好有坏，但是从基站角度来看，任何一个时刻总是能够找到一个用户的信道质量
接近峰值。这种通过选择最好信道质量的用户进行信号传输的方法通常叫做多用
户分集（Multi-user diversity），信道的选择性越大，小区中的用户越多，多用户分
集越大。
图，信道调度基本思想
Max-C/I调度可以用下述公式描述，即选择瞬时数据速率最高的用户k进行调度：
ii Rk maxarg?
从系统容量的角度来看，Max-C/I 调度是有益的，但是从用户的角度来看，那些
长时间处于深衰落、或者位于小区边缘的用户将永远不会被调度，从而影响用户
之间的公平性。如下图中（a）所示。
-47-
Round-robin调度则充分考虑了用户之间的公平性，如下图中（b）所示，其调度
策略是让用户依次使用共享资源，在调度时并不考虑用户所经历的瞬时信道条件。
RR调度虽然给每一个用户相同的调度机会，但是从QoS来说并不是这样的，这
是因为信道条件差的用户显然需要更多的调度机会才能完成基本相同的QoS。
一种Max-C/I调度与Round-robin调度的折中是正比公平（Proportional-fair，PF）
调度。如下图中（c）所示。PF调度可以用下述公式描述：
i
i
i R
Rk maxarg?
其中 表示用户i的瞬时数据速率， 表示用户i的平均数据速率，该平均值是通过
一定的平均周期 计算出来的。平均周期 的选取，应该保证即能有效的利用信道
的快衰落特性，又能限制长期服务质量的差别小到一定的程度。
图 ，调度策略：（a）Max-C/I，（b）RR，（c）PF
相对于单载波CDMA系统，LTE系统的一个典型特征是可以在频域进行信道调度
和速率控制，如下图所示，这就要求基站侧知道频域上不同频带的信道状态信息。
对于下行可以通过测量全带宽的公共参考信号，获得不同频带的信道状态信息，
量化为信道质量指示（CQI），并反馈给基站；对于上行可以通过测量终端发送的
上行探测参考信号（SRS），获得不同频带的信道状态信息，进行频域上的信道调
度和速率控制。
-48-
图，LTE的频域调度
4.5 HARQ
4.5.1 FEC，ARQ以及HARQ
利用无线信道的快衰特性可以进行信道调度和速率控制，但是总是有一些不可预
测的干扰导致信号传输失败。因此需要使用前向纠错编码（FEC）技术。FEC基
本原理是在传输信号中增加冗余，即在信号传输之前在信息比特中加入校验比特
（Parity bits）。校验比特使用由编码结构确定的方法对信息比特进行运算得到。这
样信道中传输的比特数目将大于原始信息比特数目，从而在传输信号中引入冗余。
另外一种解决传输错误的方法是使用自动重传请求（ARQ）技术。在ARQ方案
中，接收端通过错误检测（通常为CRC校验）判断接收到的数据包是正确性。如
果数据包被判断为正确的，那么说明接收到的数据是没有错误的，并且通过发送
ACK应答信息告知发射机；如果数据包被判断为错误的，那么通过发送NACK
应答信息告知发射机，发射机将重新发送相同的信息。
大部分通信系统都将FEC与ARQ结合起来使用，称为混合自动重传请求，即
Hybird ARQ，或者HARQ。HARQ使用FEC纠正所有错误的一部分，并通过错
-49-
误检测判断不可纠正的错误。错误接收的数据包被丢掉，接收机请求重新发送相
同的数据包。
LTE的采用多个并行的停等HARQ协议。所谓停等，就是指使用某个HARQ进
程传输数据包后，在收到反馈信息之前，不能继续使用该进程传输其它任何数据。
单路停等协议的优点是比较简单，但是传输效率比较低，而采用多路并行停等协
议，同时启动多个HARQ进程，可以弥补传输效率低的缺点。其基本思想在于同
时配置多个HARQ进程，在等待某个HARQ进程的反馈信息过程中，可以继续
使用其它的空闲进程传输数据包。确定并行的进程数目要求保证最小的RTT中任
何一个传输机会都有进程使用。如下图所示，以FDD的下行传输为例，RTT包括
下行信号传输时间TP，下行信号接收时间Tsf，下行信号处理时间TRX，上行
ACK/NACK传输时间TP，上行ACK/NACK接收时间TTX，上行ACK/NACK处
理时间TRX，即RTT = 2TP + 2Tsf + TRX + TTX。那么进程数等于RTT中包含
的下行子帧数目，即Nproc = RTT / Tsf。可以发现，在不考虑信号的接收时间和
处理时间时，RTT = 2TP，即信号传输一个来回的时间总和。
图，下行HARQ RTT与进程数（FDD）
FDD的上行HARQ如下图所示，其RTT = 2TP + 2Tsf + TRX + TTX，进程数为
Nproc = RTT / Tsf
-50-
图，上行HARQ RTT与进程数（FDD）
对于TDD来说，其RTT大小不仅与传输时延、接收时间和处理时间有关，还与
TDD系统的时隙比例、传输所在的子帧位置有关。进行数目为RTT中包含的同
一方向的子帧数目。以下行HARQ进行说明，假设基站侧的处理时间为3Tsf，
终端侧的处理时间为3Tsf - 2TP，如下图所示，同样对于子帧0开始的数据传输，
不同的时隙比例其RTT以及进程数目是不同的，如图（a）和图（b）所示；在相
同的时隙比例下，不同子帧位置开始的数据传输，其RTT以及进程数目也是不同
的，如图（a）和图（c）所示。
0 1 2 3 4 0 1 2 3 4
0 1 2 3 4 0 1 2 3 4
0 1 2 3 4 0 1 2 3 4
TP TPT
sf -P
05T
sf
R =10sf Nproc= 6
T/R
T
R
（a）子帧0，DL: UL = 3: 2
-51-
（b）子帧0，DL: UL = 4: 1
（c）子帧1，DL: UL =3: 2
图，TDD系统的HARQ RTT与进程数
对于某一次传输，其应答消息（ACK/NACK）需要在实现约定好的时间上进行传
输，对于FDD来说，由于其任何一个方向的传输都是连续的，所以对于在任何一
个子帧中进行的传输，其应答可以与其相差规定的时间间隔，比如LTE中已经确
定对于在任何一个下行子帧n中进行的传输，其ACK/NACK在上行子帧n+4中
进行传输。对于TDD来说，由于其在任何一个方向的传输都是不连续的，因此
ACK/NACK与上一次传输之间采用固定的时间间隔是无法保证的，因此对于TDD
来说，ACK/NACK的定时也是与时隙比例、子帧位置有关的。如下图所示，假设
基站侧的处理时间为3Tsf，终端侧的处理时间为3Tsf - 2TP：
-52-
（a）FDD
（b）TDD，DL : UL = 3 : 2，子帧0
（c）TDD，DL : UL = 3 : 2，子帧1
图，ACK/NACK timing
如果重传在预先定义好的时间进行，接收机不需要显示告知进程号，则称为同步
HARQ协议；如果重传在上一次传输之后的任何可用时间上进行，接收机需要显
示告知具体的进程号，则称为异步HARQ协议。如下图所示。LTE中，下行采用
异步HARQ协议，上行采用同步HARQ协议。同步HARQ协议并不意味着所有
-53-
的初传与重传之间相隔固定的时间，而只要保证事先可知即可，因此为了降低上
行传输延时，不同的时隙比例可以选取不同的RTT。
图，同步HARQ与异步HARQ
HARQ又可以分为自适应的（adaptive）与非自适应的（non-adaptive）。自适应
HARQ是指重传时可以改变初传的一部分或者全部属性，比如调制方式，资源分
配等，这些属性的改变需要信令额外通知。非自适应的HARQ是指重传时改变的
属性是发射机与接收机实现协商好的，不需要额外的信令通知。
LTE的下行采用自适应的HARQ，上行同时支持自适应和非自适应的HARQ：非
自适应的HARQ仅仅由PHICH信道中承载的NACK应答信息来触发；自适应的
HARQ通过PDCCH调度来实现，即基站发现接收输出错误之后，不反馈NACK，
而是通过调度器调度其重传所使用的参数。
4.5.2 HARQ与软合并
前面介绍的HARQ机制中，接收到的错误数据包都是直接被丢掉的。虽然这些包
不能够独立的正确译码，但是其依然包含一定的信息，可以使用软合并来利用这
部分信息。即，将接收到的错误数据包保存在存储器中，与重传的数据包合并在
一起进行译码。
使用软合并的HARQ可以分为CC 合并（Chase Combining）以及IR 合并
（Incremental Redundancy）。
使用CC合并时，重传包含与初始传输相同的编码比特集合，每次重传之后，接
收机使用最大比合并对每一个接收到的比特与前面传输中的相同比特进行合并，
-54-
然后送到译码器进行译码。由于每一次重传都是与原始传输相同的副本，CC合并
可以看作额外的重复编码。CC合并没有传输任何新的冗余，因此CC合并不能提
供额外的编码增益，其仅仅是增加了接收到的Eb/No。如下图所示。
图，CC合并
使用IR合并时，每一次重传不一定与初始传输相同。相同的比特信息可以对应于
多个编码的比特集合，当需要进行重传时，使用与前面的传输不同的编码比特集
合进行重传。由于重传时可能包含前面传输中没有的额外的校验比特，整体的编
码速率被降低。进一步，每一次重传不一定与原始传输相同数目的编码比特，更
普遍的说，不同的重传可以采用不同的调制方式。
一般，IR合并通过对编码器的输出进行打孔获得不同的冗余版本，通过多次传输
以及合并之后的降低整体的编码速率。如下图所示。
-55-
图，IR合并
LTE支持使用IR合并的HARQ，其中CC合并可以看作IR合并的一个特例。
4.6 小区间干扰消除
LTE的下行和上行都采用正交的多址方式，因此对于LTE来说，小区间干扰成为
主要的干扰；而且与CDMA系统使用软容量来实现同频组网不同，LTE无法直接
实现同频组网，因此如何降低小区间干扰，实现同频组网成为LTE的一个主要问
题。有多种方法可以消除小区间的干扰，LTE系统目前至少支持如下四种小区间
干扰消除方法：
发射端波束赋形以及IRC
小区间干扰协调
功率控制
比特级加扰
4.6.1 发射端波束赋形以及IRC
如下图所示，对于下行方向，基站可以使用发射端波束赋形技术将波束对准期望
用户的方法，这样的好处是：
提供期望用户的信号强度
降低信号对其他用户的干扰
-56-
特别的，如果波束赋形时已经知道被干扰用户的方位，可以主动降低对该方向辐
射能量
图，使用发射端波束赋形降低小区间干扰
发射端波束赋形是一种利用发射端的多根天线降低用户间干扰的方法。当接收端
也存在多根天线时，接收端也可以利用多根天线降低用户间干扰，其主要的原理
是通过对接收信号进行加权，抑制强干扰，称为IRC（Interference Rejection
Combining）。如下图所示，以下行方向为例进行说明，存在一个目标基站和一个
干扰基站，那么接收端的信号可以表示为：
nshsh
n
n
s
h
h
s
h
h
r
r
r II
N
I
NI
I
NN RRRR
????????
?
?
??
?
?
?
?????
?
?
??
?
?
?
?????
?
?
??
?
?
?
????
?
?
??
?
?
?
? ????
1
,
1,11
可以通过选取权值满足下式来实现对干扰信号的抑制：
0?? IH hw
NR根接收天线可以抑制最多NR-1个干扰。
-57-
图，IRC（下行）
IRC也可以用于上行，用来抑制来自外小区的干扰，这种方法通常也叫做接收端
波束赋形，如下图所示。
图，IRC（上行）
4.6.2 小区间干扰协调
小区间干扰协调的基本思想是以小区间协调的方式对资源的使用进行限制，包括
限制哪些时频资源可用，或者在一定的时频资源上限制其发射功率。
小区间干扰协调可以采用静态的方式，也可以采用半静态的方式。
静态的小区间干扰协调不需要标准支持，属于调度器的实现问题，可以分为频率
资源协调和功率资源协调两种，这两种方式都导致频率复用系统小于1，一般称
为软频率复用（Soft Frequency Reuse）或者FFR（Fractional Frequency Reuse）。
一种频谱资源协调方法如下图所示，频率资源被划分为3部分，其中位于小区中
心的用户可以使用所有的频率资源，而位于小区边缘的用户只能使用部分频率资
源，并且相邻小区的小区边缘用户所使用的频率资源不同，从而降低小区边缘用
户的干扰。
-58-
Users in inner part of the cell may be assigned
the full spectrum.
Users at the outer part of the cell may only be assigned part of the
full spectrum. 1
2
3
4
5
6
7
图，频率资源协调
一种功率资源协调方法如下图所示，频率资源被划分为3部分，所有小区都可以
使用全部的频率资源，但是不同的小区类型只允许一部分频率可以使用较高的发
射功率，比如位于小区边缘的用户可以使用这部分频率，而且不同小区类型的频
率集合不同，从而降低小区边缘用户的干扰。
132 fP(f) fP(f) fP(f)Cel typ12l t3
图，功率资源协调
半静态的小区间干扰协调需要小区间交换信息，比如资源使用信息。目前LTE已
经确定，可以在X2接口交换PRB的使用信息进行频率资源的小区间干扰协调（上
行），即告知哪个PRB被分配给小区边缘用户，以及哪些PRB对小区间干扰比较
敏感。
-59-
同时，小区之间可以在X2接口上交换过载指示信息（OI：Overload Indicator），
用来进行小区间的上行功率控制。具体参见下面章节描述。
LTE的下行方向的半小区间干扰协调方法还在讨论中。
4.6.3 功率控制
LTE上行方向可以进行功率控制，包括小区间功率控制（Inter-Cell Power Control）
和小区内的功率控制（Intra-Cell Power Control）。如下图所示。小区内功率控制的
主要目的是补偿路损和阴影衰落，节省终端的发射功率，尽量降低对其他小区的
干扰，使得IoT（Interference rise over thermal noise）保持在一定的水平之下。小
区间功率控制的主要目的是通过告知其它小区本小区IoT信息，控制本小区IoT
的方法，这是因为本小区的IoT主要来自于其它小区的干扰，如果干扰功率已经
超过了IoT水平（超载），通过降低本小区的终端发射功率是无法降低本小区的IoT
的。目前LTE已经确定小区之间可以在X2接口上交换过载指示信息OI，用来进
行小区间的上行功率控制。
UEServing cl Non-servig clInterfc ton-servig clOverload inctrInter-cl TPCTPComandDesird igalIntra-cl PC
图，上行小区间以及小区内功率控制
上行功率控制控制物理信道中一个DFTS-OFDM符号上的平均功率，功率控制命
令（TPC）或者包含在PDCCH中的上行调度授权信令中，或者使用特殊的PDCCH
格式与其它用户的TPC进行联合编码传输。
上行功率控制有很多方案，目前没有定论。
-60-
LTE下行方向也可以进行功率控制，小区内的功率控制不需要标准支持，而小区
间的功率控制正在讨论中，属于小区间干扰协调的一部分。下行功率控制控制
EPRE。下行小区专用参考信号的EPRE是所有子帧、整个带宽上恒定的。
4.6.4 比特级加扰
LTE使用比特级加扰方法对小区间干扰进行随机化，即针对编码之后（调制之前）
的比特进行加扰，如下图所示。
Turbo Coding Interleaver
Scrambling A
User A
图，比特级加扰
加扰获得的干扰抑制增益与处理增益成正比，即编码速率。
LTE 确定对于BCH、PCH以及控制信令采用小区专用的加扰（Cell-specific
scrambling），并且与物理层小区ID有一一映射关系；
对于DL-SCH，采用UE专用（UE-specific scrambling）或者一组UE专用的加扰
（UE-group-specific scrambling）；
对于MCH，采用小区组专用的加扰（Cell-group-specfic scrambling）；
对于上行，支持UE专用加扰（UE-specific scrambling），但是允许配置为使用或
者不使用。
4.7 自组织、自优化网络
SON目前还处于初期的探索阶段，标准尚未确定。SON 的目标是实现自组织、自优
化网络，包括网络自动配置、自动邻区关系设置、自动优化等等。SON一方面可以实
现基站的自配置自优化，降低布网成本和运营成本，另一方面还可以用与Home
eBodedB等数量繁多、难于远程控制的节点类型。SON的主要功能包括自规划、自
安装、自配置、自优化、自愈合、自回传等
SON 系统架构有多种形式，可根据用户需求选择。
集中式（Centralized ：in OAM）
分布式（Distributed：in eNodeB）
混合式（Hybrid：in OAM and eNodeB）
-61-
图9 SON
-62-
5 TD-LTE网络切入策略
TD-LTE引入可以分重点引入和全网引入两种策略。重点引入就是在高速数据业务需求
密集区部署TD-LTE网络，主要提供高速数据业务等，其他区域暂用现有2G&3G提
供服务；全网引入就是整个区域部署TD-LTE网络，全网得到TD-LTE服务。
重点引入的优点是节约资源和投资，但不能保证LTE网络的连续覆盖；全网引入的优
点是整网可以得到TD-LTE服务，不过在偏远地区的引入会浪费资源，增加运营成本。
建议视初期重点区域引入LTE后发展情况再进行全网的TD-LTE引入。
◆ 初期(2010-2011年)
可针对性的选择一些PS业务高发区部署TD-LTE站点，主要侧重提供高速数据业务；
站点的部署可与TD-SCDMA共站，只保障局部区域的连续覆盖和热点覆盖。
◆ 中期(2012年以后)
逐渐考虑城区的连续覆盖，可与TD-SCDMA共覆盖组网；提供高速数据业务和Voip
等各类业务。
5.1 TD-LTE设备演进策略
中兴通讯新一代SDR基站平台构建在BBU+RRU模块化组网模式基础之上，创新的
模块化SDR基站平台为实现多制式及平滑演进创造可能，SDR多模基站能够帮助运
营商解决如下难题：
◆ 频谱资源优化重用；
◆ 网络资源的优化整合；
◆ 无线网络的平滑演进；
5.2 SDR BBU产品
SDR BBU产品支持TD/LTE共平台，TD/LTE双模基带板支持软件升级支持LTE。
-63-
图10 TD-LTE 平滑引入策略和要求
5.3 SDR RRU产品
同频段采用TD/LTE双模RRU，软件升级；异频段新增LTE RRU；BBU和宽频天线
重用。
-64-
-65-
6 缩略语
英文缩写 英文全称
3GPP 3rd Generation Partnership Project
3GPP2 3rd Generation Partnership Project 2
BBU Base Band processing Unit
BPSK Bi Phase Shift Keying
CAPEX Capital Expenditure
CN Core Network
DFT Discrete Fourier Transform
EPC Envolved Paket Core
FDD Frequency Division Duplex
GE Gigabit Ethernet
GERAN GSM Edge Radio Access Network
HSPA+ High Speed Packet Access Plus
LTE Long Term Evolution
MIMO Multiple Input Multiple Output
MISO Multiple-Input Single-Output
MME Mobility Management Entity
OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing
OPEX Operational Expenditure
PAPR Peak to Average Power Ratio
PCRF: Policing and Charging Rules Function
PSS Primary synchronization signal
QoS Quality of Service
RB Resource Block
RE Resource Element
RS Reference signal
SAE System Architecture Evolution
SC-FDMA Single Carrier Frequency Division Multiple Access
-66-
英文缩写 英文全称
SDH Synchronous Digital Hierarchy
SDR Software Defined Radio
S-GW Serving Gateway
SGSN Serving GPRS Support Node
SISO Single-Input Single-Output
SIMO Single-Input Multiple-Output
SSS Secondary synchronization signal
SON Self Organizing/Operating Network
SS Synchronization signal
TDD Time Division Duplex
TTI Transmission Time Interval
UTRA Universal Terrestrial Radio Access
UTRAN Universal Terrestrial Radio Access
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