3GPP LTE物理层和空中接口技术.pdf

21 世纪通信网络技术丛书 3GPP LTE 无线通信新技术系列 3GPP LTE 物理层 和空中接口技术 张志林 编著 Publishing House of Electronics Industry 北京BEIJING 内 容 简 介 LTE 技术作为未来宽带移动通信技术的主流标准，无论是运营商还是解决方案设备提供商都投入了大量的资源启动对 LTE 的研发工作。为了使从事无线通信行业的技术人员以及准备从事无线通信行业的人员掌握其中的精华，本书采用由浅入深的思路向读者展现 LTE 物理层和空中接口技术。书中通过大量的实例向读者呈现讲解的内容，使读者理解和掌握问题的本质，改变以往读者被动接受概念和原理的局面。本书共涵盖 7 章，分别介绍了 LTE 产生的背景，对 LTE 的网络架构和协议栈作了简要的说明；无线通信技术以及数字信号处理过程，结合实例言简意骇地说明实现原理和方法；LTE 物理层技术，重点对物理帧结构、物理资源划分以及物理信道的调制实现进行了说明；LTE 物理层复用技术及物理层过程；LTE 的空中接口技术及实现流程，MAC 子层、RLC 子层、PDCP 子层以及 RRC 层的功能和实现机制，RRC 层实现的具体流程；多天线技术的原理及应用；LTE 的下一步演进 LTE-A 的发展趋势及关键技术。本书可作为从事移动通信工作的技术人员，包括运营商工作人员、解决方案设备提供商研究开发人员的技术书籍，也可作为各高校相关通信专业师生从事研究工作的参考书或研究生的专业教材。未经许可，不得以任何方式复制或抄袭本书之部分或全部内容。版权所有，侵权必究。图书在版编目（CIP）数据 3GPP LTE 物理层和空中接口技术张志林编著.北京：电子工业出版社，2011.9（21 世纪通信网络技术丛书.3GPP LTE 无线通信新技术系列）ISBN 978-7-121-14477-6.3 .张 .码分多址移动通信通信网 .TN929.533 中国版本图书馆 CIP 数据核字（2011）第 174216 号 责任编辑：王春宁 印 刷：装 订：出版发行：电子工业出版社 北京市海淀区万寿路 173 信箱 邮编 100036 开 本：7871 092 1/16 印张：20.5 字数：512 千字 印 次：2011 年 9 月第 1 次印刷 印 数：4 000 册 定价：59.00 元 凡所购买电子工业出版社图书有缺损问题，请向购买书店调换。若书店售缺，请与本社发行部联系，联系及邮购电话：（010）88254888。质量投诉请发邮件至 ，盗版侵权举报请发邮件至 。服务热线：（010）88258888。出 版 说 明 为了促进和推动我国通信产业的发展，迎合国家在 21 世纪的中长期信息通信技术的发展规划，电子工业出版社通信出版分社特策划了一套21 世纪通信网络技术丛书。这套丛书根据不同的技术应用层面，又细分为 4 个系列：移动通信前沿技术系列、3GPP LTE 无线通信新技术系列、物联网技术与应用开发系列和网络通信与工程应用系列。移动通信前沿技术系列是以移动通信技术（3G 技术）的应用现状与发展情况为导向，结合新一代移动宽带系统（4G 技术）的逐步建立，全面介绍当今移动通信领域涉及的前沿关键技术与热点技术，以理论创新和技术突破为主。3GPP LTE 无线通信新技术系列是以 TD-LTE、WCDMA-LTE、cdma2000-LTE、WiMAX-LTE 的新技术与新标准为主攻方向，以 3GPP 中 LTE 标准的关键技术在无线、宽带、高速、资源中的有效管理和实现为主。LTE 作为无线通信技术的一个重要的长期演进计划，代表了国内外无线通信领域的最新发展需求和解决方案。以新一代移动宽带通信技术为主。物联网技术与应用开发系列是下一代 ICT（信息通信技术）产业的新增长点之一。将物联网技术与应用开发单独列为一个系列主要是从无处不在的应用宽泛性和无所不能的移动互联网对人们生活和工作的深刻影响而构建的。物联网是互联网的自然延伸，以 IP 技术为核心，是一种架构在基于 IPv4/IPv6 的各种网络上的综合应用和通信能力。根据它的四个层面感知、传输、处理和应用，通过技术与应用开发的紧密结合去推动物联网工程应用的进一步发展。以物联网技术开发应用为主。网络通信与工程应用系列是以构建网络的体系结构、标准、协议为目标所开展的对现代无线、移动、宽带通信网络的规划与优化，以及结合工程应用的成功案例所提出来的。以移动通信网络工程应用为主。为了提升本套丛书的影响力，依托各高等院校在通信领域从事科研、教学、工程、管理的具有丰富的理论与实践经验的专家、教授；各科研院所的研究员；国内有一定规模和研发实力的科技公司的一线研发人员，以及国外知名研究实验室的专家、学者等组成编写和翻译队伍，力求实现内容的先进性、实用性和系统性；力求内容组织循序渐进、深入浅出；理论阐述概念清晰、层次分明、经典实例源于实践；力求很强的可读性和可操作性。本套丛书的主要读者对象是广大从事通信网络技术工作的各科研院所和公司的广大工程技术人员；各高等院校的专业教师和研究生；刚走上工作岗位的大学毕业生；以及与此相关的其他学科的技术人员，供他们阅读和参考。本套丛书从 2008 年上半年开始陆续推出，希望广大读者能关注它，多对本套丛书提出宝贵意见与建议，欢迎通过电子邮箱 进行探讨、交流和指正，以便今后为广大读者奉献更多、更好的优秀通信技术类图书。电子工业出版社 通信出版分社 前 言 随着社会的发展、技术创新以及电信行业的竞争，在 3GPP 组织的推动下，长期演进（Long Term Evolution，LTE）逐渐走进了公众的视野。通信产业经过数十年的发展，尤其近十年更是突飞猛进，各种新技术、新业务以及新的解决方案频频出现，大家还在尝试感受 3G技术的时候，为什么又推出了 LTE？LTE 究竟比以前的技术有哪些优势？又将会怎样改变我们的生活？而作为通信技术人员又将接受哪些挑战，需要哪些技术积累？看到这里也许多数读者都会有这些疑问。这些答案本应在后续的书中由读者理解、感悟，但是我还是禁不住在这里简单说一下。LTE 是一个革命性的宽带移动通信标准，从频域、空域等维度对空间信道进行了深度挖掘，同时采用了自适应系统设计和简洁的全 IP 扁平网络架构，提供了强大的时频资源。LTE系统抛弃了 3G 系统长期采用的 CDMA（码分多址）技术，下行采用以 OFDMA（正交频分多址）为核心的多址技术，上行采用 SC-FDMA（单载波频分多址）技术，这是一种 OFDMA的改进技术，可以在保持 OFDMA 正交传输特性的同时，兼顾单载波传输的峰均比（PAPR）特性，从而获得较好的终端功放效率和较低的功放成本。目前，LTE 的各项标准初稿已经完成，3GPP 组织根据行业的反馈、研讨还将继续优化 LTE 标准。世界上诸多运营商对 LTE 技术产生了浓厚的兴趣，LTE 标准有望成为未来宽带移动通信技术的主流标准。越来越多的设备商启动了 LTE 的研发工作，投入大量的人力、物力研究该项目，并开发出各种样机在全球各地启动试验局项目，如爱立信、华为、诺西等部分设备商已经进入商用市场，电信市场的竞争越演越烈。随着电信格局的变化，设备技术开发人员以及运营企业技术人员都需要理解并掌握这项标准技术。同时，LTE 标准对于 IMT-Advanced 系统的研究同样具有重要的借鉴作用。LTE 技术如此重要，作为从事无线通信行业的技术人员以及准备从事无线通信行业的人员如何才能掌握其中的精华？如何定位自己的知识储备程度？总之，如何达到事半功倍的效果？这些应该是大家比较关心的问题，作者本人一直从事无线通信技术研究工作，因此非常关注。从日常实际工作所接触到的各方面书籍资料来看，不在少数的书籍主要使用两类方式讲解某一技术，一种是纵深且单一，并且缺少实例讲解，读者不易理解，并且无法得知需要何种知识基础才能够阅读此类书籍；另外一种方式是书中集合各种内容，看似内容很全，但是没有展开讲解，读者仅仅了解概念，无法得知书籍中的重点内容在哪里。读者无论碰到上述的任何一种书籍都将会得到两种感受，一种是枯燥理论，无法接受内涵；另一种感受是书籍在堆砌文字，内容粗浅，无法提升理论和实际能力。进而想撰写一本既有理论基础又有实例，将枯燥的内容变得容易理解的书籍，使读者可以理解事物的本质。我们都是成年人，按照成年人的思维方式讲解内容，改变以往的填鸭式被动阅读。只有理解了本质我们才具备创造性，才能激活我们的思维细胞。因此，就是希望可以给读者带来收益，可以使读者从书中学习到知识，可以为读者日常学习、工作提供帮助，本着急大家之所急，顺应“天时、地利、人和”的趋势，撰写该书。本书面向的读者为正在从事无线通信行业和即将准备从事无线通信行业的朋友。既可以 作为高校的通信专业的教材又可以作为移动通信的研究工作的重要参考资料。希望该书能够为各位朋友成为 LTE 技术专家提供帮助，最基本的愿望是使读者在通往无线通信技术的道路上找对方向。为了使读者能够更好地理解本书内容，本书从物理层开始逐一进行讲解，力争体现端到端知识，使大家从系统全貌到技术细节都能得到收益。同时，考虑到部分章节内容需要掌握一定的通信原理基础知识，故在本书中使用通俗语言并结合比较经典的实例去阐述相关基础概念以及基础知识。在写作过程中，本书作者从技术人员以及从未接触或刚接触无线通信开发的技术人员两个角度去展现内容，力求使读者阅读高效、便捷。按照揭示事物本质的思路，提供大量的算法知识，需要读者耐心进行推导，以便于更好地掌握其技术原理，做到“知其然，知其所以然”，符合人们认识事物的规律。只有理解了这些标准的技术内涵，掌握其内在设计思想，才能抓住其灵魂，才能做到举一反三，也为以后更深入的技术研究和技术创新提供经验积累。本书在编写过程中参考了业界专家和同行的思路，并借鉴了业界各大知名设备商的经验，在此表示衷心感谢！同时感谢我的家人以及朋友所给予的关心、支持和帮助，感谢电子工业出版社王春宁老师所给予的宝贵意见。本书内容是基于作者自身理解和工作实践进行编写的，限于作者的知识面以及时间关系，观点难免出错，敬请读者谅解，并恳请读者提出宝贵意见，我的邮箱是 zhangzhilin405 。谢谢！希望读者朋友能够具备“路漫漫，其修远矣吾将上下而求索”的精神，坚持不懈，翱翔在无线通信的知识海洋中。最后用下面几句话表达我内心的感受：通信产业纷争十年，信息技术日变万千。事重意远道路曲长，业峻绩鸿娓娓长流。VII 目 录 第 1 章 概述.（1）1.1 背景.（1）1.1.1 移动通信发展简史.（1）1.1.2 无线移动技术演进现状.（2）1.2 LTE 项目介绍.（10）1.3 3GPP 组织简介.（12）1.4 LTE 协议规范结构.（12）1.5 LTE 协议架构.（14）1.5.1 E-UTRAN 网元功能.（15）1.5.2 无线协议接口.（16）1.6 系统架构演进（SAE）介绍.（17）1.6.1 SAE 介绍.（17）1.6.2 SAE 架构.（18）第 2 章 无线传输技术.（20）2.1 无线信道传播.（20）2.1.1 概述.（20）2.1.2 传播模型.（20）2.1.3 路径损耗模型.（20）2.1.4 衰落特性相关定义.（22）2.1.5 噪声和干扰.（23）2.2 数字信号处理.（24）2.2.1 加扰.（24）2.2.2 信源编码.（25）2.2.3 信道编码.（26）2.2.4 交织.（29）2.2.5 调制.（31）2.2.6 信道估计与均衡.（33）2.3 OFDM 技术.（34）2.3.1 OFDM 技术概述.（34）2.3.2 OFDM 原理.（43）2.3.3 OFDM 的应用.（51）2.3.4 OFDM 优点和不足.（59）第 3 章 LTE 物理层信道与调制.（60）3.1 概述.（60）3.1.1 LTE 协议层整体结构.（60）3.1.2 物理层概要描述.（61）VIII 3.1.3 LTE 物理层协议规范文档组成.（63）3