TD-LTE系统原理与无线网络优化

全面论述TD-LTE系统原理与无线网络优化的理论、方法与解决方案。适合作为广大院校移动通信课程的教材，也适合作为科研技术人员的参考用书。本书特色如下：
1. 兼顾基础知识和原理应用，由易入难，逐步深入；
2. 将具体厂商的算法实现和参数设置相结合，提高实战能力；
3. 提供大量的网络优化案例，强化网络优化经验积累；
4. 聚焦专题分析和流程优化方法，提高解决复杂问题能力；
5. 契合业界SON研究热点和5G技术演进，具有前瞻性。
本书主要内容包括：
1. TD-LTE网络优化基础知识
2. TD-LTE系统的基本原理
3. TD-LTE系统的信令流程
4. TD-LTE系统的关键技术
5. TD-LTE网络优化方法
6. TD-LTE网络优化方法
7. TD-LTE关键性能指标
8. TD-LTE网络优化专题分析
9. TD-LTE重选和切换专题分析
10. TD-LTE路测数据专题分析
11. TD-LTE掉话问题专题分析
12. TD-LTE吞吐率问题专题分析
13. 无线网络优化研究热点及5G演进
14. SON自组织网络技术
15. 未来网络演进及5G关键技术

 

本书围绕TDLTE网络优化的重点和难点，结合国内外众多商用网络的经验和案例，从TDLTE的基本原理入手，全面、深入地介绍TDLTE系统的信令流程、关键算法和典型参数设置，并就无线网络优化方法和流程进行阐述，对路测、切换、掉话和吞吐率等专题进行分析，*后就无线网络自组织这一研究热点，以及未来网络演进和5G关键技术进行阐述和分析。全书共分四大部分： *部分是LTE基础部分，重点描述LTE基本原理和信令流程； 第二部分是LTE关键技术、算法和参数设置部分； 第三部分是TDLTE网络优化方法和专题分析部分，对网络优化方法进行系统和全面的描述，对路测、切换、掉话、吞吐率专题优化分别展开讨论； 第四部分是无线网络优化技术演进，以及面向5G的网络技术演进部分，阐述SON关键技术和算法以及5G关键技术。
本书是一部综合LTE无线网络原理与优化实战经验的专业性著作，主要适用于无线通信领域研究人员和工程技术人员作为参考用书，也可作为高等院校通信专业高年级本科生或研究生的教学参考用书。

窦中兆：任中国电信国际有限公司重大项目运作部技术总监，兼任中国国际商会国家委员会数字经济委员会副主席、中国海外基础设施投资公司技术指导委员会专家委员，曾任职于广东省电信规划设计院有限公司无线专业总工程师。有超过15年无线网络规划、优化从业经验，长年在一线从事国内外GSM/CDMA2000/WCDMA/LTE无线网络优化工作，致力于无线网络系统级仿真、网络自优化研究，以及海外重大项目和网络运营及优化。曾获通信工程学士、通信与信息系统硕士、电子与信息工程博士（在职）学位，曾出版无线通信原理与优化方面的专著两部，并合著图书一部、合译图书一部。

目录
CONTENTS

第1章LTE简介

1.1移动通信系统技术演进

1.1.1第一代移动通信系统

1.1.2第二代移动通信系统

1.1.3第三代移动通信系统

1.1.4第四代移动通信系统

1.2LTE在全球的商用发展现状

1.3LTE无线网络优化

1.3.1LTE网络优化简介

1.3.2LTE网优必备知识分类

1.4本书的结构和内容安排

第2章LTE基本原理

2.1LTE系统架构

2.1.1系统结构及网元

2.1.2无线协议栈

2.1.3协议接口

2.2物理层

2.2.1LTE帧结构

2.2.2LTE的物理层资源单位

2.2.3TDLTE系统的信道与映射

2.2.4TDLTE的物理信号

2.3数据链路层

2.3.1MAC子层

2.3.2RLC子层

2.3.3PDCP子层

2.4无线资源控制层

2.4.1RRC功能

2.4.2RRC状态模式

2.4.3NAS层协议状态与RRC状态

2.4.4RRC过程管理

2.5LTE的基本业务过程

2.5.1LTE业务总流程

2.5.2LTE系统消息

2.5.3跟踪区注册

2.5.4随机接入过程

2.5.5寻呼

第3章LTE信令流程

3.1信令相关的基本概念

3.1.1控制面与用户面

3.1.2UE的不同网络标识

3.1.3承载的定义及分类

3.2基本信令流程

3.2.1随机接入流程

3.2.2RRC信令流程

3.2.3寻呼流程

3.2.4语音的电路域回落流程

3.2.5紧急呼叫流程

3.2.6LTE测量过程

3.3端到端业务流程

3.3.1附着流程

3.3.2去附着流程

3.3.3业务请求流程

3.3.4专用承载的建立

3.3.5专用承载的修改

3.3.6专用承载的释放

3.4跟踪区更新流程

第4章LTE/LTEAdvanced关键技术

4.1OFDM技术

4.1.1OFDM基本原理

4.1.2子载波间隔选择与FFT尺寸

4.1.3时域影响： 时域干扰的规避

4.1.4频域影响： 有效克服频率选择性衰落

4.1.5OFDM技术特点及主要优缺点

4.2多址技术

4.3MIMO技术

4.3.1MIMO基本概念

4.3.2LTE系统的MIMO实现

4.3.3MIMO增强的演进

4.4载波聚合

4.4.1载波聚合分类

4.4.2载波聚合协议栈架构

4.4.3载波聚合对网络的影响

4.4.4载波聚合的典型部署场景

4.5多点协作传输

4.5.1多点协作分类

4.5.2多点协作簇的选择方式

4.5.3多点协作的反馈机制

4.6无线中继技术

4.6.1无线中继分类

4.6.2无线中继应用场景

第5章LTE关键算法与参数设置： 重选与切换

5.1小区选择与重选

5.1.1小区选择

5.1.2小区重选

5.1.3典型案例分析

5.2切换

5.2.1切换基本概念

5.2.2切换事件

5.2.3切换流程

5.2.4切换失败问题分析方法

5.2.5典型案例分析

第6章LTE网络优化方法和流程

6.1网优项目准备和启动

6.1.1运营商需求分析

6.1.2网络基本数据收集

6.1.3区域划分和网优项目组织架构

6.1.4网优工具和软件准备

6.2单站验证和优化

6.2.1单站验证的数据准备

6.2.2单站验证的小区状态检查

6.2.3单站测试内容

6.3RF优化流程

6.4参数优化流程

第7章LTE路测数据分析方法

7.1路测数据采集

7.1.1簇划分和测试路线规划

7.1.2测试方法

7.2路测数据分析基础

7.2.1路测重要指标解读

7.2.2良好的RF环境定义

7.2.3路测网络评估的KPI定义

7.3覆盖问题分析与优化

7.3.1TDLTE覆盖特性分析

7.3.2覆盖优化手段： 通过理想预测查找“有害小区”

7.3.3覆盖优化手段： 天线下倾角调整

7.3.4覆盖优化手段： RS功率调整

7.3.5下行覆盖优化分析

7.3.6上行覆盖优化分析

7.3.7弱覆盖问题及案例分析

7.3.8越区覆盖问题及案例分析

7.3.9导频污染问题及案例分析

7.4PCI优化

7.5干扰问题分析与优化

7.5.1干扰判定标准

7.5.2干扰分析总体流程

7.5.3异系统干扰原因分析

7.5.4异系统干扰隔离度分析

7.5.5系统内干扰识别及规避

第8章LTE网络关键性能指标体系

8.1呼叫接入类指标

8.2移动性管理类指标

8.3资源负载类指标

8.4业务质量类指标

8.5KPI性能分析方法

第9章专题优化分析方法： 吞吐率问题定位及优化

9.1理论峰值吞吐率计算

9.1.1协议栈及各层开销

9.1.2物理层峰值吞吐率计算考虑因素

9.1.3上下行物理层峰值吞吐率计算实例

9.1.4上下行单用户物理层峰值吞吐率计算结果

9.2影响吞吐率的因素

9.2.1无线参数

9.2.2终端反馈参数

9.2.3HARQ参数

9.2.4资源调度参数

9.2.5功率参数

9.3下行吞吐率问题分析方法

9.3.1分配RB数少或DL_Grant分配不足

9.3.2IBLER不收敛

9.3.3MCS偏低或波动

9.3.4MIMO问题

9.3.5上行反馈通道存在问题

9.4上行吞吐率问题分析方法

9.4.1分配RB数少或UL_Grant不足定位方法

9.4.2低阶MCS定位方法

9.4.3IBLER高问题定位方法

第10章专题优化分析方法： 掉话问题定位及优化

10.1掉话定义

10.1.1路测数据掉话定义

10.1.2标准接口信令掉话定义

10.1.3话统数据掉话定义

10.1.4话统数据与掉话相关的计数器

10.2掉话机制

10.2.1L2掉话机制

10.2.2L3掉话机制

10.3影响掉话的关键定时器

10.4掉话问题定位及分析

10.4.1整网掉话率分析

10.4.2Top小区掉话分析

10.5常见掉话原因分析

10.5.1弱覆盖导致掉话

10.5.2邻区漏配导致掉话

10.5.3切换失败导致掉话

10.5.4干扰导致掉话

10.5.5拥塞导致掉话

10.5.6设备故障告警导致掉话

10.5.7流程交互失败导致掉话

10.6典型掉话案例分析

10.6.1驻波告警导致掉话案例

10.6.2版本升级后掉话率变化分析案例

第11章LTE的自组织网络技术

11.1SON的研究进展

11.1.1SON的驱动因素

11.1.2SON的标准化研究进展

11.2SON体系架构

11.2.1集中式SON

11.2.2分布式SON

11.2.3混合式SON

11.3SON流程及用例

11.4SON算法研究

11.4.1LTE系统内移动健壮性和切换优化算法

11.4.2MRO与MLB间冲突避免算法

11.4.3多层异构网络下的MLB算法

11.5SON未来研究展望

11.5.1LTE SON应用对未来5G SON的启示

11.5.25G SON研究展望

第12章未来网络演进及5G关键技术

12.15G简介及标准演进

12.1.15G业务需求

12.1.25G技术需求

12.1.35G标准演进

12.25G网络关键技术

12.2.1超密集异构网络

12.2.2新型无线网络架构

12.2.3大规模天线技术

12.2.4认知无线电技术

12.2.5毫米波通信技术

12.2.6全双工技术

12.2.7新型传输波形技术

12.2.8新多址技术

12.2.9自组织网络技术

12.2.10软件定义网络技术

12.2.11网络功能虚拟化技术

附录缩略语

参考文献

前言
FOREWORD

我们已经步入大数据时代。当今，移动互联网正以惊人的速度迅速发展，移动数据流量呈现爆炸式增长。据爱立信统计和预测，过去5年（2013—2018年），全球移动数据流量增长了10倍； 未来5年仍将以39%的年均复合增长率保持高速增长。移动互联网为人们带来无与伦比丰富体验的同时，要求移动通信技术与网络向更高数据速率、更高频谱利用率和更低成本的方向发展，这给未来无线网络技术演进和无线网络优化提出了更高要求。LTE作为支撑移动互联网需求的主要网络技术，同时作为第四代移动通信的主流标准技术，已在全球获得大规模商用，并将在未来的5G时代长期存在。
无线网络优化是一项复杂的系统工程，涉及技术原理、关键算法、参数调整、工程经验等多方面知识的综合运用，随着多接入技术（InterRAT）和多层次网络（Multilayer）共存导致网络复杂度的大幅提高，使目前的无线网络优化工作面临更大挑战。本书围绕TDLTE网络优化的重点和难点，结合国内外众多商用网络的经验和案例，从TDLTE的基本原理入手，全面、深入地介绍TDLTE系统的信令流程、关键算法和典型参数设置，并就无线网络优化方法和流程进行阐述，聚焦路测、切换、掉话和吞吐率等专题进行分析，最后对无线网络自组织这一研究热点，以及未来网络演进和5G关键技术进行阐述和分析。全书按照循序渐进和由易到难的原则进行相关内容的编排，并引用了大量的商用网络优化案例来进行讨论，以便贴近实际网络，强化对具体问题的分析和实战能力。
按照上面的思路，全书分为四大部分共12章： 第1~3章属于LTE基础部分，重点描述基本原理和信令流程； 第4、5章是LTE关键技术、算法和参数部分； 第6~11章是网络优化方法和专题分析部分，对路测、切换、掉话、吞吐率的专题分析和案例展开讨论，并介绍自组织网络的研究进展和关键算法； 第12章是未来面向5G的网络技术演进部分，对5G的关键技术做了阐述。
在此感谢我的导师冯穗力和杨大成教授，本书的成稿得益于他们的精心指导。同时，特别感谢中国电信国际公司的邓小锋总经理、杨帆女士、肖炜同志和王琪宇同志，他们为本书提供了宝贵的意见和建议。在本书的编写过程中，亦得到了华南理工大学电信与信息学院冯穗力教授团队、北京交通大学电子与信息工程学院的王公仆博士团队的大力支持。此外，广东省电信规划设计院有限公司海外无线网优团队提供了大力协助和专业建议，杨明帅参编了第2、3章，陈浩林参编了第12章，同时对黄伟如、郑建飞、曾沂粲同志的帮助致诚挚谢意。
本书由雷湘同志担任主审，感谢她对本书的倾力支持。此外，陈超、关建明、黄海艺、黄妙娜、朱晓丹、张德君、梁梅、李特、李乐、李睿琪、戴琳、田宏、周航等同志为本书的编写工作提供了热忱支持和大力帮助，在此谨致诚挚的感谢。
鉴于无线网络技术正处于不断演进过程中，LTE网优技能的总结提炼有赖于各位专家、学者和读者经验的积累和不断完善，也恳请各位斧正本书的疏漏之处。

窦中兆

于华南理工大学

2019年2月

第3章

LTE信令流程

信令是控制和保障整个通信过程的一套机制，贯穿于整个通信过程。信令的功能类似人类的大脑和神经系统，是通信的重要组成部分，在通信过程中扮演着不可替代的管控角色。在网络优化过程中，通常遇到的问题具有一定的模糊性，无法精确定位问题所在。对于从事网络优化的工程师来讲，在断定复杂问题(Trouble Shooting)过程中，遇到的部分网络问题已经无法用常规的经验去分析和解决，需要依靠信令分析进行辅助去定位原因。信令分析的过程，由于其数据采集的充分性、全面性和精确性，能够高效地进行问题定位。因此，掌握信令及流程分析对于网优工作尤其是判断复杂网优问题起着举足轻重的作用。
本章首先介绍LTE系统中关于信令的一些基本概念，然后按照基本信令流程、端到端信令流程和移动性管理流程三个维度，对各类信令及流程做了详细的分析和解释。建议读者把本章介绍的信令流程和上一章相应的业务过程进行比对，在对常见信令流程有清晰认识的基础上，可以更加深入地理解LTE网络的业务过程。

3.1信令相关的基本概念

在描述信令流程之前，首先介绍与信令相关的几个基本概念，包括控制面与用户面、UE的6种不同网络标识、无线承载和信令承载，以便于读者理解相关信令构成。
3.1.1控制面与用户面
第2章已经就LTE的系统架构和通信协议进行了相关介绍，在LTE无线通信系统中，协议分为控制面和用户面两类。用户面协议负责解决传送“什么内容”的问题，具体对应传送和处理用户的数据流，如语音数据和分组业务数据； 而控制面协议负责如何把数据通过网络传递到对方，具体对应传送和处理系统的信令。
从协议栈的角度看，信令分为接入层(AS)信令和非接入层(NAS)信令。RRC和RANAP层及其以下的协议层统称接入层，接入层流程中eNodeB需要参与处理。RRC之上的移动性管理(Mobility Manangement，MM)、会话管理(Session Management，SM)、呼叫控制(Call Control，CC)、短消息服务(Short Message Service，SMS)等称为非接入层，非接入层的流程中只有UE和CN需要处理信令。即接入层信令是为非接入层信令的交互铺路搭桥的，通过接入层的信令交互，在UE和CN之间建立起信令通路，从而让UE和CN进行非接入层的直接沟通。
接入层的流程主要包括PLMN选择、小区选择和无线资源管理流程等。非接入层的流程主要包括电路域的移动性管理(MM)、电路域的呼叫控制(CC)、分组域的移动性管理(MM)、分组域的会话管理(SM)。
通过图31可以了解数据流和信令流在协议栈中的不同走向和各自的通道。例如，信令流在控制面协议栈，从UE侧始于NAS，然后通过RRC、PDCP、RLC、MAC、PHY层到达eNodeB，最终止于MME的NAS。

图31数据流、信令流与协议栈

3.1.2UE的不同网络标识
在EPC中，UE一共有6种不同的标识，包括国际移动用户识别码(International Mobile Subscriber Identity，IMSI)、国际移动设备识别码(International Mobile Equipment Identity，IMEI)、SAE临时移动台识别码(SAE Temporary Mobile Station Identifier，STMSI)、国际移动设备识别码和软件版本号(IMEI and Software Version Number，IMEISV)、全球唯一临时UE标识(Globally Unique Temporary UE Identifier,GUTI)和IP，各个标识的生命期、有效期、功能和分配方式均不相同。这些标识用户身份的ID在建立RRC连接时发送到eNodeB进行用户身份识别。
(1) IMSI是运营商给UE分配的一个永久标识，开户就有，IMSI存储在SIM卡和HSS中，是3GPP的PLMN中全球唯一标识。
(2) IMEI是由设备(手机)制造商给UE设备分配的一个永久标识，IMEI存储在SIM卡和HSS中，可防止不法手机的再使用等，目前中国未使用。
(3) STMSI是临时的UE识别号，由MME产生并分配，用于NAS交互过程中保护用户的IMSI不暴露，其中S代表SAE，与MTMSI一致。
(4) IMEISV是携带软件版本号的国际移动台设备标识，用16位数字表示。
(5) GUTI在网络中唯一标识UE终端，可以减少IMSI、IMEI等用户私有参数暴露在网络传输中。GUTI是由核心网分配的一个动态标识，存储在UE和MME中。只有在EPC注册同时附着MME的UE，GUTI才有效。
(6) IP地址是PGW分配的一个动态的标识。在上下文本存在时有效。
在小区(eNodeB)内，UE的标识如表31所示。其中，CRNTI(Cell Radio Network Temporary Identifier)是小区无线网络临时标识，是由eNodeB分配给UE的一个动态标识，唯一标识了一个小区空中接口下的UE，只有处于连接态下的UE，CRNTI才有效。而TRNTI是临时的CRNTI，连接态建立后TRNTI会晋升为正式的CRNTI。RARNTI(Random Access Radio Network Temporary Identifier)是随机接入无线网络临时标识，接收端UE知道自己之前的Preamble发送位置，通过计算可以检测PDCCH上是否有自己对应的RARNTI； 如有，则说明接入被响应。RARNTI对于FDDLTE系统是10个，对于TDDLTE系统最多60个。

表31eNodeB内UE的标识

标 识 类 型应 用 场 景获 得 方 式有效范围是否与
终端/卡相关

RARNTI随机接入中用于指示接收随机接入响应消息根据占用的时频资源计算获得(0001~003C)小区内否
TCRNTI随机接入中，没有进行竞争裁决前的CRNTIeNodeB在随机接入响应消息中下发给终端(003D~FFF3)小区内否
CRNTI用于标识RRC Connect状态的UE初始接入时获得(TCRNTI升级为CRNTI) (003D~FFF3)小区内否
SPSCRNTI半静态调度标识eNodeB在调度UE进入SPS时分配(003D~FFF3)小区内否
PRNTI寻呼FFFE(固定标识)全网相同否
SIRNTI系统广播FFFF(固定标识)全网相同否