LTE 体验质量 调制和 MIMO

白皮书

目录

LTE 信号制式��������������������������������������������������2

LTE 调度程序��������������������������������������������������6

RF 环境和吞吐量����������������������������������������6

同步和吞吐量 ������������������������������������������9

LTE MIMO ����������������������������������������������� 10

LTE 无线质量评估 ������������������������������������ 13

结论 ���������������������������������������������������������� 15

首字母缩写词 ������������������������������������������� 16

参考 ���������������������������������������������������������� 16

简介

长期演进技术 (LTE) 是第三代合作伙伴计划 (3GPP) 指定的第四

代无线技术。 不同因素促进了 LTE 的创建。 从移动用户的角度

来说，需要增加吞吐量来支持对丰富内容和实时应用的需求。

从移动运营商的角度来说，降低了复杂度、提高了效率并且降低

了运营成本的网络通过利用全 IP 主干网的简便性取得了优势。

2 LTE 体验质量

通过更好的信号管理使网络中的连通性得以改善，并且降低了复杂性，使蜂窝基站更加智能，从而缩短连接设置和蜂窝间切换的时间。

LTE 最重要的一个成就可能与使用频谱来适当地满足日益增加的吞吐量需求、同时在不影响服务质量的情况下保持类似的频谱分配相关。

这种频谱或无线电资源管理考虑不同的方面，其中包括：

y LTE 信号制式 — 实现一种新的基于正交频分多址接入 (OFDMA) 的蜂窝基站传输格式，由跨不同信道带宽（从 1.4 MHz 至 20 MHz）的 15 KHz 资源单元组

成

y LTE 调度程序 — 结合相应功能，能够动态适应在蜂窝基站和移动设备之间的链路上传输的比特数，在其中，将基于移动设备接收到的信号质量来调度不同的

调制类型（QPSK、16 QAM 和 64 QAM）

y LTE 多输入多输出 (MIMO) — 通过采用 MIMO 阵列，从双重接收和传输（MIMO 2 x 2）到多达 MIMO 8 x 8 的乘数（在 LTE 高级版中考虑），允许在蜂窝

基站和移动设备之间存在多个传输数据流

LTE 信号制式

LTE 的信号制式在蜂窝基站或下行链路的传输中基于 OFDMA，在移动设备或上行链路的传输中基于单载波 FDMA (SC-FDMA)。

就可用资源或带宽而言，最关键的传输是下行链路，因为它为移动用户提供带宽。 LTE 中可分配给用户的最小带宽定义为资源块 (RB)，它由一组 84 个资源元素（12 个频率为 15 KHz 的副载波 x 7 个符号）组成，并且这些资源块按每隔 0.5 毫秒的时隙传输。

图 1. LTE 信号制式

信道带宽：10 MHz

传输带宽：9 MHz

功率

频率 15 kHz

副载波 (Sc)

功率

时间

符号 (Sy)

1 2 3 4 5 6 7

子帧

LTE 10 MHz : 9 MHz/15 kHz = 600 Sc

1 个帧 (10 ms) = 10 个子帧 (1 ms) = 20 个时隙 (0.5 ms)

频率

功率功率

资源块 (RB) = 12 Sc x 7 Sy = 84 个资源元素

功率

频率

时间

符号 (Sy)

副载波 (Sc)

资源块

时间

频率

7 个符号 (Sy)

12 个副载波 (Sc)

资源块

0 1 2 3 18 19

时隙子帧

帧0 1 2 3

3 LTE 体验质量

LTE 实现了频谱灵活性——根据可用频谱，可以选择 1.4 MHz 和 20 MHz 之间的传输带宽。因此，假设有一个包含 8 个同步发送器分支的 20 MHz 信道，则每 0.5 毫秒可服务的最大用户数为 800。

信道带宽 (MHz) 1.40 3.00 5.00 10.00 15.00 20.00

传输带宽 (MHz) 1.08 2.70 4.50 9.00 13.50 18.00

资源块（0.5 毫秒） 6 15 25 50 75 100

资源块 (MIMO 2x2) 12 30 50 100 150 200

资源块 (MIMO 4x4) 24 60 100 200 300 400

资源块 (MIMO 8x8) 48 12 200 400 600 800

表 1. LTE 信道和用户连接

LTE 信号可在相对窄带信道或宽带信道中传输，但是信道带宽的大小不会改善针对干扰（外部或内部）、寄生噪声或蜂窝基站产生的噪声的可恢复性。

相反，信道带宽与连接数或它可通过资源块向移动用户提供的数据吞吐量有直接关系。

信号制式中的任何缺点都可能影响资源块的传输，并对体验质量有直接影响。 例如，LTE 下行链路中的干扰信号将影响分配给用户的资源块，资源块

可能会失真，使移动设备无法读取。

资源块

功率

频率失真的资源块

干扰

图 2. 干扰造成的 LTE 信号失真

LTE�带宽

信道带宽 (MHz) 1.4 3.0 5.0 10.0 15.0 20.0

TX 带宽 (MHz) 1.1 2.7 4.5 9.0 13.5 18.0

每个时隙（0.5 毫秒） 的资源块 6 15 25 50 75 100

64 QAM MIMO 2x (Mbps) 12.1 30.2 50.4 100.8 151.2 201.6

LTE�带宽（1�个失真资源块）

每个时隙（0.5 毫秒）的资源块 5 14 24 49 74 99

64 QAM MIMO 2x (Mbps) 10.1 28.2 48.4 98.8 149.2 199.6带宽压缩 -16.7% -6.7% -4.0% -2.0% -1.3% -1.0%

注释： 在进行带宽估算时，将考虑传输用户数据的所有资源元素 (RE)。

表 2. LTE 带宽压缩（1 个失真资源块）

4 LTE 体验质量

同样，蜂窝基站中放大器或滤波器的线性度问题也可能影响一组资源块的功率电平，从而大幅减少可用于服务的资源块的数量。

资源块

功率非线性放大或滤波

频率失真的资源块

图 3. 非线性放大或滤波造成的 LTE 信号失真

LTE 带宽

信道带宽 (MHz) 1.4 3.0 5.0 10.0 15.0 20.0

TX 带宽 (MHz) 1.1 2.7 4.5 9.0 13.5 18.0

每个时隙（0.5 毫秒）的资源块 6 15 25 50 75 100

64 QAM MIMO 2x (Mbps) 12.1 30.2 50.4 100.8 151.2 201.6

LTE�带宽（7�个失真资源块）

每个时隙（0.5 毫秒）的资源块 0 8 18 43 68 93

64 QAM MIMO 2x (Mbps) — 15.8 35.4 84.7 133.9 187.5带宽压缩 100% -46.7% -28.0% -14.0% -9.3% -7.0%

注释： 在进行带宽估算时，将考虑传输用户数据的所有资源元素

表 3. LTE 带宽压缩（7 个失真资源块）

为了确保 LTE 信号的完整性，3GPP [4] 定义了一系列 RF 性能要求，其中包括：

y 信道功率

y 占用带宽

y 子帧中的频率误差

y 分支之间的时间校准

y 无用发射

y 邻信道泄漏功率比

y 用户数据中的误差向量幅度 (PDSCH)

5 LTE 体验质量

以下各图阐释了针对符合 3GPP 标准的 LTE 10 MHz 信号执行的其中一些性能测试。

信道功率

占用带宽

频率

图 4. LTE 信道功率和占用的带宽

图 5. LTE 邻信道泄漏功率比

6 LTE 体验质量

LTE�调度程序

为移动用户分配资源块以及分配调制方案以传输用户数据的操作是由 LTE 调度程序完成的。 它并不是一种固定分配；可根据移动用户接收的信号质量

对其进行动态调整。 这种依据 RF 条件适应链路的功能定义为链路适配。

分配给移动用户的无线电资源在物理下行链路共享信道 (PDSCH) 中传输。 这些资源根据带宽要求而定，可能为一个或多个资源块。 此外，传输的用

户数据可能有 LTE 调度程序定义的不同调制方案（QPSK、16 QAM、64 QAM）。 调制越高（例如 64 QAM），资源块传输的比特数就越高（每个符号 6 比特）。

图 6. 用户数据 (PDSCH) 调制类型

RF 环境和吞吐量

调度程序根据移动用户体验的 RF 环境来确定在特定时刻为每个移动用户使用的调制格式。 移动设备根据从每个天线接收到的参考信号 (RS) 的信号质

量来测量此 RF 环境；并且，移动设备反过来将通过信道质量指示 (CQI) 将信号质量发送到蜂窝基站。 调度程序使用收到的 CQI 水平依据其 RF 环境来

分配移动用户将能够收到的调制方案。

信道质量指示符

参考信号CQI PDSCH

调制

0 超出范围

1 至 6 QPSK

7 至 9 16 QAM

10 至 15 64 AM

信道状态信息

信道质量指示符

图 7. RF 环境评估（通过参考信号）和 CQI

7 LTE 体验质量

移动设备使用参考信号来评估 RF 环境，因为蜂窝基站始终会在每个资源块中按恒定功率电平并采用相同的调制方案来传输参考信号。 因此，它是定

期测量移动设备 RF 环境并对调制进行相应调整的一项可靠参考。

此外，蜂窝基站的每个分支或天线会传输独特的参考信号。 例如，在双重传输中，蜂窝基站将发送两个参考信号： 天线 1 发送的参考信号 0，以及天

线 2 发送的参考信号 1。 这样，移动设备将能够对从每个发射天线收到的信号质量进行独立评估。 “LTE MIMO”一节中进一步描述了此特性。

CQI PDSCH调制

0 信道状态信息

1 至 QPSK

7 至 16 QAM

10 至1 64 QAM

参考信号 用户数据 (PDSCH)

图 8. 参考信号和用户数据 (QPSK)

LTE 带宽

信道带宽 (MHz) 1.4 3.0 5.0 10.0 15.0 20.0

TX 带宽 (MHz) 1.1 2.7 4.5 9.0 13.5 18.0

每个时隙（0.5 毫秒）的资源块 6 15 25 50 75 100

64 QAM MIMO 2x (Mbps) 12.1 30.2 50.4 100.8 151.2 201.6

LTE�带宽�(QPSK MIMO 2x)

QPSK MIMO 2x (Mbps) 4.0 10.1 16.8 33.6 50.4 67.2带宽压缩 -66.7% -66.7% -66.7% -66.7% -66.7% -66.7%

注释： 在进行带宽估算时，将考虑传输用户数据的所有资源元素。

表 4. LTE 带宽 QPSK

CQI PDSCH

1

7 至 9

10 至 15

参考信号 用户数据 (PDSCH)

调制

0 信道状态信息

QPSK至 6

16 QAM

64 QAM

图 9. 参考信号和用户数据 (16 QAM)

8 LTE 体验质量

LTE�带宽

信道带宽 (MHz) 1.4 3.0 5.0 10.0 15.0 20.0

TX 带宽 (MHz) 1.1 2.7 4.5 9.0 13.5 18.0

每个时隙（0.5 毫秒）的资源块 6 15 25 50 75 100

64 QAM MIMO 2x (Mbps) 12.1 30.2 50.4 100.8 151.2 201.6

LTE�带宽�(16 QAM MIMO 2x)

16 QAM MIMO 2x (Mbps) 8.1 20.2 33.6 67.2 100.8 134.4带宽压缩 -33.3% -33.3% -33.3% -33.3% -33.3% -33.3%

注释： 在进行带宽估算时，将考虑传输用户数据的所有资源元素。

表 5. LTE 带宽 16 QAM

CQI PDSCH

1 至 6

7 至 9

10 至 15

参考信号 用户数据 (PDSCH)

调制

0 信道状态信息

QPSK

16 QAM

64 QAM

图 10. 参考信号和用户数据 (64 QAM)

LTE�带宽

信道带宽 (MHz) 1.4 3.0 5.0 10.0 15.0 20.0

TX 带宽 (MHz) 1.1 2.7 4.5 9.0 13.5 18.0每个时隙（0.5 毫秒）的资源块 6 15 25 50 75 100

64 QAM MIMO 2x (Mbps) 12.1 30.2 50.4 100.8 151.2 201.6

注释： 在进行带宽估算时，将考虑传输用户数据的所有资源元素。

表 6. LTE 带宽 64 QAM

9 LTE 体验质量

移动运营商持续监控传输的参考信号的信号质量，以便为移动用户分配 64 QAM 并实现两个主要目标：第一个目标是高效地利用频谱，从而最大程度

地提高容量；第二个目标是实现高吞吐量，从而为其移动用户提供高质量的体验。

同步和吞吐量�

LTE 调度程序的另一个重要方面是同步，因为同步是蜂窝基站对信号进行调制所依据的基础。 例如，如果全球定位系统 (GPS) 产生的主要同步参考丢

失，蜂窝基站将基于其内部时间基准继续运行。 但是，由于其漂移特性，它会开始使频率产生漂移。 在这种情况下，这种频率漂移会在相移方面对调

制产生影响，调制转而会在用户数据降级吞吐量上产生传输问题。

图 11. 与 GPS 同步的蜂窝基站

图 12. 处于自由振荡模式的蜂窝基站

10 LTE 体验质量

LTE MIMOMIMO 的原理是通过在每个实体中提供多个天线在蜂窝基站和移动用户之间建立不同的通信路径。 例如，最常见的 LTE 链路部署是使用 MIMO 2x2，

这意味着蜂窝基站和移动用户有两个用于传输和接收的天线。

MIMO 的主要优势是传输分集和空间复用。 第一项优势可以改善受衰减影响或所处位置接收信号较弱的移动设备的接收。 在这种情况下，将通过多个

路径传输相同数据。

图 13. MIMO 2x2 传输分集

第二项优势“空间复用”是指每个天线中的传输路径包含不同的用户数据，从而可有效地增加蜂窝基站带宽容量。

图 14. MIMO 2x2 空间复用

与基于 CQI 的自适应调制的情况类似，也会根据移动设备的 RF 情况不断地适应 MIMO 的操作模式。

11 LTE 体验质量

LTE�带宽

信道带宽 (MHz) 1.4 3.0 5.0 10.0 15.0 20.0

TX 带宽 (MHz) 1.1 2.7 4.5 9.0 13.5 18.0

每个时隙（0.5 毫秒）的资源块 6 15 25 50 75 100

64 QAM MIMO 2x (Mbps) 12.1 30.2 50.4 100.8 151.2 201.6

64 QAM MIMO 4x (Mbps) 24.2 60.5 100.8 201.6 302.4 403.2

64 QAM MIMO 8x (Mbps) 48.4 121.0 201.6 403.2 604.8 806.4

注释： 在进行带宽估算时，将考虑传输用户数据的所有资源元素。

表 7. LTE 下行链路峰值速率

在移动设备的接收状况较好的情况下，MIMO 将像空间复用一样适应其操作模式，在使用 MIMO 2x2 的情况下，将通过每个天线传输不同的用户数

据。 这可以有效地使容量或带宽加倍。

区分来自不同天线的路径的能力基于特定于蜂窝的参考信号，这些参考信号占据资源块中的不同位置。

图 15. 资源块中天线 0 和天线 1 特定于蜂窝的参考信号

MIMO 正常操作需要两个条件：

1. 天线传输的功率电平应相似，以便移动设备有效地接收来自每个天线的数据。 如果功率不平衡，移动用户将放弃低功率信号，仅接收从一个路径

传输的数据。

图 16. MIMO 功率不平衡

RS(0) RS(1)

PWR [RS(0)] PWR [RS(1)]

PWR [RS(0) – RS(1)]

T0 T1

TAE: [T1 – T0]

功率功率

频率 频率

12 LTE 体验质量

MIMO 功率不平衡可能是由蜂窝基站内部和外部的不同因素导致的。 例如，馈线上的反射、每个天线中的不同衰减，以及不同的 RF 情况（例如移动

用户所处位置的多路径导致的衰减）都可能导致功率不平衡。

图 17. MIMO 天线 0 (RS0) 和天线 1 (RS1) 的功率差异

不管原因如何，都应该避免 MIMO 功率不平衡的情况，以便利用 MIMO 的分集优势，并且可能更重要的是，传输不同的路径，从而通过空间复用增加

带宽。

2. 时间校准（即两个传输天线的参考信号之间的时间差异）应保持最小。如果两个到达信号之间的时间校准差异过大，则移动设备将无

法同步从两个路径中接收的数据。 天线之间的最大时间校准差异或误差应不大于 65 ns [4]。

图 18. MIMO 天线 0 (RS0) 和天线 1 (RS1) 的时间校准误差

13 LTE 体验质量

除了 MIMO 分支之间的功率和时间校准外，通常还会评估每个传输的天线的调制质量，以便迅速确定和纠正传输损伤。

图 19. MIMO 天线 0 造成的故障

图 20. MIMO 交叉布线造成的故障

LTE�无线质量评估

蜂窝基站类型多种多样（从包含同轴馈线的传统无线电，到包含基带单元以及通过光纤连接的远程单元的分布式无线电），并且安装蜂窝基站的地形条

件和环境各有不同，因此就需要通过无线方式 (OTA) 进行性能测量。

但是，OTA 测量会受到若干条件的影响，为了执行可靠的测量，将需要仔细考虑这些条件。 要考虑的最重要条件可能包括以下各项：

y 干扰 — 如果蜂窝基站传输的信号中存在频率相同的其他信号，则可能会使蜂窝基站的性能特征失真。 因此，必须应用测量技术，通过使用波束宽度受限和正

对所测试蜂窝基站的定向天线来最大程度地减少干扰

14 LTE 体验质量

         

 

 

OTA 分析

 

 

 

 定向天线

F = TX 频率

 

60o

干扰 直视

图 21. OTA 测量中的干扰影响

y 多路径 — 与来自其他发送器的干扰所产生的影响类似，在某些环境中，蜂窝基站传输的信号会被环境中的不同元素反射。 这样，就会有多条路径到达接收

器，从而改变了蜂窝基站传输的信号的性能概况；在这种情况下，使用正对所测试蜂窝基站的定向天线将可最大程度地减少多路径所产生的影响。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

60o

OTA 分析

F = TX 频率

定向天线

直视

多路径

图 22. OTA 测量中的多路径影响

y 路径损耗 — 路径损耗的特征表现在传输的信号在通过无线方式传播时功率降低，它与行进距离直接相关，并且会考虑信号的属性（例如频率和传输功率）。

3GPP 36.942 为市区和郊区使用以下传播模型：

路径损耗 (F, D, BS) = 39.84 × BS × Log(D) –18 x Log(BS) + 21 × Log(F) + 80

其中，

– F 是传输信号的频率

– D 是发射天线和接收天线之间的距离

– BS 是蜂窝基站的发射天线的高度

15 LTE 体验质量

因此，假设有一个典型的蜂窝基站，其发射天线的高度为 30 m (98.4 ft)，可访问测量距离介于 100 m (328 ft) 和 500 m (1,640 ft) 之间，则以 43 dBm 传输的 751 MHz 信号的路径损耗如下

路径损耗 (751, 0.1, 30) = 78.6 dB（如果 TXPWR = 43 dBm，则 RXPWR = –35.6 dBm）

路径损耗 (751, 0.5, 30) = 103.2 dB（如果 TXPWR = 43 dBm，则 RXPWR = –60.2 dBm）          

 

 

 

 

 

 

 

D = 100 m (328 ft)

BS =

30

m (9

8.4

1.5 m (4.9 ft)

D = 500 m (1,640 ft)

OTA 分析

天线仰角和 MIMO 方向性

定向天线

F = TX 频率

直视

图 23. OTA 测量中的路径损耗影响

考虑到上述干扰、多路径和路径损耗的情况，OTA 测量可使用以下标准执行：

测量条件 调制质量 MIMO 性能

信道功率 >-35dBm (100 m) 天线 1 (RS0) EVM <10% RS0(P) – RS1(P) < 10 dB

信道功率 <-60dBm (500 m) 天线 2 (RS1) EVM <10% RS0(T) – RS(T) < 65 ns

定向天线 60° 波束

表 8. OTA 测量的条件和 LTE 指标

结论

与 CDMA2000 和 WCDMA 等上一代网络相比，LTE 网络具有显著优势。 这些优势包括：基于 OFDMA 的更加灵活和动态的信号制式使频谱可得到更

好的利用，并且能够根据用户所处的 RF 环境动态为移动用户适应调制。 此外，多个传输路径可改善覆盖范围，从而最终改善传输带宽。

在恰当的通信条件下可以获得这些优势，但诸如干扰、RF 泄漏和寄生噪声等损伤会对 LTE 信号的一个或若干区域的通信产生负面影响，并因此使得可

用带宽减少。

此外，调制和多个传输的问题可能会对作为 LTE 创建目的的传输能力产生严重影响。 例如，在使用基本 QPSK 调制的信号质量不良的情况下，如果

MIMO 2x2 通信中的多个传输受到影响（针对该情况，移动用户放弃了一个分支），则带宽会减少 83%。

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LTE�带宽

信道带宽 (MHz) 1.4 3.0 5.0 10.0 15.0 20.0

TX 带宽 (MHz) 1.1 2.7 4.5 9.0 13.5 18.0

每个时隙（0.5 毫秒）的资源块 6 15 25 50 75 100

64 QAM MIMO 2x (Mbps) 12.1 30.2 50.4 100.8 151.2 201.6

LTE�带宽�(QPSK MISO 1x)

QPSK MISO 1x (Mbps) 2.0 5.0 8.4 16.8 25.2 33.6带宽压缩 -83.3% −83.3% −83.3% −83.3% −83.3% −83.3%

注释： 在进行带宽估算时，将考虑传输用户数据的所有资源元素。

表 9. LTE 带宽 QPSK MISO 1x

出于这些原因，对 RF 传输、调制质量和 MIMO 性能的所有 LTE 因素进行定期测试是至关重要的。 适当的测试可以确保所有用户都获得最优带宽。 并

且，它可以帮助在提高体验质量的同时通过移动网络获取利润。

首字母缩写词3GPP 第三代合作伙伴计划

16 QAM 16 种符号的正交幅度调制

64 QAM 64 种符号的正交幅度调制

ACLR 邻信道泄漏功率比

CQI 信道质量指示符

GPS 全球定位系统

LTE 长期演进技术

MIMO 多输入多输出

OFDMA 正交频分多址接入

PDSCH 物理下行链路共享信道

QPSK 四相相移键控

RB 资源块

RF 无线电频率

RS 参考信号

SC-FDMA 单载波频分多址接入

参考

1. 3GPP TR 25.912. V11.0.0. 第三代合作伙伴计划；技术规范组无线接入网络；演进的通用陆地无线接入 (UTRA) 和通用陆地无线接入网 (UTRAN) 的可行性研究（第 11 版）。

2. 3GPP TR 25.913. V8.0.0. 第三代合作伙伴计划；技术规范组无线接入网络；演进的 UTRA (E-UTRA) 和演进的通用陆地无线接入网 (E-UTRAN) 的要求（第 8 版）。

3. 3GPP TR 36.211. V11.3.0. 第三代合作伙伴计划；技术规范组无线接入网络；演进的通用陆地无线接入 (E-UTRA)；物理信道和调制。

4. 3GPP TS 36.104. V10.5.0. . 第三代合作伙伴计划；技术规范组无线接入网络；演进的 UTRA (E-UTRA) 的要求；基站 (BS) 无线传输和接收。

5. LTE 和 4G 无线演进。 设计和测量难题。（第二版）。 编者：Moray Rumney。