LTE - The UMTS Long Term Evolution: From Theory to Practice, Second Edition

777 Pages·2016·12.28 MB·English

LTE – The UMTS Long Term Evolution
LTE – The UMTS
Long Term Evolution
From Theory to Practice
Second Edition
StefaniaSesia
ST-Ericsson,France
IssamToufik
ETSI,France
MatthewBaker
Alcatel-Lucent,UK
A John Wiley & Sons, Ltd., Publication
Thiseditionfirstpublished2011
©2011JohnWiley&SonsLtd.
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JohnWiley&SonsLtd,TheAtrium,SouthernGate,Chichester,WestSussex,PO198SQ,
UnitedKingdom
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LibraryofCongressCataloging-in-PublicationData
Sesia,Stefania.
LTE–theUMTSlongtermevolution:fromtheorytopractice/StefaniaSesia,IssamToufik,
MatthewBaker.-2nded.
p.cm.
Includesbibliographicalreferencesandindex.
ISBN978-0-470-66025-6(hardback)
1.UniversalMobileTelecommunicationsSystem.2.Long-TermEvolution(Telecommunications)
I.Toufik,Issam.II.Baker,Matthew(MatthewP.J.)III.Title.
TK5103.4883.S472011
621.3845(cid:2)6 -dc22
2010039466
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PrintISBN: 9780470660256(H/B)
ePDFISBN:9780470978511
oBookISBN:9780470978504
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Dedication
Tomyfamily.
StefaniaSesia
Tomyparentsfortheirsacrificesandunconditionallove.Tomybrotherandsistersfortheirloveand
continualsupport.Tomyfriendsforbeingwhattheyare.
IssamToufik
TothegloryofGod,who‘solovedtheworldthatHegaveHisonlySon,thatwhoeverbelievesinHim
shallnotperishbuthaveeternallife’.—TheBible.
MatthewBaker
Contents
Editors’Biographies xxi
ListofContributors xxiii
Foreword xxvii
Preface xxix
Acknowledgements xxxi
ListofAcronyms xxxiii
1 IntroductionandBackground 1
ThomasSälzerandMatthewBaker
1.1 TheContextfortheLongTermEvolutionofUMTS . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1.1 HistoricalContext . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1.2 LTEintheMobileRadioLandscape . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.1.3 TheStandardizationProcessin3GPP . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.2 RequirementsandTargetsfortheLongTermEvolution . . . . . . . . . . . . 7
1.2.1 SystemPerformanceRequirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.2.2 DeploymentCostandInteroperability . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.3 TechnologiesfortheLongTermEvolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.3.1 MulticarrierTechnology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.3.2 MultipleAntennaTechnology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.3.3 Packet-SwitchedRadioInterface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.3.4 UserEquipmentCategories . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.3.5 FromtheFirstLTEReleasetoLTE-Advanced. . . . . . . . . . . . . 19
1.4 FromTheorytoPractice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
viii CONTENTS
PartI NetworkArchitectureandProtocols 23
2 NetworkArchitecture 25
SudeepPalatandPhilippeGodin
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.2 OverallArchitecturalOverview. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.2.1 TheCoreNetwork . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.2.2 TheAccessNetwork . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.2.3 RoamingArchitecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.3 ProtocolArchitecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.3.1 UserPlane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.3.2 ControlPlane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.4 QualityofServiceandEPSBearers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.4.1 BearerEstablishmentProcedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.4.2 Inter-WorkingwithotherRATs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.5 TheE-UTRANNetworkInterfaces:S1Interface . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.5.1 ProtocolStructureoverS1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2.5.2 InitiationoverS1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.5.3 ContextManagementoverS1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.5.4 BearerManagementoverS1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.5.5 PagingoverS1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.5.6 MobilityoverS1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.5.7 LoadManagementoverS1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
2.5.8 TraceFunction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
2.5.9 DeliveryofWarningMessages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
2.6 TheE-UTRANNetworkInterfaces:X2Interface . . . . . . . . . . . . . . . 49
2.6.1 ProtocolStructureoverX2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
2.6.2 InitiationoverX2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
2.6.3 MobilityoverX2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
2.6.4 LoadandInterferenceManagementOverX2 . . . . . . . . . . . . . 54
2.6.5 UEHistoricalInformationOverX2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
2.7 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3 ControlPlaneProtocols 57
HimkevanderVelde
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
3.2 RadioResourceControl(RRC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
3.2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
3.2.2 SystemInformation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
3.2.3 ConnectionControlwithinLTE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.2.4 ConnectedModeInter-RATMobility . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
3.2.5 Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
3.2.6 OtherRRCSignallingAspects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
3.3 PLMNandCellSelection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
CONTENTS ix
3.3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
3.3.2 PLMNSelection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
3.3.3 CellSelection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
3.3.4 CellReselection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
3.4 Paging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
3.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
4 UserPlaneProtocols 87
PatrickFischer,SeungJuneYi,SungDuckChunandYoungDaeLee
4.1 IntroductiontotheUserPlaneProtocolStack . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
4.2 PacketDataConvergenceProtocol(PDCP) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
4.2.1 FunctionsandArchitecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
4.2.2 HeaderCompression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
4.2.3 Security . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
4.2.4 Handover . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
4.2.5 DiscardofDataPackets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
4.2.6 PDCPPDUFormats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
4.3 RadioLinkControl(RLC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
4.3.1 RLCEntities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
4.3.2 RLCPDUFormats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
4.4 MediumAccessControl(MAC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
4.4.1 MACArchitecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
4.4.2 MACFunctions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
4.5 SummaryoftheUserPlaneProtocols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
PartII PhysicalLayerforDownlink 121
5 OrthogonalFrequencyDivisionMultipleAccess(OFDMA) 123
AndreaAncora,IssamToufik,AndreasBuryandDirkSlock
5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
5.1.1 HistoryofOFDMDevelopment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
5.2 OFDM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
5.2.1 OrthogonalMultiplexingPrinciple . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
5.2.2 Peak-to-AveragePowerRatioandSensitivitytoNon-Linearity . . . . 131
5.2.3 SensitivitytoCarrierFrequencyOffsetandTime-VaryingChannels . 133
5.2.4 TimingOffsetandCyclicPrefixDimensioning . . . . . . . . . . . . 135
5.3 OFDMA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
5.4 ParameterDimensioning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
5.4.1 PhysicalLayerParametersforLTE . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
5.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
x CONTENTS
6 IntroductiontoDownlinkPhysicalLayerDesign 145
MatthewBaker
6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
6.2 TransmissionResourceStructure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
6.3 SignalStructure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
6.4 IntroductiontoDownlinkOperation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
7 SynchronizationandCellSearch 151
FabrizioTomatisandStefaniaSesia
7.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
7.2 SynchronizationSequencesandCellSearchinLTE . . . . . . . . . . . . . . 151
7.2.1 Zadoff–ChuSequences . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
7.2.2 PrimarySynchronizationSignal(PSS)Sequences . . . . . . . . . . . 157
7.2.3 SecondarySynchronizationSignal(SSS)Sequences . . . . . . . . . 158
7.3 CoherentVersusNon-CoherentDetection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
8 ReferenceSignalsandChannelEstimation 165
AndreaAncora,StefaniaSesiaandAlexGorokhov
8.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
8.2 DesignofReferenceSignalsintheLTEDownlink . . . . . . . . . . . . . . . 167
8.2.1 Cell-SpecificReferenceSignals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
8.2.2 UE-SpecificReferenceSignalsinRelease8 . . . . . . . . . . . . . . 171
8.2.3 UE-SpecificReferenceSignalsinRelease9 . . . . . . . . . . . . . . 171
8.3 RS-AidedChannelModellingandEstimation . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
8.3.1 Time-Frequency-DomainCorrelation:TheWSSUSChannelModel . 175
8.3.2 Spatial-DomainCorrelation:TheKroneckerModel . . . . . . . . . . 176
8.4 Frequency-DomainChannelEstimation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
8.4.1 ChannelEstimateInterpolation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
8.4.2 GeneralApproachtoLinearChannelEstimation . . . . . . . . . . . 179
8.4.3 PerformanceComparison. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
8.5 Time-DomainChannelEstimation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
8.5.1 FiniteandInfiniteLengthMMSE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
8.5.2 NormalizedLeast-Mean-Square . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
8.6 Spatial-DomainChannelEstimation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
8.7 AdvancedTechniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
9 DownlinkPhysicalDataandControlChannels 189
MatthewBakerandTimMoulsley
9.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
9.2 DownlinkData-TransportingChannels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
9.2.1 PhysicalBroadcastChannel(PBCH). . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
9.2.2 PhysicalDownlinkSharedCHannel(PDSCH) . .. . . . . . . . . . . 192
CONTENTS xi
9.2.3 PhysicalMulticastChannel(PMCH). . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
9.3 DownlinkControlChannels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
9.3.1 RequirementsforControlChannelDesign . . . . . . . . . . . . . . . 196
9.3.2 ControlChannelStructure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198
9.3.3 PhysicalControlFormatIndicatorCHannel(PCFICH) . . . . . . . . 198
9.3.4 PhysicalHybridARQIndicatorChannel(PHICH) . . . . . . . . . . 200
9.3.5 PhysicalDownlinkControlCHannel(PDCCH) . . . . . . . . . . . . 202
9.3.6 PDCCHSchedulingProcess . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
10 LinkAdaptationandChannelCoding 215
BrianClasson,AjitNimbalker,StefaniaSesiaandIssamToufik
10.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215
10.2 LinkAdaptationandCQIFeedback . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217
10.2.1 CQIFeedbackinLTE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218
10.3 ChannelCoding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223
10.3.1 TheoreticalAspectsofChannelCoding . . . . . . . . . . . . . . . . 223
10.3.2 ChannelCodingforDataChannelsinLTE . . . . . . . . . . . . . . 232
10.3.3 ChannelCodingforControlChannelsinLTE . . . . . . . . . . . . . 244
10.4 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246
11 MultipleAntennaTechniques 249
ThomasSälzer,DavidGesbert,CorneliusvanRensburg,FilippoTosato,Florian
KaltenbergerandTetsushiAbe
11.1 FundamentalsofMultipleAntennaTheory. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249
11.1.1 Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249
11.1.2 MIMOSignalModel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252
11.1.3 Single-UserMIMOTechniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253
11.1.4 Multi-UserMIMOTechniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 258
11.2 MIMOSchemesinLTE. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262
11.2.1 PracticalConsiderations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263
11.2.2 Single-UserSchemes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264
11.2.3 Multi-UserMIMO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274
11.2.4 MIMOPerformance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 276
11.3 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 276
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277
12 Multi-UserSchedulingandInterferenceCoordination 279
IssamToufikandRaymondKnopp
12.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279
12.2 GeneralConsiderationsforResourceAllocationStrategies . . . . . . . . . . 280
12.3 SchedulingAlgorithms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283
12.3.1 ErgodicCapacity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283
12.3.2 Delay-LimitedCapacity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285
xii CONTENTS
12.4 ConsiderationsforResourceSchedulinginLTE . . . . . . . . . . . . . . . . 286
12.5 InterferenceCoordinationandFrequencyReuse . . . . . . . . . . . . . . . . 287
12.5.1 Inter-eNodeBSignallingtoSupportDownlinkFrequency-Domain
ICICinLTE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 290
12.5.2 Inter-eNodeBSignallingtoSupportUplinkFrequency-Domain
ICICinLTE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 290
12.5.3 StaticversusSemi-StaticICIC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291
12.6 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292
13 BroadcastOperation 293
HimkevanderVelde,OlivierHusandMatthewBaker
13.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293
13.2 BroadcastModes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293
13.3 OverallMBMSArchitecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295
13.3.1 ReferenceArchitecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295
13.3.2 ContentProvision. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295
13.3.3 CoreNetwork . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296
13.3.4 RadioAccessNetwork–E-UTRAN/UTRAN/GERANandUE . . . 296
13.3.5 MBMSInterfaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 297
13.4 MBMSSingleFrequencyNetworkTransmission . . . . . . . . . . . . . . . 297
13.4.1 PhysicalLayerAspects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 297
13.4.2 MBSFNAreas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301
13.5 MBMSCharacteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303
13.5.1 MobilitySupport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303
13.5.2 UECapabilitiesandServicePrioritization . . . . . . . . . . . . . . . 303
13.6 RadioAccessProtocolArchitectureandSignalling . . . . . . . . . . . . . . 304
13.6.1 ProtocolArchitecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304
13.6.2 SessionStartSignalling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305
13.6.3 RadioResourceControl(RRC)SignallingAspects . . . . . . . . . . 306
13.6.4 ContentSynchronization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 308
13.6.5 CountingProcedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 310
13.7 PublicWarningSystems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312
13.8 ComparisonofMobileBroadcastModes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312
13.8.1 DeliverybyCellularNetworks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312
13.8.2 DeliverybyBroadcastNetworks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313
13.8.3 ServicesandApplications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314
PartIII PhysicalLayerforUplink 315
14 UplinkPhysicalLayerDesign 317
RobertLoveandVijayNangia
14.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317
14.2 SC-FDMAPrinciples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 318