Understanding LTE and its Performance

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Part I Understanding LTE
1 Introduction to Mobile Broadband Wireless . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.1 Mobile Generation Networks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.1.1 First-Generation Mobile 1G . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.1.2 Second-Generation Mobile 2G . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.1.3 Third-Generation Mobile 3G . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.1.4 The Path Toward 4G . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.2 LTE and Other Broadband Wireless Technologies . . . . . . . . . . . . . 7
1.2.1 Mobile WiMAX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.2.2 WiFi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.3 Overview of LTE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.3.1 Relevant Features of LTE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.3.2 Relevant Features of LTE-Advanced . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.4 Summary and Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2 Network Architecture and Protocols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.1 Architecture Model and Concepts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.2 Architecture Reference Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.2.1 Functional Description of LTE Network . . . . . . . . . . . . . 19
2.2.2 Reference Points . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.3 Control and User Planes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.3.1 User Plane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.3.2 Control Plane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.3.3 X2 Interface in User and Control Planes . . . . . . . . . . . . . 28
2.3.4 S1 Interface in User and Control Planes . . . . . . . . . . . . . 28
2.4 Multimedia Broadcast and Multicast Service (MBSM) . . . . . . . . 29
2.4.1 MBMS Service Architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.4.2 MBMS Service Deployment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.5 Stream Control Transmission Protocol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.6 Network Discovery and Selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.7 Radio Resource Management . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.7.1 Radio Bearer Control (RBC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.7.2 Connection Mobility Control (CMC) . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.7.3 Dynamic Resource Allocation (DRA) – Packet
Scheduling (PS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.7.4 Inter-cell Interference Coordination (ICIC) . . . . . . . . . . . 35
2.7.5 Load Balancing (LB) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.7.6 Inter-RAT Radio Resource Management . . . . . . . . . . . . . 35
2.7.7 Subscriber Profile ID for RAT/Frequency Priority . . . . . 35
2.8 Authentication and Authorization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.8.1 User Authentication, Key Agreement, and Key
Generation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.8.2 Signaling and User-Plane Security . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.9 Summary and Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3 LTE Radio Layer Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.1 Layer 2 Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.2 MAC Sublayer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.2.1 Logical Channels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.2.2 Transport Channels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.2.3 Mapping of Transport Channels to Logical Channels . . 45
3.2.4 MAC Transport Block Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.2.5 HARQ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.2.6 Buffer Status Reporting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.2.7 Random Access Procedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.2.8 Scheduling Request . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.3 PDCP Sublayer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.3.1 Header Compression and Decompression . . . . . . . . . . . . 51
3.3.2 Ciphering and Deciphering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
3.3.3 Integrity Protection and Verification . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
3.4 RLC Sublayer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
3.5 Summary and Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
4 LTE Phyiscal Layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4.1 LTE Fundamental Concepts of PHY Layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4.1.1 Single-Carrier Modulation and Channel Equalization . . 55
4.1.2 Frequency Division Multiplexing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
4.1.3 OFDM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
4.1.4 Link Adaptation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4.1.5 Generic Radio Frame Structure. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4.1.6 Downlink Reference Signals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
4.1.7 Uplink Reference Signals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
4.1.8 Downlink Control Channel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
4.1.9 Uplink Control Channel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
4.2 MIMO and LTE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
4.3 MIMO and MRC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
4.4 Summary and Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
Part II LTE Key Features
5 Quality of Service . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
5.1 QoS Mechanisms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
5.2 QoS Control at Bearer Level . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
5.2.1 QoS Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
5.2.2 Network Initiation QoS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
5.3 QoS Control at Service Data Flow Level . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
5.3.1 Policy and Charging Control Rule . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
5.4 Multimedia Session Management . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
5.4.1 Session Initiation Protocol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
5.4.2 Registration and IMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
5.4.3 QoS Provisioning and IMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
5.5 Summary and Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
6 Interworking Design for LTE Convergence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
6.1 General Design Principles of the Interworking Architecture . . . . 92
6.2 Interworking Scenario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
6.3 LTE Interworking with IEEE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
6.3.1 Mobile WiMAX and LTE Interworking Architecture . . 93
6.3.2 WLAN and LTE Interworking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
6.3.3 Network Discovery and Selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
6.4 LTE Interworking with 3GPP2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
6.4.1 E-UTRAN and HRPD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
6.5 IEEE 802.21 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
6.6 Summary and Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
7 Mobility . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
7.1 Mobility Management . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
7.1.1 Location Management . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
7.1.2 Handover Management . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
7.2 Mobile IP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
7.2.1 Registering the Care-of Address . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
7.2.2 Automatic Home Agent discovery . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
7.2.3 Tunneling to the Care-of Address . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
7.2.4 Proxy and Gratuitous Address Resolution Protocol
(ARP) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
14.2 Motivation and Proposal Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230
14.3 Scheme A: RFID-Assisted Network Movement Detection . . . . . . 231
14.3.1 System Architecture Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231
14.3.2 Mechanism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231
14.4 Scheme B: Deploying RFID and WSAN for Improving Handover
at Link and Network Layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234
14.4.1 System Architecture Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234
14.4.2 Mechanism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235
14.5 Theoretical Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238
14.5.1 Time Response . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238
14.6 Performance Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241
14.6.1 Simulation Setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241
14.6.2 Accuracy Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242
14.6.3 Time Latency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242
14.7 Summary and Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244
Appendix A. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245
Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247

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