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2011-11-23, 06:06 AM
3G Evolution Doc
List of contents :
Background of 3G evolution 3
1.1 History and background of 3G . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.1.1 Before 3G. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.1.2 Early 3G discussions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.1.3 Research on 3G. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.1.4 3G standardization starts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.2 Standardization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.2.1 The standardization process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.2.2 3GPP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.2.3 IMT-2000 activities in ITU. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.3 Spectrum for 3G . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2 The motives behind the 3G evolution 17
2.1 Driving forces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.1.1 Technology advancements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.1.2 Services. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . 19
2.1.3 Cost and performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.2 3G evolution: two Radio Access Network approaches and
an evolved core network . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.2.1 Radio Access Network evolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.2.2 A evolved core network: System Architecture
Evolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
Part II: Technologies for 3G Evolution
3 High data rates in mobile communication 31
3.1 High data rates: fundamental constraints . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.1.1 High data rates in noise-limited scenarios. . . . . . . . . . . .. . . . . . 33
3.1.2 Higher data rates in interference-limited scenarios . . . . . . . . . . 35
3.2 Higher data rates within a limited bandwidth: higher-order
modulation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . 36
3.2.1 Higher-order modulation in combination with
channel coding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.2.2 Variations in instantaneous transmit power. . . . . . . . . . .. . . . . . 38
3.3 Wider bandwidth including multi-carrier transmission . . . . . . . . . . . . . 39
3.3.1 Multi-carrier transmission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
4 OFDM transmission 45
4.1 Basic principles of OFDM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
4.2 OFDM demodulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
4.3 OFDM implementation using IFFT/FFT processing . . . . . . . . . . . . . 48
4.4 Cyclic-prefix insertion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
4.5 Frequency-domain model of OFDM transmission . . . . . . . . . . . . . . . 53
4.6 Channel estimation and reference symbols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
4.7 Frequency diversity withOFDM:importance of channel coding. . . . . . 55
4.8 Selection of basic OFDM parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
4.8.1 OFDM subcarrier spacing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
4.8.2 Number of subcarriers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
4.8.3 Cyclic-prefix length . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
4.9 Variations in instantaneous transmission power . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
4.10 OFDM as a user-multiplexing and multiple-access scheme . . . . . . . 61
4.11 Multi-cell broadcast/multicast transmission and OFDM . . . . . . . . . . 63
5 Wider-band ‘single-carrier’ transmission 67
5.1 Equalization against radio-channel frequency selectivity . . . . . . . . . 67
5.1.1 Time-domain linear equalization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
5.1.2 Frequency-domain equalization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
5.1.3 Other equalizer strategies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
5.2 Uplink FDMA with flexible bandwidth assignment . . . . . . . . . . . . . . 73
5.3 DFT-spread OFDM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . 75
5.3.1 Basic principles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
5.3.2 DFTS-OFDM receiver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
5.3.3 User multiplexing with DFTS-OFDM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
5.3.4 DFTS-OFDM with spectrum shaping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
5.3.5 Distributed DFTS-OFDM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
6 Multi-antenna techniques 83
6.1 Multi-antenna configurations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
6.2 Benefits of multi-antenna techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
6.3 Multiple receive antennas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
6.4 Multiple transmit antennas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
6.4.1 Transmit-antenna diversity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
6.4.2 Transmitter-side beam-forming . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
6.5 Spatial multiplexing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
6.5.1 Basic principles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
6.5.2 Pre-coder-based spatial multiplexing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
6.5.3 Non-linear receiver processing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
7 Scheduling, link adaptation and hybrid ARQ 107
7.1 Link adaptation: Power and rate control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
7.2 Channel-dependent scheduling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
7.2.1 Downlink scheduling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
7.2.2 Uplink scheduling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
7.2.3 Link adaptation and channel-dependent scheduling
in the frequency domain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
7.2.4 Acquiring on channel-state information . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
7.2.5 Traffic behavior and scheduling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
7.3 Advanced retransmission schemes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
7.4 Hybrid ARQ with soft combining . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
Part III: HSPA
8 WCDMA evolution: HSPA and MBMS 129
8.1 WCDMA: brief overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
8.1.1 Overall architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
8.1.2 Physical layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
8.1.3 Resource handling and packet-data session . . . . . . . . . . . . . . . 139
9 High-Speed Downlink Packet Access 141
9.1 Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
9.1.1 Shared-channel transmission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
9.1.2 Channel-dependent scheduling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
9.1.3 Rate control and higher-order modulation . . . . . . . . . . . . . . . . 144
9.1.4 Hybrid ARQ with soft combining. . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . 144
9.1.5 Architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
9.2 Details of HSDPA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
9.2.1 HS-DSCH: inclusion of features inWCDMARelease 5. . . . . 146
9.2.2 MAC-hs and physical-layer processing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
9.2.3 Scheduling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
9.2.4 Rate control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
9.2.5 Hybrid ARQ with soft combining. . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . 155
9.2.6 Data flow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
9.2.7 Resource control for HS-DSCH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . 159
9.2.8 Mobility . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
9.2.9 UE categories . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
9.3 Finer details of HSDPA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
9.3.1 Hybrid ARQ revisited: physical-layer processing . . . . . . . . . . 164
9.3.2 Interleaving and constellation rearrangement. . . . . . . . .. . . . . 168
9.3.3 Hybrid ARQ revisited: protocol operation . . . . . . . . . . . . . . . . 170
9.3.4 In-sequence delivery . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
9.3.5 MAC-hs header . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
9.3.6 CQI and other means to assess the downlink quality . . . . . . . 175
9.3.7 Downlink control signaling: HS-SCCH . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
9.3.8 Downlink control signaling: F-DPCH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
9.3.9 Uplink control signaling: HS-DPCCH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
10 Enhanced Uplink 185
10.1 Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
10.1.1 Scheduling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
10.1.2 Hybrid ARQ with soft combining . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
10.1.3 Architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
10.2 Details of Enhanced Uplink . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190
10.2.1 MAC-e and physical layer processing . . . . . . . . . . . . . . . 193
10.2.2 Scheduling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195
10.2.3 E-TFC selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202
10.2.4 Hybrid ARQ with soft combining . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
10.2.5 Physical channel allocation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208
10.2.6 Power control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209
10.2.7 Data flow. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210
10.2.8 Resource control for E-DCH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210
10.2.9 Mobility . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212
10.2.10 UE categories . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212
10.3 Finer details of Enhanced Uplink . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . 213
10.3.1 Scheduling – the small print . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
10.3.2 Further details on hybrid ARQ operation . . . . . . . .. . . . . 222
10.3.3 Control signaling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229
11 MBMS: multimedia broadcast multicast services 239
11.1 Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242
11.1.1 Macro-diversity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242
11.1.2 Application-level coding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245
11.2 Details of MBMS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . 246
11.2.1 MTCH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . 246
11.2.2 MCCH and MICH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248
11.2.3 MSCH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . 249
12 HSPA Evolution 251
12.1 MIMO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251
12.1.1 HSDPA-MIMO data transmission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252
12.1.2 Rate control for HSDPA-MIMO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255
12.1.3 Hybrid ARQ with soft combining for HSDPAMIMO
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . 256
12.1.4 Control signaling for HSDPA-MIMO . . . . . . . . . . . . . . . 256
12.1.5 UE capabilities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 258
12.2 Higher-order modulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259
12.3 Continuous packet connectivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . 259
12.3.1 DTX – reducing uplink overhead . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . 261
12.3.2 DRX – reducing UE power consumption. . . . . . . .. . . . . 263
12.3.3 HS-SCCH-less operation: downlink overhead
reduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264
12.3.4 Control signaling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266
12.4 Enhanced CELL_FACH operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266
12.5 Layer 2 protocol enhancements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . 268
12.6 Advanced receivers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268
12.6.1 Advanced UE receivers specified in 3GPP . . . . . . . . . . . . 269
12.6.2 Receiver diversity (type 1) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270
12.6.3 Chip-level equalizers and similar receivers (type 2). . . . . 270
12.6.4 Combination with antenna diversity (type 3) . . . . . .. . . . . 271
12.6.5 Interference cancellation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272
12.7 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273
Part IV: LTE and SAE
13 LTE and SAE: introduction and design targets 277
13.1 LTE design targets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278
13.1.1 Capabilities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278
13.1.2 System performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279
13.1.3 Deployment-related aspects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . 281
13.1.4 Architecture and migration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283
13.1.5 Radio resource management . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284
13.1.6 Complexity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284
13.1.7 General aspects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . 285
13.2 SAE design targets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285
14 LTE radio access: an overview 289
14.1 Transmission schemes: downlink OFDM and uplink
SC-FDMA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289
14.2 Channel-dependent scheduling and rate adaptation . . . . . . . . . . . . 290
14.2.1 Downlink scheduling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291
14.2.2 Uplink scheduling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292
x Contents
14.2.3 Inter-cell interference coordination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293
14.3 Hybrid ARQ with soft combining . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294
14.4 Multiple antenna support . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294
14.5 Multicast and broadcast support . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295
14.6 Spectrum flexibility . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . 295
14.6.1 Flexibility in duplex arrangement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296
14.6.2 Flexibility in frequency-band-of-operation . . . . . . . . . . . . 297
14.6.3 Bandwidth flexibility . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 297
15 LTE radio interface architecture 299
15.1 RLC: radio link control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301
15.2 MAC: medium access control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302
15.2.1 Logical channels and transport channels . . . . . . . . . . . . . . 303
15.2.2 Downlink scheduling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305
15.2.3 Uplink scheduling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307
15.2.4 Hybrid ARQ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . 309
15.3 PHY: physical layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312
15.4 LTE states . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . 314
15.5 Data flow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315
16 LTE physical layer 317
16.1 Overall time-domain structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317
16.2 Downlink transmission scheme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 319
16.2.1 The downlink physical resource . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 319
16.2.2 Downlink reference signals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323
16.2.3 Downlink transport-channel processing . . . . . . . . . . . . . . . 326
16.2.4 Downlink L1/L2 control signaling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333
16.2.5 Downlink multi-antenna transmission . . . . . . . . . . . . . . . . 336
16.2.6 Multicast/broadcast using MBSFN . . . . . . . . . . . . . .. . . . . 339
16.3 Uplink transmission scheme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 340
16.3.1 The uplink physical resource . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . 340
16.3.2 Uplink reference signals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . 344
16.3.3 Uplink transport-channel processing . . . . . . . . . . . . . . . . . . 350
16.3.4 Uplink L1/L2 control signaling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 351
16.3.5 Uplink timing advance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . 353
17 LTE access procedures 357
17.1 Cell search . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 357
17.1.1 Cell-search procedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 357
17.1.2 Time/frequency structure of synchronization signals. . . . . 359
17.1.3 Initial and neighbor-cell search . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . 360
17.2 Random access . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 361
17.2.1 Step 1: Random access preamble transmission . . . . . . . . . 363
17.2.2 Step 2: Random access response . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 367
17.2.3 Step 3: Terminal identification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 368
17.2.4 Step 4: Contention resolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 368
17.3 Paging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 369
18 System Architecture Evolution 371
18.1 Functional split between radio access network and core
network . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . 372
18.1.1 Functional split between WCDMA/HSPA radio
access network and core network . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . 372
18.1.2 Functional split between LTE RAN and core
network . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 373
18.2 HSPA/WCDMA and LTE radio access network . . . . . . . . . . . . . . . 374
18.2.1 WCDMA/HSPA radio access network . . . . . . . . . . . . . . . . 374
18.2.2 LTE radio access network . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 380
18.3 Core network architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . 382
18.3.1 GSM core network used for WCDMA/HSPA. . . . . . . . . . 382
18.3.2 The ‘SAE’ core network: the Evolved Packet Core . . . . . 386
18.3.3 WCDMA/HSPA connected to Evolved Packet Core. . . . . 388
Part V: Performance and Concluding Remarks
19 Performance of 3G evolution 393
19.1 Performance assessment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393
19.1.1 End-user perspective of performance . . . . . . . . . . . . . . . . . 394
19.1.2 Operator perspective . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 396
19.2 Performance evaluation of 3G evolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 396
19.2.1 Models and assumptions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 397
19.2.2 Performance numbers for LTE with 5MHz
FDD carriers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 399
19.3 Evaluation of LTE in 3GPP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 402
19.3.1 LTE performance requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 402
19.3.2 LTE performance evaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 403
19.3.3 Performance of LTE with 20MHz FDD carrier . . . . . . . . 404
19.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 405
20 Other wireless communications systems 407
20.1 UTRA TDD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 407
20.2 CDMA2000 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 409
20.2.1 CDMA2000 1x . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 410
20.2.2 1x EV-DO Rev 0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 411
20.2.3 1x EV-DO Rev A. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 412
20.2.4 1x EV-DO Rev B . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 413
20.2.5 1x EV-DO Rev C (UMB). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 414
20.3 GSM/EDGE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . 416
20.3.1 Objectives for the GSM/EDGE evolution . . . . . . . . . . . . . 416
20.3.2 Dual-antenna terminals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . 418
20.3.3 Multi-carrier EDGE. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . 418
20.3.4 Reduced TTI and fast feedback . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 419
20.3.5 Improved modulation and coding . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . 420
20.3.6 Higher symbol rates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 421
20.4 WiMAX (IEEE 802.16) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 421
20.4.1 Spectrum, bandwidth options and duplexing
arrangement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 423
20.4.2 Scalable OFDMA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 424
20.4.3 TDD frame structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 424
20.4.4 Modulation, coding and Hybrid ARQ . . . . . . . . . . . . . . . . 424
20.4.5 Quality-of-service handling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 425
20.4.6 Mobility . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 426
20.4.7 Multi-antenna technologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 427
20.4.8 Fractional frequency reuse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 427
20.5 Mobile Broadband Wireless Access (IEEE 802.20) . . . . . . . . . . . . 427
20.6 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 429
21 Future evolution 431
21.1 IMT-Advanced . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 432
21.2 The research community . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . 433
21.3 Standardization bodies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 433
21.4 Concluding remarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 433
Link : http://hotfile.com/dl/135743003/bc2f35e/3G_Evolution_HSPA__LTE_for_mobile_broadband.rar.html
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List of contents :
Background of 3G evolution 3
1.1 History and background of 3G . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.1.1 Before 3G. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.1.2 Early 3G discussions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.1.3 Research on 3G. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.1.4 3G standardization starts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.2 Standardization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.2.1 The standardization process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.2.2 3GPP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.2.3 IMT-2000 activities in ITU. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.3 Spectrum for 3G . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2 The motives behind the 3G evolution 17
2.1 Driving forces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.1.1 Technology advancements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.1.2 Services. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . 19
2.1.3 Cost and performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.2 3G evolution: two Radio Access Network approaches and
an evolved core network . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.2.1 Radio Access Network evolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.2.2 A evolved core network: System Architecture
Evolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
Part II: Technologies for 3G Evolution
3 High data rates in mobile communication 31
3.1 High data rates: fundamental constraints . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.1.1 High data rates in noise-limited scenarios. . . . . . . . . . . .. . . . . . 33
3.1.2 Higher data rates in interference-limited scenarios . . . . . . . . . . 35
3.2 Higher data rates within a limited bandwidth: higher-order
modulation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . 36
3.2.1 Higher-order modulation in combination with
channel coding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.2.2 Variations in instantaneous transmit power. . . . . . . . . . .. . . . . . 38
3.3 Wider bandwidth including multi-carrier transmission . . . . . . . . . . . . . 39
3.3.1 Multi-carrier transmission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
4 OFDM transmission 45
4.1 Basic principles of OFDM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
4.2 OFDM demodulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
4.3 OFDM implementation using IFFT/FFT processing . . . . . . . . . . . . . 48
4.4 Cyclic-prefix insertion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
4.5 Frequency-domain model of OFDM transmission . . . . . . . . . . . . . . . 53
4.6 Channel estimation and reference symbols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
4.7 Frequency diversity withOFDM:importance of channel coding. . . . . . 55
4.8 Selection of basic OFDM parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
4.8.1 OFDM subcarrier spacing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
4.8.2 Number of subcarriers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
4.8.3 Cyclic-prefix length . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
4.9 Variations in instantaneous transmission power . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
4.10 OFDM as a user-multiplexing and multiple-access scheme . . . . . . . 61
4.11 Multi-cell broadcast/multicast transmission and OFDM . . . . . . . . . . 63
5 Wider-band ‘single-carrier’ transmission 67
5.1 Equalization against radio-channel frequency selectivity . . . . . . . . . 67
5.1.1 Time-domain linear equalization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
5.1.2 Frequency-domain equalization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
5.1.3 Other equalizer strategies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
5.2 Uplink FDMA with flexible bandwidth assignment . . . . . . . . . . . . . . 73
5.3 DFT-spread OFDM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . 75
5.3.1 Basic principles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
5.3.2 DFTS-OFDM receiver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
5.3.3 User multiplexing with DFTS-OFDM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
5.3.4 DFTS-OFDM with spectrum shaping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
5.3.5 Distributed DFTS-OFDM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
6 Multi-antenna techniques 83
6.1 Multi-antenna configurations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
6.2 Benefits of multi-antenna techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
6.3 Multiple receive antennas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
6.4 Multiple transmit antennas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
6.4.1 Transmit-antenna diversity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
6.4.2 Transmitter-side beam-forming . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
6.5 Spatial multiplexing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
6.5.1 Basic principles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
6.5.2 Pre-coder-based spatial multiplexing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
6.5.3 Non-linear receiver processing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
7 Scheduling, link adaptation and hybrid ARQ 107
7.1 Link adaptation: Power and rate control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
7.2 Channel-dependent scheduling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
7.2.1 Downlink scheduling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
7.2.2 Uplink scheduling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
7.2.3 Link adaptation and channel-dependent scheduling
in the frequency domain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
7.2.4 Acquiring on channel-state information . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
7.2.5 Traffic behavior and scheduling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
7.3 Advanced retransmission schemes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
7.4 Hybrid ARQ with soft combining . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
Part III: HSPA
8 WCDMA evolution: HSPA and MBMS 129
8.1 WCDMA: brief overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
8.1.1 Overall architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
8.1.2 Physical layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
8.1.3 Resource handling and packet-data session . . . . . . . . . . . . . . . 139
9 High-Speed Downlink Packet Access 141
9.1 Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
9.1.1 Shared-channel transmission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
9.1.2 Channel-dependent scheduling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
9.1.3 Rate control and higher-order modulation . . . . . . . . . . . . . . . . 144
9.1.4 Hybrid ARQ with soft combining. . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . 144
9.1.5 Architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
9.2 Details of HSDPA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
9.2.1 HS-DSCH: inclusion of features inWCDMARelease 5. . . . . 146
9.2.2 MAC-hs and physical-layer processing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
9.2.3 Scheduling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
9.2.4 Rate control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
9.2.5 Hybrid ARQ with soft combining. . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . 155
9.2.6 Data flow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
9.2.7 Resource control for HS-DSCH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . 159
9.2.8 Mobility . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
9.2.9 UE categories . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
9.3 Finer details of HSDPA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
9.3.1 Hybrid ARQ revisited: physical-layer processing . . . . . . . . . . 164
9.3.2 Interleaving and constellation rearrangement. . . . . . . . .. . . . . 168
9.3.3 Hybrid ARQ revisited: protocol operation . . . . . . . . . . . . . . . . 170
9.3.4 In-sequence delivery . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
9.3.5 MAC-hs header . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
9.3.6 CQI and other means to assess the downlink quality . . . . . . . 175
9.3.7 Downlink control signaling: HS-SCCH . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
9.3.8 Downlink control signaling: F-DPCH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
9.3.9 Uplink control signaling: HS-DPCCH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
10 Enhanced Uplink 185
10.1 Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
10.1.1 Scheduling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
10.1.2 Hybrid ARQ with soft combining . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
10.1.3 Architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
10.2 Details of Enhanced Uplink . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190
10.2.1 MAC-e and physical layer processing . . . . . . . . . . . . . . . 193
10.2.2 Scheduling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195
10.2.3 E-TFC selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202
10.2.4 Hybrid ARQ with soft combining . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
10.2.5 Physical channel allocation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208
10.2.6 Power control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209
10.2.7 Data flow. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210
10.2.8 Resource control for E-DCH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210
10.2.9 Mobility . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212
10.2.10 UE categories . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212
10.3 Finer details of Enhanced Uplink . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . 213
10.3.1 Scheduling – the small print . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
10.3.2 Further details on hybrid ARQ operation . . . . . . . .. . . . . 222
10.3.3 Control signaling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229
11 MBMS: multimedia broadcast multicast services 239
11.1 Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242
11.1.1 Macro-diversity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242
11.1.2 Application-level coding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245
11.2 Details of MBMS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . 246
11.2.1 MTCH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . 246
11.2.2 MCCH and MICH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248
11.2.3 MSCH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . 249
12 HSPA Evolution 251
12.1 MIMO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251
12.1.1 HSDPA-MIMO data transmission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252
12.1.2 Rate control for HSDPA-MIMO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255
12.1.3 Hybrid ARQ with soft combining for HSDPAMIMO
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . 256
12.1.4 Control signaling for HSDPA-MIMO . . . . . . . . . . . . . . . 256
12.1.5 UE capabilities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 258
12.2 Higher-order modulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259
12.3 Continuous packet connectivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . 259
12.3.1 DTX – reducing uplink overhead . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . 261
12.3.2 DRX – reducing UE power consumption. . . . . . . .. . . . . 263
12.3.3 HS-SCCH-less operation: downlink overhead
reduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264
12.3.4 Control signaling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266
12.4 Enhanced CELL_FACH operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266
12.5 Layer 2 protocol enhancements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . 268
12.6 Advanced receivers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268
12.6.1 Advanced UE receivers specified in 3GPP . . . . . . . . . . . . 269
12.6.2 Receiver diversity (type 1) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270
12.6.3 Chip-level equalizers and similar receivers (type 2). . . . . 270
12.6.4 Combination with antenna diversity (type 3) . . . . . .. . . . . 271
12.6.5 Interference cancellation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272
12.7 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273
Part IV: LTE and SAE
13 LTE and SAE: introduction and design targets 277
13.1 LTE design targets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278
13.1.1 Capabilities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278
13.1.2 System performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279
13.1.3 Deployment-related aspects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . 281
13.1.4 Architecture and migration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283
13.1.5 Radio resource management . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284
13.1.6 Complexity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284
13.1.7 General aspects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . 285
13.2 SAE design targets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285
14 LTE radio access: an overview 289
14.1 Transmission schemes: downlink OFDM and uplink
SC-FDMA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289
14.2 Channel-dependent scheduling and rate adaptation . . . . . . . . . . . . 290
14.2.1 Downlink scheduling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291
14.2.2 Uplink scheduling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292
x Contents
14.2.3 Inter-cell interference coordination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293
14.3 Hybrid ARQ with soft combining . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294
14.4 Multiple antenna support . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294
14.5 Multicast and broadcast support . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295
14.6 Spectrum flexibility . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . 295
14.6.1 Flexibility in duplex arrangement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296
14.6.2 Flexibility in frequency-band-of-operation . . . . . . . . . . . . 297
14.6.3 Bandwidth flexibility . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 297
15 LTE radio interface architecture 299
15.1 RLC: radio link control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301
15.2 MAC: medium access control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302
15.2.1 Logical channels and transport channels . . . . . . . . . . . . . . 303
15.2.2 Downlink scheduling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305
15.2.3 Uplink scheduling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307
15.2.4 Hybrid ARQ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . 309
15.3 PHY: physical layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312
15.4 LTE states . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . 314
15.5 Data flow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315
16 LTE physical layer 317
16.1 Overall time-domain structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317
16.2 Downlink transmission scheme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 319
16.2.1 The downlink physical resource . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 319
16.2.2 Downlink reference signals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323
16.2.3 Downlink transport-channel processing . . . . . . . . . . . . . . . 326
16.2.4 Downlink L1/L2 control signaling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333
16.2.5 Downlink multi-antenna transmission . . . . . . . . . . . . . . . . 336
16.2.6 Multicast/broadcast using MBSFN . . . . . . . . . . . . . .. . . . . 339
16.3 Uplink transmission scheme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 340
16.3.1 The uplink physical resource . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . 340
16.3.2 Uplink reference signals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . 344
16.3.3 Uplink transport-channel processing . . . . . . . . . . . . . . . . . . 350
16.3.4 Uplink L1/L2 control signaling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 351
16.3.5 Uplink timing advance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . 353
17 LTE access procedures 357
17.1 Cell search . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 357
17.1.1 Cell-search procedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 357
17.1.2 Time/frequency structure of synchronization signals. . . . . 359
17.1.3 Initial and neighbor-cell search . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . 360
17.2 Random access . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 361
17.2.1 Step 1: Random access preamble transmission . . . . . . . . . 363
17.2.2 Step 2: Random access response . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 367
17.2.3 Step 3: Terminal identification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 368
17.2.4 Step 4: Contention resolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 368
17.3 Paging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 369
18 System Architecture Evolution 371
18.1 Functional split between radio access network and core
network . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . 372
18.1.1 Functional split between WCDMA/HSPA radio
access network and core network . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . 372
18.1.2 Functional split between LTE RAN and core
network . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 373
18.2 HSPA/WCDMA and LTE radio access network . . . . . . . . . . . . . . . 374
18.2.1 WCDMA/HSPA radio access network . . . . . . . . . . . . . . . . 374
18.2.2 LTE radio access network . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 380
18.3 Core network architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . 382
18.3.1 GSM core network used for WCDMA/HSPA. . . . . . . . . . 382
18.3.2 The ‘SAE’ core network: the Evolved Packet Core . . . . . 386
18.3.3 WCDMA/HSPA connected to Evolved Packet Core. . . . . 388
Part V: Performance and Concluding Remarks
19 Performance of 3G evolution 393
19.1 Performance assessment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393
19.1.1 End-user perspective of performance . . . . . . . . . . . . . . . . . 394
19.1.2 Operator perspective . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 396
19.2 Performance evaluation of 3G evolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 396
19.2.1 Models and assumptions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 397
19.2.2 Performance numbers for LTE with 5MHz
FDD carriers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 399
19.3 Evaluation of LTE in 3GPP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 402
19.3.1 LTE performance requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 402
19.3.2 LTE performance evaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 403
19.3.3 Performance of LTE with 20MHz FDD carrier . . . . . . . . 404
19.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 405
20 Other wireless communications systems 407
20.1 UTRA TDD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 407
20.2 CDMA2000 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 409
20.2.1 CDMA2000 1x . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 410
20.2.2 1x EV-DO Rev 0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 411
20.2.3 1x EV-DO Rev A. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 412
20.2.4 1x EV-DO Rev B . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 413
20.2.5 1x EV-DO Rev C (UMB). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 414
20.3 GSM/EDGE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . 416
20.3.1 Objectives for the GSM/EDGE evolution . . . . . . . . . . . . . 416
20.3.2 Dual-antenna terminals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . 418
20.3.3 Multi-carrier EDGE. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . 418
20.3.4 Reduced TTI and fast feedback . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 419
20.3.5 Improved modulation and coding . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . 420
20.3.6 Higher symbol rates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 421
20.4 WiMAX (IEEE 802.16) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 421
20.4.1 Spectrum, bandwidth options and duplexing
arrangement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 423
20.4.2 Scalable OFDMA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 424
20.4.3 TDD frame structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 424
20.4.4 Modulation, coding and Hybrid ARQ . . . . . . . . . . . . . . . . 424
20.4.5 Quality-of-service handling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 425
20.4.6 Mobility . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 426
20.4.7 Multi-antenna technologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 427
20.4.8 Fractional frequency reuse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 427
20.5 Mobile Broadband Wireless Access (IEEE 802.20) . . . . . . . . . . . . 427
20.6 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 429
21 Future evolution 431
21.1 IMT-Advanced . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 432
21.2 The research community . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . 433
21.3 Standardization bodies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 433
21.4 Concluding remarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 433
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