P.T.E.
2013-03-09, 03:22 AM
1 Introduction and Background 1
Thomas Sälzer and Matthew Baker
1.1 The Context for the Long Term Evolution of UMTS . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1.1 Historical Context . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1.2 LTE in the Mobile Radio Landscape . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.1.3 The Standardization Process in 3GPP . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.2 Requirements and Targets for the Long Term Evolution . . . . . . . . . . . . 7
1.2.1 System Performance Requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.2.2 Deployment Cost and Interoperability . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.3 Technologies for the Long Term Evolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.3.1 Multicarrier Technology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.3.2 Multiple Antenna Technology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.3.3 Packet-Switched Radio Interface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.3.4 User Equipment Categories . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.3.5 From the First LTE Release to LTE-Advanced . . . . . . . . . . . . . 19
1.4 From Theory to Practice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
Part I Network Architecture and Protocols 23
2 Network Architecture 25
Sudeep Palat and Philippe Godin
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.2 Overall Architectural Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.2.1 The Core Network . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.2.2 The Access Network . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.2.3 Roaming Architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.3 Protocol Architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.3.1 User Plane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.3.2 Control Plane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.4 Quality of Service and EPS Bearers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.4.1 Bearer Establishment Procedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.4.2 Inter-Working with other RATs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.5 The E-UTRAN Network Interfaces: S1 Interface . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.5.1 Protocol Structure over S1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2.5.2 Initiation over S1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.5.3 Context Management over S1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.5.4 Bearer Management over S1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.5.5 Paging over S1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.5.6 Mobility over S1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.5.7 Load Management over S1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
2.5.8 Trace Function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
2.5.9 Delivery of Warning Messages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
2.6 The E-UTRAN Network Interfaces: X2 Interface . . . . . . . . . . . . . . . 49
2.6.1 Protocol Structure over X2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
2.6.2 Initiation over X2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
2.6.3 Mobility over X2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
2.6.4 Load and Interference Management Over X2 . . . . . . . . . . . . . 54
2.6.5 UE Historical Information Over X2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
2.7 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3 Control Plane Protocols 57
Himke van der Velde
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
3.2 Radio Resource Control (RRC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
3.2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
3.2.2 System Information . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
3.2.3 Connection Control within LTE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.2.4 Connected Mode Inter-RAT Mobility . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
3.2.5 Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
3.2.6 Other RRC Signalling Aspects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
3.3 PLMN and Cell Selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
3.3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
3.3.2 PLMN Selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
3.3.3 Cell Selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
3.3.4 Cell Reselection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
3.4 Paging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
3.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
4 User Plane Protocols 87
Patrick Fischer, SeungJune Yi, SungDuck Chun and YoungDae Lee
4.1 Introduction to the User Plane Protocol Stack . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
4.2 Packet Data Convergence Protocol (PDCP) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
4.2.1 Functions and Architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
4.2.2 Header Compression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
4.2.3 Security . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
4.2.4 Handover . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
4.2.5 Discard of Data Packets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
4.2.6 PDCP PDU Formats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
4.3 Radio Link Control (RLC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
4.3.1 RLC Entities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
4.3.2 RLC PDU Formats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
4.4 Medium Access Control (MAC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
4.4.1 MAC Architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
4.4.2 MAC Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
4.5 Summary of the User Plane Protocols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
Part II Physical Layer for Downlink 121
5 Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA) 123
Andrea Ancora, Issam Toufik, Andreas Bury and Dirk Slock
5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
5.1.1 History of OFDM Development . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
5.2 OFDM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
5.2.1 Orthogonal Multiplexing Principle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
5.2.2 Peak-to-Average Power Ratio and Sensitivity to Non-Linearity . . . . 131
5.2.3 Sensitivity to Carrier Frequency Offset and Time-Varying Channels . 133
5.2.4 Timing Offset and Cyclic Prefix Dimensioning . . . . . . . . . . . . 135
5.3 OFDMA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
5.4 Parameter Dimensioning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
5.4.1 Physical Layer Parameters for LTE . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
5.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
6 Introduction to Downlink Physical Layer Design 145
Matthew Baker
6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
6.2 Transmission Resource Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
6.3 Signal Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
6.4 Introduction to Downlink Operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
7 Synchronization and Cell Search 151
Fabrizio Tomatis and Stefania Sesia
7.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
7.2 Synchronization Sequences and Cell Search in LTE . . . . . . . . . . . . . . 151
7.2.1 Zadoff–Chu Sequences . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
7.2.2 Primary Synchronization Signal (PSS) Sequences . . . . . . . . . . . 157
7.2.3 Secondary Synchronization Signal (SSS) Sequences . . . . . . . . . 158
7.3 Coherent Versus Non-Coherent Detection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
8 Reference Signals and Channel Estimation 165
Andrea Ancora, Stefania Sesia and Alex Gorokhov
8.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
8.2 Design of Reference Signals in the LTE Downlink . . . . . . . . . . . . . . . 167
8.2.1 Cell-Specific Reference Signals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
8.2.2 UE-Specific Reference Signals in Release 8 . . . . . . . . . . . . . . 171
8.2.3 UE-Specific Reference Signals in Release 9 . . . . . . . . . . . . . . 171
8.3 RS-Aided Channel Modelling and Estimation . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
8.3.1 Time-Frequency-Domain Correlation: The WSSUS Channel Model . 175
8.3.2 Spatial-Domain Correlation: The Kronecker Model . . . . . . . . . . 176
8.4 Frequency-Domain Channel Estimation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
8.4.1 Channel Estimate Interpolation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
8.4.2 General Approach to Linear Channel Estimation . . . . . . . . . . . 179
8.4.3 Performance Comparison . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
8.5 Time-Domain Channel Estimation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
8.5.1 Finite and Infinite Length MMSE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
8.5.2 Normalized Least-Mean-Square . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
8.6 Spatial-Domain Channel Estimation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
8.7 Advanced Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
9 Downlink Physical Data and Control Channels 189
Matthew Baker and Tim Moulsley
9.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
9.2 Downlink Data-Transporting Channels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
9.2.1 Physical Broadcast Channel (PBCH) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
9.2.2 Physical Downlink Shared CHannel (PDSCH) . . . . . . . . . . . . . 192
9.2.3 Physical Multicast Channel (PMCH) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
9.3 Downlink Control Channels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
9.3.1 Requirements for Control Channel Design . . . . . . . . . . . . . . . 196
9.3.2 Control Channel Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198
9.3.3 . . . . . . . . 198
9.3.4 Physical Hybrid ARQ Indicator Channel (PHICH) . . . . . . . . . . 200
9.3.5 . . . . . . . . . . . . 202
9.3.6 PDCCH Scheduling Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
10 Link Adaptation and Channel Coding 215
Brian Classon, Ajit Nimbalker, Stefania Sesia and Issam Toufik
10.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215
10.2 Link Adaptation and CQI Feedback . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217
10.2.1 CQI Feedback in LTE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218
10.3 Channel Coding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223
10.3.1 Theoretical Aspects of Channel Coding . . . . . . . . . . . . . . . . 223
10.3.2 Channel Coding for Data Channels in LTE . . . . . . . . . . . . . . 232
10.3.3 Channel Coding for Control Channels in LTE . . . . . . . . . . . . . 244
10.4 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246
11 Multiple Antenna Techniques 249
Thomas Sälzer, David Gesbert, Cornelius van Rensburg, Filippo Tosato, Florian
Kaltenberger and Tetsushi Abe
11.1 Fundamentals of Multiple Antenna Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249
11.1.1 Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249
11.1.2 MIMO Signal Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252
11.1.3 Single-User MIMO Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253
11.1.4 Multi-User MIMO Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 258
11.2 MIMO Schemes in LTE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262
11.2.1 Practical Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263
11.2.2 Single-User Schemes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264
11.2.3 Multi-User MIMO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274
11.2.4 MIMO Performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 276
11.3 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 276
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277
12 Multi-User Scheduling and Interference Coordination 279
Issam Toufik and Raymond Knopp
12.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279
12.2 General Considerations for Resource Allocation Strategies . . . . . . . . . . 280
12.3 Scheduling Algorithms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283
12.3.1 Ergodic Capacity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283
12.3.2 Delay-Limited Capacity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285
12.4 Considerations for Resource Scheduling in LTE . . . . . . . . . . . . . . . . 286
12.5 Interference Coordination and Frequency Reuse . . . . . . . . . . . . . . . . 287
12.5.1 Inter-eNodeB Signalling to Support Downlink Frequency-Domain
ICIC in LTE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 290
12.5.2 Inter-eNodeB Signalling to Support Uplink Frequency-Domain
ICIC in LTE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 290
12.5.3 Static versus Semi-Static ICIC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291
12.6 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292
13 Broadcast Operation 293
Himke van der Velde, Olivier Hus and Matthew Baker
13.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293
13.2 Broadcast Modes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293
13.3 Overall MBMS Architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295
13.3.1 Reference Architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295
13.3.2 Content Provision . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295
13.3.3 Core Network . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296
13.3.4 Radio Access Network – E-UTRAN/UTRAN/GERAN and UE . . . 296
13.3.5 MBMS Interfaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 297
13.4 MBMS Single Frequency Network Transmission . . . . . . . . . . . . . . . 297
13.4.1 Physical Layer Aspects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 297
13.4.2 MBSFN Areas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301
13.5 MBMS Characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303
13.5.1 Mobility Support . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303
13.5.2 UE Capabilities and Service Prioritization . . . . . . . . . . . . . . . 303
13.6 Radio Access Protocol Architecture and Signalling . . . . . . . . . . . . . . 304
13.6.1 Protocol Architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304
13.6.2 Session Start Signalling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305
13.6.3 Radio Resource Control (RRC) Signalling Aspects . . . . . . . . . . 306
13.6.4 Content Synchronization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 308
13.6.5 Counting Procedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 310
13.7 Public Warning Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312
13.8 Comparison of Mobile Broadcast Modes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312
13.8.1 Delivery by Cellular Networks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312
13.8.2 Delivery by Broadcast Networks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313
13.8.3 Services and Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314
Part III Physical Layer for Uplink 315
14 Uplink Physical Layer Design 317
Robert Love and Vijay Nangia
14.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317
14.2 SC-FDMA Principles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 318
14.2.1 SC-FDMA Transmission Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 318
14.2.2 Time-Domain Signal Generation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 318
14.2.3 Frequency-Domain Signal Generation (DFT-S-OFDM) . . . . . . . . 320
14.3 SC-FDMA Design in LTE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321
14.3.1 Transmit Processing for LTE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321
14.3.2 SC-FDMA Parameters for LTE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322
14.3.3 d.c. Subcarrier in SC-FDMA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 324
14.3.4 Pulse Shaping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 324
14.4 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 325
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 326
15 Uplink Reference Signals 327
Robert Love and Vijay Nangia
15.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 327
15.2 RS Signal Sequence Generation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 328
15.2.1 Base RS Sequences and Sequence Grouping . . . . . . . . . . . . . . 330
15.2.2 Orthogonal RS via Cyclic Time-Shifts of a Base Sequence . . . . . . 330
15.3 Sequence-Group Hopping and Planning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332
15.3.1 Sequence-Group Hopping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332
15.3.2 Sequence-Group Planning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333
15.4 Cyclic Shift Hopping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333
15.5 Demodulation Reference Signals (DM-RS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335
15.6 Uplink Sounding Reference Signals (SRS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 337
15.6.1 SRS Subframe Configuration and Position . . . . . . . . . . . . . . . 337
15.6.2 Duration and Periodicity of SRS Transmissions . . . . . . . . . . . . 337
15.6.3 SRS Symbol Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 338
15.7 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 340
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 341
16 Uplink Physical Channel Structure 343
Robert Love and Vijay Nangia
16.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343
16.2 Physical Uplink Shared Data Channel Structure . . . . . . . . . . . . . . . . 344
16.2.1 Scheduling on PUSCH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 345
16.2.2 PUSCH Transport Block Sizes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 347
16.3 Uplink Control Channel Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 348
16.3.1 Physical Uplink Control Channel (PUCCH) Structure . . . . . . . . . 348
16.3.2 Types of Control Signalling Information and PUCCH Formats . . . . 352
16.3.3 Channel State Information Transmission on PUCCH (Format 2) . . . 353
16.3.4 Multiplexing of CSI and HARQ ACK/NACK from a UE on PUCCH 355
16.3.5 HARQ ACK/NACK Transmission on PUCCH (Format 1a/1b) . . . . 356
16.3.6 Multiplexing of CSI and HARQ ACK/NACK in the Same (Mixed)
PUCCH RB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363
16.3.7 Scheduling Request (SR) Transmission on PUCCH (Format 1) . . . . 363
16.4 Multiplexing of Control Signalling and UL-SCH Data on PUSCH . . . . . . 365
16.5 ACK/NACK Repetition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 367
16.6 Multiple-Antenna Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 367
16.6.1 Closed-Loop Switched Antenna Diversity . . . . . . . . . . . . . . . 367
16.6.2 Multi-User ‘Virtual’ MIMO or SDMA . . . . . . . . . . . . . . . . . 368
16.7 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 369
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 369
17 Random Access 371
Pierre Bertrand and Jing Jiang
17.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 371
17.2 Random Access Usage and Requirements in LTE . . . . . . . . . . . . . . . 371
17.3 Random Access Procedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 372
17.3.1 Contention-Based Random Access Procedure . . . . . . . . . . . . . 373
17.3.2 Contention-Free Random Access Procedure . . . . . . . . . . . . . . 376
17.4 Physical Random Access Channel Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 376
17.4.1 Multiplexing of PRACH with PUSCH and PUCCH . . . . . . . . . . 376
17.4.2 The PRACH Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 377
17.4.3 Preamble Sequence Theory and Design . . . . . . . . . . . . . . . . 385
17.5 PRACH Implementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 396
17.5.1 UE Transmitter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 397
17.5.2 eNodeB PRACH Receiver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 398
17.6 Time Division Duplex (TDD) PRACH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 404
17.6.1 Preamble Format 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 404
17.7 Concluding Remarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 405
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 406
18 Uplink Transmission Procedures 407
Matthew Baker
18.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 407
18.2 Uplink Timing Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 407
18.2.1 Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 407
18.2.2 Timing Advance Procedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 408
18.3 Power Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 411
18.3.1 Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 411
18.3.2 Detailed Power Control Behaviour . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 412
18.3.3 UE Power Headroom Reporting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 419
18.3.4 Summary of Uplink Power Control Strategies . . . . . . . . . . . . . 420
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 420
Part IV Practical Deployment Aspects 421
19 User Equipment Positioning 423
Karri Ranta-aho and Zukang Shen
19.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 423
19.2 Assisted Global Navigation Satellite System (A-GNSS) Positioning . . . . . 425
19.3 Observed Time Difference Of Arrival (OTDOA) Positioning . . . . . . . . . 426
19.3.1 Positioning Reference Signals (PRS) . . . . . . . . . . . . . . . . . 427
19.3.2 OTDOA Performance and Practical Considerations . . . . . . . . . . 430
19.4 Cell-ID-based Positioning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 431
19.4.1 Basic CID Positioning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 431
19.4.2 Enhanced CID Positioning using Round Trip Time and UE Receive
Level Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 431
19.4.3 Enhanced CID Positioning using Round Trip Time and Angle of
Arrival . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 432
19.5 LTE Positioning Protocols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 433
19.6 Summary and Future Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 435
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 436
20 The Radio Propagation Environment 437
Juha Ylitalo and Tommi Jämsä
20.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 437
20.2 SISO and SIMO Channel Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 438
20.2.1 ITU Channel Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 439
20.2.2 3GPP Channel Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 440
20.2.3 Extended ITU Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 440
20.3 MIMO Channel Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 441
20.3.1 SCM Channel Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 442
20.3.2 SCM-Extension Channel Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 444
20.3.3 WINNER Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 445
20.3.4 LTE Evaluation Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 446
20.3.5 Extended ITU Models with Spatial Correlation . . . . . . . . . . . . 448
20.3.6 ITU Channel Models for IMT-Advanced . . . . . . . . . . . . . . . 449
20.3.7 Comparison of MIMO Channel Models . . . . . . . . . . . . . . . . 453
20.4 Radio Channel Implementation for Conformance Testing . . . . . . . . . . . 454
20.4.1 Performance and Conformance Testing . . . . . . . . . . . . . . . . 454
20.4.2 Future Testing Challenges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 454
20.5 Concluding Remarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 455
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 455
21 Radio Frequency Aspects 457
Moray Rumney, Takaharu Nakamura, Stefania Sesia, Tony Sayers and Adrian Payne
21.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 457
21.2 Frequency Bands and Arrangements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 459
21.3 Transmitter RF Requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 462
21.3.1 Requirements for the Intended Transmissions . . . . . . . . . . . . . 462
21.3.2 Requirements for Unwanted Emissions . . . . . . . . . . . . . . . . 467
21.3.3 Power Amplifier Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 471
21.4 Receiver RF Requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 474
21.4.1 Receiver General Requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 474
21.4.2 Transmit Signal Leakage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 475
21.4.3 Maximum Input Level . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 477
21.4.4 Small Signal Requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 478
21.4.5 Selectivity and Blocking Specifications . . . . . . . . . . . . . . . . 482
21.4.6 Spurious Emissions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 488
21.4.7 Intermodulation Requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 489
21.4.8 Dynamic Range . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 491
21.5 RF Impairments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 492
21.5.1 Transmitter RF Impairments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 492
21.5.2 Model of the Main RF Impairments . . . . . . . . . . . . . . . . . . 495
21.6 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 500
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 501
22 Radio Resource Management 503
Muhammad Kazmi
22.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 503
22.2 Cell Search Performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 505
22.2.1 Cell Search within E-UTRAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 505
22.2.2 E-UTRAN to E-UTRAN Cell Global Identifier Reporting
Requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 509
22.2.3 E-UTRAN to UTRAN Cell Search . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 510
22.2.4 E-UTRAN to GSM Cell Search . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 511
22.2.5 Enhanced Inter-RAT Measurement Requirements . . . . . . . . . . . 512
22.3 Mobility Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 513
22.3.1 E-UTRAN Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 513
22.3.2 UTRAN Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 514
22.3.3 GSM Measurements: GSM Carrier RSSI . . . . . . . . . . . . . . . 516
22.3.4 CDMA2000 Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 516
22.4 UE Measurement Reporting Mechanisms and Requirements . . . . . . . . . 516
22.4.1 E-UTRAN Event Triggered Reporting Requirements . . . . . . . . . 517
22.4.2 Inter-RAT Event-Triggered Reporting . . . . . . . . . . . . . . . . . 517
22.5 Mobility Performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 518
22.5.1 Mobility Performance in RRC_IDLE State . . . . . . . . . . . . . . 518
22.5.2 Mobility Performance in RRC_CONNECTED State . . . . . . . . . 522
22.6 RRC Connection Mobility Control Performance . . . . . . . . . . . . . . . . 525
22.6.1 RRC Connection Re-establishment . . . . . . . . . . . . . . . . . . 525
22.6.2 Random Access . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 525
22.7 Radio Link Monitoring Performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 526
22.7.1 In-sync and Out-of-sync Thresholds . . . . . . . . . . . . . . . . . . 526
22.7.2 Requirements without DRX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 527
22.7.3 Requirements with DRX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 527
22.7.4 Requirements during Transitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 527
22.8 Concluding Remarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 528
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 529
23 Paired and Unpaired Spectrum 531
Nicholas Anderson
23.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 531
23.2 Duplex Modes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 532
23.3 Interference Issues in Unpaired Spectrum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 533
23.3.1 Adjacent Carrier Interference Scenarios . . . . . . . . . . . . . . . . 535
23.3.2 Summary of Interference Scenarios . . . . . . . . . . . . . . . . . . 543
23.4 Half-Duplex System Design Aspects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 544
23.4.1 Accommodation of Transmit–Receive Switching . . . . . . . . . . . 544
23.4.2 Coexistence between Dissimilar Systems . . . . . . . . . . . . . . . 547
23.4.3 HARQ and Control Signalling for TDD Operation . . . . . . . . . . 548
23.4.4 Half-Duplex FDD (HD-FDD) Physical Layer Operation . . . . . . . 551
23.5 Reciprocity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 552
23.5.1 Conditions for Reciprocity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 554
23.5.2 Applications of Reciprocity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 558
23.5.3 Summary of Reciprocity Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . 561
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 562
24 Picocells, Femtocells and Home eNodeBs 563
Philippe Godin and Nick Whinnett
24.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 563
24.2 Home eNodeB Architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 564
24.2.1 Architecture Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 564
24.2.2 Functionalities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 565
24.2.3 Mobility . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 566
24.2.4 Local IP Access Support . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 568
24.3 Interference Management for Femtocell Deployment . . . . . . . . . . . . . 569
24.3.1 Interference Scenarios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 570
24.3.2 Network Listen Mode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 574
24.4 RF Requirements for Small Cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 574
24.4.1 Transmitter Specifications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 575
24.4.2 Receiver Specifications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 576
24.4.3 Demodulation Performance Requirements . . . . . . . . . . . . . . . 578
24.4.4 Time Synchronization for TDD Operation . . . . . . . . . . . . . . . 579
24.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 580
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 580
25 Self-Optimizing Networks 581
Philippe Godin
25.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 581
25.2 Automatic Neighbour Relation Function (ANRF) . . . . . . . . . . . . . . . 582
25.2.1 Intra-LTE ANRF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 582
25.2.2 Automatic Neighbour Relation Table . . . . . . . . . . . . . . . . . 583
25.2.3 Inter-RAT or Inter-Frequency ANRF . . . . . . . . . . . . . . . . . . 583
25.3 Self-Configuration of eNodeB and MME . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 584
25.3.1 Self-Configuration of eNodeB/MMEoverS1 . . . . . . . . . . . . . 585
25.3.2 Self-Configuration of IP address and X2 interface . . . . . . . . . . . 585
25.4 Automatic Configuration of Physical Cell Identity . . . . . . . . . . . . . . . 587
25.5 Mobility Load Balancing Optimization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 587
25.5.1 Intra-LTE Load Exchange . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 588
25.5.2 Intra-LTE Handover Parameter Optimization . . . . . . . . . . . . . 589
25.5.3 Inter-RAT Load Exchange . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 590
25.5.4 Enhanced Inter-RAT Load Exchange . . . . . . . . . . . . . . . . . 590
25.6 Mobility Robustness Optimization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 591
25.6.1 Too-Late Handover . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 591
25.6.2 Coverage Hole Detection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 591
25.6.3 Too-Early Handover . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 592
25.6.4 Handover to an Inappropriate Cell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 592
25.6.5 MRO Verdict Improvement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 593
25.6.6 Handover to an Unprepared Cell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 594
25.6.7 Unnecessary Inter-RAT Handovers . . . . . . . . . . . . . . . . . . 594
25.6.8 Potential Remedies for Identified Mobility Problems . . . . . . . . . 595
25.7 Random Access CHannel (RACH) Self-Optimization . . . . . . . . . . . . . 595
25.8 Energy Saving . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 596
25.9 Emerging New SON Use Cases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 597
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 598
26 LTE System Performance 599
Tetsushi Abe
26.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 599
26.2 Factors Contributing to LTE System Capacity . . . . . . . . . . . . . . . . . 599
26.2.1 Multiple Access Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 600
26.2.2 Frequency Reuse and Interference Management . . . . . . . . . . . . 600
26.2.3 Multiple Antenna Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 601
26.2.4 Semi-Persistent Scheduling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 601
26.2.5 Short Subframe Duration and Low HARQ Round Trip Time . . . . . 602
26.2.6 Advanced Receivers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 602
26.2.7 Layer 1 and Layer 2 Overhead . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 602
26.3 LTE Capacity Evaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 603
26.3.1 Downlink and Uplink Spectral Efficiency . . . . . . . . . . . . . . . 605
26.3.2 VoIP Capacity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 608
26.4 LTE Coverage and Link Budget . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 608
26.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 610
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 611
Part V LTE-Advanced 613
27 Introduction to LTE-Advanced 615
Dirk Gerstenberger
27.1 Introduction and Requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 615
27.2 Overview of the Main Features of LTE-Advanced . . . . . . . . . . . . . . . 618
27.3 Backward Compatibility . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 619
27.4 Deployment Aspects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 620
27.5 UE Categories for LTE-Advanced . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 621
28 Carrier Aggregation 623
Juan Montojo and Jelena Damnjanovic
28.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 623
28.2 Protocols for Carrier Aggregation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 624
28.2.1 Initial Acquisition, Connection Establishment and CC Management . 624
28.2.2 Measurements and Mobility . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 625
28.2.3 User Plane Protocols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 628
28.3 Physical Layer Aspects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 631
28.3.1 Downlink Control Signalling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 631
28.3.2 Uplink Control Signalling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 636
28.3.3 Sounding Reference Signals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 642
28.3.4 Uplink Timing Advance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 642
28.3.5 Uplink Power Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 642
28.3.6 Uplink Multiple Access Scheme Enhancements . . . . . . . . . . . . 644
28.4 UE Transmitter and Receiver Aspects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 648
28.4.1 UE Transmitter Aspects of Carrier Aggregation . . . . . . . . . . . . 648
28.4.2 UE Receiver Aspects of Carrier Aggregation . . . . . . . . . . . . . 648
28.4.3 Prioritized Carrier Aggregation Scenarios . . . . . . . . . . . . . . . 649
28.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 650
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 650
29 Multiple Antenna Techniques for LTE-Advanced 651
Alex Gorokhov, Amir Farajidana, Kapil Bhattad, Xiliang Luo and Stefan Geirhofer
29.1 Downlink Reference Signals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 651
29.1.1 Downlink Reference Signals for Demodulation . . . . . . . . . . . . 652
29.1.2 Downlink Reference Signals for Estimation of Channel State
Information (CSI-RS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 654
29.2 Uplink Reference Signals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 657
29.2.1 Uplink DeModulation Reference Signals (DM-RS) . . . . . . . . . . 657
29.2.2 Sounding Reference Signals (SRSs) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 658
29.3 Downlink MIMO Enhancements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 659
29.3.1 Downlink 8-Antenna Transmission . . . . . . . . . . . . . . . . . . 659
29.3.2 Enhanced Downlink Multi-User MIMO . . . . . . . . . . . . . . . . 661
29.3.3 Enhanced CSI Feedback . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 662
29.4 Uplink Multiple Antenna Transmission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 666
29.4.1 Uplink SU-MIMO for PUSCH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 666
29.4.2 Uplink Transmit Diversity for PUCCH . . . . . . . . . . . . . . . . 668
29.5 Coordinated MultiPoint (CoMP) Transmission and Reception . . . . . . . . . 669
29.5.1 Cooperative MIMO Schemes and Scenarios . . . . . . . . . . . . . . 669
29.6 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 671
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 671
30 Relaying 673
Eric Hardouin, J. Nicholas Laneman,
Alexander Golitschek, Hidetoshi Suzuki, Osvaldo Gonsa
30.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 673
30.1.1 What is Relaying? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 673
30.1.2 Characteristics of Relay Nodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 675
30.1.3 Protocol Functionality of Relay Nodes . . . . . . . . . . . . . . . . . 676
30.1.4 Relevant Deployment Scenarios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 677
30.2 Theoretical Analysis of Relaying . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 679
30.2.1 Relaying Strategies and Benefits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 679
30.2.2 Duplex Constraints and Resource Allocation . . . . . . . . . . . . . 683
30.3 Relay Nodes in LTE-Advanced . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 684
30.3.1 Types of RN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 684
30.3.2 Backhaul and Access Resource Sharing . . . . . . . . . . . . . . . . 685
30.3.3 Relay Architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 687
30.3.4 RN Initialization and Configuration . . . . . . . . . . . . . . . . . . 689
30.3.5 Random Access on the Backhaul Link . . . . . . . . . . . . . . . . . 690
30.3.6 Radio Link Failure on the Backhaul Link . . . . . . . . . . . . . . . 690
30.3.7 RN Security . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 690
30.3.8 Backhaul Physical Channels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 691
30.3.9 Backhaul Scheduling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 696
30.3.10 Backhaul HARQ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 698
30.4 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 699
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 699
31 Additional Features of LTE Release 10 701
Teck Hu, Philippe Godin and Sudeep Palat
31.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 701
31.2 Enhanced Inter-Cell Interference Coordination . . . . . . . . . . . . . . . . . 701
31.2.1 LTE Interference Management . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 703
31.2.2 Almost Blank Subframes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 703
31.2.3 X2 Interface Enhancements for Time-Domain ICIC . . . . . . . . . . 705
31.2.4 UE Measurements in Time-Domain ICIC Scenarios . . . . . . . . . . 706
31.2.5 RRC Signalling for Restricted Measurements . . . . . . . . . . . . . 708
31.2.6 ABS Deployment Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 709
31.3 Minimization of Drive Tests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 710
31.3.1 Logged MDT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 711
31.3.2 Immediate MDT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 712
31.4 Machine-Type Communications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 712
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 714
32 LTE-Advanced Performance and Future Developments 715
Takehiro Nakamura and Tetsushi Abe
32.1 LTE-Advanced System Performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 715
32.2 Future Developments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 718
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 720
Index
Reps and thanks are welcomed if you find it useful
http://www.4shared.com/zip/yyorm5nG/77756107-LTE-the-UMTS-Long-Ter.html
Thomas Sälzer and Matthew Baker
1.1 The Context for the Long Term Evolution of UMTS . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1.1 Historical Context . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1.2 LTE in the Mobile Radio Landscape . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.1.3 The Standardization Process in 3GPP . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.2 Requirements and Targets for the Long Term Evolution . . . . . . . . . . . . 7
1.2.1 System Performance Requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.2.2 Deployment Cost and Interoperability . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.3 Technologies for the Long Term Evolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.3.1 Multicarrier Technology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.3.2 Multiple Antenna Technology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.3.3 Packet-Switched Radio Interface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.3.4 User Equipment Categories . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.3.5 From the First LTE Release to LTE-Advanced . . . . . . . . . . . . . 19
1.4 From Theory to Practice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
Part I Network Architecture and Protocols 23
2 Network Architecture 25
Sudeep Palat and Philippe Godin
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.2 Overall Architectural Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.2.1 The Core Network . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.2.2 The Access Network . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.2.3 Roaming Architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.3 Protocol Architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.3.1 User Plane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.3.2 Control Plane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.4 Quality of Service and EPS Bearers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.4.1 Bearer Establishment Procedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.4.2 Inter-Working with other RATs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.5 The E-UTRAN Network Interfaces: S1 Interface . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.5.1 Protocol Structure over S1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2.5.2 Initiation over S1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.5.3 Context Management over S1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.5.4 Bearer Management over S1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.5.5 Paging over S1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.5.6 Mobility over S1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.5.7 Load Management over S1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
2.5.8 Trace Function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
2.5.9 Delivery of Warning Messages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
2.6 The E-UTRAN Network Interfaces: X2 Interface . . . . . . . . . . . . . . . 49
2.6.1 Protocol Structure over X2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
2.6.2 Initiation over X2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
2.6.3 Mobility over X2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
2.6.4 Load and Interference Management Over X2 . . . . . . . . . . . . . 54
2.6.5 UE Historical Information Over X2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
2.7 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3 Control Plane Protocols 57
Himke van der Velde
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
3.2 Radio Resource Control (RRC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
3.2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
3.2.2 System Information . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
3.2.3 Connection Control within LTE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.2.4 Connected Mode Inter-RAT Mobility . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
3.2.5 Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
3.2.6 Other RRC Signalling Aspects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
3.3 PLMN and Cell Selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
3.3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
3.3.2 PLMN Selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
3.3.3 Cell Selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
3.3.4 Cell Reselection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
3.4 Paging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
3.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
4 User Plane Protocols 87
Patrick Fischer, SeungJune Yi, SungDuck Chun and YoungDae Lee
4.1 Introduction to the User Plane Protocol Stack . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
4.2 Packet Data Convergence Protocol (PDCP) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
4.2.1 Functions and Architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
4.2.2 Header Compression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
4.2.3 Security . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
4.2.4 Handover . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
4.2.5 Discard of Data Packets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
4.2.6 PDCP PDU Formats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
4.3 Radio Link Control (RLC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
4.3.1 RLC Entities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
4.3.2 RLC PDU Formats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
4.4 Medium Access Control (MAC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
4.4.1 MAC Architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
4.4.2 MAC Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
4.5 Summary of the User Plane Protocols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
Part II Physical Layer for Downlink 121
5 Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA) 123
Andrea Ancora, Issam Toufik, Andreas Bury and Dirk Slock
5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
5.1.1 History of OFDM Development . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
5.2 OFDM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
5.2.1 Orthogonal Multiplexing Principle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
5.2.2 Peak-to-Average Power Ratio and Sensitivity to Non-Linearity . . . . 131
5.2.3 Sensitivity to Carrier Frequency Offset and Time-Varying Channels . 133
5.2.4 Timing Offset and Cyclic Prefix Dimensioning . . . . . . . . . . . . 135
5.3 OFDMA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
5.4 Parameter Dimensioning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
5.4.1 Physical Layer Parameters for LTE . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
5.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
6 Introduction to Downlink Physical Layer Design 145
Matthew Baker
6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
6.2 Transmission Resource Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
6.3 Signal Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
6.4 Introduction to Downlink Operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
7 Synchronization and Cell Search 151
Fabrizio Tomatis and Stefania Sesia
7.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
7.2 Synchronization Sequences and Cell Search in LTE . . . . . . . . . . . . . . 151
7.2.1 Zadoff–Chu Sequences . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
7.2.2 Primary Synchronization Signal (PSS) Sequences . . . . . . . . . . . 157
7.2.3 Secondary Synchronization Signal (SSS) Sequences . . . . . . . . . 158
7.3 Coherent Versus Non-Coherent Detection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
8 Reference Signals and Channel Estimation 165
Andrea Ancora, Stefania Sesia and Alex Gorokhov
8.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
8.2 Design of Reference Signals in the LTE Downlink . . . . . . . . . . . . . . . 167
8.2.1 Cell-Specific Reference Signals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
8.2.2 UE-Specific Reference Signals in Release 8 . . . . . . . . . . . . . . 171
8.2.3 UE-Specific Reference Signals in Release 9 . . . . . . . . . . . . . . 171
8.3 RS-Aided Channel Modelling and Estimation . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
8.3.1 Time-Frequency-Domain Correlation: The WSSUS Channel Model . 175
8.3.2 Spatial-Domain Correlation: The Kronecker Model . . . . . . . . . . 176
8.4 Frequency-Domain Channel Estimation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
8.4.1 Channel Estimate Interpolation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
8.4.2 General Approach to Linear Channel Estimation . . . . . . . . . . . 179
8.4.3 Performance Comparison . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
8.5 Time-Domain Channel Estimation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
8.5.1 Finite and Infinite Length MMSE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
8.5.2 Normalized Least-Mean-Square . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
8.6 Spatial-Domain Channel Estimation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
8.7 Advanced Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
9 Downlink Physical Data and Control Channels 189
Matthew Baker and Tim Moulsley
9.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
9.2 Downlink Data-Transporting Channels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
9.2.1 Physical Broadcast Channel (PBCH) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
9.2.2 Physical Downlink Shared CHannel (PDSCH) . . . . . . . . . . . . . 192
9.2.3 Physical Multicast Channel (PMCH) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
9.3 Downlink Control Channels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
9.3.1 Requirements for Control Channel Design . . . . . . . . . . . . . . . 196
9.3.2 Control Channel Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198
9.3.3 . . . . . . . . 198
9.3.4 Physical Hybrid ARQ Indicator Channel (PHICH) . . . . . . . . . . 200
9.3.5 . . . . . . . . . . . . 202
9.3.6 PDCCH Scheduling Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
10 Link Adaptation and Channel Coding 215
Brian Classon, Ajit Nimbalker, Stefania Sesia and Issam Toufik
10.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215
10.2 Link Adaptation and CQI Feedback . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217
10.2.1 CQI Feedback in LTE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218
10.3 Channel Coding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223
10.3.1 Theoretical Aspects of Channel Coding . . . . . . . . . . . . . . . . 223
10.3.2 Channel Coding for Data Channels in LTE . . . . . . . . . . . . . . 232
10.3.3 Channel Coding for Control Channels in LTE . . . . . . . . . . . . . 244
10.4 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246
11 Multiple Antenna Techniques 249
Thomas Sälzer, David Gesbert, Cornelius van Rensburg, Filippo Tosato, Florian
Kaltenberger and Tetsushi Abe
11.1 Fundamentals of Multiple Antenna Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249
11.1.1 Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249
11.1.2 MIMO Signal Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252
11.1.3 Single-User MIMO Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253
11.1.4 Multi-User MIMO Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 258
11.2 MIMO Schemes in LTE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262
11.2.1 Practical Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263
11.2.2 Single-User Schemes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264
11.2.3 Multi-User MIMO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274
11.2.4 MIMO Performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 276
11.3 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 276
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277
12 Multi-User Scheduling and Interference Coordination 279
Issam Toufik and Raymond Knopp
12.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279
12.2 General Considerations for Resource Allocation Strategies . . . . . . . . . . 280
12.3 Scheduling Algorithms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283
12.3.1 Ergodic Capacity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283
12.3.2 Delay-Limited Capacity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285
12.4 Considerations for Resource Scheduling in LTE . . . . . . . . . . . . . . . . 286
12.5 Interference Coordination and Frequency Reuse . . . . . . . . . . . . . . . . 287
12.5.1 Inter-eNodeB Signalling to Support Downlink Frequency-Domain
ICIC in LTE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 290
12.5.2 Inter-eNodeB Signalling to Support Uplink Frequency-Domain
ICIC in LTE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 290
12.5.3 Static versus Semi-Static ICIC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291
12.6 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292
13 Broadcast Operation 293
Himke van der Velde, Olivier Hus and Matthew Baker
13.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293
13.2 Broadcast Modes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293
13.3 Overall MBMS Architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295
13.3.1 Reference Architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295
13.3.2 Content Provision . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295
13.3.3 Core Network . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296
13.3.4 Radio Access Network – E-UTRAN/UTRAN/GERAN and UE . . . 296
13.3.5 MBMS Interfaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 297
13.4 MBMS Single Frequency Network Transmission . . . . . . . . . . . . . . . 297
13.4.1 Physical Layer Aspects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 297
13.4.2 MBSFN Areas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301
13.5 MBMS Characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303
13.5.1 Mobility Support . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303
13.5.2 UE Capabilities and Service Prioritization . . . . . . . . . . . . . . . 303
13.6 Radio Access Protocol Architecture and Signalling . . . . . . . . . . . . . . 304
13.6.1 Protocol Architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304
13.6.2 Session Start Signalling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305
13.6.3 Radio Resource Control (RRC) Signalling Aspects . . . . . . . . . . 306
13.6.4 Content Synchronization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 308
13.6.5 Counting Procedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 310
13.7 Public Warning Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312
13.8 Comparison of Mobile Broadcast Modes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312
13.8.1 Delivery by Cellular Networks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312
13.8.2 Delivery by Broadcast Networks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313
13.8.3 Services and Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314
Part III Physical Layer for Uplink 315
14 Uplink Physical Layer Design 317
Robert Love and Vijay Nangia
14.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317
14.2 SC-FDMA Principles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 318
14.2.1 SC-FDMA Transmission Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 318
14.2.2 Time-Domain Signal Generation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 318
14.2.3 Frequency-Domain Signal Generation (DFT-S-OFDM) . . . . . . . . 320
14.3 SC-FDMA Design in LTE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321
14.3.1 Transmit Processing for LTE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321
14.3.2 SC-FDMA Parameters for LTE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322
14.3.3 d.c. Subcarrier in SC-FDMA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 324
14.3.4 Pulse Shaping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 324
14.4 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 325
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 326
15 Uplink Reference Signals 327
Robert Love and Vijay Nangia
15.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 327
15.2 RS Signal Sequence Generation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 328
15.2.1 Base RS Sequences and Sequence Grouping . . . . . . . . . . . . . . 330
15.2.2 Orthogonal RS via Cyclic Time-Shifts of a Base Sequence . . . . . . 330
15.3 Sequence-Group Hopping and Planning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332
15.3.1 Sequence-Group Hopping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332
15.3.2 Sequence-Group Planning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333
15.4 Cyclic Shift Hopping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333
15.5 Demodulation Reference Signals (DM-RS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335
15.6 Uplink Sounding Reference Signals (SRS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 337
15.6.1 SRS Subframe Configuration and Position . . . . . . . . . . . . . . . 337
15.6.2 Duration and Periodicity of SRS Transmissions . . . . . . . . . . . . 337
15.6.3 SRS Symbol Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 338
15.7 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 340
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 341
16 Uplink Physical Channel Structure 343
Robert Love and Vijay Nangia
16.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343
16.2 Physical Uplink Shared Data Channel Structure . . . . . . . . . . . . . . . . 344
16.2.1 Scheduling on PUSCH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 345
16.2.2 PUSCH Transport Block Sizes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 347
16.3 Uplink Control Channel Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 348
16.3.1 Physical Uplink Control Channel (PUCCH) Structure . . . . . . . . . 348
16.3.2 Types of Control Signalling Information and PUCCH Formats . . . . 352
16.3.3 Channel State Information Transmission on PUCCH (Format 2) . . . 353
16.3.4 Multiplexing of CSI and HARQ ACK/NACK from a UE on PUCCH 355
16.3.5 HARQ ACK/NACK Transmission on PUCCH (Format 1a/1b) . . . . 356
16.3.6 Multiplexing of CSI and HARQ ACK/NACK in the Same (Mixed)
PUCCH RB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363
16.3.7 Scheduling Request (SR) Transmission on PUCCH (Format 1) . . . . 363
16.4 Multiplexing of Control Signalling and UL-SCH Data on PUSCH . . . . . . 365
16.5 ACK/NACK Repetition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 367
16.6 Multiple-Antenna Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 367
16.6.1 Closed-Loop Switched Antenna Diversity . . . . . . . . . . . . . . . 367
16.6.2 Multi-User ‘Virtual’ MIMO or SDMA . . . . . . . . . . . . . . . . . 368
16.7 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 369
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 369
17 Random Access 371
Pierre Bertrand and Jing Jiang
17.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 371
17.2 Random Access Usage and Requirements in LTE . . . . . . . . . . . . . . . 371
17.3 Random Access Procedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 372
17.3.1 Contention-Based Random Access Procedure . . . . . . . . . . . . . 373
17.3.2 Contention-Free Random Access Procedure . . . . . . . . . . . . . . 376
17.4 Physical Random Access Channel Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 376
17.4.1 Multiplexing of PRACH with PUSCH and PUCCH . . . . . . . . . . 376
17.4.2 The PRACH Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 377
17.4.3 Preamble Sequence Theory and Design . . . . . . . . . . . . . . . . 385
17.5 PRACH Implementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 396
17.5.1 UE Transmitter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 397
17.5.2 eNodeB PRACH Receiver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 398
17.6 Time Division Duplex (TDD) PRACH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 404
17.6.1 Preamble Format 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 404
17.7 Concluding Remarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 405
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 406
18 Uplink Transmission Procedures 407
Matthew Baker
18.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 407
18.2 Uplink Timing Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 407
18.2.1 Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 407
18.2.2 Timing Advance Procedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 408
18.3 Power Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 411
18.3.1 Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 411
18.3.2 Detailed Power Control Behaviour . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 412
18.3.3 UE Power Headroom Reporting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 419
18.3.4 Summary of Uplink Power Control Strategies . . . . . . . . . . . . . 420
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 420
Part IV Practical Deployment Aspects 421
19 User Equipment Positioning 423
Karri Ranta-aho and Zukang Shen
19.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 423
19.2 Assisted Global Navigation Satellite System (A-GNSS) Positioning . . . . . 425
19.3 Observed Time Difference Of Arrival (OTDOA) Positioning . . . . . . . . . 426
19.3.1 Positioning Reference Signals (PRS) . . . . . . . . . . . . . . . . . 427
19.3.2 OTDOA Performance and Practical Considerations . . . . . . . . . . 430
19.4 Cell-ID-based Positioning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 431
19.4.1 Basic CID Positioning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 431
19.4.2 Enhanced CID Positioning using Round Trip Time and UE Receive
Level Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 431
19.4.3 Enhanced CID Positioning using Round Trip Time and Angle of
Arrival . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 432
19.5 LTE Positioning Protocols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 433
19.6 Summary and Future Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 435
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 436
20 The Radio Propagation Environment 437
Juha Ylitalo and Tommi Jämsä
20.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 437
20.2 SISO and SIMO Channel Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 438
20.2.1 ITU Channel Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 439
20.2.2 3GPP Channel Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 440
20.2.3 Extended ITU Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 440
20.3 MIMO Channel Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 441
20.3.1 SCM Channel Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 442
20.3.2 SCM-Extension Channel Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 444
20.3.3 WINNER Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 445
20.3.4 LTE Evaluation Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 446
20.3.5 Extended ITU Models with Spatial Correlation . . . . . . . . . . . . 448
20.3.6 ITU Channel Models for IMT-Advanced . . . . . . . . . . . . . . . 449
20.3.7 Comparison of MIMO Channel Models . . . . . . . . . . . . . . . . 453
20.4 Radio Channel Implementation for Conformance Testing . . . . . . . . . . . 454
20.4.1 Performance and Conformance Testing . . . . . . . . . . . . . . . . 454
20.4.2 Future Testing Challenges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 454
20.5 Concluding Remarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 455
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 455
21 Radio Frequency Aspects 457
Moray Rumney, Takaharu Nakamura, Stefania Sesia, Tony Sayers and Adrian Payne
21.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 457
21.2 Frequency Bands and Arrangements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 459
21.3 Transmitter RF Requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 462
21.3.1 Requirements for the Intended Transmissions . . . . . . . . . . . . . 462
21.3.2 Requirements for Unwanted Emissions . . . . . . . . . . . . . . . . 467
21.3.3 Power Amplifier Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 471
21.4 Receiver RF Requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 474
21.4.1 Receiver General Requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 474
21.4.2 Transmit Signal Leakage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 475
21.4.3 Maximum Input Level . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 477
21.4.4 Small Signal Requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 478
21.4.5 Selectivity and Blocking Specifications . . . . . . . . . . . . . . . . 482
21.4.6 Spurious Emissions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 488
21.4.7 Intermodulation Requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 489
21.4.8 Dynamic Range . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 491
21.5 RF Impairments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 492
21.5.1 Transmitter RF Impairments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 492
21.5.2 Model of the Main RF Impairments . . . . . . . . . . . . . . . . . . 495
21.6 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 500
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 501
22 Radio Resource Management 503
Muhammad Kazmi
22.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 503
22.2 Cell Search Performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 505
22.2.1 Cell Search within E-UTRAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 505
22.2.2 E-UTRAN to E-UTRAN Cell Global Identifier Reporting
Requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 509
22.2.3 E-UTRAN to UTRAN Cell Search . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 510
22.2.4 E-UTRAN to GSM Cell Search . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 511
22.2.5 Enhanced Inter-RAT Measurement Requirements . . . . . . . . . . . 512
22.3 Mobility Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 513
22.3.1 E-UTRAN Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 513
22.3.2 UTRAN Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 514
22.3.3 GSM Measurements: GSM Carrier RSSI . . . . . . . . . . . . . . . 516
22.3.4 CDMA2000 Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 516
22.4 UE Measurement Reporting Mechanisms and Requirements . . . . . . . . . 516
22.4.1 E-UTRAN Event Triggered Reporting Requirements . . . . . . . . . 517
22.4.2 Inter-RAT Event-Triggered Reporting . . . . . . . . . . . . . . . . . 517
22.5 Mobility Performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 518
22.5.1 Mobility Performance in RRC_IDLE State . . . . . . . . . . . . . . 518
22.5.2 Mobility Performance in RRC_CONNECTED State . . . . . . . . . 522
22.6 RRC Connection Mobility Control Performance . . . . . . . . . . . . . . . . 525
22.6.1 RRC Connection Re-establishment . . . . . . . . . . . . . . . . . . 525
22.6.2 Random Access . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 525
22.7 Radio Link Monitoring Performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 526
22.7.1 In-sync and Out-of-sync Thresholds . . . . . . . . . . . . . . . . . . 526
22.7.2 Requirements without DRX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 527
22.7.3 Requirements with DRX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 527
22.7.4 Requirements during Transitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 527
22.8 Concluding Remarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 528
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 529
23 Paired and Unpaired Spectrum 531
Nicholas Anderson
23.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 531
23.2 Duplex Modes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 532
23.3 Interference Issues in Unpaired Spectrum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 533
23.3.1 Adjacent Carrier Interference Scenarios . . . . . . . . . . . . . . . . 535
23.3.2 Summary of Interference Scenarios . . . . . . . . . . . . . . . . . . 543
23.4 Half-Duplex System Design Aspects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 544
23.4.1 Accommodation of Transmit–Receive Switching . . . . . . . . . . . 544
23.4.2 Coexistence between Dissimilar Systems . . . . . . . . . . . . . . . 547
23.4.3 HARQ and Control Signalling for TDD Operation . . . . . . . . . . 548
23.4.4 Half-Duplex FDD (HD-FDD) Physical Layer Operation . . . . . . . 551
23.5 Reciprocity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 552
23.5.1 Conditions for Reciprocity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 554
23.5.2 Applications of Reciprocity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 558
23.5.3 Summary of Reciprocity Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . 561
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 562
24 Picocells, Femtocells and Home eNodeBs 563
Philippe Godin and Nick Whinnett
24.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 563
24.2 Home eNodeB Architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 564
24.2.1 Architecture Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 564
24.2.2 Functionalities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 565
24.2.3 Mobility . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 566
24.2.4 Local IP Access Support . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 568
24.3 Interference Management for Femtocell Deployment . . . . . . . . . . . . . 569
24.3.1 Interference Scenarios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 570
24.3.2 Network Listen Mode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 574
24.4 RF Requirements for Small Cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 574
24.4.1 Transmitter Specifications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 575
24.4.2 Receiver Specifications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 576
24.4.3 Demodulation Performance Requirements . . . . . . . . . . . . . . . 578
24.4.4 Time Synchronization for TDD Operation . . . . . . . . . . . . . . . 579
24.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 580
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 580
25 Self-Optimizing Networks 581
Philippe Godin
25.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 581
25.2 Automatic Neighbour Relation Function (ANRF) . . . . . . . . . . . . . . . 582
25.2.1 Intra-LTE ANRF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 582
25.2.2 Automatic Neighbour Relation Table . . . . . . . . . . . . . . . . . 583
25.2.3 Inter-RAT or Inter-Frequency ANRF . . . . . . . . . . . . . . . . . . 583
25.3 Self-Configuration of eNodeB and MME . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 584
25.3.1 Self-Configuration of eNodeB/MMEoverS1 . . . . . . . . . . . . . 585
25.3.2 Self-Configuration of IP address and X2 interface . . . . . . . . . . . 585
25.4 Automatic Configuration of Physical Cell Identity . . . . . . . . . . . . . . . 587
25.5 Mobility Load Balancing Optimization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 587
25.5.1 Intra-LTE Load Exchange . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 588
25.5.2 Intra-LTE Handover Parameter Optimization . . . . . . . . . . . . . 589
25.5.3 Inter-RAT Load Exchange . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 590
25.5.4 Enhanced Inter-RAT Load Exchange . . . . . . . . . . . . . . . . . 590
25.6 Mobility Robustness Optimization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 591
25.6.1 Too-Late Handover . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 591
25.6.2 Coverage Hole Detection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 591
25.6.3 Too-Early Handover . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 592
25.6.4 Handover to an Inappropriate Cell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 592
25.6.5 MRO Verdict Improvement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 593
25.6.6 Handover to an Unprepared Cell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 594
25.6.7 Unnecessary Inter-RAT Handovers . . . . . . . . . . . . . . . . . . 594
25.6.8 Potential Remedies for Identified Mobility Problems . . . . . . . . . 595
25.7 Random Access CHannel (RACH) Self-Optimization . . . . . . . . . . . . . 595
25.8 Energy Saving . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 596
25.9 Emerging New SON Use Cases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 597
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 598
26 LTE System Performance 599
Tetsushi Abe
26.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 599
26.2 Factors Contributing to LTE System Capacity . . . . . . . . . . . . . . . . . 599
26.2.1 Multiple Access Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 600
26.2.2 Frequency Reuse and Interference Management . . . . . . . . . . . . 600
26.2.3 Multiple Antenna Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 601
26.2.4 Semi-Persistent Scheduling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 601
26.2.5 Short Subframe Duration and Low HARQ Round Trip Time . . . . . 602
26.2.6 Advanced Receivers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 602
26.2.7 Layer 1 and Layer 2 Overhead . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 602
26.3 LTE Capacity Evaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 603
26.3.1 Downlink and Uplink Spectral Efficiency . . . . . . . . . . . . . . . 605
26.3.2 VoIP Capacity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 608
26.4 LTE Coverage and Link Budget . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 608
26.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 610
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 611
Part V LTE-Advanced 613
27 Introduction to LTE-Advanced 615
Dirk Gerstenberger
27.1 Introduction and Requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 615
27.2 Overview of the Main Features of LTE-Advanced . . . . . . . . . . . . . . . 618
27.3 Backward Compatibility . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 619
27.4 Deployment Aspects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 620
27.5 UE Categories for LTE-Advanced . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 621
28 Carrier Aggregation 623
Juan Montojo and Jelena Damnjanovic
28.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 623
28.2 Protocols for Carrier Aggregation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 624
28.2.1 Initial Acquisition, Connection Establishment and CC Management . 624
28.2.2 Measurements and Mobility . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 625
28.2.3 User Plane Protocols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 628
28.3 Physical Layer Aspects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 631
28.3.1 Downlink Control Signalling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 631
28.3.2 Uplink Control Signalling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 636
28.3.3 Sounding Reference Signals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 642
28.3.4 Uplink Timing Advance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 642
28.3.5 Uplink Power Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 642
28.3.6 Uplink Multiple Access Scheme Enhancements . . . . . . . . . . . . 644
28.4 UE Transmitter and Receiver Aspects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 648
28.4.1 UE Transmitter Aspects of Carrier Aggregation . . . . . . . . . . . . 648
28.4.2 UE Receiver Aspects of Carrier Aggregation . . . . . . . . . . . . . 648
28.4.3 Prioritized Carrier Aggregation Scenarios . . . . . . . . . . . . . . . 649
28.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 650
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 650
29 Multiple Antenna Techniques for LTE-Advanced 651
Alex Gorokhov, Amir Farajidana, Kapil Bhattad, Xiliang Luo and Stefan Geirhofer
29.1 Downlink Reference Signals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 651
29.1.1 Downlink Reference Signals for Demodulation . . . . . . . . . . . . 652
29.1.2 Downlink Reference Signals for Estimation of Channel State
Information (CSI-RS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 654
29.2 Uplink Reference Signals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 657
29.2.1 Uplink DeModulation Reference Signals (DM-RS) . . . . . . . . . . 657
29.2.2 Sounding Reference Signals (SRSs) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 658
29.3 Downlink MIMO Enhancements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 659
29.3.1 Downlink 8-Antenna Transmission . . . . . . . . . . . . . . . . . . 659
29.3.2 Enhanced Downlink Multi-User MIMO . . . . . . . . . . . . . . . . 661
29.3.3 Enhanced CSI Feedback . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 662
29.4 Uplink Multiple Antenna Transmission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 666
29.4.1 Uplink SU-MIMO for PUSCH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 666
29.4.2 Uplink Transmit Diversity for PUCCH . . . . . . . . . . . . . . . . 668
29.5 Coordinated MultiPoint (CoMP) Transmission and Reception . . . . . . . . . 669
29.5.1 Cooperative MIMO Schemes and Scenarios . . . . . . . . . . . . . . 669
29.6 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 671
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 671
30 Relaying 673
Eric Hardouin, J. Nicholas Laneman,
Alexander Golitschek, Hidetoshi Suzuki, Osvaldo Gonsa
30.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 673
30.1.1 What is Relaying? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 673
30.1.2 Characteristics of Relay Nodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 675
30.1.3 Protocol Functionality of Relay Nodes . . . . . . . . . . . . . . . . . 676
30.1.4 Relevant Deployment Scenarios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 677
30.2 Theoretical Analysis of Relaying . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 679
30.2.1 Relaying Strategies and Benefits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 679
30.2.2 Duplex Constraints and Resource Allocation . . . . . . . . . . . . . 683
30.3 Relay Nodes in LTE-Advanced . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 684
30.3.1 Types of RN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 684
30.3.2 Backhaul and Access Resource Sharing . . . . . . . . . . . . . . . . 685
30.3.3 Relay Architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 687
30.3.4 RN Initialization and Configuration . . . . . . . . . . . . . . . . . . 689
30.3.5 Random Access on the Backhaul Link . . . . . . . . . . . . . . . . . 690
30.3.6 Radio Link Failure on the Backhaul Link . . . . . . . . . . . . . . . 690
30.3.7 RN Security . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 690
30.3.8 Backhaul Physical Channels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 691
30.3.9 Backhaul Scheduling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 696
30.3.10 Backhaul HARQ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 698
30.4 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 699
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 699
31 Additional Features of LTE Release 10 701
Teck Hu, Philippe Godin and Sudeep Palat
31.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 701
31.2 Enhanced Inter-Cell Interference Coordination . . . . . . . . . . . . . . . . . 701
31.2.1 LTE Interference Management . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 703
31.2.2 Almost Blank Subframes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 703
31.2.3 X2 Interface Enhancements for Time-Domain ICIC . . . . . . . . . . 705
31.2.4 UE Measurements in Time-Domain ICIC Scenarios . . . . . . . . . . 706
31.2.5 RRC Signalling for Restricted Measurements . . . . . . . . . . . . . 708
31.2.6 ABS Deployment Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 709
31.3 Minimization of Drive Tests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 710
31.3.1 Logged MDT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 711
31.3.2 Immediate MDT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 712
31.4 Machine-Type Communications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 712
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 714
32 LTE-Advanced Performance and Future Developments 715
Takehiro Nakamura and Tetsushi Abe
32.1 LTE-Advanced System Performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 715
32.2 Future Developments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 718
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 720
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