introduction to 3gpp lte technology

19
1 Introduction to 3GPP LTE Technology 1 1. Introduction Stream video applications and Internet connected consumer devices, along with flatrate pricing strategy, contribute toward fast growing demand of mobile data services for cellular industry. 3G HSPA operators may experience tremendous increase of data traffic in 2007 and 2008, to push the demand of allIP cellular technology. 3G longterm evolution (LTE) has been developed to satisfy the market need. LTE is an allIP wireless network based on orthogonal frequency division multiplexing (OFDM), and over current 3G spectrum as well as new spectrum (2.6G Hz band and digital dividend spectrum at 700M Hz) or refarmed GSM band with bandwidth from 1.4M Hz to 20M Hz. To support multimedia broadcast and multicast services (MBMS), LTE may transmits multicast/broadcast over a single frequency network (MBSFN). Although 3G technology is based on WCDMA, LTE adopts OFDM with advantages in high spectral efficiency but sensitive to phase noise caused by channel fading etc. The multiple access of LTE is OFDM with cyclic prefix in the downlink and singlecarrier FDMA (SCFDMA) in the uplink. Both FDD and TDD modes are supported. The modulations in the downlink (DL) and uplink (UL) are QPSK, 16QAM, and 64 QAM. The physical channels defined in the downlinks include Physical Downlink Shared Channel (PDSCH) Physical Multicast Channel (PMCH) Physical Downlink Control Channel (PDCCH) Physical Broadcast Channel (PBCCH) Physical Control Format Indicator Channel (PCFICH) Physical Hybrid ARQ Indicator Channel (PHICH) The physical channels defined in the uplink include 1 This article summarized from references is prepared for the course of Mobile Communications at the National Taiwan University, and is authored by Dr. KwangCheng Chen, IEEE Fellow and Distinguished Professor, Graduate Institute of Communication Engineering and Department of Electrical Engineering, National Taiwan University. Email: [email protected]

Upload: binary11

Post on 22-Oct-2015

36 views

Category:

Documents


3 download

DESCRIPTION

Introduction to 3GPP LTE Technology

TRANSCRIPT

Page 1: Introduction to 3GPP LTE Technology

 

1  

Introduction to 3GPP LTE Technology1 

1. Introduction 

 

Stream  video  applications  and  Internet  connected  consumer  devices,  along  with 

flat‐rate  pricing  strategy,  contribute  toward  fast  growing  demand  of mobile  data 

services  for  cellular  industry.  3G  HSPA  operators  may  experience  tremendous 

increase  of  data  traffic  in  2007  and  2008,  to  push  the  demand  of  all‐IP  cellular 

technology. 3G  long‐term evolution  (LTE) has been developed  to satisfy  the market 

need.  LTE  is  an  all‐IP  wireless  network  based  on  orthogonal  frequency  division 

multiplexing (OFDM), and over current 3G spectrum as well as new spectrum (2.6G 

Hz  band  and  digital  dividend  spectrum  at  700M Hz)  or  refarmed GSM  band with 

bandwidth from 1.4M Hz to 20M Hz. To support multimedia broadcast and multicast 

services  (MBMS),  LTE may  transmits multicast/broadcast  over  a  single  frequency 

network (MBSFN). 

 

Although 3G technology  is based on WCDMA, LTE adopts OFDM with advantages  in 

high  spectral efficiency but  sensitive  to phase noise  caused by  channel  fading etc. 

The  multiple  access  of  LTE  is  OFDM  with  cyclic  prefix  in  the  downlink  and 

single‐carrier  FDMA  (SC‐FDMA)  in  the  uplink.  Both  FDD  and  TDD  modes  are 

supported. The modulations in the downlink (DL) and uplink (UL) are QPSK, 16QAM, 

and 64 QAM.   

 

The physical channels defined in the downlinks include 

 

Physical Downlink Shared Channel (PDSCH) 

Physical Multicast Channel (PMCH) 

Physical Downlink Control Channel (PDCCH) 

Physical Broadcast Channel (PBCCH) 

Physical Control Format Indicator Channel (PCFICH) 

Physical Hybrid ARQ Indicator Channel (PHICH) 

 

The physical channels defined in the uplink include 

 

                                                       1  This article summarized from references is prepared for the course of Mobile Communications at the National Taiwan University, and is authored by Dr. Kwang‐Cheng Chen, IEEE Fellow and Distinguished Professor, Graduate Institute of Communication Engineering and Department of Electrical Engineering, National Taiwan University. Email: [email protected]     

Page 2: Introduction to 3GPP LTE Technology

 

2  

Physical Random Access Channel (PRACH) 

Physical Uplink Shared Channel (PUSCH) 

Physical Uplink Control Channel (PUCCH) 

 

There are several physical layer procedures involved with LTE operation: 

 

Cell search 

Power control 

Uplink synchronization and uplink timing control 

Random access related procedures 

HARQ related procedures 

 

Radio characteristics are measured by UE and eNode‐B, and reported to the network, 

such as measurements for  intra‐ and  inter‐frequency handover,  inter RAT handover, 

timing, and measurement for RRA.   

 

 Figure 1: Radio Interface Protocol Architecture [1] 

 

2. Single‐Carrier FDMA 

 

Although OFDM  is  sensitive  to  phase  noise,  its  advantage  for  simple  equalization 

over  frequency‐selective  fading  channels  introduces  great  attraction  to  wireless 

broadband communications  requiring high  spectral efficiency. The multiuser OFDM 

or  known  as  orthogonal  frequency  division multiple  access  (OFDMA)  is  therefore 

widely considered and adopted  in all‐IP broadband wireless systems. OFDM(A) type 

systems suffer from peak‐to‐average‐ratio (PAPR) problem and phase noise caused by 

fading and other  issues. A slightly modified OFDMA has been proposed for the PHY 

of  LTE,  known  as  single‐carrier  frequency  division  (or  domain)  multiple  access 

(SC‐FDMA). For SC‐FDMA, the time‐domain data is transformed to frequency domain 

by DFT prior to modulation, to result in another name as DFT‐spread OFDMA. Figure 

Page 3: Introduction to 3GPP LTE Technology

 

3  

2 illustrates this slight difference between SC‐FDMA and OFDMA.   

 

Figure 2: SC‐FDMA vs. OFDMA [6] 

 

There  are  several ways  to  transmitted  symbols  to  SC‐FDMA  sub‐carriers,  and  two 

categories are of most  interests as Figure 3.  In  the distributed  subcarrier mapping 

mode, DFT outputs of  the  input data are allocated over  the entire bandwidth with 

zeros occupying the unused subcarriers resulting  in a non‐continuous comb‐shaped 

spectrum.  Interleaved SC‐FDMA (IFDMA)  is an  important special case of distributed 

SC‐FDMA.  In contrast with  IFDMA, consecutive subcarriers are occupied by the DFT 

outputs of the input data in the localized subcarrier mapping mode, which results in 

a  continuous  spectrum  that  occupies  a  fraction  of  the  total  available  bandwidth. 

Subcarrier  mapping  methods  are  further  implemented  as  static  and  channel 

dependent scheduling (CDS) methods. CDS assigns subcarriers to users according to 

the  individual  channel  frequency  response  of  each  user.  For  both  scheduling 

methods, distributed  subcarrier mapping provides  frequency diversity because  the 

transmitted  signal  is  spread over  the entire bandwidth. With distributed mapping, 

CDS incrementally improves performance. On the other hand, CDS is of great benefit 

with localized subcarrier mapping because its significant multi‐user diversity order.   

 

Page 4: Introduction to 3GPP LTE Technology

 

4  

 

Figure 3: Sub‐carrier Mapping of SC‐FDMA [6] 

 

For  OFDMA,  data  are  conveyed  at  each  sub‐carrier,  and  equalization  and  data 

detection  are  executed  at  each  sub‐carrier,  likely  in  frequency  domain.  A  null  in 

spectrum  can  severely degrade  the  system performance, and  channel  coding with 

power/rate control would be necessary. For SC‐FDMA, channel equalization  is also 

realized  in  the  frequency  domain  but  data  detection  is  performed  after  the 

frequency  domain  equalized  data  is  converted back  to  time  domain  by  IDFT.  It  is 

therefore more  robust  to  spectral  nulls  compared  to  OFDMA  since  the  noise  is 

averaged  out  over  the  entire  bandwidth.  Additional  disadvantages  of  OFDMA 

compared  to  SC‐FDMA  are  the  high  sensitivity  to  phase  noise  caused  by  carrier 

frequency  offset  and  strong  sensitivity  to  nonlinear  distortion  from  the  power 

amplifier  due  to  the  high  PAPR,  while  these  are  inherent  properties  of  the 

multicarrier nature for OFDMA.   

 

The  next  issue  plays  an  important  role  in  OFDM  type  systems,  that  is, 

peak‐to‐average‐power‐ratio (PAPR), which is particularly critical for a large number 

of sub‐carriers (good for high mobility) and a high‐dimensional signaling. Given a 5M 

Hz  bandwidth,  Figure  4  depicts  PAPR  for  different  realizations  of  SC‐FDMA  and 

OFDMA. SC‐FDMA signals indeed have lower PAPR than OFDMA signals. In the mean 

time, LFDMA incurs higher PAPR compared to IFDMA but lower to OFDMA. Another 

interesting  observation  is  that  pulse  shaping  significantly  increases  the  PAPR  of 

IFDMA. A pulse shaping filter should be designed carefully in order to limit the PAPR 

without  degrading  the  system  performance.  Generally  speaking,  IFDMA  is  more 

desirable than LFDMA  in terms of PAPR and power efficiency. However,  in terms of 

system  throughput, LFDMA  is clearly superior when channel‐dependent scheduling 

(CDS)  is utilized [6]. CDS determines the allocation of time and frequency resources 

fairly  among  users  while  achieving  multi‐user  diversity  and  frequency  selective 

diversity.  It  is  common  to  introduce  utility‐based  scheduling  where  utility  is  an 

economic  concept  representing  level  of  satisfaction.  The  selection  of  a  utility 

measure influences the tradeoff between overall efficiency and fairness among users. 

Two different utility functions are commonly considered: aggregate user throughput 

Page 5: Introduction to 3GPP LTE Technology

 

5  

for  maximizing  system  capacity  and  aggregate  logarithmic  user  throughput  for 

maximizing  proportional  fairness.  The  objective  is  to  find  an  optimum  chunk 

assignment for all users in order to maximize the sum of user utility at each transmit 

time interval (TTI). In practice, the units of resource allocation are chunks, which are 

disjoint  sets  of  subcarriers.  As  a  practical  matter  chunk‐based  transmission  is 

desirable since  the  input data symbols are grouped  into a block  for DFT operation 

before subcarrier mapping. The CDS completes through optimization, which usually 

involves great complexity.   

 

Figure  4:  Complementary  Cumulative  Distribution  Function  of  PAPR  for  IFDMA, 

LFDMA, and OFDMA with M = 256 system subcarriers, N = 64 subcarriers per user, 

and a = 0.5 rolloff factor; (a) QPSK; (b) 16‐QAM [6] 

 

3. Physical Layer of 3G LTE 

 

Physical layer of 3G LTE basically adopts OFDMA (or just OFDM) for the downlink and 

SC‐FDMA for the uplink.   

 

3.1 Frame Structure 

 

LTE frames are of 10 msec duration as shown in Figure 5. Each frame is divided into 

10 subframes, and each subframe has 1.0 msec duration. Each subframe  is  further 

divided into two slots, each of 0.5 msec duration. Slots consist of either 6 or 7 ODFM 

symbols, depending on whether the normal or extended cyclic prefix is employed. 

Page 6: Introduction to 3GPP LTE Technology

 

6  

0 1 2 3 10 11 20… …

0 1 2 3 4 5 6

Cyclic Prefix

1 Frame (10 msec)

1 Sub‐Frame(1 msec) 1 slot

(0.5 msec)

7 OFDM Symbols with short cyclic prefix

 Figure 5: LTE Genetic Frame Structure 

 

Based  on  the  frame  structure,  LTE  operation  relies  on  the  concept  of  physical 

resource block (PRB). A PRB is defined as consisting of 12 consecutive subcarriers for 

one slot (0.5 msec) in duration. A PRB is the smallest element of resource allocation 

assigned by  the base  station  scheduler.  In practical operation,  the bandwidth  and 

PRBs have the following relationship as Table 1.   

 

Bandwidth (M Hz)  1.25  2.5  5  10  15  20 

Sub‐carrier Bandwidth (kHz)  15 

Physical  Resource  Block 

(PRB) Bandwidth (k Hz) 

180 

Number of Available PRBs  6  12  25  50  75  100 

Table 1: Available (Downlink) Bandwidth v.s. Physical Resource Blocks 

 

3.2 Slot structure and physical resources in uplink 

 

3.2.1 Resource grid 

The  transmitted  signal  in  each  slot  is  described  by  a  resource  grid  of  UL RBRB scN N  

subcarriers and  ULsymbN SC‐FDMA symbols. The resource grid  is  illustrated  in Figure 6. 

Page 7: Introduction to 3GPP LTE Technology

 

7  

The quantity  ULRBN   depends on the uplink transmission bandwidth configured in the 

cell and shall fulfill 

min, max,UL UL ULRB RB RBN N N  

where  min, 6ULRBN   and  max, 110UL

RBN   is the smallest and largest uplink bandwidth , 

respectively,  supported  by  the  current  version  of  this  specification.  The  set  of 

allowed values  for  ULRBN   is given by  [6]. The number of SC‐FDMA symbols  in a slot 

depends on the cyclic prefix length configured by higher layers and is given in Table 2. 

subc

arri

ers

UL

RB

RB

scN

N

subc

arri

ers

RB

scN

One uplink slot slotT

SC-FDMA symbolsULsymbN

1UL RBRB sck N N

Resource block resource elementsUL RBsymb scN N

Resource element ( , )k l

0l 1ULsymbl N

0k

:

:

 Figure 6: Uplink Resource Grid 

Page 8: Introduction to 3GPP LTE Technology

 

8  

 

3.2.2 Resource elements 

Each  element  in  the  resource  grid  is  called  a  resource  element  and  is  uniquely 

defined  by  the  index  pair  ( , )k l   in  a  slot  where 

0,..., 1 and 0,..., 1UL RB ULRB sc symbk N N l N   are the  indices  in the  frequency and time 

domain,  respectively.  Resource  element  ( , )k l   corresponds  to  the  complex  value 

,k la . Quantities  ,k la   corresponding to resource elements not used for transmission 

of a physical channel or a physical signal in a slot shall be set to zero. 

 

3.2.3 Resource blocks 

A physical resource block  is defined as  ULsymbN   consecutive SC‐FDMA symbols  in the 

time  domain  and  RBscN   consecutive  subcarriers  in  he  frequency  domain,  where 

ULsymbN   and  RB

scN   are given by Table 2. A physical  resource block  in  the uplink  thus 

consists of  UL RBsymb scN N   resource  elements,  corresponding  to one  cost  in  the  time 

domain and 180 kHz in the frequency domain. 

Table 2: Resource block parameters. 

Configuration RBscN

ULsymbN

Normal cyclic prefix 12 7

Extended cyclic prefix 12 6

 

The relation between the physical resource block number  PRBn   in the frequency 

domain and resource element  ( , )k l   in a slot is given by 

PRB RBsc

kn

N

 

 

3.3 Slot structure and physical resource elements in downlink 

 

3.3.1 Resource grid 

The  transmitted  signal  in  each  slot  is  described  by  a  resource  grid  of  DL RBRB scN N  

Page 9: Introduction to 3GPP LTE Technology

 

9  

subcarriers  and  DLsymbN OFDM  symbols.  The  resource  gird  structure  is  illustrated  in 

Figure  7.  The  quantity  DLRBN   depends  on  the  downlink  transmission  bandwidth 

configured in the cell and shall fufil 

min, max,DL DL DLRB RB RBN N N  

where  min, 6DLRBN   and  max, 110DL

RBN are  the  smallest  and  largest  downlink 

bandwidth ,respectively, supported by the current version of this specification. 

 

The set of allowed values for  DLRBN   is given by [6]. The number of OFDM symbols in 

a  slot depends on  the cyclic prefix  length and  subcarrier spacing configured and  is 

given in Table 3. 

 

In case of multi‐antenna transmission, there is on resource gird defined per antenna 

port.  An  antenna  port  is  defined  by  its  associated  reference  signal.  The  set  of 

antenna ports supported depends on the reference signal configuration in the cell: 

- Cell‐specific  reference  signals,  associated  with  non‐MBSFN  transmission, 

support a configuration of one, two, or four antenna ports and the antenna 

port number  p   shall fufil  0, {0,1}, and {0,1,2,3}p p p ,respectively. 

- MBSFN  reference  signals,  associated  with  MBSFN  transmission  are 

transmitted on antenna port  4p  

- UE‐specific reference signals are transmitted on antenna port  5p  

 

3.3.2 Resource elements 

Each elements in the resource gird for antenna port  p   is called a resource element 

and  is  uniquely  identified  by  the  index  pair  ( , )k l   in  a  slot  where 

0,..., 1DL RBRB sck N N and  0,..., 1DL

symbl N are  the  indices  in  the  frequency and  time 

domain, respectively. Resource element  ( , )k l   on antenna port  p   corresponds to 

the complex value ( ),p

k la . When there is no risk for confusion, or no particular antenna 

port is specified, the index  p may be dropped. 

Page 10: Introduction to 3GPP LTE Technology

 

10  

subc

arri

ers

DL

RB

RB

scN

N su

bcar

rier

sR

Bsc

N

One downlink slot slotT

OFDM symbolsDLsymbN

1DL RBRB sck N N

Resource block resource elementsDL RBsymb scN N

Resource element ( , )k l

0l 1DLsymbl N

0k

:

:

 

Figure 7: Downlink Resource Grid 

 

3.3.3 Resource blocks 

Resource blocks  are used  to describe  the mapping of  certain physical  channels  to 

resource elements. Physical and virtual resource blocks are defined 

 

A physical resource block is defined as  DLsymbN   consecutive OFDM symbols in the time 

Page 11: Introduction to 3GPP LTE Technology

 

11  

domain and  RBscN   consecutive subcarriers  in  the  frequency domain, where    DL

symbN  

and  RBscN     are  given  by  Table  3.  A  physical  resource  block  thus  consists  of 

DL RBsymb scN N resource  elements,  corresponding  to  one  slot  in  the  time  domain  and 

180 kHz in the frequency domain. 

 

Physical resource blocks are numbered  from 0 to 1DLRBN   in the  frequency domain. 

The  relation  between  the  physical  resource  block  number  PRBn   in  the  frequency 

domain and resource elements  ( , )k l   in a slot is given by 

PRB RBsc

kn

N

 

Table 3: Physical resource blocks parameters. 

Configuration RBscN

DLsymbN

Normal cyclic prefix 15kHzf 12

7

Extended cyclic prefix 15kHzf 6

Extended cyclic prefix 7.5kHzf 24 3

 

A  virtual  resource  block  is  of  the  same  size  as  a  physical  resource  block.  Virtual 

resource  blocks  are  numbered  from  0  to  1DLRBN .  Two  types  of  virtual  resource 

blocks are defined: 

 

Virtual resource blocks of localized type 

Virtual resource blocks of distributed type 

 

Virtual  resource  blocks  of  localized  type  are mapped  directly  to  physical  resource 

blocks such that virtual resource block  PRB VRBn n . 

 

Virtual  resource  blocks  of  disturbed  type  are mapped  to  physical  resource  blocks 

such  that  virtual  resource  block  VRBn   corresponds  to  physical  resource  block 

Page 12: Introduction to 3GPP LTE Technology

 

12  

( , )PRB VRB sn f n n ,where  sn   is  the  slot  number  within  a  radio  frame.  The 

virtual‐to‐physical resource block mapping is different in the two slots of a subframe. 

 

3.3.4 Resource‐elements groups 

Resource‐element groups are sued  for defining  the mapping of control channels  to 

resource  elements.  A  resource‐elements  group  is  represented  by  the  index  pair 

' '( , )k l   of  the  resource  elements  with  the  lowest  index  k  in  the  group  with  all 

resource  elements  in  the  group  having  the  same  value  of  l .  The  set  of  resource 

elements  ( , )k l   in a resource‐element group depends on the number of cell‐specific 

reference singles configured as described below with  0 ,0RB DLPRB sc PRB RBk n N n N . 

 

In  the  first  OFDM  symbol  of  the  firs  slot  in  a  subframe  the  two 

resource  –element  groups  in  physical  resource  block  PRBn   consist  of 

resource  elements  ( , 0)k l   with  0 0 00, 1,..., 5k k k k and 

0 0 06, 7,..., 11k k k k , respectively 

In the second OFDM symbol of the  first slot  in a subframe  in case one or 

two cell‐specific reference signals configured , the three resource‐element 

groups in physical resource block  ( , 1)k l   with  0 0 00, 1,..., 3k k k k , 

0 0 04, 5,..., 7k k k k and  0 0 08, 9,..., 11k k k k ,respectively. 

In the second OFDM symbol of the first slot  in a subframe  in case of four 

cell‐specific reference signals configured, the two resource element groups 

in  physical  resource  block  PRBn   consist  of  resource  elements  ( , 1)k l  

with  0 0 00, 1,..., 5k k k k and  0 0 06, 7,..., 11k k k k , 

respectively 

In  the  third  OFDM  symbol  of  the  first  slot  in  a  subframe,  the  three 

resource‐element  groups  in  physical  resource  block  PRBn   consist  of 

resource  elements  ( , 2)k l   with  0 0 00, 1,..., 3k k k k , 

Page 13: Introduction to 3GPP LTE Technology

 

13  

0 0 04, 5,..., 7k k k k and  0 0 08, 9,..., 11k k k k ,respectively. 

 

Mapping  of  a  symbol‐quadruplet  ( ), ( 1), ( 2), ( 3)z i z i z i z i   onto  a 

resource‐element  group  represented  by  resource‐element  ' '( , )k l   is  defined  such 

that  elements  ( )z i   are  mapped  to  resource  elements  ( , )k l   of  the 

resource‐element  group  not  used  for  cell‐specific  reference  signals  in  increasing 

order  of  and i k .  In  case  a  single  cell‐specific  reference  signal  is  configured, 

cell‐specific reference signal shall be assumed to be present on antenna port 0 and 1 

for  the  purpose  of  mapping  a  symbol‐quadruplet  to  a  resource‐element  group, 

otherwise the number of cell‐specific reference signals shall be assumed equal to the 

actual number of antenna ports used for cell‐specific reference signals. 

 

For half‐duplex FDD operation, a guard period  is created by the UE by not receiving 

the last part of a downlink subframe immediately preceding an uplink subframe from 

the same UE. For frame structure type2, the GP field serves as a guard period. 

 

3.4 PHY Operation 

 

The following figure summarizes the physical channel processing for the downlink as 

an example of PHY operation. The scrambling sequence generator  is  initiated at the 

start of each  sub‐frame depending on  the  transport channel  type. The modulation 

can be QPSK, 16QAM, and 64QAM. Layer mapping can be trivial for single antenna. 

For  spatial multiplexing  and  transmit diversity,  layer mapping  can be employed by 

appropriate definition of number of  layers and code words. Pre‐coder takes a block 

of vectors from layer mapping to generate a block of vectors mapped onto resources 

on each antenna port.   

 

Figure 8: Physical Channel Processing (Downlink) 

 

To ensure successful signal reception of high mobility, data‐aided channel estimation 

Page 14: Introduction to 3GPP LTE Technology

 

14  

is needed with reference signals.   

 Figure 9: LTE Reference Signal Arrangement [5] 

 

3G  LTE  allows MIMO  transmission.  The  receiver  therefore  has  to  execute  further 

channel estimation to compute channel response, through sequentially transmitting 

known reference signals from each antenna as the following figure.   

 Figure  10:  Reference  Signals  Transmitted  Sequentially  to  Compute  Channel 

Responses for MIMO Operation 

 

4. 3G LTE Radio Access 

 

Figure 11 depicts  the basic protocol  structure of  LTE.  LTE uses  channel dependent 

scheduling (CDS).   

Page 15: Introduction to 3GPP LTE Technology

 

15  

 

Figure 11: Simplified LTE Protocol Structure [9] 

 

The uplink and downlink of LTE are orthogonal. The LTE system performance (such as 

spectrum efficiency or data rates) is more limited by interference, especially near the 

cell  edge.  Uplink  power  control  is  one  of  the mechanisms  to  reduce/control  the 

inter‐cell  interference.  LTE  uplink  power  control  supports  fractional  path‐loss 

compensation, which  implies users near  the cell border use  relatively  less  transmit 

power. Inter‐cell interference coordination (ICIC), as an advanced interference control 

scheme,  is essentially a scheduling strategy to  limit the  inter‐cell  interference [9]. A 

simple method to improve cell‐edge data rates is to restrict the usage of parts of the 

bandwidth  statically,  for example,  through a  reuse  larger  than one.  Such  schemes 

improve the signal‐to‐interference ratios of the used frequencies. However, the loss 

due to reduced bandwidth availability is typically larger than the corresponding gain 

due to higher signal to interference ratio (SIR), leading to an overall loss of efficiency. 

Therefore,  the LTE system supports dynamic  inter‐cell  interference coordination of 

the  scheduling  in  neighboring  cells  such  that  cell‐edge  users  in  different  cells  are 

preferably scheduled on complementary parts of the spectrum when required.   

Page 16: Introduction to 3GPP LTE Technology

 

16  

 

Please note that a major difference from static reuse schemes is that LTE still allows 

for  the entire available spectrum  to be used  in all cells. Bandwidth  restrictions are 

applied  only  when  the  traffic  and  radio  conditions  are  concerned.  Interference 

coordination  can  be  applied  to  both  uplink  and  downlink,  although  with  some 

fundamental  differences  between  these  two  links.  In  the  uplink,  the  interference 

originates  from  several  geographically  separated  terminals,  and  thus,  the  overall 

interference varies over  time with  the  scheduling decisions. On  the other hand,  in 

the downlink, the  interference originates  from the stationary base stations. Hence, 

the observed  interference depends more heavily on  the scheduling decision  in  the 

uplink case, compared to the downlink case, and inter‐cell interference coordination 

can be more suitable to the uplink. In addition, as the LTE interference coordination 

mechanism is based on scheduling restrictions in the frequency domain, it is mainly 

for  relatively narrowband  services not  requiring  the  full  system bandwidth. As  the 

uplink  transmission  power  generally  is  significantly  smaller  than  the  downlink 

transmission  power,  uplink  transmissions  are  likely  narrowband  in  nature  than 

downlink  transmissions.  This  further  indicates  that  inter‐cell  interference 

coordination is primarily used in the uplink. To aid uplink inter‐cell coordination, LTE 

defines  two  indicators  exchanged  among  base  stations:  the  high‐interference 

indicator  and  the  overload  indicator.  The  high‐interference  indicator  provides 

information to neighboring cells about the part of the cell bandwidth upon which the 

cell intends to schedule its cell‐edge users. Because cell‐edge users are susceptible to 

inter‐cell  interference, upon  receiving  the high‐interference  indicator,  a  cell might 

want  to  avoid  scheduling  certain  subsets  of  its  own  users  on  this  part  of  the 

bandwidth.  This  subset  includes  users  close  to  the  cell  that  issues  the 

high‐interference  indicator.  The  overload  indicator  provides  information  on  the 

uplink  interference  level  experienced  in  each  part  of  the  cell  bandwidth.  A  cell 

receiving the overload indicator may reduce the interference generated on some of 

these  resource blocks by adjusting  its  scheduling  strategy,  for example, by using a 

different set of resources, and in this way, improve the interference situation for the 

neighbor cell that issues the overload indicator. 

 

In  the  downlink,  inter‐cell  coordination  implies  restrictions  of  the  transmission 

power  in  some  parts  of  the  transmission  bandwidth.  In  principle,  this  parameter 

could be configured on a static basis; however, as mentioned above, this is not very 

efficient.  Instead  dynamic,  downlink  coordination  is  supported  through  the 

definition of a relative narrowband transmission‐power  indicator. A cell can provide 

this  information to neighboring cells,  indicating the part of the bandwidth where  it 

Page 17: Introduction to 3GPP LTE Technology

 

17  

intends to  limit the transmission power. A base station receiving the  indication can 

schedule  its downlink transmissions within this band, reducing the output power or 

completely  releasing  the  resources  on  complementary  parts  of  the  spectrum.  A 

crucial part of  the  supported  inter‐cell‐interference  coordination  scheme  in  LTE  is 

that  full‐frequency  reuse  in neighboring cells  is possible. Both uplink and downlink 

inter‐cell  interference  coordination  strategies  benefit  from  knowledge  about  the 

radio‐wise position of a terminal relative to neighbor cells. 

 

5. Core Network 

 

The evolved 3GPP system is hybrid mobile network architecture to support multiple 

radio access technologies and multiple mobility mechanisms, as Figure 12 showing. 

 

Figure 12: Simplified Evolved 3GPP Network Architecture [10] 

 

Evolved  packet  system  (EPS)  provides  access  network  operators  and  service 

operators with a  set of  tools  to enable  service and  subscriber differentiation  [11], 

which is important as operators are moving from a single to a multi‐service offering 

at  the  same  time  as  both  the  number  of mobile  broadband  subscribers  and  the 

traffic volume per subscriber  is rapidly  increasing. The bearer plays a central role  in 

the  EPS  QoS  concept  and  provides  the  level  of  granularity  for  bearer‐level  QoS 

control  (that  is,  all  packet  flows  mapped  to  the  same  bearer  receive  the  same 

packet‐forwarding treatment). The network‐initiated QoS control paradigm specified 

Page 18: Introduction to 3GPP LTE Technology

 

18  

in  EPS  is  facilitated  by  a  set  of  signaling  procedures  for  managing  bearers  and 

controlling their QoS assigned by the network. Such EPS QoS concept is class‐based, 

where each bearer  is  assigned one  and only one QoS  class  identifier  (QCI) by  the 

network.  The  QCI  is  a  scalar  used  within  the  access  network  as  a  reference  to 

node‐specific parameters that control packet forwarding operations. This class‐based 

approach, together with the network‐initiated QoS control paradigm, gives network 

operators  full control over  the QoS provided  for  its offered services  for each of  its 

subscriber groups. 

 

Figure 13: Bearer and Associated QoS Parameters [11] 

 

6. LTE‐Advanced 

 

As of  June 2009, LTE‐Advanced as a new evolution of LTE  is still  in early stage. The 

technology of interests includes   

 

Carrier aggregation to form a larger overall bandwidth up to 100M Hz 

Relay to improve coverage and to reduce deployment cost 

Extending multi‐antenna  transmission  by  increasing  the  number  of  downlink 

transmission  layers  to 8 and  the number of uplink  transmission  layer  to 4,  to 

support higher data rates 

Coordinated multipoint (CoMP) transmission/reception, where transmission and 

reception could be performed jointly across multi‐cell, as an extension of ICIC.   

 

References: 

[1] 3GPP TS 36.201, V8.1.0,  LTE Physical  Layer – General Description  (Release 8), 

Nov. 2007. 

Page 19: Introduction to 3GPP LTE Technology

 

19  

[2] 3GPP  TS  36.211,  V8.2.0,  Physical  Channels  and Modulation  (Release  8), Mar. 

2008. 

[3] 3GPP  TS  36.212,  V8.3.0, Multiplexing  and  Channel  Coding  (Release  8), May 

2008. 

[4] 3GPP TS 36.213, V8.2.0, Physical layer Procedure (Release 8), Mar. 2008. 

[5] J. Zyren, “Overview of the 3GPP Long Term Evolution Physical Layer”, Freescale 

White Paper, July 2007. 

[6] H.G. Myung,  J.  Lim, D.J. Goodman,  “Single  Carrier  FDMA  for Uplink Wireless 

Transmission”, IEEE Vehicular Technology Magazine, vol. 1, no. 3, pp. 30‐38, Sep. 

2006. 

[7] D. Falconer, S.L. Ariyavisitakul, A. Benyamin‐Seeyar, and B. Eidson, “Frequency 

Domain  Equalization  for  Single‐Carrier  Broadband  Wireless  Systems,”  IEEE 

Commun. Mag., vol. 40, no. 4, pp. 58–66, Apr. 2002. 

[8]   H.  Sari,  G.  Karam,  and  I.  Jeanclaude,  “Transmission  Techniques  for  Digital 

Terrestrial TV Broadcasting,”  IEEE Commun. Mag., vol. 33, no. 2, pp. 100–109, 

Feb. 1995. 

[9] D. Astely, E. Dahlman, A. Furuskar, Y. Jading, M. Lindstrom, S. Parkvall, “LTE: The 

Evolution of Mobile Broadband”, IEEE Communications Mag., vol. 47, no. 5, pp. 

44‐51, April 2009. 

[10] A.K.  Salkintzis,  M.  Hammer,  I.  Tanaka,  C.  Wong,  “Voice  Call  Handover 

Mechanisms  in Next Generation  3GPP  Systems”,  IEEE  Communications Mag., 

vol. 47, no. 2, pp. 46‐56, February 2009.   

[11] H.  Ekstrom,  “QoS  Control  in  the  3GPP  Evolved  Packet  System”,  IEEE 

Communications Mag., vol. 47, no. 2, pp. 76‐83, February 2009.