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与3G无线接口一样，LTE也定义了自己的空中接口时域帧结构。图2-12中给出了详细的LTE时域资源结构。
图2-12 LTE时域资源结构
图2-12中还给出了帧、子帧、时隙和OFDM符号结构和相关参数值。LTE无线资源的调度分配在时域上是以子帧为最小单位的，即TTI=1ms，是3G HSPA的时域最小资源调度单位的一半，能大大减少用户的平面数据传输时延。
大家知道，3G无线网络采用正交码来区分不同的物理信道，每个物理信道都固定占用全部的小区物理层带宽，即5MHz，但是LTE无线接口的物理信道是根据它所占用的不同时频资源来区分的，图2-13中详细给出了LTE频域资源块和子载波的结构和定义。
图2-13 LTE频域资源结构
从图2-13可以看出，LTE的每个子载波（Sub-carrier）的带宽是15kHz，每个物理资源块（Physical Resource Block，PRB）在频域包含12个子载波，在时域占用2个时隙（Slot），每个时隙包含7个OFDM符号（Symbol），每个符号时长为0.5ms/7=71.4μs。另外，LTE的最小资源单位（Resource Element，RE）定义为时域占用1个符号周期+频域占用1个15kHz带宽的子载波。LTE无线资源的调度分配在频域上是以PRB为最小单位的，即15kHz×12=180kHz。而且每个物理信道所占用的时频资源都是动态可调整的，一般不会占用整个小区带宽（PDCCH除外）。
实际上，正交频分复用技术（OFDM）早在20世纪60年代就被用于军事通信领域，只是受限于当时的计算机硬件处理速度和能力，OFDM才没有被用于民用通信。进入21世纪以后，受益于计算机硬件处理能力的极大提升和快速傅里叶变换的采用，OFDM技术最终被3GPP采用作为4G-LTE唯一的物理层技术。
正交频分复用技术（OFDM）的基本原理如图2-14所示，它具备以下特性：
● 是 MIMO的黄金搭档；
● 由于采用低频低速子载波，所以时间和频率调度更容易；
● 低接收复杂度；
● 不需要软切换，节省资源；
● 易于采用快速傅里叶变换；
● 有效解决了 3G的两大无线质量难题：
√频率选择性衰落；
√多径传输引起的符号间干扰问题（即 ISI）。
图2-14 OFDM原理示意图
OFDM的基本原理是将高速的数据流分解为N个并行的低速数据流，在N个子载波上同时进行传输。这些在N子载波上同时传输的数据符号，最终叠加构成一个OFDM符号。
详细的OFDM工作原理这里就不再介绍了，有兴趣的读者可以参考相关书籍。
LTE多天线技术可以分为以下几种组合：
● 单天线发射单天线接收（SISO）；
● 多天线发射单天线接收（MISO）；
● 单天线发射多天线接收（SIMO）；
● 多天线发射多天线接收（MIMO）。
采用多天线技术可以获得如下好处。
● 发射分集（Transmit diversity）： 如果发射端不具备接收端反馈回来的关于下行发射物理信道状态的相关信息，而且多个天线发射路径之间没有相关性或低相关性，即发送数据经过多条相互独立的传播路径到达接收端，则发射分集可以抵抗空间衰落（Fading），进而提高数据传输的可靠性，也就是获得分集增益。
● 波束赋型（Transmitter side beam-forming）： 如果发射端具备接收端反馈回来的关于下行发射物理信道状态的相关信息，则动态调整发射天线端口发射信号的相位或幅度，可以让合成的天线辐射方向图主瓣始终指向目标 UE，来提高有用信号强度，并抑制不想要的干扰信号，这称为波束赋型，也就是 3G TD-SCDMA 时代所说的智能天线技术。因为 TDD 模式上下行是对称的，即共用相同频段，而无须终端 UE 反馈，NodeB 就能通过检测上行信道来获得下行信道状态信息。因此，可以说 TDD 模式更适用于波束赋型，即所谓的智能天线技术。
根据发射天线之间是否具备相关性，波束赋型又可以分为经典波束赋型（即只能调整发射信号的相位）和非经典波束赋型（即发射信号的幅度和相位都可以调整，通过矩阵预编码方式调整发射信号）。
● 空分复用（Spatial multiplexing）： 习惯上也称为 MIMO（Multi-Input Multi-Output），参见图 2-15。它通过矩阵预编码解码方法，创建不同的可以被接收方分离的并行空间信道，来同时传输不同的数据流。也就是说，相同的时频资源可以用来传输不同的数据流，从而大大提高频谱使用效率和终端用户数据传输速率。
MIMO具备以下特性和要求：
● 多个独立平行数据流，每根天线应用不同编码处理方式，进而成倍提高数据传输速率；
● 通过不相关天线（天线间距≥10λ=10C/F）；
● 通过 NTx×NRx（理论上）个不相关路径；
● 理论最大速率增加因素=Min（NTx，NRx）；
● 在富散射环境中可提高增益，在直射（LOS）环境中无增益；
● 对于 MIMO 2×2，城市范围内的实际增益可达 1.2～1.5倍；
● 对信噪比（SNR）敏感，即当信噪比恶化时，MIMO 就会降级成波束赋型来提高信噪比。
图2-15 MIMO原理示意图
另外，需要指出的是，发射分集和波束赋型的每个发射天线端口发送的都是同一个用户数据，因此它们只能提高数据传输的可靠性或信号强度，而不能提高用户数据传输速率。一般来说，数据传输的可靠性和信号强度都与发射天线根数成正比关系。也就是说，发射天线根数越多，传输的可靠性越强，信号强度越高。
下面以MIMO2×2为例详细介绍空分复用的工作原理（参见图2-16），其中会提到什么是矩阵预编码（Pre-coding）及为什么需要矩阵预编码处理，什么是码书（Codebook）和为什么需要UE反馈信道信息[Pre-coding Matrix Indication（PMI）&Rank Indication（RI）]。
图2-16 MIMO2×2
1）最优信道矩阵
从图2-16可以看出，最理想的信道传输矩阵 H 应该是：
当传输矩阵 H 拥有这种对角阵的形式时，发送信号X 1 和X 2 和它进行矩阵相乘后，得到的仍然是X 1 和X 2 ，就好像X 1 和X 2 各自通过了一条透明独立互不相关的子信道到达接收端，两者之间也没有任何干扰。
2）矩阵SVD分解
然而，实际无线传输环境是复杂多变的，传输矩阵 H 里的各个元素也都是随机变化的，因而无法直接获得对角形式的传输矩阵，但我们仍然希望有一种方法能够将实际传输矩阵转化成对角阵的形式，这就是通过矩阵的奇异值分解方法（Singular Value Decomposition，SVD）对传输矩阵 H 进行SVD分解，这样可以得到3个矩阵：左酉阵 U 、对角矩阵 S 和右酉阵 V ，参见下面的公式：
3）预编码（Pre-coding）
现在我们期望的对角阵 S 已经出现，但它的左右两边又分别多出了2个酉阵 U 和 V 。不过酉阵有一个很好的性质，即它只要与自己的共轭转置矩阵相乘，就可以把自己化简（其实就是得到了一个单位阵 I = VV * ）。具体矩阵化简过程参见图2-17。
图2-17 矩阵预编码过程
首先，在发送端对信号进行预处理或预编码（Pre-coding），也就是给它们乘以 V 的共轭转置矩阵，再让它们经过信道，右酉阵 V 就被化简掉了。
其次，在接收端进行类似的处理，即对接收信号矩阵左乘酉阵 U 的共轭转置，就可以消掉酉阵 U 。
经过矩阵预编码处理后，拥有对角阵形式的传输矩阵又出现了，相当于发送信号直接与对角阵 S 相乘，这正是我们期待的结果。
简单地说，所谓预编码，就是根据UE反馈信息（RI&PMI）将不同发射数据流（层）通过与选定的编码矩阵相乘，从而映射到不同的物理发射天线端口上，因此有的书中也将其称为层映射。
4）矩阵的秩指示（RI）
对不同的信道矩阵 H 进行SVD分解，可以得到不同的对角阵 S ，这些不同的对角阵 S 能反映出信道矩阵 H 的很多信息。为了便于对照，这里选择3个极端的信道矩阵作为分析的例子：最优传输矩阵（单位阵）、随机矩阵和最差矩阵（全1阵）。
现在分别对这3个信道矩阵进行SVD分解，得到的对角阵如图2-18所示。
图2-18 3个极端矩阵的
从图2-18中的SVD分解结果可以看到，最优传输矩阵和随机矩阵分解出的对角阵 S 1 和 S 2 都有两个非零元素，而最差矩阵分解出的对角阵 S 3 只有一个非零元素，这就表明如果在发送端同时发出两个信号X 1 和X 2 ，实际上只有一个信号X 1 能够通过子信道，另一个却消失了，这说明这种信道只能保证一个信号的收发，信道矩阵中的4个全1值也表明原本4条独立不相关的传输路径经历了完全一样的信道衰落，即变成一条传输路径，也就是说，此时的MIMO2×2退化成SISO了。发送端发出的两个不同信号X 1 和X 2 ，在与全1矩阵相乘后，得到了两个完全一样的传输方程，即变成一个方程，很明显，不可能从一个方程中解出两个未 知数。
其中，SVD分解后得到的对角阵中的非零元素，即奇异值的个数就是该信道矩阵的秩（Rank），表示该信道所能同时传输的并行数据流个数或层数（Layer number）。在现实的MIMO通信系统中，发送端如果能够知道信道矩阵的秩指示（Rank Indication，RI），对发送策略的选择也是大有益处的，当信道质量好时，根据矩阵的秩大小，可使用更多的空间数据流数进行传输，以提高数据传输速率。但是当信道变差以后，就无法再支持多个空间流了，即降级成发射分集或波束赋型。
5）码书和预编码矩阵指示（PMI）
前面说到，如果发送端知道了信道传输矩阵 H 的信息，就可以对它进行SVD分解，从而得到右酉阵 V ，利用它可以将传输矩阵 H 转化成我们期望的对角阵形式。但这需要接收端反馈传输矩阵 H 的相关信息给发送端，如果反馈完整且准确的信道信息将会占用大量的上行资源，从而影响正常的上行数据传输。因此，首先要做的就是减少反馈开销。我们可以把一些计算放到接收端来做，如SVD分解，这样只需要反馈信道信息的一些指示（RI）和右酉阵 V 的信息就够了，但是这样反馈量还是有点大。我们可以利用右酉阵 V 的矩阵特性，设计专门的码书（Codebook），同时在这个码书中给各式各样的 V 进行编号，每次只用向发送方反馈一个编号索引（Index），这样发送方就知道对应的矩阵 V 是哪个了。LTE中基于码书的预编码技术就是采用的这种方式，反馈信息就叫预编码矩阵指示（Precoding Matrix Indication，PMI）。
6）如何发挥MIMO优点
由前面的分析可以看出，要想最大限度发挥MIMO技术的空间复用能力，从而提高并行发送的数据流个数，即传输矩阵的秩（Rank），进而提高用户数据速率，就必须尽量使这些不同的传输路径是互相独立，即互不相关的，通常有以下方法：
● 加大基站侧发射天线间距到大于 10倍波长，以减少发射天线之间的相干性；
● 加大 UE侧接收天线间距，不过这个很难实现，因为 UE的体积太小；
● 提高发射信号频率来减少波长，相当于加大天线间距；
● 通过丰富的信号反射、折射来降低信号传输路径的相关性，如在城市多建筑物复杂环境或室内环境使用 MIMO；
因此，在开阔的平原、郊区或水面环境，即所谓的视距直射（LOS）环境中无增益，是不适合使用MIMO的。
1）逻辑天线端口与物理天线端口
物理天线是我们看得见摸得着的，数一数就知道有几个物理天线端口；而逻辑天线端口对应不同的参考信号，这些不同的参考信号在预编码，即层映射过程中映射到不同的物理天线端口进行发射，同一个物理天线端口可能会同时发送不同类型的参考信号。同时，预编码过程（V）将不同的数据流（层）映射到不同的物理天线端口进行发射，如图2-19所示。这些并行发送数据流个数也称层数，就是传输信道矩阵的秩，需要由UE反馈给发送端。
图2-19 层映射预编码
首先，关于天线的相干性，如果物理天线间距大于或等于10个波长，则这些天线是非相干的；如果天线间距小于0.5个波长，则这些天线是相干的，双极化天线例外。因此，从天线间距上就可以判断天线之间是相干的还是非相干的。
其次，LTE逻辑天线端口的意义是：每个逻辑天线端口都有相应的参考信号图样/模型，每种参考信号图样又可以确定一种物理空口信道。从这个意义上讲，LTE逻辑天线端口的意义就是一个物理空口信道。
以上两者的关系如下。
● 如果物理天线是相干的，则相干的天线就只能与一个 LTE逻辑天线端口（Port）对应。即使有多个物理天线，这么多个物理天线也只是为了传输一个 LTE 物理空口信道。这也就是经典波束赋型（Beamforming），即只能根据 UE的对下行物理信道状态信息的反馈来调整每个物理天线端口上发射信号的相位，以此形成指向 UE的定向波束。这也就是通常所说的智能天线技术，主要应用在 TDD上。因为 TDD模式的上下行物理信道都是在同一个频段上发射的，所以发射侧可以直接通过检测上行物理信道状态来获知下行物理信道状态信息，从而不需要 UE来反馈下行物理信道状态信息。其缺点是不能提供对抗无线信道衰落的空间分集增益。
● 如果物理天线是不相干的，则各个不相干的物理天线端口就可以对应到不同的 LTE逻辑天线端口上。不同的物理天线传输不同的 LTE物理空口信道。天线发射模式主要有空分复用及分集传输模式。有一个特殊的传输模式即 TM6，很多地方把这个也叫作波束赋型（Beamforming），但是严格来说，它是要区别于经典波束赋型的，因为这里的波束形成是通过不相干的物理天线把信号发射出去的，而且这种方式不同于经典波束赋型，它可以不只在相位上而且在幅度上调节各个天线阵元上的发射信号，从而可以提供对抗无线信道衰落的空间分集增益。
2）码书模式
码书模式（Codebook based mode）就是指预编码矩阵（Pre-coding matrix）只能从收发双方都事先知道的码书中选取。
3）非码书模式
非码书模式（Non-codebook based mode）就是发射侧可以完全随机选择预编码矩阵，而不是从预定的码本中选择。在非码书模式下，网络侧可以通过以下方法来决定预编码矩阵：
● 网络侧检测上行探测参考信号来估计上行信道状态，从而决定选用哪个预编码矩阵；
● 网络侧也可以要求 UE反馈下行信道状态信息来决定选择哪个预编码矩阵。
因此，为了帮助UE反馈更多下行物理信道状态，除了Release＃8定义的4个小区专用参考信号之外，3GPP又专门定义了8个信道状态参考信号（CSI-reference signals），这些参考信号在预编码之后插入，用于UE检测下行物理信道状态。
4）闭环模式
闭环模式（Closed-loop）就是网络侧根据UE反馈的预编码矩阵信息（PMI/RI）来选择预编码矩阵。
5）开环模式
开环模式（Open-loop）就是网络侧不依赖于UE反馈的详细的预编码矩阵信息（PMI），它基于预定的顺序或规则选择预编码矩阵，而且UE也事先知道这个预定的顺序或规则，因此也不需要网络侧发送显式信令（Explicit signaling）来告诉UE它实际使用的预编码矩阵信息。开环预编码的一个重要应用场景就是UE在高速移动的情况下，因为此时的物理信道状态变化是非常快的，而UE的测量反馈又比较慢，所以物理信道状态反馈信息在这种高速场景几乎是没用的。
我们知道，LTE引入了多天线发射技术，从Release＃8到Release＃10，3GPP一共定义了以下9种不同LTE天线发射模式（Transmission Mode，TM）。
发射模式1（TM＃1）： 单个天线发射 （ Single-antenna transmission）。
发射模式2（TM＃2）： 发射分集（Transmit diversity）。
发射模式3（TM＃3）： 开环的（即不需要UE反馈下行物理信道状态信息），基于码书预编码的，而且发射数据流个数（即层数）大于1的发射模式，也是一种MIMO类型。当发射数据流个数减少到1时，该发射模式就退化成发射模式2，即发射分集。
发射模式4（TM＃4）： 闭环的（即要求UE反馈下行物理信道状态信息），基于码书预编码的，而且发射数据流个数（即层数）大于1的发射模式，也是一种单用户SU-MIMO类型。
发射模式5（TM＃5 ）：发射模式4的多用户版本（MU-MIMO），即该并行发射数据流分属不同UE（最多2个）。TM＃5的一个不同之处就是要求LTE网络侧通过专门的信令消息IE告知UE当前PDSCH信道的发射功率与该小区专用参考信号功率的偏移值，因为该UE事先并不能知道当前发射模式是单用户模式还是多用户模式，如果是单用户TM＃4模式，UE自然知道PDSCH 功率被一分为二了，否则它无法做相干解调。
发射模式6（TM＃6）： 发射模式4的退化模式，即当TM＃4中的并行发射数据流个数减少到1时，也称单用户发射侧波束赋型（Beam-forming）。但是这个TM＃6所说的波束赋型不同于通常所说的经典波束赋型。
发射模式7（TM＃7）： 既可以是开环的，也可以是闭环的，非码书预编码方式，单个发射数据流。该模式也是一种波束赋型，在Release＃8中被定义。
发射模式 8（TM＃8）： 既可以是开环的，也可以是闭环的，非码书预编码方式，单个 UE支持2个并行发射数据流，在 Release＃9中被定义。
发射模式 9（TM＃9）： 既可以是开环的，也可以是闭环的，非码书预编码方式，单个 UE支持最多8个并行发射数据流，在 Release＃10中被定义。