TD-LTE及其后续演进培训材料

TD-LTE及其技术演进 刘光毅 研究院无线所 Email: 2010-01-28 2 内容提要 宽带移动通信标准发展趋势 TD-LTE关键技术和性能 TD-LTE与 TD-SCDMA TD-LTE的后续演进 总结 3 移动通信标准发展趋势 2001-2006年 2007年 TD-HSPA+ DL:25.2Mbps UL:19.2Mbps DL:100Mbps UL:50Mbps HSPA+ DL40MBps； UL10Mbps 2010年 2008年 2009年 Mobile WiMAX Wave1 15Mbps EV-DO Rel. 0 DL: 2.4Mbps UL:153.6kbps cdma2000 1x 153.6kbps D0 Rel. A DL: 3.1Mbps UL: 1.8Mbps Do Rev B （ 多载波 DO） DL： 46.5Mbps UL: 27Mbps GREAN 600kbps Mobile WiMAX Wave2 30Mbps TD-HSDPA 2.88.4Mbps TD-HSUPA 2.26.6Mbps WCDMA 384Kbps HSDPA 1.8/3.6Mbps HSDPA 7.2Mbps HSUPA 1.45.8Mbps GPRS/EDGE 200kbps LTE-TDD DL:100Mbps UL:50Mbps TD-LTE-A 16m 100Mbps1Gbps ITU IMT-Advanced(4G) 100Mbps 1Gbps LTE-A B3G LTE FDD 4 LCR N频点 HSDPA 多载波 HSDPA HSUPA MBMS HSPA+ 3GPP R4 3GPP R5 3GPP R6 3GPP R7 3GPP R8 3GPP的 TDD标准 演进 业务能力：单载波上行 2.2Mbps 业务能力：单载波下行 7.2Mbps 业务能力：三载波下行 8.4Mbps 多媒体广播：下行最高 384kbps 业务能力：单载波下行 2.8Mbps 提升整网频谱效率 电路域可视电话 分组域下行 384kpbs TD-LTE 业务能力：下行96Mbps，上行24Mbps 3GPP R10 TD-LTE-A 业务能力：下行1Gbps 3GPP R9 eMBMS 增强多媒体广播：下行最高 384kbps？ HeNB 双流 BF 5 内容提要 宽带移动通信发展的趋势 TD-LTE关键技术和性能 TD-LTE与 TD-SCDMA TD-LTE的后续演进 总结 6 LTE背景和发展 2004年 12月，研究项目 (SI)立项， 3GPP需要开发一套系统与 WiMAX抗衡2009年 1月至今， R8的完善和进一步优化（ R9） 2006年 69月， SI阶段结束，进入工作项目（ WI）阶段 2008年 12月，标准化已经进入尾声，标准基本冻结 LTE Long Term Evolution 2008年 4月至今， LTE-A的 Study Item 7 LTE概述 (1) 1.4MHz-20MHz 可变带宽 带宽需求 降低传输时延 用户面延迟（单 向）小于 5ms 控制面延迟小于 100ms 5km内的小区半径优化 5km到 30km：可接受的 性能下降 支持 100km范围的小区 传输时延 数据速率 基站 A 基站 B 覆盖范围 建网成本 更高的带宽，更大的容量 更高的数据传输速率 更低的传输时延 更低的运营成本 S CH10 - M Hz b a n d w idt h20 - M Hz b a n d w idt h5 - M Hz b a n d w idt h1 .2 5 - M Hz b a n d w idt h2. 5 - M Hz b a n d w idt h 对 0到 15km/h的低 速环境优化 对 15到 120km/h保 持高性能 对 120到 350甚至 500km/h保持连接 移动性支持 上行峰值速率 50Mbps 下行峰值速率 100Mbps 频谱效率达到 3GPP R6 的 2-4倍 提高小区边缘用户的数据 传输速率 8 8 e N BM M E / S - G W M M E / S - G We N Be N BS1S1S1S1X 2X2X2E-UTRANNetwork Architecture 网络架构 分组域 支持传统的电路式业务，如 VoIP LTE 网元 EPC, Evolved Packet Core eNodeB UE 平坦的网络架构 合并 NodeB 和 RNC 为 eNB，提供更低的控制和用户面时延 LTE概述 (2) 9 LTE系统物理层基础 双工方式 调制编码 多址方案 基本参数设计 基本参数 系统架构 调制方式： 上行： BPSK、 QPSK、 8PSK和 16QAM 下行 ： QPSK、 16QAM、 64QAM FDD：抗干扰性更好，芯片成熟，支持更高移动速度 TDD：不需对称频段，更好 的支持非对称的业务 下行： OFDMA 频谱效率高，有效对抗多径 上行： SC-FDMA PAPR较低，功放成本低 时隙长度为 0.5ms 编码方式： Turbo FDD与 TDD参数统一 对延迟要求高 FDD和 TDD的差异 主要来自于双工方式的差异 主要存在于物理层，且相对于 3G，差异进一步缩小（小于 20） 很方便 FDD/TDD 双模和共芯片等 10 LTE物理层的关键技术 灵活的带宽分配 OFDM技术 克服多径，增加系统的可靠性； 技术简洁，便于使用 MIMO技术； MIMO技术 显著提高传输速率和频谱利用率 ； OFDM 接收端发送端MIMO 11 OFDM技术的发展历史 2000s 1990s 1980s 1960s OFDM在高速调制器中的应用开始研究 OFDM 应用在高频军事系统 OFDM应用于宽带数据通信和广播等 OFDM应用于 802.11a, WiMAX, LTE 12 多址技术： OFDM 时域循环前缀，抑制多径引起的 ISI 频域分成多个子载波，与信道编码结合对抗多径衰落 子载波相互正交，提高频谱利用率 时 -频二维调度，提高系统性能 可扩展带宽，充分利用不同带宽的频谱 含 CP的 OFDMA符号时域结构 含 CP的 OFDMA符号频域子载波结构 13 OFDM的高 PAPR在上行链路的应用受到较大的限制 功率效率和覆盖半径 ， 终端功放的成本 。 3GPP在上行链路采用单载波技术作为基本的传输方式 ，SC-FDMA 低 PAPR (Peak-to-average power ratio) 可以在有限的功率条件下获得更大的覆盖范围 频域均衡使用 CP可以压缩多径间的干扰 ,由于载波间正交性被破坏有一定的性能损失 多址技术 :上行 SC-FDMA 14 时域产生信号， M点 DFT变换到频域 多址技术 :上行 SC-FDMA SC-FDMA发射机结构 D F T W S u b - c a r r i e r M a p p i n g CP i n s e r t i o n S i z e - M S i z e - N C o d e d s y m b o l r a t e = R M s y m b o l s I F F T S p r e a d i n g Low PAPR Low PAPR High PAPR 每个子载波上的信号为 M个符号的迭加 dWx Md15 OFDMA与 SC-FDMA性能比较 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 2410-210-1100a v . S N R p e r s u b c a r r i e r ( d B )PER1 6 Q A M 1 / 2 , R e d : O F D M A , B l u e : I F D M A , F F T s i z e : 1 0 2 4 , M = 1 2 83 dB loss SC-FDMA OFDMA 假设 :指数衰减信道 性能 : 在达到目标PER时 (0.1或 0.01)，OFDMA比 SC-FDMA好 3dB 原因 : 频选衰落，使 SC-FDMA的正交性被破坏 结论 : OFDMA有更好的链路性能 16 宽带信道的时间和频域选择性 17 OFDM中的自适应调制 32QAM, 5 bit/s/Hz 16QAM, 4 bit/s/Hz 8QAM, 3 bit/s/Hz QPSK, 2 bit/s/Hz BPSK, 1 bit/s/Hz Threshold Levels SNR dB BPSK 8QAM 16QAM QPSK time Excess SNR 功率控制向速率控制的转变！ 18 频域多用户调度和分集增益 0 50 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 3 0 0-4-20246810S u b c a r r i e r i n d e xRelative subcarrier power at receiving UE in dBA l l o c a t e dt o U E 1A l l o c a t e d t o U E 219 信道容量分析（ 1/2） 容量公式： 系统带宽 信噪比 SNR 信道数 系统容量的提高？ 20 信道容量分析（ 2/2） 容量公式： 增加带宽 提高信噪比 增加信道数 系统容量的提高？ 21 MIMO技术的发展历史 Marconi利用多天线来抑制信道衰落，从而实现无线电波大容量的传输 1908 1996 贝尔实验室的Foschini提出分层空时结构 BLAST，完成MIMO信道容量的理论分析 1998 S. M. Alamouti提出了一种简单的发送分集技术 STBC。 利用有限的频谱资源，在空间上开发，提高频谱利用率 22 MIMO系统收发端结构 MIMO（ Multiple-Input Multiple-Output） 接收端发送端 实现多路数据流并行发送，获得空间复用增益，提高传输的有效性 实现多个子信道信号的有效合并，获得空间分集增益， 提高传输的可靠性 利用信道 空间特性 23 MIMO信道容量分析 不同天线数目下， Shannon容量与 SNR曲线 M：发射天线数 N：接收天线数 信息论已经证明： 当不同的接收天线和不同的发射天线之间互不相关时，MIMO的容量与收发两端的最小天线数成正比 。 MIMO系统能够很好的提高系统的抗衰落和抗噪声性能，从而获得巨大的容量 24 MIMO的理论容量上限： CSIT vs.CSIR CSIT: 发送端已知信道信息 ； CSIR: 接收端已知信道信息 ； 25 MIMO技术的分类 MIMO 阵列增益 智能天线 -Beamforming 扩大系统的覆盖区域 提高频谱利用率 提高接收信噪比 利用天线阵间的相关性 复用增益 开环 MIMO-SM 闭环 MIMO-SM 提高数据传输速率 提高系统有效性 要求天线间相关性小 分集增益 STBC、 STTC、 CDD 提高数据的可靠性 要求天线间相关性小 26 LTE系统支持的 MIMO模式 基于码本和公共导频 波束赋型Beamforming 复用 Precoding 主要用于中低速的业务信道 分集 SFBC 基于空时编码 用于控制信道和高速业务信道 基于非码本和 DRS 主要用于中低速的业务信道 TDD的特有技术，利用互易性得到信道信息，准确的波束赋型 LTE系统中的MIMO 方案 27 提高可靠性的分集（ 1/2） 分集技术 空间分集：利用多根天线在不同的位置上发送和接收相同的信息，在空间域内提供信号的副本。为了保证多个发送或多个接收信号副本所经历的衰落独立，要求各根天线之间的距离足够大。 频率分集：通过在不同的载波频率上发送相同信息，在频率域内提供多个信号的副本。 时间分集：即在多个不同的时隙上传输相同的信息，在时间域内提供多个信号的副本。 28 提高可靠性的分集（ 2/2) 开环 MIMO-STBC/SFBC 提高可靠性：同一信息经过正交编码后从两根天线或多根天线（ STBC）或者多个频率（ SFBC）上发送出去 1x2x3x4x 空时解码空时编码1x )( *2x )( *4x 3x 2x*1x4x*3x 1x2x3x4x29 FDD的 MIMO方案 Precoding 基于码本的 precoding 码书反 馈 码 书 和 码 字 序 号码 书选 择码 书选 择S t r e a m 4S t r e a m 3S t r e a m 2S t r e a m 1接收机P r e c o d i n gS t r e a m 4S t r e a m 3S t r e a m 2S t r e a m 11234码书 接收端根据信道估计得到的信道信息； 按照某种准则从码本中选取最优的预编码码字； 然后将该码字的序号反馈给发射端； 发射端根据反馈的序号从码本中选取相应的预编码码字进行预编码操作。 30 TDD的的 Beamforming(1/2) 利用信道的互易性（基于上行的 SRS， eNB获得基站下行传输的 CSI（信道状态信息），生成下行发送加权向量，通过调整各天线阵元上发送信号的权值，产生空间定向波束，将无线电信号导向期望的方向 接收机波束成型 1121 xx 12 xx 12 xx 1222 xx 12 xx NN Uplink Time Slot Downlink Time Slot Legend: D 上下行同频 TDD D D D D D FDD 上行 下行 D D D D 31 LTE热点覆盖 LTE中度覆盖 LTE全覆盖 TDD的的 Beamforming（ 2/2） Beamforming: 主波束自适应地跟踪用户主信号到达方向 旁瓣或零陷对准干扰信号到达方向 Beamforming在移动通信系统的应用： 扩大系统的覆盖区域； 提高系统容量； 提高频谱利用效率； 降低基站发射功率，节省系统 成本，减少信号间干扰与电磁 环境污染 充分高效利用移动用户信号并删除或抑制干扰信号 32 预编码与波束赋形的对比 属性 基于码本的 Precoding Beamforming 上下行信道互易性 不依赖 依赖 天线校准 不需要 需要 码本量化损失 有码本量化损失 无量化损失 干扰水平 干扰水平较高 能够较好抑制干扰 天线间距 一般采用大天线间距 一般采用小天线间距 信号反馈机制 PMI&Rank Sounding TDD/FDD 同时适用 FDD/TDD 更适用于 TDD 调度周期 5ms 1ms 天线数 24 48 适用于 FDD模式 适用于 TDD模式 33 Beamforming 对覆盖性能的提升 Beamforming可以大大改善小区边缘的覆盖 500 1000 1500 2000 2500 3000 35000 .0 40 .0 50 .0 60 .0 70 .0 80 .0 90 .1 0 EBB 8 * 2 Preco d i n g 2 * 2edge cell spectrum efficiency（b/s/Hz）I SD (m )34 Bps/Hz 比较 LTE相对于 HSPA，频谱效率提升 2 3倍 ； 基于 TDD优化， TD-LTE的性能可以进一步提高30 。 基于 R9的进一步优化和SDMA， TD-LTE的性能可进一步提升 70 。 LTE与 3G的综合性能比较 35 LTE vs.WiMAX vs. UMB DL63UL0.86DL 1.63UL 0.81DL11UL0.62DL1.59UL0.90.81.8Average Cell Throughput (bps/Hz)LT E F D D LT E T D D W iM AX U M B36 TD-LTE的帧结构 UpPTS进一步优化设计，从分利用 TDD的信道的互易性 短 RACH，降低开销 Sounding RS获得 TDD信道互易性，支持 Beamforming 灵活的 GP 设臵，可以最小化 GP的开销，同时支持不同的覆盖半径 1 10个 OFDM符号大小的 GP， 最大可以支持 100Km的覆盖半径 灵活的上下行时隙配比，可以支持非对称业务和其它业务应用等 7 个 DL/UL配臵比例 : 3/1, 2/2, 1/3, 6/3, 7/2, 8/1, 4/5 更有利于 FDD/TDD双模芯片和终端的实现 D w P T SU p P T SG P0 1 2 3 4 5 6 7 8 9S u b f r a m e = 1 m sR a d i o F r a m e = 1 0 m s0 2 3 41 m sT y p e 1 F D DT y p e 2 T D D5 7 8 91 m sS l o t = 0 . 5 m sH a l f F r a m e = 5 m sU p P T SG PD w P T S37 内容提要 宽带移动通信发展的趋势 TD-LTE关键技术和性能 TD-LTE与 TD-SCDMA TD-LTE的后续演进 总结 38 3G/TD-LTE关键技术比较汇总 CDMA/TDMA 更高的频谱利用率 更加简单的接收机 OFDMA/SC-FDMA SIMO/智能天线 提高传输速率 MIMO 16QAM 更高的调制，更精细的 AMC 64QAM 单载波 1.6MHz 实际组网 5MHz 更大的传输带宽 更高的峰值速率 支持 20MHz 电路域 更加高效的资源利用 基于分组域，全 IP 垂直网络结构，有 RNC 更小的传输时延 优化网络结构 扁平的网络结构，无 RNC 硬切换 简化切换过程 软切换 多小区干扰抑制 OFDM系统小区内不存在干扰 多用户检测 优化 简化 FDD/TDD独立帧结构 保证共存，提高效率 简化 FDD/TDD双模设备实现 优化的帧结构 39 多址技术 : CDMA vs. OFDMA OFDMA/SC-FDMA 小区内正交 频选调度 /AMC 多用户频域分集 MIMO OFDM的检测简单、灵活 CDMA Joint Detection: 消除小区内干扰 更好的抗多普勒频移效果 支持更高带宽的检测和均衡复杂度高 MIMO CDMA的检测复杂度高 40 TD-LTE覆盖能力 GP长度 随机接 入格式 影响小区半径因素 CP长度：容忍的时延扩展和回环时延 Preamble长度：抗干扰能力、检测成功率 保护间隔 GT长度：回环时延 上下行保护间隔，避免下行对上行数据产生干扰， GP越大，小区半径越大 41 小区半径的影响因素 随机接入 Preamble format CP长度（ us/样点） Preamble(us/样点数 ) GT长度（ us/样点） 支持小区半径（ km） 0 103.13/3168 800/24576 96.88/2976 14.53 1 684.38/21024 800/24576 515.63/15840 77.34 2 203.13/6240 1600/2x24576 196.88/6048 29.53 3 684.38/21024 1600/2x24576 715.63/21984 100.16 4 14.58/448 133.33/4096 9.38/288 1.41 小区半径 =GT(us)X300(m/us)/2 综合考虑产品实现、覆盖能力、资源利用率、自主知识产权等因素，初期 LTE网络优先支持 format0和 4！ 初期 LTE网络覆盖密集城区，站间距 500米左右 TDD自主知识产权，节省上行资源，得到国内厂商的支持，但在室外对室内覆盖时能力不够 FDD和 TDD共用，国外厂家优先选择支持，覆盖能力好，可以作为format 4的补充应用 42 小区半径的影响因素 GP长度 TD-SCDMA系统 GP长度固定为96chips（ 75us），对应的覆盖半径为： Dmax = t*C/2= 75us*C/2 =11.25km TD-LTE系统 GP占用 110个OFDM符号，对应的覆盖半径为 当 GP=1个 OFDM，支持的小区半径为 1/14ms*C/2=10.7km 当 GP=10个 OFDM，支持的小区半径为10*1/14ms*C/2=107km TD-LTE设计的 GP支持的覆盖范围更大！ 43 TDD系统基站间的干扰（农村地区） 干扰 Node B 被干扰 Node B TS01 TS02 TS11 TS21 TS31 TS41 TS51 TS61 TS12 TS22 TS42 TS52 TS62 Downlink Uplink Downlink Uplink 400 s 120 km TS32 干扰信号帧 到达被干扰Node B信号帧 随机接入的 UpPTS TS03 TS13 TS23 TS43 TS53 TS63 Downlink Uplink TS33 被干扰 NodeB信号帧 Downlink 被干扰的上行时隙 例如，当间距为 120Km时，传输时延为 400 s 当 Node B 间的传输时延超过 75s，但存在视距传输条件时，存在以上干扰。 解决的方法 ： 根据干扰状况动态确定上行随机接入的时隙；周期切换；DWPTS隔帧发送 。 44 TDD系统基站间干扰的成因分析 决定性因素： 06年之前，没有文献记载类似干扰影响移动通信系统，从国内外大量文献中参考得知是由于 “低空大气波导” 效应。 大气波导是一种 特殊天气下 形成的大气对电磁波折射效应。 电磁波传播损耗很小，可绕过地平面，实现超视距传输。 45 TD-SCDMA系统 解决基站对基站干扰的方案 问题分析： 上下行保护间隔很短， UpPTS很容易被 DwPTS干扰，导致 SYNC_UL无法完成上行同步， 造成用户无法完成上行同步和随机接入过程 传输距离加大，会干扰到上行业务时隙，从而影响业务质量。 解决方案： 网络优化（作用有限） 站高、天线方向、倾角等。由于干扰源很难定位，此类手段复杂度很高。 UpShifting主要思想： 受扰基站 UpPTS后移，消除对上行接入的干扰。 UpShifting主要问题： 容量损失， UL:DL=2:4，导致主频点上行受限严重，且上行业务时隙的干扰没有解决。 UpPTS 125s GP 75s DwPTS 75s 675s 675s 675s 675s 675s 675s 675s 46 TD-LTE解决基站对基站干扰的方法 在协议和机制方面， TD-LTE对抗基站对基站的远距离同频干扰手段 GP可配：可加大远距离干扰的保护距离 PRACH未必需要配臵在 UpPTS ：避免对用户上行接入的影响 PRACH采用 Format 4时可以与 P-SCH在频域错开：避免对用户上行接入的影响 上行 AMC，可采用低阶调制和低码率：受到干扰，只是速率会有所下降 上行频选调度：分配资源时可避开受扰部分 网络优化（作用有限） 站高、天线方向、倾角等。由于干扰源很难定位，此类手段复杂度很高。 Beamforming干扰零陷 前提：干扰源单一（算法基于多天线，理论上 N天线，能消除 N-1个干扰），干扰稳定（保证可检测，可消除）。 大规模商用网络站点众多，信号复杂，干扰信号不稳定，不符合此类算法的上述前提条件。 47 TD-LTE同频组网技术要求 PDCCH