LTE基本原理

LTE基本原理 TD网规网优部 梁晋仲 内容 LTE起源 LTE技术原理与系统架构 LTE关键技术分析 LTE项目的启动主要有三方面的考虑： 基于 CDMA技术的 3G标准在通过 HSDPA以及 Enhanced Uplink 等技术增强之后，可以保证非来几年内的竞争力。但是，需要考虑如何保证在更长时间内的竞争力 应对来自于 WiMAX的市场压力 为应对 ITU的 4G标准征集做准备 The justification of the Study Item was that with enhancements such as HSDPA and Enhanced Uplink, the 3GPP radio-access technology will be highly competitive for several years. However, to ensure competitiveness in an even longer time frame, i.e. for the next 10 years and beyond, a long-term evolution of the 3GPP radio-access technology needs to be considered. -3GPP TR 25.913 LTE起源 产品与业务发展 技术趋势：无线宽带广域， IP多媒体为主导业务，呈现宽带移动化、移动宽带化 技术趋势：接入多元化、网络一体化、应用综合 无线技术演进路径 2001-2005 2006-2007 WCDMA无线技术演进路线 CDMA2000无线技术演进路线 HSDPA (P1) 1.8M/3.6Mbps HSDPA(P2) 7.2/14.4Mb/s HSUPA 6-8Mbps WCDMA R99/R4 384kb/s GSM/GPRS/EDGE 171kbps/384kb/s HSPA+ LTE HSDPA 单载波 2.8Mbps MC-HSDPA 8.4Mb/s HSUPA R4 384kb/s GSM/GPRS/EDGE 171kb/s/384kbps HSPA+ LTE TD-SCDMA无线技术演进路线 DL:100Mbps UL:50Mbps DL:100Mbps UL:50Mbps 40Mbps DL:40Mbps UL10Mbps 802.16d 75Mbps 802.16e 20-30Mbps 802.16m 移动 WiMAX演进路线 2008-2010 1xEV-DO Rev. 0 DL: 2.4Mbps UL:153.6kbps cdma2000 1x (Rev. 0) 153.6kbps 1xEV-D0 Rev. A DL: 3.1Mbps UL: 1.8Mbps 1xEV-DV 3.1Mbps DO Rev. B （ 多载波 DO） DL： 46.5Mbps UL: 27Mbps LBC DL: 100Mbps-1Gbps UL: 50-100Mbps SBC DL: 100Mbps-1Gbps UL: 50-100Mbps UMB B3G 3GPP 标准与技术演进 UTRAN Long-Term Evolution (LTE) (2004.11) 标准化 R99/4 R5 R6 R7 HSDPA EDCH MBMS IMS Release 99/4 Release 5/6/7 产业化 LTE V1 2007.12 LTE/SAE PoC WLAN I/W R8 R9(?) IMT-Advanced? HSPA+ LTE/SAE LTE+ (?) 2000 2004 2007 2010 LTE的进一步演进将会满足 IMT-Advanced的技术要求 内容 LTE起源 LTE技术原理与系统架构 LTE关键技术分析 定位： 集高质量话音和宽带数据为一体；支持全移动、综合多业务；网络可控、可管理；具有低成本、低时延、后向兼容的 “先进的综合移动宽带无线系统” 技术路线 : OFDM+SA/MIMO+IP技术 +TD-SCDMA成熟技术 3G是移动通信标准， BWA(802.16e等 )是宽带无线接入标准 3G演进是移动通信宽带化； BWA是宽带接入无线化 3G定位是语音为主、兼顾数据； BWA是数据为主、兼顾语音 电信运营商竞争的需求： 既能承载高质量实时话音， 又能提供无线宽带数据接入的全移动系统 TDD LTE的定位 更小的 TTI满足用户面和控制面的时延；共享信道支持在多个用户间同时传输数据； 用户面延迟小于 5ms，控制面延迟小于 100ms； 采用 OFDM， MIMO等先进技术支持更高的用户传输速率；下行最大速率可达 100Mbits/s，上行最大速率可达 50Mbits/s 下行频谱效率可达 HSDPA的 3 4倍；上行频谱效率可达 HSUPA 的 2 3倍； 1.4MHz/3.0MHz/5MHz/10MHz/15MHz/20MHz可变带宽；在 5MHz以下带宽中，采用现有的 1.4MHz带宽，实现系统的平滑演进。 1 2 3 4 5 与 LTE FDD系统帧结构兼容，系统设计保证了站点的重用 TDD LTE系统目标 网络扁平化 ,全 IP化 核心网趋同化 ,交换功能路由化 业务平面与控制平面完全分离化 网元数目最小化 ,协议层次最优化 S- Gateway P- Gateway MME HSS eNodeB UE IMS 接入部分 接入控制部分 网络控制部分 终端部分 LTE网络结构简化 网络扁平化、 IP化架构 LTE之间各网络节点之间的接口使用 IP传输 eNB之间的 X2接口 eNB和 MME、 S-GW间的 S1接口 通过 IMS承载综合业务 原 UTRAN的 CS域业务均可由 LTE网络的 PS域承载 IP化的网络架构 SG i S1 2 S3 S1 - MME PCR F S7 S6 a HSS O p e ra to r s I P Se rv i c e s (e .g . IM S, PSS e tc .) R x + S1 0 UE SG SN L T E - Uu E - UTRA N MME S1 1 S5 Se rv i n g G a te w a y PDN G a te w a y S1 - U S4 UTRA N G ER A N MME： NAS信令， NAS信令安全； 认证；漫游跟踪区列表管理； 3GPP接入网络之间核心网节点之间移动性信令； 空闲模式 UE的可达性； 选择 PDN GW 和 Serving GW； MME改变时的 MME选择功能； 2G、 3G切换时选择 SGSN； 承载管理功能（包括专用承载的建立）； SGW： eNodeB之间切换时本地移动性锚点和 3GPP之间移动性锚点； 在网络触发建立初始承载过程中，缓存下行数据包； 数据包的路由 SGW可以连接多个 PDN和转发； 切换过程中，进行数据的前转； 上下行传输层数据包的分类标示； 在漫游时，实现基于 UE， PDN和 QCI粒度的上下行计费； 合法性监听 ； PDN GW： 基于单个用户的数据包过滤； UE IP地址分配； 上下行传输层数据包的分类标示； 上下行服务级的计费（基于 SDF，或者基于本地策略）； 上下行服务级的门控； 上下行服务级增强，对每个 SDF进行策略和整形； 基于 AMBR的下行速率整形基于 MBR的下行速率整上下行承载的绑定；合法性监听； PCRF： 基于服务数据流的策略控制（服务数据流模板、 QoS控制） 基于服务数据流的计费规则控制。 IP化的网络架构 网络将最大程度的使用运营商已有的资源 ， 包括已有的网络 、 频率 、 站点 、 天线 ，并通过有效的方式 ， 对所有的频率进行分配 高 吞吐量 提供高质量全IP无线宽带业务 频谱效率最高 良好兼容性 简约的天线系统 高数据接入效率 最短切换时间 支持 Always -ON 增强小区边缘性能 TD LTE接入网 eNB eNB： 无线资源管理（ RRM）； 用户数据流 IP头压缩和加密； UE附着时 MME选择功能； 用户面数据向 Serving GW的路由功能； 寻呼消息的调度和发送功能 （源自 MME和 O&M的）广播消息的调度和发送功能； 用于移动性和调度的测量和测量报告配置功能。 基于 AMBR和 MBR的上行承载级速率整型。 上行传输层数据包的分类标示。 e N BM M E / S - G W M M E / S - G We N Be N BS1S1S1S1X 2X2X2E - U T R A NTD LTE接入网 eNB S1-MME eNodeB与 MME之间的控制面接口，提供 S1-AP信令的可靠传输，基于 IP和 SCTP协议。 S1-U eNodeB与 S-GW之间的用户面接口，提供 eNodeB与 S-GW之间用户面 PDU非保证传输。基于 UDP/IP和 GTP-U协议。 S3 在 UE活动状态和空闲状态下，为支持不同的 3G接入网络之间的移动性，以及用户和承载信息交换而定义的接口点，基于 SGSN之间的 Gn接口定义。 S4 核心网和作为 3GPP锚点功能的 Serving GW之间的接口，为两者提供相关的控制功能和移动性功能支持。 该接口基于定义于 SGSN和 GGSN之间的 Gn接口。另外，如果没有建立 Direct Tunnel，该接口提供用户平面的隧道功能。 S5 负责 Serving GW和 PDN GW之间的用户平面数据传输和隧道管理功能的接口。用于支持 UE的移动性而进行的 Serving GW重定位过程以及连接 PDN网络所需要的与non-collocated PDN GW之间的连接功能。基于 GTP协议或者基于 PMIPv6协议。 S6a MME和 HSS之间用以传输签约和鉴权数据的接口。 S7 基于 Gx接口的演进，传输服务数据流级的 PCC信息、接入网络和位置信息。 S7c 基于 Gx接口演进，支持传输 QoS参数和相关分组过滤器参数、控制信息。在S5/S8接口基于 PMIPv6协议情形下支持。 S8a 定义于不同 PLMN间， VPLMN中 Serving GW和 HPLMN中 PDN GW之间为用户提供控制平面和用户平面功能的接口，该接口基于 SGSN和 GGSN间的 Gp接口。 S8a相当于是 S5接口的跨 PLMN版本。 S8b 支持跨 PLMN网关漫游情况用户平面和控制平面功能的接口，支持 PMIPv6协议。 S10 MME之间的接口，用来处理 MME重定位和 MME之间的信息传输。 S11 MME和 Serving GW之间的接口 S12 有 Direct Tunnel建立时， UTRAN和 Serving GW之间的接口，用于二者之间的用户数据传输。该接口基于 Iu-u/Gn-u使用 SGSN和 UTRAN之间或 SGSN和 GGSN间所定义的 GTP-U协议 TD LTE网络接口 GTP - U UDP IP Data li nk lay er User pla ne P D Us Ph ysi cal lay er SC T P IP Data lin k la y er S1 - AP P h y s ical la y er S1接口控制面的功能： SAE承载管理功能（包括SAE承载建立、修改和释放）； 连接状态下 UE的移动性管理功能（包括 LTE系统内切换和系统间切换）； S1寻呼功能； NAS信令传输功能； S1 UE上下文释放功能； S1接口管理功能（包括复位、错误指示以及过载指示等）； 网络共享功能； 网络节点选择功能； 初始上下文建立功能； 漫游和接入限制支持功能 业务面 控制面 S1接口概述 SAE承载管理 SAE承载建立 SAE承载修改 SAE承载释放 初始上下文建立 UE上下文释放 切换管理 切换准备 切换资源分配 切换通知 路径切换请求 切换取消 寻呼 初始 UE消息 下行 NAS传输 上行 NAS传输 复位 错误指示 S1建立 S1接口流程概述 GTP - U UDP IP Data li nk lay er User pla ne P D Us Ph ysi cal lay er SC T P IP Data lin k la y er X2 - AP P h y s ical la y er 业务面 控制面 X2接口控制面的功能： 连接状态下 UE的移动性管理功能（针对LTE系统内切换）； 上行负荷管理功能； X2接口管理功能（包括复位和错误指示）。 X2接口概述 sou r ce eN od eB H A N D O V E R R E Q U E S T H A N D O V E R R E Q U E S T A C K N O W LE D G E t ar g e t eN od eB so urce eN od eB H A N D OVE R C A N C E L t ar g e t eN od eB X 2 A P Re l e a s e R e s o ur c e T a r ge te N B So u r c e e N B so urce eN od eB S N S T A T U S T R A N S F E R t ar g e t eN od eB eN B LOAD I N F O R M A T I O N eN B e N B1 L a y e r R E S E T R E S P O N S E R E S E T R E Q U E S T e N B 2 L a y e r eN od eB X2 S E T U P R E QU E S T eN od eB X2 S E T U P R E S P ON S E 切换准备 切换取消 释放资源 序列号状态传输 负荷指示 复位 X2建立 X2接口流程概述 多模多功能 TD LTE 终端 PDA GSM TD-SCDMA ALL IN ONE 低成本 低功耗 业务丰富 通用性强 设置灵活 接入性强 操作系统简单 系统稳定 商用终端与 HSPA等商用网络进行 IWT和 IOT测试，保证漫游等功能的实现 TD LTE终端 Class Power(dBm) Tolerance(dB) 1 +30 2 +27 3 +23 +/-2 dB 4 +21 UE功率等级： TD LTE终端 完成业务数据流在空中接口的收发处理，协议栈包括 PDCP、 RLC、MAC和 PHY四个协议子层 e N BP H YU EP H YM A CR L CM A CP D C PP D C PR L Ce N BP H YU EP H YM A CR L CM A CM M ER L CN A S N A SR R C R R CP D C P P D C P业务面 控制面 E-UTRAN控制面主要包括 NAS、 RRC、PDCP、 RLC、 MAC和PHY，网络侧的协议终止点除 NAS在 MME中外，其他的协议层都终止于eNB 空中接口 广播： MIB等需要频繁发送的系统信息使用固定无线资源在 PBCH上发送，而其它广播信息与数据动态共享无线资源，由 PDSCH承载。 寻呼： 采用与数据共享无线资源的方式采用 PDSCH承载。 业务链接建立和释放： 在 E-UTRAN中对 RRC消息进行了较大的简化，仅使用一个单一的配置消息（ RRC CONNECTION RECONFIGURATION）来进行业务链接的建立和释放。 动态调度 测量： 测量对 E-UTRAN网络性能影响非常大，与切换、调度密切相关。 E-UTRAN中测量由网络侧发起和配置，具体的测量量仍在定义中。 切换 空中接口的主要工作过程 PHY位于 UU口协议规范的最底层 与 MAC子层以及 RRC层之间有信息交互 PHY通过传输信道向高层提供数据传输服务 R a d i o R e s o u r c e C o n t r o l ( R R C )M e d i u m A c c e s s C o n t r o l( M A C )T r a n s p o r t c h a n n e l sP h y s i c a l l a y e rControl / MeasurementsL a y e r 3L o g i c a l c h a n n e l sL a y e r 2L a y e r 1空中接口分层 O n e s l o t , Ts l o t= 1 5 3 6 0 TsG P U p P T SD w P T SO n e r a d i o f r a m e , Tf = 3 0 7 2 0 0 Ts = 1 0 m sO n e h a l f - f r a m e , 1 5 3 6 0 0 Ts = 5 m s3 0 7 2 0 TsO n e s u b f r a m e , 3 0 7 2 0 TsG P U p P T SD w P T SS u b f r a m e # 2 S u b f r a m e # 3 S u b f r a m e # 4S u b f r a m e # 0 S u b f r a m e # 5 S u b f r a m e # 7 S u b f r a m e # 8 S u b f r a m e # 9G P U p P T SD w P T SO n e s u b f r a m e , 3 0 7 2 0 TsG P U p P T SD w P T SS u b f r a m e # 2 S u b f r a m e # 3 S u b f r a m e # 4S u b f r a m e # 0 S u b f r a m e # 5 S u b f r a m e # 7 S u b f r a m e # 8 S u b f r a m e # 9固定下行 固定上行 G P U p P T SD w P T SO n e s u b f r a m e , 3 0 7 2 0 TsG P U p P T SD w P T SS u b f r a m e # 2 S u b f r a m e # 3 S u b f r a m e # 4S u b f r a m e # 0 S u b f r a m e # 5 S u b f r a m e # 7 S u b f r a m e # 8 S u b f r a m e # 95ms转换点： 10ms转换点： 物理层帧结构 上下行配置 上下行配置 DLUL切换点周期 子帧序号 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 5 ms D S U U U D S U U U 1 5 ms D S U U D D S U U D 2 5 ms D S U D D D S U D D 3 10 ms D S U U U D D D D D 4 10 ms D S U U D D D D D D 5 10 ms D S U D D D D D D D 6 5 ms D S U U U D S U U D 物理层帧结构 特殊子帧配置 特殊子帧配置 常规 CP 扩展 CP DwPTS GP UpPTS DwPTS GP UpPTS 0 3 10 1 3 8 1 1 9 4 8 3 2 10 3 9 2 3 11 2 10 1 4 12 1 3 7 2 5 3 9 2 8 2 6 9 3 9 1 7 10 2 - - - 8 11 1 - - - 物理层帧结构 基本时间单位 天线端口 LTE使用天线端口来区分空间上的资源。天线端口的定义是从接收机的角度来定义的，即如果接收机需要区分资源在空间上的差别，就需要定义多个天线端口。天线端口与实际的物理天线端口没有一一对应的关系。 由于目前 LTE上行仅支持单射频链路的传输，不需要区分空间上的资源，所以上行还没有引入天线端口的概念。 目前 LTE下行定义了三类天线端口，分别对应于天线端口序号 05。 秒2 0 4 81 5 0 0 01s T小区专用参考信号传输天线端口：天线端口 03 MBSFN参考信号传输天线端口：天线端口 4 终端专用参考信号传输天线端口：天线端口 5 物理资源概念 资源单元 (RE) 对于每一个天线端口，一个 OFDM或者 SC-FDMA符号上的一个子载波对应的一个单元叫做资源单元 资源块 (RB) 一个时隙中，频域上连续的宽度为180kHz的物理资源称为一个资源块 7 s y m b o l sO n e S l o tNc subcarriers12 subcarriersR B( 1 2 x 7 R E )R ER e s o u r c e G r i d ( E x a m p l e )物理资源概念 RB参数 （常规子帧） 物理资源概念 资源单元组 (REG) 控制区域中 RE集合，用于映射下行控制信道 每个 REG中包含 4个数据 RE R SR SR SR SR E G n + 1R E G n第 一 个 O F D M 符 号R E G n + 2R E G nR SR SR SR SR E G n + 1R E G n第 二 个 O F D M 符 号( 4 个 公 共 天 线 端 口 )第 三 个 O F D M 符 号第 二 个 O F D M 符 号( 1 / 2 个 公 共 天 线 端 口 )R E G n + 1R E G n + 2R E G nR E G n + 1物理资源概念 常规子帧： 常规子帧由两个时隙组成，每个时隙长度 0.5ms 下行 Unicast/MBSFN子帧 下行 MBSFN专用载波子帧 上行常规子帧 特殊子帧： 特殊子帧由三个特殊域组成，分别为 DwPTS、 GP和 UpPTS，特殊子帧只存在帧结构类型 2中 子帧结构 控制区域与数据区域进行时分 控制区域 OFDM符号数目可配置 7 s y m b o l sNc subcarriers12 subcarriers7 s y m b o l s控 制 区 域数 据 区 域子帧 控制区域 OFDM 符号数目 帧结构类型 2中的子帧 1和子帧 6 1, 2 存在 MBSFN传输的子帧 1, 2 不存在 MBSFN传输 的子 帧 1, 2, 3 下行 Unicast/MBSFN子帧 数据传输方式 localized distributed Nc subcarriers控 制 区 域数 据 区 域d i s t r i b u t e dl o c a l i z e d下行 Unicast/MBSFN子帧 下行 MBSFN专用载波子帧中不存在控制区域 即控制区域 OFDM符号数目为 0 下行 MBSFN专用载波 子帧 控制区域与数据区域进行频分 数据传输方式 Localized Localized + FH Nc subcarriers控 制 区 域数 据 区 域控 制 区 域上行 常规 子帧 信道类型 功能 PUSCH (Physical Uplink Shared Channel) 承载上行业务数据 PUCCH (Physical Uplink Control Channel) 承载 HARQ信息 PRACH (Physical Random Access Channel) 用于 UE随机接入时发送preamble信息 信道类型 功能 PDSCH(Physical Downlink Shared Channel ) 承载下行业务数据 PBCH (Physical Broadcast Channel) 承载广播信息 PMCH ( Physical Multicast Channel) 在支持 MBMS业务时，用于承载多小区的广播信息 PCFICH (Physical Control Format Indicator Channel) 用于指示同一子帧中 PDCCH占用的符号数信息 PDCCH (Physical Downlink Control Channel) 承载下行调度信息 PHICH (Physical Hybrid ARQ Indicator Channel) 承载 HARQ信息 上行物理信道 下行物理信道 物理信道类型和功能 控制信息 物理信道 承载的信息 UCI PUCCH 对下行传输的 ACK/NACK的反馈、调度请求以及 CQI的测量结果 CFI PCFICH PDCCH占用几个 OFDM符号， CFI取值为 1或 2或 3 HI PHICH 对上行传输的 ACK/NACK的反馈， HI取值为 0或者 1 DCI PDCCH 资源分配信息、 HARQ信息、上行调度确认以及其他控制信息 。 根据承载信息不同， PDCCH分为以下几种格式： DCI 格式 0承载 UL-SCH资源分配信息； DCI 格式 1 承载 SIMO方式的 DL-SCH资源分配信息； DCI 格式 1A承载简单的 SIMO方式的 DL-SCH资源分配信息； DCI 格式 2承载 MIMO方式的 DL-SCH资源分配信息； DCI格式 3承载对于 PUCCH和 PUSCH的 TPC命令字（ 2比特的功率调整）； DCI格式 3A承载对于 PUCCH和 PUSCH的 TPC命令字（ 1比特的功率调整） 物理层信令主要用于携带与资源分配相关的信息以及 HARQ相关信息： 物理层信令 传输信道的信道编码 控制信息的信道编码 传输信道 编码方案 编码速率 UL-SCH Turbo coding 1/3 DL-SCH PCH MCH BCH Tail biting convolutional coding 1/3 RACH N/A N/A 控制信息 编码方案 编码速率 DCI Tail biting convolutional coding 1/3 CFI Block code 1/16 HI Repetition code 1/3 UCI Block code variable Tail biting convolutional coding 1/3 LTE信道编码与调制方式 下行物理信道的调制方式 上行物理信