LTE基本原理介绍及关键技术分析.ppt

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EnhancedUplink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 ThejustificationoftheStudyItemwasthatwithenhancementssuchasHSDPAandEnhancedUplink the3GPPradio accesstechnologywillbehighlycompetitiveforseveralyears However toensurecompetitivenessinanevenlongertimeframe i e forthenext10yearsandbeyond along termevolutionofthe3GPPradio accesstechnologyneedstobeconsidered 3GPPTR25 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 3GPP标准与技术演进 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 TDDLTE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LTEFDD系统帧结构兼容 系统设计保证了站点的重用 TDDLTE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 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 IP化的网络架构 TDLTE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ServingGW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 TDLTE接入网eNB TDLTE网络接口 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 S1UE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 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 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TDLTE终端 PDA GSM TD SCDMA ALLINONE 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 TDLTE终端 UE功率等级 TDLTE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 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 RRCCONNECTIONRECONFIGURATION 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 空中接口分层 固定下行 固定上行 5ms转换点 10ms转换点 物理层帧结构 上下行配置 物理层帧结构 特殊子帧配置 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0 5 小区专用参考信号传输天线端口 天线端口0 3MBSFN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 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 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 下行Unicast MBSFN子帧 数据传输方式localizeddistributed 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LocalizedLocalized FH 上行常规子帧 上行物理信道 下行物理信道 物理信道类型和功能 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 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道的调制方式 LTE信道编码与调制方式 上行同步 下行同步 上行初始同步 UE在随机接入信道上发送preamble码eNodeB根据preamble码的到达位置 将调整信息反馈给UEUE根据该信息进行后续的发送时间调整 上行同步保持 eNodeB可以根据上行信号估计接收时间生成上行时间控制命令字UE在子帧n接收到的时间控制命令字 UE在n x子帧按照该值对发送时间提前量进行调整 X还未确定 下行初始同步 初始下行同步是小区搜索过程 UE通过检测小区的主要同步信号 以及辅助同步信号 实现与小区的时间同步 下行同步保持 小区搜索成功后 UE周期性测量下行信号的到达时间点 并根据测量值调整下行同步 以保持与eNB之间的时间同步 物理层主要过程 同步 小区搜索是UE接入网络 为用户提供各种业务的基础 根据同步信号获得下行时间同步 根据同步信号获得下行频率同步 根据同步信号获得CELLID 系统带宽 天线配置等相关信息 读取小区广播信息 物理层主要过程 小区搜索 上行随机接入的目的是UE获得与基站的上行时间同步 为业务数据传输提供基础 UE高层 UE物理层 eNodeB 发送preamble码的请求 preamble码的索引preamble码的发送功率相关的RA RNTI上行随机接入资源配置 检测到含有RA RNTI的PDCCH 随机接入请求 preamble码序列 随机接入请求响应 时间同步等信息 发送preamble码的请求响应 相应的DL SCH中的传输块 物理层主要过程 上行随机接入 内容 LTE起源及里程碑LTE技术原理与系统架构LTE关键技术分析 LTE关键技术 LTE OFDM MIMO IP LTE的主要增强型技术 OFDM MIMO 1G FDMA 2G TDMA为主 3G CDMA OFDM OFDM 下行OFDM上行SC FDMA OFDM即正交频分多路复用 OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing 与传统的多载波调制 MCM 相比 OFDM调制的各个子载波间可相互重叠 并且能够保持各个子载波之间的正交性 OFDM原理 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 构成一个OFDM符号 Bandwidth OFDM原理 采样频率Fs采样周期TsFFT点数NFFT子载波间隔 f有用符号时间Tu循环前缀时间TcpOFDM符号时间TOFDM可用子载波数目Nc 关键参数 f Tcp以及Nc采样频率以及FFT点数与实现相关 OFDM主要参数 子载波间隔15kHz 用于单播 unicast 和多播 MBSFN 传输7 5kHz 仅仅可以应用于独立载波的MBSFN传输子载波数目循环前缀长度一个时隙中不同OFDM符号的循环前缀长度不同 LTE系统中 利用NFFT 2048的采样周期定义基本时间单元 Ts 1 Fs 1 15000 x2048 秒 LTEOFDM主要参数 频谱效率高OFDM采用多载波方式避免用户的干扰 只是取得用户间正交性的一种方式 防讳于未然 的一种方式未然式CDMA采用等干扰出现后用信号处理技术将其消除 例如信道均衡 多用户检测等 以恢复系统的正交性相对单载波系统 CDMA 来说 多载波技术 OFDM 是更直接的实现正交传输的方法带宽扩展性强 决定性优势OFDM信道带宽取决于子载波的数量CDMA只能通过提高码片速率或者多载波方式支持更大带宽 使得接收机复杂度大幅度上抗多径衰落相对于CDMA系统 OFDMA系统是实现简单均衡接收机的最直接方式 OFDM技术的优势 频域调度及自适应OFDM可以实现频域调度 相对CDMA来说灵活性更高可以在不同的频带采用不同的调制编码方式 更好的适应频率选择行衰落实现MIMO技术较简单MIMO技术的关键 有效避免天线之间的干扰以区分多个数据流水平衰落信道中实现MIMO更容易 频率选择性信道中 IAI和ISI混合在一起 很难将MIMO接受和信道均衡区分开 OFDM技术的优势 PAPR问题高PAPR给系统很多不利 增加模数 数模转换的复杂度 降低RF功放的效率 增加发射机功放的成本等未然式降低PAPR的方法 信号预失真技术 如消峰 Clipping 峰加窗编码技术 加扰技术时间和频率同步时间偏移会导致OFDM子载波的相位偏移 所以引入CP载波频率偏移带来两个影响 降低信号幅度 造成ICI多小区多址和干扰抑制 OFDM技术的缺点 单载波特性 a 信号具有低的峰均比b 传输带宽取决于M DFT S OFDM原理 子载波间隔15kHz子载波数目循环前缀长度一个时隙中不同DFTS OFDM符号的循环前缀长度不同 LTEDFTS OFDM关键参数 多天线技术 下行利用公共天线端口 LTE系统可以支持单天线发送 1x 双天线发送 2x 以及4天线发送 4x 从而提供不同级别的传输分集和空间复用增益利用专用天线端口以及灵活的天线端口映射技术 LTE系统可以支持更多发送天线 比如8天线发送 从而提供传输分集 空间复用增益同时 提供波束赋形增益上行目前 LTE系统上行仅支持单天线发送可以采用天线选择技术提供空间分集增益 LTE系统的天线配置 下行多天线技术传输分集SFBC SFBC FSTD 闭环Rank1预编码空间复用开环空间复用 闭环空间复用以及MU MIMO波束赋形上行多天线技术上行传输天线选择 TSTD MU MIMO 多天线技术 ST FBC STBC SFBC LTE系统中在2天线端口发送情况下的传输分集技术确定为SFBC 传输分集 TSTD LTE系统上行天线选择技术可以看作是TSTD的一个特例 传输分集 FSTD LTE系统并没有直接采用FSTD技术 而且与其他传输分集技术结合起来使用 传输分集 SFBC FSTD LTE系统中在4天线端口发送情况下的传输分集技术采用SFBC与FSTD结合的方式 传输分集 SISO MISO SIMO MIMO 空间复用 多码字传输多码字传输即复用到多根天线上的数据流可以独立进行信道编码和调制单码字传输是一个数据流进行信道编码和调制之后再复用到多根天线上LTE支持最大的码字数目为2 为了降低反馈的量 单码字多码字 空间复用 在空间复用传输之前 多个数据流使用一个线性的预编码矩阵或者向量进行预编码操作在发送天线与接收天线相等 NL NL 的情况下 预编码操作可以正交化多个并行的传输 增加不同数据流之间的隔离度进一步 在发送天线数目大于接收天线数目 NL NT 的情况下 预编码操作还可以获得波束赋形增益 传输分集增益 基于预编码的空间复用 下行MU MIMO 将多个数据流传输个不同的用户终端 多个用户终端以及eNB构成下行MU MIMO系统下行MU MIMO可以在接收端通过消除 零陷的方法 分离传输给不同用户的数据流下行MU MIMO还可以通过在发送端采用波束赋形的方法 提前分离不同用户的数据流 从而简化接收端的操作LTE下行目前同时支持SU MIMO和MU MIMO SU MIMOMU MIMO MU MIMO 上行MU MIMO 不同用户使用相同的时频资源进行上行发送 单天线发送 从接收端来看 这些数据流可以看作来自一个用户终端的不同天线 从而构成了一个虚拟的MIMO系统 即上行MU MIMOLTE上行仅仅支持MU MIMO这一种MIMO模式 SU MIMOMU MIMO MU MIMO 波束赋形技术要求使用小间距的天线阵列 且天线单元数目要足够多波束赋形技术的实现方式是将一个单一的数据流通过加权形成一个指向用户方向的波束 从而使得更多的功率可以集中在用户的方向上波束赋形技术可以充分的利用TDD系统的信道对称性DOASVD 波束赋形 主要在下行方向 上行方向虽然支持MU MIMO 但是每一个UE来看 其与单天线传输没有区别统一流程如下 层 Layer 有不同的解释在使用单天线传输 传输分集以及波束赋形时 层数目等于天线端口数目 在使用空间复用传输时 层数目等于空间信道的Rank数目 即实际传输的流数目 LTE多天线技术具体实现方式 HARQ FEC 前向纠错编码ARQ 自动重传请求HARQ ARQ FEC单路停等协议与多路并行停等协议同步HARQ协议与异步HARQ协议自适应的HARQ与非自适应的HARQ HARQ基本概念 LTE采用多路并行停等协议FDD RTT包括下行信号传输时间TP 下行信号接收时间Tsf 下行信号处理时间TRX 上行ACK NACK传输时间TP 上行ACK NACK接收时间TTX 上行ACK NACK处理时间TRX 即RTT 2 TP 2 Tsf TRX TTXFDD 进程数等于RTT中包含的下行子帧数目 即Nproc RTT Tsf 下行HARQRTT与进程数 FDD HARQRTT与进程数 LTEFDD的RTT确定为8ms 最大进程数目为8 上行HARQRTT与进程数 FDD HARQRTT与进程数 对于TDD来说 其RTT大小不仅与传输时延 接收时间和处理时间有关 还与TDD系统的时隙比例 传输所在的子帧位置有关TDD系统的进程数目 HARQRTT与进程数 ACK NACK定时 对于子帧n中的数据传输 其ACK NACK在n k子帧中传输 对于FDD k 4 对于TDD k 3 ACK NACK PDSCH ACK NACK PUSCH HARQ定时关系 重传与初传之间的定时关系 同步HARQ协议 异步HARQ协议LTE上行为同步HARQ协议 如果重传在预先定义好的时间进行 接收机不需要显示告知进程号 则称为同步HARQ协议根据PHICH传输的子帧位置 确定PUSCH的传输子帧位置与PDCCH PUSCH的定时关系相同LTE下行为异步HARQ协议 如果重传在上一次传输之后的任何可用时间上进行 接收机需要显示告知具体的进程号 则称为异步HARQ协议 HARQ定时关系 自适应HARQ 自适应HARQ是指重传时可以改变初传的一部分或者全部属性 比如调制方式 资源分配等 这些属性的改变需要信令额外通知 非自适应HARQ 非自适应的HARQ是指重传时改变的属性是发射机与接收机实现协商好的 不需要额外的信令通知LTE下行采用自适应的HARQLTE上行同时支持自适应HARQ和非自适应的HARQ非自适应的HARQ仅仅由PHICH信道中承载的NACK应答信息来触发自适应的HARQ通过PDCCH调度来实现 即基站发现接收输出错误之后 不反馈NACK 而是通过调度器调度其重传所使用的参数 自适应 非自适应HARQ 单纯HARQ机制中 接收到的错误数据包都是直接被丢掉的HARQ与软合并结合 将接收到的错误数据包保存在存储器中 与重传的数据包合并在一起进行译码 提高传输效率 CC合并 HARQ与软合并 IR合并 LTE支持使用IR合并的HARQ 其中CC合并可以看作IR合并的一个特例 HARQ与软合并 信道调度 基本思想对于某一块资源 选择信道传输条件最好的用户进行调度 从而最大化系统吞吐量 多用户分集 信道调度 LTE系统支持基于频域的信道调度相对于单载波CDMA系统 LTE系统的一个典型特征是可以在频域进行信道调度和速率控制 下行 基于公共参考信号上行 基于探测参考信号 信道调度 链路自适应 速率控制功率控制 链路自适应技术一般指速率控制技术 即自适应调制编码技术 链路自适应 通过动态调整发射功率 维持接收端一定的信噪比 从而保证链路的传输质量当信道条件较差时需要增加发射功率 当信道条件较好时需要降低发射功率 从而保证了恒定的传输速率 功率控制可以很好的避免小区内用户间的干扰 功率控制 保证发送功率恒定的情况下 通过调整无线链路传输的调制方式与编码速率 确保链路的传输质量当信道条件较差时选择较小的调制方式与编码速率 当信道条件较好是选择较大的调制方式 从而最大化了传输速率 速率控制可以充分利用所有的功率 速率控制 即AMC LTE下行方向的链路自适应技术基于UE反馈的CQI 从预定义的CQI表格中具体的调制与编码方式 下行方向链路自适应 LTE上行方向的链路自适应技术基于基站测量的上行信道质量 直接确定具体的调制与编码方式 上行方向的链路自适应 内容 OFDM多天线技术链路自适应信道调度与调度信令HARQ小区间干扰消除 小区间干扰消除 加扰跳频传输发射端波束赋形以及IRC小区间干扰协调功率控制 小区间干扰消除 LTE系统充分使用序列的随机化避免小区间干扰一般情况下 加扰在信道编码之后 数据调制之前进行即比特级的加扰PDSCH PUCCHformat2 2a 2b PUSCH 扰码序列与UEid 小区id以及时隙起始位置有关PMCH 扰码序列与MBSFNid和时隙起始位置有关PBCH PCFICH PDCCH 扰码序列与小区id和时隙起始位置有关PHICH物理信道的加扰是在调制之后 进行序列扩展时进行加扰扰码序列与小区id和时隙起始位置有关 加扰 目前LTE上