LTE 技术及仿真性能（上）

1、 npc confidential 新邮通信 2010.03 lte 技术及仿真性能 npc confidential lte的演进过程 lte中物理层引入的新技术 lte物理层规范 lte链路及系统仿真性能介绍 lte链路预算介绍 lte频点规划 2 目录 1. 2. 3. 4. 5. 6. 3 npc confidential 什么是lte 到底什么是lte呢？ lte (long term evolution)是3gpp组织在umts演进过程中的项目名； 是当前一种新的空中接口的演进发展； 可以与umts的其它演进如hsdpa和hsupa相共存； lte的还有其它名字吗？ evolved

2、 utra(e-utra)/evolved utran (e-utran) evolved umts terrestrial radio access evolved umts terrestrial radio access network 其它相关的名字: 3.9g, super 3g, hsopa (evolution of hsdpa/hsupa with ofdm)； 一些相关未有进入标准化的名字 lte核心网的名字: 通常我们称其为sae (system architecture evolution)。 4 npc confidential 无线通信标准组织的演进 特点能力 接入方

3、式fdd和tdd都有自己的帧结构 可变化的带宽1.4，3，5，10，15，20mhz 所有的带宽都可以被 fdd和tdd所支持 基本的ue能力20mhz ul/dl，2接收1发送天线 用户的数据速率下行172.8mbps，上行86.4mbps在20mhz带宽 (2x2 dl su-mimo和非mimo 64qam ul) 下行传输技术ofdm技术+qpsk,16qam, 64qam 上行传输技术sc-fdma技术+ qpsk, 16qam, 64qam 下行多天线技术开环发送分集；4x2, 2x2, 1x2,1x1 单用户mimo最大可支持4x4 上行多天线技术开环发送分集，2x2 mu-mi

4、mo 5 npc confidential lte 的主要特征(优势) 协议代号内容 ts 36.1xx设备需求: 终端、基站等等. ts 36.2xx物理层相关. ts 36.3xx层2和层3: mac层(medium access control), 无线链路和资源管理 (radio link control, and radio resource control) ts 36.4xx网络架构及bs和移动性管理管理 (base stations and mobile management entities) ts 36.5xx一致性测试(conformance testing). 6 np

5、c confidential lte介绍：lte演进过程 定义: lte = long term evolution：长期演进版； 3gpp的一个标准， 很多运营商参与标准的制定； lte 标准的演进历史 release-8: 从2004年开始讨论，到2008年3月基本冻结； release-9: r-8的一些补充，以及新功能的引入； release-10: 主要特征是 lte-advance、(4g)； 所有资料均可获取从官方网站 /ftp/ 7 npc confidential lte 的后续演进 4g、lte-advanced的后续技术： 更宽的带宽足

6、以达到10mhz(多个20mhz的汇聚，如下图)； 上行的mimo技术扩展(同一设备两个发送天线)； 下行的mimo技术扩展(能够支持8x8场景)； comp (coordinated multipoint transmission)技术应用，通过协同 调度或者联合传输在多个不同的cell site，以提高系统容量和小区边 缘速率； 名称 imt-adv要求lte-adv后期目标 下行峰值速率 1gbps 上行峰值速率 500mbps 频谱宽度 大于 40mhz大于100mhz 用户面时延 10ms10ms 控制平面时延 100ms50ms 下行峰值频谱效率 15bps/hz30bps/hz

7、上行峰值频谱效率 6.75bps/hz15bps/hz 下行平均频谱效率 2.2bps/hz2.6bps/hz 上行平均频谱效率 1.4bps/hz2.0bps/hz 下行小区边缘频谱效率 0.06bps/hz0.09bps/hz 下行小区边缘频谱效率 0.03bps/hz0.07bps/hz 8 npc confidential lte 的后续演进 imt-advanced要求和lte-a的未来目标规划： 9 npc confidential lte 的后续演进 lte-a的目标与lte的性能比较： npc confidential lte的演进过程 lte中物理层引入的新技术 lte物理层

8、规范 lte链路及系统仿真性能介绍 lte链路预算介绍 lte频点规划 10 目录 1. 2. 3. 4. 5. 6. 单载波传统多载波(fdm) 优势 实现复杂不高，更不需要过多的模 拟器件，很容易在数字器件中实现。 每个信号在频率上区分，时间上将持续 较长时间，窄带系统特性，大大降低多 径和isi的问题，信道均衡十分简单。 缺点 受散射信号数量影响较大，很容易 由被多径产生isi问题，抗拒多径的 均衡方法将导致复杂度大大增加， 因此理论上更适合于窄带系统。 传统多载波调制是通过模拟混频器调制 到不同频点上的，因此将大大增加模拟 器件成本。 11 npc confidential lte引进

9、新技术介绍 i：ofdm 12 npc confidential lte引进新技术介绍 i：ofdm 现代无线通信系统中的多径问题： 当前现代民用通信系统中高速移动和多径信号散射是两个至关 重要问题。 a0 a1 1 a2 2 h (t ) = k (t k ) 传统单载波系统中对抗多径的问题和方法： 对于传统宽带单载波系统，需要很详细的估计出多径 信道的各种信息； 通常求原始信号需要使用高运算量的方法如rake接 收、jd检测中的矩阵求逆。 ofdm系统中对抗多径的问题和方法： 将基带调制符号持续时间延长值ofdm符号时间，加 入cp，从而克服了宽带系统的多径问题； 接收机可通过单节均衡器实

10、现，复杂度大大降低。 13 npc confidential lte引进新技术介绍 i：ofdm ofdm链路模型架构: 14 npc confidential lte引进新技术介绍 i：ofdm ofdm与cdma技术的比较: cdma: 传输可以在整个系统带宽中固定的； 所有信号传输在全部的系统带宽中； 符号周期很短-系统带宽倒数； 较低的频谱效率； 对抗多径检测方法非常复杂。 ofdm: 传输可以在整个系统带宽中可变的； 符号周期很长-由子载波间隔和系统带宽 共同可以； 用户间通过fdma和tdma方式以子载 波为单位区分； 非常高的频谱效率； 对多径问题的检测十分简单。 15 npc

11、confidential lte引进新技术介绍 i：ofdm ofdm与cdma技术的比较: 链路bler性能比较： 注：其中fde指cdma系统使用类似于ofdm系统中信道fde的均衡技术 lte (fdd/tdd)wcdmatd-scdma 系统带宽 1.4mhz5mhz10mhz20mhz5mhz1.6mhz 传输带宽 1.08mhz4.5mhz9mhz18mhz3.84mhz1.28mhz 比例关系 77%90%90%90%76.8%80% 16 npc confidential lte引进新技术介绍 i：ofdm ofdm与cdma技术的比较: 频谱效率比较： 17 npc conf

12、idential 高峰均比（ papr） 在fft 中求和的过程导致了 a/d or d/a的很大的动态范围； 射频功放的低效率，此效率提高的难度很大。 对频域上的error非常敏感 频域上子载波之间的正交性要得到保障；ofdm符号越长将对于高速 doppler的影响就会越发的敏感； 敏感于频率的偏差、相位噪声等因素； 所谓的高频谱效率带来的负面作用。 应用 电子器件的要求 = 仅在lte下行中使用 关于上行ue侧功放该如何呢? 要和 ofdm兼容. 低 峰均比（papr） = 单载波 ? lte引进新技术介绍 i：ofdm ofdm的局限性以及应用： 局限性 18 npc confident

13、ial lte引进新技术介绍 i：ofdm ofdm信号受频偏和doppler的影响： 19 npc confidential lte引进新技术介绍 ii：sc-fdma 为什么使用sc-fdma (single carrier fdma)？ sc-fdma是一种调制技术的合并，它将频率灵活配置与ofdm的 优势相结合同时又具有非常小的papr值； dft和idft 在收端或发端总是成对出现。成对的dft = 单载波系 统 = 低的峰均比（papr）； sc-fdma实质是将有限带宽内数据做了一个相应的频谱搬移； 注意 m n， 成对的dft 的维数是不同的。 20 npc confident

14、ial lte引进新技术介绍 ii：sc-fdma sc-fdma收发机链路模型： sc-fdma与ofdm有着很相似的结构模型； sc-fdma检测方法和ofdm结构基本一致，其均衡视为传统 的单载波频域均衡的方法； 多一个m点dft模块，发射信号成为单载波属性。 21 npc confidential lte引进新技术介绍 ii：sc-fdma sc-fdma vs. ofdm sc-fdma的一些问题 sc-fdma只能对于单用户获得低papr的意义，随着用户数增加将接近ofdm的方式，因此 它下行链路中在此方面带来的益处不大； 在信道编码率较低的时候，信噪比(snr)较低的时候性能相比

15、ofdm会显著变差。 22 npc confidential lte引进新技术介绍 ii：sc-fdma sc-fdma vs. ofdm 链路级bler比较： 16qam sc-fdma ofdma 16qam qpsk sc-fdma ofdma throughput mbps throughput mbps 23 npc confidential 2.0 1.6 1.2 0.8 0.4 0.0 -8-4048 snr db 2.0 1.6 1.2 0.8 0.4 0.0 -8-4048 snr db lte引进新技术介绍 ii：sc-fdma sc-fdma vs. ofdm 上行链路级

16、吞吐量比较： 24 npc confidential lte引进新技术介绍 ii：sc-fdma sc-fdma vs. ofdm 两种技术papr和cm的比较： % of users 25 npc confidential lte引进新技术介绍 ii：sc-fdma sc-fdma vs. ofdm p e r c e n ta g e o f u s e r s r e a c h in g c e r t a in b it r a te , a v a ila b ility 9 0 % , is d 1 7 3 2 m 50 40 30 20 10 0 100 90 80 70 60

17、 0 .0 20 .0 50 .1 20 .2 60 .5 61 .1 62 .3 63 .5 65 .3 77 .1 69 .5 61 0 .7 s c -f d m a ofdma 上行系统级吞吐量比较： 功放回退 小区半径 b it r a te m b it/s 典型宏小区中达到特定比特速率的用户百分比 系统吞吐量随小区半径变化仿真结果 26 npc confidential lte引进新技术介绍 iii：mimo mimo (multiple input multiple output)技术的分类 发送接收分集(transmit/receiver diversity)技术； 空间复用

18、(spatial multiplexing)技术； 单用户mimo (su-mimo); 多用户mimo (mu-mimo); 波束赋形(beamforming)技术； 27 npc confidential 空间分集 增加覆盖 抗衰落，提高链路性 能 波束赋形 增加覆盖 抗衰落，抑制干扰 空分多址 提高小区吞吐量及频 谱效率 lte引进新技术介绍 iii：mimo 空间复用 提高小区吞吐量及频 谱效率 提高用户峰值速率 针对不同信道条件， lte可支持在分集、 复用和波束赋形 等发送模式间自适应 切换 lte引进新技术介绍 iii：mimo npc confidential td-lte系统

19、采用波束赋形技术 利用tdd的信道互易性 增加覆盖 降低小区间干扰 提高小区边缘覆盖速率 28 29 npc confidential lte引进新技术介绍 iii：mimo 发送接收分集(transmit/receiver diversity)技术: 多根发送和接收天线上的信息认为是 一致的，但是信号有可能有不同的空 间编码方式 多天线分集技术与单天线系统直观相比并没有增加系统容量，但是 由于改善了性能指标从而可以通过提高编码率和降低重传率提高系统 容量； 多天线分集技术有很好的抗衰落功能，尤其在信道散射丰富、多根 天线之间相关性不高的时候，抗衰落性能会更高，因此对于天线间距 要求一般大于4

20、倍波长，而当信道相关较大的时候则只能提高信噪 比，无法对抗衰落信道。 30 npc confidential lte引进新技术介绍 iii：mimo 发送接收分集(transmit/receiver diversity)技术: 右图为通过 多根天线信 号经历不同 信道，对抗 衰落信道， 提高接收机 的snr bler qam16 r3/4 oc 2/3qam16 r1 noc 1/2 31 npc confidential lte引进新技术介绍 iii：mimo 发送接收分集(transmit/receiver diversity)技术: performance comparison of 4

21、x1 codes (itu-va 30km/h, ideal channel estimation, turbo code) 1.00e+00 1.00e-01 1.00e-02 02468101214161820 snr (db) qam64 siso 1/2 qam64 r3/4 oc 2/3 qam16 siso 1/2 qpsk siso 1/2 qpsk r3/4 oc 2/3 qam64 r1 oc 1/2 qam64 r1 noc 1/2 qam16 r1 oc 1/2 qpsk r1 oc 1/2) qpsk r1 noc 1/2 npc confidential lte引进新

22、技术介绍 iii：mimo 空间复用(spatial multiplexing)技术: 上行su-mimo 要求ue至少两个 发送通道 lte r8版本不支 持 下行su-mimo 要求ue至少两个 接收通道 提高单用户峰值 速率 上行mu-mimo ue只需一个发送 通道 不同的ue使用相 同的物理资源， 要求ue配对 mimo 下行mu-mimo ue可以只有一个 接收通道 不同的ue使用相 同的物理资源， 要求ue配对 32 33 npc confidential lte引进新技术介绍 iii：mimo 空间复用(spatial multiplexing)技术: 34 npc confi

23、dential lte引进新技术介绍 iii：mimo 空间复用(spatial multiplexing)技术: mimo的小区系统吞吐量(哈佛大学2004年参考资料) system case1 (isd=500m) case3 (isd=1732m) bps/hz/ cell x hspa bps/hz/ cell x hspa uplink baseline 1x2 0.33210.3161 lte 1x2 0.7352.20.6812.2 lte 1x4 1.1033.31.0383.3 downlinkbaseline 1x2 0.531.00.521.0 2x2 su-mimo 1

24、.693.21.563.0 4x2 su-mimo 1.873.51.853.6 4x4 su-mimo 2.675.02.414.6 35 npc confidential lte引进新技术介绍 iii：mimo 空间复用(spatial multiplexing)技术: 注：baseline为hspa的标准速率，为lte协议制定过程中公认的一个基准。 36 npc confidential mimo：multi-input multi-output ofdm与mimo技术的结合： 为什么总是提到ofdm与mimo的结合呢？ 如前所述，ofdm可以将宽带通信系统转变为窄带通信系统，而mimo

25、的技术 是非常适合于窄带通信中，因此二者便自然而然的有效结合在一起了； mimo分离位置是在ifft模块之前，从cdma的角度理解为symbol级的位置； 这种结合在当前(wlan)，未来(lte、umb)无线通信标准中被广泛的应用。 npc confidential lte的演进过程 lte中物理层引入的新技术 lte物理层规范 lte链路及系统仿真性能介绍 lte链路预算介绍 lte频点规划 37 目录 1. 2. 3. 4. 5. 6. 下行信道名称功能与作用 pbch 广播信道 携带小区专用公共信息 pdcch 下行控制信道 下行资源调度、harq的ack/nack反馈 pcfich

26、控制格式指示信道 控制格式指示信道，告知pdcch的具体位置 harq指示信道 harq指示信道，对pusch的harq响应 pdsch 下行共享信道 下行业务信息承载 上行信道名称名称功能与作用 prach 随机接入信道终端接入及呼叫建立 pucch 上行控制信道 调度请求、harq的ack/nack反馈、cqi 反馈等等 pusch 上行共享信道 上行业务信息承载 38 npc confidential lte下行 (dl): 物理信道和物理信号 物理信道： 指信号由layer1产生，但是所承载的数据是来自于高层。 下行信道名称功能与作用 p-sch 主同步信道 用于小区初始化第一步接入，

27、完成与小区的同步 操作； s-sch 辅同步信道 基于p-sch第一步同步接入之后，完成对小区id 号的辨析； rs 下行参考信号(导频) 主要用于下行信道估计，辅助小区内和小区间的 信道测量等； 上行信道名称 名称功能与作用 rs 下行参考信号(导频)可分为dm rs和srs，dm rs用于上行信 道估计、同步和信道测量，srs主要用于 同步和信道测量。 39 npc confidential lte下行 (dl): 物理信道和物理信号 物理信号： 指信号完全由layer1产生，而不需要上层参与的信号； 控制信息/业务类型目标质量 dl控制信息 bch1% pch1% cfi0.1% dci

28、dl scheduling info1% ul scheduling info1% hiack to nack0.01% nack to ack0.01% ul控制信息 preamblefalse alarm0.1% miss detection1% rach msg31% anack to nack1% nack to ack0.01% dtx to ack1% cqi1% 典型业务 voip amr 12.2kbps2% 数据业务( 初始传输误差)10% 40 npc confidential lte下行 (dl): 物理信道和物理信号 41 npc confidential 7种上下行时

29、隙配置 0 1 2 3 4 5 6 lte基础 i: 帧结构(tdd) 灵活的上下行时隙配置，特 别适合非对称数据业务 42 npc confidential 数据传输 控制信息数据下行同步 小区搜索 上行同步 随机接入 系统信息获取 广播 pdschpcfichpdcchpschs-schpbchprachphich lte物理层过程 下行各物理信道对应功能及物理层过程： 收发端通信过程 初始化= 收发同步过程 npc confidential lte中mimo技术的选取 原因 空间复用，尤其是单用户空间复用直接增加吞吐 量，使lte更有竞争力，不可能舍弃的。 虽然被写在标准中，但是由于限于

30、接收端的能力， 系统反馈开销大等因素，性能并不一定会很好。 在抗无线信道衰落问题上有很强的竞争力，使用了 alamouti编码、cdd技术等，与空间复用可切换。 只适合在了tdd系统，fdd系统的反馈量过大，而 且天线配置方式与其它几种差别较大。 原因 考虑到ue侧模拟射频(尤其是功放)的考虑，目前认 为多套模拟系统代价过大，因此舍弃。 取代su-mimo而被写入标准，对于ue侧没有增加 射频开销，但是系统调度复杂度被加大。 与su-mimo的考虑是一样的，受限于模拟射频器 件，但是仍然允许使用天线切换技术(多根天线， 一套射频电路)。 同样受模拟射频器件限制，而且射频的复杂度比其 它几种mi

31、mo方式还要大。 43 取舍 取 取 取 取 取舍 舍 取 舍 舍 下行 su-mimo mu-mimo 空间分集技术 波束赋形 上行 su-mimo mu-mimo 空间分集技术 波束赋形 npc confidential lte的演进过程 lte中物理层引入的新技术 lte物理层规范 lte链路及系统仿真性能介绍 lte链路预算介绍 lte频点规划 44 目录 1. 2. 3. 4. 5. 6. 45 npc confidential lte链路和系统仿真介绍 lte链路仿真模型(下行) 46 npc confidential lte链路和系统仿真介绍 lte链路仿真模型(上行) 47 npc confidential lte链路和系统仿真介绍 lte链路仿真的指标 链路级bler性能 链路级吞吐量性能 随机接入正确检测概率(enodb) 小区初始化成功率(ue) 频偏估计性能 sinr、cqi估计误差 发射机evm modulationqpsk16qam64qam code rate1/31/22/33/44/51/23/52/33/44/53/52/33/44/5 blerbler npc confidential lte链路和系统仿真介绍 lte系统链路级bler仿真结果 下行链路自适应(