TD-LTE无线原理与关键技术

1、TD-LTETD-LTE无线原理与关键技术无线原理与关键技术目目 录录 主要讲：载波聚合、无线中继。主要讲述OFDM技术、MIMO技术小区干扰抑制和协调。LTE的组网结构及各部分功能特点、帧结构知识点说明。主要讲述LTE的发展背景简单说明。章节解析章节解析LTELTE技术背景技术背景产生原因产生原因与与FDD技术优势技术优势系统不足系统不足1、移动互联网业务的兴起2、WiMAX技术的挑战3、OFDMMIMO技术理论成熟1、频谱效率高、配置灵活2、上下行转换时刻设置灵活3、利用信道对称性，提升系统性能4、设备成本相对较低1、终端移动速度受限2、干扰问题更加复杂3、同步要求高TD-LTETD-LT

2、E无线网络原理无线网络原理- -组网结构组网结构取消RNC，大部分功能下放到eNB，少部分上升到EPC。取消CS域，纯PS域。后期语音业务也是分组数据。用户面和控制面分离:SGW和MME（移动性管理实体）。接入网和核心网“多-多”连接。实现全IP路由，网络结构趋近于IP宽带网络全全IP路由的扁平化网络结构路由的扁平化网络结构LTE系统=EPS=EPC+E-UTRUN=EPC+eNBEPC网元基本功能网元基本功能lMME：接入控制、移劢性管理；lS4 SGSN：2G/3G接入控制，相当于接入2G/3G的MME，进行移动性管理和会话管理；lS-GW：用户面接入服务网关，相当于传统Gn SGSN的用

3、户面功能；lP-GW：SAE网络的边界网关，提供承载控制、计费、地址分配和非3GPP接入等功能，相当于传统的GGSN；lHSS：用户数据管理lPCRF：策略控制服务器；lAF：业务策略提供点eNBeNB功能功能eNB具有现有3GPP R5/R6/R7的NB功能和大部分的RNC功能，包括物理层功能（HARQ等），MAC，RRC，调度，无线接入控制，移动性管理等等。TD-LTETD-LTE无线网络原理无线网络原理-TD-LTE-TD-LTE帧结构帧结构LTE帧结构分为帧结构分为3层结构：层结构：l符号：1个子帧包含14个符号，用于区分数据信道和控制信道，如控制信道占下行子帧的前1-3个.l子帧（1

4、ms）：1个无线帧包含10个子帧，用于区分不同用户，并区分单播（unicast）信道和广播业务（MBSFN）信道。在TD-LTE还用于区分上、下行，每5ms包含1个“特殊子帧”。l无线帧（10ms）：用于各种物理过程的周期性操作，如测量、寻呼. 无线帧按转换周期的不同分为5ms和10ms两种无线帧。其中5ms转换帧在一个无线帧中有两个转换点，HARQ反馈及时，利于对时延要求较高的场景；10ms转换帧对时延 的保证略差，但损失的容量较小。 TD-LTE目前采用5ms周期帧结构，分为4:1、3:2、2:3三种下行/上行配比（包括特殊子帧，特梳子帧只能用于传输下行数据），常用的有：3:2配比：上下行

5、基本对称；4:1配比：下行最大化，和TD-SCDMA 4:2配比可邻频共存（如F频段）另：转换点是特殊子帧结构：用于和各种TD-SCDMA邻频共存。TD-LTETD-LTE无线网络原理无线网络原理-TD-LTE-TD-LTE帧结构帧结构FDD LTE帧结构帧结构#0帧帧: 10ms子帧: 1ms时隙0.5ms#1#2#3#4#5#6#7#8#9#19子帧: 1ms时隙0.5ms#0DwPTS特殊子帧: 1ms#2#3#4半帧: 5ms半帧: 5ms帧帧: 10msGPUpPTSTD-LTE帧结构帧结构TD-LTETD-LTE无线网络原理无线网络原理-TD-LTE-TD-LTE特殊子帧结构特殊子

6、帧结构特殊子帧特殊子帧配置配置Normal CPNormal CP（常规常规CPCP）1ms141ms14个码个码DwPTSDwPTSGPGPUpPTSUpPTS0 03 310101 11 19 94 41 12 210103 31 13 311112 21 14 412121 11 15 53 39 92 26 69 93 32 27 710102 22 28 811111 12 29 96 66 62 2 TD-LTE特殊子帧继承了TD-SCDMA的特殊子帧设计思路，由DwPTS，GP和UpPTS组成。用于和各种TD-SCDMA邻频共存。 TD-LTE特殊子帧可有多种配置，用以改变DwP

7、TS，GP和UpPTS的长度。但无论如何改变，DwPTS + GP + UpPTS等于1ms。TD-LTE的特殊子帧配置和上下行时隙配置没有制约关系，可以相对独立的进行配置。 目前厂家支持10:2:2（以提高下行吞吐量为目的）和3:9:2（以避免远距离同频干扰或某些TD-S配置引起的干扰为目的）。DwPTSu主同步信号PSS在DwPTS上进行传输。uDwPTS上最多能传两个PDCCH OFDM符号（正常时隙能传最多3个）。u只要DwPTS的符号数大于等于9，就能传输数据（R11新引入了6:6:2配置）。UpPTSl可以发送短RACH（做随机接入用）和SRS（Sounding参考信号）。l因为资

8、源有限（最多仅占两个OFDM符号），UpPTS不能传输上行信令或数据。TD-LTETD-LTE无线网络原理无线网络原理- -物理资源物理资源物物理理资资源源基本时间基本时间OFDM符号符号时隙时隙slot子帧子帧无线帧无线帧天线端口天线端口PRB（Physical Resource Block，物理资源块），是LTE系统中调度用户的最小单位，PRB的大小和下行数据的最小载荷相匹配一个PRB由频域上连续12个子载波（子载波宽度15kHz），时域上连续7个OFDM符号构成(常规CP)，时隙大小0.5ms每子帧包含的PRB资源数由系统带宽决定。20M带宽的系统，每子帧包含100个PRB对。资源单元组

9、(REG)：控制区域中的RE集合，用于映射下行控制信道每个REG中包含4个数据RE（左图蓝色框内浅色RE块个数）控制信道单元(CCE)：由9个REG，36个RE组成。TD-LTETD-LTE关键技术关键技术-OFDM-OFDM技术技术把一个传输带宽通过把一个传输带宽通过FFT划分为许多小划分为许多小的载波（子载波，数学上精确正交），的载波（子载波，数学上精确正交），相对于传统的相对于传统的FDM，子载波不需要保，子载波不需要保护带宽，甚至重叠，可有效提高频谱护带宽，甚至重叠，可有效提高频谱利用率。子载波越多，在相同带宽情利用率。子载波越多，在相同带宽情况下节省的频宽越接近于况下节省的频宽越接近

10、于50%。TD-LTETD-LTE关键技术关键技术-OFDM-OFDM技术技术正交频分复用技术正交频分复用技术u宽频信道分成正交子信道u高速数据信号转换成并行的低速子数据流u每个子信道上传输低速子数据流OFDM技术带来挑战技术带来挑战1、较高的峰均比(PAPR)，对RF功率放大器要求高2、受频率偏差的影响:子载波间干扰(ICI）3、受时间偏差的影响:ISI(符号间干扰）&ICI 从理论上思考，精确正交无干扰，但由于电子工艺、复杂无线环境还是不可避免地有各种类型干扰。子载波为4时，四个独立的载波形和叠加后的信号TD-LTETD-LTE关键技术关键技术-OFDMA-OFDMA/SC-FDM

11、A/SC-FDMA将传输带宽划分成多个正交的子载波资源，将不同的子载波分配给不同的用户实现多址。因为子载波相互正交，理论上小区内用户之间没有干扰。在在LTE系统中，由于系统中，由于OFDM有较大的峰均比，有较大的峰均比，UE的的RF发射功率受到限制，发射功率受到限制，因此影响到上下行采用的多址方式了，上行采用因此影响到上下行采用的多址方式了，上行采用SC-FDMA(单载波频分多单载波频分多址接入址接入)，下行采用，下行采用OFDMA，都是，都是OFDMA只是调度方式不同。只是调度方式不同。在这个调度周期中，用户A是分布式，用户B是集中式在任一调度周期中，一个用户分得的子载波必须是连续的（R8/

12、9）集中式：连续集中式：连续RB分给一个用户分给一个用户优点：调度开销小(适合无线环境好的场景，高速下载)分布式：分配给用户的分布式：分配给用户的RB不连续不连续优点：频选调度增益较大（适合小区边缘或低信噪比的场景）下行多址OFDMA时频池图上行多址SC-FDMA时频池图和下行OFDMA相同，将传输带宽划分成一系列正交的子载波资源，将不同的子载波资源分配给不同的用户实现多址。注意不同的是：任一终端使用的子载波必须连续（R8/9）DFT-S-OFDM（SC-FDMA）具有单载波的特性，因而其发送信号峰均比较低，在上行功放要求相同的情况下，可以提高上行的功率效率，降低系统对终端的功耗要求。在TD-

13、LTE系统中，上行DFT-SOFDM不支持分布式（Distributed）的传输模式，而采用帧内（时隙间）或帧间的跳频来获得频率分集的增益。TD-LTETD-LTE关键技术关键技术-MIM0-MIM0广义定义：广义定义：MIMO=Multiple-Input Multiple-Output=多进多出，即俗称的“多天线技术”多个输入和多个输出既可以来自于多个数据流，也可以来自于一个数据流的多个版本。按照这个定义，各种多天线技术都可以算作MIMO技术狭义定义：狭义定义：多流MIMO,多个信号流在空中并行传输.按照这个定义，只有空间复用和空分多址可以算作MIMO特例：SIMO（单进多出）和MISO（

14、多进单出）从从MIMO的效果分类：的效果分类：传输分集传输分集（Transmit Diversity）或称空间分集利用较大距离的天线阵元之间或赋形波束之间的不相关性，发射或接收一个数据流一个数据流，避免单个信道衰落信道衰落对整个链路的影响。作用：提高链路质量，增强覆盖，间接提高频谱效率。波束赋形波束赋形（Beamforming）利用较小间距的天线阵元之间的相关性，通过阵元发射的波之间形成干涉，集中能量集中能量于某个（或某些）特定方向上，形成形成波束波束，从而实现更大的覆盖和干扰抑制效果。作用：提高链路质量，增强覆盖，间接提高频谱效率。空间复用空间复用（Spatial Multiplexing）

15、利用较大距离的天线阵元之间或赋形波束之间的不相关性，向一个一个终端/基站并行并行发射多个数据流多个数据流，以提高链路容量（峰值速率）作用：提高用户数据率，直接提高频谱效率。空分多址空分多址（SDMA）利用较大距离的天线阵元之间或赋形波束之间的不相关性，向多个多个终端并行并行发射数据流，或从多个终端并行接收数据流，以提高用户容量。与空间多址的区别在于单用户和多用户。作用：提高用户容量，直接提高频谱效率从是否在发射端有从是否在发射端有“信道先验信息信道先验信息”分类分类闭环（Close-loop）MIMO:通过反馈或通道互异性得到信道先验信息。开环（Open-loop）MIMO:没有信道先验信息T

16、D-LTETD-LTE关键技术关键技术-MIMO-MIMOTD-LTETD-LTE关键技术关键技术-MIMO-MIMOModeMode 传输模式传输模式 技术描述技术描述天线要求天线要求应用场景应用场景1 1单天线传输信息通过单天线进行发送(单个天线端口)单天线无法布放双通道无法布放双通道室分系统的室内站室内站2 2发射分集同一信息的多个信号副本同一信息的多个信号副本分别通过分别通过多个多个衰落特性衰落特性相相互独立的信道互独立的信道进行发送进行发送大间距多天线大间距多天线信道质量不好时，如信道质量不好时，如小区边小区边缘、高速移动缘、高速移动3 3开环空间复用 终端不反馈信道信息终端不反馈信

17、道信息，发射端根据预定义的信道信，发射端根据预定义的信道信息来确定发射信号息来确定发射信号大间距多天线大间距多天线信道质量高且空间独立性强信道质量高且空间独立性强时（小区中心、高信噪比、时（小区中心、高信噪比、低相关性、高速移动）低相关性、高速移动）4 4闭环空间复用 需要终端反馈信道信息终端反馈信道信息，发射端采用该信息进行信号预处理以产生空间独立性大间距多天线大间距多天线信道质量高且空间独立性强时。终端静止时性能好（高终端静止时性能好（高信噪比、低相关性、低速移信噪比、低相关性、低速移动）全小区动）全小区5 5多用户MIMO 基站使用相同时频资源相同时频资源将多个数据流多个数据流发送给不同

18、用不同用户户，接收端利用多根天线对干扰数据流进行取消和零陷。大间距多天线大间距多天线用户数量多、高信噪比、高相关性、低速移动、小区边缘6 6单层闭环 空间复用 终端反馈RI=1时，发射端采用单层预编码，使其适应当前的信道大间距多天线大间距多天线高相关性、小区边缘、大量用户7 7单流 Beamforming 发射端利用上行信号来估计下行信道的特征，在下发射端利用上行信号来估计下行信道的特征，在下行信号发送时，每根天线上乘以相应的特征权值，行信号发送时，每根天线上乘以相应的特征权值，使其天线阵发射信号具有波束赋形效果使其天线阵发射信号具有波束赋形效果 小间距天线阵列小间距天线阵列信道质量不好时，如

19、信道质量不好时，如高相关高相关性、小区边缘、低速性、小区边缘、低速8 8双流Beamforming 结合复用和智能天线技术，进行多路波束赋形发送结合复用和智能天线技术，进行多路波束赋形发送，既提高用户信号强度，又提高用户的峰值和均值速既提高用户信号强度，又提高用户的峰值和均值速率率 小间距天线阵列小间距天线阵列高信噪比、低速移动高信噪比、低速移动9 9高阶MIMO/MU_MIMO R10里面的标准大间距多天线高信噪比、低速移动 传输模式是针对单个终端的传输模式是针对单个终端的，同小区不同终端可以有不同传输模式。同小区不同终端可以有不同传输模式。 eNB自行决定某一时刻对某一终端采用什么传输模式

20、，并通过RRC信令通知终端。TD-LTETD-LTE关键技术关键技术-MIMO-MIMOMIMOMIMO模式自适应模式自适应 MIMO实现小区中不同UE根据自身所处位置的信道质量分配最优的传输模式，提升TD-LTE小区容量；波束赋形传输模式提供赋形增益，提升小区边缘用户性能。模式3和模式8中均含有单流发射，当信道质量快速恶化时，eNB可以快速切换到模式内发射分集或单流波束赋形模式。 由于模式间自适应需要基于RRC层信令，不可能频繁实施，只能半静态转换。因此LTE在除TM1、2之外的其他MIMO模式中均增加了开环发送分集子模式（相当于TM2）。开环发送分集作为适用性最广的MIMO技术，可以对每种

21、模式中的主要MIMO技术提供补充。相对与TM2进行模式间转换，模式内的转换可以在MAC层内直接完成，可以实现ms(毫秒)级别的快速转换，更加灵活高效。每种模式中的开环发送分集子模式，也可以作为向其他模式转换之前的“预备状态”。TD-LTETD-LTE关键技术关键技术- -小区干扰抑制和协调小区干扰抑制和协调LTE系统是“窄带传输、窄带干扰”，干扰主要有（符号间干扰）ISIICI（载波间干扰），相邻小区在小区边界实质也是此类干扰。（在无协调的情况下，两个小区占用的子载波是随机的，两个小区资源块碰撞，产生干扰）3GPP提出了多种解决干扰的方案，包括干扰随机化、干扰消除和干扰协调技术。其中，干扰随机化利用干扰的统计特性对干扰进行抑制，误差较大。干扰消除技术可以明显改善小区边缘的系统性能，获得较高的频谱效率。但是它对带宽较小的业务不太适用，系统实现比较复杂。干扰协调技术最为简单，能很好的抑制干扰，可以应用于各种带宽的业务。小区间干扰随机化小区间干扰随机化干扰随机化就是要将干扰随机化，使