LTE基本原理及关键技术(巴三此里)

1、HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.Huawei Confidential LTE基本原理及关键技术l 巴三此里巴三此里2022-4-25HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.Huawei Confidential 2了解LTE产生的背景及网络架构掌握LTE物理层和物理层的基本过程了解LTE空口关键技术HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.Huawei Confidential 3Charter 2 LTE网络架构及协议栈介绍网络架构及协议栈介绍Charter 3 LTE物理层结构介绍物理层结构介绍Charter 4 TD-LTE/

2、FDD-LTE比较比较HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.Huawei Confidential 4HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.Huawei Confidential 5l什么是什么是LTE？p长期演进LTE (Long Term Evolution)是3GPP主导的无线通信技术的演进pLTE与SAE是3GPP当年的两大演进计划，LTE负责无线空口技术演进，SAE (System Architecture Evolution)负责整个网络架构的演进什么是LTE，为什么需要LTEl为什么需要为什么需要LTE？p保持 3GPP与WIMAX/3GP

3、P2的竞争优势p顺应宽带移动数据业务的发展需要n移动通信数据化，宽带化，IP化n高吞吐率 = 高频谱效率 + 大带宽n低时延 = 扁平化的网络架构E-UTRAN: Evolved UMTS Terrestrial Radio Access Network，LTE的接入网EPC： ： Evolved Package Core，LTE的核心网EPS： ： Evolved Packet System，演进的分组系统EPS = E-UTRAN + EPC狭狭义义来来讲讲： ： LTE=E-UTRAN, SAE = EPC（概念（概念难严难严格区分，理解就好）格区分，理解就好）HUAWEI TECHNO

4、LOGIES CO., LTD.Huawei Confidential 6LTE设计目标：三高、两低、一平三高三高l高峰值速率高峰值速率(20MHz带宽）：带宽）：下行100Mbps，上行50Mbpsl高频谱效率：高频谱效率：频谱效率是3G的35倍l高移动性：高移动性：能为速度350km/h的用户提供100kbps的接入服务两低两低l低时延：低时延：控制面时延小于100ms，用户面时延(单向)小于5msl低成本低成本：SON（自组织网络），支持多频段灵活配置（1.4MHz, 3MHz, 5MHz, 10Mhz, 15Mhz, 20MH）一平一平l以分组域业务为主要目标，系统在整体架构上是基于分

5、组交换的扁平化结构HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.Huawei Confidential 7LTE关键技术与特性关键物理层技术关键物理层技术描述描述高阶调制和AMC（自适应编码）TD-LTE可以采用64QAM调节方式，比TD-SCDMA采用的16QAM速率提升50%，越是高阶调制方式，对信号质量要求越高；Adaptive Modulation and Coding，根据无线信道变化选择合适的调制和编码方式。MIMO & Beamforming容量增益与小区覆盖的最重要来源。MIMO复用模式：不同天线发射不同的数据，可以增加容量；分集模式：不同天线发射相同数据，

6、在弱覆盖下提高用户接收信号质量。智能天线不但可以有效改善小区内用户间的干扰，还可以大大抑制小区间用户干扰，极大地提高了系统性能。CA（载波聚合）载波聚合就是通过将多个连续或非连续的载波聚合成更大的带宽（MAX100MHz）。OFDMA & SC-FDMA正交频分复用：多采用几个频率并行发送，以实现带宽的传输，各个子载波相互正交，极大地提高了频谱利用率。上行采用SC-FDMA，单载波FDMA。Inter-Cell-Interference-Coordination， 更好的同频干扰控制性能与覆盖提升HARQ（自动混合重传）ARQ（只传不纠）+FEC（只纠不传）ICIC小区间干扰协调：同频

7、组网导致小区边缘用户因同频干扰感知下降，通过ICIC可以将邻区边缘用户频点错开，降低同频干扰SON自组织网络：自规划、自部署、自优化、易维护HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.Huawei Confidential 8LTE关键技术OverviewSub-carriers Sub-fram e Frequency Tim e Tim e frequency resource for User 1 Tim e frequency resource for User 2 Tim e frequency resource for User 3 System Bandwidth

8、MIMO OFDMALTESC-FDMA64QAMHUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.Huawei Confidential 9OFDM基本思想lOFDM：正交频分复用（ Orthogonal Frequency Division Multiplexing DL ）l多采用几个频率并行发送，以实现带宽的传输，lOFDM系统中各个子载波相互交叠，相互正交，极大地提高了频谱利用率。HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.Huawei Confidential 10OFDM系统的主要优点n频谱利用率高频谱利用率高l传统FDM是用滤波器把整个频带分割成互不重叠的

9、子载波，子载波之间的保护频带很宽，OFDM允许子载波频谱交叠，从而提高频谱利用效率。 n可利用可利用FFT实现调制解调实现调制解调lOFDM用IFFT和FFT实现信号的调制与解调，目前FFT易于用DSP或FPGA实现，比之用传统的滤波器实现容易，体积小。 n受频率选择性衰落影响小受频率选择性衰落影响小l单个子载波信道是平坦的，而整个系统带宽是呈现频率选择性l由于无线信道的频率选择性衰落，不可能所有的子载波都处于比较深的衰落中，因此可以通过动态比特分配和动态子信道分配，充分利用信噪比高的子信道，提高系统性能。 n抵抗窄带干扰抵抗窄带干扰lOFDM通过把高速串行数据映射到并行的多个子载波上，窄带干

10、扰只能影响一部分子载波，接收端可以通过纠错译码恢复干扰引起的错误 。HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.Huawei Confidential 11OFDM系统的主要缺点n对频率偏差敏感对频率偏差敏感l OFDM的子载波互相交叠，只有保证接收端精确的频率取样才能避免子载波间干扰。无线终端移动引起的Doppler频移也会使接收端发生频率偏移，接收端本地振荡器与发射端的频率偏差也是一种频率偏移。频率偏移会引起子载波间干扰（ICI），对频率偏移敏感是OFDM的缺点之一。n较高的峰均比（较高的峰均比（PAPR）lOFDM发送端输出信号是多个子载波相加的结果，目前应用的子载波数量从

11、几十个到几千个，如果各个子载波同相位，相加后就会出现很大的幅值，即调制信号的动态范围很大，这对后级RF功率放大器提出了很高的要求。HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.Huawei Confidential 12OFDMASub-carriers TTI：1ms Frequency Time Time frequency resource for User 1 Time frequency resource for User 2 Time frequency resource for User 3 System Bandwidth Sub-band：12Sub-carrie

12、rs LTE下行采用下行采用OFDMA多址技多址技术术，不同用，不同用户户可以根据需要灵活地分配不同的可以根据需要灵活地分配不同的时频资时频资源源HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.Huawei Confidential 13SC-FDMAl相比相比OFDMA，SC-FDMA降低了降低了PAPR（峰均值），降低终端的复杂度从而降低成本，延长待机时间（峰均值），降低终端的复杂度从而降低成本，延长待机时间lSC-FDMA采用频域实现的方式：采用频域实现的方式：DFT-S-OFDMl相比相比OFDMA，SC-FDMA多了一个多了一个DFT运算运算l这个DFT运算使得进行OFDM

13、调制前的所有频域星座点都是UE所有发送数据的线性关系，相比频域星座点由独立的数据决定，降低了PAPR DFT Sub-carrier Mapping CP insertion Size-NTX Size-NFFT Coded symbol rate= R NTX symbols IFFT 实际上DFT-S-OFDM可以认为是一种特殊的多载波复用方式，其输出的信息同样具有多载波特性，但是由于其有别于OFDM的特殊处理，使其具有单载波复用相对较低的PAPR特性。LTE上行采用上行采用SC-FDMA多址技多址技术术，即所，即所谓谓的的单载单载波波FDMA技技术术HUAWEI TECHNOLOGIES

14、 CO., LTD.Huawei Confidential 14MIMO的主要模式UE1SBCTransmission DiversitySpace MultiplexingUE1Layer 1, CW1, AMC1Layer 2, CW2, AMC2分集模式分集模式 不同天线发射相同的数据，在弱信号条件下提高用户接收信号质量。复用模式复用模式 不同天线发射不同数据，可以直接增加容量：2X2MIMO方式容量提升1倍。HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.Huawei Confidential 15多天线技术的优势l阵列增益（Array gain）l分集增益（Diversit

15、y gain）l空间复用增益（Spatial multiplexing gain）l干扰抑制增益（co-channel interference reduction）l改善系统覆盖l改善系统容量l提高峰值速率提高频谱利用率HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.Huawei Confidential 16Beamformingl Beamforming是发射端对数据先加权再发送，是发射端对数据先加权再发送，形成窄的发射波束，将能量对准目标用户，形成窄的发射波束，将能量对准目标用户，从而提高目标用户的解调信噪比从而提高目标用户的解调信噪比l Beamforming可以获得阵列增

16、益、分集增益和复用增益可以获得阵列增益、分集增益和复用增益p依赖于具体的模式l LTE TDD可以利用上下行信道互易性估计下行信道信息可以利用上下行信道互易性估计下行信道信息lLTE TDD Beamforming需要进行通道校正需要进行通道校正lBeamforming邻区干扰信号是扰动的，类似探照灯效应邻区干扰信号是扰动的，类似探照灯效应上行信道估计计算Beamforming权值Beamforming收发通道测量通道校正中射频收发通道WDMRSSRS/HDMRSSRS/HBeamformingPath CalibrationDataTxiqRHUAWEI TECHNOLOGIES CO.,

17、LTD.Huawei Confidential 17Charter 1 LTE背景介绍背景介绍Charter 3 LTE物理层结构介绍物理层结构介绍Charter 4 TD-LTE/FDD-LTE比较比较HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.Huawei Confidential 18HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.Huawei Confidential 19l系统架构演进系统架构演进SAE（System Architecture Evolution），是为了实现，是为了实现LTE提出的目标而提出的目标而从整个系统架构上考虑的演进，主要包括：从整个

18、系统架构上考虑的演进，主要包括：p接入网：扁平化，IP化，去掉RNC的物理实体，功能实体分解到基站和核心网元n大部分功能放在了E-NodeB，以减少时延和增强调度能力n少部分功能放在了核心网，加强移动性管理p核心网：用户面和控制面分离n原有SGSN实体分解为MME(控制面实体)和Gateway（用户面实体）系统架构演进HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.Huawei Confidential 20LTE的接入网架构lLTE的主要网元的主要网元pE-UTRAN(接入网)：e-NodeB组成pEPC(核心网)：MME，S-GW，P-GWlLTE的网络接口的网络接口pX2接口：

19、接口：e-NodeB之间的接口，支持数据和信令的直接传输pS1接口：接口：连接e-NodeB与核心网EPC的接口nS1-MME是e-NodeB连接MME的控制面接口nS1-U是e-NodeB连接S-GW 的用户面接口与传统与传统3G网络比较，网络比较，LTE的网的网络结更加简单扁平，降低组网络结更加简单扁平，降低组网成本，增加组网灵活性，并能成本，增加组网灵活性，并能大大减少用户数据和控制信令大大减少用户数据和控制信令的时延。的时延。HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.Huawei Confidential 21LTE的网元功能le-NodeB的主要功能包括：的主要功能包

20、括：p无线资源管理功能，即实现无线承载控制、无线许可控制和连接移动性控制，在上下行链路上完成UE上的动态资源分配（调度）p用户数据流的IP报头压缩和加密pUE附着状态时MME的选择p实现S-GW用户面数据的路由选择p执行由MME发起的寻呼信息和广播信息的调度和传输p完成有关移动性配置和调度的测量和测量报告lMME的主要功能包括：的主要功能包括： pNAS (Non-Access Stratum)非接入层信令的加密和完整性保护；pAS (Access Stratum)接入层安全性控制、空闲状态移动性控制；pEPS (Evolved Packet System)承载控制；p支持寻呼，切换，漫游，鉴

21、权。lS-GW的主要功能包括：的主要功能包括：p分组数据路由及转发；移动性及切换支持；合法监听；计费。lP-GW的主要功能包括：的主要功能包括：p分组数据过滤；UE的IP地址分配；上下行计费及限速。EPC: Evolved Packet CoreMME: Mobility Management EntityS-GW: Serving GatewayP-GW: PDN GatewayHUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.Huawei Confidential 22Charter 1 LTE背景介绍背景介绍Charter 2 LTE网络架构及协议栈网络架构及协议栈Charter

22、 4 TD-LTE/FDD-LTE比较比较HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.Huawei Confidential 23HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.Huawei Confidential 24LTE支持的双工模式/频段/带宽p支持三种双工模式：pFDD，half-duplex FDD， 和TDDp支持多种频段pFDD系统从700MHz到2.6GHzpTDD系统频点在1900MHz2620MHz区间p支持多种带宽配置：p1.4MHz, 3MHz, 5MHz, 10MHz, 15MHz, 20MHzp协议还在更新中，部分频段的支持情况可能会有所

23、变动36.104协议E-UTRA BandUplink (UL)Downlink (DL)FUL_low FUL_highFDL_low FDL_high11920 MHz 1980 MHz 2110 MHz 2170 MHz21850 MHz 1910 MHz1930 MHz 1990 MHz31710 MHz 1785 MHz1805 MHz 1880 MHz41710 MHz1755 MHz 2110 MHz 2155 MHz5824 MHz849 MHz869 MHz 894MHz6830 MHz840 MHz875 MHz 885 MHz72500 MHz2570 MHz2620 M

24、Hz 2690 MHz8880 MHz915 MHz925 MHz 960 MHz91749.9 MHz1784.9 MHz1844.9 MHz 1879.9 MHz101710 MHz1770 MHz2110 MHz 2170 MHz111427.9 MHz 1452.9 MHz1475.9 MHz 1500.9 MHz12698 MHz716 MHz728 MHz746 MHz13777 MHz787 MHz746 MHz756 MHz14788 MHz798 MHz758 MHz768 MHz17704 MHz 716 MHz734 MHz746 MHz.FDD模式支持频段E-UTRA

25、BandUplink (UL)Downlink (DL)FUL_low FUL_highFDL_low FDL_high331900 MHz1920 MHz1900 MHz1920 MHz342010 MHz2025 MHz 2010 MHz 2025 MHz351850 MHz 1910 MHz1850 MHz 1910 MHz361930 MHz 1990 MHz1930 MHz 1990 MHz371910 MHz 1930 MHz1910 MHz 1930 MHz38（D）2570 MHz 2620 MHz2570 MHz 2620 MHz39（F）1880 MHz1920 MHz18

26、80 MHz1920 MHz40（E）2300 MHz2400 MHz2300 MHz2400 MHzTDD模式支持频段HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.Huawei Confidential 25无线帧结构lLTE FDD与与TDD均采用均采用OFDM技术技术l子载波间隔均为子载波间隔均为 f=15kHzl1 radio frame (无线帧无线帧) = 10msl1 subframe (子帧子帧) = 1msl1 slot (时隙时隙) = 0.5 ms =7（6）个符号）个符号l1 radio frame = 10 subframes = 20 slots TDD

27、类型无线帧结构类型无线帧结构DwPTS: Downlink Pilot Time SlotGP: Guard PeriodUpPTS: Uplink Pilot Time SlotHUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.Huawei Confidential 26TD-LTE无线帧结构lTD-LTE 10个子帧包括：个子帧包括：l上行子帧，下行子帧，特殊子帧l特殊子帧包括：特殊子帧包括：l下行导频时隙（DwPTS）l保护周期（GP ）l上行导频时隙（UpPTS）HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.Huawei Confidential 27TDD上下行子

28、帧配比与特殊时隙配比DL/UL子帧分配选项子帧分配选项Uplink-downlink configurationDownlink-to-Uplink Switch-point periodicitySubframe number012345678905 msDSUUUDSUUU15 msDSUUDDSUUD25 msDSUDDDSUDD310 msDSUUUDDDDD410 msDSUUDDDDDD510 msDSUDDDDDDD65 msDSUUUDSUUDlLTE-TDD帧结构主要特点是上下行转换帧结构主要特点是上下行转换l上下行转换的子帧叫做特殊子帧上下行转换的子帧叫做特殊子帧p包括：D

29、wPTS, GP, UpPTSD: Downlink subframeU: Uplink subframeS: Special subframe特殊子帧特殊子帧配置配置Normal CPExtended CPDwPTSGPUpPTSDwPTSGPUpPTS03101381194183121031921311211011412113725392822693291271022-81112-特殊子帧分配选项特殊子帧分配选项HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.Huawei Confidential 28LTE资源块基本概念载波带宽载波带宽 MHz1.43 5101520RE数目(

30、每个OFDM符号)721803006009001200RB数目（每个slot）615 255075100lRE (Resource Element)p物理层资源的最小粒度p时域：1个OFDM符号，频域：1个子载波lRB（Resource Block）p物理层数据传输的资源分配频域最小单位p时域：1个slot，频域：12个连续子载波(Subcarrier)lCCEpControl Channel Elementp控制信道的资源单位p1 CCE = 9 REG (1 REG = 4 RE)p1 CCE = 36 REHUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.Huawei Confi

31、dential 29物理信道概述下行物理信道与信号名称下行物理信道与信号名称功能简介功能简介PBCHPhysical broadcast channel/广播信道用于承载系统广播消息PDSCHPhysical Downlink Shared Channel/下行共享数据信道用于承载下行用户数据PCFICHPhysical control format indicator channel/控制格式指示信道用于指示下行控制信道使用的资源PDCCHPhysical Downlink Control Channel/下行控制信道用于上下行调度、功控等控制信令的传输PHICHPhysical Hybri

32、d ARQ Indicator Channel/HARQ指示信道用于上行数据传输ACK/NACK信息的反馈PMCHPhysical multicast channel/多播信道用于传输广播多播业务RSReference Signal/参考信号用于下行数据解调、测量和时频同步等SCHSynchronization Signal/同步信号用于时频同步和小区搜索上行物理信道与信号名称上行物理信道与信号名称功能简介功能简介PRACHPhysical Random Access Channel/随机接入信道用于用户随机接入请求信息PUSCHPhysical Uplink Shared Channel/上

33、行共享数据信道用于承载上行用户数据PUCCHPhysical Uplink Control Channel/上行公共控制信道用于HARQ反馈、CQI反馈、调度请求指示等L1/L2控制信令DM RSDemodulation Reference Signal/解调参考信号用于上行数据解调、时频同步等SRSSounding Reference Signal/测量参考信号用于上行信道测量、时频同步等HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.Huawei Confidential 30信道映射关系下行传输信道和物理信道的映射关系下行传输信道和物理信道的映射关系Physical Layer

34、MAC Layer上行传输信道和物理信道的映射关系上行传输信道和物理信道的映射关系Physical LayerMAC LayerHUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.Huawei Confidential 31物理信道下行物理信道物理信道调制方式调制方式物理信道物理信道调制方式调制方式PBCHQPSKPCFICHQPSKPDCCHQPSKPHICHBPSKPDSCHQPSK, 16QAM, 64QAMPMCHQPSK, 16QAM, 64QAMl下行信道处理过程下行信道处理过程p加扰：加扰：信息比特0、1随机化，以利用信道编码的译码性能p调制：调制：对加扰后的码字进行调制，

35、生成复数值的调制符号；p层映射：层映射：将复数调制符号影射到一个或多个发射层中；p预编码：预编码：对每个发射层中的复数调制符号进行预编码，并影射到相应的天线端口；pRE映射：映射：将每个天线端口的复数调制符号影射到相应的RE上；pOFDM信号生成：信号生成：每个天线端口信号生成OFDM信号。HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.Huawei Confidential 32物理信道上行物理信道物理信道调制方式调制方式PUCCHBPSK, QPSKPUSCHQPSK, 16QAM, 64QAMPRACHZadoff-Chu序列l上行信道处理过程上行信道处理过程p加扰：加扰：信息

36、比特0、1随机化，以利用信道编码的译码性能p调制：调制：对加扰后的码字进行调制，生成复数值的调制符号；p转换预编码：转换预编码：生成复数值的符号；就是DFT操作；pRE映射：映射：将复数符号影射到相应的RE上；pSC-FDMA信号生成：信号生成：每个天线端口信号生成SC-FDMA信号。HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.Huawei Confidential 33Charter 1 LTE背景介绍背景介绍Charter 2 LTE网络架构及协议栈介绍网络架构及协议栈介绍Charter 3 LTE物理层结构介绍物理层结构介绍HUAWEI TECHNOLOGIES CO.,

37、LTD.Huawei Confidential 34HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.Huawei Confidential 35ItemTD-LTELTE FDD信道带宽配置灵活信道带宽配置灵活1.4M,3M,5M,10M,15M,20M1.4M,3M,5M,10M,15M,20M多址方式多址方式DL:OFDMUL:SC-FDMADL:OFDMUL:SC-FDMA编码方式编码方式卷积码,Turbo码卷积码,Turbo码调制方式调制方式QPSK,16QAM,64QAMQPSK,16QAM,64QAM功控方式功控方式开闭环结合开闭环结合链路自适应链路自适应支持支持拥塞控制

38、拥塞控制支持支持移动性移动性最高支持350km/h最高支持350km/h语音解决方案语音解决方案CSFB/SRVCCCSFB/SRVCCTD-LTE与LTE FDD技术相同点HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.Huawei Confidential 36TD-LTE与LTE FDD技术不同点（1/2）ItemTD-LTELTE FDD频段频段详见上文详见上文双工方式双工方式TDDFDD帧结构帧结构Type2Type1子帧上下行配置子帧上下行配置多种子帧上下行配比组合子帧全部上行或下行HARQ进程数与延时随上下行配比不同而不同进程数与延时固定同步同步主辅同步信号符号位置与FDD不同天线天线自然支持AAS不能很方便的支持AASRRU需要T/R转换器，引入1.5dB插损，并增加时延需要双工器，引入1dB插损HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.Huawei Confidential 37TD-LTE优点l根据不同业务，上下行链路间转换点的位置可任意调整。在传输对称业