TD-LTE演进及关键技术

TD-LTE演进及关键技术主讲：孙克辉通信新技术专题之三中南大学物理与电子学院提纲TD-LTE主要关键技术TD-LTE技术的演进TD-SCDMA同TD-LTE关键技术比较OFDM及SC-FDMALTE-Advanced关键技术简述MIMO多天线解决方案LTE成为移动通信技术演进的方向互联网宽带接入服务移动通信网络更高的峰值速率更低的网络时延更高的频谱利用率和灵活性更高的系统容量2004年11月，3GPP和3GPP2启动LTE。

3GPP(the3rdGenerationPartnershipProject)是领先的3G技术规范机构，是由欧洲的ETSI，日本的ARIB和TTC，韩国的TTA以及美国的T1在1998年底发起成立的，旨在研究制定并推广基于演进的GSM核心网络的3G标准，即WCDMA，TD-SCDMA，EDGE等。中国无线通信标准组(CWTS)于1999年加入3GPP。3GPP的目标是实现由2G网络到3G网络的平滑过渡，保证未来技术的后向兼容性，支持轻松建网及系统间的漫游和兼容性。

3GPP2于1999.1成立，由美国TIA、日本ARIB和TTC、韩国的TTA四个标准化组织发起，中国无线通信标准研究组（CWTS）于1999年6月在韩国正式签字加入3GPP2,成为这个当前主要负责第三代移动通信cdma2000技术的标准组织的伙伴。中国通信标准化协会(CCSA)成立后，CWTS在3GPP2的组织名称更名为CCSA。3GPP的目标是制订以ANSI-41核心网为基础，cdma2000为无线接口的移动通信技术规范。3GPP与3GPP2TD-SCDMA作为自主知识产权的移动通信技术和产业逐渐发展壮大。十年间，TD-SCDMA从一个纸面上的国际标准发展到目前近2亿的用户，从面向国内市场的非主流3G技术演进到可面向全球市场的主流4G技术，将迎来巨大的发展前景。

TD-SCDMA2004TD-SCDMA2004TD-SCDMA测试200520042013TD-SCDMA产业化2006TD-SCDMA试验网2007TD-CDMA商用2008LTE2009TD-LTE2011TD-LTE2012TD-LTE2013移动通信十年发展历程LTE使营运商和用户获益LTE使移动业务更丰富LTE成为移动通信技术演进的方向3GPPR4语音，数据N频点3GPPR5/6/7HSPA/HSPA+MBMS3GPPLTEOFDM方案IMT-AD（TDD）基本版本增强版本长期演进版本4G版本2002-20042005-20072004-20082006-2010

TD-SCDMA是我国提出的3G国际标准，具有独立的知识产权。其后续演进技术TD-LTE(TimeDivision-LongTermEvolution)不仅是其发展和演进的保障，而且也为我国成功实施“新一代宽带无线移动通信网”国家重大专项奠定基础。TD-SCDMA标准演进路线如下图。目前三大3G移动通信标准TD-SCDMA、WCDMA以及cdma2000都将LTE作为其下一步发展的方向。2G2.5G2.75G3G3.5G3.75G3.9GGPRSEDGEeEDGEHSDPAR5HSUPAR6MBMS4GMBMSCDMA20001XEV-DO802.16e802.16mHSDPAHSPA+R7

FDD/TDD4GGSMTD-SCDMAWCDMAR99802.16dCDMAIS95CDMA20001xLTEEV-DORev.AEV-DORev.BHSUPALTE成为移动通信技术演进的方向LTE成为移动通信技术演进的方向1）通信速率高。下行峰值速率100Mbps、上行50Mbps。2）频谱效率高。DL为5(bit/s)/Hz；UL为2.5(bit/s)/Hz。3）基于分组交换。4）QoS保证。实时业务(如VoIP)的服务质量好。5）系统部署灵活。支持1.4MHz~20MHz间多种系统带宽。6）无线网络时延低。子帧长度为0.5ms和0.675ms，时延达U-plan<5ms，C-plan<100ms。7）增加了小区边界比特速率。如MBMS(多媒体广播和组播业务)在小区边界可提供1bit/s/Hz的数据速率。8）向下兼容。支持已有的3G系统和非3GPP规范系统的协同运作。LTE成为移动通信技术演进的方向MME/S-GWMME/S-GWX2S1移动性管理服务网关MME/SGW与eNodeB的接口EPCE-UTRANeNodeB间的接口NodeBRNC+=eNodeBEPSeNodeBX2X2eNodeBeNodeBUu下行最大速率可达100Mbits/s上行最大速率可达50Mbits/s用户面延迟小于5ms控制面延迟小于100ms灵活的多频段配置先进的天线解决方案新的无线接入技术提纲TD-LTE主要关键技术TD-LTE技术的演进TD-SCDMA同TD-LTE关键技术比较OFDM及SC-FDMALTE-Advanced关键技术简述MIMO多天线解决方案TD-LTE关键技术OFDM及SC-FDMAMIMO多天线解决方案TD-LTE关键技术TD-LTE多址技术采用OFDMA取代CDMA作为基本的多址技术下行多址技术采用CP-OFDMA上行多址技术采用SC-FDMA1、主要是3GPP大多数公司与知识产权等利益平衡的结果2、CDMA的频谱效率并不低于OFDMA3、OFDMA可以更好、更简单地实现5M以上，特别是20M以上系统带宽4、OFDMA能够更好地对抗多径衰落1、采用经典OFDMA技术1、相比于OFDMA具有较小的PAPR值，适用于功率较小的终端2、TD-LTE采用基于频域生成的单载波方法——DFT扩展OFDM

（DFT-S-OFDM）作为具体实现方法。OFDM是TD-LTE区别于3G系统的最关键技术OFDM(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing)技术原理OFDM将频域划分为多个子信道，各相邻子信道相互重叠，但不同子信道相互正交。将高速的串行数据流分解成若干并行的子数据流同时传输。采用循环前缀(CP)对抗符号间干扰OFDM符号持续时间<信道“相干时间”时，信道可以等效为“线性时不变”系统，降低信道时间选择性衰落对传输系统的影响OFDM技术原理OFDM子载波的带宽<信道“相干带宽”时，可以认为该信道是“非频率选择性信道”，所经历的衰落是“平坦衰落”单载波系统呈现频率选择性衰落OFDM系统对应每个子载波呈现平坦衰落OFDM主要参数子载波间隔：子载波间隔越小，OFDM符号周期Tu越长，这样CP开销越小。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：决定了OFDM系统的抗多径能力和覆盖能力。一个时隙中不同OFDM符号的循环前缀长度不同频谱效率高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，“防患于未然”的一种方式。

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升。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技术的优点频域调度及自适应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，更好的克服频率选择性衰落。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。平坦衰落信道中实现MIMO更容易，频率选择性信道中，IAI和ISI混合在一起，很难将MIMO接收和信道均衡区分开OFDM技术的优点上行采用SC-FDMA的原因OFDM的峰均比较高，功放效率降低，导致整机电源效率降低；终端的配置越来越多，功能越来越强大，导致对终端电源效率提出越来越高的要求，而电池技术却一直没有突破性进展，因此对终端的节能技术提出了越来越高的要求。SC-FDMA及其实现方式TD-LTE系统中上行链路采用SC-FDMA技术，以期降低PAPR，提高功放效率，延长电池寿命；DFT-S-OFDM可以认为是SC-FDMA的频域产生方式，是OFDM在IFFT调制前进行了基于傅立叶变换的预编码。上行SC-FDMA多址方式SC-FDMA实现方式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。利用DFT-S-OFDM的特点可以方便的实现SC-FDMA多址接入方式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的实现方式通过改变不同用户的DFT的输出到IDFT输入端的对应关系，输入数据符号的频谱可以被搬移至不同的位置，从而实现多用户多址接入分为Localized单载波和Distributed单载波两种，二者在进行DFT变换时子载波映射方式不同SC-FDMA的实现方式SC-FDMA同OFDMA的对比SC-FDMA同OFDMA的对比SC-FDMA实质是将有限带宽内数据做了一个相应的时域到频域的频谱搬移以上例中假设采用QPSK调制，载波数N=4SC-FDMA的不足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；SC-FDMA与OFDM技术相比较，在信道译码过程中无法利用信道信息。OFDMA及SC-FDMA性能比较链路级BLER比较。以上仿真结果引用厂商调研资料，仅作参考OFDMA及SC-FDMA性能比较PAPR及CM性能比较以上仿真结果引用厂商调研资料，仅作参考PAPR：峰值平均功率比CM：立方度量，表征功放功率效率的降低二者都是用来衡量传输技术对功放非线性的影响，LTE选用CM作为最准确方式。TD-LTE关键技术OFDM及SC-FDMAMIMO多天线解决方案TD-LTE关键技术MIMO作为提高系统输率的最主要手段，LTE确定MIMO天线个数的基本配置是下行2×2、上行1×2，但也在考虑4×4的高阶天线配置。北电网络（加拿大）的专利技术虚拟MIMO也被LTE采纳作为提高小区边缘数据速率和系统性能的主要手段。另外，LTE也正在考虑采用小区干扰抑制技术来改善小区边缘的数据速率和系统容量。下行方向MIMO方案相对较多，根据2006年3月雅典会议报告，LTEMIMO下行方案可分为两大类：发射分集和空间复用两大类。MIMO信道容量MIMO信道容量MIMO信道容量本质：等效多个正交并行子信道。MIMO信道容量特征：MIMO系统利用空间的维度能够提升系统的极限容量MIMO系统极限容量等于多个并行子信道容量之和MIMO系统的极限容量和空间相关性有关，空间相关性越高，MIMO信道容量越小下行公共天线端口LTE系统可以支持单天线（1x）、双天线（2x）以及4天线（4x）发送，从而提供不同级别的传输分集和空间复用增益。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。MIMO配置上行目前，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SC-FDMA及其实现方式。下行多天线技术传输分集SFBCSFBC+FSTD闭环Rank1预编码空间复用开环空间复用闭环空间复用MU-MIMO波束赋形TD-LTE系统的多天线技术实现方式上行多天线技术上行传输天线选择(TSTD)MU-MIMO发送接收分集多天线分集技术与单天线系统直观相比并没有增加系统吞吐量，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。多天线技术——传输分集多天线技术——空分复用基于预编码的空分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/传输分集增益开环空间复用——Large-delayCDDeNodeB周期地分配不同的Precoding码字到不同的数据子载波中。其中每m个子载波用不同的Precoding码字，m为Rank数。Large-delayCDD方案只用于Rank>1支持Rank1和开环空间复用的动态Rank自适应不需要PMI反馈，两个码子的CQI没有空间差异多天线技术——空分复用闭环空间复用eNodeB需要进行数据预编码系统从预定义的码本中选择最适合的Precoding矩阵，预定义码本同时保存在eNodeB和UE中UE在评估信道质量的基础上，选择该时刻最适合的Precoding矩阵，并将矩阵索引发送给eNodeB预编码码本预编码目的：改善SNR，减少干扰反馈内容：CQI：信道质量指示，包括宽带和窄带PMI：预编码矩阵指示多天线技术——空分复用码本方案可适用于不同的天线配置相关天线和非相关天线阵列交叉极化和线性天线阵列eNB采用双极化8天线阵列下行UE2天线接收，上行轮流发射上行eNB8天线接收，下行采用EBB算法实现波束赋形单流方案一8天线Beamforming方案二8天线2x2MIMO同极化的4天线组成某一子阵，即Ant1~Ant4和Ant5~Ant8分别构成两个子阵子阵内采用广播波束赋形两个子阵间实现MIMO双流抗干扰能力强边缘用户速率有保障BF与MIMO结合TD-LTE多天线方案双极化8天线中Ant1/Ant4/Ant5/Ant8为间距最大的交叉极化4天线4天线实现MIMO双流方案三4x2MIMO自适应切换准则：基于吞吐率最大原则根据信道相关性瞬时值、信干比等信息，分别估算BF和双流MIMO传输方式下各自的瞬时吞吐量，并采用瞬时吞吐量较高的一种方式方案四自适应MIMO/BF相关性弱有利于实现MIMO自适应选择，有利于发挥MIMO/BF性能优势总的来说，双流，甚至是多流波束赋性将是未来TD-LTE多天线技术的主要发展方向。双流波束赋形技术不仅可以提高小区中心用户的吞吐量，而且可以提高小区边缘的用户的服务感受。TD-LTE多天线方案多MIMO方案应用场景室