LTE基本原理和关键技术

LTE基本原理和关键技术移动通信技术的演进LTE系统架构LTE关键技术FDD/TDDLTE比较LTE是LongTermEvolution的缩写，可以通俗的把它称之为4G，由于CDMA2000向后演进UMB的退出，LTE成为目前几种主流3G制式WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA向后的演进方向。LTE分为FDDLTE和TDDLTE两种，对应系统设备也是不一样的。移动通信技术的演进2G2.5G2.75G3G3.5G3.75G3.9GGPRSEDGER99E-EDGER7HSDPAR5HSUPAR6MBMS(FDD)4G(LTE-A802.16m)MC-HSPAMBMS(TDD)CDMA2000EV-DO802.16e802.16mHSPAHSPA+R7/R8TDDFDD4GGSMTD-SCDMAWCDMAR99802.16dCDMA1xCDMA2000LTEEV-DORev.AEV-DORev.ＢLTE的发展2004200720102013在2004年11月首次提出LTE的概念由3GPP负责，开始LTE的标准化工作2006年9月，由七大运营商发起的NGMN组织成立2008年2月的巴塞罗那展上首次演示LTE呼叫，速率>160Mbps2008年3月，标准的各工作组完成相关部分的技术规范2009年3月，R8版本冻结2010年3月，R9版本冻结2009年12月第一个LTE商用局，瑞典斯德哥尔摩R11版本冻结，

LTE-A截止到2013年5月，全球共有175个LTE商用局，用户数接近1亿重要里程碑截止5月10日，已有70个国家部署了175

个LTE商用网，共有126个国家的424家运营商投资LTEGSA预测到2013年年底会有87个国家部署LTE商用网，商用网总数将达到248全球LTE商用网络快速增长已商用LTE网络服务的国家正在部署或者计划部署LTE商用网络的国家正在进行LTE实验局的国家

248数据来源:GSA’sEvolutiontoLTEreportFDDLTE有哪些特点？高速率峰值速率低TCO扁平化高移动性覆盖性能低时延用户面控制面高效率用户数吞吐量频率利用率频谱灵活性LTE的2高2低LTE标准的发展Rel-8:LTE的基本技术和框架扁平化架构MIMOOFDM/SC-FDMA多样的带宽…Rel-9:LTE的进一步增强与完善LTE家庭基站

自组织网络（SON）

广播多播（eMBMS）LTE定位技术…Rel-10/11:瞄准IMT-A性能指标MIMO技术的增强

载波聚合（CA）

中继技术（relay）

分层异构网络（HetNet）Comp

…移动通信技术的演进LTE系统架构LTE关键技术FDD/TDDLTE比较LTE/EPC网络架构和2/3G网络架构的差异扁平化三层架构变成两层架构，减少了BSC节点，减少了时延；E-UTRAN的接口eNodeB间通过X2接口互联，实现切换，干扰协调等功能；eNodeB与EPC之间通过S1接口互联，用户面和控制面分离增强的无线节点功能BSC/RNC功能BTS功能终端位置跟踪与记录寻呼和广播消息转发无线资源管理无线承载控制连接态移动性控制测量配置与提交无线资源调度无线资源控制数据汇聚无线链路控制MAC层物理层MME的移动性管理eNodeB的功能终端位置跟踪与记录寻呼和广播消息转发无线资源管理无线承载控制连接态移动性控制测量配置与提交无线资源调度无线资源控制数据汇聚无线链路控制MAC层物理层eNodeB的功能原2G网络的BTS和BSC/RNC绝大部分功能融合进eNodeB；部分BSC/RNC功能迁移到MME；LTE组网示例移动通信技术的演进LTE系统架构LTE关键技术FDD/TDDLTE比较载波聚合（CA）多天线技术MIMO干扰协调技术ICIC提升宽带能力

降低网络时延MIMOChannelDataStreamingLTE的关键技术多址技术OFDM扁平化架构S-GWMMEeNodeBeNodeBeNodeBX2X2X2S1S1S1S1S1S1LTE扁平化网络结构图：核心网+基站的两层网络结构为满足LTE的低时延要求，LTE扁平化网络结构省去传统的基站控制器（RNC、BSC），基站控制器的大部分功能转移到基站eNodeB实现。扁平化结构特点：全IP网络架构，IP链接至基站系统延时低建设成本低关键网元：MME、S-GW、eNodeB网络接口：S1、X2扁平化架构是降低LTE传输时延的关键因素LTE关键技术-OFDM技术OFDM技术本质：实质上是利用一组正交的低速率子载波，合成提供高速数据传输的一种调制方式具有频谱利用率高、抗多径干扰、抗频率选择性衰落、信道估计与均衡实现简单等优点。OFDM技术优势：有效减小无线信道带来的ISI及ICI与传统的FDM相比，频谱利用率更高。IFFT和FFT的处理时非常容易实现上下行调度时可以使用不同数量的子信道，可有效对抗频率选择性衰落，提供多变传输速率。OFDM技术缺点：容易受到频率偏差的影响由于在发端是将频域信号进行迭加，会造成较高的峰值平均功率比FFT积分区间基于OFDM的物理层多址接入技术3GPP最终决定在下行采用OFDMA技术，上行采用单载波频分复用技术SC-FDMA下行基于OFDMA技术(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexingAccessing)，可基于用户所处不同环境，灵活地为不同用户分配最佳的子载波资源，实现多用户分集增益。上行基于SC-FDMA技术(SingleCarrierFrequencyDivisionMultipleAccessing)，可达到较低的峰均比（相对于OFDMA低1~3dB）。以解决终端的射频成本和电池寿命问题OFDMASC-FDMALTE关键技术-OFDM技术OFDM资源的时频结构MIMO技术本质多天线发射接收，充分利用空间维度，若采用复用技术，则可成倍的提升空口速率，或者采用分集技术（多径）产生解调增益，总体可以理解为一种空分复用技术复用和分集产生的增益对应吞吐率和可靠性的提升，两者可以认为都是牺牲其中的一种增益而得到另一种增益。MIMO技术优势MIMO技术可以同时在基站和UE上使用提升用户吞吐率、小区容量和覆盖很容易和OFDM技术融合起来LTE基站支持自适应MIMO，灵活支持空间复用或分集复用LTE关键技术-MIMO技术自适应MIMO空间分集

使用多根天线进行发射和/或接收，根据收发天线数又分为发射分集、接收分集与接收发射分集空间复用

发射的高速数据被分成几个并行的低速数据流，在同一频带从多个天线同时发射出去波束成形

在发射端将待发射数据矢量加权，形成某种方向图后到达接收端LTE关键技术-MIMO技术空间分集基本原理空间复用基本原理不同带宽和MIMO端口数对应的速率带宽下行速率上行速率2*2MIMO4*4MIMO20M150M300M75M15M110M220M55M10M73M146M36M5M37M72M18M3M22M45M11M1.4M8M17M4M以上为理论峰值速率，实际测试会小于此值，例如20M带宽下，2*2MIMO的下行平均速率，一般在35M左右；上行MIMO模式受限于终端能力，目前LTE终端上行均为单发，可以1*2或者1*4等模式；LTE的MIMO技术分类MIMO模式的应用算法决定了LTE频谱利用率性能6Mode6

码本

BF

1

Mode1单天线2Mode2发射分集3Mode3开环空间复用457Mode4闭环空间复用Mode5MU-MIMO

Mode7无码本BF

对抗衰落，增强覆盖低速移动场景提高吞吐量提高系统容量高速移动场景提高吞吐量增强覆盖，抑制干扰对应于单天线Mode8双流BF8提高系统容量各种MIMO应用场景分析MIMO模式切换西安外场测试数据MIMO模式切换的目标：追求无线信道、不同信噪比等条件下的最佳发射模式LTE关键技术-小区间干扰协调（ICIC）将小区频带划分为边缘频带和中心频带。将接入的用户划分为边缘用户和中心用户。相邻小区的边缘频带尽量错开，不可重叠。尽量保证边缘用户在边缘频带上调度，中心用户在中心频带上调度。

eNB间可通过X2接口交换频带划分及负载信息实现动态ICIC频率功率频率功率频率功率小区一小区二小区三部分频率复用FractionalFrequencyReuse

软频率复用SoftFrequencyReuse对某些子频带上的功率只是部分减少，而不是完全限制使用。因此对于SFR，需要调节某些子带上的功率。异频由于带宽为5M，故异频吞吐率相对同频上/下行吞吐率下降比较明显。对于下行吞吐量，软频率复用相对同频在近点基本不变，中点略有下降，远点有较大增益;对于上行吞吐量,软频率相对同频在近点和中点上行吞吐率变化不大，远点有较大正增益。异频整体上/下行吞吐率相对同频下降比较明显，软频率整体上/下行吞吐率相对同频基本不变。静态ICIC测试情况动态ICIC测试情况自适应SFR前提条件

-

基于SFR(预定义OC);

- 通过X2接口交互小区间负荷信息;

- 边缘用户可获得资源是根据小区边缘负荷来决定的；预期结果(外场测试结果)

- 相对于静态ICIC，边缘用户有25%以上的增益提升。均匀分布非均匀分布ICIC应用建议在建网初期，网络负载较低时，采用频域选择或者频域随机化调度的方法组建同频网络，足以满足要求，同时提升了频谱利用率；当网络用户数增加，负载提升至高负载时，可以采用静态SFR来降低干扰，提升边缘吞吐量；推荐三段频谱方式组建SFR；当动态ICIC技术得到大规模验证成熟之后，可以在高负载时采用动态ICIC技术来提升小区平均和边缘频谱效率；在实时ICIC技术成熟之后，可以采用实时ICIC，以及多小区联合接收及调度来进一步提升频谱效率；LTE关键技术-分组交换调度LTE是完全面向分组业务优化的系统，不再采用面向连接的电路交换技术，此原则应用于系统的所有接口。LTE系统是一个“自适应系统”，调度算法的准确性和效率对LTE系统性能有很大影响。LTE采用“时、频、空、用户、小区”多维调度，潜在复杂度很大。自适应调度是LTE功能实现的关键SON自组织网络基站部署与运维的成本分析自组织网络技术的基本思路：

以自配置、自优化、自恢复特性代替大量的人工劳动，降低部署与维护成本提高网络的灵活性与可扩展性更好的支持femto/pico等新型网络节点与拓扑技术SON的标准化贯穿了LTE的3个版本：Rel-8：自动临区关系、Cell-ID自动配置

Rel-9：负载均衡、移动健壮性增强、随机接入优化、节能

Rel-10：对Rel-9功能的增强，考虑Inter-RAT的应用场景SON是LTE的重要补充功能，成熟需要时间标准中定义SON的用例集中式分布式Auto-plan传输参数规划地面参数规划无线参数规划SONmonitorSON效果评估SON策略控制Selfconfiguration传输链路自建立自动节点认证自动邻区规划PCI冲突检测和分配自动版本下载自动资产信息自测试Selfoptimization邻区优化移动负载均衡移动鲁棒性优化RACH参数优化覆盖和容量优化自动节能SelfHealing设备故障备份倒换负荷分担故障专家系统库Sleepcell故障识别小区补偿SON的应用建议初期阶段相对成熟成熟阶段高级阶段应用方式：作为系统提供的工具应用人工参与程度：由人工打开和关闭，工作于受控模式，结果能导出，人工能参与分析、甄别对Opex降低的贡献：减少问题发现和分析的工作量应用方式：作为系统内的功能应用人工参与程度：由事件（故障、KPI、网络拓扑改变、配置改变）触发打开，人工进行关闭，工作于受控模式，结果能导出，人工能参与分析、甄别对Opex降低的贡献：提高问题发现的及时性，减少问题发现和分析的工作量；应用方式：作为系统内的功能应用人工参与程度：由事件（故障、KPI、网络拓扑改变、配置改变）触发打开和关闭，工作于自由模式。收敛性可控制，具备效果评估和回退能力。结果能导出，人工参与分析、甄别对Opex降低的贡献：提高问题发现的及时性，减少问题发现和解决的工作量应用方式：作为系统内的功能应用，工作于fullclosedloop模式，具备自学习能力。人工参与程度：无需人工参与对Opex降低的贡献：完全自适应网络变化LTE-Advanced的关键技术MIMO增强LTEcarrier20MHz连续载波聚合LTEcarrier20MHz非连续载波聚合………….载波聚合（CA）中继技术（Relay）多点协作（COMP）移动通信技术的演进LTE系统架构LTE关键技术FDD/TDDLTE比较LTEFDD/TDD双工方式比较FDD/TDD双工方式FDD采用两个对称的频率信道进行发送和接收，这两个信道之间存在着一定的频段保护间隔。TDD的发送和接收信号在同一频率信道的不同时隙中进行，彼此之间采用一定的保护时间予以分离。TDD不需要分配对称频段的频率，可以充分利用零散的频谱资源。TDD通过调整上下行时隙配比，可以灵活的支持不对称业务数据传输。LTEFDD/TDD技术比较差异比较PHY处理，MAC处理，RRM处理等方面存在大量共性,但是由于子帧结构的不同，也带来了些细微的差别;高层协议方面是一致的，例如调度算法和RRM算法方面存在很多共性。在系统底层设计，尤其是物理层的设计上，由于FDD和TDD两种双工方式在物理特性上所固有的不同，LTE系统为TDD的工作方式进行了一系列专门的设计。LTEFDD/TDD的标准主要差异在物理层LTEFDD帧结构设计FDD帧结构设计FDDLTE采用包含10个子帧的10ms无线帧

每个子帧又包含2个时隙，共20个时隙的结构；LTETDD帧结构设计TDD帧结构设计TDDLTE采用的也是包含10个子帧的10ms无线帧的结构，但是为了继承TD-SCDMA的特性，在TDDLTE帧结构中存在1ms的特殊子帧;该子帧由三个特殊时隙组成：DwPTS，GP和UpPTS，其含义和功能与TD-SCDMA系统相类似，其中DwPTS始终用于下行发送，UpPTS始终用于上行发送，而GP作为TDD中下行至上行转换的保护时间间隔，

LTETDD帧结构设计TDD帧结构设计5ms上下行切换周期：位于两个半帧中，在这两个半帧中各有一个特殊子帧来放特殊时隙，它们分别是子帧1和子帧6;

10ms上下行切换周期：位于第一个半帧中，在子帧1来放特殊时隙。其中子帧0和5以及DwPTS总是用于下行发射，UpPTS和紧邻其后的子帧总是用于上行发射。

对于TDDLTE而言，则要对一个10ms的无线帧进行上下行分配，一些用来传上行数据，一些用来传下行数据。协议中规定的上下行配比。上,下行配比切换周期子帧数目012345678905msDSUUUDSUUU15msDSUUDDSUUD25msDSUDDDSUDD310msDSUUUDDDDD410msDSUUDDDDDD510msDSUDDDDDDD65msDSUUUDSUUDTDD双工方式的优势能够灵活配置频率，使用FDD系统不易使用的零散频段；可以通过调整上下行时隙转换点，调整上下行时隙配比，能够很好的支持非对称业务；具有上下行信道一致性，基站的接收和发送可以共用部分射频单元，降低了设备成本；

基站和终端都不需要收发隔离器，只需要一个开关即可，降低了设备的复杂度；

具有上下行信道互惠性，能够更好的采用传输预处理技术，如智能天线技术、预编码技术等,能有效地降低移动终端的处理复杂度。TDD采用八天线Beamforming天线技术，所以TDD的下行业务覆盖先天优势明显。

TDD双工方式的劣势由于TDD方式的时间资源分别分给了上行和下行，TDD方式的发射时间比FDD方式少。如果TDD要发送和FDD同样多的数据，就要增大TDD的发射频率带宽。

TDD系统收发信道同频，系统间干扰更加复杂。上下行时隙转换点的存在使得对时间同步的要求更加严格。目前通常是整个网络中使用相同的时隙配比，否则上下行之间会存在同频干扰。LTEFDD/TDD双工方式比较LTE的频段定义E‑UTRAOperatingBandUplink(UL)operatingband

BSreceive

UEtransmitDownlink(DL)operatingband

BStransmit

UEreceiveDuplexModeFUL_low–FUL_highFDL_low–FDL_high11920MHz–1980MHz2110MHz–2170MHzFDD21850MHz–1910MHz1930MHz–1990MHzFDD31710MHz–1785MHz1805MHz–1880MHzFDD41710MHz–1755MHz2110MHz–2155MHzFDD5824MHz–849MHz869MHz–894MHzFDD61830MHz–840MHz875MHz–885MHzFDD72500MHz–2570MHz2620MHz–2690MHzFDD8880MHz–915MHz925MHz

–960MHzFDD91749.9MHz–1784.9MHz1844.9MHz

–1879.9MHzFDD101710MHz–1770MHz2110MHz–2170MHzFDD111427.9MHz–1447.9MHz1475.9MHz

–1495.9MHzFDD12698MHz–716MHz728MHz–746MHzFDD13777MHz–787MHz746MHz–756MHzFDD14788MHz–798MHz758MHz–768MHzFDD15ReservedReservedFDD16ReservedReservedFDD17704MHz–716MHz734MHz–746MHzFDD18815MHz–830MHz860MHz–875MHzFDD19830MHz–845MHz875MHz–890MHzFDD20832MHz–862MHz791MHz–821MHzFDD211447.9MHz–1462.9MHz1495.9MHz–1510.9MHzFDD...331900MHz–1920MHz1900MHz–1920MHzTDD342010MHz–2025MHz2010MHz–2025MHzTDD351850MHz–1910MHz1850MHz–1910MHzTDD361930MHz–1990MHz1930MHz–1990MHzTDD371910MHz–1930MHz1910MHz–1930MHzTDD382570MHz–2620MHz2570MHz–2620MHzTDD391880MHz–1920MHz1880MHz–1920MHzTDD402300MHz–2400MHz2300MHz–2400MHzTDD412496MHz2690MHz2496MHz2690MHzTDDNote1:Band6isnotapplicable技术体制LTETDDLTEFDD采用的相同的关键技术信道带宽灵活配置1.4M，3M，5M，10M，15M，20M1.4M，3M，5M，10M，15M，20M帧长10ms(半帧5ms，子帧1ms)10ms(子帧1ms)信道编码卷积码、Turbo码卷积码、Turbo码调制方式QPSK，16QAM，64QAMQPSK，16QAM，64QAM功率控制开环结合闭环开环结合闭环MIMO多天线技术支持支持技术差异双工方式TDDFDD子帧上下行配置无线帧中多种子帧上下行配置方式无线帧全部上行或者下行配置HARQ个数与延时随上下行配置方式不同而不同个数与延时固定调度周期随上下行配置方式不同而不同，最小1ms1msLTEFDD/TDD技术体制对比44LTEFDD/TDD组网和关键技术对比TDDFDD性能频谱效率平均频谱效率TDD与FDD相当峰值速率TDD使用部分时隙资源分别作上下行传输，峰值速率约为FDD一半FDD使用全部时隙资源分别做上下行传输，峰值速率为TDD两倍组网上下行配比可灵活配置上下行的时隙比例，适应不同上下行业务比例，并灵活支持多播组播类业务上下行也可支持不等带宽时域保护间隔在上下行时隙之间需要保护时间间隔，且随覆盖半径的不同而不同上下行之间不需要保护时隙，覆盖半径灵活；频率保护间隔无要求上下行之间需要保护带多运营商部署多运营商部署需要协同，邻频部署需要上下行时隙切换点对齐多运营商的部署不需要协同，无需时隙对齐网络同步要求全网同步；全网可同步或非同步方式；设备实现双工器不需要笨重的双工器，减少设备复杂度需要FDD双工器时延上下行不连续发送,系统时延较FDD高。上下行可以连续发送，系统提供的业务时延较TDD低关键技术多天线技术可以利用上下行信道的对称性，采用先进的无线技术如智能天线、更精确的预编码方案等，提高系统覆盖质量，提升整体吞吐量上下行使用不同的频率，很难利用信道的对称性LTEFDD/TDD性能仿真对比结果FDD-LTE和TDD-LTE的频谱效率差别不大；LTEFDD/TDD峰值吞吐量对比

双工方式

2×2MIMO

4×4MIMO吞吐率频谱效率吞吐率频谱效率LTETDD（配置5）131Mbps7.5bps/Hz262Mbps15bps/HzLTEFDD150Mbps7.5bps/Hz300Mbps15bps/Hz双工方式

16QAM64QAM吞吐率频谱效率吞吐率频谱效率LTETDD（配置0）26.3Mbps2.1bps/Hz45.2Mbps3.6bps/HzLTEFDD43.8Mbps2.2bps/Hz75.4Mbps3.8bps/Hz下行对比(注:TDD采用上,下行配比1:8)上行对比(注:TDD采用上,下行配比6:2)FDD/TDD峰值吞吐量对比FDD为上,下行各20MHz;TDD为20MHz;天线配置为2*2和4*4;下行频谱效率,FDD和TDD基本相等;上行频谱效率,FDD稍好于TDD.双工方式小区平均吞吐率平均频谱效率边缘用户平均吞吐率边缘频谱效率Mbpsbps/Hz/SecMbpsbps/Hz/SecTDD（配置0）6.46251.810.1620.0454TDD（配置1）10.29561.850.2680.0480TDD（配置2）14.19481.870.3560.0471TDD（配置3）12.81871.890.3280.0484TDD（配置4）14.75511.900.3730.0478TDD（配置5）16.66871.900.4220.0481TDD（配置6）8.40341.840.2120.0463LTEFDD19.06221.910.5010.0501LTEFDD/TDD小区吞吐量对比FDD/TDD下行小区吞吐量对比FDD为上,下行各10MHz;TDD为10MHz;天线配置为2*2;下行频谱效率,FDD稍好于TDD;LTEFDD/TDD小区吞吐量对比FDD/TDD上行小区吞吐量对比FDD为上,下行各10MHz;TDD为10MHz;天线配置为1*2;上行频谱效率,FDD稍好于TDD;双工方式平均小区吞吐率小区边缘用户吞吐率Mbpsbps/Hz/SecMbpsbps/Hz