LTE基本原理及关键技术(巴三此里)

LTE基本原理及关键技术巴三此里2023/2/4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空口关键技术目标Charter1LTE背景介绍Charter2LTE网络架构及协议栈介绍Charter3LTE物理层结构介绍Charter4TD-LTE/FDD-LTE比较内容Charter1LTE背景介绍1.1LTE的概念1.2LTE设计目标1.3LTE的关键技术介绍内容什么是LTE？长期演进LTE(LongTermEvolution)是3GPP主导的无线通信技术的演进LTE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(SystemArchitectureEvolution)负责整个网络架构的演进什么是LTE，为什么需要LTE为什么需要LTE？保持3GPP与WIMAX/3GPP2的竞争优势顺应宽带移动数据业务的发展需要移动通信数据化，宽带化，IP化高吞吐率=高频谱效率+大带宽低时延=扁平化的网络架构E-UTRAN:

EvolvedUMTSTerrestrialRadioAccessNetwork，LTE的接入网EPC：EvolvedPackageCore，LTE的核心网EPS：EvolvedPacketSystem，演进的分组系统EPS=E-UTRAN+EPC狭义来讲：LTE=E-UTRAN,SAE=EPC（概念难严格区分，理解就好）LTE设计目标：三高、两低、一平三高高峰值速率(20MHz带宽）：下行100Mbps，上行50Mbps高频谱效率：频谱效率是3G的3~5倍高移动性：能为速度>350km/h的用户提供100kbps的接入服务两低低时延：控制面时延小于100ms，用户面时延(单向)小于5ms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）一平以分组域业务为主要目标，系统在整体架构上是基于分组交换的扁平化结构LTE关键技术与特性关键物理层技术描述高阶调制和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；AdaptiveModulationandCoding，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，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LTE关键技术Overview

MIMO

OFDMALTESC-FDMA64QAMOFDM基本思想OFDM：正交频分复用（

OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexingDL

）多采用几个频率并行发送，以实现带宽的传输，OFDM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。OFDM系统的主要优点频谱利用率高传统FDM是用滤波器把整个频带分割成互不重叠的子载波，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。

可利用FFT实现调制解调OFDM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。

受频率选择性衰落影响小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。抵抗窄带干扰OFDM通过把高速串行数据映射到并行的多个子载波上，窄带干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。OFDM系统的主要缺点对频率偏差敏感

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。较高的峰均比（PAPR）OFDM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。OFDMALTE下行采用OFDMA多址技术，不同用户可以根据需要灵活地分配不同的时频资源SC-FDMA相比OFDMA，SC-FDMA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SC-FDMA采用频域实现的方式：DFT-S-OFDM相比OFDMA，SC-FDMA多了一个DFT运算这个DFT运算使得进行OFDM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SC-FDMA多址技术，即所谓的单载波FDMA技术MIMO的主要模式UE1SBCTransmissionDiversitySpaceMultiplexingUE1Layer1,CW1,AMC1Layer2,CW2,AMC2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

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。多天线技术的优势阵列增益（Arraygain）分集增益（Diversitygain）空间复用增益（Spatialmultiplexinggain）干扰抑制增益（co-channelinterferencereduction）改善系统覆盖改善系统容量提高峰值速率提高频谱利用率BeamformingBeamforming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，从而提高目标用户的解调信噪比

Beamforming可以获得阵列增益、分集增益和复用增益依赖于具体的模式

LTETDD可以利用上下行信道互易性估计下行信道信息LTETDDBeamforming需要进行通道校正Beamforming邻区干扰信号是扰动的，类似探照灯效应Charter1LTE背景介绍Charter2LTE网络架构介绍Charter3LTE物理层结构介绍Charter4TD-LTE/FDD-LTE比较内容Charter2LTE网络架构及协议栈介绍2.1LTE的网络架构2.2LTE的网元功能内容系统架构演进SAE（SystemArchitectureEvolution），是为了实现LTE提出的目标而从整个系统架构上考虑的演进，主要包括：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大部分功能放在了E-NodeB，以减少时延和增强调度能力少部分功能放在了核心网，加强移动性管理核心网：用户面和控制面分离原有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LTE的接入网架构LTE的主要网元E-UTRAN(接入网)：e-NodeB组成EPC(核心网)：MME，S-GW，P-GWLTE的网络接口X2接口：e-NodeB之间的接口，支持数据和信令的直接传输S1接口：连接e-NodeB与核心网EPC的接口S1-MME是e-NodeB连接MME的控制面接口S1-U是e-NodeB连接S-GW的用户面接口与传统3G网络比较，LTE的网络结更加简单扁平，降低组网成本，增加组网灵活性，并能大大减少用户数据和控制信令的时延。LTE的网元功能e-NodeB的主要功能包括：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）用户数据流的IP报头压缩和加密UE附着状态时MME的选择实现S-GW用户面数据的路由选择执行由MME发起的寻呼信息和广播信息的调度和传输完成有关移动性配置和调度的测量和测量报告MME的主要功能包括：

NAS(Non-AccessStratum)非接入层信令的加密和完整性保护；AS(AccessStratum)接入层安全性控制、空闲状态移动性控制；EPS(EvolvedPacketSystem)承载控制；支持寻呼，切换，漫游，鉴权。S-GW的主要功能包括：分组数据路由及转发；移动性及切换支持；合法监听；计费。P-GW的主要功能包括：分组数据过滤；UE的IP地址分配；上下行计费及限速。EPC:EvolvedPacketCoreMME:MobilityManagementEntityS-GW:ServingGatewayP-GW:PDNGatewayCharter1LTE背景介绍Charter2LTE网络架构及协议栈Charter3LTE物理层结构介绍Charter4TD-LTE/FDD-LTE比较内容Charter3LTE物理层结构介绍3.1LTE支持频段3.2无线帧结构3.3物理信道3.4物理层过程内容LTE支持的双工模式/频段/带宽支持三种双工模式：FDD，half-duplexFDD，和TDD支持多种频段FDD系统从700MHz到2.6GHzTDD系统频点在1900MHz~2620MHz区间支持多种带宽配置：1.4MHz,3MHz,5MHz,10MHz,15MHz,20MHz协议还在更新中，部分频段的支持情况可能会有所变动36.104协议E-UTRABandUplink(UL)Downlink(DL)FUL_low–FUL_highFDL_low–FDL_high11920MHz–1980MHz2110MHz–2170MHz21850MHz–1910MHz1930MHz–1990MHz31710MHz–1785MHz1805MHz–1880MHz41710MHz–1755MHz2110MHz–2155MHz5824MHz–849MHz869MHz–894MHz6830MHz–840MHz875MHz–885MHz72500MHz–2570MHz2620MHz–2690MHz8880MHz–915MHz925MHz–960MHz91749.9MHz–1784.9MHz1844.9MHz–1879.9MHz101710MHz–1770MHz2110MHz–2170MHz111427.9MHz–1452.9MHz1475.9MHz–1500.9MHz12698MHz–716MHz728MHz–746MHz13777MHz–787MHz746MHz–756MHz14788MHz–798MHz758MHz–768MHz……

…

17704MHz–716MHz734MHz–746MHz...…

…

FDD模式支持频段E-UTRABandUplink(UL)Downlink(DL)FUL_low–FUL_highFDL_low–FDL_high331900MHz–1920MHz1900MHz–1920MHz342010MHz–2025MHz2010MHz–2025MHz351850MHz–1910MHz1850MHz–1910MHz361930MHz–1990MHz1930MHz–1990MHz371910MHz–1930MHz1910MHz–1930MHz38（D）2570MHz–2620MHz2570MHz–2620MHz39（F）1880MHz–1920MHz1880MHz–1920MHz40（E）2300MHz–2400MHz2300MHz–2400MHzTDD模式支持频段无线帧结构LTEFDD与TDD均采用OFDM技术子载波间隔均为f=15kHz1radioframe(无线帧)=10ms1subframe(子帧)=1ms1slot(时隙)=0.5ms=7（6）个符号1radioframe=10subframes=20slotsTDD类型无线帧结构DwPTS:DownlinkPilotTimeSlotGP:GuardPeriodUpPTS:UplinkPilotTimeSlotTD-LTE无线帧结构TD-LTE10个子帧包括：上行子帧，下行子帧，特殊子帧特殊子帧包括：下行导频时隙（DwPTS）保护周期（GP）上行导频时隙（UpPTS）TDD上下行子帧配比与特殊时隙配比DL/UL子帧分配选项Uplink-downlinkconfigurationDownlink-to-UplinkSwitch-pointperiodicitySubframenumber012345678905msDSUUUDSUUU15msDSUUDDSUUD25msDSUDDDSUDD310msDSUUUDDDDD410msDSUUDDDDDD510msDSUDDDDDDD65msDSUUUDSUUDLTE-TDD帧结构主要特点是上下行转换上下行转换的子帧叫做特殊子帧包括：DwPTS,GP,UpPTSD:DownlinksubframeU:UplinksubframeS:Specialsubframe特殊子帧配置NormalCPExtendedCPDwPTSGPUpPTSDwPTSGPUpPTS03101381194183121031921311211011412113725392822693291271022---81112---特殊子帧分配选项LTE资源块基本概念载波带宽[MHz]1.435101520RE数目(每个OFDM符号)721803006009001200RB数目（每个slot）615255075100RE(ResourceElement)物理层资源的最小粒度时域：1个OFDM符号，频域：1个子载波RB（ResourceBlock）物理层数据传输的资源分配频域最小单位时域：1个slot，频域：12个连续子载波(Subcarrier)CCEControlChannelElement控制信道的资源单位1CCE=9REG(1REG=4RE)1CCE=36RE物理信道—概述下行物理信道与信号名称功能简介PBCHPhysicalbroadcastchannel/广播信道用于承载系统广播消息PDSCHPhysicalDownlinkSharedChannel/下行共享数据信道用于承载下行用户数据PCFICHPhysicalcontrolformatindicatorchannel/控制格式指示信道用于指示下行控制信道使用的资源PDCCHPhysicalDownlinkControlChannel/下行控制信道用于上下行调度、功控等控制信令的传输PHICHPhysicalHybridARQIndicatorChannel/HARQ指示信道用于上行数据传输ACK/NACK信息的反馈PMCHPhysicalmulticastchannel/多播信道用于传输广播多播业务RSReferenceSignal/参考信号用于下行数据解调、测量和时频同步等SCHSynchronizationSignal/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功能简介PRACHPhysicalRandomAccessChannel/随机接入信道用于用户随机接入请求信息PUSCHPhysicalUplinkSharedChannel/上行共享数据信道用于承载上行用户数据PUCCHPhysicalUplinkControlChannel/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DMRSDemodulationReferenceSignal/解调参考信号用于上行数据解调、时频同步等SRSSoundingReferenceSignal/测量参考信号用于上行信道测量、时频同步等信道映射关系下行传输信道和物理信道的映射关系PhysicalLayerMAC

Layer上行传输信道和物理信道的映射关系PhysicalLayerMAC

Layer物理信道—下行物理信道调制方式物理信道调制方式PBCHQPSKPCFICHQPSKPDCCHQPSKPHICHBPSKPDSCHQPSK,16QAM,64QAMPMCHQPSK,16QAM,64QAM下行信道处理过程加扰：信息比特0、1随机化，以利用信道编码的译码性能调制：对加扰后的码字进行调制，生成复数值的调制符号；层映射：将复数调制符号影射到一个或多个发射层中；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；RE映射：将每个天线端口的复数调制符号影射到相应的RE上；OFDM信号生成：每个天线端口信号生成OFDM信号。物理信道—上行物理信道调制方式PUCCHBPSK,QPSKPUSCHQPSK,16QAM,64QAMPRACHZadoff-Chu序列上行信道处理过程加扰：信息比特0、1随机化，以利用信道编码的译码性能调制：对加扰后的码字进行调制，生成复数值的调制符号；转换预编码：生成复数值的符号；就是DFT操作；RE映射：将复数符号影射到相应的RE上；SC-FDMA信号生成：每个天线端口信号生成SC-FDMA信号。Charter1LTE背景介绍Charter2LTE网络架构及协议栈介绍Charter3LTE物理层结构介绍Charter4TD-LTE/FDD-LTE比较内容Charter4TD-LTE/FDD-LTE比较4.1TD-LTE/FDD-LTE技术比较4.2TD-LTE的优缺点内容ItemTD-LTELTEFDD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DL:OFDMUL:SC-FDMADL:OFDMUL:SC-FDMA编码方式卷积码,Turbo码卷积码,Turbo码调制方式QPSK,16QAM,64QAMQPSK,16QAM,64QAM