《现代移动通信》课件第9章

9.1LTE系统9.2LTE-Advanced系统第9章B3G/4G移动通信系统9.1LTE系统

9.1.1LTE概述

在IMT-Advanced项目启动之前，国际上对B3G技术已经

进行了广泛的研究，其中3GPP为了在较长时间内(如10年

甚至更远的未来)持续保持其相对于其他标准的国际竞争力，2004年年底启动了蜂窝技术在无线接入方面的长期演进，即LTE(LongTermEvolution)，相应的LTE无线接入网又称为演进型UTRAN(EvolvedUniversalTerrestrialRadioAccessNetwork，E-UTRAN)。对应核心网的演进是系统架构演进(SystemArchitecture

Evolution，SAE)，核心网又称为演进型分组核心网(EvolvedPacketCore，EPC)。2008年12月3GPP发布了第一个商用LTER8版本规范，随后陆续发布新的版本规范。图9-1为LTE和LTE-Advanced的发展历程。图9-1LTE和LTE-Advanced的发展在设计LTE系统参数时，需要考虑如下要求。

1.后向兼容性

2.带宽扩展性

3.无线接入网(RAN)延迟

4.高数据率

5.多普勒频移和相位噪声

6.支持广域覆盖

7.E-MBMS系统的数据率

8.控制选项数量

9.1.2LTE系统架构

LTE的总体架构采用了扁平化的无线架构原理。整个LTE系统由用户设备(UE)、演进型基站(eNodeB)和演进型分组核心网(EPC)三部分组成，如图9-2所示。图9-2LTE总体系统架构图9-3E-UTRAN和EPC的功能划分

1.eNodeB的功能包括：

(1)无线资源管理：无线承载控制、无线许可控制、连接移动性控制、上行和下行资源动态分配(即调度)。

(2)IP头压缩和用户数据流加密。

(3)当从提供给UE的信息无法获知向MME的路由信息时，选择UE附着的MME。

(4)用户面数据向S-GW的路由。

(5)从MME发起的寻呼消息的调度和发送。

(6)从MME或O&M发起的广播信息的调度和发送。

(7)用于移动性和调度的测量与测量上报配置。

2.S-GW功能

S-GW位于用户面，对每个接入LTE的UE，一次只能有一个S-GW为之服务，主要功能有：

(1)会话管理：SGW能对承载进行建立、修改和释放，能存储EPS承载上下文。

(2)路由选择和数据转发：eNodeB间切换时，S-GW作为本地锚定点在路径转发后，向源eNodeB发送结束标记，重新排序功能。

(3)QoS控制：支持EPS承载的主要QoS参数。

(4)计费。

(5)存储信息。

3.P-GW功能

P-GW位于用户面，面向PDN终结与SGi接口网关，其功能有：

(1)P-GW作为数据承载的锚定点，提供以下功能：包转发、包解析、合法监听、基于业务的计费、业务的QoS控制，以及负责和非3GPP网络间的互联等。

(2)基于每用户的包过滤(例如借助深度包探测方法)。

(3)合法侦听。

(4)UE的IP地址分配。

(5)下行传输层包标记。

(6)上下行业务级计费、门控和速率控制。

(7)基于聚合最大比特速率(AMBR)的下行速率控制。

4.MME功能

MME是核心网唯一控制平面的设备，主要功能有：

(1)移动性管理：附着/去附着、跟踪区更新、切换和寻呼。

(2)接入控制：MME通过鉴权功能实现网络和用户之间的相互鉴权和密钥协商，确保用户请求的业务在当前网络可用。

(3)会话管理：对建立会话所必须的承载的管理，包括默认承载和专用承载。

(4)网元选择：P-GW和S-GW的选择。

(5)存储用户信息：MME要保存用户的状态、MM上下文和EPS承载上下文信息，包括用户标识、跟踪区信息、鉴权信息、安全算法、网元地址、QoS参数。

(6)业务连续性：MME还能支持EPS与2G/3G间的业务互通。

5.HSS功能

HSS是存储用户签约信息的数据库，与2G/3G中的HLR类似，其功能包括：

(1)存储用户标识、编号和路由信息。

(2)存储用户安全信息，即用于鉴权和授权的网络接入控制信息。

(3)存储用户位置信息。

(4)HSS用于鉴权、完整性保护和加密用户安全信息。

(5)HSS负责与不同域和子系统的呼叫控制和会话管理。

6.PCRF的功能

(1)策略控制决策。

(2)对用户请求的业务进行授权、策略分配。

(3)基于流计费控制功能。

(4)反馈网络堵塞的情况。

(5)获取计费系统信息，反馈话费使用情况等。9.1.3无线协议结构

1.控制面协议结构

控制面协议结构如图9-4所示。图9-4控制面协议栈

2.用户面协议结构

用户面协议结构如图9-5所示，用户面PDCP、RLC、MAC在网络侧均终止于eNodeB，主要实现头压缩、加密、调度、ARQ和HARQ等功能。图9-5用户面协议栈

3.S1和X2接口

1)S1接口

S1接口定义为E-UTRAN和EPC之间的接口。S1接口包括两部分：控制面S1-MME接口和用户面S1-U接口。S1-MME接口定义为eNodeB和MME之间的接口；S1-U定义为eNodeB和S-GW之间的接口。

2)X2接口

X2接口定义为各个eNodeB之间的接口。X2接口包含X2-CP和X2-U两部分，X2-CP是各个eNodeB之间的控制面接口，X2-U是各个eNodeB之间的用户面接口。9.1.4LTE帧结构

1.FDD帧结构(FS1)

FDDLTE上下行均采用简单的等长时隙帧结构。如图9-6所示，LTE系统沿用了UMTS系统一直采用的10ms无线帧长度。在时隙划分方面，由于LTE在数据传输延迟方面提出了很高的要求(单向延迟小于5ms)，因此要求LTE系统必须采用很小的传输时间间隔(TTI)，最小TTI通常等于子帧的长度，所以LTE的子帧也必须具有较小长度。图9-6FDDLTE的帧结构(FS1)

2.TDD帧结构(FS2)

LTETDD帧结构是基于TD-SCDMA帧结构修改而成的，保留了原帧结构中的三个特殊时隙：下行导频时隙(DwPTS)、保护间隔(GP)、上行导频时隙(UpPTS)，同时采用了统一的1ms子帧长度。常规子帧结构和FS1一样，包含两个0.5ms的时隙。DwPTS、GP和UpPTS也占用一个1ms子帧，这个子帧的结构不同于常规子帧，DwPTS为一个下行时隙，UpPTS为一个上行时隙，GP不传送任何信号，为上下行之间提供保护，避免上下行之间出现“交叉干扰”。图9-7TDDLTE(FS2)5ms周期帧结构(以常规CP为例)图9-8TDDLTE(FS2)10ms周期帧结构(以常规CP为例)

3.资源块结构

LTE的资源块(ResourceBlock，RB)由资源单元(ResourceElement，RE)构成，其基本结构如图9-9所示。RE由一个子载波与一个符号对应的时频单元构成，通常由12个子载波与7个OFDM符号对应的84个RE构成一个RB。图9-9LTE资源块结构9.1.5LTE关键技术

1.多址接入方案

1)下行OFDMA多址方式

LTE下行采用正交频分多址(OrthogonalFrequencyDivisionMultipleAccess，OFDMA)。下行发送有一个或多个数据流，每个数据流首先经过速率匹配，加扰后送入自适应调制，接

着进行分层映射，然后送入空时预编码模块，进行MIMO处理，输出的数据经过资源映射，分别送入各个天线的IFFT变换模块，然后添加CP，经过RRC滤波后，再送入各个天线端口，完成整个下行OFDMA的基带发送处理，如图9-10所示。图9-10LTE下行OFDMA方式

OFDMA的优点包括：

(1)频谱分配方式灵活，能适应1.4~20MHz的带宽范围

配置。

(2)合理配置循环前缀CP，能有效克服无线环境中多径干扰引起的ISI，保证小区内用户间的相互正交，改善小区边缘的覆盖。

(3)支持频率维度的链路自适应和调度，对抗信道的频率选择性衰落，获得多用户分集增益，提高系统性能。

(4)子载波带宽在10kHz的数量级，每个子载波经历的是平坦衰落，使得接收机的均衡容易实现。

(5)OFDM容易和MIMO技术相结合。

OFDMA的缺点：

(1)对时域和频域的同步要求高。

(2)移动场景中多普勒频移引起的频偏同样会导致ICI，需要设置合理的频率同步参数。

(3)OFDM的峰均功率比PAPR高，对功放的线性度和动态范围要求很高。

2)上行SC-FDMA多址方式

LTE上行采用单载波频分多址(SingleCarrierFrequencyDivisionMultipleAccessing，SC-FDMA)方式。上行发送只有一个数据流，首先经过速率匹配，加扰后进行比特映射和自适应调制，接着进行DFT变化，经过资源单元映射后，送入IFFT变换模块，添加CP，经过基带滤波后，送入天线端口，完成整个上行SC-FDMA的基带发送处理，如图9-11所示。图9-11LTE上行SC-FDMA方式

SC-FDMA的特点包括：

(1)受终端电池容量和成本的限制，上行需要采用峰平比(PAPR)比较低的调制技术，提高功放的效率。

(2)LTE的上行采用SC-FDMA，能够灵活实现动态频带分配，其调制是通过DFT-S-OFDM(DiscreteFourierTransformSpreadOFDM)技术实现的。

(3)DFT-S-OFDM类似于OFDM，每个用户占用系统带宽中的某一部分，占用带宽大小取决于用户的需求和系统调度结果。

(4)与传统单载波技术相比，DFT-S-OFDM中不同用户占用相互正交的子载波，用户之间不需要保护带，具有更高的频率利用效率。

2.MIMO技术

MIMO是LTE系统的重要技术，理论计算表明，信道容量随发送端和接收端最小天线数目线性增长，所有MIMO模式下信道容量大于单天线模式下的信道容量。MIMO能够更好的利用空间维度的资源、提高频谱效率。使信号在空间获得阵列增益、分集增益、复用增益和干扰抵消增益等，从而获得更大的系统容量、更广的覆盖以及更高的用户速率。

3.链路自适应技术

链路自适应技术用于解决如何通过对一条无线链路设定传输参数来控制无线链路质量波动问题。其包含功率控制和速率控制两方面。图9-12功率控制和速率控制

4.调度

LTE传输机制的核心是采用“共享信道传输”，在共享信道中，用户之间动态地分配共享时频资源。这与HSDPA采用的方法类似，只是两者对共享资源的实现上不一样：LTE是时域和频域，而HSDPA是时域和信道码。使用共享信道传输很好地匹配了分组数据对快速资源分配的要求，也使得LTE的其他关键技术的应用成为可能。调度负责在每个时间间隔内控制共享资源在各用户间的分配，它与链路自适应技术密切相关。图9-13时域和频域的下行链路信道相关调度

1)下行链路调度

为了支持下行链路调度，终端可以为网络提供信道状态报告以指示时域和频域的瞬时下行链路信道质量。

2)上行链路调度

LTE上行链路是基于不同上行链路传输的正交分割的，LTE上行调度的任务是将不同的时频资源(TDMA/FDMA)分配给不同用户。调度决策每1ms执行一次，控制在给定时间间

隔内允许哪些移动终端在小区内进行传输，并针对每个终端

控制其传输发生在哪些频率资源之上、采用何种数据速率

(数据格式)。

3)调度策略

常用的调度策略包括MaxC/I、RR(RoundRobin)、PF(ProportionalFair)和EPF(EnhancedProportionalFair)四种。上、下行调度策略的选择分别由参数决定，其中MaxC/I、RR、PF为基本调度策略，EPF为增强调度策略。

5.HARQ技术

无线信道上的信号传输可能导致差错，例如由于接收信号质量波动所引起的错误。某种程度上，这类波动可以通过链路自适应技术予以克服。然而，接收机噪声以及不期望的干扰波动是无法克服的。因此，事实上所有无线通信系统都采用了某种形式的前向纠错(ForwardErrorCorrection，FEC)编码，如卷积码、Turbo码等。FEC的基本原理是在传输信号中引入冗余，这可以通过在传输前对信息比特添加校验比特来实现(另外，也可以单独发送校验比特，这取决于所用的编码方案)。校验比特是通过采用编码结构所提供的方式进行计算获得的，因此，此时在无线信道上传输的比特数大于原始的信息比特数，从而在发射信号内引入了一定量的冗余。

9.2LTE-Advanced系统

LTE-Advanced指LTE在R10以及之后的技术版本，其在标准化过程中强调后向兼容特性，可以有效降低网络部署的成本，降低终端开发的难度。在网络结构方面，LTE-Advanced与LTE完全兼容，保证了网络结构的平滑演进，在终端技术方面，LTE-Advanced系统的引入不会对LTE终端造成影响。9.2.1载波聚合

1.技术原理

载波聚合(CarrierAggregation，CA)，即通过联合调度和使用多个成员载波(ComponentCarrier，CC)上的资源，使得LTE-Advanced系统可以支持最大100MHz的带宽，从而能够实现更高的系统峰值速率。如图9-14所示，将可配置的系统载波定义为成员载波，每个成员载波的带宽都不大于之前LTER8系统所支持的上限(20MHz)。为了满足峰值速率的要求，组合多个成员载波，允许配置带宽最高可高达100MHz，实现上下行峰值目标速率分别为500Mb/s和1Gb/s。图9-14载波聚合示意图

2.技术特点

(1)成员载波的带宽不大于LTE系统所支持的上限(20MHz)。

(2)成员载波可以频率连续，也可以非连续，可提供灵活的带宽扩展方案。

(3)支持最大100MHz带宽，系统/终端最大峰值速率可达1Gb/s。

(4)提供跨载波调度增益，包括频率选择性增益和多服务队列联合调度增益。

(5)提供跨载波干扰避免能力，频谱充裕时可以有效减少小区间干扰。

3.应用场景

载波聚合可以有效地支持处于异构网中不同类型的成员载波，使频谱资源的利用更加灵活。

成员载波有三种不同的类型：

(1)后向兼容载波：

(2)非后向兼容载波：

(3)扩展载波：9.2.2增强型MIMO

1.下行增强MIMO技术

LTER8里面引入的MIMO多天线技术下行最大支持4根天线，在LTER8/R9系统的多种下行多天线模式基础上，LTE-Advanced将支持的下行最高多天线配置扩展到8×8，下行单用户峰值速率将因此提高一倍。LTE-Advanced下行多天线技术如图9-15所示。图9-15LTE/LTE-Advanced下行MIMO

2.上行增强MIMO技术

出于对终端复杂度和成本等方面的考虑，LTER8上行仅支持用户单天线的发送。随着系统需求的提升，在LTE-Advanced中对