LTE概述与基本原理.ppt

2014年6月,LTE概述及基本原理,LTE基本原理,第一节：LTE背景及基础知识介绍 第二节：LTE网络架构及协议栈介绍 第三节：LTE物理层结构介绍 第四节：LTE空口关键技术介绍 第五节：LTE硬件演进方案,移动通信系统的发展趋势,移动互联网发展驱动新一轮通信技术变革,什么是LTE？ 长期演进LTE (Long Term Evolution)是3GPP主导的无线通信技术的演进。 接入网将演进为E-UTRAN (Evolved UMTS Terrestrial Radio Access Network)。连同核心网的系统架构将演进为SAE (System Architecture Evolution)。,LTE的设计目标 带宽灵活配置：支持1.4MHz, 3MHz, 5MHz, 10Mhz, 15Mhz, 20MHz 峰值速率(20MHz带宽）：下行100Mbps，上行50Mbps 控制面延时小于100ms，用户面延时小于5ms 能为速度350km/h的用户提供100kbps的接入服务 支持增强型MBMS（E-MBMS） 取消CS域，CS域业务在PS域实现，如VOIP 系统结构简单化，低成本建网,LTE背景介绍,3GPP的目标是打造新一代无线通信系统，超越现有无线接入能力，全面支撑高性能数据业务的，“确保在未来10年内领先”。,移动通信技术的演进路线,中国移动 TD-LTE 中国电信 TD-LTE or LTE-FDD ？ 中国联通 LTE-FDD,2G,2.5G,2.75G,3G,3.5G,3.75G,3.9G,GPRS,EDGE,HSDPA R5,HSUPA R6,MBMS,4G,MBMS,CDMA 2000 1X EV-DO,802.16 e,802.16 m,HSDPA,HSPA+ R7,FDD/ TDD,4G,GSM,TD- SCDMA,WCDMA R99,802.16 d,CDMA IS95,CDMA 2000 1x,LTE,EV-DO Rev. A,EV-DO Rev. B,HSUPA,HSPA+ R7,LTE- Advanced,LTE的扁平化网络架构,网络结构扁平化,E-UTRAN只有一种节点网元E-Node B,全IP,RNC+NodeB=eNodeB,SAE简介 系统架构演进SAE（System Architecture Evolution），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： 功能平扁化，去掉RNC的物理实体，把部分功能放在了E-NodeB，以减少时延和增强调度能力（如，单站内部干扰协调，负荷均衡等，调度性能可以得到很大提高） 把部分功能放在了核心网，加强移动交换管理，采用全IP技术，实行用户面和控制面分离。同时也考虑了对其它无线接入技术的兼容性。,LTE背景介绍,LTE需求及目标,1.4MHz-20MHz 可变带宽,带宽需求,降低传输时延 用户面延迟（单 向）小于5ms 控制面延迟小于 100ms,5km内的小区半径优化 5km到30km：可接受的 性能下降 支持100km范围的小区,传输时延,数据速率,覆盖范围,建网成本,更高的带宽，更大的容量 更高的数据传输速率 更低的传输时延 更低的运营成本,对0到15km/h的低 速环境优化 对15到120km/h保 持高性能 对120到350甚至 500km/h保持连接,移动性支持,上行峰值速率50Mbps 下行峰值速率100Mbps 频谱效率达到3GPP R6 的2-4倍 提高小区边缘用户的数据 传输速率,LTE系统物理层基础,基本参数 系统架构,双工方式,调制编码,多址方案,基本参数设计,调制方式： 上行：BPSK、QPSK、8PSK和16QAM 下行 ：QPSK、16QAM、64QAM,FDD：抗干扰性更好，芯片成熟，支持更高移动速度 TDD：不需对称频段，更好 的支持非对称的业务,下行：OFDMA 频谱效率高，有效对抗多径 上行：SC-FDMA PAPR较低，功放成本低,时隙长度为0.5ms,编码方式：Turbo,FDD与TDD参数统一,对延迟要求高,FDD和TDD的差异主要来自于双工方式的差异 主要存在于物理层，且相对于3G，差异进一步缩小（小于20） 很方便FDD/TDD 双模和共芯片等,LTE支持频段,TDD模式支持频段（9个）,FDD模式支持频段（19个）,大连目前使用3个频段，共4个频点： F（1880-1920MHZ）、D（2570-2620MHZ）、E（2300-2400MHZ） 频点一般使4个频点，宏站使用1890、2585，室分主要使用2360，偶尔使用2340，以新建基站为主，3G基站升级为辅 支持多种带宽配置，协议规定以下带宽配置：1.4MHz, 3MHz, 5MHz, 10MHz, 15MHz, 20MHz 部分频段的支持情况可能会有所变动,室外TD-LTE可能应用的频段,TD-LTE室外应用可能使用F和D频段,与TD-S通过合路方式共天馈的前提：更换或新建FAD天线 （现有TD-S天面需更换天线，新建站点需部署FAD天线）,TD-SCDMA F频段室外设备已明确要求具备同TD-LTE共模能力,F频段,D频段,TDD技术演进,LCR,N频点,HSDPA,多载波 HSDPA,HSUPA,MBMS,HSPA+,3GPP R4,3GPP R5,3GPP R6,3GPP R7,3GPP R8,3GPP的TDD标准演进,业务能力：单载波上行2.2Mbps,业务能力：单载波下行7.2Mbps,业务能力：三载波下行8.4Mbps,多媒体广播：下行最高384kbps,业务能力：单载波下行2.8Mbps,提升整网频谱效率,电路域可视电话 分组域下行384kpbs,TD-LTE,3GPP R10,TD-LTE-A,业务能力：下行1Gbps,3GPP R9,eMBMS,增强多媒体广播：下行最高384kbps？,HeNB,双流BF,LTE基本原理,LTE基本原理,第一节：LTE背景及基础知识介绍 第二节：LTE网络架构及协议栈介绍 第三节：LTE物理层结构介绍 第四节：LTE空口关键技术介绍 第五节：LTE硬件演进方案,LTE的网络架构,LTE的主要网元 LTE的接入网E-UTRAN由e-NodeB组成，提供用户面和控制面。 LTE的核心网EPC由MME，S-GW和P-GW组成。 LTE的网络接口 e-NodeB间通过X2接口相互连接，支持数据和信令的直接传输。 S1接口连接e-NodeB与核心网EPC。其中，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。,RRC: Radio Resource Control PDCP: Packet Data Convergence Protocol RLC: Radio Link Control MAC: Medium Access Control PHY: Physical layer EPC: Evolved Packet Core MME: Mobility Management Entity S-GW: Serving Gateway P-GW: PDN Gateway,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-Access Stratum)非接入层信令的加密和完整性保护； AS (Access Stratum)接入层安全性控制、空闲状态移动性控制； EPS (Evolved Packet System)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。,LTE的协议栈介绍,LTE协议栈的两个面： 用户面协议栈：负责用户数据传输 控制面协议栈：负责系统信令传输 用户面的主要功能： 头压缩 加密 调度 ARQ/HARQ,用户面协议栈,控制面协议栈,控制面的主要功能： RLC和MAC层功能与用户面中的功能一致 PDCP层完成加密和完整性保护 RRC层完成广播，寻呼，RRC连接管理，资源控制，移动性管理，UE测量报告控制 NAS层完成核心网承载管理，鉴权及安全控制,无线帧结构（1）,LTE共支持两种无线帧结构： 类型1，适用于频分双工FDD 类型2，适用于时分双工TDD FDD类型无线帧结构： FDD类型无线帧长10ms，如下图所示。每帧含有20个时隙，每时隙为0.5ms。普通CP配置下，一个时隙包含7个连续的OFDM符号（Symbol）,FDD类型无线帧结构,资源块的概念： LTE具有时域和频域的资源，资源分配的最小单位是资源块RB（Resource Block），RB由RE（Resource Element）组成，如右图示 RE是二维结构，由时域符号（Symbol）和频域子载波（Subcarrier）组成 1个时隙（连续7个OFDM符号）和12个连续子载波组成一个RB,TDD类型无线帧结构： 同样采用OFDM技术，子载波间隔和时间单位均与FDD相同。 帧结构与FDD类似，每个10ms帧由10个1ms的子帧组成；子帧包含2个0.5ms时隙。 10ms帧中各个子帧的上下行分配策略可以设置。如右边表格所示。,DL/UL子帧分配,DwPTS: Downlink Pilot Time Slot GP: Guard Period UpPTS: Uplink Pilot Time Slot,TDD类型无线帧结构,D: Downlink subframe U: Uplink subframe S: Special subframe,无线帧结构（2）,LTE基本原理,LTE基本原理,第一节：LTE背景及基础知识介绍 第二节：LTE网络架构及协议栈介绍 第三节：LTE物理层结构介绍 第四节：LTE空口关键技术介绍 第五节：LTE硬件演进方案,物理层过程小区搜索,小区搜索（Cell Search）基本原理： 小区搜索是UE实现与E-UTRAN下行时频同步并获取服务小区ID的过程。 小区搜索分两个步骤： 第一步：UE解调主同步信号实现符号同步，并获取小区组内ID； 第二步：UE解调次同步信号实现帧同步，并获取CP长度和小区组ID。,关于Cell ID： LTE协议规定物理层Cell ID分为两个部分：小区组ID（Cell Group ID）和组内ID（ID within Cell Group）。目前最新协议规定物理层小区组有168个，每个小区组由3个ID组成，因此共有168*3=504个独立的Cell ID 其中 代表小区组ID，取值范围0167； 代表组内ID，取值范围02,初始化小区搜索（Initial Cell Search）： UE上电后开始进行初始化小区搜索，搜寻网络。一般而言，UE第一次开机时并不知道网络的带宽和频点。 UE会重复基本的小区搜索过程，历遍整个频谱的各个频点尝试解调同步信号。这个过程耗时，但一般对此的时间要求并不严格。可以通过一些方法缩短以后的UE初始化时间，如UE储存以前的可用网络信息，开机后优先搜索这些网络。 一旦UE搜寻到可用网络并与网络实现时频同步，获得服务小区ID，即完成小区搜索后，UE将解调下行广播信道PBCH，获取系统带宽、发射天线数等系统信息。 完成上述过程后，UE解调下行控制信道PDCCH，获取网络指配给这个UE的寻呼周期。然后在固定的寻呼周期中从IDLE态醒来解调PDCCH，监听寻呼。如果有属于该UE的寻呼，则解调指定的下行共享信道PDSCH资源，接收寻呼。,物理层过程随机接入,随机接入（Random Access）基本原理： 随机接入是UE与E-UTRAN实现上行时频同步的过程。 随机接入前，物理层应该从高层接收到下面的信息： 随机接入信道PRACH参数：PRACH配置，频域位置，前导（preamble）格式等； 小区使用preamble根序列及其循环位移参数，以解调随机接入preamble。 物理层的随机接入过程包含两个步骤： UE发送随机接入preamble； E-UTRAN对随机接入的响应。,随机接入的具体过程： 高层请求发送随机接入preamble，继而触发物理层随机接入过程； 高层在请求中指示preamble index， preamble目标接收功率，相关的RA-RNTI，以及随机接入信道的资源情况等信息； UE决定随机接入信道的发射功率为preamble的目标接收功率+路径损耗。发射功率不超过UE最大发射功率，路径损耗为UE通过下行链路估计的值； 通过preamble index选择preamble序列； UE以计算出的发射功率，用所选的preamble序列，在指定的随机接入信道资源中发射单个preamble ； 在高层设置的时间窗内，UE尝试侦测以其RA-RNTI标识的下行控制信道PDCCH。如果侦测到，则相应的下行共享信道PDSCH则传往高层，高层从共享信道中解析出20位的响应信息。,随机接入信道,随机接入前导,下行控制信道,随机接入响应,RA-RNTI: Random Access Radio Network Temporary Identifier,物理层过程功率控制,功率控制（Power Control）基本原理： 下行功控决定了每个RE（Resource Element）上的能量EPRE（Energy per Resource Element）； 上行功控决定了每个DFT-S-OFDM（上行SC-FDMA的复用调制方式）符号上的能量。,上行功控： 上行功控的方式有开环功控和闭环功控两种。 可以通过X2接口交换各小区的过载指示OI（Overload Indicator）实现小区间的集中式功控，使得功控有可能提升整个系统的性能。 上行功控可以分别控制PUSCH，PUCCH，PRACH和Sounding RS。各种信道/信号的功控大同小异，以PUSCH功控为例： PUSCH功控为慢速功控，补偿路径损耗和阴影衰落，以及控制小区间干扰。功控的原理如上式。影响PUSCH的发射功率PPUSCH的因素有UE最大发射功率PMAX，UE分配的资源MPUSCH，初始发射功率PO_PUSCH，估计路径损耗PL，调制编码因子TF，系统调整因子f（开环功控时f不起作用）,下行功控： 下行RS一般以恒定功率发射，下行共享信道PDSCH的发射功率是与RS发射功率成一定比例的。 下行功控根据UE上报的CQI与目标CQI的对比，调整下行发射功率。,EPRE: Energy per Resource Element DFT-SOFDM: Discrete Fourier Transform Spread OFDM,第一章：LTE基本原理,第一章：LTE基本原理,第一节：LTE背景及基础知识介绍 第二节：LTE网络架构及协议栈介绍 第三节：LTE物理层结构介绍 第四节：LTE空口关键技术介绍 第五节：LTE硬件演进方案,双工技术,TDD方式上下行频率相同 可用于任何频段 适合于上下行非对称及对称业务 FDD方式上下行频率配对 需要成对频段 适合于上下行对称业务； LTE包括TDD-LTE 和 FDD-LTE,OFDM概述,区别于3G的关键技术，正交频分复用技术，多载波调制的一种。将一个宽频信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到每个子信道上进行传输。,宽频信道,正交子信道,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 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” 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,概述 OFDM （Orthogonal Frequency Division Multiplexing）属于调制复用技术，它把系统带宽分成多个的相互正交的子载波，在多个子载波上并行数据传输。 各个子载波的正交性是由基带IFFT实现的。多径时延将导致符号间干扰ISI，破坏子载波之间的正交性。为此，在OFDM符号间插入保护间隔，通常采用循环前缀CP来实现。,OFDM的意义 OFDM具有很多能满足E-UTRAN需求的优点，是B3G和4G的核心技术之一。因此在3GPP制定LTE标准的过程中，OFDM技术被采纳并写入标准中。 OFDM是一种调制复用技术，相应的多址接入技术为OFDMA，用于LTE的下行。OFDMA其实是TDMA和FDMA的结合。 相对应，LTE的上行采用SC-FDMA多址接入技术，其调制复用是通过DFT-Spread-OFDM实现的。,OFDM概述,OFDM与OFDMA的比较,LTE多址方式-下行,将传输带宽划分成一系列正交的子载波资源，将不同的子载波资源分配给不同的用户实现多址。因为子载波相互正交，所以小区内用户之间没有干扰。,峰均比示意图,下行多址方式OFDMA,下行多址方式特点,同相位的子载波的波形在时域上直接叠加。因子载波数量多，造成峰均比(PAPR)较高，调制信号的动态范围大，提高了对功放的要求。,频率,时间,用户A,用户B,用户C,子载波,在这个调度周期中，用户A是分布式，用户B是集中式,LTE多址方式-上行,和OFDMA相同，将传输带宽划分成一系列正交的子载波资源，将不同的子载波资源分配给不同的用户实现多址。注意不同的是：任一终端使用的子载波必须连续,上行多址方式SC-FDMA,上行多址方式特点,考虑到多载波带来的高PAPR会影响终端的射频成本和电池寿命，LTE上行采用Single Carrier-FDMA （即SC-FDMA）以改善峰均比。 SC-FDMA的特点是，在采用IFFT将子载波转换为时域信号之前，先对信号进行了FFT转换，从而引入部分单载波特性，降低了峰均比。,频率,时间,用户A,用户B,用户C,子载波,在任一调度周期中，一个用户分得的子载波必须是连续的,多路信道传输同样信息,多路信道同时传输不同信息,多路天线阵列赋形成单路信号传输,包括时间分集，空间分集和频率分集 提高接收的可靠性和提高覆盖 适用于需要保证可靠性或覆盖的环境,理论上成倍提高峰值速率 适合密集城区信号散射多地区，不适合有直射信号的情况,波束赋形（Beamforming）,发射分集,分集合并,通过对信道的准确估计，针对用户形成波束，降低用户间干扰 可以提高覆盖能力，同时降低小区内干扰，提升系统吞吐量,空间复用,多天线技术：分集、空间复用和波束赋形,下行MIMO LTE下行支持MIMO技术进行空间维度的复用。空间复用支持单用户SU-MIMO模式或者多用户MU-MIMO模式。 SU-MIMO和MU-MIMO都支持通过Pre-coding的方法来降低或者控制空间复用数据流之间的干扰，从而改善MIMO技术的性能。 SU-MIMO中，空间复用的数据流调度给一个单独的用户，提升该用户的传输速率和频谱效率。MU-MIMO中，空间复用的数据流调度给多个用户，多个用户通过空分方式共享同一时频资源，系统可以通过空间维度的多用户调度获得额外的多用户分集增益。,上行MIMO 受限于终端的成本和功耗，实现单个终端上行多路射频发射和功放的难度较大。因此，LTE正研究在上行采用多个单天线用户联合进行MIMO传输的方法，称为Virtual-MIMO 调度器将相同的时频资源调度给若干个不同的用户，每个用户都采用单天线方式发送数据，系统采用一定的MIMO解调方法进行数据分离。 采用Virtual-MIMO方式能同时获得MIMO增益以及功率增益（相同的时频资源允许更高的功率发送），而且调度器可以控制多用户数据之间的干扰。同时，通过用户选择可以获得多用户分集增益。,MIMO技术,MU-MIMO,Virtual-MIMO,MIMO容量,发射天线数为Nt 接收天线数为Nr,等功率分配MIMO系统容量,注水分配,等功率分配算法的优点是发射端不需要已知信道矩阵，因而不用发射检验序列来估计信道矩阵，也不必使用反馈信道。对于已知发射端信道参数的MIMO信道，可用注水原理来分配各个发射天线的功率。 根据注水原理，通过给各个天线分配不同的发射功率，可以增加系统的信道容量。对于条件较好的信道，分配较多的功率；条件较差的可分配较少功率，甚至不分配功率。,注水功率分配时MIMO信道容量为：,最优功率分配注水原理,简化注水功率分配MIMO信道容量为：,MIMO与OFDM技术结合,第 35 页,OFDM能使无线信道的抗频率选择性衰落性能得到极大的提高，但是对提高通信系统容量的能力有限。,MIMO采用空间复用技术，可以在理论上对系统容量无限提高，可以弥补OFDM在系统容量方面的不足,MIMO-OFDM技术可以使系统性能得到极大地改善，提高系统的频谱效率和抗衰落能力。,用户复用和调度 LTE可以支持较大的系统带宽（10/15/20MHz），通常会面临频率选择性衰落的问题。某用户的子载波在相干带宽内的衰落特性可以认为是相同的，但更远的子载波上的衰落特性就不相同了。 如果知道各个用户在各个子载波上的衰落特性，则可以为不同的用户尽量选择条件比较好的子载波进行数据传输，从而使得绝大部分用户的传播条件比较好，实现多用户分集增益，提高频谱效率。 相干带宽内的子载波具有近似的衰落值，可以把相邻的一些子载波划成一个子带Subband，以子带为单位进行调度。接收方在一定的时间内针对每个子带反馈一个信号质量指示，而无需对每个子载波进行反馈，减少信令开销。 LTE的调度周期可以为一个或多个TTI长度。 为了在频域调度获得多用户分集增益，发射端必须知道所有用户在所有子载波上的瞬时衰落值，FDD系统上下行衰落不一致，必须通过反向链路将信道信息回传给发射端，这些信道质量指示均为额外开销，占用资源越少越好。,调度和链路自适应,链路自适应 LTE支持时间和频率两个维度的链路自适应，根据时频域信道质量信息对不同的时频资源选择不同的调制编码方式。 功率控制在CDMA系统中是一项重要的链路自适应技术，可以避免远近效应带来的多