LTE知识集锦-看完你也成大神(上)

史上最强悍的LTE知识集锦，看完你也成大神(上）2014-08-26网优雇佣军网优雇佣军微信号：hr_opt通信路上，我们一起走！▊1为什么要从3G向LTE演进？LTE(LongTermEvolution)是指3GPP组织推行的蜂窝技术在无线接入方面的最新演进，对应核心网的演进就是SAE（SystemArchitectureEvolution）。之所以需要从3G演进到LTE，是由于近年来移动用户对高速率数据业务的要求，同时新型无线宽带接入系统的快速发展，如WiMax的出现，给3G系统设备商和运营商造成了很大的压力。在LTE系统设计之初，其目标和需求就非常明确：降低时延、提高用户传输数据速率、提高系统容量和覆盖范围、降低运营成本：●显著的提高峰值传输数据速率，例如下行链路达到100Mb/s，上行链路达到50Mb/s；●在保持目前基站位置不变的情况下，提高小区边缘比特速率；●显著的提高频谱效率，例如达到3GPPR6版本的2~4倍；●无线接入网的时延低于10ms；●显著的降低控制面时延（从空闲态跃迁到激活态时延小于100ms（不包括寻呼时间））；●支持灵活的系统带宽配置，支持1.4MHz、3MHz、5MHz、10MHz、15MHz、20MHz带宽，支持成对和非成对频谱；●支持现有3G系统和非3G系统与LTE系统网络间的互连互通；●更好的支持增强型MBMS；●系统不仅能为低速移动终端提供最优服务，并且也应支持高速移动终端，能为速度350km/h的用户提供100kbps的接入服务；●实现合理的终端复杂度、成本、功耗；●取消CS域，CS域业务在PS域实现，如VOIP；▊2LTE扁平网络架构是什么？●LTE的接入网E-UTRAN由eNodeB组成，提供用户面和控制面；●LTE的核心网EPC(EvolvedPacketCore)由MME，S-GW和P-GW组成；●eNodeB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eNodeB与核心网EPC。其中，S1-MME是eNodeB连接MME的控制面接口，S1-U是eNodeB连接S-GW的用户面接口；▊3相对于3G来说，LTE采用了哪些关键技术●采用OFDM技术◇OFDM（OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing）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(InverseFastFourierTransform)实现的。由于子载波带宽较小（15kHz），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；◇下行多址接入技术OFDMA，上行多址接入技术SC-FDMA(SingleCarrier-FDMA)；●采用MIMO(Multiple-InputMultipleOutput)技术◇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(Single-User-MIMO)模式或者多用户MU-MIMO(Multiple-User-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。◇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。●调度和链路自适应◇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址干扰。在LTE系统中，上下行均采用正交的OFDM技术对多用户进行复用。因此，功控主要用来降低对邻小区上行的干扰，补偿链路损耗，也是一种慢速的链路自适应机制。●小区干扰控制◇LTE系统中，系统中各小区采用相同的频率进行发送和接收。与CDMA系统不同的是，LTE系统并不能通过合并不同小区的信号来降低邻小区信号的影响。因此必将在小区间产生干扰，小区边缘干扰尤为严重。◇为了改善小区边缘的性能，系统上下行都需要采用一定的方法进行小区干扰控制。目前正在研究方法有：1）干扰随机化：被动的干扰控制方法。目的是使系统在时频域受到的干扰尽可能平均，可通过加扰，交织，跳频等方法实现；2）干扰对消：终端解调邻小区信息，对消邻小区信息后再解调本小区信息；或利用交织多址IDMA进行多小区信息联合解调；3）干扰抑制：通过终端多个天线对空间有色干扰特性进行估计和抑制，可以分为空间维度和频率维度进行抑制。系统复杂度较大，可通过上下行的干扰抑制合并IRC实现；4）干扰协调：主动的干扰控制技术。对小区边缘可用的时频资源做一定的限制。这是一种比较常见的小区干扰抑制方法；▊4OFDM基本原理OFDM也是一种频分复用的多载波传输方式，只是复用的各路信号(各路载波)是正交的。OFDM技术也是通过串/并转换将高速的数据流变成多路并行的低速数据流，再将它们分配到若干个不同频率的子载波上的子信道中传输。不同的是OFDM技术利用了相互正交的子载波，从而子载波的频谱是重叠的，而传统的FDM多载波调制系统中子载波间需要保护间隔，从而OFDM技术大大的提高了频谱利用率。●OFDM系统优点：◇通过把高速率数据流进行串并转换，使得每个子载波上的数据符号持续长度相对增加，从而有效地减少由于无线信道时间弥散所带来地ISI，进而减少了接收机内均衡器地复杂度，有时甚至可以不采用均衡器，而仅仅通过插入循环前缀地方法消除ISI的不利影响。◇OFDM技术可用有效的抑制无线多径信道的频率选择性衰落。因为OFDM的子载波间隔比较小，一般的都会小于多径信道的相关带宽，这样在一个子载波内，衰落是平坦的。进一步，通过合理的子载波分配方案，可以将衰落特性不同的子载波分配给同一个用户，这样可以获取频率分集增益，从而有效的克服了频率选择性衰落。◇传统的频分多路传输方法是将频带分为若干个不相交的子频带来并行传输数据流，各个子信道之间要保留足够的保护频带。而OFDM系统由于各个子载波之间存在正交性，允许子信道的频谱相互重叠，因此于常规的频分复用系统相比，OFDM系统可以最大限度的利用频谱资源。◇各个子信道的正交调制和解调可以分别通过采用IDFT(InverseDiscreteFourierTransform)和DFT实现，在子载波数很大的系统中，可以通过采用IFFT(InverseFastFourierTransform)和FFT实现，随着大规模集成电路技术和DSP技术的发展，IFFT和FFT都是非常容易实现的。◇无线数据业务一般存在非对称性，即下行链路中的数据传输量大于上行链路中的数据传输量，这就要求物理层支持非对称的高速率数据传输，OFDM系统可以通过使用不同数量的子信道来实现上行和下行链路中不同的传输速率。●OFDM系统缺点：◇易受频率偏差的影响。由于子信道的频谱相互覆盖，这就对他们之间的正交性提出了严格的要求，无线信道的时变性在传输过程中造成了无线信号频谱偏移，或发射机与接收机本地振荡器之间存在频率偏差，都会使OFDM系统子载波之间的正交性遭到破坏，导致子信道间干扰（ICI，Inter-ChannelInterference），这种对频率偏差的敏感性是OFDM系统的主要缺点之一。◇存在较高的峰值平均功率比。多载波系统的输出是多个子信道信号的叠加，因此如果多个信号的相位一致时，所得到的叠加信号的瞬时功率就会远远高于信号的平均功率，导致较大的峰值平均功率比（PAPR，Peak-to-AveragepowerRatio），这就对发射机内放大器的线性度提出了很高的要求，因此可能带来信号畸变，使信号的频谱发生变化，从而导致各个子信道间的正交性遭到破坏，产生干扰，使系统的性能恶化。▊5单用户MIMO(SU-MIMO)和多用户MIMO(MU-MIMO)区别单用户MIMO：占用相同时频资源的多个并行的数据流发给同一个用户或从同一个用户发给基站称为单用户MIMO；如下图所示：多用户MIMO：占用相同时频资源的多个并行的数据流发给不同用户或不同用户采用相同时频资源发送数据给基站，称为多用户MIMO，也称虚拟MIMO。如下图所示：当前LTE考虑终端的实现复杂性，因此上行只支持多用户MIMO，也就是虚拟MIMO。▊6LTE上行为什么要采用SC-FDMA技术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。最终3GPP决定在上行采用单载波频分复用技术SC-FDMA中的频域实现方式DFT-S-OFDM。可以看出与OFDM不同的是在调制之前先进行了DFT的转换，这样最终发射的时域信号会大大减小PAPR。这种处理的缺点就是增加了射频调制的复杂度。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。▊7为什么说OFDM技术容易和MIMO技术结合MIMO技术的关键是有效避免天线之间的干扰，以区分多个并行数据流。众所周知，在水平衰落信道中可以实现更简单的MIMO接收。而在频率选择性信道中，由于天线间干扰和符号间干扰混合在一起，很难将MIMO接收和信道均衡分开处理。如果采用将MIMO接收和信道均衡混合处理的MIMO接收均衡的技术，则接收机会比较复杂。因此，由于每个OFDM子载波内的信道(带宽只有15KHz)可看作水平衰落信道，MIMO系统带来的额外复杂度可以控制在较低的水平（随天线数量呈线性增加）。相对而言，单载波MIMO系统的复杂度与天线数量和多径数量的乘积的幂成正比，很不利于MIMO技术的应用。▊8LTEFDD和TDD帧结构是什么？LTEFDD的帧结构如下图所示，帧长10ms，包括20个时隙(slot)和10个子帧(subframe)。每个子帧包括2个时隙。LTE的TTI为1个子帧1ms。LTETDD的帧结构如下图所示，帧长10ms，分为两个长为5ms的半帧，每个半帧包含8个长为0.5ms的时隙和3个特殊时隙（域）：DwPTS(DownlinkPilotTimeSlot)、GP(GuardPeriod)和UpPTS(UplinkPilotTimeSlot)。DwPTS和UpPTS的长度是可配置的，但是DwPTS、UpPTS和GP的总长度为1ms。子帧1和6包含DwPTS，GP和UpPTS；子帧0和子帧5只能用于下行传输。支持灵活的上下行配置，支持5ms和10ms的切换点周期。▊9LTE中RB、RE及子载波概念子载波：LTE采用的是OFDM技术，不同于WCDMA采用的扩频技术，每个symbol占用的带宽都是3.84M，通过扩频增益来对抗干扰。OFDM则是每个Symbol都对应一个正交的子载波，通过载波间的正交性来对抗干扰。协议规定，通常情况下子载波间隔15khz，NormalCP(CyclicPrefix)情况下，每个子载波一个slot有7个symbol；ExtendCP情况下，每个子载波一个slot有6个symbol。下图给出的是常规CP情况下的时频结构，从竖的的来看，每一个方格对应就是频率上一个子载波。RB(ResourceBlock)：频率上连续12个子载波，时域上一个