LTE知识简介

LTE介绍系统集成测试部LTE的历史背景LTE的主要技术指标LTE物理层的关键技术LTE物理层的传输方案总结2目录LTE的历史背景LTE的主要技术指标LTE物理层的关键技术LTE物理层的传输方案总结3目录GSM的巨大成功“得陇望蜀”。人们希望享受到更加方便快捷的移动通信服务。3G的无线性能得到了较大的提高，但在知识产权的制肘、应对市场挑战（WiMax）和满足用户需求等领域，还是有很多局限。用户的需求、市场的挑战和IPR的制肘共同推动了3GPP在4G出现之前加速制定新的空中接口和无线接入网标准。LTE(3.9G)应运而生。4LTE的产生背景5无线通信标准的演进6HSPA为支持高速业务引入的技术7HSPA的局限性3GPPLTE是一个高数据速率、低时延和基于全分组的移动通信系统，具体目标包括：频谱带宽可配置提高小区边缘传输速率高的频谱利用率低传输迟延支持多媒体广播及多播业务全分组的包交换与现有移动通信系统共存8LTE的演进目标9LTE标准化进展目前世界主要运营商Vodafone、NTT、AT&T、Verizon都已经决定采用LTE技术；WiMAX正逐步扩大影响；CDMA2000/UME的阵营进一步缩小。商用测试WorkItemStudyItemLTE2008年2月中国移动宣布测试LTE3GPPLTE项目启动3GPPLTE第一版本完成2007年10月WiMAX加入3G2007年12月3GPPLTETDD两种模式合并2006年NGMN组织成立WiMAX论坛成立200320042005200620092010200720082011~2014LTE的历史背景LTE的主要技术指标LTE物理层的关键技术LTE的物理层传输方案总结10目录需求及技术指标需求指标条件下行峰值速率100Mb/s，频谱利用率5bps/Hz20MHz上行峰值速率50Mb/s，频谱利用率2.5bps/Hz20MHz用户面延迟（单向）小于5ms空载状态（单用户数据流），小IP包的用户面延迟控制面延迟小于100ms从驻留状态到激活状态的转换时间小于50ms从睡眠状态到激活状态的迁移时间控制面容量至少支持200个激活用户5Mhz带宽小区用户吞吐量下行链路平均用户吞吐量/Mhz是R6HSDPA的3～4倍上行链路平均用户吞吐量/Mhz是R6HSUPA的2~3倍频谱利用率下行链路频谱效率是R6HSDPA的3～4倍加载网络下行链路频谱效率是R6HSUPA的2～3倍加载网络1112需求指标移动性低移动速率0~15Km/h性能优化支持更高移动速度15~120Km/h的高性能跨蜂窝网络的移动性支持120~350Km/h覆盖和容量在5km小区内，满足上述吞吐量，频谱利用率和移动性目标在30km小区内，轻微降低支持最大小区范围100Km在维持目前的站点配置不变情况下，增加小区边缘速率，改善小区边缘用户性能，提高小区容量。进一步增加的MBMS功能降低终端复杂性，MBMS采用与unicast相同的调制，编码，多用户接入方法及UE带宽同时提供专用语音和MBMS业务；在单独下行载波部署移动电视。13需求指标与3GPPRAT的共存和互操作与相邻信道的GERAN/UTRAN,在相同地理区域共存和共站址具备UTRAN/GERAN功能的E-UTRAN多模终端支持3GPPUTRAN和3GPPGERAN的测量和双向切换。支持与现有3GPP和非3GPP系统（WIMAX，CDMA2000，WLAN）的互操作。E-UTRAN与UTRAN之间的实时业务切换业务中断时间小于300ms网络架构和变迁LTE采用基于分组域的扁平all-IP的网络架构，取消CS（电路交换）域，CS域的业务在PS（包交换）域实现。支持增强的IMS（IP多媒体子系统）14LTE网络结构eNBEPCS1S1X2EUTRANeNB整个TD-LTE系统由核心网（EPC）、基站（eNodeB）和用户设备（UE）3部分组成。其中，EPC（EvolvedPacketCore）负责核心网部分，EPC信令处理部分称MME，数据处理部分称为SAEGateway(S-GW)；eNodeB负责接入网部分，也称E-UTRAN；UE指用户终端设备。如上图，eNodeB与EPC通过S1接口连接；eNodeB之间通过X2接口连接；eNodeB与UE通过Uu接口连接。和UMTS相比，由于NodeB和RNC融合为网元eNodeB,所以TD-LTE少了Iub接口。X2接口类似于Iur接口，S1接口类似于Iu接口，但有较大简化。eNB的功能包括：RRM功能；IP头压缩及用户数据流加密；UE附着时的MME选择；寻呼信息的调度传输；广播信息的调度传输；以及设置和提供eNB的测量等。MME的功能包括：寻呼消息发送；安全控制；Idle态的移动性管理；SAE承载管理；以及NAS信令的加密及完整性保护等。S-GW的功能包括：数据的路由和传输，以及用户面数据的加密。15LTE网络结构16S1接口的协议结构SCTPIPDatalinklayerS1-APPhysicallayerRadioNetworkLayerTransportNetworkLayerControlPlaneRadioNetworkLayerUDPIPDatalinklayerPhysicallayerTransportNetworkLayerGTP-UUserPlaneS1-MMES1-UUserPlanePDUsS1接口物理层协议(TS36.411)S1接口信令传输协议(TS36.412)S1接口应用协议(TS36.413)S1接口数据传输协议(TS36.414)17S1接口的规范18X2接口的协议结构X2-APTransportNetworkLayerUserTransportNetworkPlaneControlPlaneUserPlaneTransportUserNetworkPlaneRadioNetworkLayerGTP-UUDPIPDatalinklayerPhysicallayerUserPlanePDUsSCTPIPDatalinklayerPhysicallayerX2接口物理层协议(TS36.421)X2接口信令传输协议(TS36.422)X2接口应用协议(TS36.423)X2接口数据传输协议(TS36.424)19X2接口的规范20Uu接口控制平面NASRRCPDCPRLCMACPHYRRCPDCPRLCMACPHYNASeNBUEMME21Uu接口用户平面PDCPRLCMACPHYPDCPRLCMACPHYeNBUELTE的历史背景LTE的主要技术指标LTE物理层的关键技术移动传播环境LTE的物理层传输方案总结22目录无线通信成为富有挑战性又能引起研究人员兴趣的课题。衰落现象：大尺度衰落、小尺度衰落干扰：上行链路干扰、下行链路干扰、小区间干扰核心问题：在无线环境恶劣、频谱资源有限的条件下，如何设计通信系统实现多用户、高速度、高质量的数据传输。23无线通信核心问题电磁波的传播特性反射：电磁波在不同性质介质的交界处，会有一部分发生反射。绕射：接收机和发射机之间的无线路径被尖利的边缘阻挡时会发生绕射。散射：电磁波照射到粗糙的物体表面会发生散射。24反射绕射散射25无线信道的衰落当移动台运动的距离与小区尺寸相当时，会出现通常与频率无关的大尺度衰落。由随距离而变化的信号路径损耗和由建筑物、山脉等大型障碍物的阴影造成的。大尺度衰落通常与基站规划之类的问题关系密切。26大尺度衰落小尺度衰落频率选择性衰落:设备接收端采用时域均衡技术，其复杂度和传输速率有关，成指数递增。时间选择性衰落空间选择性衰落27小尺度衰落多径传播用功率时延谱（PDP）表征无线信道的多径特性。1/2cdWT28DirectWave010229多径衰落30频率选择性衰落多普勒频移（时变性）t1时刻t2时刻t3时刻t1时刻t2时刻t3时刻t1时刻t2时刻t3时刻mcvffc14cmTf31静止运动多普勒频移相干时间多普勒功率谱表征无线信道的时变特征32多普勒频移33空间选择性（MIMO）极化方向，角度扩展（功率角度谱），到达或离开角，相干距离表征空间相关性。LTE的历史背景LTE的主要技术指标LTE物理层的关键技术OFDM,MIMO技术LTE物理层的传输方案LTE的网络架构总结34目录多址接入方案下行OFDMA上行SC-FDMA下行MIMO技术小区搜索技术&同步技术上行随机接入&上行同步控制链路自适应技术HARQ技术功率控制35LTE系统物理层关键技术多载波技术—OFDM高传输速率要求大带宽，面临无线信道的频率选择性问题。传统解决方案：GSM中的时域均衡技术，CDMA系统中的RAKE接收。随着带宽增大以上方案的复杂度将变得难以接受。OFDM将高速的符号流分解为多路并行的低速符号流，在多个子载波上并行传输。支持大带宽，带宽配置灵活，实现简单，频域均衡算法简单。36OFDM（OrthogonalFrequencyDivisionMultiple）基本原理：把高速的数据流串/并转换为多个低速的数据流，在多个子载波上进行传输，并行子载波上的符号周期变长，从而降低多径时延的影响，减少码间干扰OFDM的数据速率与子载波的数量有关，增加子载波数目就能提高数据的传送速率。OFDM的子载波互相正交，扩频调制后的频谱可以相互重叠，从而减少了子载波间的相互干扰，同时也提高了频谱利用率。通过采用循环前缀作为保护间隔，无线的OFDM系统中几乎可以完全消除码间干扰。OFDM可以利用IDFT/DFT实现调制和解调，易于DSP实现。37OFDM技术多天线技术-MIMOMIMO:在发送和接收端同时使用多天线。MIMO系统可利用丰富的散射径，在不增加系统带宽的前提下，大幅度改善系统性能（提高速率或可靠性）。MIMO系统信道容量的增长与天线数目大致成线性关系。38MIMO（MultipleInputMultipleOutput）基本原理：MIMO信道从理论上相对于SISO信道可以成倍的增加信道容量，而且不额外增加频谱和功率资源。而真正实现潜在的MIMO容量，需要相应的信号处理技术，这些信号处理技术统称为MIMO技术。MIMO技术包括空间复用技术和空间分级技术。空间复用技术可以大大的提高系统的吞吐量，BLAST算法空间分集技术则是提高信道的可靠性，降低BER，空时编码39MIMO技术MIMO+OFDMMIMO技术能提高传输的可靠性或提高系统容量。OFDM技术较容易支持大带宽，实现简单，频谱利用率高，均衡简单。MIMO-OFDM技术，可用资源丰富：空域，频域，时域，功率。实现相对简单(可对每个载波分别频域均衡，简化了频率选择性MIMO的均衡算法)40子载波数目时，承载的数据为，四个载波独立的波形和迭加后的信号41OFDM信号的时域特点4N(1,1,1,1)d00.10.20.30.40.50.60.70.80.91-4-3-2-10123442OFDM信号的频谱结构43MIMO+OFDM峰均比（PAPR）原因：OFDM信号在时域是多个子载波信号的叠加LTE上行采用SC-FDMA传输方案符号间干扰（ISI）原因1：无线信道多径（通过CP解决）原因2：符号同步偏差（通过帧定时同步解决）子载波间干扰（ICI）原因1：无线信道的时变性设计合理的子载波间隔，多普勒分集技术原因2：设备的频率偏差：载波频率偏差&采样频率偏差载波同步，采样同步（晶振同源时，联合同步）44OFDM的关键问题OFDM中GP×GP（空等的方式）用于OFDM系统的效果消除了OFDM的符号间干扰导致了每OFDM符号内部的子载波间干扰！保护时间FFT积分时间子载波1延迟的子载波2OFDM符号周期子载波2对子载波1的干扰部分45OFDM符号的循环前缀结构46CP的产生保护时间F