TD LTE基本原理

TDLTE基本原理天元学院培训部-LuYanping目录12345LTE网络结构LTE关键技术LTE空口技术LTE系统消息及测量LTE背景介绍LTE背景介绍什么是LTE？•长期演进LTE(LongTermEvolution)是3GPP主导的无线通信技术的演进；•接入网将演进为E-UTRAN(EvolvedUMTSTerrestrialRadioAccessNetwork)，连同核心网的系统架构将演进为SAE(SystemArchitectureEvolution)。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。目录12345LTE网络结构LTE关键技术LTE空口技术LTE系统消息及测量LTE背景介绍LTE的网络构架E-UTRAN中只有一种网元——eNodeB网络结构扁平化，RNC+NodeB=eNodeB全IP网络结构，与传统网络互连互通网络扁平化减少系统延时，更好用户体验网元数目减少，网络部署简单，维护更加容易取消了RNC的集中控制，避免单点故障，有利于提高网络稳定MME/S-GWMME/S-GWX2S1移动性管理服务网关S1：MME/SGW与eNodeB的接口EPC演进分组核心网E-UTRANX2：eNodeB间的接口NodeBRNC+=eNodeBEPS演进分组系统eNodeBX2X2eNodeBeNodeBUuLTE的网络构架SGiS4S3S1-MMEPCRFS7S6aHSSS10UEGERANUTRANSGSNLTE-UuE-UTRANMMES11S5ServingGatewayPDNGatewayS1-UOperator'sIPServices(e.g.IMS,PSSetc.)Rx+网络结构扁平化E-UTRAN只有一种网元E-NodeB全IP媒体面控制面分离与传统网络互通E-UTRAN和EPC的功能划分•eNB功能:–无线资源管理–IP头压缩和用户数据流加密–UE附着时的MME选择–用户面数据向S-GW的路由–寻呼消息和广播信息的调度和发送–移动性测量和测量报告的配置MME功能:分发寻呼信息给eNB安全控制空闲状态的移动性管理SAE承载控制非接入层（NSA）信令的加密及完整性保护S-GW功能:终止由于寻呼原因产生的用户平面数据包支持由于UE移动性产生的用户面切换LTE无线接口-用户面/控制面在无线通信系统中，负责传送和处理用户数据流工作的协议称为用户面；负责传送和处理系统协调信令的协议称为控制面。接口是指不同网元之间的信息交互时的节点，每个接口含有不同的协议，同一接口的网元之间使用相互明白的语言进行信息交互，称为接口协议，接口协议的架构称为协议栈。eNBMACUEMACRLCPDCPRLCMMEPDCPNASNASRRCRRCPHYPHYLTE/SAE的协议结构eNBPHYUEPHYMACRLCMACMMERLCNASNASRRCRRCPDCPPDCPAPPUDPGTPUIPS1APSCTPSGWIPUDPGTPUIPSCTPS1APX2AP信令流数据流目录12345LTE网络结构LTE关键技术LTE空口技术LTE系统消息及测量LTE背景介绍OFDM概述正交频分复用技术，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。概念频域波形f宽频信道正交子信道OFDM优势-对比FDM与传统FDM的区别？•传统FDM:为避免载波间干扰，需要在相邻的载波间保留一定保护间隔，大大降低了频谱效率。FDMOFDM•OFDM:各(子)载波重叠排列，同时保持(子)载波的正交性（通过FFT实现）。从而在相同带宽内容纳数量更多(子)载波，提升频谱效率。OFDM优势-对比CDMAOFDMTD-SCDMA抗多径干扰可不采用或采用简单时域均衡器•将高速数据流分解为多条低速数据流并使用循环前缀(CP)作为保护，大大减少甚至消除符号间干扰。对均衡器的要求较高•高速数据流的符号宽度较短，易产生符号间干扰。接收机均衡器的复杂度随着带宽的增大而急剧增加与MIMO结合系统复杂度随天线数量呈线性增加•每个子载波可看作平坦衰落信道，天线增加对系统复杂度影响有限系统复杂度随天线数量增加呈幂次变化•需在接收端选择可将MIMO接收和信道均衡混合处理的技术，大大增加接收机复杂度。带宽扩展性带宽扩展性强，LTE支持多种载波带宽•在实现上，通过调整IFFT尺寸即可改变载波带宽，系统复杂度增加不明显。带宽扩展性差•需要通过提高码片速率或多载波CDMA来支持更大带宽，接收机复杂度大幅提升。频域调度频域调度灵活•频域调度颗粒度小（180kHz）。随时为用户选择较优的时频资源进行传输，从而获得频选调度增益。频域调度粗放•只能进行载波级调度（1.6MHz)，调度的灵活性较差。考虑到系统设计的复杂程度及成本，OFDM更适用于宽带移动通信OFDM不足•OFDM输出信号是多个子载波时域相加的结果，子载波数量从几十个到上千个，如果多个子载波同相位，相加后会出现很大幅值，造成调制信号的动态范围很大。因此对RF功率放大器提出很高的要求较高的峰均比（PARP）受频率偏差的影响•高速移动引起的Doppler频移•系统设计时已通过增大导频密度（大致为每0.25ms发送一次导频，时域密度大于TD-S）来减弱此问题带来的影响子载波间干扰(ICI）•折射、反射较多时，多径时延大于CP(CyclicPrefix，循环前缀)，将会引起ISI及ICI•系统设计时已考虑此因素，设计的CP能满足绝大多数传播模型下的多径时延要求（4.68us)，从而维持符号间无干扰受时间偏差的影响ISI(符号间干扰）&ICIOFDM符号间保护间隔-CP无保护间隔信号在空间的传递是会经过反射和折射的，一路信号到达接收端会变成几路，这几路会存在时延导致互相干扰，由于第2径的第一个信号延迟，一部分落到第1径的第二个符号上，导致第二个符号正交性破坏从而失去正交性无法解调出来，造成ISI和ICI。为了避免这种状况，就设计了保护间隔出来，在每个信号之前增加一个间隔，只要时延小于间隔就不会互相影响，加入了保护间隔后，虽然第2径第一个信号延迟了，但是刚好落入第1径的第二个符号的保护间隔内，在解调时会随着CP一起抛弃，不会干扰到第二个符号，这样做可以消除ISI；但是第2径的第二个符号的保护间隔落入了第1径的第二个符号内，引起符号内波形无法在积分周期内积分为0，导致波形在频域上无法和其他子载波正交，造成ICI。空白保护间隔OFDM符号间保护间隔-CP循环前缀做保护间隔CP是将符号的最后一部分拿出来放到前面当保护间隔。由于保护间隔是信号的一部分，所以不会破坏符号本身的正交性，使一个符号周期内因多径产生的波形为完整的正弦波，因此不同子载波对应的时域信号及其多径积分总为0，既可以消除多径的ISI,又可以消除ICI。tFFT积分周期保护间隔一个OFDM符号应用于OFDM系统。每个子载波宽度仅为15kHz且交叠存在，子载波间干扰（ICI）对系统影响较大，因此采用CP消除ICI在实际系统中，OFDM符号在送入信道之前，首先要加入循环前缀，然后送入信道进行传送。在接收端，首先将接收符号开始的宽度为Tg的部分丢弃，然后将剩余的宽度为T的部分进行傅立叶变换，然后进行解调。在OFDM符号内加入循环前缀可以保证在一个FFT周期内，OFDM符号的时延副本所包含的波形周期个数也是整数，因此此时的时延对于每一个子载波来说只是相当于进行相位的旋转，这个旋转不会在解调过程中产生ICI。LTE的多址方式-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。集中式：连续RB分给一个用户•优点：调度开销小分布式：分配给用户的RB不连续•优点：频选调度增益较大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。OFDMA下行多址方式特点LTE的多址方式-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。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SingleCarrier-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。在任一调度周期中，一个用户分得的子载波必须是连续的SC-FDMA上行多址方式特点上下行频域资源划分信道类型信道名称资源调度单位资源位置控制信道PCFICHREG频域：占用4个REG，系统全带宽平均分配时域：下行子帧的第一个OFDM符号PHICHREG频域：最少占用3个REG时域：下行子帧的第一或前三个OFDM符号PDCCHCCE下行子帧中前1/2/3个符号中除了PCFICH、PHICH、参考信号所占用的资源PBCHN/A频域：频点中间的72个子载波时域：每无线帧subframe0第二个slotPUCCH位于上行子帧的频域两边边带上业务信道PDSCH/PUSCHPRB除了分配给控制信道及参考信号的资源RE：ResourceElement。LTE最小的时频资源单位。频域上占一个子载波（15kHz)，时域上占一个OFDM符号(1/14ms)REG：REgroup，资源粒子组。REG=4RECCE：ControlChannelElement。CCE=9REGRB：ResourceBlock。RB=84RE。左图即为一个RB。时域上占7个OFDM符号，频域上占12个子载波。天线模式相关概念•”码字”与”流”的概念相同，LTE目前有单流或双流；•信道条件好时，可使用双流---空间复用;•信道条件不好时，可切换成分集模式或波束赋形。•层与秩（rank）的概念相同，秩为1，2，3，4，表示任一时刻终端和基站间的独立传播信道的个数；•公共导频的逻辑天线端口有1、2、4三种情况；•也就是说，即便最多可使用4个逻辑天线进行空间复用传输，仍然只传输两个信息流。LTE传输模式-概述Mode传输模式技术描述应用场景1单天线传输信息通过单天线进行发送无法布放双通道室分系统的室内站2发射分集同一信息的多个信号副本分别通过多个衰落特性相互独立的信道进行发送信道质量不好时，如小区边缘3开环空间复用终端不反馈信道信息，发射端根据预定义的信道信息来确定发射信号信道质量高且空间独立性强时4闭环空间复用需要终端反馈信道信息，发射端采用该信息进行信号预处理以产生空间独立性信道质量高且空间独立性强时。终端静止时性能好5多用户MIMO基站使用相同时频资源将多个数据流发送给不同用户，接收端利用多根天线对干扰数据流进行取消和零陷。6单层闭环空间复用终端反馈RI=1时，发射端采用单层预编码，使其适应当前的信道7单流Beamforming发射端利用上行信号来估计下行信道的特征，在下行信号发送时，每根天线上乘以相应的特征权值，使其天线阵发射信号具有波束赋形效果信道质量不好时，如小区边缘8双流Beamforming结合复用和智能天线技术，进行多路波束赋形发送，既提高用户信号强度，又提高用户的峰值和均值速率•传输模式是针对单个终端的。同小区不同终端可以有不同传输模式•eNB自行决定某一时刻对某一终端采用什么传输模式，并通过RRC信令通知终端•模式3到模式8中均含有发射分集。当信道质量快速恶化时，eNB可以快速切换到模式内发射分集模式多路信道同时传输不同信