LTE TDD物理层技术介绍

1LTETDD物理层技术介绍2目录LTE的历史背景LTE的主要技术指标LTE的关键技术LTE的物理层传输方案LTE的网络架构总结3目录LTE的历史背景LTE的主要技术指标LTE的关键技术LTE的物理层传输方案LTE的网络架构总结4LTE的历史背景GSM的巨大成功。人们体验到移动通信的便利“得陇望蜀”。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组织在4G出现之前加速制定新的空中接口和无线接入网络标准。LTE(3.9G)应运而生。5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LTE标准化进展测试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200320042005200620092010200720082011~20146目录LTE的历史背景LTE的主要技术指标LTE的关键技术LTE的物理层传输方案LTE的网络架构总结7LTE的主要技术指标(1)支持1.25MHz-20MHz带宽峰值速率：下行100Mbps，上行50Mbps。频谱效率达到3GPPR6的2-4倍提高小区边缘的传输速率移动性0~15km/h(最佳性能)0～120km/h(较好性能)120km/h~350km/h(保持连接，确保不掉线)覆盖范围0~5km(较高频谱利用率)5~30km(稍差的频谱利用率)8LTE的主要技术指标(2)用户面延迟（单向）小于5ms，控制面延迟小于100ms支持增强型的广播多播业务支持增强的IMS（IP多媒体子系统）和核心网取消CS（电路交换）域，CS域业务在PS（包交换）域实现，如采用VoIP支持与现有3GPP和非3GPP系统的互操作9目录LTE的历史背景LTE的主要技术指标LTE的关键技术LTE的物理层传输方案LTE的网络架构总结10LTE的关键技术物理层关键技术多载波技术(OFDM)多天线技术(MIMO)SC-FDMA(相对OFDM多了DFT预编码部分)系统级关键技术干扰抑制技术11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。12多天线技术-MIMOMIMO: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。13MIMO+OFDMMIMO技术能提高传输的可靠性或提高系统容量。OFDM技术较容易支持高带宽，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)14OFDM信号的生成OFDM符号通带信号可以表示为OFDM信号的基带形式为可用IFFT实现基带的多载波调制。现阶段的IC技术可轻松的应对此复杂度，系统实现简单。12220.5()Reexp2NNciNiistdjftT1222()exp2NNiNiixtdjtT15OFDM信号的时域特点子载波数目时，承载的数据为，四个载波独立的波形和迭加后的信号4N(1,1,1,1)d00.10.20.30.40.50.60.70.80.91-4-3-2-10123416OFDM信号的频谱结构17OFDM的关键问题峰均比（PAPR）原因：OFDM信号在时域是多个子载波信号的时域叠加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原因2：符号同步偏差子载波间干扰（ICI）原因1：无线信道的时变性（多普勒频移造成的随机调频）原因2：载波频率偏差原因3：采样频率偏差18SC-FDMA(DFTS-OFDM)的PAPR16QAM,占用512子载波中间的300个子载波345678910111210-410-310-210-1100PAPR(dB)CCDFOFDMDFTS-OFDM19ISI的克星—CP(1)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20ISI的克星—CP(2)OFDM符号的循环前缀结构保护时间FFT积分时间子载波1OFDM符号周期子载波2子载波321ISI的克星—CP(3)保护时间FFT积分时间OFDM符号周期相位跳变第一条到达径信号第二条到达径信号多径时延CP的引入解决了GP的缺陷两径信道中OFDM符号的传输22OFDM中的同步技术时间同步（影响ISI）OFDM符号同步固定的载波相位偏差对性能无丝毫影响固定采样定时偏差的影响可归入OFDM符号同步偏差的影响OFDM系统对符号定时偏差不敏感。频率同步(影响ICI)LTE规定eNB:0.05ppm,UE:0.1ppm载波频率同步采样频率同步OFDM系统对频率偏差非常敏感！！！23符号同步偏差的影响......CPCPCPOK0h1h1LhFFT起始位置24载波频率偏差的影响整数倍频偏（相对于子载波间隔）：无ICI，但检测出的符号“张冠李戴”导致严重的误码率。根据LTE对晶振稳定度的规定，此情况不会发生。小数倍频偏：本子载波的信号能量减小，同时引入了相邻子载波的干扰。()Afnf1nf1nff(a)()Afnfff(b)25采样频率偏差的影响导致ICI，且随时间的累积时间会多出或漏掉样值26MIMO空间分集（提高传输可靠性）空时块码（STBC）空频块码（SFBC）对应LTE的发送分集空时格码（STTC）基于MIMO-OFDM的循环延迟分集(CDD)空间复用（提高传输速率）V-BLAST对应LTE中的分层操作27在这种编码方案中，每组m比特信息首先调制为M=2m进制符号。然后编码器选取连续的两个符号，根据下述变换将其映射为发送信号矩阵。天线1发送信号矩阵的第一行，而天线2发送信号矩阵的第二行。*12*21xxxxXAlamoutiSTBC编码STBC编码最先是由Alamouti引入的，采用两个发射天线。这种STBC编码最大的优势在于，检测简单，并可获得满分集的增益。Tarokh进将2天线STBC编码推广到多天线形式，提出了通用的正交设计准则。STBC编码STBC译码21h22h1x2x1r2r11h12hSTBC鼻祖—Alamouti方案(1)28信道估计信号合并最大似然译码器Tx1Tx21*2xx2*1xx1h2hRx12nn1ˆh2ˆh1ˆh2ˆh1x2x1ˆx2ˆx衰落信道111221**212212rhxhxnrhxhxn最大似然检测Alamouti方案(2)~22****111221211122~22****221121221221()()xhrhrhhxhnhnxhrhrhhxhnhn12~2222112111ˆ~2222212222ˆˆˆˆargmin(1)(,)ˆˆˆargmin(1)(,)xSxSxhhxdxxxhhxdxx29空间复用技术V-BLASTSTBC编码最大的优势在于，采用简单的最大似然译码准则，可以获得满分集增益，但是不能提供编码增益分层空时码能极大的提高系统的频谱效率VBLAST编码VBLAST译码11h12h21h22h1x2x1r2r30V-BLAST的检测—MMSE算法常用的V-BLAST检测算法是MMSE算法，即最小均方误差算法。该算法的目标函数是最小化发送信号向量xt与接收信号向量线性组合wHrt之间的均方误差，即：其中w是nR×nT的线性组合系数矩阵,由于上述目标函数是凸函数，因此可以求其梯度得到最优解。令,得MMSE检测的系数矩阵为：20HttEWxWr2argminHttEWxWr222222THHHHttttttHHHttttHHHnEEEEWWxWrxWrxWrrWrrxHHIWH12THHHnWHHIH31多小区干扰抑制干扰随机化随机化邻小区干扰，改善译码器性能比特加扰干扰协调协调邻小区资源，降低被干扰概率干扰消除改进物理层算法，消除邻小区干扰32目录LTE的历史背景LTE的主要技术指标LTE的关键技术LTE的物理层传输方案LTE的网络架构总结33LTE物理层传输方案基本传输方案物理信道定义及过程LTE物理层过程34LTE物理层协议架构36.211PhysicalChannelsandModulation36.212Multiplexingandchannelcoding36.213Physicallayerprocedures36.214Physicallayer–MeasurementsTo/FromHigherLayers35基本传输方案TD-SCDMA3GPPLTE802.16e基本传输技术与多址技术CDMA下行OFDMA，上行SC-FDMAOFDMA双工方式TDDFDD和TDD尽可能融合，FDD半双工FDD、TDD和FDD半双工帧结构10ms无线帧分为2个5ms子帧，帧长10ms，分为10个子帧，20个时隙。规定了5ms，10ms和20ms等多种不同的帧结构子帧结构每个子帧分为7个正常时隙和DwPTS、GP、UpPTS三个特殊时隙;每个正常时隙长0.675ms下行7或6个OFDM符号上行7或6个OFDM符号每个帧分为下行子帧和上行子帧，两者之间用适当的保护时隙分隔。调制方式QPSK,16QAMQPSK，16QAM和64QAM；BPSK、QPSK、16QAM、64QAM。编码方式卷积编码和Turbo码以Turbo码为主，正在考虑LDPC码。有卷积码、卷积Turbo码和低密度奇偶校验码多天线技术智能天线基本MIMO模型：下行2×2，上行1×2个天线，考虑最多4×4配置。支持MIMO（多入多出）和AAS（自适应天线阵）两种不同的多天线实现方式。HARQChase合并与增量冗余HARQ,Chase合并与增量冗余HARQ,正在考虑异步HARQ和自适应HARQ采用最为简单的停-等（SAW）机制，HARQ的控制开销最小并且对发射和接收的缓存要求最小。36下行传输方案参数37LTETDD无线帧结构(1)每个时隙0.5ms,上行包含7个或6个SC-FDMA符号。最小时频分配单位RB：时间方向0.5ms的时隙长度，频率方向12个子载波。物理层以子帧(1ms)为单位接收，是偶数个RB的。Oneslot,Tslot=15360TsGPUpPTSDwPTSOneradioframe,Tf=307200Ts=10msOnehalf-frame,153600Ts=5ms30720TsOnesubframe,30720TsGPUpPTSDwPTSSubframe#2Subframe#3Subframe#4Subframe#0Subframe#5Subframe#7Subframe#8Subframe#95ms转换周期38LTETDD无线帧结构(2)OneslotGP