LTE 技术原理和系统设计

LTE技术原理和系统设计移动通信的演进LTE系统设计需求和技术特点LTE功能划分和协议架构LTE基本原理LTE关键技术分析LTE网络自组织LTE产业进展4GIMT-AdvancedLikelyOFDMABasedTechnology2GGSMGPRSWCDMAR99EDGE2.5G2.75G3GE-EDGEHSDPA/R5HSUPA/R6HSPA+/R7MBMS3.5GTD-SCDMAR4HSPAMC-HSPAMBMS3.75G3..9GIS95CDMA2000CDMA20001X-ED-DOEV-DORev.AEV-DORev.BUMB802.16d802.16e802.16mLTETDDFDDAMPSNMTSTACS1G移动通信正在从2G向3G/B3G/4G演进,载频带宽由窄带向宽带发展。移动通信网络将会从以语音为主导的网络向以高速数据为主导的网络转型。“宽带化”成为移动通信技术的发展趋势X?移动多媒体业务对带宽要求越来越高“宽带化”成为移动通信技术的发展趋势移动通信的演进LTE系统设计要求和技术特点LTE基本原理LTE关键技术分析LTE网络自优化LTE产业进展LTE的设计要求灵活的信道带宽1.4,3,5,10,15,20MHz更低的无线网时延单向用户面5ms控制面100ms更高的频谱效率下行比WCDMAR6提高3-4倍上行频谱效率比R6提高2-3倍全分组域业务为传统的电信业务提供QoS传输不再提供CS域业务增强的移动性能0-15公里/小时:最优的性能15-120公里/小时:较高的性能120-350公里/小时:支持实时业务峰值数据率更高20MHz带宽下，下行100Mbit/s20MHz带宽下，上行50Mbit/sRel-6HSPARel-8LTE天线:两收两发系统带宽(MHz)520下行峰值速率(Mbps)14.4172.8下行平均频谱效率（bps/Hz/cell）0.531.69下行小区边缘用户频谱效率（bps/Hz/cell）0.020.05上行峰值速率(Mbps)5.7616QAM:5764QAM:86.4上行平均频谱效率（bps/Hz/cell）0.3320.735上行小区边缘用户频谱效率(bps/Hz/cell）0.0090.024LTE的技术特点•全IP,扁平化网络架构E-UTRAN系统只由eNB组成，去掉RNC网元。eNB集成了更多的功能块（RNC）:物理层(PHY),媒体接入层(MAC),无线链路控制(RLC),分组数据汇聚协议(PDCP),无线资源控制(RRC),无线资源分配和调度,小区间无线资源管理(RRM)更短的无线网络时延:单向用户数据延迟5ms,控制信令延迟100mseNB之间通过X2接口进行通信,以实现小区间优化的无线资源管理eNBMME/S-GWMME/S-GWeNBeNBS1S1S1S1X2X2X2E-UTRANUuLTE的技术特点•基于OFDM的上下行多址接入和信号调制方式上行：基于CP的SC-FDMA下行：基于CP的OFDMA消除无线网络自干扰资源分配更灵活•上下行采用更高阶的调制:64QAM系统峰值频谱效率达到6bps/Hz下行：QPSK、16QAM、64QAM、BPSK，上行：QPSK、16QAM、64QAM。•多用户频率选择性资源调度干扰和多径造成各用户在不同频率上的性能有差异,频率选择性资源调度旨在让每个用户在最佳频带上传输从而提高多用户下系统的整体频谱效率120140160180200220240260280300-10-8-6-4-202resourceindexdBchannelresponsesatdifferentfrequenciesuser1user2user3用户3的最佳资源RB3用户1的最佳资源RB1用户2的最佳资源RB2120140160180200220240260280300-10-8-6-4-202resourceindexdBchannelresponsesatdifferentfrequenciesuser1user2user3用户3的最佳资源RB3用户1的最佳资源RB1用户2的最佳资源RB2LTE的技术特点•自适应多天线技术OFDM技术与MIMO技术的融合,提高系统吞吐量支持多种模式的多入多出技术(MIMO)目前支持：1*2、2*2自适应MIMO技术根据信道特性调整传输参数以在链路稳定性和容量之间取得最佳折衷;•跨小区间的链路自适应,资源管理和干扰协调（ICIC）根据用户所在的地理位置分配频带资源,降低小区间干扰,提高链路稳定性和优化多小区频谱效率移动通信的演进LTE系统设计要求和技术特点LTE功能划分和协议架构LTE基本原理LTE关键技术分析LTE网络自优化LTE产业进展interneteNBRBControlConnectionMobilityCont.eNBMeasurementConfiguration&ProvisionDynamicResourceAllocation(Scheduler)PDCPPHYMMESAEGatewayS1MACInterCellRRMRadioAdmissionControlRLCE-UTRANEPCRRCMobilityAnchoringSAEBearerControlIdleStateMobilityHandlingNASSecurityLTE功能实体划分•LTEE-UTRAN和核心网的功能划分无线接入侧功能核心网侧LTE无线接口协议栈-用户面协议栈无线接口协议栈根据用途分为：用户面协议栈和控制面协议栈eNBPHYUEPHYMACRLCMACPDCPPDCPRLC用户平面协议栈用户面个协议层功能PDCP层：IP头压缩，加密。RLC层：完成ARQ相关的功能。MAC层：为RLC提供逻辑信道、调度、HARQ相关功能。LTE无线接口协议栈-控制面协议栈eNBPHYUEPHYMACRLCMACMMERLCNASNASRRCRRCPDCPPDCP控制平面协议栈NAS控制协议终止于MME功能如下：1）SAE承载控制2）鉴权3）LTE_IDLE状态下的移动性管理4）产生LTE_IDLE状态下的寻呼消息5）安全控制PDCP、RLC、MAC的功能和用户平面的一样。RRC协议终止于eNB功能如下：1）广播2）寻呼3）RRC连接控制4）RB控制5）移动性管理6）终端的测量和测量上报控制。E-UTRAN接口协议通用模型X2-APTransportNetworkLayerUserTransportNetworkPlaneControlPlaneUserPlaneTransportUserNetworkPlaneRadioNetworkLayerGTP-UUDPIPDatalinklayerPhysicallayerUserPlanePDUsSCTPIPDatalinklayerPhysicallayerE-UTRAN接口的通用协议模型E-UTRAN接口的通用协议模型（如下图）同时使用于S1接口和X2接口，其定义原则为：控制平面与用户平面分离，无线网络层与传输网络层分离。E-UTRAN接口-S1接口SCTPIPDatalinklayerS1-APPhysicallayerGTP-UUDPIPDatalinklayerUserplanePDUsPhysicallayerS1接口控制平面(eNB-MME)S1接口用户平面(eNB-MME)MMES-GWS1-CS1-US1接口定义为E-UTRAN与EPC之间的接口S1包括S1-C和S1-U，前者为eNB和MME之间接口、后者为eNB和S-GW间接口。E-UTRAN接口-X2接口SCTPIPDatalinklayerX2-APPhysicallayerGTP-UUDPIPDatalinklayerUserplanePDUsPhysicallayerX2接口控制平面X2接口控制平面X2接口和S1接口极其类似，X2-U和S1-U使用同样的用户面协议，便于eNB在数据前向处理时，减少协议处理。移动通信的演进LTE系统设计要求和技术特点LTE功能划分和协议架构LTE基本原理LTE关键技术分析LTE网络自组织LTE产业进展LTE基本原理－正交频分复用(OFDM)基本技术频分复用/频分多址(FDM/FDMA)传输方式:其实是一种传统的技术，将较宽的频带分成若干较窄的子载波进行并行发送时最朴素的实现宽带传输的方法频谱效率低：为了避免子载波间的干扰，在相邻子载波间保留足够间隔。OFDM传输方式:将高速串行数据调制在一组等差频率集合且正交的复正弦波(子载波)上并行发射接收端用同样的一组子载波对输入信号进行相关后得到解调信号FDM/FDMA不能像频谱效率更高的TDM/TDMA和CDM/CDMA技术一样能够成为无线通信的核心传输技术。引入FFT（快速傅里叶变换）数字信号处理技术FFT允许将FDM的各个子载波重叠排列，重叠子载波排列大大提高频谱效率。FFT同时保证各个子载波之间的正交性。f1f2f3传统FDM频谱f1f2f3OFDM频谱LTE基本原理－正交频分复用(OFDM)的特点OFDM的多载波传输方式频谱效率高:由于正确的频率采样(对应于时域相关积分)后无子载波间干扰,OFDM允许相邻正交子载波间的频谱有交叠比传统FDM频谱效率高OFDM接收无符号间干扰和子载波间干扰:循环前缀(CP)的加入保证了时域截窗内的子载波为完整的整倍数周期波形保证了无符号间干扰；FFT技术能够保证子载波间的正交性从而避免了子载波间干扰。f0-f1:子载波间隔带宽扩展性强：由于OFDM系统的信号带宽取决于使用的子载波数量，因此OFDM系统具有很好的带宽扩展性，小到几百kHz，大到几百MHz，都比较容易实现，FFT大小尺寸带来的系统复杂度增加相对并不明显。LTE基本原理－下行OFDMA正交频分多址技术•OFDMA传输技术OFDM调制技术和多用户子载波分配结合的传输技术每个用户使用一个二维时频子载波集进行传输,其带宽可灵活动态分配同时避免了符号间干扰,子载波间干扰和多用户接入干扰缺陷:峰均比高,不适合终端信号波形调制映射串并变换Nbbb,...,,21Msss,...,,21)(ty加入循环前缀)(tx调制映射Nbbb,...,,21Msss,...,,21串并变换用户1用户M)2cos(1tf)2sin(1tf)2cos(tfM)2sin(tfM}Re{1s}Im{1s}Re{Ms}Im{Ms)2cos(tfk)2sin(tfk)2cos(tfN)2sin(tfN}Re{1s}Im{1s}Re{Ms}Im{MsIFFTLTE基本原理－OFDMA的多用户时频二维频谱OFDMA的多载波传输方式将频谱划分为时频二维资源：频域的子载波和时域的符号间隔。多用户资源分配以资源块(180KHzx0.5ms)为颗粒度在时隙和频域上灵活分配,以满足不同用户混合业务的需求LTE基本原理－OFDMA和CDMA频域特性比较CDMA技术:每个码道的发射信号都是宽带信号,带宽是码片速率的倒数,因而多用户的信号在频谱上是重叠的需要复杂的联合检测算法分开用户.频域频域f发射的CDMA信号频谱接收的CDMA信号频谱f通过多径信道OFDMA技术:每个子载波信号是窄带信号，不同子载波信号经过多径信道后保持正交无相互干扰多用户可分配不同子载波集发射,接收端经过FFT运算后在频域分开ff发射的OFDMA信号频谱接收的OFDMA信号频谱频域频域用户1用户2用户3用户4用户1用户2用户3用户4通过多径信道LTE基本原理－上行SC-FDMA单载波频分多址上行采用SC-FDMA作为多址接入及信号调制技术OFDMA的劣势是调制输出信号的峰均比较高，使得功放效率降低，不适合上行终端的信号传输．SC-FDMA对调制信号先进行离散付立叶变换,再对输出结果在连续的子载波子集上做OFDM调制从而降低