LTE技术基础知识培训100524

LTE技术基础知识培训主讲人：练成栋中国移动通信集团上海有限公司计划部研发中心2010年5月Aboutus中国移动通信集团上海公司计划发展部研究发展中心R&DCenterCMCC,Shanghai3主要内容TD-LTE系统性能仿真和评估2TD-LTE物理层关键技术4TD-LTE在上海世博会中的应用1TD-LTE概述移动技术发展趋势2001-2006年2007年TD-HSPA+DL:25.2MbpsUL:19.2MbpsDL:100MbpsUL:50MbpsHSPA+DL40MBps;UL10Mbps2010年2008年2009年MobileWiMAXWave115MbpsEV-DORel.0DL:2.4MbpsUL:153.6kbpscdma20001x153.6kbpsD0Rel.ADL:3.1MbpsUL:1.8MbpsDoRevB（多载波DO）DL：46.5MbpsUL:27MbpsUMBDL:100MbpsUL:50MbpsGREAN~600kbpsMobileWiMAXWave230MbpsTD-HSDPA2.8~8.4MbpsTD-HSUPA2.2~6.6MbpsWCDMA384KbpsHSDPA1.8/3.6MbpsHSDPA7.2MbpsHSUPA1.4~5.8MbpsGPRS/EDGE~200kbpsLTE-TDDDL:100MbpsUL:50MbpsLTETDD+16m100Mbps~1GbpsITUIMT-Advanced(4G)UMB＋100Mbps-1Gbps100Mbps~1GbpsLTE+B3GLTEFDDLTE概述是3GPP在R8中提出的一种新的宽带无线空中接口技术，可分为FDD和TDD两种模式TD-LTE是我国具有自主知识产权的第三代移动通信技术TD-SCDMA标准的后续演进技术LTE能够支持大于100公里半径的小区覆盖，在20MHz频谱带宽下提供DL100Mbps/UL50Mbps的峰值速率，并明显改善小区边缘用户性能LTE(LongTermEvolution)长期演进技术LTE背景和发展2004年12月，研究项目(SI)立项，3GPP需要开发一套系统与WiMAX抗衡2009年1月～至今，R8的完善和进一步优化（R9）2006年6~9月，SI阶段结束，进入工作项目（WI）阶段2008年12月，标准化已经进入尾声，标准基本冻结LTE—LongTermEvolution2008年4月～至今，LTE-A的StudyItemLTE帧结构DwPTSUpPTSGP0123456789Subframe=1msRadioFrame=10ms02341msType1FDDType2TDD57891msSlot=0.5msHalfFrame=5msUpPTSGPDwPTS用于FDD用于TDD–在TDD中，5ms半帧由有4个普通的子帧和1个特殊子帧组成–特殊子帧包括3个特殊时隙：UpPTS、GP和DwPTS空口上支持FDD和TDD两种帧结构，无线帧长度均为10msLTE系统架构在LTE系统架构中，RAN将演进成E-UTRAN且只有一个结点：eNodeBMME/S-GWMME/S-GWeNodeBeNodeBeNodeBS1EPCE-UTRANX2X2X2EPSLTE系统需求•1.25MHz-20MHz•可变带宽带宽需求•降低传输时延•用户面延迟（单向）小于5ms•控制面延迟小于100ms•5km内的小区半径优化•5km到30km：可接受的性能下降•支持100km范围的小区传输时延数据速率基站A基站B覆盖范围建网成本更高的带宽，更大的容量更高的数据传输速率更低的传输时延更低的运营成本SCH10-MHzbandwidth20-MHzbandwidth5-MHzbandwidth1.25-MHzbandwidth2.5-MHzbandwidth•对0到15km/h的低速环境优化•对15到120km/h保持高性能•对120到350甚至500km/h保持连接移动性支持•上行峰值速率50Mbps•下行峰值速率100Mbps•频谱效率达到3GPPR6的2-4倍•提高小区边缘用户的数据传输速率3G/TD-LTE关键技术比较汇总CDMA/TDMA更高的频谱利用率更加简单的接收机OFDMA/SC-FDMASIMO/智能天线提高传输速率MIMO16QAM更高的调制，更精细的AMC64QAM单载波1.6MHz实际组网5MHz更大的传输带宽更高的峰值速率支持20MHz电路域更加高效的资源利用基于分组域，全IP垂直网络结构，有RNC更小的传输时延优化网络结构扁平的网络结构，无RNC硬切换简化切换过程软切换多小区干扰抑制OFDM系统小区内不存在干扰多用户检测优化简化FDD/TDD独立帧结构保证共存，提高效率简化FDD/TDD双模设备实现优化的帧结构3主要内容TD-LTE系统性能仿真和评估2TD-LTE物理层关键技术4TD-LTE在上海世博会中的应用1TD-LTE概述OFDMMIMO其它为什么OFDM？CDMA自干扰系统，但多用户检测可以消除部分小区内干扰更好的抗多普勒频移效果支持更高带宽时检测和均衡复杂度高MIMOCDMA的检测复杂度高OFDMA/SC-FDMA小区内正交频选调度/AMC多用户频域分集MIMOOFDM的检测简单、灵活OFDM技术的发展历史2000s1990s1980s1960sOFDM在高速调制器中的应用开始研究OFDM应用在高频军事系统OFDM应用于宽带数据通信和广播等OFDM应用于802.11a,WiMAX,LTESerialtoParalleld0(n)d1(n)dM-1(n)BPSKdata)/)(exp(ssTttMj)/))(2(exp(ssTttMj)/))(2(exp(ssTttMjOFDMsignalOFDM技术原理OFDM的频谱OFDM调制的效率很高不同子载波的频谱互相交叠但不同子载波之间正交OFDM系统中的保护间隔OFDM符号2保护时间FFT积分周期OFDM符号1无保护间隔时，多径会造成ISI和ICI有保护间隔，但保护间隔不传输任何信号可以消除多径的ISI，但仍然存在ICI为了完全消除ISI,每个OFDM符号需要引入一个循环前缀作为保护时间.•保护时间间隔的应尽可能地小，但需要大于信道的时延扩展•通常可以采用循环前缀的方式来实现每个OFDM符号的保护时间间隔，同时可以避免ICIOFDMsymboltimeGuardTimeFFTintegrationtime保护间隔的选择为了完全消除ISI和ICI,引入CP作为保护.但是CP的引入会降低传输的效率：CP应尽可能地小，但需要大于信道的时延扩展.通常可以采用循环前缀的方式来实现每个OFDM符号保护时间间隔，同时可以避免ICI宽带信道的频域信道冲击响应OFDM中的自适应调制32QAM,5bit/s/Hz16QAM,4bit/s/Hz8QAM,3bit/s/HzQPSK,2bit/s/HzBPSK,1bit/s/HzThresholdLevelsSNRdBBPSK8QAM16QAMQPSKtimeExcessSNR功率控制向速率控制的转变！频域多用户调度和分集增益050100150200250300-4-20246810SubcarrierindexRelativesubcarrierpoweratreceivingUEindBAllocatedtoUE1AllocatedtoUE2基于OFDM的灵活多址方式码字/时间/频率域的3维多址方式：OFDMA/CDMA/TDMATimeFrequencyOFDM-TDMATimeFrequencyUser1User2MC-CDMA/OFCDMTimeFrequencyOFDM-FDMAUser1User2NotusedTimeFrequencyOFDMA/TDMA广义称为OFDMAOFDM的优势与不足•可以有效的抗多径时延扩展（频率选择性衰落）更大的符号周期：M个子载波并行传输，符号周期扩大M倍；增加保护间隔CP：有效地抗多径效应•高频谱效率子载波频谱相互重叠；多用户频域调度；•容易实现，在基带可以全数字FFT实现优点对频偏的敏感。频偏会导致期望符号的幅度的降低，引入ICI.由于每个符号的时间周期扩大，OFDM受时间选择性衰落的影响（多普勒扩展和频移）较大.峰均比（PAPR/CM）较大,其对功放的非线性特性比较敏感，会降低功率的利用效率，且提高终端的功放成本缺点LTE系统上行和下行多址方案OFDMA下行使用OFDMA高PAPR，功放成本高性能方面有优势，2dB左右载波分配非常灵活，可以适应非连续的频带分配SC-FDMA上行使用SC-FDMA低PAPR，对功放要求低由于载波间正交性被破坏有一定的性能损失载波分配不够灵活时域产生信号，M点DFT变换到频域多址技术:上行SC-FDMASC-FDMA发射机结构DFTWSub-carrierMappingCPinsertionSize-MSize-NCodedsymbolrate=RMsymbolsIFFTSpreadingLowPAPRLowPAPRHighPAPR每个子载波上的信号为M个符号的迭加dWxMdOFDMA与SC-FDMA性能比较468101214161820222410-210-1100av.SNRpersubcarrier(dB)PER16QAM1/2,Red:OFDMA,Blue:IFDMA,FFTsize:1024,M=1283dBlossSC-FDMAOFDMA假设:指数衰减信道性能:在达到目标PER时(0.1或0.01)，OFDMA比SC-FDMA好3dB原因:频选衰落，使SC-FDMA的正交性被破坏结论:OFDMA有更好的链路性能1202468101299.9%PAPR[dB]N=51216subcarriers32subcarriers64subcarriers128subcarriers256subcarriers512subcarriersOFDMA_16QAMDFT-S-OFDM_16QAM假设：IFFT的尺寸为512，研究占用的子载波数/DFT的大小。OFDMA:不同的调制方式以及sub-carriers的分配对PAPR/CM的影响很小,随着sub-carriers的增加PAPR趋近于同一个值;SC-OFDM:SC-FDMA的PAPR要比OFDMA低1.5~2dB。OFDMA与SC-FDMA的PAPR比较OFDM基本特征总结时域循环前缀，抑制多径引起的ISI频域分成多个子载波，与信道编码结合对抗多径衰落子载波相互正交，提高频谱利用率时-频二维调度，提高系统性能可扩展OFDMA，使系统在移动环境中灵活适应信道带宽变化含CP的OFDMA符号时域结构含CP的OFDMA符号频域子载波结构3主要内容TD-LTE系统性能仿真和评估2TD-LTE物理层关键技术4TD-LTE在上海世博会中的应用1TD-LTE概述OFDMMIMO其它信道容量分析（1/2）容量公式：系统带宽信噪比SNR信道数系统容量的提高？信道容量分析（2/2）容量公式：增加带宽提高信噪比增加信道数系统容量的提高？MIMO技术的发展历史Marconi利用多天线来抑制信道衰落，从而实现无线电波大容量的传输19081996贝尔实验室的Foschini提出分层空时结构BLAST，完成MIMO信道容量的理论分析1998S.M.Alamouti提出了一种简单的发送分集技术——STBC。利用有限的频谱资源，在空间上开发，提高频谱利用率MIMO系统收发端结构MIMO（Multiple-InputMultiple-Output）接收端发送端实现多路数据流并行发送，获得空间复用增益，提高传输的有效性实现多个子信道信号的有效合并，获得空间分集增益，提高传输的可靠性利用信道空间特性MIMO信道容量分析不同天线数目下，Shannon容量与SNR曲线M：发射天线数N：接收天线数信息论