TD-LTE和TD-HSPA培训资料-TD-LTE无线关键技术

1TD-LTE总体技术发展和无线关键技术工业和信息化部电信研究院通信标准研究所无线与移动研究室沈嘉[e-mail]-LTE和TD-HSPA+技术培训材料2目录TD-LTE总体技术发展什么是TD-LTE？为什么会产生LTE？LTE的基本特征TD-LTE无线关键技术TD-LTE面临的技术挑战TD-LTE的进一步演进3未来的无线通信将是各种接入手段的并存4LTE将是未来最主流的广域宽带无线通信系统OFDM/MIMO+扁平IP网络2G2G3G3G3GPP2CDMA3GPPUMTS3GPPGSMWiMAXLTE1xEV-DORevA1xEV-DORel0CDMA20001XGPRS/EDGEHSDPA/HSUPAEvolvedEDGEWiFi4G4GWCDMATD-SCDMATD-SCDMALTE20082005商用部署预商用部署研究标准化测试试验20062009挪威、瑞典、美国、日本、香港Ericsson、华为、ALU、中兴、Moto5什么是TD-LTE？LTE=LongTermEvolution=长期演进，是3GPP指定的下一代无线通信标准。TD-LTE=LTE的TDD模式。在2004年WiMAX对UMTS技术产生挑战（尤其是HSDPA技术）时，3GPP急于开发和WiMAX抗衡的、以OFDM/FDMA为核心技术、支持20MHz系统带宽的、具有相似甚至更高性能的技术。长期可以在IMT-Advanced标准化上先发制人。LTE是以OFDM为核心的技术，为了降低用户面延迟，取消了无线网络控制器（RNC），采用了扁平网络架构。与其说是3G技术的“演进”（evolution），不如说是“革命”（revolution）。这场“革命”使系统不可避免的丧失了大部分后向兼容性。也就是说，从网络侧和终端侧都要做大规模的更新换代。因此很多公司实际上将LTE看作4G技术范畴。6LTE和EPS的关系LTEEPS=EvolvedPacketSystem7目录TD-LTE总体技术发展什么是TD-LTE？为什么会产生LTE？LTE的基本特征TD-LTE无线关键技术TD-LTE面临的技术挑战TD-LTE的进一步演进8背景一：移动互联网业务发展的需要从话音优化到数据优化ƒ除了窄带业务的效果，更要提高宽带业务效率从覆盖优化到容量优化ƒ除了保证基本业务连续覆盖，更要提高“热区”内的容量从用户容量优化到数据率容量优化ƒ运营商收入除了依赖用户数量，更依赖业务流量从均匀容量分布到不均匀容量分布：ƒ未来80-90%的数据容量集中在室内和热区内ƒ业务分布不均匀，系统能力是否有必要均匀分布？背景二：宽带无线接入和宽带移动通信的融合背景三：技术储备成熟到20世纪末，学术界在实现OFDM、MIMO的理论、算法、软硬件基础方面已经积累了丰富的技术储备。为什么会出现LTE？9宽带移动通信和宽带无线接入的融合2G、3G已经提供了很好的语音网络，LTE的任务就是在2G/3G网络之上叠加一个“宽带数据接入”网络10降低每比特成本是产业的必然发展方向11目录TD-LTE总体技术发展什么是TD-LTE？为什么会产生LTE？LTE的基本特征TD-LTE无线关键技术TD-LTE面临的技术挑战TD-LTE的进一步演进12LTE的设计目标支持1.4MHz-20MHz带宽峰值数据率：上行50Mbps，下行100Mbps频谱效率达到HSDPA/HSUPA的2-4倍提高小区边缘的比特率用户面延迟（单向）小于5ms，控制面延迟小于100ms降低建网成本，实现从3G的低成本演进追求后向兼容,但应该仔细考虑性能改进和向后兼容之间的平衡取消CS（电路交换）域，CS域业务在PS（包交换）域实现，如采用VoIP对低速移动优化系统，同时支持高速移动13LTE的标准化进程14LTE的性能评估（仿真结果）从仿真结果看，LTE全面达到了设计目标。15LTE的技术创新LTE名为演进（Evolution），实为“革命”（Revolution）创新一：频分多址系统下行OFDM：用户在一定时间内独享一段“干净”的带宽上行SC-FDMA：具有单载波特性的改进OFDM系统（低峰平比）创新二：MIMO（多天线技术）下行MIMO：ƒ发射分集：改善覆盖（大间距天线阵）ƒ空间复用：提高峰值速率和系统容量ƒ波束赋形：改善覆盖（小间距天线阵）ƒ空间多址：提高用户容量和系统容量上行MIMO：ƒ空间多址：提高用户容量和系统容量创新三：扁平网络取消RNC（中央控制节点），只保留一层RAN节点——eNodeBeNodeB和核心网采用基于IP路由的灵活多重连接——S1-flex接口相邻eNodeB采用Mesh连接——X2接口eNBeNBeNBMME/UPEMME/UPES1X2X2X2EPCE-UTRAN16目录TD-LTE总体技术发展TD-LTE无线关键技术TD-LTE面临的技术挑战TD-LTE的进一步演进17LTE无线技术要点1个架构：E-UTRAN扁平架构2个帧结构：FS1（FDD）、FS2（TDD）3个关键技术：OFDMA/SC-FDMA、MIMO、小区间干扰抑制4种资源分配方式：下行集中式、下行分布式、上行集中式、上行跳频。5个物理过程：小区搜索、随机接入、功控、测量、共享信道过程6+1个天线端口：下行4天线MIMO、MBSFN、Beamforming上行单天线7+2个传输模式：下行7个MIMO传输模式上行单天线+MU-MIMO8个物理信道：PDSCH、PDCCH、PBCH、PCFICH、PHICH、PUSCH、PUCCH、PRACH18目录TD-LTE总体技术发展TD-LTE无线关键技术1个架构2个帧结构3个核心技术4种资源分配方式5个物理过程6+1个天线端口7+2个传输模式8个物理信道TD-LTE面临的技术挑战TD-LTE的进一步演进19扁平RAN架构36.211PhysicalChannelsandModulation36.212Multiplexingandchannelcoding36.213Physicallayerprocedures36.214Physicallayer–MeasurementsTo/FromHigherLayers36.323PDCP36.322RLC36.321MAC36.331RRC36.2xxPHY36.401Architecture36.41xS1interface36.42xX2interface20LTE接入网络的简化UTRANE-UTRANRNC的大部分功能下放到eNodeB21目录TD-LTE总体技术发展TD-LTE无线关键技术1个架构2个帧结构3个核心技术4种资源分配方式5个物理过程6+1个天线端口7+2个传输模式8个物理信道TD-LTE面临的技术挑战TD-LTE的进一步演进222种帧结构FS1（FDD）FS2（TDD）232种TDD帧结构的融合2007年底，在国内外产业界的共同推动下，3GPP将2种TDDLTE帧结构融合为TD-LTE帧结构。ThesingleTDDFS5mshalfFrame0.5ms5mshalfFrame0.675msTDDFS2TDDFS1#0#1#18#1910msFrame0.5ms24TD-LTE帧结构上下行配比　　25TD-LTE帧结构特殊时隙结构配置NormalCPExtendedCPDwPTSGPUpPTSDwPTSGPUpPTS031013811941831210319213112110114121137253928226932912710228111226目录TD-LTE总体技术发展TD-LTE无线关键技术1个架构2个帧结构3个核心技术4种资源分配方式5个物理过程6+1个天线端口7+2个传输模式8个物理信道TD-LTE面临的技术挑战TD-LTE的进一步演进27LTE所依赖的3个核心技术OFDMA/SC-FDMA简洁的宽带扩展能力获得高峰值速率的“正交传输”MIMO技术的“最佳搭档”MIMOLTE高频谱效率的主要来源小区间干扰抑制解决OFDMA同频组网的潜在问题缩小MIMO带来的数据率差异性28为什么宽带数据接入要采用OFDM和MIMO？OFDM和MIMO的优势正是数据业务所需要的——峰值速率和短时用户感受OFDM是正交系统，无用户间干扰，有利于MIMOMIMO是目前提高峰值速率的主要手段用户希望“网速快”，哪怕只在某些环境下快也行OFDM和MIMO的劣势是对数据业务相对次要的因素——覆盖和公平性OFDM系统的小区间干扰和高峰平比将造成更严重的小区边缘性能下降使用MIMO的环境主要出现在小区中心或热点但Internet用户已经习惯了“尽力而为”的QoS/QoE29目录TD-LTE总体技术发展TD-LTE无线关键技术1个架构2个帧结构3个核心技术——OFDMA/SC-FDMA4种资源分配方式5个物理过程6+1个天线端口7+2个传输模式8个物理信道TD-LTE面临的技术挑战TD-LTE的进一步演进30OFDM是新技术吗？——不是OFDM（正交频分复用）的本质就是一个频分系统，而频分是无线通信最朴素的实现方式多采用几个频率并行发送，实现宽带传输生活中的频分系统：CDMA是具有较深理论内涵的技术，很难用现实生活中的实例解释。31OFDM是新技术吗？——是传统FDM系统中，载波之间需要很大的保护带，频谱效率很低。OFDM系统允许载波之间紧密相临，甚至部分重合，可以实现很高的频谱效率——子载波。如何做到这一点？依赖FFT（快速傅立叶变换）为什么直到最近20年才逐渐实用？有赖于数字信号处理（DSP）芯片的发展。32OFDM发射机结构OFDM发射机的两个核心模块：IFFT（逆FFT）：将大量的窄带（子载波）频域信号（频域上映射的信号），经过IFFT后形成时域信号加入循环前缀（CP）：将每个OFDM符号的尾部一段复制到符号之前33OFDM调制的核心操作34OFDM是为了用于多径衰落信道而设计的多径效应（路径损耗和时延扩展）时域影响：符号间干扰频域影响：频率选择性衰落时间前一个符号符号检测窗口多径扩展造成的符号间干扰（ISI）多径扩展造成的能量损失35应对频选衰落：窄带并行传输化零为整，简化接收机的信道均衡操作避免符号间干扰和天线间干扰相互混杂，有效分离信道均衡和MIMO检测36应对符号间干扰：插入CP时间前一个符号符号检测窗口多径扩展造成的符号间干扰（ISI）多径扩展造成的能量损失插入CP------Æ37OFDM的优势频谱效率高（值得商榷）来源于正交传输，采用CP回避用户间干扰，但单载波系统也有干扰消除手段小区内频谱效率高，小区间未必带宽扩展性强（基本正确）大带宽：复杂度呈线性增长颗粒度：原理上支持子载波级的带宽分配，实际上支持子带级分配，确有助于适应各种频谱抗多径衰落（条件性正确）均衡器复杂度随带宽呈线性增长5MHz以上优势较明显，5MHz以下不明显（LTE结论）频域调度（条件性正确）频域调度和多用户调度结合，在用户带宽较小时增益明显高速移动下增益降低（CQI反馈速率跟不上）MIMO操作简单（条件性正确）和接收机的类型有很大关系采用简单接收机时，OFDM复杂度明显要小38OFDM的潜在问题PAPR（不是不能解决）当N个具有相同相位的信号叠加在一起时，峰值功率是平均功率的N倍。没有调制的信号的PAPR应为0dB。增加模数转换和数模转换的复杂度，降低RF功率放大器的效率，增加发射机功放的成本和耗电量，不利于在上行链路实现（终端成本和耗电量受到限制）信号预失真技术、编码技术、加扰技术LTE采用DFT扩展技术时间和频率同步（已经解决的较好）频率偏移和相位噪声Æ载波间干扰（ICI）时间失步Æ符号间干扰（ISI）和ICI可以通过CP缓解，但CP主要解决多径扩展问题OFDM系统需要保持精确的时间和频率同步，但目前OFDM系统的同步信道、导频和信令设计已能满足要求。小区间干扰OFDM本身无法提供小区间多址能力，需要依赖其它技术的辅助抑制小区间干扰。这可能是OFDM系统面临的最棘手的问题。39OFDM参数设计设计要求受影响的参数带宽扩展性资源