D-LTE-基本原理及关键技术.ppt

TD-LTE 基本原理及关键技术,中兴通讯学院,课程内容,TD-LTE概述 TD-LTE网络架构 TD-LTE协议栈 TD-LTE关键技术 TD-LTE与LTE FDD的区别,TD-LTE概述,LTE简介 LTE相关组织介绍,LTE背景,LTE表示3GPP长期演进 ( Long Term Evolution ) 2004年11月3GPP TSG RAN workshop启动LTE项目,移动通信技术的演进路线,多种标准共存、汇聚集中 多个频段共存 移动网络宽带化、IP化趋势,2G,2.5G,2.75G,3G,3.5G,3.75G,3.9G,GPRS,EDGE,HSDPA R5,HSUPA R6,MBMS,4G,MBMS,CDMA 2000 1X EV-DO,802.16 e,802.16 m,HSDPA,HSPA+ R7,FDD/ TDD,4G,GSM,TD- SCDMA,WCDMA R99,802.16 d,CDMA IS95,CDMA 2000 1x,LTE,EV-DO Rev. A,EV-DO Rev. B,HSUPA,HSPA+ R7,LTE的目标,峰值数据率,目标,移动性,E-UTRAN系统应能够支持: 对较低的移动速度 ( 0 - 15 km/h ) 优化 在更高的移动速度下 (15 - 120 km/h ) 可实现较高的性能 在120 - 350 km/h的移动速度 (在某些频段甚至应该支持500 km/h ) 下要保持网络的移动性 在各种移动速度下，所支持的语音和实时业务的服务质量都要达到或超过UTRAN下所支持的,频谱,频谱灵活性 E-UTRA系统可部署在不同尺寸的频谱中，包括1.4、 3、 5、10、15 和 20 MHz, 支持对已使用频率资源的重复利用 上行和下行支持成对或非成对的频谱 共存 与GERAN/3G系统在相同地区邻频 与其他运营商在相同地区邻频 在边境两侧重合的或相邻的频谱内 与 UTRAN 和 GERAN切换 与非 3GPP 技术 (CDMA 2000, WiFi, WiMAX)切换,LTE 频段划分,LTE关键技术,频谱灵活 支持更多的频段 灵活的带宽 灵活的双工方式 先进的天线解决方案 分集技术 MIMO技术 Beamforming技术 新的无线接入技术 OFDMA SC-FDMA,TD-LTE概述,LTE简介 LTE相关组织介绍,LTE标准组织,功能需求,标准制定,技术验证,3GPP组织架构,Project Co-ordination Group (PCG),TSG GERAN,GSM EDGE Radio Access Network,GERAN WG1,Radio Aspects,GERAN WG2 Protocol Aspects GERAN WG3 Terminal Testing,TSG RAN,Radio Access Network RAN WG1 Radio Layer 1 spec RAN WG2 Radio Layer 2 spec Radio Layer 3 RR spec RAN WG3 lub spec, lur spec, lu spec UTRAN O&M requirements RAN WG4 Radio Performance Protocol aspects RAN WG5 Mobile Terminal Conformance Testing,TSG SA,Service & Systems Aspects SA WG1 Services SA WG2 Architecture SA WG3 Security SA WG4 Codec SA WG5 Telecom Management,TSG CN,Core Network & Terminals CT WG1 MM/CC/SM (lu) CT WG3 Interworking with external networks CT WG4 MAP/GTP/BCH/SS CT WG6 Smart Card Application Aspects,2005,2006,2007,2008,2009,LTE标准化进展,LTE start,Work Item Start,Study Item Stage 1 Finish,Work Item Stage 3 Finish,Work Item Stage 2 Finish,First Market Application,3GPP R8 定义了LTE的基本功能，该版本已于2009年3月冻结， 3GPP R9 主要完善了LTE家庭基站、管理和安全方面的性能，以及LTE微微基站和自组织管理功能，在2009年12月冻结 3GPP R10 定义了LTE-A的关键技术如relay，载波聚合，8*8MIMO，已在2011年3月冻结,2010,2011,LTE-A start,课程内容,TD-LTE概述 TD-LTE网络架构 TD-LTE协议栈 TD-LTE关键技术 TD-LTE与LTE FDD的区别,LTE 网络构架,MME / S-GW,MME / S-GW,X2,S1,EPC,E-UTRAN,EPS,eNode B,X2,X2,eNode B,eNode B,Uu,E-UTRAN中只有一种网元eNode B 演进分组核心网EPC 演进分组系统EPS,E-UTRAN 和 EPC的功能划分,3GPP TS 36.300,E-UTRAN 和 EPC的功能划分（续）,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,课程内容,TD-LTE概述 TD-LTE网络架构 TD-LTE协议栈 TD-LTE关键技术 TD-LTE与LTE FDD的区别,LTE/SAE的协议结构,信令流,数据流,与 UMTS 的PS 域相同,eNB,PHY,UE,PHY,MAC,RLC,MAC,S-GW,PDCP,PDCP,RLC,LTE无线接口 用户平面,LTE无线接口 控制平面,eNB,MAC,UE,MAC,RLC,PDCP,RLC,MME,PDCP,NAS,NAS,RRC,RRC,PHY,PHY,无线帧结构类型1,每个10ms无线帧被分为10个子帧 每个子帧包含两个时隙，每时隙长0.5ms Ts=1/(15000*2048) 是基本时间单元 任何一个子帧即可以作为上行，也可以作为下行,1个子帧,DwPTS,GP,UpPTS,1个半帧 153600 TS = 5 ms,1个子帧,DwPTS,GP,UpPTS,30720TS,1个时隙 Tslot=15360TS,1个无线帧 Tf = 307200 Ts = 10 ms,无线帧结构类型2,每个10ms无线帧包括2个长度为5ms的半帧，每个半帧由4个数据子帧和1个特殊子帧组成 特殊子帧包括3个特殊时隙：DwPTS，GP和UpPTS，总长度为1ms 支持5ms和10ms上下行切换点 子帧0、5和DwPTS总是用于下行发送,上下行配比方式,“D”代表此子帧用于下行传输，“U” 代表此子帧用于上行传输，“S”是由DwPTS、GP和UpPTS组成的特殊子帧。 特殊子帧中DwPTS和UpPTS的长度是可配置的，满足DwPTS、GP和UpPTS总长度为1ms 。,系统占用带宽分析,占用带宽 = 子载波宽度 x 每RB的子载波数目 x RB数目 子载波宽度 = 15KHz 每RB的子载波数目 = 12,资源分组,资源的分组,RE（Resource Element）为最小的资源单位，时域上为一个符号，频域上为一个子载波。 RB（Resource Block）为业务信道资源分配的资源单位，时域上为一个时隙，频域上为12个子载波。 REG（Resource Element Group）为控制信道资源分配的资源单位，由4个RE组成。 CCE（Channel Control Element）为PDCCH资源分配的资源单位，由9个REG组成。 RBG （Resource Block Group）为业务信道资源分配的资源单位，由一组RB组成。,REG/RBG的概念,RBG用于业务信道的资源分配 一个RBG是一组RB组成 分组的大小和系统带宽有关,REG,RBG,LTE物理信道概述,物理层周围的无线接口协议结构,LTE 上行/下行信道,BCCH,PCCH,CCCH,DCCH,DTCH,MCCH,MTCH,PCH,DL-SCH,MCH,BCH,PBCH,PDSCH,PMCH,逻辑信道,传输信道,物理信道,CCCH,DCCH,DTCH,UL-SCH,PRACH,PUSCH,RACH,PUCCH,下行信道,上行信道,逻辑信道,传输信道,物理信道,逻辑信道,MAC向RLC以逻辑信道的形式提供服务。逻辑信道由其承载的信息类型所定义，分为CCH和TCH，前者用于传输LTE系统所必需的控制和配置信息，后者用于传输用户数据。LTE规定的逻辑信道类型如下： BCCH信道，广播控制信道，用于传输从网络到小区中所有移动终端的系统控制信息。移动终端需要读取在BCCH上发送的系统信息，如系统带宽等。 PCCH，寻呼控制信道，用于寻呼位于小区级别中的移动终端，终端的位置网络不知道，因此寻呼消息需要发到多个小区。 DCCH，专用控制信道，用于传输来去于网络和移动终端之间的控制信息。该信道用于移动终端单独的配置，诸如不同的切换消息 MCCH，多播控制信道，用于传输请求接收MTCH信息的控制信息。 DTCH，专用业务信道，用于传输来去于网络和移动终端之间的用户数据。这是用于传输所有上行链路和非MBMS下行用户数据的逻辑信道类型。 MTCH，多播业务信道，用于发送下行的MBMS业务,传输信道,对物理层而言，MAC以传输信道的形式使用物理层提供的服务。 LTE中规定的传输信道类型如下： BCH：广播信道，用于传输BCCH逻辑信道上的信息。 PCH：寻呼信道，用于传输在PCCH逻辑信道上的寻呼信息。 DL-SCH：下行共享信道，用于在LTE中传输下行数据的传输信道。它支持诸如动态速率适配、时域和频域的依赖于信道的调度、HARQ和空域复用等LTE的特性。类似于HSPA中的CPC。DL-SCH的TTI是1ms。 MCH：多播信道，用于支持MBMS。 UL-SCH：上行共享信道，和DL-SCH对应的上行信道,物理信道和信号,上行物理信道 PUSCH PUCCH PRACH 上行物理信号 参考信号（Reference Signal：RS）,下行物理信道 PDSCH: PBCH PMCH PCFICH PDCCH PHICH 下行物理信号 同步信号（Synchronization Signal） 参考信号（Reference Signal）,物理信道 一系列资源粒子（RE）的集合，用于承载源于高层的信息 物理信号 一系列资源粒子（RE）的集合，这些RE不承载任何源于高层的信息,下行RS,上行RS,物理层过程小区搜索,Step1、搜索PSCH，确定5ms定时、获得小区ID Step2、解SSCH，取得10ms定时，获得小区ID组； Step3、检测下行参考信号，获取BCH的天线配置； 然后UE就可以读取PBCH的系统消息（PCH配置、RACH配置、邻区列表等） SCH结构基于1.25MHz固定带宽。UE必需的小区信息有：小区总发射带宽、小区ID、小区天线配置、CP长度配置、BCH带宽,物理层过程 随机接入,通过PRACH发送RACH preamble UE监控PDCCH获得相应的上下行资源配置；从相应的PDSCH获取随机接入响应，包含上行授权、定时消息和分配给UE的标识 UE从PUSCH发送连接请求 eNB从PDSCH发送冲突检测,课程内容,TD-LTE概述 TD-LTE网络架构 TD-LTE协议栈 TD-LTE关键技术 TD-LTE与LTE FDD的区别,TD-LTE关键技术,频域多址技术 OFDM/SC-FDMA MIMO技术 高阶调制技术 HARQ技术 链路自适应技术 AMC 快速MAC调度技术 小区干扰消除,LTE多址技术的要求,更大的带宽和带宽灵活性 随着带宽的增加，OFDMA信号仍将保持正交，而CDMA 的性能会受到多径的影响. 在同一个系统，使用OFDMA可以灵活处理多个系统带宽. 扁平化架构 当分组调度的功能位于基站时，可以利用快速调度、包括频域调度来提高小区容量。频域调度可通过OFDMA实现，而CDMA无法实现. 便于上行功放的实现 SC-FDMA相比较OFDMA可以实现更低的峰均比, 有利于终端采用更高效率的功放. 简化多天线操作 OFDMA相比较CDMA实现MIMO容易.,OFDM基本思想,OFDM将频域划分为多个子信道，各相邻子信道相互重叠，但不同子信道相互正交。将高速的串行数据流分解成若干并行的子数据流同时传输 OFDM子载波的带宽 信道“相干带宽”时，可以认为该信道是“非频率选择性信道”，所经历的衰落是“平坦衰落” OFDM符号持续时间 信道“相干时间”时，信道可以等效为“线性时不变”系统，降低信道时间选择性衰落对传输系统的影响,OFDM的正交性时域描述,OFDM的正交性频域描述,保护间隔与循环前缀无保护间隔,保护间隔与循环前缀加保护间隔,保护间隔与循环前缀加循环前缀,为了避免空闲保护间隔由于多径传播造成子载波间的正交性破坏，将每个OFDM符号的后时间中的样点复制到OFDM符号的前面，形成循环前缀(cyclic prefix) 只要各径的延迟不超过Tg，都能保正在FFT的积分区间内包含各径各子载波的整数个波形,保护间隔与循环前缀无循环前缀,因多径延时的存在，空闲的保护间隔进入到FFT的积分时间内，导致积分时间内不能包含整数个波形，破坏了载波间的正交性,OFDMA示意图,上行多址技术SC-FDMA,SC-FDMA 即 DFT-spread OFDMA 峰均比小于OFDMA, 有利于提高功放效率 传输信号的瞬时功率变化 易于实现频域的低复杂度的高效均衡器 易于对FDMA采用灵活的带宽分配,OFDMA示例,最大支持64 QAM 通过CP解决多径干扰 兼容MIMO,SC-FDMA示例,最大支持 64QAM 单载波调制降低峰均比（PAPR） FDMA可通过FFT 实现,OFDMA与SC-FDMA的对比,TD-LTE关键技术,频域多址技术 OFDM/SC-FDMA MIMO技术 高阶调制技术 HARQ技术 链路自适应技术 AMC 快速MAC调度技术 小区干扰消除,多天线技术-MIMO,多天线技术 MIMO：多入多出 (Multiple Input Multiple Output) SISO：单入单出 (Single Input Single Output) SIMO：单入多出 (Single Input Multiple Output) LTE的基本配置是DL 2*2 和UL 1*2 , 最大支持 4*4,MIMO概念,MIMO技术的基本出发点是将用户数据分解为多个并行的数据流，在指定的带宽内由多个发射天线上同时刻发射，经过无线信道后，由多个接收天线接收，并根据各个并行数据流的空间特性（Spatial Signature），利用解调技术，最终恢复出原数据流。,MIMO的优点,阵列增益：可以提高发射功率和进行波束形成； 系统的分集特性：可以改善信道衰落造成的干扰； 系统的空间复用增益：可以构造空间正交的信道，从而成倍地增加数据率； 因此，充分地利用MIMO 系统的这些优秀品质能够大幅度地提高系统容量、获得相当高的频谱利用率，从而可以获得更高的数据率、更好的传输品质或更大的系统覆盖范围。,LTE下行MIMO模式,LTE 定义了7种下行MIMO传输模式（由高层通过传输模式通知UE）,提高用户峰值速率,提高小区吞吐量,增强小区覆盖,兼容单发射天线,TD-LTE关键技术,频域多址技术 OFDM/SC-FDMA MIMO技术 高阶调制技术 HARQ技术 链路自适应技术 AMC 快速MAC调度技术 小区干扰消除,高阶调制,高阶调制可提高峰值速率. LTE 支持BPSK, QPSK, 16QAM 和64QAM.,TD-LTE关键技术,频域多址技术 OFDM/SC-FDMA MIMO技术 高阶调制技术 HARQ技术 链路自适应技术 AMC 快速MAC调度技术 小区干扰消除,混合自动重传请求（ HARQ）,FEC：前向纠错编码 (Forward Error Correction) ARQ：自动重传请求(Automatic Repeat reQuest) HARQ=FEC+ARQ,FEC 通信系统,劣势: 可靠性较低; 对信道的自适应能力较低 为保证更高的可靠性需要较长的码，因此编码效率较低，复杂度和成本较高,优势: 更高的系统传输效率; 自动错误纠正，无需反馈及重传; 低时延.,ARQ 通信系统,劣势: 连续性和实时性较低; 传输效率较低;,优势: 复杂性较低; 可靠性较高; 适应性较高;,HARQ机制,HARQ实际上整合了ARQ的高可靠性和FEC的高效率,TD-LTE关键技术,频域多址技术 OFDM/SC-FDMA MIMO技术 高阶调制技术 HARQ技术 链路自适应技术 AMC 快速MAC调度技术 小区干扰消除,链路自适应 AMC原理,QPSK, 16QAM 和64QAM. “连续”的编码速率（0.07 0.93）.,TD-LTE关键技术,频域多址技术 OFDM/SC-FDMA MIMO技术 高阶调制技术 HARQ技术 链路自适应技术 AMC 快速MAC调度技术 小区干扰消除,MAC 调度,MAC 调度只在 eNodeB内 MAC 调度不仅控制复用、优先级处理和HARQ, 也控制资源分配、天线映射和MCS in PHY. 调度原理 DL: to dynamically determine which UEs are supposed to receive DL-SCH transmission and on what resources UL: to dynamically determine which UEs are to transmit data on UL-SCH and on which uplink resources,MAC 调度,MAC 调度算法,常用的分组调度算法 最大 C/I算法 轮询算法 (Round Robin ：RR) 正比公平算法 (PF) 其他调度算法 持续调度算法( Persistent scheduling ：PS) 半持续调度算法( Semi-persistent scheduling ：SPS) 动态调度算法( Dynamical scheduling：DS),illustration of UL scheduling,TD-LTE关键技术,频域多址技术 OFDM/SC-FDMA MIMO技术 高阶调制技术 HARQ技术 链路自适应技术 AMC 快速MAC调度技术 小区干扰消除,小区间干扰消除,小区间干扰消除技术方法包括： 加扰 跳频传输 发射端波束赋形以及IRC(干扰拒绝合并) 小区间干扰协调 功率控制,课程内容,TD-LTE概述 TD-LTE网络架构 TD-LTE协议栈 TD-LTE关键技术 TD-LTE与LTE FDD的区别,TD-LTE与LTE FDD技术综合对比,双工方式对比,用时间来分离接收和发送信道，时间资源在两个方向上进行分配，基站和移动台之间须协同一致才能顺利工作,在支持对称业务时，能充分利用上下行的频谱，但在支持非对称业务时，频谱利用率将大大降低,TDD,FDD,TD-LTE 特有技术,FDD仅支持1:1上下行配比 TDD可以根据不同的业务类型调整上下行时间配比，以满足上下行非对称业务需求,上下行配比可调,多子帧调度/反馈,特殊时隙的应用,为了节省网络开销，TD-LTE允许利用特殊时隙DwPTS和UpPTS传输系统控制信息 TDD系统中，上行sounding RS和PRACH preamble可以在UpPTS上发送，DwPTS可用于传输PCFICH、PDCCH、PHICH、PDSCH和P-SCH等控制信道和控制信息,TDD当下行多于上行时，存在一个上