第12章B3G-4G移动通信系统____.ppt

第12章B3G 4G移动通信系统 数字移动通信 本次课要回答的问题 为何要发展B3G 4G系统 有哪些B3G 4G候选系统 各有何特点 B3G 4G的共性技术有哪些 其基本原理是什么 不同4G标准主要采用了哪些技术来提高传输速率 了解B3G 4G的产生背景和基本特征 了解实现宽带高速数据传输的主要方法 共性技术 了解两种4G标准的关键技术 重点 不同4G系统的特点 B3G 4G共性技术的原理 难点 两种4G标准的关键技术差异 要求与重点 内容提要 Contents 12 1B3G 4G系统概述12 23GPPLTE系统12 3LTE Advanced12 4IEEE802 16m 内容提要 Contents 12 1B3G 4G系统概述12 23GPPLTE系统12 3LTE Advanced12 4IEEE802 16m 12 1 1B3G 4G的起源与基本特征 起源人们的信息通信需求越来越高3G只能提供Mbit s量级的传输速率人类信息通信的理想目标还远未实现 部署一代 研究下一代 的工作思路 12 1 1B3G 4G的起源与基本特征 移动通信系统演进示意图 移动宽带化 宽带移动化 12 1 1B3G 4G的起源与基本特征 B3G 4G的基本特征很高的传输速率和大范围覆盖 宽带化 IP化 丰富的业务和QoS保证 业务多样化 开放而融合的平台 融合化 高度智能化的网络 智能化 高度可靠的鉴权及安全机制 12 1 1B3G 4G的起源与基本特征 B3G 4G的基本特征 2000年10月 ITU成立了 IMT2000andBeyond 工作组 其任务之一就是探索3G之后下一代移动通信系统的概念和方案 2005年10月18日 ITU将B3G技术正式定名为IMT Advanced 2010年10月 ITU将LTE Advanced和IEEE802 11m列为IMT Advanced的候选技术 2012年1月18日 ITU正式将LTE Advanced和IEEE802 11m确定为IMT Advanced 即4G 国际标准 12 1 2B3G 4G研究计划 ITU 欧盟 12 1 2B3G 4G研究计划 WINNER项目由于整合了欧盟科研资源 成员包括欧盟主要的企业 大学和研究机构 加上我国原信息产业部电信研究院 韩国三星 日本NTTDoCoMo 美国摩托罗拉等亚洲和美洲企业 科研单位的加盟 在国际B3G研究领域有着重要的地位 WINNER项目成员在致力于开发和完善WINNER系统设计的同时广泛参与ITU 3GPP等国际标准化组织的工作 从而在B3G研究和相关的工作中发挥着积极的作用 日韩 12 1 2B3G 4G研究计划 日本的4G研究计划属于国家级发展计划e Japan的一部分 其基础通信技术部分的研发由日本国家信息通信技术研究院负责 标准化工作由ARIB负责 2002年由产业界发起成立的mITF论坛负责技术交流和国际合作 特别要指出的是 其他国家主要是设备制造商引导新技术的研制 但日本4G技术的开发的主力却是运营商 韩国的4G计划由信息与通信部 MIC 协同部署 由其国内有关运营商和电子通信研究院 ETRI 等研究结构参与研发 2003年成立的NGMC论坛负责国际合作 韩国已制定了远景计划 运营商也开始了试验网的建设 中国 12 1 2B3G 4G研究计划 LTE AvsIEEE802 16m 12 1 2B3G 4G研究计划 LTE标准与关键技术的进展 Time 2007 Q4 Q1 Q2 Q3 Q4 Q1 Q2 Q3 Q4 Q1 Q2 Q3 Q4 Q1 Q2 Release 2008 2009 2010 2011 Rel8WI Rel9WI Rel10WI Q3 LTE ASI Q2 LTESI Rel 8 Rel 9 Rel 10 ITU4G OFDM技术 12 1 3B3G 4G的共性技术 频率选择性衰落码间串扰均衡器难以实现 MIMO技术 12 1 3B3G 4G的共性技术 频谱资源紧张空间维度空时处理 空间分集使用多根天线进行发射和 或接收 根据收发天线数又分为发射分集 接收分集与接收发射分集空间复用发射的高速数据被分成几个并行的低速数据流 在同一频带从多个天线同时发射出去波束成形在发射端将待发射数据矢量加权 形成某种方向图后到达接收端 无线资源管理技术 12 1 3B3G 4G的共性技术 原因移动通信系统是资源受限资源类型时间空间频率能量核心问题在保证服务质量的前提下 提高频谱利用率实现方式资源控制资源分配资源调度 接入控制 负荷 拥塞 控制 切换控制 功率控制 速率控制等 基站 小区 分配与选择 信道分配 队列分配 资源预留 功率分配等 时隙调度 码资源调度 切换小区调度 自适应链路调度等 干扰抑制技术 12 1 3B3G 4G的共性技术 目的为提高用户在小区边缘的信息传输速率实现方式干扰随机化 信道加扰和交织方法 干扰消除 来源于多用户检测技术 可以将干扰小区的信号解调 解码 然后将来自该小区的ICI 小区间干扰 复制并减去 干扰协调 规避 通过软频率复用方案实现 即部分频率复用 内容提要 Contents 12 1B3G 4G系统概述12 23GPPLTE系统12 3LTE Advanced12 4IEEE802 16m LTE的2高2低 LTE的主要指标和需求 LTE的主要指标和需求 与LTE相关的主要组织 NGMN 由全球主要移动运营商发起的 旨在引导和推动无线网络演进与发展的组织3GPP 移动通信系统标准制定组织LSTI 设备制造商与运营商联合成立的测试组织 通过联合测试与试验推动LTE的产业化进程 网络架构 全IP扁平架构 MIMO OFDM 多带宽选择 提升宽带能力降低网络时延 1 4M 3M 5M 10M 15M 20M Refarming2G BackwardUMTS ExtensionBands LTE关键技术 LTE关键技术 全IP扁平化网络的演进 传统架构 vs LTE的扁平架构 网络架构趋于扁平化和简单化网络扁平化降低接入延时 改善用户体验网络简单化降低系统复杂度 部署简单 易于维护 有效降低TCO取消BSC的集中控制 避免单点故障 提高网络稳定性 网络结构的演进是逐渐放弃电路交换和业务的过程 业务中心逐渐向数据域转移原有电路交换和相关业务逐渐淡出 被IMS为基础的业务控制系统取代 PSTN Internet HSS BTS BSC MSC SGSN GGSN GMSC HLR RNC NodeB IMS PGW PCRF SGW MME eNB IMS LTE的网元功能 LTE的协议结构 全部基于IP的信令 信令流 数据流 E NodeB PHY UE PHY MAC RLC MAC MME RLC NAS NAS RRC RRC PDCP PDCP APP UDP GTPU IP S 1 AP SCTP SGW IP UDP GTPU IP SCTP S 1 AP X 2 AP 从传统频分 码分向正交频分演进 c CDMA频谱 多址技术 12 2 1LTE无线传输技术 下行OFDMA PAPR 上行单载波OFDM SC FDMA LTE所用OFDM的主要参数 LTE关键技术 高阶调制带来更高效率 64QAM 16QAM LTE关键技术 MIMO 从单天线向多天线演进 MIMO技术本质多天线发射接收 充分利用空间维度 若采用复用技术 则可成倍的提升空口速率 或者采用分集技术 多径 产生解调增益 总体可以理解为一种空分复用技术复用和分集产生的增益对应吞吐率和可靠性的提升 两者可以认为都是牺牲其中的一种增益而得到另一种增益 MIMO技术优势MIMO技术可以同时在基站和UE上使用提升用户吞吐率 小区容量和覆盖很容易和OFDM技术融合起来LTE基站支持自适应MIMO 灵活支持空间复用或分集复用 LTE的链路自适应技术 AMC 基于信道质量信息反馈 调整数据速率来补偿信道条件好的信道条件 更高速率坏的信道条件 更低速率调整编码速率来补偿信道条件好的信道条件 高速率编码坏的信道条件 低速率编码调整调制方案来补偿信道条件好的信道条件 高阶调制坏的信道条件 低阶调制CQI ChannelQualityIndicator 信道质量信息反馈 UE测量信道质量报告给NodeB基站基于CQI来选择调制方案 块大小和数据速率 Terminal eNB CQI SINR LTE关键技术 分组调度 不需要显示回收资源 LTE是完全面向分组业务优化的系统 不再采用面向连接的电路交换技术 此原则应用于系统协议栈的所有层 分组交换无线接口的核心是采用动态调度共享传输资源 在每个TTI 1ms 系统依据每个用户的信道状态自适应调度资源 包括 频域和时域资源 MIMO配置及层数的自适应 调制和编码的自适应等 从而也实现了多用户分集 无线帧结构 FDD 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 5msTs 1 1500 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 无线帧结构 TDD 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 TD LTE的灵活时隙配置 TD LTE物理层有5ms和10ms两种上下行切换周期7种不同上下行时隙配比方式 5ms切换周期 1DL 3UL 2DL 2UL 3DL 1UL 3DL 5UL 10ms切换周期 6DL 3UL 7DL 2UL 8DL 1UL 固定下行 固定上行 5ms转换点 10ms转换点 OFDM资源的时频结构表示方法 物理资源的映射举例 每个小方块代表一个RE有些RE被参考信号和公共信道占用 LTE可以根据用户信道质量调度合适的无线资源 LTE的关键技术 干扰抑制 LTE不支持软切换 同频组网带来的严重的干扰问题 异频组网则会导致频谱利用率很低 LTE关键技术 灵活的带宽支持 LTE UMTS CDMA 20MHz 1 20M 4 5M 16 1 25M 内容提要 Contents 12 1B3G 4G系统概述12 23GPPLTE系统12 3LTE Advanced12 4IEEE802 16m 移动通信的技术发展并未止步 IMT Advanced 支持100M 1Gbit s的数据速率支持多种接入网络的互联互通支持可扩展的带宽使用 4G ITUIMT Advanced LTE Advanced 真正的4G 2008年3月 在被视为3 9G的LTE标准化接近完成时 作为在LTE基础上的继续演进项目 3GPP启动了真正代表4G技术的LTE Advanced项目 LTE Advanced提出的背景 满足ITU RIMT Advanced技术征集的需要3GPPLTE作为当前最受关注的宽带移动通信标准 其向IMT Advanced阶段进一步演进是毋庸置疑的进一步巩固3GPPLTE标准在未来市场竞争中的优势地位由于LTE已经消耗了学术界和技术领域大量的技术储备 所以LTE Advanced不会再是技术上的彻底革新 而是LTE的平滑演进 LTE LTE A时间表 LTE的补充与增强启动LTE A的研究 LTE Advanced的主要需求 更高的峰值数据率下行峰值数据率1Gbps 上行峰值数据率500Mbps更大峰值频谱效率下行峰值频谱效率30bps Hz 上行峰值频谱效率15bps Hz进一步提高移动性在0 10km h低速移动环境下 比E UTRA性能需有所提升 在350km h以上的较高速度下 性能有所提升或保持更小的控制面延迟从驻留状态转换到激活状态的时延小于50ms更大的频谱灵活性增加了新的频段 最大支持100MHz带宽新的频带为 450 470MHz 698 862MHz 790 862MHz 2 3 2 4GHz 3 4 4 2GHz 4 4 4 99GHz 与3GPP无线接入技术的共存和互操作AdvancedE UTRAN与E UTRAN之间的切换应与E UTRAN之间的切换具有相同的性能 LTE R10的关键技术 MIMO增强 载波聚合 CA CarrierAggregation 中继技术 Relay HetNet的eICICenhancedInter cellinterferenceCoordination 增强型小区干扰消除 Rel11关键技术 CoMP CA增强 MTC优化MachineTypeCommunication feICIC 多天线技术增强 载波聚合 需求 满足LTE A峰值速率要求 e g 1Gbps 需要高达100MHz的更大带宽 现实中很难找到连续的大带宽保持与LTE良好的兼容性 LTE终端能够接入到LTE A系统 LTE A终端能够接入LTE系统运营商具有多个非连续频谱 亟需一种方法把这些离散的频谱利用起来 获取更佳的LTE运营效率 频谱分散100MHz带宽 载波聚合 基本概念 每个分量载波为LTE现有带宽 最大110RB每个分量载波兼容LTE 包含同步和广播等信息对于非兼容载波 仅考虑在Rel 11及其以后版本引入LTE A终端根据其能力在一个或多个分量载波上接收或者发射LTE终端仅在一个分量载波上接收或者发射是将2个或更多的载波单元 ComponentCarrier CC 聚合在一起以支持更大的传输带宽 最大为100MHz 的技术 载波聚合 非对称载波聚合 考虑到上下行业务的非对称性 载波聚合支持非对称载波聚合 进一步的可以分为小区级非对称聚合和UE级非对称聚合 载波聚合 聚合场景 参与聚合的载波可以是连续的 可以是非连续的 各个载波可以位于同一频段 也可以位于不同频段 包含如下三种场景 带内连续聚合带内非连续聚合带间非连续聚合 增强MIMO 上行 PUSCH PhysicalUplinkSharedChannel 支持SU MIMO4X4大幅提高吞吐量和频谱效率PUCCH支持基于SORTD的发射分集提高上行控制信息的传输质量 增强MIMO 下行 由LTE的4天线扩展到最大支持8天线 最大支持8层传输提高下行吞吐量和频谱效率MU MIMO进一步增强 如SU MU的动态切换 UE专用导频的引入等提高MU MIMO的性能 Max 8streams EnhancedMU MIMO Higher orderMIMOupto8streams CSIfeedback 多天线增强的演进 Rel11多天线增强覆盖 采用双极化天线 距离在0 5波长 相比常规八天线 减少了天线宽度 天线尺寸和800MHz二天线相当 后续 天线尺寸有望进一步减小 Relay 概念 中继传输技术是在原有站点的基础上 引入Relay节点 或称中继站 Relay节点和基站通过无线连接 下行数据先由基站发送到中继节点 再由中继节点传输至终端用户 上行则反之 Relay 重点场景 边远地区覆盖拓展 城市热点覆盖增强 群移动 盲点地区覆盖补充 CoMP 概念 协作多点发射 接收 CoMP CoordinatedMultiplePoints 传输技术是指地理位置上相互分离的多个小区的协作发射 接收 通过联合处理把干扰变为有用信号 有效解决小区边缘干扰问题 从而有效提高小区边缘吞吐量和小区平均吞吐量 扩大高速传输覆盖 CoMP 分类 根据上下行传输方向DL CoMPUL CoMP 根据协作小区归属 站内CoMP站间CoMP CoMP 下行传输机制 联合处理 JP 发射根据业务数据是否在多个协调点上都能获取可分为联合处理 JointProcessing JP 利用联合处理的方式获取传输增益 协作调度 波束赋型CS CB下行CoMP和协作调度 波束赋形 CoordinatedScheduling Beamforming 通过协作减小小区间干扰 CoMP 上行联合接收 上行CoMP接收通过多个小区对用户数据的联合接收来提高小区边缘用户吞吐量 上行CoMP接收主要是eNB处的接收实现问题 对空口影响比较小 12 3 4协作多点传输 CoMP 下行CoMP协作调度 协作波束赋形联合传输 一个用户只被一个基站服务 传给特定用户的数据只来自该用户所在服务小区的基站 但相应的调度和发射权重等需要小区间进行动态信息交互和协调 以尽可能减少多个小区的不同传输之间的互干扰 用户的数据信息不共享 但是信道信息却在协作集合内的不同小区间共享 协作的多个基站 也称协作簇 对用户数据进行联合处理 以消除基站间的干扰 协作簇内的基站不仅需要共享信道信息 还需要共享用户的数据信息 整个协作簇同时服务一个或多个用户 为了提高联合传输的系统性能 数据在不同的基站同步发送 内容提要 Contents 12 1B3G 4G系统概述12 23GPPLTE系统12 3LTE Advanced12 4IEEE802 16m 12 4 1物理层传输技术 帧结构 12 4 1物理层传输技术 多天线技术 12 4 1物理层传输技术 链路自适应技术 定义发射端根据信道质量信息调整无线链路的传输方式及参数 以提供更高的服务质量与频谱利用率 12 4 2增强技术与特性 多载波技术 lTU关于IMT Advanced需求中规定最大支持100MHz带宽 为了满足需求 IEEE802 16m引入了多载波技术 支持多个连续或不连续载波的聚合 这些载波可以有相同或不同带宽 分类MS 主载波 辅载波BS 全配置载波 部分配置载波操作模式载波聚合载波转换 12 4 2增强技术与特性 基于定位的业务 用于定位的参考信号 如前导和测距序列参考信号的测量参数 如环路延时 相对延时 接收信号参考强度 载波干扰噪声比定位触发和测量过程 RD用于下行链路中基于电波信号到达时间差 TDOA 的定位法 RTD用于上行链路中基于电波信号到达时间 TOA 的定位法定位业务通知 Advertisement ADV 消息具有支持协作定位的能力 12 4 2增强技术与特性 增强组播广播业务 增强组播广播业务 EnhancedMulticastandBroadcastService E MBS 提供了一种高效的下行多播数据同步传输方法 每个组播广播业务采用一个公共的多播终端ID和一个业务流ID来唯一标识 E MBS业务仅通过下行传输提供服务 在一组增强型基站 ABS 之间可以进行协调同步以实现宏分集的传输方式 在一个E MBS区域内连续地接收E MBS业务 需要区域内的各个ABS之间进行协调工作 这样的协作工作可以分为两种模式 即非宏分集传输模式和宏分集传输模式 12 4 2增强技术与特性 Femtocell家庭基站 定义Femtocell指一种较小的蜂窝小区 这种微小区的基站在IEEE802 16m中叫做Femto基站 在LTE Advanced网络中称为HeNB 其出现主要是因为室内覆盖不尽如人意 而造成这种现象的原因有以下几点 业务的增长常常从家庭开始 然后才扩展到企事业 语音通话时间已经渐渐从固话转移到手机上 越来越多的用户逐步将他们的手机作为最主要的电话 运营商正在逐步提供固定电话网 电视网 因特网和移动通信网 四网合一 业务 包含了大部分移动通信业务 以及固话 因特网和电视业务等 12 4 2增强技术与特性 Femtocell家庭基站 内容回顾与课后思考 本次课堂内容回顾B3G 4G系统的起源 基本特征 共性技术 3GPPLTE系统的关键技术 LTE Advanced与IEEE802 16m的对比 思考题1 B3G 4G产生的背景是什么 2 为什么B3G 4G要放弃CDMA而采用OFDM技术 77 移动通信基本科学问题 有限的频谱资源与不断增长的无线通信业务需求之间的矛盾所带来的挑战 将促使无线通信理论与技术不断发生变革 移动通信需要解决的关键问题 2019年12月19日 目前的解决方案 从信号设计与处理的角度出发 采用高效的调制及信道编码等技术提高频谱利用率 移动通信系统的工作频点继续上移 在2007年11月闭幕的世界无线电通信大会上通过了适用于全球3G与4G移动通信系统的四个新频段 其中包括3 4G 3 6GHz的200MHz带宽以及分配给我国TD SCDMA的2 3GHz 2 4GHz的100MHz带宽 进一步开发蜂窝移动通信系统中的空间资源 例如MIMO技术的利用为移动通信频谱利用率的提高注入了新的活力 78 移动通信基本科学问题 信号处理的复杂性将限制其在实际系统中的应用 例如如果完全依靠增加调制电平数来提高传输速率 在速率超过10bps Hz之上时 其复杂度及对信道的要求已是实际系统所不能承受的了 特别是每增加1bps Hz就要增加3dB的信噪比 实现复杂度 对时钟精度的要求及对信道参数估计精度的要求等都要相应地成倍增加 存在的缺憾 2019年12月19日 较高的系统工作频率将导致无线信号在空间传输中快速衰落 尽管采用微蜂窝技术可以缩小小区半径 提高天线覆盖面积 从而提高用户的接收性能 但随之而来的另一个问题在于系统中频繁的切换会增加系统信令开销并降低系统的工作效率 目前 多天线一般集中放置于基站组成天线阵 这种集中放置实际上限制了天线数量 且不利于空间资源的充分利用 此外 小区边界处的用户的链路质量比距离基站近的用户的性能要差的现状并未得到解决 2019年12月