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TD LTE基础理论技术培训 省网优中心2012年5月 目录 下行OFDM技术上行SC FDMA技术 多天线MIMO技术 TD LTE物理标准技术 发射分集空间复用波束赋形 物理帧结构物理信道终端测量量 TD LTE多址技术 什么是OFDM OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing1 是一种频率复用技术2 是一种调制技术3 是一种物理层传输技术 下行OFDM技术 技术介绍 下行OFDM技术 技术介绍 传统FDM 为了避免载频之间的干扰 需要在相邻的载波间保留一定的保护间隔 从而降低了频谱效率 OFDM 正交频分复用 多载波调制的一种 各子载波重叠排列 同时保证各子载波之间的正交性 通过FFT实现 从而使得在相同的带宽内容纳数量更多的子载波 提高了频谱效率 OFDM通过将信道分成若干正交子信道 将高速数据流转换成并行的低速子数据流 调制到每个子载波上进行传输 在接收端再将正交子载波解调 恢复高速数据流 下行OFDM技术 时频域分析 理论上互相正交 OFDM符号间的保护间隔 循环前缀 CyclicPrefix 对OFDM符号的后面部分数据进行复制 放到OFDM符号的最前面 作为保护间隔 可以消除子载波间干扰ICI 下行OFDM技术 循环前缀 CyclicPrefix 为了避免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 CyclicPrefix 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 下行OFDM技术 OFDM示意图 RE 最小的资源单位 时域上为1个符号 频域上为1个子载波 RB 业务信道的资源单位 时域上为1个时隙 频域上为12个子载波 当CP为NormalCP时 每个时隙有7个OFDM符号 下行OFDM技术 OFDMA多址技术 将传输带宽分成一系列正交的的子载波资源 将不同的子载波资源分配给不同的用户实现多址 因为子载波相互正交 所以小区内用户之间没有干扰 集中式 连续RB分配给一个用户 分布式 分配给用户的RB不连续 优点 调度开销小 优点 选频调度增益大 在这个调度周期中 A用户是分布式的 B用户是集中式的 最大支持64QAM通过CP解决多径干扰兼容MIMO 下行OFDM技术 OFDMA多址技术 将大带宽划分成多个小带宽 可有效对抗频率选择性衰落 可以有效的对抗ISI 适用于多径环境和衰落信道中的高速数据传输 可以最大限度的利用频谱资源 由于子载波之间的正交性 允许子信道的频谱相互重叠 提高频谱利用率 正交调制和解调可以基于IDFT和DFT来实现 对于无线数据业务的非对称性 可以通过使用不同数量的子信道来实现上行和下行的不同传输速率 可以通过动态子信道分配的方法 充分利用信噪比较高的子信道 提高系统吞吐量 下行OFDM技术 主要优点 存在较高的峰均比 PAPR OFDM调制的输出是多个子信道的叠加 如果多个信号相位一致 叠加信号的瞬间功率会远远大于信号的平均功率 导致较大的峰均比 这对发射机中功率放大器的线性度提出了更高的要求 也降低了功放的效率 对频率偏差敏感 传输过程中的频率偏移 如多普勒频率 或者接收机的本振和发射机的载频之间的频差 都会破坏OFDM系统子载波之间的正交性 导致信道间的信号相互干扰对时间偏差敏感 传输过程中折射和反射较多时 多径时延大于CP 将会导致符号间干扰和子载波间干扰 系统设计时已考虑此因素 设计的CP能满足大多数传播模型下的多径时延要求 4 68us 下行OFDM技术 主要缺点和挑战 OFDM系统中每个符号由多个载波符号叠加而成 因此其峰均比较大 对功放的要求相应比较高 导致整机电源效率降低 这种影响对终端的上行发送来说尤其严重 终端的配置越来越多 功能越来越强大 导致对终端电源效率提出越来越高的要求 而电池技术却一直没有突破性进展 因此对终端的节能技术提出了越来越高的要求 LTE系统中上行链路采用SC FDMA技术 以期降低PAPR 提高功放效率 延长电池寿命 DFT S OFDM是SC FDMA的频域产生方式 是OFDM在IFFT调制前进行了基于傅立叶变换的预编码 上行SC FDMA技术 上行SC FDMA技术 和OFDMA相同 将传输带宽划分成一系列正交的子载波资源 将不同的子载波资源分配给不同的用户实现多址接入 注意不同的是 任一终端使用的子载波必须连续 考虑到多载波带来的高PAPR会影响终端的射频器件性能和电池寿命 LTE上行采用SC FDMA以改善PAPR SC FDMA的特点是 在采用IFFT将子载波转换成时域信号之前 先对信号进行了FFT转换 从而引入了部分单载波特性 降低了PAPR 上行SC FDMA技术 通过改变不同用户的DFT的输出到IDFT输入端的对应关系 输入数据符号的频谱可以被搬移至不同的位置 从而实现多用户多址接入 IFFT变换前的DFT操作是SC FDMA和OFDMA的最基本区别 目录 下行OFDM技术上行SC FDMA技术 多天线MIMO技术 TD LTE物理标准技术 发射分集空间复用波束赋形 物理帧结构物理信道终端测量量 TD LTE多址技术 多天线技术MIMO 多入多出 MultipleInputMultipleOutput MISO 多入单出 MultipleInputSingleOutput SISO 单入单出 SingleInputSingleOutput SIMO 单入多出 SingleInputMultipleOutput LTE的基本配置是DL2 2和UL1 2 最大支持4 4 LTE中最多可支持的天线配置为4 4 基本配置为2 2 LTE中MIMO有三种不同的使用方法 即空间复用 发射分集和多流波束赋形 具体使用哪种方案取决于信道状况 多天线技术 MIMO 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 SpatialSignature 利用解调技术 最终恢复出原数据流 多天线技术 MIMO 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 多天线技术 MIMO优点 多天线技术 MIMO的使用模式 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 发射分集就是在发射端使用多幅发射天线发射信息 通过对不同的天线发射的信号进行编码达到空间分集的目的 接收端获得比单天线高的信噪比 开环发射分集 闭环发射分集空时发射分集STTD 空频发射分集SFTD 循环延迟分集CDD 多天线技术 发射分集 多天线发射分集技术通过多个信道承载相同信息的多个副本 在接收端把多径信号进行接收合并 提高链路抗衰落的能力 从而降低了在同等平均接收信号强度下的误码率 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 由于多径传播 每个发射天线对于接收机产生不同的空间签名 接收机利用这些不同的签名分离出独立的数据流 最后再复用成原始数据流 因此空间复用可以成倍提高数据传输速率 通常而言 对于M发N收 数据率相对于1发1收最高可提高min M N 倍 多天线技术 空间复用 在发射端和接收端同时采用多天线 可以进一步提高信噪比和获得分集增益 灵活实现空间复用和空间分集 波束赋形的切换和整合 需采用自适应的MIMO方案 多天线技术 空间复用 空间复用分类 开环 Open Loop 空间复用 不管信道条件 采用固定的复数流数 由于MIMO信道的相关性有各种差异 开环空间复用的流间串扰有时很难消除 可能造成多流并行传输的性能比单天线传输还差 TM3 闭环 Close Loop 空间复用 发射端事先掌握信道的先验信息 采用适合无线信道现实条件的复数流数 可以灵活支持各种MIMO信道相关性 实现各种流数 保证空间复用的传输性能 简化接收端的干扰消除操作 TM4 空间复用的应用效果很大程度上取决于是否能够有效区分多个天线 如果天线间干扰较大 空间复用性能甚至差于单天线发送 空间复用只应用于下行业务信道 控制信道采用发送分集保证覆盖 多天线技术 波束成形 MIMO中的波束形成方式与智能天线系统中的波束形成类似 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 接收端再对收到的信号进行上行波束形成 抑制噪声和干扰 与常规智能天线不同的是 原来的下行波束形成只针对一个天线 现在需要针对多个天线 通过下行波束形成 使得信号在用户方向上得到加强 通过上行波束形成 使得用户具有更强的抗干扰能力和抗噪能力 因此 和发分集类似 可以利用额外的波束形成增益提高通信链路的可靠性 也可在同样可靠性下利用高阶调制提高数据率和频谱利用率 传统的智能天线 每个波束占用专用的时频资源 1个用户占用1个波束 TD SCDMA系统采用 多天线技术 波束成形 单用户多流波束成形 单个用户在某一时刻可以进行两个数据流传输 同时获得赋形增益和空间复用增益 可以获得比单流波束赋形技术更大的传输速率 进而提高系统容量 多用户多流波束成形 进行多用户匹配 多用户匹配完成后 按照一定的准则生成波束赋形矢量 利用得到的波束赋形矢量为每一个UE 每一个流进行赋形 利用了智能天线的波束定向原理 实现多用户的空分多址 多流波束赋形技术应用于信号散射体比较充分的条件下 是智能天线波束赋形技术 即单流波束赋形技术 和MIMO空间复用技术的有效结合 根据多天线理论可知 接收天线数不能小于空间复用的数据流数 8天线双流波束赋形技术的使用 接收端至少需要有2根天线 多天线技术 下行MIMO模式自适应切换 各种MIMO模式都有其特点和应用场景 实际通信时 由于用户的物理位置 信道环境 移动速度 业务类型等存在着很大的差异 单独使用哪种技术都不能最佳地发挥系统的性能 无线通信系统需要在不同的模式间自适应地切换 以适应信道环境等因素的改变 从而最大限度地提升系统的性能 满足用户高质量的通信要求 目录 下行OFDM技术上行SC FDMA技术 多天线MIMO技术 TD LTE物理标准技术 发射分集空间复用波束赋形 物理帧结构物理信道终端测量量 TD LTE多址技术 TD LTE基本情况 TD LTE帧结构 RB数 实际情况中 系统带宽决定了RB数量 1 4MHz系统 每时隙有6个RB 3MHz系统 每时隙有15个RB 5MHz系统 每时隙有25个RB 10MHz系统 每时隙有50个RB 15MHz系统 每时隙有75个RB 20MHz系统 每时隙有100个RB TD LTE帧结构 TD LTE帧结构特点 无论是正常子帧还是特殊子帧 长度均为1ms FDD子帧长度也是1ms 一个无线帧分为两个5ms半帧 帧长10ms 和FDDLTE的帧长一样 特殊子帧DwPTS GP UpPTS 1ms 转换周期为5ms表示每5ms有一个特殊时隙 这类配置因为10ms有两个上下行转换点 所以HARQ的反馈较为及时 适用于对时延要求较高的场景 转换周期为10ms表示每10ms有一个特殊时隙 这种配置对时延的保证略差一些 但是好处是10ms只有一个特殊时隙 所以系统损失的容量相对较小 TD LTE帧结构和TD SCDMA帧结构对比 TD LTE和TD SCDMA帧结构区别 时隙长度不同 TD L的子帧 相当于TD S的时隙概念 长度和FDDLTE保持一致 1ms 有利于产品实现以及借助FDD的产业链 在一些配置下 TD L的DwPTS可以传输数据 进一步增大小区容量TD L的调度周期为1ms 即每1ms都可以指示终端接收或发送数据 保证更短的时延 而TD S的调度周期为5ms TD L的特殊时隙有多种配置方式 DwPTS GP UpPTS可以改变长度 以适应覆盖 容量 干扰等不同场景的需要 TD LTE特殊子帧继承了TD SCDMA的特殊子帧设计思路 由DwPTS GP和UpPTS组成 TD LTE的特殊子帧可以有多种配置 用以改变DwPTS GP和UpPTS的长度 但无论如何改变 DwPTS GP UpPTS永远等于1ms TD LTE的特殊子帧配置和上下行时隙配置没有制约关系 可以相对独立的进行配置 目前厂家支持10 2 2 以提高下行吞吐量为目的 和3 9 2 以避免远距离同频干扰或某些TD S配置引起的干扰为目的 随着产品的成熟 更多的特殊子帧配置会得到支持 TD LTE特殊子帧结构 TD LTE与TD SCDMA系统共存要求 1 背景1 TDS四期工程部分厂商开始引入FA宽频RRU TDS五期全部厂商均推出FA宽频RRU 2 F A频段共用宽频功放 时隙配比必须对齐以避免上下行干扰 TD S 4 2 TD LTE 3 1 3 9 2 两个系统共存要求 上下行没有交叠 图中Tb Ta 则TD LTE的DwPTS必须小于0 525ms 16128Ts 只能采用3 9 2的配置 为避免干扰 特殊时隙只能采用3 9 2 DwPTS无法用来传输业务 共功放 TD LTE与TD SCDMA系统共存要求 2 TD S 3 3 TD LTE 2 2 10 2 2 两个系统共存要求 上下行没有交叠 图中Tb Ta 则TD LTE的DwPTS必须小于0 85ms 26112Ts 可以采用10 2 2的配置 或其他方式 TD LTE子帧 1ms 30720Ts10 2 2 21952Ts 4384Ts 4384Ts3 9 2 6592Ts 19744Ts 4384Ts TD SCDMA时隙 675usDwPTS 75usGP 75usUpPTS 125us D E频段为独立RRU或功放 时隙配比不受上述限制 可灵活配置 TD LTE物理 传输 逻辑信道 下行信道映射关系 上行信道映射关系 逻辑信道定义传送信息的类型 这些数据流是包括所有用户的数据 传输信道是在对逻辑信道信息进行特定处理后再加上传输格式等指示信息后的数据流 物理信道是将属于不同用户 不同功用的传输信道数据流分别按照相应的规则确定其载频 扰码 扩频码 开始结束时间等进行相关的操作 并在最终调制为模拟射频信号发射出去 不同物理信道上的数据流分别属于不同的用户或者是不同的功用 TD LTE物理 传输 逻辑信道 TD LTE物理信道配置 TD LTE同步信道SCH 同步信号用来确保小区内UE获得下行同步 同时 同步信号也用来表示小区物理ID PCI 区分不同的小区 P SCH 主同步信道 UE可根据P SCH获得符号同步和半帧同步 S SCH 辅同步信道 UE根据S SCH最终获得帧同步 消除5ms模糊度 每个无线帧中的两个S SCH构成成对序列 s1 s2 s1 s2 与cellidentitygroup一一对应 s2 s1 为错误序列 从而解决定时5ms的模糊度 时域结构 频域结构 PSS位于DwPTS的第三个符号SSS位于5ms第一个子帧的最后一个符号 SCH P S SCH 占用的72子载波位于系统带宽中心位置 TD LTE小区物理ID PCI LTE系统提供504 3个一组 168组 个物理层小区ID 即PCI 和TD SCDMA系统的128个扰码概念类似 网管配置时 为小区配置168组中某一组中的一个 0 503 即可 即可通过CellID的规划可以避免相邻小区CRS的碰撞 基本概念 小区ID获取方式 在TD SCDMA系统中 UE解出小区扰码序列 共有128种可能性 即可获得该小区物理IDLTE的方式类似 UE需要解出两个序列 主同步序列 PSS 即主同步信道P SCH中传播的序列 共有3种可能性 辅同步序列 SSS 即辅同步序列S SCH中传播的序列 共有168种可能性 由两个序列的序号组合 即可获取该小区ID 1 因为PCI和小区同步序列关联 并且多个物理信道的加扰方式也和PCI相关 所以相邻小区的PCI不能相同以避免干扰 即所谓的 避免PCI冲突 2 切换时 UE将报告邻小区的PCI和测量量 如果服务小区有两个邻区都使用同样的PCI 则服务小区无法分辨UE到底应该切往哪个邻小区 所以 任意小区的所有邻区都应有不同的PCI 即所谓的 避免PCI混淆 3 主同步序列的值 共3种可能性 决定了参考信号 RS 在PRB内的位置 所以相邻小区 尤其是对打的小区 应尽量避免配置同样的主同步序列值 以错开RS之间的干扰 即所谓的 PCI模3不等 原则 配置原则 TD LTE广播信道PBCH 频域 对于不同的系统带宽 都占用中间的1 08MHz 72个子载波 时域 映射在每5ms无线帧的subframe0的第二个slot的前4个OFDM符号上周期 40ms 每10ms重复发送一次 终端可以通过4次中的任一次接收解调出BCH PBCH 广播信道 广播消息MIB SIB MIB在PBCH上传输 包含了接入LTE系统所需要的最基本的信息 系统带宽系统帧号 SFN PHICH配置天线数目 TD LTE下行PHICH PCFICH 指示上行传输数据是否正确收到采用BPSK调制 指示PDCCH的占几个symbol 1 2或3 在每子帧的第一个OFDM符号上发送 采用QPSK调制 指示一个子帧中用于传输PDCCH的OFDM符号数 传输格式 占用4个REG 均匀分布在整个系统带宽 随物理小区ID PCI 不同而在频域位移不同位置 以便随机化干扰 PCFICH 物理层控制格式指示信道 PHICH 物理HARQ指示信道 TD LTE下行控制信道PDCCH 频域 所有子载波时域 每个子帧的前n个OFDM符号 n 3用于发送上 下行调度信息 功控命令等通过下行控制信息块DCI下发命令 不同用户使用不同的DCI资源 自适应CCE配置 近端1CCE 远端8CCE PDCCH 物理下行控制信道 DCI占用的物理资源可变 范围为1 8个CCE DCI占用资源不同 则解调门限不同 资源越多 解调门限越低 覆盖范围越大 PDCCH可用资源有限 单个DCI占用资源越多 将导致PDCCH支持用户容量下降 针对每个DCI可以进行功控 以达到降低小区间干扰和增强覆盖的目的 TD LTE物理随机接入信道PRACH 初期引入建议 考虑初期应用场景为城区 Format0和4即可满足覆盖要求 故初期仅要求格式0和4 PRACH格式 每小区的Preamble码共64个 分为 竞争 和 非竞争 两种类型 建议 竞争 非竞争两种接入类型均要求 在切换场景下使用非竞争接入 PRACH 物理随机接入信道 接入类型建议 频域 1 08MHz带宽 72个子载波 时域 普通上行子帧中 Format0 3 及UpPTS Format4 每10ms无线帧接入0 5 6次 每个子帧采用频分方式可支持多个随机接入资源 TD LTE物理上行控制信道PUCCH 供UE传输控制信息 包括CQI ACK NAK反馈 调度请求等 频域 在带宽最外侧 一个PUCCH信道由1个RBpair组成 位于上行子帧的两边边带上 在子帧的两个slot上下边带跳频 获得频率分集增益 时域 普通上行子帧 通过码分复用 可将多个用户的控制信息在同一个PUCCH资源上发送 上行容量与吞吐量是PUCCH的RB资源个数与PUSCH的RB资源个数的折中 如果某个用户的PUSCH在该子帧获得调度 则该用户对应的PUCCH可以夹带在PUSCH资源中传输 PUCCH 上行物理控制信道 控制信道示意图 TD LTE上下行资源单位 RE 最小资源粒子 频域占一个子载波 时域占一个OFDM符号REG REgroup 控制信号资源粒子组 由多个RE构成CCE ControlChannelElement PDCCH资源粒子 1个CCE由9个REG构成RB ResourceBlock 时域上1个时隙 频域上12个子载波 调度最小粒子RBG ResourceBlockGroup 分配给用户的资源块组 TD LTE下行参考信号CRS DRS 两天线端口示意图 DRS 专用参考信号 CRS 公共参考信号 天线端口5示意图 TD LTE上行参考信号DMRS SRS 可以在普通上行子帧上传输 也可以在UpPTS上传输 位于上行子帧的最后一个SC FDMA符号 eNB配置UE在某个时频资源上发送sounding以及发送sounding的长度 DMRS 解调参考信号 在PUCCH PUSCH上传输 用于PUCCH和PUSCH的相关解调 ForPUSCH每个slot 0 5ms 一个RS 第四个OFDMsymbol ForPUCCH ACK每个slot中间三个OFDMsymbol为RS ForPUCCH CQI每个slot两个参考信号 SRS 探测参考信号 Sounding作用上行信道估计 选择MCS和上行频率选择性调度TDD系统中 估计上行信道矩阵H 用于下行波束赋形 Sounding周期由高层通过RRC信令触发UE发送SRS 包括一次性的SRS和周期性SRS两种方式周期性SRS支持2ms 5ms 10ms 20ms 40ms 80ms 160ms 320ms八种周期 TD LTE与TD SCDMA参考信号对比 用于估计上行信道频域信息 做频率选择性调度用于估计上行信道 做下行波束赋形 用于上行控制和数据信道的相关解调 信道估计 测量 位于每个时隙数据部分之间估计上行信道 做下行波束赋型 下行导频 用作信道估计 仅出现于波束赋型模式 用于UE解调 用于下行信道估计 及非beamforming模式下的解调 调度上下行资源用作切换测量 TD LTE TD SCDMA 下行参考信号 上行参考信号 CRS DRS DMRS SRS TS0时隙Midamble 业务时隙Midamble 相同点 都是公共导频 分布于全带宽内