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第二章TD LTE关键技术 LTE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 PRACH 2 目录 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 3 扁平RAN架构 4 LTE接入网络的简化 5 目录 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 6 2种帧结构 7 2种TDD帧结构的融合 8 TD LTE帧结构上下行配比 9 TD LTE帧结构特殊时隙结构 10 目录 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 11 LTE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 12 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 QoE 13 目录 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 14 OFDM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 15 OFDM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 16 OFDM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 17 OFDM调制的核心操作 18 OFDM是为了用于多径衰落信道而设计的 19 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 20 应对符号间干扰 插入CP 21 OFDM的优势 22 OFDM的潜在问题 23 OFDM参数设计 需要设计的参数 频域 子载波间隔 资源块大小CP长度 时隙 子帧长度 24 OFDM子载波间隔 f设计 f不能太小 必须能容忍需要支持的车速下的多普勒频移 器件相位噪声相对影响很小 f不能太大 T过小 则CP开销过大典型 f值 10 20kHzLTE 15kHz 符号长度66 67 s WiMAX 10 98kHz UMB 9 6kHz 25 OFDMCP长度设计 CP不能太小 必须能覆盖主要多径的时延扩展 容忍一定的定时误差 CP不能太大 开销过大CP可以采用多个选项 LTE 常规CP 4 687ms扩展CP 16 67ms超长CP 33 33ms 26 复用和多址的概念 27 从FDM FDMA到OFDM OFDMA 28 目录 TD LTE无线关键技术1个架构2个帧结构3个核心技术 MIMO4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 29 MIMO的定义 广义定义 多进多出 Multiple InputMultiple Output 多个输入和多个输出既可以来自于多个数据流 也可以来自于一个数据流的多个版本 按照这个定义 各种多天线技术都可以算作MIMO技术狭义定义 多流MIMO 提高峰值速率多个信号流在空中并行传输按照这个定义 只有空间复用和空分多址可以算作MIMO特例 SIMO 单进多出 和MISO 多进单出 30 MIMO技术的分类 从MIMO的效果分类 空间分集 SpatialDiversity 利用较大间距的天线阵元之间或赋形波束之间的不相关性 发射或接收一个数据流 避免单个信道衰落对整个链路的影响 波束赋形 Beamforming 利用较小间距的天线阵元之间的相关性 通过阵元发射的波之间形成干涉 集中能量于某个 或某些 特定方向上 形成波束 从而实现更大的覆盖和干扰抑制效果 空分复用 SpatialMultiplexing 利用较大间距的天线阵元之间或赋形波束之间的不相关性 向一个终端 基站并行发射多个数据流 以提高链路容量 峰值速率 空分多址 SDMA 利用较大间距的天线阵元之间或赋形波束之间的不相关性 向多个终端并向发射数据流 或从多个终端并行接收数据流 以提高用户容量 从是否在发射端有信道先验信息分 CQI不算 闭环 Close Loop MIMO 通过反馈或信道互异性得到信道先验信息开环 Open Loop MIMO 没有信道先验信息 31 空间分集基本原理 32 空间分集的分类 通过天线之间的不相关性 天线间距通常10 以上 采用多个天线发射或接收一个数据流 避免单个信道衰落对整个链路的影响 分集的目的是提高链路质量 BLER 而非提高链路容量 但可以通过改进链路预算 增大小区覆盖 接收分集 采用多个天线接收一个信号流 避免单个天线陷入深度衰落 最广泛采用的MIMO技术发射分集 采用多个天线发送一个信号流 避免单个天线陷入深度衰落 简单分集 多个天线发送完全相同的样本 不需要标准化 编码分集 多个天线发送一个数据流的不同版本 如不同相位 选择分集 在同一时间只选择一个信道较好的天线发送 经常用于终端侧 适于只有一个发射功放的终端 波束分集 由预编码赋形波束 而非实体天线进行分集操作发射分集一般采用开环方式 所以非常适合在广播信道 控制信道中及高速移动场景中采用 此时尚无法获得信道反馈 33 空间分集算法 最常用的发射分集技术包括 空时块码 STBC Space TimeBlockCodes 空频块码 SFBC Space FrequencyBlockCodes 循环延迟分集 CDD CyclicDelayDiversity 天线阵元之间采用不同的发射延迟 加强信道的频率选择性 以获得更大的频域调度增益和频率选择性增益 34 空间复用基本原理 35 空间复用要求的天线类型 36 空间复用的干扰问题 可以看到 空间复用的应用效果取决于是否能有效区分多个天线 如果天线间干扰过大 甚至性能差于单天线发送 解决方法 事后处理 干扰消除 性能好的算法复杂度较高 如迭代干扰消除事前处理 自适应MIMO 在天线相关性较高的场景 降低复用流数 甚至退化到单流 此时多余的天线还可以用来进行空间分集或波束赋形 37 空间复用的应用场景 拉大天线间距也不能保证天线信道之间的低相关性 还取决于是否有足够的散射体为多个天线提供足够的信道差异 富散射环境 基站或 和终端周围的散射体很多 存在相当数量的NLOS径 角度扩展较大 比较容易生成信道差异 非富散射环境 基站和终端周围的缺乏足够的散射体 NLOS径很少 角度扩展较小 很难生成信道差异 观点 MIMO只能用于室内 MIMO只能用于微小区 对传统网规的挑战 选址的原则可能改变 38 空间复用技术分类 解决空间复用适用性 灵活实现空间复用和空间分集 波束赋形的切换和整合 需采用闭环自适应MIMO方法 开环 Open Loop 空间复用不管信道条件 采用固定的复用流数 由于MIMO信道的相关性有各种差异 能够支持的复用层数也不同 所以开环空间复用的流间串扰有时很难消除 性能很难保证 可能造成多流并行传输的性能比单天线传输还差 闭环 Close Loop 空间复用发射端事先掌握信道的先验信息 通常通过基于SoundingRS的信道探测获得 采用适合无线信道现实条件的复用流数 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 最常用的闭环空间复用技术 预编码 Precoding 技术通过预编码矩阵动态配置各发射天线的发射权值和相位 形成和信道条件相匹配的流数 通常用信道相关矩阵的秩指示 的 波束 和 波束赋形 的波束生成方法相似 但内在原理不同 39 预编码空间复用 码本预编码 主要用于FDD系统 系统将可能会使用的典型预编码向量变成一个 码本 codebook 终端根据基站发送的RS对信道进行探测 在码本中选择最适合的预编码向量 将其编号 PMI 反馈给基站 基站根据PMI从码本中选择对应的预编码向量进行传输 非码本预编码 主要用于TDD系统 由于上下行信道具有互异性 激战可以通过终端的探测RS对上行信道进行探测 直接生成适合的预编码矩阵 不受码本容量的限制 用于下行预编码传输 40 波束赋形基本原理 利用较小间距的天线阵元之间的相关性 天线间距通常为 2 通过阵元发射的波之间形成干涉 集中能量于某个 或某些 特定方向上 形成波束 从而实现更大的覆盖和干扰抑制效果 41 其他类型的波束赋形天线 42 波束赋形的分类 波束赋形包括 动态波束赋形 俗称智能天线 固定波束赋形 又称高阶扇区化 43 波束赋形算法 和预编码技术相似 波束赋形系统的波束也是通过预编码方法生成的 但和码本预编码MIMO不同 动态波束赋形的权值仅仅需要匹配信道的慢变化 比如来波方向 DirectionOfArrival DOA 和平均路损 因此生成的是实际波束 而预编码技术生成的是虚拟的波束 在TDD系统中 可以不依赖终端来反馈所需信息 来波方向和路损信息可以在基站侧通过测量上行接收信号获得 比FDD系统更有利于波束赋形的使用 44 多流波束赋形 基于波束赋形的空间复用 45 空分多址的原理 利用较大间距的天线阵元之间或赋形波束之间的不相关性 向多个终端并向发射数据流 或从多个终端并行接收数据流 以提高用户容量 又可以称为多用户MIMO MU MIMO 相对单用户MIMO SU MIMO 空分多址可以获得更大的多用户分集增益 也更适合于用户数量较多 数据率较低的情况 如提高VoIP用户容量 46 上行和下行空分多址 下行空分多址 基站将多个空间复用流分给多个终端 使其可以共享相同的时频资源 上行空分多址 多个终端共享相同的时频资源向基站发送 47 空分多址的实现 基于预编码的空分多址 下行空分多址 如果2个终端反馈的PMI现实他们的预编码向量具有较好的正交性 如两个预编码向量处于码本的1个预编码矩阵中 则可以将这2个用户 配成一对 进行空间多址传输 基站也可以根据需要 对选中不完全正交的PMI的用户进行强制配对 overriding 虽然配对的效果会受到影响 但仍可能提高用户容量 上行空分多址 通常采用较简单的方法上行空分多址 多个终端共享相同的时频资源向基站发送 当每个用户只采用单天线发送时 也可称为 虚拟MIMO VirtualMIMO 可以采用各种技术实现 预编码配对虚拟发射分集虚拟天线选择 48 LTE系统对MIMO技术的使用 映射关系 Mapping 天线端口 AntennaPort 层 Layer 码字 CodeWord 4种技术发射分集 下行 2天线 SFBC4天线 SFBC FSTD空间复用 下行 单用户MIMO SU MIMO 开环空间复用 大延迟CDD闭环空间复用 自适应预编码 码本 最多4个层 2个码字波束赋形 下行 非码本预编码主要用于TD LTE单层 R9会扩展到2层 R10 LTE Advanced 会扩展到多层 空间多址 上行 下行 多用户MIMO MU MIMO 7种传输模式 TransmissionMode 3种反馈 CQI RI PMI 49 目录 TD LTE无线关键技术1个架构2个帧结构3个核心技术 小区间干扰抑制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 50 OFDM小区间干扰抑制技术 OFDM系统本身不提供小区间多址能力 可以通过几种方法抑制小区间干扰 小区间加扰 包括扩频后加扰 如CDMA干扰协调 相邻小区在小区边缘使用不同的频率资源干扰消除 多用户检测智能天线 自然具有一定干扰回避的效果正交序列 如零相关序列 51 干扰随机化 52 干扰消除和智能天线 53 小区间干扰协调 静态半静态 下行 基于X2接口动态 上行 基于X2接口 54 基于正交序列的小区间干扰抑制 CAZAC序列 多径环境中的零相关 低相关序列Zadoff Chu序列是最常用的CAZAC序列 采用不同的ZC序列或不同的ZC序列循环位移版本 可以获得低相关性 用于LTE的参考信号 控制信道等 55 目录 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 56 LTE资源分配单位 基本资源单位 RE 资源粒子 1个OFDM符号 1个子载波 颗粒度过细 无法使用 共享信道资源单位 资源块 RB 时隙长度要满足延迟要求LTE 0 5ms频域上取决于最小数据流 如VoIP 的需要LTE 12个子载波1个RB对 2个RB 1ms 下行控制信道资源单位 资源粒度更小1个REG 4个RE1个CCE 9个REG 57 频分系统资源分配方式 资源分配可分为2种 Localized和DistributedLocalized 通过频域调度获得调度增益和多用户增益Distributed 通过扩展频谱获得频率分集增益可通过从虚拟资源块 VRB 向物理资源块 PRB 的映射实现 PRB总是Localized的 VRB分为LVRB和DVRB 58 LTE的资源分配 4种资源分配方式 下行集中式分配 Localized 下行分布式分配 Distributed 上行集中式分配上行跳频调度方式 频率选择性调度基于CQI反馈进行调度半持续调度 SPS Semi PersistentScheduling 在激活SPS时 系统固定使用预定的调度资源 直至SPS去激活 主要用于VoIP业务 类似用调度实现的 电路域传输 调度算法 RoundRobinMAXC IProportionalFair 59 PDSCH资源分配方式 通过PRB 物理资源块 和VRB 虚拟资源块 2阶资源指示结构来实现 集中式 1个VRB对映射到1个localized的PRB对分布式 1个VRB对映射到2个distributed的PRB对仍以RB为单位 并没有形成梳状频谱 60 PDSCH资源指示方式 三种资源指示方式Type1 Bitmap方式 用于集中式映射Type2 分组指示方式 用于分布式映射Type3 Compact方式 树状指示 用于2种方式 61 PUSCH资源分配方式 集中式分配跳频分配Intra TTIhoppingInter TTIhopping 62 目录 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 63 5个物理过程 无线系统的物理过程尤为复杂 也非常重要 因为 适应无线信道的不断变化 调整系统参数 针对各种自适应操作 完成各种配置的预设和调整 当终端移动时 实现切换和漫游 在终端开机 重新激活时 和系统 握手 LTE定义的物理过程 小区搜索随机接入功率控制测量共享信道物理过程 64 目录 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 小区搜索6 1个天线端口7 2个传输模式8个物理信道 65 小区搜索和下行同步 3种目的 下行同步 子帧时钟 帧时钟小区ID获取 504个ID 3 168BCH解调信息2种信号 PSS和SSS时频位置 时域FDD和TDD的不同频域位于中央序列设计 PSS 频域Zadoff Chu序列SSS 2进制M序列 66 同步信号时域位置 67 同步信号总是位于系统带宽的中心 68 目录 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 随机接入6 1个天线端口7 2个传输模式8个物理信道 69 随机接入和上行同步 随机接入的目的 获得上行同步信息 TA获得系统的上行传输资源分配信息随机接入的场景 开机Idle Active切换随机接入需要解决的问题 在上行失步情况下进行上行发送 无法控制终端距离基站远近差异造成的接收窗错位 时域采用特殊的Preamble结构多个终端同时发起接入 造成碰撞采用低相关性序列 ZC序列 只用于同步 不携带信息 上行同步保持TA的周期性获取同步随机接入 即上行资源请求 70 随机接入设计 随机接入Preamble的时频资源频域 PUCCH内侧时域 可配置随机接入流程 71 目录 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 功率控制6 1个天线端口7 2个传输模式8个物理信道 72 OFDM系统中功控的作用 功控对小区内性能贡献不大 OFDM在小区内为正交传输 不存在CDMA系统中的远近效应功控只能用于补偿路损和阴影 因此只需采用慢功控采用功控反而可能扰乱CQI 信道质量指示 的反馈 和频域调度有一定矛盾LTE下行不采用功控 上行采用慢功控OFDM系统中的功控主要用于抑制小区间干扰适当减小在可能对相邻小区产生干扰的RB上的发射功率或者说 避免在可能对相邻小区产生干扰的RB上随意增大功率对路损进行补偿 部分功控 73 LTE系统中的功率控制 下行无功控 采用功率分配 RSRE和数据RE的功率比RSpowerboostingRNTP测量上行功控 用于路损补偿和小区间干扰协调 部分功控 通过PDCCH中的TPC信令进行功率控制PUSCH功控UE上报功控余量PUCCH功控SRS功控 高层控制的半静态功控PRACH功控 开环功控 74 目录 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 测量6 1个天线端口7 2个传输模式8个物理信道 75 测量 基站侧 用于小区间干扰协调的测量 HII测量OI测量终端侧 和切换相关的测量 RSSI 系统带宽内场强 主要用于干扰测量 RSRP 某些RB内的接收功率 主要用于切换时判断信号强度 RSRQ 某些RB内的SINR 更精确的切换判据 同频测量 异频测量周期性上报 事件触发型上报 76 目录 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 共享信道物理过程6 1个天线端口7 2个传输模式8个物理信道 77 共享信道相关过程 共享信道过程PDSCH相关过程PUSCH相关过程共享信道相关的主要操作是数据的传输和自适应 数据收发调度 频域资源分配调度 自适应MIMO配置自适应调制与编码 AMC HARQCQI RI PMI的反馈 78 AMC 和CDMA系统不同 OFDM系统可以在不同频带采用不同的调制编码方式 MCS 不同频带上分别测量 反馈CQI选择一 1个用户的所有RB采用均一MCS 性能差一些 但信令少选择二 1个用户的不同RB采用不同MCS 性能好一些 但信令多LTE采用选择一 因为选择二性能增益不明显CQI是通过信道探测 Sounding 采用信道探测RS 得到的 AMC适合调度 功控 自适应MIMO HARQ等一起 由基站调度器同时实施的 79 LTE采用的调制编码方式 调制 下行 BPSK QPSK 16QAM 64QAM上行 BPSK QPSK 16QAM 64QAM 可选 信道编码 数据信道 Turbo码控制信道 卷积码 80 HARQ 在LTE系统中 采用Stop And WaitHARQ HARQ类型下行采用异步的自适应HARQ上行采用同步HARQHARQ算法 CC ChaseCombining 数据重发 获得能量积累 逐渐提高解码SINR IR 增量冗余 逐步发送不同的冗余版本 逐步降低信道编码速率 逐渐提高编码增益 81 HARQ时序控制 HARQ进程数 取决于一个HARQ进程的RTTMultipleACK NACK 由于TDD系统并非在希望反馈ACK NACK时总能碰到合适的 时隙 因此需要在将多个ACK NACK一并发送 两种方式 ACK NACKmultiplexingACK NACKBundling 82 目录 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 83 下行6个天线端口 天线端口以参考信号 RS 进行区分UE可以根据RS区分不同的 天线 84 OFDM参考符号设计 信道估计是接收机均衡 检测 解调接收信号的基础 发射机通过一组接收机已知的导频 又称参考符号 RS 对信道进行探测 接收机基于参考符号逆向解出信道响应OFDM系统需要估计信道的频域响应和时域变化为了降低开销 只能在少数RE上放置RS没有放置RS的RE上的信道响应可以通过内插等拟合方法估计根据时域和频域响应变化的剧烈程度不同 可参用不同的RS结构 85 LTE下行参考信号设计 在典型场景下 通常信道在时域和频域上都具有一定的相干时间和相干带宽 只要到RS的间隔不小于相干时间和相干带宽 都可以通过内插获得比较准确的信道响应 因此LTE系统普遍采用离散结构RSLTE单天线下行RS结构如下 86 MIMO系统参考信号设计 MIMO系统中 接收机需要估计MIMO信道 因此需要对OFDMRS进行扩展 适应MIMO信道估计的需要 发送分集 空间复用由于采用扇区全向天线发送 因此通常采用公共RS 向小区内所有用户发送 用于MIMO解调 MIMORS设计的核心 是如何区分多个天线的RS 使接收端可以对各个天线的无线信道进行估计 由于信道估计是信号解调的基础 因此多个天线的RS之间应该尽可能避免干扰 多个天线的RS可以采用TDM 时分复用 FDM 频分复用 或CDM 码分复用 方式区分 但一般采用正交性更好的TDM和FDM方式 但是 当考虑很多数量的天线时 如8个发射天线 单纯采用TDM和FDM方式可能开销太大 也可以辅助以CDM方法 87 天线端口0 3 天线端口0 3 用于4天线端口的空间复用公共导频 cell specificRS 端口0 1同时可用于PDCCH6个频域位移位置 最近6个小区可FDM更大数量小区的参考符号采用扰码进一步区分 88 天线端口0 3相邻小区之间的频域位移 89 天线端口4 天线端口4 用于MBSFN频域上更密集 用于SFN更强的频率选择性广播和单播混合系统的RS15kHz子载波 前两列单播RS保留 用于PDCCH解调独立载波MBMS系统的RS7 5kHz 90 天线端口5 天线端口5 用于Beamforming专用导频 UE specific BeamformedRS 从终端侧看来 等效于单天线主要用于TDD系统 上行Sounding结果可用于下行 91 上行天线端口 参考符号设计 为了保证上行SC FDMA的单载波特性 上行RS和PUSCH采用TDM复用 上行DMRS位于每个5ms时隙的第3个符号 占用所有等效子载波 92 上行参考符号序列设计 LTE小区内用户间上行RS可采用FDM自然区分 MU MIMO除外 上行RS序列设计主要实现小区之间的复用 采用Zadoff Chu序列采用ZC序列规划 相