TD-LTE关键技术讲稿PPT课件.ppt

TD LTE关键技术及特点 中国移动设计院四川分院无线所赵明峰博士 提纲 2004年11月 3GPPRANFurtherEvolutionWorkshop2004年12月 3GPP通过EvolvedUTRA UTRANSI立项 RAN 26 RP 040461 2006年6月 3GPP通过3GLong TermEvolutionWI立项 RAN 32 RP 060426 2007年10月 ITU R征集IMT Advanced 4G 技术方案2008年3月 3GPP通过LTE AdvancedSI立项 RAN 39 RP 080137 2008年4月 3GPPworkshoponIMT Advanced2010年11月 3GPPLTE Advanced Rel 10 被ITU R接受为4G技术2012年6月 3GPPWorkshoponRelease12andOnward LTE起源与里程碑 LTE设计目标与需求 设计高速率 低时延和包交换优化的无线接入技术 3GPPLTE LTE A标准化时间表 LTE LTE A各版本关键技术演进 LTERel 8 LTERel 9 LTE ARel 10 LTE ARel 11 LTE增强版本 LTE基本版本 LTE A基本版本 LTE A增强版本 Positioning DLMIMOEnhancement ULMIMO Relay CoMP MobileRelay HeterogeneousNetwork CAenhancement MIMOenhancement TDDenhancement Duallayerbeamforming TD LTE网络结构 TD L与TD S网络结构比较TD L没有基站控制器 RNC BSC E NodeB完成RNC NodeB的功能扁平化网络结构的优点时延大幅缩短 用户接入时延从2S 100ms 业务端到端时延100ms 20ms减少网络建设投资 TD LTE网络结构 TD SCDMA网络结构 提纲 OFDM发展历史 受制于数字信号处理能力的相应芯片成熟度 OFDM概述 正交频分复用技术 多载波调制的一种 将一个宽频信道分成若干正交子信道 将高速数据信号转换成并行的低速子数据流 调制到每个子信道上进行传输 概念 宽频信道 正交子信道 FDM OFDM 传统FDM 为避免载波间干扰 需要在相邻的载波间保留一定保护间隔 大大降低了频谱效率 OFDM 各 子 载波重叠排列 同时保持 子 载波的正交性 通过FFT实现 从而在相同带宽内容纳数量更多 子 载波 提升频谱效率 实质就是频谱效率的显著提升 OFDM优势 对比TD CDMA 考虑到系统设计的复杂程度及成本 OFDM更适用于宽带移动通信 OFDM不足 OFDM输出信号是多个子载波时域相加的结果 子载波数量从几十个到上千个 如果多个子载波同相位 相加后会出现很大幅值 造成调制信号的动态范围很大 因此对RF功率放大器提出很高的要求 较高的峰均比 PARP 受频率偏差的影响 高速移动引起的Doppler频移系统设计时已通过增大导频密度 大致为每0 25ms发送一次导频 时域密度大于TD S 来减弱此问题带来的影响 子载波间干扰 ICI 折射 反射较多时 多径时延大于CP CyclicPrefix 循环前缀 将会引起ISI及ICI系统设计时已考虑此因素 设计的CP能满足绝大多数传播模型下的多径时延要求 4 68us 从而维持符号间无干扰 受时间偏差的影响 ISI 符号间干扰 ICI LTE多址方式 下行 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 因为子载波相互正交 所以小区内用户之间没有干扰 峰均比示意图 下行多址方式 OFDMA 下行多址方式特点 同相位的子载波的波形在时域上直接叠加 因子载波数量多 造成峰均比 PAPR 较高 调制信号的动态范围大 提高了对功放的要求 频率 时间 用户A 用户B 用户C 子载波 在这个调度周期中 用户A是分布式 用户B是集中式 LTE多址方式 上行 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 注意不同的是 任一终端使用的子载波必须连续 上行多址方式 SC FDMA 上行多址方式特点 考虑到多载波带来的高PAPR会影响终端的射频成本和电池寿命 LTE上行采用SingleCarrier FDMA 即SC FDMA 以改善峰均比 SC FDMA的特点是 在采用IFFT将子载波转换为时域信号之前 先对信号进行了FFT转换 从而引入部分单载波特性 降低了峰均比 频率 时间 用户A 用户B 用户C 子载波 在任一调度周期中 一个用户分得的子载波必须是连续的 受限于终端的处理能力和成本及功耗 上下行资源单位 频率 CCE ControlChannelElement CCE 9REG REG REgroup 资源粒子组 REG 4RE RE ResourceElement LTE最小的时频资源单位 频域上占一个子载波 15kHz 时域上占一个OFDM符号 1 14ms RB ResourceBlock LTE系统最常见的调度单位 上下行业务信道都以RB为单位进行调度 RB 84RE 左图即为一个RB 时域上占7个OFDM符号 频域上占12个子载波 时间 1个OFDM符号 1个子载波 LTERB资源示意图 多天线技术 分集 空间复用和波束赋形 多路信道传输同样信息 多路信道同时传输不同信息 多路天线阵列赋形成单路信号传输 包括时间分集 空间分集和频率分集提高接收的可靠性和提高覆盖适用于需要保证可靠性或覆盖的环境 理论上成倍提高峰值速率适合密集城区信号散射多地区 不适合有直射信号的情况 波束赋形 Beamforming 发射分集 分集合并 通过对信道的准确估计 针对用户形成波束 降低用户间干扰可以提高覆盖能力 同时降低小区内干扰 提升系统吞吐量 空间复用 LTE传输模式 概述 传输模式是针对单个终端的 同小区不同终端可以有不同传输模式eNB自行决定某一时刻对某一终端采用什么传输模式 并通过RRC信令通知终端模式3到模式8中均含有发射分集 当信道质量快速恶化时 eNB可以快速切换到模式内发射分集模式 LTE传输模式 发射分集 Mode2 频率偏移发射分集 空频块编码 天线端口0传原始调制符号天线端口1传原始符号的变换符号 天线端口0与2 1与3 为一个天线端口对 二者之间为SFBC 天线端口0与1在频域上交替传送原始信号 二者之间为FSTD 2与3传送相应的交换信号 亦为FSTD 发射分集利用了天线间的弱相关性 在天线对上传送原始信号及其变换符号 一般为原始符号的共轭 提高信号传输的可靠性 既可用于业务信道 又可用于控制信道 两天线端口 SFBC 四天线端口 SFBC FSTD LTE传输模式 空间复用 Mode3 4 6 普通的空间复用 接收端和发送端无信息交互 基于非码本的预编码 基于终端提供的SRS 探测参考信号 或DMRS 解调参考信号 获得的CSI 基站自行计算出预编码矩阵基于码本的预编码 基于终端直接反馈的PMI 预编码矩阵索引号 从码本中选择预编码矩阵 空间复用利用了天线间空间信道的弱相关性 在相互独立的信道上传送不同的数据流 提高数据传输的峰值速率只应用于下行业务信道 为了确保传输 控制信道普遍采用发送分集 开环空间复用 闭环空间复用 LTE传输模式 波束赋形 Mode7 8 波束赋型只应用于业务信道控制信道仍使用发射分集保证全小区覆盖 类比于TD SCDMA中PCCPCH也是广播发射 可以不需要终端反馈信道信息平均路损和来波方向可通过基站测量终端发射的SRS SoundingReferenceSignal 探测参考信号 类比于TD SCDMA里的midamble码 两个波束传递相同信息 获得分集增益 赋型增益 两个波束传递不同信息 获得复用增益 赋型增益 产生定向波束 获得赋型增益 定义 波束赋型是发射端对数据先加权再发送 形成窄的发射波束 将能量对准目标用户 提高目标用户的信噪比 从而提高用户的接收性能 特点 单流beamforming 双流beamforming 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 TD LTE上下行配比表 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 子帧 1ms 0 特殊子帧 1ms 2 3 4 GP UpPTS TD LTE半帧 5ms TD LTE和TD SCDMA帧结构主要区别 时隙长度不同 TD LTE的子帧 相当于TD S的时隙概念 长度和FDDLTE保持一致 有利于产品实现以及借助FDD的产业链TD LTE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 在某些配置下 TD LTE的DwPTS可以传输数据 能够进一步增大小区容量TD LTE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 SCDMA的调度周期为5ms 特殊子帧 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 物理信道简介 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 逻辑 传输 物理信道 信的内容 平信 挂号或快递 写上地址 贴好邮票的信件 物理信道配置 PCFICH PHICH配置 PHICH的传输以PHICH组的形式 PHICH组的个数由PBCH指示 Ng 1 6 1 2 1 2 PHICH组数 Ng 100 8 整数 取上限 3 7 13 25 PHICHmin 3PHICHmax 25采用BPSK调制 传输上行信道反馈信息 指示PDCCH的长度信息 1 2或3 在子帧的第一个OFDM符号上发送 占用4个REG 均匀分布在整个系统带宽 采用QPSK调制 携带一个子帧中用于传输PDCCH的OFDM符号数 传输格式 小区级shift 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 PDCCH配置 覆盖 频域 占用所有的子载波时域 占用每个子帧的前n个OFDM符号 n 3PDCCH的信息映射到控制域中除了参考信号 PCFICH PHICH之外的RE中 因此需先获得PCFICH和PHICH的位置之后才能确定其位置 用于发送上 下行资源调度信息 功控命令等 通过下行控制信息块DCI承载 不同用户使用不同的DCI资源 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 36个RE CCE DCI占用资源不同 则解调门限不同 资源越多 需求的解调门限越低 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 PDCCH配置 容量 以3symbol PHICH组数 3为例 可计算出用于PDCCH的CCE总数 3600 16 12 400 36 88CCE 根据用户占用不同CCE个数 可计算出每毫秒可调度次数 88 1 88 88 2 4488 4 22 88 8 11 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 以两天线端口为例计算PDCCH在20MHz带宽下可调度用户数 支持用户数的计算假定 用户每10ms被调度一次用户分布如下 10 用户采用1CCE20 用户采用2CCE20 用户采用4CCE50 用户采用8CCE PRACH配置 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 频域 1 08MHz带宽 72个子载波 与PUCCH相邻时域 位于UpPTS format4 及普通上行子帧中 format0 3 每10ms无线帧接入0 5 6次 每个子帧采用频分方式可传输多个随机接入资源 长度配置 LTE中有两种接入类型 竞争和非竞争 两种类型共享接入资源 前导码 共64个 需要提前设置 初期建议 竞争 非竞争两种接入类型均要求 配置保证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 PUCCH配置 传输上行用户的控制信息 包括CQI ACK NAK反馈 调度请求等 一个控制信道由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PUCCH重复编码 获得接收分集增益 增加解调成功率通过码分复用 可将多个用户的控制信息在同一个PDCCH资源上发送 上行容量与吞吐量是PUCCH个数与PUSCH个数的折中 PUCCH 上行物理控制信道 控制信道示意图 参考信号 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 下行导频 用作信道估计 用作同步 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 DWPTS Midamble码 相同点 都是公共导频 分布于全带宽内不同点 CRS还可用作非beamforming模式下的解调 相同点 主要用于业务信道的解调不同点 TD L系统是宽带系统 本身存在多个子载波 故DRS及DMRS分布于用户占用的子载波带宽内 DRS 仅用于BF模式下业务信道的解调DMRS 用于上行控制信道和业务信道的解调 下行参考信号 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 LTE终端测量 RSRP RSRP ReferenceSignalReceivedPower参考信号的接收功率 RSRP R0平均值 PDCCH PDSCH 注意 RSRP是RE级别的功率 RE带宽为15kHz 所以RSRP值比RSCP偏小 一般为 70dBm到 120dBm之间 上行参考信号 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TDD系统中 5ms最多发两次 物理层过程 下行同步 第一步 UE用3个已知的主同步序列和接收信号做相关 找到最大相关峰值 从而获得该小区的主同步序列以及主同步信道位置 PSC 即上图的紫色位置 达到OFDM符号同步 PSC每5ms发射一次 所以UE此时还不能确定哪里是整个帧的开头 另外 小区的主同步序列是构成小区ID的一部分 第二步 UE用168个已知的辅同步序列在特定位置 上图中的蓝色位置 即SSC 和接收信号做相关 找到该小区的辅同步序列 SSC每5ms发射一次 但一帧里的两次SSC发射不同的序列 UE据此特性获得帧同步 辅同步序列也是构成小区ID的一部分 第三步 到此 下行同步完成 同时UE已经获取了该小区的小区ID S1 核心网 下行同步 子帧0 下行 特殊子帧 2 子帧2 上行 PSC PrimarySynchronizationChannel SSC SecondarySynchronizationChannel 下行同步是UE进入小区后要完成的第一步 只有完成下行同步 才能开始接收其他信道 如广播信道 并进行其他活动 TD SCDMA中主要依靠Sync DL进行下行同步UE在DWpts上粗搜SYNC DL位置 与TD LTE相同每5ms帧发送一次 与可能的32个sync DL做相关 确定SYNC DL的码型 每个Sync DL对应4个midamble码和扰码序列 通过相关运即可找到当前系统所用的midamble码 同时可以估计出当前无线信道 用于UE对系统的扰码进行解码获取扰码后 便可建立TS0同步并读取P CCPH信息发送的 读取小区广播信息 TD LTE TD SCDMA 物理层过程 随机接入 S1 核心网 Preamble PRACH信道可以承载在UpPTS上 但因为UpPTS较短 此时只能发射短Preamble码 前导码 短Preamble码能用在最多覆盖1 4公里的小区 PRACH信道也可承载在正常的上行子帧 这时可以发射长preamble码 长preamble码有4种可能的配置 对应的小区覆盖半径从14公里到100公里不等 PRACH信道在每个子帧上只能配置一个 考虑到LTE中一共有64个preamble码 在无冲突的情况下 每个子帧最多可支持64个UE同时接入 实际应用中 64个preamble码有部分会被分配为仅供切换用户使用 叫做 非竞争preamble码 以提高切换用户的切换成功率 所以小区内用户用于初始随机接入的preamble码可能会少于64个 子帧0 下行 特殊子帧 子帧2 上行 长Preamble 短Preamble 在UE收取了小区广播信息之后 当需要接入系统时 UE即在PRACH信道发送Preamble码 开始触发随机接入流程 物理层过程 物理层过程 随机接入信令流程 发送preamble 请求接入 确认收到请求 并指示UE调整上行同步 UE发送IMSI或TMSI 正式请求RRC连接 确认收到请求并返回该UE的IMSI TMSI 以解决竞争问题 如果两个UE都以为自己能获得接入 那么通过此消息的IMSI就能挑出真正获准接入的UE UE NodeB SYNC UL Uppch信道 Sync ULResponse FPACH信道 RRC连接请求 PRACH信道 RRC连接建立 DCCH信道 TD LTE TD SCDMA 对比来看 TD SCDMA和TD LTE的随机接入在理念上是类似的 这里只列出区别 TD SCDMA中Uppch的SYNC UL可在UpPTS上发射 为避免Up干扰开启Up shifting后Uppch在上行业务时隙发送 但不占用业务时隙码道资源典型3载波小区 偏移1个时隙 本小区容量损失17 但通过干扰消除算法可消除 抑制Up与业务共时隙的干扰TD LTE可以用UpPTS 也可以占用常规时隙资源 在上行业务时隙传输PRACH配置为非Format4 20MHz载波带宽 上下行时隙比2 2情况下 PRACH配置为Format4上行理论吞吐量损失1 5 实例 链路预算理解TD LTE 提纲 TD LTE覆盖特点 1 覆盖目标业务为一定速率的分组数据业务 3 多样的调制编码方式对覆盖的影响更复杂 2 用户占用的RB ResourceBlock 数将影响覆盖 4 系统帧结构设计支持更大更灵活的覆盖 在R4业务中 电路域CS64K是3G的特色业务 覆盖能力最低 一般以CS64K业务作为连续覆盖的目标业务CS64K业务的业务速率 调制编码方式均是固定的 链路预算模型简单 可以较为便捷 确定的获得系统的覆盖半径 不存在电路域业务 只有分组域业务不同速率业务的覆盖能力不同分组域业务调制编码方式可变因此TD LTE覆盖规划时 需确定边缘用户目标速率 如 512kbps 1Mbps等需要考虑此覆盖边缘控制信道是否受限 用户占用的RB资源数将影响覆盖 以确定的CS64K业务规划覆盖半径为用户分配的时隙数的多少只影响用户自身的吞吐量 不影响覆盖规划指标的确定 用户占用的RB资源数由系统根据激活用户数目 资源分配算法 如正比公平 轮循等 等因素决定用户占用的RB资源数不同 表明用户占用的频带资源不同 不仅影响用户速率 也影响用户的覆盖 因此覆盖规划时 需明确边缘用户目标速率 所对应的资源占用数目 基于链路预算 F频段建网需要在现有TDS A频段 基础上增加10 的站址左右 而D频段需要在此基础上增加45 的站址 D频段比F频段增加30 的站址左右 多样的调制编码方式对覆盖的影响 与TD SCDMAHSPA相比 增加了64QAM 且编码率更丰富 采用自适应调制编码方式 当用户分配的RB个数固定时调制等级越低 SINR解调门限越低 覆盖越大 TD LTE在进行覆盖规划时 可以灵活的选择用户带宽和调制编码方式组合 以应对不同的覆盖环境和规划需求 TD SCDMA HSPA AMC 16种MCS时域调度 周期5msTD LTEAMC 29种MCS时频域二维调度 获得更大的频域多用户分集增益 调度周期1ms TD LTE调制编码方式更多 调度更多元化 调度周期更短 更增加了链路预算的不确定性 因此覆盖规划时 还需要通过大量仿真与验证性测试 对小区边缘用户性能进行评估 才能确定覆盖指标要求 系统帧结构设计支持更大更灵活的覆盖 TD LTE影响小区半径因素 CP长度 容忍的时延扩展P