LTE 基本原理及关键技术

LTE基本原理及关键技术 课程内容 LTE概述LTE网络架构LTE关键技术LTETDD与LTEFDD的区别LTE组网案例 LTE概述 LTE简介LTE相关组织LTE频谱划分与终端 LTE背景 LTE表示3GPP长期演进 LongTermEvolution 2004年11月3GPPTSGRANworkshop启动LTE项目 什么是LTE LTE协议2009年3月发布第一版 Rel8 2010年3月发布第二版 Rel9 已先后冻结Rel10即LTE A 已提交ITU作为4G标准 2011年3月完成 包括LTEFDD和LTE 3GPPLTE和LTEFDD标准制定进度一致 HSPAMBMS 3GPPLTE在Release8的36系列规范中发布3GPPRelease8包含了LTE的绝大部分特性 完善和增强LTE系统 LTE Advanced将作为Release10的主要内容 LTE LongTermEvolution 是近两年来3GPP启动的最大的新技术研发项目 通俗的称为3 9G 被视作从3G向4G演进的主流技术 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 HSDPAR5 HSUPAR6 MBMS 4G MBMS CDMA20001XEV DO 802 16e 802 16m HSDPA HSPA R7 FDD TDD 4G GSM TD SCDMA WCDMAR99 802 16d CDMAIS95 CDMA20001x LTE EV DORev A EV DORev 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 15km h 优化在更高的移动速度下 15 120km h 可实现较高的性能在120 350km h的移动速度 在某些频段甚至应该支持500km 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20MHz 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 CDMA2000 WiFi WiMAX 切换 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OFDMASC FDMA 12 LTE关键技术演进 LTE概述 LTE简介LTE相关组织LTE频谱划分与终端 LTE标准组织 功能需求 标准制定 技术验证 3GPP组织架构 NGMN简介 NGMN时间表 NGMN愿景 1 使全球移动通信产业链聚集在统一需求之下 引导 驱动标准研究 产品研发 促进HSPA EVDO之后的移动网络健康发展2 推动IPR改革 使IPR透明和费率可预见性 1 2008年底完成LTE R8 标准2 2009年测试3 2010提供商用 1 运营商 Members 20家2 制造商 Sponsors 34家 包括设备制造商 芯片厂家和测试设备厂家3 研究机构和大学 Advisors 3家 NGMN成员 NGMN简介 1 NGMN 是2006年初由全球7家主流运营商发起成立的非营利性组织2 NGMN NextGenerationMobileNetworks BeyondHSPA EVDO 无线宽带创新的发动机 LTE概述 LTE简介LTE相关组织LTE频谱划分与终端 2020 4 21 18 LTE频段划分 2020 4 21 19 LTE频段划分 全球TDD频谱分布 三大运营商频率分配情况 LTE终端语音解决方案 终端的模 待 通 终端中的 模 与 频 终端芯片是LTE发展的主要瓶颈之一 采用28nm芯片技术的多频多模终端刚刚开始 而且只有高通一家可以提供 全制式需7种模式 全频段24 个 最多40个 FDDLTE 至少10个频段 TDDLTE 至少2个频段 WCDMA 至少4个频段 GSM GPRS 4个 CDMA1X DO 4个 终端中的 模 与 频 中国电信LTE终端漫游频段要求 LTE终端漫游频段要求对比 LTE终端类别 MIMO与终端天线 课程内容 LTE概述LTE网络架构LTE关键技术LTETDD与LTEFDD的区别LTE组网案例 LTE网络构架 LTE全网架构 E UTRAN和EPC的功能划分 3GPPTS36 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 NAS 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 LTE概述LTE网络架构LTE关键技术LTE与LTEFDD的区别LTE组网案例 LTE关键技术 频域多址技术 OFDM SC FDMAMIMO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SON载波聚合 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 5msTs 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153600TS 5ms 1个子帧 DwPTS GP UpPTS 30720TS 1个时隙Tslot 15360TS 1个无线帧Tf 307200Ts 10ms 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 资源分组 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xRB数目子载波宽度 15KHz每RB的子载波数目 12 LTE物理资源分配 REG CCE RBG REG RBG REG ResourceElementGroup 为控制区域中RE集合 用于映射下行控制信道 每个REG中包含4个数据RE RBG ResourceBlockGroup 为业务信道资源分配的资源单位 由一组RB组成 分组大小与系统带宽有关 CCE ChannelControlElement 为PDCCH资源分配的资源单位 由9个REG组成 CCE 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 物理信道和信号 上行物理信道PUSCHPUCCHPRACH上行物理信号参考信号 ReferenceSignal RS 下行物理信道PDSCH PBCHPMCHPCFICHPDCCHPHICH下行物理信号同步信号 SynchronizationSignal 参考信号 ReferenceSignal 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 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即正交频分多路复用 OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing 与传统的多载波调制 MCM 相比 OFDM调制的各个子载波间可相互重叠 并且能够保持各个子载波之间的正交性 OFDM的基本原理是将高速的数据流分解为N个并行的低速数据流 在N个子载波上同时进行传输 这些在N子载波上同时传输的数据符号 构成一个OFDM符号 多址方式概述 LTE采用OFDMA 正交频分多址 OrthogonalFrequencyDivisionMultipleAccess 作为下行多址方式 LTE采用DFT S OFDM 离散傅立叶变换扩展OFDM DiscreteFourierTransformSpreadOFDM 或者称为SC FDMA 单载波FDMA SingleCarrierFDMA 作为上行多址方式 OFDM处理过程 子载波间隔15kHz 用于单播 unicast 和多播 MBSFN 传输7 5kHz 仅仅可以应用于独立载波的MBSFN传输子载波数目循环前缀长度一个时隙中不同OFDM符号的循环前缀长度不同 OFDM OFDMA主要参数 OFDM 上行SC FDMA多址方式 利用DFTS OFDM的特点可以方便的实现SC FDMA多址接入方式 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 基于DFTS OFDM的集中式 分布式频分多址 子载波间隔15kHz子载波数目循环前缀长度一个时隙中不同DFTS OFDM符号的循环前缀长度不同 OFDM DFTS OFDM关键参数 OFDMA与SC FDMA的对比 LTE关键技术 频域多址技术 OFDM SC FDMAMIMO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SON载波聚合 上行多天线技术上行传输天线选择 TSTD MU MIMO下行多天线技术传输分集 SFBC SFBC FSTD 闭环Rank1预编码空间复用 开环空间复用 闭环空间复用以及MU MIMO波束赋形多天线技术分类MIMOSISOSIMOMISO 多天线技术 LTE的基本配置是DL2 2和UL1 2 最大支持4 4 多天线技术 SU MIMO 空分复用两个数据流在一个TTI中传送给UE SU MIMO 发射分集只传给UE一个数据流 MU MIMO结合SDM 给每个UE传送两个数据流 MU MIMO结合发射分集 给每个UE传送一个数据流 上行支持MU MIMO目前支持的配置是1x2或1x4将来支持2x2或4x4 LTE下行MIMO模式 LTE定义了9种下行MIMO传输模式 由高层通过传输模式通知UE LTE关键技术 频域多址技术 OFDM SC FDMAMIMO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SON载波聚合 高阶调制 LTE关键技术 频域多址技术 OFDM SC FDMAMIMO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SON载波聚合 混合自动重传请求 HARQ FEC 前向纠错编码 ForwardErrorCorrection ARQ 自动重传请求 AutomaticRepeatreQuest 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 LTE关键技术 频域多址技术 OFDM SC FDMAMIMO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SON载波聚合 链路自适应技术可以通过两种方法实现 功率控制和速率控制 一般意义上的链路自适应都指速率控制 LTE中即为自适应编码调制技术 AdaptiveModulationandCoding 应用AMC技术可以使得eNodeB能够根据UE反馈的信道状况及时地调整不同的调制方式 QPSK 16QAM 64QAM 和编码速率 从而使得数据传输能及时地跟上信道的变化状况 这是一种较好的链路自适应技术 对于长时延的分组数据 AMC可以在提高系统容量的同时不增加对邻区的干扰 链路自适应技术 链路自适应AMC原理 QPSK 16QAM和64QAM 连续 的编码速率 0 07 0 93 MCS表 LTE上行方向的链路自适应技术基于基站测量的上行信道质量 直接确定具体的调制与编码方式LTE下行方向的链路自适应技术基于UE反馈的CQI 从预定义的CQI表格中具体的调制与编码方式 如右图 链路自适应技术 LTE上下行方向链路自适应 通过动态调整发射功率 维持接收端一定的信噪比 从而保证链路的传输质量当信道条件较差时需要增加发射功率 当信道条件较好时需要降低发射功率 从而保证了恒定的传输速率 功率控制可以很好的避免小区内用户间的干扰 链路自适应技术 功率控制 保证发送功率恒定的情况下 通过调整无线链路传输的调制方式与编码速率 确保链路的传输质量当信道条件较差时选择较小的调制方式与编码速率 当信道条件较好是选择较大的调制方式 从而最大化了传输速率 速率控制可以充分利用所有的功率 链路自适应技术 速率控制 即AMC LTE关键技术 频域多址技术 OFDM SC FDMAMIMO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SON载波聚合 LTE系统支持基于频域的信道调度相对于单载波CDMA系统 LTE系统的一个典型特征是可以在频域进行信道调度和速率控制 下行 基于公共参考信号上行 基于探测参考信号 信道调度 MAC调度算法 常用的分组调度算法最大C I算法轮询算法 RoundRobin RR 正比公平算法 PF 其他调度算法持续调度算法 Persistentscheduling PS 半持续调度算法 Semi persistentscheduling SPS 动态调度算法 Dynamicalscheduling DS illustrationofULscheduling 快速调度 基于时间的轮循方式 基于流量的轮循方式 最大C I方式 部分公平方式 每个用户被顺序的服务 得到同样的平均分配时间 但每个用户由于所处环境的不同 得到的流量并不一致 每个用户不管其所处环境的差异 按照一定的顺序进行服务 保证每个用户得到的流量相同 系统跟踪每个用户的无线信道衰落特征 依据无线信道C I的大小顺序 确定给每个用户的优先权 保证每一时刻服务的用户获得的C I都是最大的 综合了以上几种调度方式 既照顾到大部分用户的满意度 也能从一定程度上保证比较高的系统吞吐量 是一种实用的调度方法 LTE关键技术 频域多址技术 OFDM SC FDMAMIMO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SON载波聚合 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小区间干扰协调功率控制 小区间干扰消除 加扰 LTE系统充分使用序列的随机化避免小区间干扰一般情况下 加扰在信道编码之后 数据调制之前进行即比特级的加扰PDSCH PUCCHformat2 2a 2b PUSCH 扰码序列与UEid 小区id以及时隙起始位置有关PMCH 扰码序列与MBSFNid和时隙起始位置有关PBCH PCFICH PDCCH 扰码序列与小区id和时隙起始位置有关PHICH物理信道的加扰是在调制之后 进行序列扩展时进行加扰扰码序列与小区id和时隙起始位置有关 小区间干扰消除 跳频传输 目前LTE上下行都可以支持跳频传输 通过进行跳频传输可以随机化小区间的干扰除了PBCH之外 其他下行物理控制信道的资源映射均于小区id有关PDSCH PUSCH以及PUCCH采用子帧内跳频传输PUSCH可以采用子帧间的跳频传输 小区间干扰消除 发射端波束赋形 提高期望用户的信号强度降低信号对其他用户的干扰特别的 如果波束赋形时已经知道被干扰用户的方位 可以主动降低对该方向辐射能量 下行 上行 小区间干扰消除 IRC 当接收端也存在多根天线时 接收端也可以利用多根天线降低用户间干扰 其主要的原理是通过对接收信号进行加权 抑制强干扰 称为IRC InterferenceRejectionCombining 频率资源协调 example 小区间干扰消除 小区间干扰协调 基本思想 以小区间协调的方式对资源的使用进行限制 包括限制哪些时频资源可用 或者在一定的时频资源上限制其发射功率静态的小区间干扰协调不需要标准支持频率资源协调 功率资源协调 小区间干扰消除 小区间干扰协调 半静态小区间干扰协调 需要小区间交换信息 比如资源使用信息目前LTE已经确定 可以在X2接口交换PRB的使用信息进行频率资源的小区间干扰协调 上行 即告知哪个PRB被分配给小区边缘用户 以及哪些PRB对小区间干扰比较敏感 同时 小区之间可以在X2接口上交换过载指示信息 OI OverloadIndicator 用来进行小区间的上行功率控制 小区间功率控制 Inter CellPowerControl 一种通过告知其它小区本小区IoT信息 控制本小区IoT的方法小区内功率控制 Intra CellPowerControl 补偿路损和阴影衰落 节省终端的发射功率 尽量降低对其他小区的干扰 使得IoT保持在一定的水平之下 小区间干扰消除 功率控制 LTE关键技术 频域多址技术 OFDM SC FDMAMIMO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SON载波聚合 SON概念 SON Self organizedNetwork 自组织网络 网络能够自我主动进行规划 配置 优化和维护 即自规划 自配置 自优化 自维护 SON驱动力 网络日益复杂 运维难度和成本不断提高 为减少运营成本 提高操作效率 提高网络性能和稳定性 增强网络竞争力 在4GLTE中引入了SON技术 发展情况 3GPP在LTE的R8中引入初始功能 R9中提供基本功能 R10加入了增强功能 效果分析 据阿朗和爱立信的测算 通过引入SON技术 CAPEX 网络建设成本 降低20 OPEX 网络运维成本 节省50 SON架构 SON的采用的架构主要有集中式 分布式 混合式三种 SON功能 LTE关键技术 频域多址技术 OFDM SC FDMAMIMO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SON载波聚合 载波聚合 CA 载波聚合 CarrierAggregation CA 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 上行和下行链路以完全独立地配置 唯一的限制是上行载波的数量不可超过下行载波的数量 每一聚合的载波称为分量载波 CC 分量载波的带宽可以是1 4 3 5 10 15或20MHz 最多五个分量载波时 最大聚合带宽为100MHz 连续聚合的CC的中心频率间的间隔是300kHz的倍数 与之相比Release8 9中是100kHz频率间隔 以正交方式保留了15kHz间隔的子载波 载波聚合相对于双载波的优势 20MHz 20MHz 40MHz 载波聚合的分类 载波1 载波2 载波3 载波1 载波2 载波3 载波1 载波N BandA BandA BandA BandB 载波3 带内非连续载波 Carrier2 LTE A载波 LTE A载波 LTE A载波 LTE A载波 带外非连续载波 对称频谱 载波1 DL 载波2 载波1 UL 载波2 载波1 载波2 载波1 DL UL 非对称频谱 LTE A载波 LTE A载波 带内连续载波 载波聚合能够后向兼容R8 R9 载波聚合的部署场景分类 载波聚合关键技术 服务小区定义 载波聚合关键技术 载波配置 下行 上行 上行 分布式基站载波聚合方式 以R8862A为例 天馈部分改造场景1 增加一副天线场景2 利旧四端口天线 新增加的RRU采用两通道合路器合入四端口天线的两个RX场景3 利旧两端口天线 新增加的RRU采用两通道合路器合入 直接级联2 1GRRU 并联2 1GRRU需增加FS5单板 原BPL1单板有3对光口 BPN0信道板有6对光口级联并联RRU都可支持 课程内容 LTE概述LTE网络架构LTE关键技术LTETDD与LTEFDD的区别LTE组网案例 LTETDD与LTEFDD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 LTETDD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 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soundingRS和PRACHpreamble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 存在一个上行子帧反馈多个下行子帧 LTE提出的解决方案有 multi ACK NAK ACK NAK捆绑 bundling 等当上行子帧多于下行子帧时 存在一个下行子帧调度多个上行子帧 多子帧调度 的情况 TDD与FDD同步信号设计差异 LTE同步信号的周期是5ms 分为主同步信号 PSS 和辅同步信号 SSS LTE和LTEFDD帧结构中 同步信号的位置 相对位置不同