TDLTE原理与关键技术A.ppt

,支持4G网络的手机：三星GALAXYS4，国际双模版支持FDD-LTE，TDD-LTE。苹果iPhone5S（移动版）联想VIBEZ酷派8736金立E7LHTCOneLGNexus5,课程内容安排,1.TD-LTE概述-演进过程-概念-关键技术介绍2.LTE网络架构及协议栈介绍-网络架构-网元功能-协议栈介绍3.LTE物理层结构介绍-无线帧结构-物理信道-物理信号-物理层过程,GPRS：通用分组无线服务技术，是一种高速数据处理的技术，通过分组形式传送资料给用户，避免断线。,EDGE：增强型数据速率GSM演进技术，是一种从GSM到3G的过渡技术，采用了8PSK（8进制移相键控调制）,HSPA：高速分组接入。HSDPA（高速下行分组接入）。HSUPA（高速上行分组接入）,16个符号的正交幅度调制,什么是LTE？长期演进LTE(LongTermEvolution)是3GPP主导的无线通信技术的演进LTE与SAE（系统架构演进）是3GPP当年的两大演进计划，LTE负责无线空口技术演进，SAE(SystemArchitectureEvolution)负责整个网络架构的演进,什么是LTE，为什么需要LTE,为什么需要LTE？保持3GPP（第三代合作伙伴计划）与WiMAX（全球微波互联接入）的竞争优势顺应宽带移动数据业务的发展需要移动通信数据化，宽带化，IP化高吞吐率=高频谱效率+大带宽低时延=扁平化的网络架构,E-UTRAN:EvolvedUMTSTerrestrialRadioAccessNetwork，LTE的接入网EPC：EvolvedPackageCore，LTE的核心网EPS：EvolvedPacketSystem，演进的分组系统EPS=E-UTRAN+EPC,狭义来讲：LTE=E-UTRAN,SAE=EPC,6,更好地支持更大系统带宽,小区覆盖与容量增益的最重要来源,更好的同频干扰控制性能与覆盖提升,高速下行分组接入,下行正常峰值速率：20Mbps,上行正常峰值速率：89Mbps,多媒体广播多播业务,实际支持的带宽1.4MHz、3MHz、5MHz、10MHz、15MHz和20MHz,正交性通过以下方式实现：,保护间隔(GuardInterval)用于消除OFDM符号间的ISI(Inter-SymbolInterference，符号间干扰)保护间隔要大于信道的时延扩展一般在保护间隔时间内填充CyclicPrefix（CP，循环前缀），以保证子载波间的正交性,OFDM保护间隔,OFDM系统的主要优点,频谱利用率高传统FDM是用滤波器把整个频带分割成互不重叠的子载波，子载波之间的保护频带很宽，OFDM允许子载波频谱交叠，从而提高频谱利用效率。可利用FFT实现调制解调OFDM用IFFT和FFT实现信号的调制与解调，目前FFT易于用DSP或FPGA实现，比之用传统的滤波器实现容易，体积小。减小ISIOFDM把高速串行数据变成低速并行数据传输，增加每个符号的周期长度，从而有效对抗无线信道的时延扩展，减小ISI。受频率选择性衰落影响小单个子载波信道是平坦的，而整个系统带宽是呈现频率选择性由于无线信道的频率选择性衰落，不可能所有的子载波都处于比较深的衰落中，因此可以通过动态比特分配和动态子信道分配，充分利用信噪比高的子信道，提高系统性能。抵抗窄带干扰OFDM通过把高速串行数据映射到并行的多个子载波上，窄带干扰只能影响一部分子载波，接收端可以通过纠错译码恢复干扰引起的错误。,OFDM发送端输出信号是多个子载波相加的结果，目前应用的子载波数量从几十个到几千个，如果各个子载波同相位，相加后就会出现很大的幅值，即调制信号的动态范围很大，这对后级RF功率放大器提出了很高的要求。,OFDM的子载波互相交叠，只有保证接收端精确的频率取样才能避免子载波间干扰。无线终端移动引起的Doppler频移也会使接收端发生频率偏移，接收端本地振荡器与发射端的频率偏差也是一种频率偏移。频率偏移会引起子载波间干扰（ICI），对频率偏移敏感是OFDM的缺点之一。,OFDMA正交频分多址,LTE下行采用OFDMA多址技术，不同用户可以根据需要灵活地分配不同的时频资源,16,SC-FDMA,相比OFDMA，SC-FDMA降低了PAPR，降低终端的复杂度从而降低成本，延长待机时间SC-FDMA采用频域实现的方式：DFT-S-OFDM（下图）相比OFDMA，SC-FDMA多了一个DFT运算这个DFT运算使得进行OFDM调制前的所有频域星座点都是UE所有发送数据的线性关系，相比频域星座点由独立的数据决定，降低了PAPR,实际上DFT-S-OFDM可以认为是一种特殊的多载波复用方式，其输出的信息同样具有多载波特性，但是由于其有别于OFDM的特殊处理，使其具有单载波复用相对较低的PAPR特性。,LTE上行采用SC-FDMA多址技术，即所谓的单载波频分多址接入（FDMA）技术,物理下行共享信道,MIMOencoderandlayermapping,NeedUEFeedbackPMI,MIMOencoderandlayermapping,NotNeedUEFeedbackPMI,X,TransmissionDiversitySFBC/PrecodingRank1,SpaceMultiplexingMCW/PrecodingRank2,Close-LoopMIMOPrecodingRank1/Rank2,Open-LoopMIMOSFBC/MCW,MIMO的主要模式,多天线技术的优势,阵列增益（Arraygain）分集增益（Diversitygain）空间复用增益（Spatialmultiplexinggain）干扰抑制增益（co-channelinterferencereduction）,改善系统覆盖改善系统容量提高峰值速率,提高频谱利用率,2.LTE网络架构及协议栈,2.1LTE的网络架构2.2LTE的网元功能2.3LTE的协议栈介绍,系统架构演进SAE（SystemArchitectureEvolution），是为了实现LTE提出的目标而从整个系统架构上考虑的演进，主要包括：接入网：扁平化，IP化，去掉RNC的物理实体，功能实体分解到基站和核心网元大部分功能放在了E-NodeB，以减少时延和增强调度能力少部分功能放在了核心网，加强移动性管理核心网：用户面和控制面分离原有SGSN实体分解为MME(控制面实体)和Gateway（用户面实体）,系统架构演进,31,LTE的接入网架构,LTE的主要网元E-UTRAN(接入网)：e-NodeB组成EPC(核心网)：MME，S-GW，P-GWLTE的网络接口X2接口：e-NodeB之间的接口，支持数据和信令的直接传输S1接口：连接e-NodeB与核心网EPC的接口S1-MME是e-NodeB连接MME的控制面接口S1-U是e-NodeB连接S-GW的用户面接口,与传统3G网络比较，LTE的网络结更加简单扁平，降低组网成本，增加组网灵活性，并能大大减少用户数据和控制信令的时延。,32,LTE网元实体及接口,网元实体：TD-LTE系统由3部分组成-演进的分组核心网（EvolvedPacketCore，EPC）LTE3000详见参考书目-接入网eNB（eNodeB）（基站，型号为EMB5116），采用的是分布式基站将传统一体化基站分为BBU（基带单元，承担基站的基带处理部分功能）和RRU（射频拉远单元，承担基站的射频处理部分功能）分成两部分，各自安装，分开放置，通过光纤进行连接。-用户设备UE（UserEquipment）,网元实体,核心网EPC由MME、S-GW、P-GW及PCRF等网元组成，能够将UE接入到外部PDN来完成分组数据业务，并实施计费。-MME（MobilityManagementEntity，移动性管理实体）负责信令处理部分-S-GW（ServingGateway，服务网关）负责本地网络用户数据处理-P-GW（PDNGateway，分组数据网关）负责用户数据包与其它网络的处理演进的接入网（E-UTRAN）：由eNodeB构成,接口,S1接口：eNodeB与MME之间X2接口：不同eNodeB之间，主要用于越区切换过程中的信令和数据包转发。Uu接口：eNodeB与UE之间，或称为空中接口，主要用于建立、重配置和释放各种无线承载业务，是一个完全开放的接口。注意：与3G不同，4G把NodeB和RNC融合为网元eNodeB,所以TD-LTE少了Iub接口，而X2接口类似于Iur接口，S1接口类似于Iu接口,S1接口：eNodeB与MME之间,X2接口：不同eNodeB之间,Uu接口：eNodeB与UE之间,S1-MME：eNodeB连接MME的控制面接口,S1-U：eNodeB连接S-Gw的用户面接口,无线接口协议栈主要分三层两面：三层包括物理层、数据链路层和网络层，两面是指控制面和用户面。数据链路层MAC(MediumAccessControl,媒体接入控制)RLC（RadioLinkControl，无线链路控制）PDCP（PacketDataConvergenceProtocol，分组数据汇聚协议）数据链路层同时位于控制平面和用户平面：控制面负责无线承载信令的传输、加密和完整性保护。在用户面负责用户业务数据的传输和加密。网络层RRC（RadioResourceControl，无线资源控制）网络层位于无线接入网的控制平面，负责完成接入网和终端之间交互的所有信令处理。,LTE的网元功能,e-NodeB的主要功能包括：无线资源管理功能，即实现无线承载控制、无线许可控制和连接移动性控制，在上下行链路上完成UE上的动态资源分配（调度）用户数据流的IP报头压缩和加密UE附着状态时MME的选择实现S-GW用户面数据的路由选择执行由MME发起的寻呼信息和广播信息的调度和传输完成有关移动性配置和调度的测量和测量报告,MME的主要功能包括：NAS(Non-AccessStratum)非接入层信令的加密和完整性保护；AS(AccessStratum)接入层安全性控制、空闲状态移动性控制；EPS(EvolvedPacketSystem)承载控制；支持寻呼，切换，漫游，鉴权。,S-GW的主要功能包括：分组数据路由及转发；移动性及切换支持；合法监听；计费。P-GW的主要功能包括：分组数据过滤；UE的IP地址分配；上下行计费及限速。,LTE协议栈,LTE协议栈的两个面：用户面协议栈：负责用户数目传输控制面协议栈：负责系统信令传输用户面的主要功能：头压缩加密调度ARQ/HARQ,用户面协议栈,42,控制面的主要功能：RLC和MAC层功能与用户面中的功能一致PDCP层完成加密和完整性保护RRC层完成广播，寻呼，RRC连接管理，资源控制，移动性管理，UE测量报告控制NAS层完成核心网承载管理，鉴权及安全控制,控制面协议栈,LTE物理层结构,LTE支持频段无线帧结构物理信道物理信号物理层过程,LTE支持的双工模式/频段/带宽,支持三种双工模式：FDD，半双工FDD，和TDD支持多种频段FDD系统从700MHz到2.6GHzTDD系统频点在1900MHz2620MHz区间支持多种带宽配置：1.4MHz,3MHz,5MHz,10MHz,15MHz,20MHz,45,TDD模式支持频段,频点编号计算,FDL=FDL_low+0.1(NDLNOffs-DL),FUL=FUL_low+0.1(NULNOffs-UL),上下行载波频率用EARFCN表示EARFCN:E-UTRAAbsoluteRadioFrequencyChannelNumber取值范围：0-65535,FDLFUL均为中心频率,无线帧结构,LTEFDD与TDD均采用OFDM技术子载波间隔均为f=15kHzLTE共支持两种无线帧结构类型1，适用于频分双工FDD类型2，适用于时分双工TDD1radioframe(无线帧)=10ms1subframe(子帧)=1ms1slot(时隙)=0.5ms1radioframe=10subframes=20slots,FDD类型无线帧结构,每个slot包含的OFDM符号数由CP类型决定,48,下行导频时隙,物理层功能,物理层位于无线接口协议栈最底层，提供物理介质中比特流传输所需要的所有功能。物理层为MAC层和高层提供信息传输的服务，其中物理层提供的服务通过传输信道来描述。1.下行传输信道类型：广播信道（BroadcastCHannel，BCH）采用固定的预定义传输格式，且能够在整个小区覆盖区域内广播。下行共享信道（DownlinkSharedCHannel，DL-SCH），使用HARQ（混合自动重传请求）传输，能够调整传输使用的调制方式/编码速率和发送功率来实现链路自适应，能够在整个小区内发送或使用波束赋形发送，支持动态或半静态的调度方式。,寻呼信道（PagingCHannel，PCH）支持终端非连续接收（由网络配置给终端），且能在整个小区覆盖区域内传输。多播信道（MulticastCHannel，MCH）能在整个覆盖区内传输，支持半静态调度方式。所谓的半静态调度方式：是指在LTE的调度传输过程中，eNB在初始调度通过PDCCH（物理下行控制信道）指示UE当前的调度信息，UE识别是半静态调度，则保存当前的调度信息，每隔固定的周期在相同的时频资源位置上进行该业务数据的发送或接收。,2.上行传输信道类型上行共享信道（UplinkSharedChannel，UL-SCH）支持波束赋形和自适应调制方式/编码速率/发送功率的调整，支持HARQ传输，采用动态或半静态调度方式。随机接入信道（RandomAccessChannel，RACH）可承载有限的控制信息，且具有冲突碰撞特征。,各个物理信道的使用,小区搜索涉及的物理信道SCH-PBCH-PCFICH-PDCCH-PDSCH(获取DBCH)随机接入涉及的物理信道PRACH-PCFICH-PDCCH-PDSCH-PUSCH下行数据传输涉及的物理信道PCFICH-PDCCH-PDSCH-PUCCH上行数据传输涉及的物理信道PCFICH-PDCCH-PUSCH-PHICH,无线帧结构：NormalCP与ExtendedCP,一般情况下，配置普通CP（NormalCP）即可MBSFN情况下，配置扩展CP广覆盖等小区半径较大的场景下可配置扩展CP,CP是为了克服多径时延扩展带来的ISI小区半径大!=多径时延扩展大，还和环境有关CP本质上是牺牲了资源利用率来保证性能,55,DL/UL子帧分配选项,TDD上下行子帧配比与特殊时隙配比,LTE-TDD帧结构主要特点是上下行转换上下行转换的子帧叫做特殊子帧包括：DwPTS,GP,UpPTS上下行时隙配比和特殊子帧配比需要规划UpPTS主要承载短RACH和SoundingRS短RACH可配，占1个OFDM符号SRS必然存在，占1个OFDM符号,D:DownlinksubframeU:UplinksubframeS:Specialsubframe,特殊子帧分配选项,56,LTE资源块基本概念,RE(ResourceElement)物理层资源的最小粒度时域：1个OFDM符号，频域：1个子载波RB（ResourceBlock）物理层数据传输的资源分配频域最小单位时域：1个slot，频域：12个连续子载波(Subcarrier)TTI物理层数据传输调度的时域基本单位1TTI=1subframe=2slots1TTI=14个OFDM符号(NormalCP)1TTI=12个OFDM符号(ExtendedCP)CCEControlChannelElement控制信道的资源单位1CCE=36REs1CCE=9REGs(1REG=4REs),物理信道概述,58,信道映射关系,各个物理信道的使用,小区搜索涉及的物理信道SCH-PBCH-PCFICH-PDCCH-PDSCH(获取DBCH)随机接入涉及的物理信道PRACH-PCFICH-PDCCH-PDSCH-PUSCH下行数据传输涉及的物理信道PCFICH-PDCCH-PDSCH-PUCCH上行数据传输涉及的物理信道PCFICH-PDCCH-PUSCH-PHICH,物理层过程小区搜索,小区搜索（CellSearch）基本原理：小区搜索是UE实现与E-UTRAN下行时频同步并获取服务小区ID的过程。小区搜索分两个步骤：第一步：UE解调主同步信号（PSS），实现符号同步，并获取小区组内ID；第二步：UE解调次同步信号(SSS)，实现帧同步，并获取CP长度和小区组ID，结合小区组内ID，最终获得小区的PCI,UE从上电开始的完整搜索过程：UE上电后开始进行初始化小区搜索，搜寻网络。一般而言，UE第一次开机时并不知道网络的带宽和频点。UE会重复基本的小区搜索过程，遍历整个频谱的各个频点尝试解调同步信号。这个过程耗时，但一般对此的时间要求并不严格。可以通过一些方法缩短以后的UE初始化时间，如UE储存以前的可用网络信息，开机后优先搜索这些网络、频点。一旦UE搜寻到可用网络并与网络实现时频同步，获得服务小区ID，即完成小区搜索后，UE将解调下行广播信道PBCH，获取系统带宽、发射天线数等系统信息。UE接收PBCH后，还要接收在PDSCH上传输的系统消息。最终获得完整的系统消息。,65,物理层过程随机接入,随机接入（RandomAccess）基本原理：随机接入是UE与E-UTRAN实现上行时频同步的过程。随机接入前，物理层应该从高层接收到下面的信息：随机接入信道PRACH参数：PRACH配置，频域位置，前导（preamble）格式等；小区使用preamble根序列及其循环位移参数，以解调随机接入preamble。物理层的随机接入过程包含两个步骤：UE发送随机接入preamble；E-UTRAN对随机接入的响应。,随机接入的具体过程：高层请求发送随机接入preamble，继而触发物理层随机接入过程；高层在请求中指示preambleindex，preamble目标接收功率，相关的RA-RNTI，以及随机接入信道的资源情况等信息；UE决定随机接入信道的发射功率为preamble的目标接收功率+路径损耗。发射功率不超过UE最大发射功率，路径损耗为UE通过下行链路估计的值；通过preambleindex选择preamble序列；UE以计算出的发射功率，用所选的preamble序列，在指定的随机接入信道资源中发射单个preamble；在高层设置的时间窗内，UE尝试侦测以其RA-RNTI标识的下行控制信道PDCCH。如果侦测到，则相应的下行共享信道PDSCH则传往高层，高层从共享信道中解析出20位的响应信息。,随机接入信道,随机接入前导,下行控制信道,随机接入响应,RA-RNTI:RandomAccessRadioNetworkTemporaryIdentifier,66,物理层过程随机接入（2）,以下5种事件均会触发随机接入流程:InitialaccessfromRRC_IDLE;RRCConnectionRe-establishmentprocedure;Handover;DLdataarrivalduringRRC_CONNECTEDrequiringrandomaccessprocedure;E.g.whenULsynchronisationstatusis“non-synchronised”;ULdataarrivalduringRRC_CONNECTEDrequiringrandomaccessprocedure;E.g.whenULsynchronisationstatusisnon-synchronisedortherearenoPUCCHresourcesforSRavaila