LTE 技术原理和系统设计

LTE技术原理和系统设计,移动通信的演进LTE系统设计需求和技术特点LTE功能划分和协议架构LTE基本原理LTE关键技术分析LTE网络自组织LTE产业进展,移动通信正在从2G向3G/B3G/4G演进,载频带宽由窄带向宽带发展。移动通信网络将会从以语音为主导的网络向以高速数据为主导的网络转型。,“宽带化”成为移动通信技术的发展趋势,X,?,移动多媒体业务对带宽要求越来越高,“宽带化”成为移动通信技术的发展趋势,移动通信的演进LTE系统设计要求和技术特点LTE基本原理LTE关键技术分析LTE网络自优化LTE产业进展,LTE的设计要求,灵活的信道带宽1.4,3,5,10,15,20MHz更低的无线网时延单向用户面5ms控制面100ms更高的频谱效率下行比WCDMAR6提高3-4倍上行频谱效率比R6提高2-3倍全分组域业务为传统的电信业务提供QoS传输不再提供CS域业务增强的移动性能0-15公里/小时:最优的性能15-120公里/小时:较高的性能120-350公里/小时:支持实时业务峰值数据率更高20MHz带宽下，下行100Mbit/s20MHz带宽下，上行50Mbit/s,LTE的技术特点,全IP,扁平化网络架构E-UTRAN系统只由eNB组成，去掉RNC网元。eNB集成了更多的功能块（RNC）:物理层(PHY),媒体接入层(MAC),无线链路控制(RLC),分组数据汇聚协议(PDCP),无线资源控制(RRC),无线资源分配和调度,小区间无线资源管理(RRM)更短的无线网络时延:单向用户数据延迟5ms,控制信令延迟100mseNB之间通过X2接口进行通信,以实现小区间优化的无线资源管理,Uu,LTE的技术特点,基于OFDM的上下行多址接入和信号调制方式上行：基于CP的SC-FDMA下行：基于CP的OFDMA消除无线网络自干扰资源分配更灵活上下行采用更高阶的调制:64QAM系统峰值频谱效率达到6bps/Hz下行：QPSK、16QAM、64QAM、BPSK，上行：QPSK、16QAM、64QAM。多用户频率选择性资源调度干扰和多径造成各用户在不同频率上的性能有差异,频率选择性资源调度旨在让每个用户在最佳频带上传输从而提高多用户下系统的整体频谱效率,LTE的技术特点,自适应多天线技术OFDM技术与MIMO技术的融合,提高系统吞吐量支持多种模式的多入多出技术(MIMO)目前支持：1*2、2*2自适应MIMO技术根据信道特性调整传输参数以在链路稳定性和容量之间取得最佳折衷;跨小区间的链路自适应,资源管理和干扰协调（ICIC）根据用户所在的地理位置分配频带资源,降低小区间干扰,提高链路稳定性和优化多小区频谱效率,移动通信的演进LTE系统设计要求和技术特点LTE功能划分和协议架构LTE基本原理LTE关键技术分析LTE网络自优化LTE产业进展,LTE功能实体划分,LTEE-UTRAN和核心网的功能划分,无线接入侧功能,核心网侧,LTE无线接口协议栈-用户面协议栈,无线接口协议栈根据用途分为：用户面协议栈和控制面协议栈,用户平面协议栈,用户面个协议层功能PDCP层：IP头压缩，加密。RLC层：完成ARQ相关的功能。MAC层：为RLC提供逻辑信道、调度、HARQ相关功能。,LTE无线接口协议栈-控制面协议栈,控制平面协议栈,NAS控制协议终止于MME功能如下：1）SAE承载控制2）鉴权3）LTE_IDLE状态下的移动性管理4）产生LTE_IDLE状态下的寻呼消息5）安全控制,PDCP、RLC、MAC的功能和用户平面的一样。,RRC协议终止于eNB功能如下：1）广播2）寻呼3）RRC连接控制4）RB控制5）移动性管理6）终端的测量和测量上报控制。,E-UTRAN接口协议通用模型,E-UTRAN接口的通用协议模型,E-UTRAN接口的通用协议模型（如下图）同时使用于S1接口和X2接口，其定义原则为：控制平面与用户平面分离，无线网络层与传输网络层分离。,E-UTRAN接口-S1接口,S1接口控制平面(eNB-MME),S1接口用户平面(eNB-MME),MME,S-GW,S1-C,S1-U,S1接口定义为E-UTRAN与EPC之间的接口S1包括S1-C和S1-U，前者为eNB和MME之间接口、后者为eNB和S-GW间接口。,E-UTRAN接口-X2接口,X2接口控制平面,X2接口控制平面,X2接口和S1接口极其类似，X2-U和S1-U使用同样的用户面协议，便于eNB在数据前向处理时，减少协议处理。,移动通信的演进LTE系统设计要求和技术特点LTE功能划分和协议架构LTE基本原理LTE关键技术分析LTE网络自组织LTE产业进展,LTE基本原理正交频分复用(OFDM)基本技术,频分复用/频分多址(FDM/FDMA)传输方式:其实是一种传统的技术，将较宽的频带分成若干较窄的子载波进行并行发送时最朴素的实现宽带传输的方法,频谱效率低：为了避免子载波间的干扰，在相邻子载波间保留足够间隔。,OFDM传输方式:将高速串行数据调制在一组等差频率集合且正交的复正弦波(子载波)上并行发射接收端用同样的一组子载波对输入信号进行相关后得到解调信号,FDM/FDMA不能像频谱效率更高的TDM/TDMA和CDM/CDMA技术一样能够成为无线通信的核心传输技术。,引入FFT（快速傅里叶变换）数字信号处理技术,FFT允许将FDM的各个子载波重叠排列，重叠子载波排列大大提高频谱效率。FFT同时保证各个子载波之间的正交性。,f1,f2,f3,传统FDM频谱,f1,f2,f3,OFDM频谱,LTE基本原理正交频分复用(OFDM)的特点,OFDM的多载波传输方式频谱效率高:由于正确的频率采样(对应于时域相关积分)后无子载波间干扰,OFDM允许相邻正交子载波间的频谱有交叠比传统FDM频谱效率高,OFDM接收无符号间干扰和子载波间干扰:循环前缀(CP)的加入保证了时域截窗内的子载波为完整的整倍数周期波形保证了无符号间干扰；FFT技术能够保证子载波间的正交性从而避免了子载波间干扰。,f0-f1:子载波间隔,带宽扩展性强：由于OFDM系统的信号带宽取决于使用的子载波数量，因此OFDM系统具有很好的带宽扩展性，小到几百kHz，大到几百MHz，都比较容易实现，FFT大小尺寸带来的系统复杂度增加相对并不明显。,LTE基本原理下行OFDMA正交频分多址技术,OFDMA传输技术OFDM调制技术和多用户子载波分配结合的传输技术每个用户使用一个二维时频子载波集进行传输,其带宽可灵活动态分配同时避免了符号间干扰,子载波间干扰和多用户接入干扰缺陷:峰均比高,不适合终端信号波形,IFFT,LTE基本原理OFDMA的多用户时频二维频谱,OFDMA的多载波传输方式将频谱划分为时频二维资源：频域的子载波和时域的符号间隔。,多用户资源分配以资源块(180KHzx0.5ms)为颗粒度在时隙和频域上灵活分配,以满足不同用户混合业务的需求,LTE基本原理OFDMA和CDMA频域特性比较,CDMA技术:每个码道的发射信号都是宽带信号,带宽是码片速率的倒数,因而多用户的信号在频谱上是重叠的需要复杂的联合检测算法分开用户.,频域,频域,f,发射的CDMA信号频谱,接收的CDMA信号频谱,f,通过多径信道,OFDMA技术:每个子载波信号是窄带信号，不同子载波信号经过多径信道后保持正交无相互干扰多用户可分配不同子载波集发射,接收端经过FFT运算后在频域分开,f,f,发射的OFDMA信号频谱,接收的OFDMA信号频谱,频域,频域,用户1,用户2,用户3,用户4,用户1,用户2,用户3,用户4,通过多径信道,LTE基本原理上行SC-FDMA单载波频分多址,上行采用SC-FDMA作为多址接入及信号调制技术OFDMA的劣势是调制输出信号的峰均比较高，使得功放效率降低，不适合上行终端的信号传输SC-FDMA对调制信号先进行离散付立叶变换,再对输出结果在连续的子载波子集上做OFDM调制从而降低信号峰均比,同时保持了OFDMA抗多径和无多用户接入干扰的优势,LTE基本原理上行SC-FDMA的多用户时频二维频谱,不同用户在同一传输间隔占用不相交的子带同一用户在不同传输间隔可以占用不相同的子带,LTE基本原理信号基本参数,信道带宽可扩展而不影响下面的信号参数,OFDM符号的时长=1/f+循环前缀长度,参数的选取在抗多径和多谱勒的性能之间取折衷,LTE基本原理帧结构(FDD),说明：本图为了显示资源分配的效果，每个小方格表示的是一个符号的时域长度12个子载波的资源,LTE基本原理下行物理层基本信号,物理层主同步信号（P-SS）用于终端的下行同步并确定该小区在小区身份组中的成员序号(0-2),占用载频中央62子载波用于调制Zadoff-Chu序列,在每帧的时隙0和时隙10各选1个符号发送（倒数第一个符号）物理层辅助同步信号（S-SS）用于终端的下行同步并确定该小区的小区身份组序号(0167),占用载频中央62子载波用于调制伪随机BPSK序列,在每帧的时隙0和时隙10各选1个符号发送（倒数第二个符号）,LTE基本原理下行物理层参考信号,下行物理信号图例:下图给出了与小区相关的参考信号(RS)在不同天线配置情况下在资源块(RB)中的分布.可以看出不同天线口对应的参考信号没有交叠,同时天线口2和3分配的参考信号比天线口0和1少一倍.,LTE基本原理下行物理层信道,物理层下行共享信道（PDSCH）承载下行业务数据,寻呼消息,可采用QPSK，16QAM或64QAM物理层广播信道(PBCH)承载广播信息,固定占用载波信道中间6RBs(1.08MHz),采用QPSK物理层下行控制信道(PDCCH)承载信道分配和控制信息,采用QPSK物理层格式指示信道(PCFICH)承载PDCCH在子帧占用的符号数目,采用QPSK物理层混合自动重传(HARQ)请求指示信道(PHICH)承载HARQACK/NACK,采用BPSK,支持码分多路信道物理层多播信道(PMCH)承载多播信息,采用QPSK，16QAM和64QAM,LTE基本原理下行物理层信道的时频二维分布,LTE基本原理上行物理层基本信号,上行信道解调参考信号(SRS)用于上行同步和信道估计,来解调上行共享信道(PUSCH)和上行控制信道(PUCCH).该参考信号还可用于其他物理参数的测量如上行干扰和上行信噪比等.上行信道测量参考信号(SRS)用于基站对上行信道特性的测量,测量结果可用于基站对用户的资源调度以获取多用户分集增益.该参考信号的发送周期和子帧偏移需要配置.,LTE基本原理上行物理层信道,物理层上行共享信道（PUSCH）承载上行业务数据和上行控制信息(UCI),采用QPSK，16QAM或64QAM物理层上行控制信道(PUCCH)承载上行控制信息(UCI):HARQACK/NACK,CQI/PMI,RI,采用BPSK或QPSK物理层随机接入信道(PRACH)用于终端发起与基站的通信,基站通过接收PRACH确定接入终端身份并计算该终端的延迟,移动通信的演进LTE系统设计要求和技术特点LTE功能划分和协议架构LTE基本原理LTE关键技术分析LTE网络自组织LTE产业进展,LTE关键技术-多天线技术的空间复用,MIMO,收发两端配置多个天线可构成多入多出(MIMO)信道如上左图.其平坦衰落数学模型如上右图.如果上述H可逆,则可用接收到的y=y1,y2解出x=x1,x2,这样相对于单入单出(SIMO),数据率提高了2倍!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.H可逆的前提是收发之间必须要有丰富的多径!MIMO与OFDM最佳匹配,x1,x2,y1,y2,H,MIMO用于空间复用增益的基本信道模型,TX,RX,2个独立的等效SISO,x1,x2,y1,y2,TX,RX,h2,h1,h11,h12,h21,h22,单用户双数据流,单用户双数据流,LTE关键技术-多天线技术的空间分集,MIMO,多天线发射分集技术把多径信号在接收端合并,提高链路抗衰落的能力,亦即降低在同等平均接收信号强度下的误码率;2发2收能提供最大4阶的分集增益,使得误码率与平均信噪比的4次方成反比。,y11,y21,MIMO用于分集增益的基本信道模型,TX,RX,-x2*x1,x1*x2,H,y22,y12,更稳健的等效SISO,RX,TX,x2x1,y1,y2,H=sqrt(|h11|2+|H12|2+|h21|2+|h22|2),h11,h12,h21,h22,LTE关键技术-多天线技术的多用户MIMO,MU-MIMO,上行单用户MIMO受限于终端发射功率eNB调度两个用户在同一无线资源上传输数据,从而提高系统吞吐量.两个被调度用户的空间特性具有较大差异,y1,TX,x1,x2,H,RX,y2,用户1,用户2,h11,h12,h21,h22,MU-MIMO用于上行传输的基本信道模型,x1,x2,y1,y2,h2,h1,用户1,用户2,TX,RX,TX,TX,2个独立的等效SISO,LTE关键技术-多天线技术的自适应切换,LTE提供了统一的发射信号处理架构，通过终端反馈的机制来实施多天线的自适应切换,终端反馈CQI/RI/PMI,分别代表调制编码方式多天容量增益的阶数多天线预编码的矢量/矩阵,支持的多天线传输模式：发射分集,适用于发射天线间相关性弱的多天线信道。闭环/开环空间复用，适用于收发之间多径丰富且收发同时多径角度扩展大的多天线信道。秩为1的预编码，适用于发射天线间相关性强的多天线信道。,CQI,RI,PMI,LTE关键技术-频率选择性调度,在多径信道中，每个用户在不同的频率子带上的增益是不同的。频率选择性调度把每个用户调度在其信道增益最大的频率资源上。容量增益：系统容量是各用户在分配的频率资源上容量之和(香农公式).在频率选择性调度可让下式中每一项的SNRi最大,因而系统总容量最大!,在频选的基础上再进行子带内的自适应编码和调制(AMC),LTE关键技术-静态邻小区干扰协调和功率控制,LTE同频组网的最大问题是小区间干扰降低小区边缘的频谱效率LTE采用了小区间干扰协调(ICIC)和功率控制(PC)相结合的方法来控制和降低干扰;上行功率控制:在传统的功率控制中,终端UE的发射功率要完全补偿路损PL2,即Ptx=Prx-PL2.在LTE中,终端UE要计算到本小区和邻小区的路损PL1和PL2,跟据路损差计算补偿因子alpha.部分频率复用:系统将频率资源分为2个复用集，一个频率复用因子为1的频率集合，应用于中心用户(CCU)调度；一个频率复用因子大于1的频率集合，应用于边缘用户(CEU)调度;,Ptx=Prx-alpha*PL2,alpha1,20MHz,20MHz带宽化分成A,B,C3块,分别应用于不同扇区的边缘用户.而中心用户可使用该扇区未用的2块频谱,UE1,UE3,UE2,UE3,UE1,UE2,LTE关键技术-动态邻小区干扰协调,LTE支持同频组网下动态的小区间干扰协调任何小区可通过X2消息发送强干扰指示(HII)给相邻小区,事先控制使得相邻小区调度资源避开干扰.小区还可通过X2消息发送过载指示(OI)给相邻小区,当相邻小区收到OI报告后会采取自降干扰措施如降低本小区发射功率.,UE1,扇区X分配了资源A给边缘用户UE1,X会通过X2接口发HI