LTE基础知识介绍

1、LTE/LTE-A基础基础知识介绍知识介绍张平北京邮电大学2013年年6月月4日日目录目录l概述概述l网络架构网络架构l空中接口空中接口lMACMAC层介绍层介绍l物理层技术物理层技术l物理层过程物理层过程22013-5-20陆地移动通信标准发展陆地移动通信标准发展32011-9-303GPP组织结构组织结构42013-5-20LTE需求需求 (1/2)l 什么是LTE?UTRA的长期演进，Long Time Evolution满足更低传输时延、提供更高用户传输速率、增加容量和覆盖、减少运营费用、优化网络架构、采用更大载波带宽，优化分组数据域业务传输l 容量提升 峰值速率：下行100 Mbps

2、，上行50 Mbps (20MHz带宽） 频谱效率：下行是HSDPA的3-4倍，上行是HSUPA的2-3倍l 覆盖增强 提高“小区边缘比特率”，5km满足最优容量，30km轻微下降， 支持100km的覆盖半径l 质量优化 时延：用户面小于 5ms，控制面小于 100ms52013-5-20LTE需求需求 (2/2)l 移动性提高 015km/h性能最优，15120km/h高性能，支持120350km/h，甚至在某些频段支持 500 km/hl 服务内容综合多样化 高性能的广播业务，MBMS，提高实时业务支持能力，VoIP达到UTRAN电路域性能l 运维成本降低 扁平、简化的网络架构，降低运营维

3、护成本62013-5-20从从3G到到LTE/LTE-Al LTE与3G技术的区别： 上下行链路分别选择SC-FDMA和OFDMA无线接入方式 同时支持时域和频域的调度 提供点到点和点对多点传输的简单信道结构 简单的RRC状态模式（仅有RRC_CONNECTED和RRC_IDLE） 减少了传输信道的数量（无需专用信道） MAC功能简化72013-5-20LTE/LTE-A标准化进程标准化进程82004年底提出，年底提出，2008年底完成年底完成2008年底年底开始开始，2009年底完成年底完成2008年年初初即提出概念，即提出概念，2011年年底完成年年底完成2013-5-20LTE R8基本

4、特点基本特点 (1/2)91、良好的抗衰落特性（每个子载波看成是多个平坦衰落的信道）2、抗多径时延引起的码间干扰（CP的时间间隔长于信道的最大时延扩展）3、能够灵活地进行多用户调度4、易实现（DFT快速算法的成熟）1、相比于OFDMA具有较小的峰均功率比（PAPR），适用于功率较小的终端2、LTE采用基于频域生成的单载波方法DFT扩展OFDM（DFT-S-OFDM） 作为具体实现方法多址技术多址技术2013-5-20LTE R8基本特点基本特点 (2/2)10MIMOMIMO技术在技术在LTELTE中得到了充分了的利用，不仅收发的天线数明显增中得到了充分了的利用，不仅收发的天线数明显增加，加，

5、MIMOMIMO传输模式也更加丰富。传输模式也更加丰富。下行MIMO技术空间复用空间分集波束赋型空分多址（多用户MIMO）上行MIMO技术上行传输天线选择多用户MIMO2013-5-20LTE R9基本特点基本特点11终端定位业务（LoCation Service）增强下行传输（引入双流Beamforming）增强的多媒体广播多播业务（MBMS）家庭基站（Home eNodeB）功能增强网络自优化（SON）2013-5-20LTE-A R10 R12基本特点基本特点12多个小区协同为用户服务，能有效提高小区边缘的通信质量增加一些新的中继节点，拉近天线和终端的距离通过增加天线的数量以提高峰值频谱

6、效率通过对频域进行扩充，进一步提高带宽为了满足IMT-A的指标要求，LTE-A的提升和增强主要包括：2013-5-20TDD-LTE与与FDD-LTE132013-5-20TDD-LTE与与FDD-LTElFS 1_帧结构（FDD-LTE）142013-5-20TDD-LTE与与FDD-LTE基于TD-SCDMA帧结构设计，保留三个特殊时隙DwPTS、GP、UpPTS可灵活配置，支持各种尺寸的小区，提供与各种上下行比例的TD-SCDMA的共存的可能性lFS 2_帧结构（TD-LTE）152013-5-20目录目录l概述概述l网络架构网络架构l空中接口空中接口lMACMAC层介绍层介绍l物理层技

7、术物理层技术l物理层过程物理层过程162013-5-20LTE网络架构网络架构 172011-9-30演进后的核心网EPC演进后的接入网E-UTRANLTE网络架构网络架构 182011-9-30l 演进后的核心网EPC MME：移动性管理实体（Mobility Management Entity），EPC的控制面结点。处理UE和核心网间信令交互的控制节点。 S-GW：业务网关（Service Gateway），EPC和E-UTRAN之间的用户面结点。数据路由前传、移动锚点。用户IP包通过S-GW发送。 P-GW：分组数据网络网关（Packet Data Network Gateway），连接

8、EPC和Internet。负责UE IP地址分配、数据包过滤和QoS保证。 HSS：本地子载波服务节点数据库（Home Subcarrier Service）。存储子载波的信息。LTE网络架构网络架构 192011-9-30l 演进后的接入网E-UTRAN 扁平的RAN结构：取消了RNC，由eNB组成；eNB通过S1-U连接到S-GW，通过S1-C连接到MME，降低时延。eNB间通过X2接口进行连接LTE网络架构网络架构 202011-9-30eNB是E-UTRAN侧的S1接入点，MME或S-GW是EPC侧的S1接入点。逻辑节点、功能实体和协议层之间的关系及功能划分目录目录l概述概述l网络架构

9、网络架构l空中接口空中接口lMACMAC层介绍层介绍l物理层技术物理层技术l物理层过程物理层过程212013-5-20LTE空中接口空中接口 222011-9-30无线接口是指终端和接入网之间的接口，简称Uu接口，通常我们也称为空中接口。无线接口协议主要是用来建立、重配置和释放各种无线承载业务的。（UE-eNB）沿袭了承载和控制相分离的思想，S1接口也分为用户平面和控制平面。控制面协议：控制无线业务的接入及UE和网络间各方面的连接控制用户面协议：实现无线承载业务的接入和信令的接入LTE空中接口空中接口 232011-9-30l 控制面协议栈 NAS控制协议实体位于终端UE和移动管理实体MME内

10、，主要负责对非接入层部分的控制和管理 RRC协议实体位于UE和eNB网络实体内，主要负责对接入层的控制和管理（广播、寻呼、RRC连接管理、无线承载控制、移动性管理等） PDCP完成对控制平面RRC协议数据的加解密和完整性保护功能 数据链路层和物理层提供对RRC消息的数据传输功能LTE空中接口空中接口 242011-9-30l 用户面协议栈 PDCP完成对业务平面数据的加解密和完整性保护功能 物理层为数据链路层提供数据传输功能。物理层通过传输信道为MAC子层提供相应的服务 MAC子层通过逻辑信道向RLC子层提供相应的服务。RLC子层通过无线承载向上层提供相应的服务LTE空中接口空中接口 2520

11、11-9-30协议栈功能示意（用户平面）LTE MAC架构架构 262011-9-30LTE MAC功能功能 272011-9-30l eNB和UE中MAC实体共有的功能： 逻辑信道和传输信道的映射 复用：将来自逻辑信道的MAC SDU复用为传输块，通过传输信道传到物理层 解复用：将传输信道上来自物理层的传输块解复用为逻辑信道上的MAC SDU HARQ实体l eNB和UE中MAC实体特有的功能： 用户无线资源分配：时域和频域、发射层数、天线数、发射功率 通过动态调度在UE之间的优先级处理 一个UE的逻辑信道优先级的处理 传输格式选择l UE中MAC实体特有的功能： 逻辑信道优先级控制 调度信

12、息报告TD-LTE MAC架构架构 282011-9-30LTE MAC信道信道292011-9-30l 控制信道 BCCH：广播控制信道，传输广播的系统控制信息（D） PCCH：寻呼控制信道，传输寻呼信息和系统信息改变通知消息（D） 当网络侧没有终端所在小区信息时，使用该信道寻呼终端 CCCH：公共控制信道，当终端和网络间没有RRC连接的时候，终端级别控制信息的传输使用该信道（D & U） DCCH：专用控制信道，用于终端和网络间存在RRC连接的时候专用控制信息的传输（D & U） MCCH：多播控制信道，用于UE接收MBMS业务时的控制信令使用（MP, D）l 传输信道 D

13、TCH：专用业务信道，针对单个用户的点到点的业务传输信道（D & U） MTCH：多播业务信道，用于UE接收MBMS业务时的传输信道（MP, D）目录目录l概述概述l网络架构网络架构l空中接口空中接口lMACMAC层介绍层介绍l物理层技术物理层技术l物理层过程物理层过程302013-5-20Resource Block频率上连续的12个子载波，时域上对应1个时隙。这是LTE里调度的最小单元。Resource ElementRB内各个时频单元，以（k,l）来表征，k为子载波，l为OFDM符号。Resource Element Group4个RE为一组，用于表征下行控制信道映射、交织等操作

14、312011-9-30LTE 物理单元物理单元LTE 多址技术多址技术 (1/3)l传统FDM/FDMA技术频分复用，将较宽的频带分成若干较窄的子载波进行并行发送缺点：需要大量的独立的调制/解调器；频谱效率低lOFDM技术基本原理利用IFFT/FFT实现了调制/解调的功能通过实现子载波正交解决了频谱效率低的问题322011-9-30LTE 多址技术多址技术 (2/3)l下行多址方式 OFDMAlOFDM技术优势频谱效率高带宽扩展性强抗多径衰落：OFDM将宽带传输转化为很多子载波上的窄带传输，每个子载波上的信道可看作平坦衰落信道频域调度和自适应：OFDM的子载波可灵活调度和分配；且根据不同频带特

15、性自适应选择不同的调制编码方式实现MIMO技术较简单lOFDM技术缺点PAPR（峰均功率比）问题：OFDM将很多子载波的信号叠加在一起，当信号相位相同时，会引起很高的峰值功率时间和频率同步问题332011-9-30LTE 多址技术多址技术 (3/3)l上行多址方式 SC-FDMA具有单载波特性，峰均功率比（PAPR）较低，降低了对终端线性功放的需求带宽灵活分配可大量重用LTE下行技术342011-9-30LTE MIMO (1/6)lMIMO多入多出：提高信道容量及频谱利用率利用多天线来抑制信道衰落352011-9-30l传输分集 (Transmit Diversity, TD)主要原理就是利

16、用空间信道的弱相关性，结合时间/频率上的选择性，为信号的传递提供更多副本，提高信号传输的可靠性，从而改善接收信号的信噪比。l空间复用 (Spatial Multiplexing, SM)也是利用空间信道的弱相关性，其主要原理是在多个相互独立的空间信道上传递不同的数据流，从而提高数据传输的峰值速率。但其性能却很大程度受到天线空间相关性的影响，随着天线相关性的增大，性能有很大程度地恶化。l波束赋形 (Beamforming, BF)一种应用于小间距天线阵列的多天线传输技术，其主要原理是利用空间信道强相关性，利用波的干涉原理产生强方向性的辐射图，使得辐射方向图的主瓣自适应地指向用户来波方向，从而提高

17、信噪比，提高系统容量或覆盖范围。SFBC - 空频编码l在相邻子载波上传输相互正交的符号l接收端利用正交性恢复信号362011-9-30LTE MIMO (2/6) CDD - 循环延时分集l目的：得到多径分集或频率分集l方法：人为制造信道的频率选择性l实现：对不同天线的同一频域符号乘以不同的相位偏移372011-9-30LTE MIMO (3/6)Beamforming 波束赋形l原理：利用空间信道强相关性对发送信号进行加权，使辐射方向图对准用户来波方向l只有相位加权，没有幅度加权l加权值由用户的位置决定，与快衰无关382011-9-30LTE MIMO (4/6)预编码l利用天线之间低相关

18、性，对发送信号做线性预处理，从而简化接收端操作l基于码本的预编码：收发端共同拥有一套码本集合，UE可根据信道信息选择码本，将其序号反馈给基站392011-9-30LTE MIMO (5/6)*21|TiiNkkhvh=下行多用户MIMO空分多址l基站将占用相同时频资源的多个数据流发送给不同用户上行多用户MIMOl虚拟MIMO系统：多个终端占用相同时频资源各发送一个数据流，从接收端来看，这些来自不同终端的数据流可看做来自一个终端的多根天线的数据402011-9-30LTE MIMO (6/6)412011-9-30LTE HARQ (1/3)l 什么是HARQ指的是ARQ和FEC的混合使用l A

19、RQ：自动重传请求，接收端通过CRC校验信息判断接收到的数据包是否正确，如正确接收则发送ACK告知发射端，如接收失败则发送NACK通知发送端重传。l FEC：前向纠错编码，通过在信息比特中增加一定的校验比特，在纠错能力范围内自动纠正错误。同时由于增加了校验比特，会降低编码速率。l 如果单独使用ARQ，在信道条件很差的情况下，由于收端没有自动纠错能力，会导致数据包经常重传；如果单独使用FEC，在要求误码率极低的场合，冗余度和实现复杂度都很高。因此ARQ和FEC结合使用是一种折中的方案l 增量冗余（IR）HARQ422011-9-30LTE HARQ (2/3)lCC：Chase合并。重传数据与前

20、面发送的分组数据完全相同（包含信息位和校验冗余位），只有一种冗余版本，接收端将重传数据和存储数据进行软合并后进行译码。lPIR：部分增量冗余。每次重传包含相同信息位和不同增量冗余位，可有多个冗余版本，接收端对重传的的信息位进行软合并，并将新的校验位合并到码字后再进行译码。l 下行采用自适应异步HARQ异步：重传时不限制HARQ进程的子帧号自适应：根据无线信道条件，自适应调整每次重传采用的资源块、调制方式、传输块大小和重传周期等参数l 上行采用同步非自适应HARQ同步：传输或重传是发生在固定的时刻非自适应：传输参数相对于接收端而言都是预先已知的432011-9-30LTE HARQ (3/3)4

21、42011-9-30LTE-A 载波聚合载波聚合l 载波聚合（载波聚合（Carrier Aggregation，CA），即通过联合调度和使用多个成员载波（Component Carrier，CC）上的资源，使得LTE-Advanced系统可以支持最大100MHz的带宽，从而能够实现更高的系统峰值速率。l 成员载波是指可配置的LTE系统载波，且每个成员载波的带宽都不大于LTE系统所支持的上限（20MHz）。l 连续和非连续载波聚合连续和非连续载波聚合，如上图所示。452011-9-30LTE-A CoMP技术技术l 协作多点（协作多点（CoMP，Coordinated Multiple Poin

22、ts）传输技术是指协调的）传输技术是指协调的多点发射多点发射/接收技术，这里的多点是指地接收技术，这里的多点是指地理上分离的多个天线接入点。理上分离的多个天线接入点。l CoMP 技术通过移动网络中多节点（基站、用户、中继节点等）协作传技术通过移动网络中多节点（基站、用户、中继节点等）协作传输，解决现有移动蜂窝单跳网络中的单小区单站点传输对系统频谱效率输，解决现有移动蜂窝单跳网络中的单小区单站点传输对系统频谱效率的限制，更好地克服小区间干扰，提高无线频谱传输效率，提高系统的的限制，更好地克服小区间干扰，提高无线频谱传输效率，提高系统的平均和边缘吞吐量，进一步扩大小区的覆盖。平均和边缘吞吐量，进

23、一步扩大小区的覆盖。l eNB之间的之间的CoMP技术采用技术采用X2接口接口进行有线传输进行有线传输，eNB与与Relay之间的之间的CoMP技术采用空口进行无线传输。技术采用空口进行无线传输。462011-9-30LTE-A 中继技术中继技术系统的吞吐量随着小区数目增加呈现指数增长，但是需要考虑无线承载耗费的资源。提高中高速率数据应用的覆盖提高中高速率数据应用的覆盖提高小区的吞吐量，尤其是边提高小区的吞吐量，尤其是边缘吞吐量缘吞吐量不采用宏不采用宏NodeB和有线承载，和有线承载，有效的增加容量有效的增加容量目录目录l概述概述l网络架构网络架构l空中接口空中接口lMACMAC层介绍层介绍l物理层技术物理层技术l物理层过程物理层过程472013-5-20LTE小区搜索小区搜索 (1/2)RSSIRSSI：48201