LTE无线通信系统-文档资料

1、1LTE无线通信系统TD-LTE关键技术LTE网络架构及协议栈介绍LTE物理层结构介绍LTE层2结构介绍TD-LTE与WLAN区别2LTE无线通信系统3LTE背景介绍什么是LTE？长期演进LTE (Long Term Evolution)是3GPP主导的无线通信技术的演进。接入网将演进为E-UTRAN (Evolved UMTS Terrestrial Radio Access Network)。连同核心网的系统架构将演进为SAE (System Architecture Evolution)，后改名EPS（Evolved Packet System）。LTE的设计目标的设计目标p带宽灵活配置

2、：支持1.4MHz, 3MHz, 5MHz, 10Mhz, 15Mhz, 20MHzp峰值速率(20MHz带宽）：下行100Mbps，上行50Mbpsp控制面延时小于100ms，用户面延时小于50msp能为速度350km/h的用户提供100kbps的接入服务p支持增强型MBMS（E-MBMS）p取消CS域，CS域业务在PS域实现，如VOIPp系统结构简单化，低成本建网3GPP的目标是打造新一代无线通信系统，超的目标是打造新一代无线通信系统，超越现有无线接入能力，全面支撑高性能数据越现有无线接入能力，全面支撑高性能数据业务的，业务的，“确保在未来确保在未来10年内领先年内领先”。4LTE背景介绍

3、LTE的标准化进程2004年12月3GPP正式成立了LTE的研究项目。原定2006年6月完成的研究项目SI（Study Item）推迟到2006年9月。完成可行性研究，并输出技术报告。2006年9月正式开始工作项目WI（Work Item）/标准制定阶段。接着进入Stage3 (Protocol)研究阶段，在各个子组会议上进行讨论。2008年12月推出首个商用协议版本。LTE主要涉及36.xxx系列协议。目前协议仍在不断完善中。LTE WI stageLTE SI stageDelayed2006Mar2006Jun2006Sep2005Dec2006Dec2007Dec2008Dec2007

4、Jun2008Jun2007Mar2007Sep2008Mar2008Sep2009MarLTE enhancement and improvementLTE Rel8(Approval)LTE SILTE WILTE Rel8(Spec finished)5LTE背景介绍SAE简介系统架构演进SAE（System Architecture Evolution），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，后改名为EPC（Evolved Packet Core）主要包括：功能平扁化，去掉RNC的物理实体，把部分功能放在了E-NodeB，以减少时延和增强调度能力（如，单站内部干扰协调

5、，负荷均衡等，调度性能可以得到很大提高）把部分功能放在了核心网，加强移动交换管理，采用全IP技术，实行用户面和控制面分离。同时也考虑了对其它无线接入技术的兼容性。6LTE背景介绍3GPP简介简介p3GPP （3rd Generation Partnership Project ）成立于1998年12月，是一个无线通信技术的标准组织，由一系列的标准联盟作为成员（Organizational Partners）。目前有ARIB（日本）, CCSA（中国）, ETSI（欧洲）, ATIS（美洲）, TTA（韩国）, and TTC（日本） 等。p3GPP分为标准工作组TSG和管理运维组两个部分。TS

6、G主要负责各标准的制作修订工作，管理运维组主要负责整理市场需求，并对TSG和整个项目的运作提供支持。TSG（Technical Specification Groups ）pTSG GERAN: GERAN无线侧相关(2G)；pTSG RAN: 无线侧相关(3G and LTE)；pTSG SA (Service and System Aspects):负责整体的网络架构和业务能力；pTSG CT (Core Network and Terminals):负责定义终端接口以及整个网络的核心网相关部分。7LTE背景介绍规范编号规范名称内容TR25.913E-U

7、TRA需求定义LTE的需求TS36.201LTE物理层总体描述E-UTRA空中接口的物理层总体描述TS36.211物理信道和描述描述E-UTRA的物理信道TS36.212复用和信道编码定义E-UTRA物理信道的编码、映射和复用TS36.213物理过程定义物理过程特性TS36.214物理层测量包含为了支持空闲状态和连接状态而进行的UE侧和网络侧的测量的定义和描述TS36.300E-UTRA的总体描述提供了E-UTRA无线接口协议框架的总体描述TS36.321MAC协议规范描述MAC协议TS36.322RLC协议规范描述RLC协议TS36.323PDCP协议规范描述PDCP协议TS36.331RR

8、C协议规范描述RRC协议TS23.401基于GTP的SAE架构及功能TS24.301UE与MME间的NAS接口8LTE无线通信系统LTE背景介绍LTE网络架构及协议栈介绍LTE物理层结构介绍LTE层2结构介绍TD-LTE与WLAN区别9TD-LTE关键技术n频域多址技术频域多址技术 OFDM/SC-FDMAnMIMO技术技术n高阶调制技术高阶调制技术nHARQ技术技术n链路自适应技术链路自适应技术 AMCn快速快速MAC调度技术调度技术n小区干扰消除小区干扰消除10多址技术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

9、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LTE多址技术的要求多址技术的要求11多址技术OFDM基本思想OFDM将频域划分为多个子信道，各相邻子信道相互重叠，但不同子信道相互正交。将高速的串行数据流分解成若干并行的子数据流同时传输OFDM子载波的带宽 信道“相干带宽”时，可以认为该信道是“非频率选择性信道”，

10、所经历的衰落是“平坦衰落”OFDM符号持续时间 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 - PHICH66物理信道-下行物理信道物理信道调制方式调制方式物理信道物理信道调制方式调制方式PBCHQPSKPCFICHQPSKPDCCHQPSKPHICHBPSKPDSCHQPSK, 16QAM, 64QAMPMC

11、HQPSK, 16QAM, 64QAM下行信道处理过程下行信道处理过程p加扰：加扰：物理层传输的码字都需要经过加扰；p调制：调制：对加扰后的码字进行调制，生成复数值的调制符号；p层映射：层映射：将复数调制符号影射到一个或多个发射层中；p预编码：预编码：对每个发射层中的复数调制符号进行预编码，并影射到相应的天线端口；pRE影射：影射：将每个天线端口的复数调制符号影射到相应的RE上；pOFDM信号生成：信号生成：每个天线端口信号生成OFDM信号。下行信道的调制方式下行信道的调制方式67下行物理信号-参考信号下行参考信号RS (Reference Signal)：类似CDMA/UMTS的导频信号，用

12、于下行物理信道解调及信道质量测量协议指定有三种参考信号小区特定参考信号（Cell-Specific Reference Signal）为必选nCQI测量总基于CRS另外两种参考信号（MBSFN Specific RS & UE-Specific RS）为可选LTE下行参考信号特点：下行参考信号特点：RS本质上是终端已知的伪随机序列对于每个天线端口，RS的频域间隔为6个子载波被参考信号占用的RE，在其它天线端口相同RE上必须留空天线端口增加时，系统的导频总开销也增加，可用的数据RE减少LTE的参考信号是离散分布的，而CDMA/UMTS的导频信号是连续的RS分布越密集，则信道估计越精确，但

13、开销越大，影响系统容量68下行物理信号-同步信号同步信号（同步信号（Synchronization Signal）：）：同步信号用于小区搜索过程中UE和E-UTRAN的时频同步。同步信号包含两个部分：n主同步信号主同步信号）：用于符号timing对准，频率同步，以及部分的小区ID侦测n次同步信号次同步信号：用于帧timing对准，CP长度侦测，以及小区组ID侦测同步信号特点：同步信号特点：无论系统带宽是多少，同步信号只位于系统带宽的中部，占用72个子载波。同步信号只在每个10ms帧的第1个和第11个时隙中传送。主同步信号位于传送时隙的最后一个符号，次同步信号位于传送时隙的倒数第二个符号。PSS

14、位于DwPTS的第三个符号SSS位于5ms第一个子帧的最后一个符号SCH (P/S-SCH)占用的72子载波位于系统带宽中心位置时域结构时域结构频域结构频域结构69PBCH配置u频域：对于不同的带宽，都占用中间的1.08MHz （72个子载波）进行传输；u时域：映射在每个5ms 无线帧的subframe0里的第二个slot的前4个OFDM符号上；u周期：PBCH周期为40ms，每10ms重复发送一次，终端可以通过4次中的任一次接收解调出BCH； PBCH(广播信道广播信道) 广播消息：广播消息：MIB&SIBMIB&SIBMIB在PBCH上传输,包含了接入LTE系统所需要的最基

15、本的信息：下行系统带宽PHICH资源指示系统帧号(SFN）CRC天线数目的信息等SIB在DL-SCH上传输，映射到物理信道PDSCH ，携带如下信息：一个或者多个PLMN标识Track area code小区IDUE公共的无线资源配置信息同、异频或不同技术网络的小区重选信息 SIB1固定位置在#5子帧上传输，携带了DL/UL时隙配比，以及其他SIB的位置与索引等信息。SIB 1SIB 2SIB 38BCCHBCHDL-SCHPDSCHPBCH传输信道物理信道MIBSIBs逻辑信道70PCFICH&PHICH信道 PHICH的传输以PHICH组的形式，PHICH组的个数由PBCH指示。

16、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物理层控制格式指示信道) ) PHICH( (物理物理HARQHARQ指示信道指示信道) )71PDCCH信道PDCCH控制信令的主要类型“上行数据传输”的调度与授权信息“下行数据传输”的调度信息“寻呼消息传输”的调度信息“随机接入响应上行传输”的调度信息上行功控信令PDCCH主要特点主要特点

17、PDCCH信道可能占用每个子帧的前1，2或者3个OFDM符号具体符号数由PCFICH指示不同UE的控制信令是独立发送的，可以针对不同UE的信道情况进行自适应传输自适应包括：CCE聚合级别自适应和发射功率自适应PDCCH通过盲检测来进行解调72PDSCH资源分配方式资源分配方式包括集中式 (Localized)：有利于频率选择性调度分布式 (Distributed)：有利于抵抗窄带深衰落，获得频率分集增益73物理信道-上行物理信道物理信道调制方式调制方式PUCCHBPSK, QPSKPUSCHQPSK, 16QAM, 64QAMPRACHZadoff-Chu序列,QPSK上行信道处理过程上行信道

18、处理过程加扰加扰调制：调制：对加扰后的码字进行调制，生成复数值的调制符号；转换预编码：转换预编码：生成复数值的符号；RE影射：影射：将复数符号影射到相应的RE上；SC-FDMA信号生成：信号生成：每个天线端口信号生成SC-FDMA信号。上行信道的调制方式上行信道的调制方式74物理信号-上行上行参考信号上行参考信号RS（Reference Signal）：）：上行的导频信号，用于E-UTRAN与UE的同步和上行信道估计。上行参考信号有两种：n解调参考信号解调参考信号DM RS (Demodulation Reference Signal), PUSCH和PUCCH传输时的导频信号nSoundin

19、g参考信号参考信号SRS (Sounding Reference Signal), 无PUSCH和PUCCH传输时的导频信号75PRACH配置频域：1.08MHz带宽（72个子载波），与PUCCH相邻时域：位于UpPTS（format 4）及普通上行子帧中（format 03）。每10ms无线帧接入0.56次，每个子帧采用频分方式可传输多个随机接入资源。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；应用场景应用场景接入类型接入类型IDLEIDLE态初始接入态初始接入竞

20、争竞争无线链路失败后初始接入无线链路失败后初始接入竞争竞争连接态上行失步后发送上行数据连接态上行失步后发送上行数据竞争竞争小区切换小区切换竞争竞争/ /非竞争非竞争连接态上行失步后接收下行数据连接态上行失步后接收下行数据竞争竞争/ /非竞争非竞争 PRACH( PRACH(物理随机接入信道物理随机接入信道) )接入类型建议接入类型建议76PUCCH配置PUCCHPUCCH格式格式承载信息承载信息内容内容承载用户数承载用户数1 1SRIUE是否有调度请求181a1a1bit ACK传输HARQ信息1b1b2bit ACK2 2CQIPMI+RI+CQI122a2aCQI+1比特ACK混合传输CQ

21、I及HARQ信息2b2bCQI+2比特ACK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RB pair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）（上行物理控制信道）控制信道示意图77物理层过程-小区搜索小区搜索（小区搜索（Cell Search）基本原理）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：n第一步：

22、UE解调主同步信号实现符号同步，并获取小区组内ID；n第二步：UE解调次同步信号实现帧同步，并获取CP长度和小区组ID。关于关于Cell ID：LTE协议规定物理层Cell ID分为两个部分：小区组ID和组内ID。目前最新协议规定物理层小区组有168个，每个小区组由3个ID组成，因此共有共有168*3=504个独立的个独立的Cell ID其中 代表小区组ID，取值范围0167； 代表组内ID，取值范围02(2)ID(1)IDcellID3NNN(1)IDN(2)IDN 初始化小区搜索：初始化小区搜索：UE上电后开始进行初始化小区搜索，搜寻网络。UE第一次开机时并不知道网络的带宽和频点。UE会重

23、复基本的小区搜索过程，历遍整个频谱的各个频点尝试解调同步信号。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。一旦UE搜寻到可用网络并与网络实现同步，获得服务小区ID(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。完成上述过程后，UE解调下行控制信道PDCCH，获取网络指配给这个UE的寻呼周期。然后在寻呼周期中从IDLE态醒来解调PDCCH，监听寻呼。如果有属于该UE的寻呼，则解调指定的下行共享信道PDSCH资源，接收寻呼。搜索频点同步信号广播信道控制信道共享信道78在以下情况下UE需要进行随机接入初始接入

24、无线链路失败后重建无线链路切换到新小区需要与新小区上行同步时UE在连接状态，但是上行同步丢失时需进行调度请求，且没有专用调度请求资源时随机接入的主要目的是获得上行同步随机接入79LTE无线通信系统LTE背景介绍TD-LTE关键技术LTE网络架构及协议栈介绍LTE物理层结构介绍TD-LTE与WLAN区别80LTE层2结构81LTE层2概述LTE层层2分为以下几个子层：分为以下几个子层：MAC层（Medium Access Control）RLC层（Radio Link Control）PDCP层（Packet Data Convergence Protocol）层层2的主要功能的主要功能头压缩，

25、加密分段/串接，ARQ调度，优先级处理，复用/解复用，HARQ下行层下行层2结构结构上行层上行层2结构结构82MAC层MAC层的主要功能层的主要功能逻辑信道（Logical Channel）与传输信道（Transport Channel）间的映射将RLC层的协议数据单元PDU复用到传输块TB（Transport Block）中，然后通过传输信道传送到物理层。业务量测量报告通过HARQ纠错对单个UE的逻辑信道优先级处理多个UE间的优先级处理（动态调度）传输格式选择填充MAC层的逻辑信道层的逻辑信道控制信道（Control Channel）：传输控制面信息业务信道（Traffic Channel）

26、：传输用户面信息MAC层结构层结构MAC层上行层上行信道映射信道映射MAC层下行层下行信道映射信道映射控制信道控制信道业务信道业务信道83RLC层RLC层的主要功能层的主要功能上层PDU的传输支持确认模式AM和非确认模式UM数据传输支持透传模式TM通过ARQ纠错对传输块TB进行分段处理：仅当RLC SDU不完全符合TB大小时，将SDU分段到可变大小的RLC PDU中，而不用进行填充对重传的PDU进行重分段处理：仅当需要重传的PDU不完全符合用于重传的新TB大小时，对RLC PDU进行重分段处理多个SDU的串接顺序传递上层PDU （除切换外）协议流程错误侦测和恢复SDU丢弃复位RLC PDU结构

27、结构RLC header承载的PDU序列号与SDU序列号无关根据调度机制，RLC PDU的大小动态可变。RLC根据PDU的大小对SDU进行分段和串接，一个PDU的数据可能来自一个或多个SDURLC层结构层结构AM: Acknowledge ModeUM: Un-acknowledge ModeTM: Transparent ModeTB: Transport BlockSDU: Service Data UnitPDU: Protocol Data UnitRLC PDU结构结构分段分段串接串接84PDCP层PDCP层的主要功能：层的主要功能：用户面的功能：n头压缩/解压缩：ROHCn用户数据

28、传输：接收来自上层的PDCP SDU，然后传递到RLC层。反之亦然nRLC确认模式下，在切换时将上层PDU顺序传递nRLC确认模式下，在切换时下层SDU的副本侦测nRLC确认模式下，在切换时将PDCP SDU重传n加密n基于计时器的上行SDU丢弃控制面的功能：n加密及完整性保护n控制数据传输：接收来自上层的PDCP SDU，然后传递到RLC层。反之亦然PDCP PDU结构结构：pPDCP PDU和PDCP header均为8位格式pPDCP header长度为1或2字节PDCP层结构层结构ROHC: Robust Header CompressionPDCP PDU结构结构85层1和层2数据传

29、递层层1和层和层2的数据传递的数据传递来自上层的数据包加头封装后传递到下层。反之，来自下层的数据包被拆封去头后传递到上层。调度器在RLC，MAC和物理层均起作用。多个用户的数据包在MAC层实现复用。物理层实现CRC校验。86LTE应用举例总体方案架构 l多重技术保证业务可靠双网物理隔离保障网络冗余高可靠性;专业抗干扰技术，优先级保障机制；移动性强，高速(200Km/h)切换稳定；l匹配轨道交通的部署方案高架天线覆盖，隧道漏缆覆盖，确保信号质量；全路段双网覆盖，满足信号切换及传输时延指标；RRU拉远设计，减少站点数量， 减少切换次数； l易维护无线小区覆盖远，正线隧道内基站设备少TAUTAU车载网络车载控制器车载路由器LTE核心网LTE核心网B网A网接入层终端层功分器功分器定向天线定向天线正线/车站车辆段/停车场合路器合路器GPSGPS核心层CBTC业务系统ATS应用层漏缆中心路由器中心交换机车站交换机BBU+RRU防火墙中心路由器中心交换机87LTE移动通信系统LTE背景介绍TD-LTE关键技术LTE网络架构及协议栈介绍LTE物理层结构介绍LTE层2结构介绍88WLAN技术发展802.11标准速率标准速率1M 无商用产品无商用产品802.11b/a 标准速率标准速率2.4G：11