第8章 第四代移动通信系统

1、2022-4-291第8章 第四代移动通信系统 8.1第四代移动通信网概况 8.2 TD-LTE 基本原理及关键技术2022-4-2928.1第四代移动通信网概况第四代移动通信网概况 第四代移动通信系统可称为广带接入和分布式网络，其网第四代移动通信系统可称为广带接入和分布式网络，其网络结构将是一个采用全络结构将是一个采用全IP的网络结构。的网络结构。4G网络采用许多网络采用许多关键技术来支撑，包括：关键技术来支撑，包括： 正交频率复用技术正交频率复用技术（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）；多载波调制技术，自适应调制和编码）；多载波

2、调制技术，自适应调制和编码（Adaptive Modulation and Coding，AMC）技术；）技术；MIMO和智能天线技术，基于和智能天线技术，基于IP的核心网，软件无线电技的核心网，软件无线电技术以及网络优化和安全性等。术以及网络优化和安全性等。 2022-4-293 LTE（Long Term Evolution）是新一代宽带无线移动通）是新一代宽带无线移动通信技术。与信技术。与3G 采用的采用的CDMA技术不同，技术不同，LTE 以以OFDM（正交频分多址）和（正交频分多址）和MIMO（多输入多输出天线）技术为（多输入多输出天线）技术为基础，频谱效率是基础，频谱效率是3G 增

3、强技术的增强技术的23 倍。倍。LTE包括包括FDD和和TDD两种制式，即频分双工两种制式，即频分双工(Frequency Division Duplexing, FDD) 和时分双工和时分双工(Time Division Duplexing, TDD) 两种方式，其中两种方式，其中TD-LTE=LTE的的TDD模式。模式。LTE的的增强技术（增强技术（LTE-Advanced）是国际电联认可的第四代移）是国际电联认可的第四代移动通信标准。正因为动通信标准。正因为LTE技术的整体设计都非常适合承载技术的整体设计都非常适合承载移动互联网业务，因此运营商都非常关注移动互联网业务，因此运营商都非常关

4、注LTE，幵已成为，幵已成为全球运营商网络演迚的主流技术。全球运营商网络演迚的主流技术。 LTE的频段的频段 FDD-LTE 主流频段为主流频段为1.8G/2.6G/及低频段及低频段700MHz、800MHz。TD-LTE 主流频段为主流频段为2.6G/2.3GHz/1.9G。LTE频带和频点如下表频带和频点如下表8.1。LTE的的FDD和和TDD技术比较如下表技术比较如下表8.2.8.1第四代移动通信网概况第四代移动通信网概况2022-4-2948.1第四代移动通信网概况第四代移动通信网概况表8.1LTE频带和频点 2022-4-295无线蜂窝制式上行速率下行速率GSM(EDGE)118kb

5、ps236kbpsCDMA2000(1X)153kbps153kbpsCDMA2000(EVDO RA) 1.8 Mbps3.1 MkbpsTD-SCDMA (HSPA)2.2 Mkbps2.8 MkbpsWCDMA(HSPA)5.76 Mkbps14.4 MkbpsTD-LET50 Mkbps100 MkbpsFDD-LET40 Mkbps150 Mkbps表8.28.1第四代移动通信网概况第四代移动通信网概况各代移动通信速率对比2022-4-2968.1.1 TD-LTE网络总体架构网络总体架构X2S1p移动性管理移动性管理p服务网关服务网关pMME/SGW 与与 eNode B的接的接口

6、口EPCE-UTRANNode BRNC+=eNode BEPSeNode BX2X2eNode BeNode BUu8.1第四代移动通信网概况第四代移动通信网概况图8.12022-4-297 LTE全网架构全网架构 网络结构扁平化网络结构扁平化, E-UTRAN只有一种网元只有一种网元E-Node B，全，全IP，媒体面控制面分离，与传统网络互通。如下图，媒体面控制面分离，与传统网络互通。如下图8.2所所示。示。8.1第四代移动通信网概况第四代移动通信网概况图8.22022-4-298 各网元功能如下。各网元功能如下。 E-Node B（Evolved NodeB）功能）功能: 无线资源管理

7、，无线资源管理，IP头头压缩和用户数据流加密，压缩和用户数据流加密，UE附着时的附着时的MME选择，用户面选择，用户面数据向数据向S-GW的路由，寻呼消息和广播信息的调度和发送，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。移动性测量和测量报告的配置。 MME（Mobile Management Entity）功能）功能: 分发寻呼信息分发寻呼信息给给eNB，安全控制，空闲状态的移动性管理，安全控制，空闲状态的移动性管理，SAE 承载控承载控制，非接入层（制，非接入层（NAS）信令的加密及完整性保护。）信令的加密及完整性保护。 S-GW（Serving GateWay）功

8、能）功能: 终止由于寻呼原因产生终止由于寻呼原因产生的用户平面数据包，支持由于的用户平面数据包，支持由于UE移动性产生的用户面切移动性产生的用户面切换。换。 PDN GW（Public Data Network GateWay）功能）功能: 基于用基于用户的包过滤，合法监听，户的包过滤，合法监听，IP地址分配，上下行传输层数据地址分配，上下行传输层数据包标记，包标记，DHCPv4和和DHCPv6（client、relay、server）。）。8.1第四代移动通信网概况第四代移动通信网概况2022-4-299 8.2.1 LTE帧结构帧结构 LTE无线帧结构分为无线帧结构分为FDD LTE和和T

9、D-LTE两种类型。分别两种类型。分别如下图如下图8.3 、图、图8.4所示。所示。1 FDD LTE帧结构帧结构 每个每个10ms无线帧被分为无线帧被分为10个子帧，每个子帧包含两个时个子帧，每个子帧包含两个时隙，每时隙长隙，每时隙长0.5ms，Ts=1/(15000*2048) 是基本时间单元，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。任何一个子帧即可以作为上行，也可以作为下行。8.2 TD-LTE 基本原理及关键技术基本原理及关键技术图图8.32022-4-29102 TD-LTE帧结构帧结构 TD-LTE帧结构特点：每个帧结构特点：每个10ms无线帧包括无线帧包括2

10、个长度为个长度为5ms的半帧，每个半帧由的半帧，每个半帧由4个数据子帧和个数据子帧和1个特殊子帧组成。特个特殊子帧组成。特殊子帧包括殊子帧包括3个特殊时隙：个特殊时隙：DwPTS，GP和和UpPTS，总长，总长度为度为1ms。和。和FDD LTE的帧长一样，的帧长一样，FDD子帧长度也是子帧长度也是1ms。 转换周期为转换周期为5ms表示每表示每5ms有一个特殊时隙。这类配置因有一个特殊时隙。这类配置因为为10ms有两个上下行转换点，所以有两个上下行转换点，所以HARQ的反馈较为及的反馈较为及时。适用于对时延要求较高的场景时。适用于对时延要求较高的场景。8.2 TD-LTE 基本原理及关键技术

11、基本原理及关键技术图图8.42022-4-2911 8.2.2 逻辑、传输、物理信道逻辑、传输、物理信道1逻辑信道逻辑信道 逻辑信道定义传送信息的类型，这些数据流是包括所有用逻辑信道定义传送信息的类型，这些数据流是包括所有用户的数据。户的数据。MAC向向RLC以逻辑信道的形式提供服务。逻辑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，分为信道由其承载的信息类型所定义，分为CCH和和TCH，前者，前者用于传输用于传输LTE系统所必需的控制和配置信息，后者用于传系统所必需的控制和配置信息，后者用于传输用户数据。输用户数据。LTE规定的逻辑信道类型如下：规定的逻辑信道类型如下： BCC

12、H信道，广播控制信道，用于传输从网络到小区中所信道，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。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，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。个小区。8.2 TD-LTE 基本原理及关键技术基本原理及关键技术2022-4-2912 DCCH，专用控制信道，用于传输来去于网络和移动终端，

13、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不同的切换消息 MCCH，多播控制信道，用于传输请求接收，多播控制信道，用于传输请求接收MTCH信息信息的控制信息。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，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。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，多播业务信道，用于发送下

14、行的MBMS业务业务8.2 TD-LTE 基本原理及关键技术基本原理及关键技术2022-4-29132 传输信道传输信道 传输信道是在对逻辑信道信息进行特定处理后再加上传输传输信道是在对逻辑信道信息进行特定处理后再加上传输格式等指示信息后的数据流。对物理层而言，格式等指示信息后的数据流。对物理层而言，MAC以传输以传输信道的形式使用理层提供的服务。信道的形式使用理层提供的服务。 LTE中规定的传输信道中规定的传输信道类型如下：类型如下： BCH：广播信道，用于传输：广播信道，用于传输BCCH逻辑信道上的信息。逻辑信道上的信息。 PCH：寻呼信道，用于传输在：寻呼信道，用于传输在PCCH逻辑信道

15、上的寻呼信逻辑信道上的寻呼信息。息。 DL-SCH：下行共享信道，用于在：下行共享信道，用于在LTE中传输下行数据的传中传输下行数据的传输信道。它支持诸如动态速率适配、时域和频域的依赖于输信道。它支持诸如动态速率适配、时域和频域的依赖于信道的调度、信道的调度、HARQ和空域复用等和空域复用等LTE的特性。类似于的特性。类似于HSPA中的中的CPC。DL-SCH的的TTI是是1ms。 MCH：多播信道，用于支持：多播信道，用于支持MBMS。 UL-SCH：上行共享信道，和：上行共享信道，和DL-SCH对应的上行信道对应的上行信道 8.2 TD-LTE 基本原理及关键技术基本原理及关键技术2022

16、-4-29143 物理信道和信号物理信道和信号 物理信道是将属于不同用户、不同功用的传输信道数据流物理信道是将属于不同用户、不同功用的传输信道数据流分别按照相应的规则确定其分别按照相应的规则确定其 载频、扰码、扩频码、开始载频、扰码、扩频码、开始结束时间等进行相关的操作，并在最终调制为模拟射频信结束时间等进行相关的操作，并在最终调制为模拟射频信号发射出去；不同物理信道上的数据流分别属于不同的用号发射出去；不同物理信道上的数据流分别属于不同的用户或者是不同的功用。户或者是不同的功用。 如下表如下表8.3所示。所示。8.2 TD-LTE 基本原理及关键技术基本原理及关键技术2022-4-2915信

17、道类型信道名称TD-S类似信道功能简介控制信道PBCH(物理广播信道）PCCPCHMIBPDCCH（下行物理控制信道)HS-SCCH传输上下行数据调度信令。上行功控命令。寻呼消息调度授权信令。RACH响应调度授权信令。PHICH(HARQ指示信道）HS-SICH传输控制信息HI（ACK/NACK)PCFICH（控制格式指示信道） N/A指示PDCCH长度的信息PRACH（随机接入信道）PRACH用户接入请求信息PUCCH（上行物理控制信道） ADPCH传输上行用户的控制信息，包括CQI, ACK/NAK反馈，调度请求等。 业务信道PDSCH（下行物理共享信道）PDSCHRRC相关信令、SIB、

18、paging 消息、下行用户数据PUSCH（上行物理控制信道）PUSCH上行用户数据，用户控制信息反馈，包括CQI,PMI,RI8.2 TD-LTE 基本原理及关键技术基本原理及关键技术表表8.32022-4-2916BCCHPCCHCCCHDCCHDTCHMCCHMTCHPCHDL-SCHMCHBCHPBCHPDSCHPMCH逻辑信道传输信道物理信道CCCHDCCHDTCHUL-SCHPRACHPUSCHRACHPUCCH下行信道上行信道逻辑信道传输信道物理信道8.2 TD-LTE 基本原理及关键技术基本原理及关键技术图图8.52022-4-2917（1）下行物理信道）下行物理信道 下行物理

19、信道有下行物理信道有:PMCH-物理多播信道；物理多播信道；PBCH:-物理广播物理广播信道；信道；PDCCH:-物理下行控制信道；物理下行控制信道；PDSCH-物理下行共物理下行共享信道；享信道；PHICH-物理物理HARQ指示信道；指示信道；PCFICH-物理控物理控制格式指示信道。下行物理信道的基本处理过程是：制格式指示信道。下行物理信道的基本处理过程是： 加扰：对将要在物理信道上传输的码字中的比特进行加扰。加扰：对将要在物理信道上传输的码字中的比特进行加扰。 调制：加扰后的比特变成了复值调制符号。调制：加扰后的比特变成了复值调制符号。 层映射：将复值调制符号映射到一个或者多个传输层。层

20、映射：将复值调制符号映射到一个或者多个传输层。 预编码：对将要在各个天线端口上发送的每个传输层上的预编码：对将要在各个天线端口上发送的每个传输层上的复制调制符号进行预编码。复制调制符号进行预编码。 映射到资源元素：把每个天线端口的复值调制符号映射到映射到资源元素：把每个天线端口的复值调制符号映射到资源元素上。资源元素上。 8.2 TD-LTE 基本原理及关键技术基本原理及关键技术2022-4-2918 生成生成OFDM信号：为每个天线端口生成复值时域的信号：为每个天线端口生成复值时域的OFDM符号。符号。 SCH(同步信道同步信道)是以不同的同步信号来区分不同的小区，是以不同的同步信号来区分不

21、同的小区，包括包括PSS和和SSS。 P-SCH (主同步信道）：符号同步，部主同步信道）：符号同步，部分分Cell ID检测检测,3个小区个小区ID.。 S-SCH（辅同步信道）：帧（辅同步信道）：帧同步，同步，CP长度检测和长度检测和Cell group ID检测，检测，168个小区组个小区组ID.。8.2.3 TD-LTE关键技术关键技术 TD-LTE关键技术是频域多址技术关键技术是频域多址技术 OFDM/SC-FDMA；MIMO技术；高阶调制技术；技术；高阶调制技术；HARQ技术；链路自适应技技术；链路自适应技术术 AMC；快速；快速MAC调度技术。调度技术。8.2 TD-LTE 基本

22、原理及关键技术基本原理及关键技术2022-4-29191 OFDM的概念的概念 正交频分复用（正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）是一种多载波传输方式。）是一种多载波传输方式。OFDM基本思想是基本思想是OFDM将频域划分为多个子信道，各相邻子信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。流分解成若干并行的子数据流同时传输。OFDM子载波的子载波的带宽带宽 信道信道“相干带宽相干带宽”时，可以认为

23、该信道是时，可以认为该信道是“非频率非频率选择性信道选择性信道”，所经历的衰落是，所经历的衰落是“平坦衰落平坦衰落”。OFDM符符号持续时间号持续时间 信道信道“相干时间相干时间”时，信道可以等效为时，信道可以等效为“线线性时不变性时不变”系统，降低信道时间选择性衰落对传输系统的系统，降低信道时间选择性衰落对传输系统的影响。如下图影响。如下图8.18所示。所示。8.2 TD-LTE 基本原理及关键技术基本原理及关键技术2022-4-2920图图8.68.2 TD-LTE 基本原理及关键技术基本原理及关键技术2022-4-2921 什么是正交，就是两个波形正好差半个周期。目前是一个什么是正交，就

24、是两个波形正好差半个周期。目前是一个ofdm 信号的前半个频率和上一个频点的信号复用，后半信号的前半个频率和上一个频点的信号复用，后半个频率和后一个频点的信号复用。个频率和后一个频点的信号复用。 那信号频率重叠了怎么区分，很简单，那信号频率重叠了怎么区分，很简单，OFDM，O 就是正就是正交的意思，正交就是能保证唯一性，举例子，交的意思，正交就是能保证唯一性，举例子，A 和和B 重叠，重叠，但是但是A*a+B*b，a 和和b 是不同的正交序列是不同的正交序列,如果我要从同一如果我要从同一个频率中只获取个频率中只获取A，那么通过计算，（，那么通过计算，（A*a+B*b） *a=A*a*a+B*b

25、*a=A+0=A（因为正交，（因为正交，a*a=1，a*b=0）。）。所以所以OFDMA 是允许频率重叠的，甚至理论上可以重叠到是允许频率重叠的，甚至理论上可以重叠到无限，但是为了增加解调的容易性，目前无限，但是为了增加解调的容易性，目前 LTE 支持支持OFDM 重叠波长的一半。重叠波长的一半。8.2 TD-LTE 基本原理及关键技术基本原理及关键技术2022-4-29222 OFDM系统实现原理系统实现原理 OFDM系统实现原理也即多载波技术：多载波技术就是在系统实现原理也即多载波技术：多载波技术就是在原来的频带上划分更多的子载波，有人会提出载波划得太原来的频带上划分更多的子载波，有人会提

26、出载波划得太细会产生干扰，为了避免这种干扰，两个子载波采用正交，细会产生干扰，为了避免这种干扰，两个子载波采用正交，每两个子载波是正交关系避免干扰。这就像双绞线一样。每两个子载波是正交关系避免干扰。这就像双绞线一样。这样一是避免了这样一是避免了2 个子载波间的干扰，在下一个子载波间个子载波间的干扰，在下一个子载波间也有了一定的间隔距离。多载波技术的实现原理如下图也有了一定的间隔距离。多载波技术的实现原理如下图8.20所示。所示。 OFDM技术中各个子载波之间相互正交且相互重叠，可以技术中各个子载波之间相互正交且相互重叠，可以最大限度地利用频谱资源。最大限度地利用频谱资源。OFDM是一种多载波并

27、行调制是一种多载波并行调制方式，将符号周期扩大为原来的方式，将符号周期扩大为原来的N倍，从而提高了抗多径倍，从而提高了抗多径衰落的能力。衰落的能力。OFDM可以通过可以通过IFFT（快速傅立叶反变换）（快速傅立叶反变换）和和FFT（快速傅立叶变换）分别实现（快速傅立叶变换）分别实现OFDM的调制和解调的调制和解调。8.2 TD-LTE 基本原理及关键技术基本原理及关键技术2022-4-2923图图8.78.2 TD-LTE 基本原理及关键技术基本原理及关键技术2022-4-29243 TD-LTE与与LTE FDD技综合对比技综合对比 技术体制TD-LTELTE FDD采用的相同的关键技术信道带宽灵活配置1.4M，3M，5M，10M，15M，20M1.4M，3M，5M，10M，15M，20M帧长10ms (半帧5ms，子帧1ms)10ms (子帧1ms)信道编码卷积码、Turbo码卷积码、Turbo码调制方式QPSK，16QAM，64QAMQPSK