LTE物理层关键技术及物理层传输方案

1、LTELTE物理层关键技术物理层关键技术及物理层传输方案及物理层传输方案系统架构研发部 标准部池连刚2目录目录v LTE的历史背景v LTE的主要技术指标v LTE物理层的关键技术v LTE物理层的传输方案v 总结3目录目录v LTE的历史背景v LTE的主要技术指标v LTE物理层的关键技术v LTE物理层的传输方案v 总结4LTELTE的产生背景的产生背景v GSM的巨大成功“得陇望蜀”。人们希望享受到更加方便快捷的移动通信服务。v 3G 的无线性能得到了较大的提高，但在知识产权的制肘、应对市场挑战（WiMax）和满足用户需求等领域，还是有很多局限。 v 用户的需求、市场的挑战和IPR的制

2、肘共同推动了3GPP在4G出现之前加速制定新的空中接口和无线接入网标准。 LTE (3.9G)应运而生。5 3GPP LTE是一个高数据速率、低时延和基于全分组的移动通信系统，具体目标包括：v 频谱带宽可配置v 提高小区边缘传输速率v 高的频谱利用率v 低传输迟延v 支持多媒体广播及多播业务v 全分组的包交换v 与现有移动通信系统共存 LTELTE的演进目标的演进目标6目前世界主要运营商目前世界主要运营商Vodafone、NTT、AT&T、Verizon都已经决定采用都已经决定采用LTE技术；技术；WiMAX正逐步扩大影响；正逐步扩大影响；CDMA2000/UME的阵营进一步缩小。的阵

3、营进一步缩小。商用商用LTELTE标准化进展标准化进展 测试测试Work ItemStudy ItemLTE2008年年2月中国月中国移动宣布测试移动宣布测试LTE3GPP LTE项目启动项目启动3GPP LTE第一版本完第一版本完成成2007年年10月月WiMAX加入加入3G2007年年12月月3GPP LTE TDD两种模式合并两种模式合并2006年年NGMN组组织成立织成立WiMAX论论坛成立坛成立200320042005200620092010 2007 2008201120147目录目录v LTE的历史背景v LTE的主要技术指标v LTE物理层的关键技术v LTE的物理层传输方案v

4、总结8需需 求求指指 标标条条 件件下行峰值速率100Mb/s，频谱利用率5bps/Hz20MHz上行峰值速率50Mb/s， 频谱利用率2.5bps/Hz20MHz用户面延迟（单向）小于5ms空载状态（单用户数据流），小IP包的用户面延迟控制面延迟小于100ms从驻留状态到激活状态的转换时间小于50ms从睡眠状态到激活状态的迁移时间控制面容量至少支持200个激活用户5Mhz带宽小区用户吞吐量下行链路平均用户吞吐量/Mhz是R6 HSDPA的34倍上行链路平均用户吞吐量/Mhz是R6 HSUPA的23倍频谱利用率下行链路频谱效率是R6 HSDPA的34倍加载网络下行链路频谱效率是R6 HSUPA

5、的23倍加载网络需求及技术指标需求及技术指标9需需 求求指指 标标移动性低移动速率015Km/h性能优化支持更高移动速度15120Km/h的高性能跨蜂窝网络的移动性支持120350Km/h覆盖和容量在5km小区内，满足上述吞吐量，频谱利用率和移动性目标在30km小区内，轻微降低支持最大小区范围100Km在维持目前的站点配置不变情况下，增加小区边缘速率，改善小区边缘用户性能，提高小区容量。进一步增加的MBMS功能降低终端复杂性，MBMS采用与unicast相同的调制，编码，多用户接入方法及UE带宽同时提供专用语音和MBMS业务；在单独下行载波部署移动电视。10需需 求求指指 标标与3GPP RA

6、T的共存和互操作与相邻信道的GERAN/UTRAN,在相同地理区域共存和共站址具备UTRAN/GERAN功能的E-UTRAN多模终端支持3GPP UTRAN和3GPP GERAN的测量和双向切换。支持与现有3GPP和非3GPP系统（WIMAX， CDMA2000，WLAN）的互操作。E-UTRAN与UTRAN之间的实时业务切换业务中断时间小于300ms网络架构和变迁LTE采用基于分组域的扁平all-IP的网络架构，取消CS（电路交换）域，CS域的业务在PS（包交换）域实现。支持增强的IMS（IP多媒体子系统）11目录目录v LTE的历史背景v LTE的主要技术指标v LTE物理层的关键技术 移

7、动传播环境v LTE的物理层传输方案v总结12无线通信核心问题无线通信核心问题v无线通信成为富有挑战性又能引起研究人员兴趣的课题。v衰落现象：大尺度衰落、小尺度衰落v干扰：上行链路干扰、下行链路干扰、小区间干扰v核心问题：在无线环境恶劣、频谱资源有限的条件下，如何设计通信系统实现多用户、高速度、高质量的数据传输。13电磁波的传播特性电磁波的传播特性v反射：电磁波在不同性质介质的交界处，会有一部分发生反射。v绕射：接收机和发射机之间的无线路径被尖利的边缘阻挡时会发生绕射。v散射：电磁波照射到粗糙的物体表面会发生散射。反射绕射散射14无线信道的衰落无线信道的衰落15大尺度衰落大尺度衰落v当移动台运

8、动的距离与小区尺寸相当时，会出现通常与频率无关的大尺度衰落。v由随距离而变化的信号路径损耗和由建筑物、山脉等大型障碍物的阴影造成的。v大尺度衰落通常与基站规划之类的问题关系密切。16小尺度衰落小尺度衰落v小尺度衰落频率选择性衰落时间选择性衰落空间选择性衰落17多径传播多径传播v 用功率时延谱（PDP）表征无线信道的多径特性。Direct Wave01021/2cdWT18多普勒频移（时变性）多普勒频移（时变性）mcvffc静止静止运动运动14cmTf多普勒频移多普勒频移相干时间相干时间v 多普勒功率谱表征无线信道的时变特征19空间选择性（空间选择性（MIMO）远端散射体本地散射体本地散射体 不

9、可分离径TX可分离径v 极化方向，角度扩展（功率角度谱），到达或离开角，相干距离 表征空间相关性。20目录目录v LTE的历史背景v LTE的主要技术指标v LTE物理层的关键技术 OFDM, MIMO技术v LTE物理层的传输方案v LTE的网络架构v 总结21LTELTE系统物理层关键技术系统物理层关键技术v 多址接入方案 下行 OFDMA 上行 SC-FDMAv 下行 MIMO技术 小区搜索技术 & 同步技术v 上行 随机接入 & 上行同步控制v 链路自适应技术v HARQ技术v 功率控制22多载波技术多载波技术 OFDM OFDMv 高传输速率要求大带宽，面临无线信道的

10、频率选择性问题。v 传统解决方案：GSM中的时域均衡技术，CDMA系统中的RAKE接收。随着带宽增大以上方案的复杂度将变得难以接受。v OFDM将高速的符号流分解为多路并行的低速符号流，在多个子载波上并行传输。支持大带宽，带宽配置灵活，实现简单，频域均衡算法简单。23多天线技术多天线技术-MIMO-MIMOv MIMO: 在发送和接收端同时使用多天线。v MIMO系统可利用丰富的散射径，在不增加系统带宽的前提下，大幅度改善系统性能（提高速率或可靠性）。v MIMO系统信道容量的增长与天线数目大致成线性关系。24MIMO+OFDMMIMO+OFDMv MIMO技术能提高传输的可靠性或提高系统容量

11、。v OFDM技术较容易支持大带宽，实现简单，频谱利用率高，均衡简单。v MIMO-OFDM技术，可用资源丰富：空域，频域，时域，功率。实现相对简单 (可对每个载波分别频域均衡，简化了频率选择性MIMO的均衡算法)25OFDMOFDM信号的生成信号的生成 OFDM符号通带信号可以表示为OFDM信号的基带形式为 可用IFFT实现基带的OFDM多载波调制。现阶段的IC技术可轻松的应对此复杂度，系统实现简单。12220.5( )Reexp2NNciNiis tdjftT1222( )exp2NNiNiix tdjtT26 OFDMOFDM信号的时域特点信号的时域特点v 子载波数目 时，承载的数据为

12、，四个载波独立的波形和迭加后的信号 4N (1,1,1,1)d00.10.20.30.40.50.60.70.80.91-4-3-2-10123427OFDMOFDM信号的频谱结构信号的频谱结构28OFDMOFDM的关键问题的关键问题v 峰均比（PAPR） 原因：OFDM信号在时域是多个子载波信号的叠加LTE上行采用 SC-FDMA传输方案v 符号间干扰（ISI） 原因1：无线信道多径（通过CP解决） 原因2：符号同步偏差 （通过帧定时同步解决）v 子载波间干扰（ICI） 原因1：无线信道的时变性设计合理的子载波间隔 ，多普勒分集技术 原因2：设备的频率偏差：载波频率偏差 & 采样频率

13、偏差载波同步，采样同步（晶振同源时，联合同步）29 OFDM OFDM中中GP GP v GP（空等的方式）用于OFDM系统的效果 消除了OFDM的符号间干扰 导致了每OFDM符号内部的子载波间干扰！保护时间FFT积分时间子载波1延迟的子载波2OFDM符号周期子载波2对子载波1的干扰部分30CP CP 的产生的产生OFDM符号的循环前缀结构 保护时间FFT积分时间子载波1OFDM符号周期子载波2子载波331 CP CP对抗信道多径影响对抗信道多径影响保护时间FFT积分时间OFDM符号周期相位跳变第一条到达径信号第二条到达径信号多径时延CP的引入解决了GP的缺陷两径信道中OFDM符号的传输32O

14、FDMOFDM中的同步技术中的同步技术 v帧同步（OFDM符号同步,影响ISI） OFDM符号同步 固定采样定时偏差可归入符号同步偏差的影响OFDM系统对符号定时偏差不敏感。系统对符号定时偏差不敏感。v频率同步 (影响ICI) LTE规定 eNB:0.05ppm, UE:0.1ppm 载波频率同步 固定的载波相位偏差对性能无丝毫影响 采样频率同步 OFDM系统对频率偏差非常敏感！系统对频率偏差非常敏感！33符号同步偏差的影响符号同步偏差的影响34帧定时同步方案帧定时同步方案v初始同步，小区搜索利用第一同步信号，互相关找峰值位置即主径的到达位置。v利用导频进行信道估计，根据信道冲击影响在CP内的

15、PDP分布，进行定时跟踪。v上行同步控制：根据信道冲击影响在CP内的PDP分布，估计出发送时刻的定时提前量。35载波频率偏差的影响载波频率偏差的影响v 整数倍频偏（相对于子载波间隔）：无ICI，但检测出的符号“张冠李戴”导致严重的误码率。根据LTE对晶振稳定度的规定，此情况不会发生。v 小数倍频偏：本子载波的信号能量减小，同时引入了相邻子载波的干扰。( )A fnf1nf1nff(a)( )A fnfff(b)36采样频率偏差的影响采样频率偏差的影响导致ICI，且随时间的累积时间会多出或漏掉样值37频率同步方案频率同步方案v小区搜索完成粗频偏补偿v根据接收的导频信息估计频偏，利用锁相环进行闭环

16、跟踪并补偿38MIMOMIMO技术概述技术概述v空间分集（提高可靠性） 空时块码（STBC） 空频块码（SFBC） 空时格码（STTC） 基于MIMO-OFDM的循环延迟分集(CDD)v空间复用（提高速率） V-BLAST39目录目录v LTE的历史背景v LTE的主要技术指标v LTE物理层的关键技术v LTE的物理层传输方案v总结40LTE LTE 物理层接口物理层接口Radio Resource Control (RRC)Medium Access Control(MAC)Transport channelsPhysical layerControl / MeasurementsLaye

17、r 3Logical channelsLayer 2Layer 141LTE LTE 物理层协议架构物理层协议架构 42目录目录v LTE的历史背景v LTE的主要技术指标v LTE物理层的关键技术v LTE的物理层传输方案 物理信道和调制v 总结43帧结构帧结构 44特殊子帧配置特殊子帧配置 45上、下行子帧配置上、下行子帧配置 46资源块定义资源块定义资源块资源块47下行的时隙参数下行的时隙参数48物理信道分类物理信道分类v上行 物理层上行共享信道（PUSCH） 物理层上行控制信道（PUCCH） 物理层随机接入信道（PRACH）v下行 物理层下行共享信道（PDSCH） 物理层广播信道（PB

18、CH） 物理层多播信道（PMCH） 物理层控制格式指示信道（PCFICH） 物理层下行控制信道（PHICH） 物理层HARQ指示信道（PDCCH）49下行物理信道简介下行物理信道简介v PBCH广播系统信息，TTI=4 无线帧，子帧0，时隙1的前4个OFDM符号，近邻载频两边的72子载波。单发或者发送分集，用发送天线配置模式对CRC加扰。v PCFICH指示PDCCH的OFDM符号数,每个下行子帧的第1OFDM符号，频域REG位置根据系统带宽和小区ID获得v PHICH反馈PUSCH的ACK/NAK，该信道分组，组内用8个正交序列实现CDM，时序FDD间隔4个子帧，TDD根据上下行子帧配置查表

19、，频域方向组位置和组内编号与各PUSCH 的频域位置，DMRS(用于UL RS的循环移位)有对应关系。v PDCCH调度PDSCH，PUSCH，上行功率控制。v PMCH多播信道50PUSCHPUSCH导频图案导频图案51下行导频图案下行导频图案不同的天线在不同的时频资源不同的天线在不同的时频资源放置导频符号放置导频符号52PUSCHPUSCH发送流程发送流程2mod)()()(icibibQPSK16QAM64QAMDFTIFFT)(hopif53SC-FDMASC-FDMA信号的信号的PAPRPAPR16QAM,占用512子载波的中间300个子载波345678910111210-410-3

20、10-210-1100PAPR (dB)CCDF OFDMDFTS-OFDM54PUSCHPUSCH的跳频的跳频 sbsbsbsbPRBsVRBhopRBRBVRBRBmRBsbssPRBsPRBsPRBsR()12mod( ) mod2intersubframe hoppingintra and intersubframe hopping() 1()()sbnnnfiNNnNfiNNninnnNnnnnNPUCCHBVRBVRBPUCCHVRBRB2 1 12 1sbsbsbNnNnnNNsbULPUCCHPUCCHRBRBRBRBsbmod2NNNNN55 2mod) 1) 1mod(2)

21、() 1(2mod) 1) 1(10)(910110) 110(hopsbsbsbiikikhopsbsbhopsbNNNkcifNNifNifmmod 21( )(10)1sbsbiNfic iN ( 1)=0hopfcellinitIDcN56PUCCHPUCCH发送流程发送流程57PRACHPRACH发送流程发送流程 58下行物理信道发送流程下行物理信道发送流程与加扰序列异或QPSK16QAM64QAMIFFT分集(SFBC)(0)(0)(1)(1)( )( )( )( )( )PyixiW iyixi)()()()()()() 1()0() 1()0(ixixUiDiWiyiyP)(I

22、m)(Im)(Re)(Re00101001000121) 12() 12()2()2() 1 ()0() 1 ()0() 1 ()0() 1 ()0(ixixixixjjjjiyiyiyiy复用(SM)Closed-loop no CDDOpen-loopLarge delayCDD59目录目录v LTE的历史背景v LTE的主要技术指标v LTE物理层的关键技术v LTE的物理层传输方案 复用和信道编码v 总结60传输信道到物理信道的映射传输信道到物理信道的映射61信道编码信道编码TrCH编码方案码速率UL-SCHTurbo Coding1/3DL-SCHPCHMCHBCHTailing b

23、iting CC1/3控制信息编码方案码速率DCITailing biting CC1/3CFIBlock code1/16HIRepetition1/3UCIBlock code可变Tailing biting CC1/3删尾删尾 卷积编码器卷积编码器Turbo编码器编码器( )212, 0,1,.,(1)( )()modiicciKififiK 62卷积码的速率匹配卷积码的速率匹配63Turbo的速率匹配的速率匹配 64上行传输信道处理上行传输信道处理UL-SCHUCI65下行传输信道处理下行传输信道处理BCH DCIDL-SCH PCH MCH66目录目录v LTE的历史背景v LTE的

24、主要技术指标v LTE的关键技术v LTE的物理层传输方案 物理层过程v 总结67小区搜索过程小区搜索过程68随机接入过程随机接入过程(2) 非竞争模式(1) 竞争模式目的: (1) 接入网络 (2) 获取上行同步 69PRACH的物理层检测的物理层检测 70PRACH PRACH 检测检测v 为了在频域实现PRACH检测，须所有多径分量在CP内到达，并且检测能量都带落在Ncs决定的观察窗内。v 格式03的子载波间隔1.25k，是业务的1/12。高速时的多普勒频移很容易造成子载波间干扰。为此对高速情况下，的基本序列和循环移位的位数进行了限制。分为两类非限制集合和限制集合。71PDSCH PDS

25、CH 的过程的过程v 发送模式Single-antenna port; port 0Transmit diversityOpen-loop spatial multiplexingClosed-loop spatial multiplexingMulti-user MIMOClosed-loop Rank=1 precodingSingle-antenna port; port 572资源分配资源分配v Type 0 （PDSCH） RBG(P个连续RB)为基本单位，bitmap指定，每bit表示一个RBG选择与否，所用的比特数为 ceil(N_RB/P)v Type 1 （PDSCH） 以R

26、BG为单位，把整个带宽分割为P个RBG subset，指示用的比特数与type 0相同。首先指示用哪一个RBG subset，(余下的比特数-1)组成bitmap指示内部的RB，1bit指示从左或从右移掉多余的无法指示的RBv Type 2 compact方式（PDSCH: LVRB,DVRB; PUSCH: 跳频与否）73Type0和和Type1资源指示资源指示 Type0:17 bits bitmapSubset 018 RBSubset 117 RBSubset 215 RBLeft shift:14 bits bitmapleftRight shif1:14 bits bitmapri

27、ghtSubset definitionAllocation clarifiedType0:17 bits bitmapSubset 018 RBSubset 117 RBSubset 215 RBLeft shift:14 bits bitmapleftRight shif1:14 bits bitmaprightSubset definitionAllocation clarified74PUSCH上报CQI/PMI/RI75vMode 1-2 对每个子带都反馈1个PMI 在第一步基础上，每个码字反馈1个宽带CQI76vMode 2-0 选出M个子带 对选出的M个子带反馈1个CQI（反映所

28、有层的信道质量） 反馈1个宽带CQI 反馈M个子带的位置77vMode 2-2 选出M个子带 对选出的M个子带，反馈1个PMI和每个码字的CQI 反馈宽带PMI，每个码字CQI 反馈M个子带的位置78vMode 3-0 每个子带反馈1个CQI 反馈1个宽带CQI 注：仅针对第一个码字79vMode 3-1 反馈宽带PMI 反馈每个码字的每个子带CQI 反馈每个码字的宽带CQI80PUCCH反馈CQI/PMI/RIvPUCCH上报类型： 类型1：支持UE选取子带的CQI反馈 类型2：支持宽带CQI和PMI反馈 类型3：支持RI反馈 类型4：支持宽带CQI81PUCCH PUCCH 上报上报vRIvCQI 宽带CQI 或 宽带CQI+宽带PMI 每个BP（连续的几个子带构成）