移动通信理论与实战第7章-LTE通信系统课件

1、第7章 LTE通信系统第7章 LTE通信系统课程内容LTE概述LTE系统架构与协议栈LTE关键技术LTE物理层设计LTE中的语音业务LTE-Advanced的增强技术课程内容LTE概述LTE概述LTE（Long Term Evolution长期演进）是第三代移动通信系统的演进改进并增强了3G的空中接入技术；采用OFDM和MIMO作为其无线网络演进的标准；持续演进至LTE-Advanced(简写为LTE-A)，可实现在100MHz带宽下，下行峰值速率为1Gb/s，上行峰值速率为500Mb/s；改善了小区边缘用户的性能，提高小区容量，降低系统时延；LTE概述LTE（Long Term Evolut

2、ion长期LTE概述LTE开发进程及特征技术LTE概述LTE开发进程及特征技术课程内容LTE概述LTE系统架构与协议栈LTE关键技术LTE物理层设计LTE中的语音业务LTE-Advanced的增强技术课程内容LTE概述LTE网络架构SAE网络结构扁平化E-UTRAN只有一种节点网元E-NodeB全IPRNC+NodeB=eNodeB媒体面控制面分离LTE网络架构SAE网络结构扁平化E-UTRAN只有一种eNodeB功能eNodeB具有现有3GPP R5/R6/R7的Node B功能和大部分的RNC功能，包括物理层功能（HARQ等），MAC，RRC，调度，无线接入控制，移动性管理等等。LTE网络

3、架构RNCNode BeNodeBE-UTRAN采用由NodeB构成的单层结构，这种结构有利于简化网络和减少时延，实现了低时延、低复杂度和低成本的要求。eNodeB功能LTE网络架构RNCNode BeNodeBLTE网络架构与传统网络互通重点接口S1接口包括eNodeB和S-GW的用户面接口S1-U，eNodeB与MME的控制面接口S1-MMELTE网络架构与传统网络互通重点接口LTE网络架构核心网EPCMME（Mobility Management Entity）负责处理用户业务的信令，完成移动用户的管理，并与eNodeB、HSS和SGW等设备进行交互，从而实现用户鉴权、漫游控制、网关选择

4、、承载管理等功能。SGW（Serving GateWay业务网关）负责处理用户面的业务，完成移动数据业务的承载，并与eNodeB、MME和PGW等设备进行交互。PGW（PDN GateWay PDN网关）负责与PDN（Internet）接口，并与PCRF和PGW等设备进行交互，从而实现外网互联的接入、用户IP地址分配、数据包路由和转发、策略控制执行等功能。SGW和PGW可以在一个物理节点或不同物理节点实现，LTE网络架构核心网EPC，LTE网络架构核心网EPCHSS（Home Subscribers Server）HLR的升级，负责存储用户的关键信息，提供移动性管理、鉴权、用户签约等功能。PC

5、RF（Policy and Charging Rules Function）策略控制及计费服务器，用于控制服务质量QoS和资源管控。LTE网络架构核心网EPCLTE接口协议架构eNodeB完成接入层的功能，非接入层的信令透传；白色框内为控制面功能实体；蓝色框内为无线协议层LTE接口协议架构eNodeB完成接入层的功能，非接入层的信LTE接口协议架构空中接口用户面 主要完成用户数据的报头压缩、加密、调度、ARQ和HARQ等功能，包括物理(PHY)层、媒体访问控制(MAC)层、无线链路控制(RLC)层以及分组数据汇聚(PDCP)层四个层次，这些子层在网络侧均终止于eNodeB实体。LTE接口协议架

6、构空中接口用户面 主要完成用户数据的报LTE接口协议架构空中接口控制面 负责系统的连接建立、无线资源管理、移动性管理及安全性管理等。从网络传输到终端的控制消息既可以源于位于核心网的MME，也可源于位于eNodeB的无线资源控制RRC节点。LTE接口协议架构空中接口控制面 负责系统的连接建立、LTE接口协议架构S1接口LTE接口协议架构S1接口课程内容LTE概述LTE系统架构与协议栈LTE关键技术LTE物理层设计LTE中的语音业务LTE-Advanced的增强技术课程内容LTE概述LTE物理层多址方式什么是OFDM？OFDM: 正交频分复用OFDM（Orthogonal Frequency Di

7、vision Multiplexing）是一种多载波传输方式。LTE物理层多址方式什么是OFDM？OFDM: 正交频分复用LTE物理层多址方式下行多址技术方案-OFDMA是传统的基于CP的OFDM技术。将传输带宽划分成相互正交的子载波集，通过将不同的子载波集分配给不同的用户，可用资源被灵活的在不同移动终端之间共享可以看成是一种OFDM+FDMA+TDMA技术相结合的多址接入方式LTE物理层多址方式下行多址技术方案-OFDMAFDMA VS. OFDMAFDMA VS. OFDMALTE物理层多址方式下行OFDMA接入导频信号、CP的作用？IFFT的作用？LTE物理层多址方式下行OFDMA接入导

8、频信号、CP的作用？下行OFDMA接入需要考虑的几个问题相邻子载波间的间隔有多少？（多普勒）给定频带内能放置几个子载波？(效率)OFDM 时域符号长度为多少？(有效长度)在一定的CP长度下，子载波间隔越小，OFDM符号周期越长，系统频谱效率越高。但过小的子载波间隔对多普勒频移和相位噪声过于敏感，会影响系统性能下行OFDMA接入需要考虑的几个问题下行OFDMA接入不同信道宽度下OFDM参数配置 基于CP的OFDMA系统的引入，相对于单载波的CDMA系统，具有频谱效率高、带宽扩展性强等优势，并支持更灵活的频域调度及信道自适应技术，但也存在着较高的峰均比(PAPR)、对时间同步和频率偏差敏感及小区间

9、干扰严重等缺陷，需要相应的系统设计予以调整和优化。下行OFDMA接入不同信道宽度下OFDM参数配置 LTE物理层多址方式上行SC-FDMA接入SC-FDMA单载波频分多址技术上行采用SC-FDMA的原因OFDM的峰均比较高，功放效率降低，导致整机电源效率降低；终端的配置越来越多，功能越来越强大，导致对终端电源效率提出越来越高的要求，而电池技术却一直没有突破性进展，因此对终端的节能技术提出了越来越高的要求；SC-FDMA及其实现方式TD-LTE系统中上行链路采用SC-FDMA技术，以期降低PAPR，提高功放效率，延长电池寿命；DFT-S-OFDM可以认为是SC-FDMA的频域产生方式，是OFDM

10、在IFFT调制前进行了基于傅立叶变换的预编码。LTE物理层多址方式上行SC-FDMA接入上行SC-FDMA接入实现方式DFT-S-OFDM DFT-S-OFDM是一种调制技术的合并，它将频率灵活配置与OFDM的优势相结合同时又具有非常小的PAPR值上行SC-FDMA接入实现方式DFT-S-OFDM 上行SC-FDMA接入通过改变不同用户的DFT的输出到IDFT输入端的对应关系，输入数据符号的频谱可以被搬移至不同的位置，从而实现多用户多址接入。基于DFTS-OFDM的集中式、分布式频分多址上行SC-FDMA接入通过改变不同用户的DFT的输出到IDFOFDM VS. SC-FDMASC-FDMA实

11、质是将有限带宽内数据做了一个相应的时域到频域的频谱搬移OFDM VS. SC-FDMASC-FDMA实质是将有限带上行SC-FDMA接入LTE系统上行SC-FDMA的参数配置上行SC-FDMA接入LTE系统上行SC-FDMA的参数配置MIMO多天线技术MIMO多天线技术在收发两端采用多根天线，分别同时发射与接收无线信号。MIMO为无线资源增加了空间维的自由度，能获得比SISO、SIMO和MISO更高的系统容量；通过空时处理，充分利用空间资源，在无需增加频谱资源和发射功率的情况下，成倍的提升系统容量和可靠性，提高了频谱利用率；MIMO多天线技术MIMO多天线技术MIMO为无线资源增加了MIMO多

12、天线技术MIMO多天线技术MIMO多天线技术下行MIMOLTE R8/R9版本中MIMO技术下行公共天线端口可以支持单天线发送(1x)、双天线发送(2x)以及4天线发送(4x)，从而提供不同级别的传输分集和空间复用增益。而专用天线端口以其灵活的天线端口映射技术使得LTE系统可以支持更多发送天线，比如8天线发送，从而在提供传输分集、空间复用增益的同时，提供波束赋形增益。上行MIMOR8版本中MIMO技术上行基本天线配置为1*2，即1天线发送和2天线接收；MIMO多天线技术下行MIMOMIMO传输模式(TM)MIMO传输模式(TM)课程内容LTE概述LTE系统架构与协议栈LTE关键技术LTE物理层

13、设计LTE中的语音业务LTE-Advanced的增强技术课程内容LTE概述LTE物理帧结构双工方式 FDD上行传输和下行传输在不同的载波频段上进行； TDD上行传输和下行传输在相同的载波频段上进行基站/终端在不同的时间进行信道的发送/接收或者接收/发送 ；LTE物理帧结构双工方式LTE物理帧结构信道带宽支持1.4MHz, 3.0MHz, 5MHz, 10MHz, 15MHz以及20MHz的信道带宽LTE系统上下行的信道带宽可以不同下行信道带宽大小通过主广播信息（MIB）进行广播上行信道带宽大小通过系统信息（SIB）进行广播子载波间隔15kHz，用于单播（unicast）和多播（MBSFN）传输

14、7.5kHz，仅仅可以应用于独立载波的MBSFN传输LTE物理帧结构信道带宽LTE物理帧结构FDD-LTE帧结构 - 帧结构类型FS1 一个长度为10ms的无线帧由10个长度为1ms的子帧构成； 每个子帧由两个长度为0.5ms的时隙构成；每个时隙中有数据符号和CP组成；常规CP，每个时隙的符号数为7个；扩展CP，每个时隙的符号数为6个；LTE物理帧结构FDD-LTE帧结构 - 帧结构类型FSLTE物理帧结构TDD-LTE帧结构帧结构类型FS2一个长度为10ms的无线帧由2个长度为5ms的半帧构成每个半帧由4个常规子帧和1个特殊子帧构成，长度均为1ms常规子帧：由两个长度为0.5ms的时隙构成特

15、殊子帧：由DwPTS、GP以及UpPTS构成LTE物理帧结构TDD-LTE帧结构帧结构类型FS2LTE物理帧结构TDD帧结构特殊子帧符号配置DwPTS+GP+UpPTS=14个OFDM符号特殊子帧配置Normal CPDwPTSGPUpPTS031011941210313112141211539269327102281112LTE物理帧结构TDD帧结构特殊子帧符号配置特殊子帧配置LTE物理帧结构TDD帧结构上下行配置支持5ms和10ms上下行切换点子帧0、5和DwPTS总是用于下行发送，2固定上行；LTE物理帧结构TDD帧结构上下行配置FDD VS. TDDFDD VS. TDDFDD VS.

16、 TDDFDD VS. TDDLTE物理资源无线帧OFDM符号天线端口基本时间单位时隙-slot子帧物理资源接收机用来区分资源在空间上的差别；端口与实际物理天线端口没有一一对应的关系LTE物理资源无线帧OFDM符号天线端口基本时间单位时隙-s资源单位最小的资源单位，时域上为1个符号，频域上为1个子载波RE (Resource Element)资源粒子REG ( Resource Element Group)RB ( Resource Block)资源块CCE ( Channel Control Element)RBG ( Resource Block Group)资源单位业务信道的资源单位，时

17、域上为1个时隙，频域上为12个子载波为控制信道资源分配的资源单位，由4个RE组成为PDCCH资源分配的资源单位，由9个REG组成为业务信道资源分配的资源单位，由一组RB组成 资源单位最小的资源单位，时域上为1个符号，频域上为1个子载波物理资源块物理资源块LTE信道与物理信号LTE信道与物理信号同步信号与物理小区ID同步信号作用：用于小区搜索中UE和E-UTRA的时频同步；SSS：10ms定时同步，与小区ID组一一对应，范围0-167PSS：5ms 定时同步，与组内ID号一一对应，范围0-2小区ID：PSS+SSS，504种可能性FDD/TDD系统识别，常规CP/扩展CP识别同步信号与物理小区I

18、D同步信号FDD/TDD系统识别，常规C下行参考信号小区专用参考信号(Cell-Specific Reference Signal，CRS)类似于CDMA的导频信号，用于终端的信道估计，以实现对下行传输的相关解调；也可以被终端用来获取信道状态信息(CQI)，基于该参考信号的终端测试可用做小区选择和切换判决的基础。UE专用参考信号(UE-Specific Reference Signal，UE-RS)可用于波束赋形时下行链路共享信道的信道估计及相关解调。MBSFN参考信号：多播/组播单频网络参考信号(Multimedia Broadcast multicast service Single Fr

19、equency Network Reference Signal，MBSFNRS)只在MBSFN子帧发送，用于MBSFN的信道估计和相关解调。下行参考信号小区专用参考信号(Cell-Specific R上行参考信号上行数据解调参考信号(DeModulation Reference Signal，DMRS)主要用于上行信道估计，即eNB是在对上行物理信道(PUSCH和PUCCH)的相干解调进行信道估计时使用的。它和数据或上行控制信令一起发送，所占带宽与PUSCH和PUCCH所占带宽相同。此外，DMRS还可用于上行信道质量测量。上行探测参考信号(Souding Reference Signal，S

20、RS)主要被网络用于估计不同频率的上行信道质量，从而在上行链路中进行频率选择性调度。此外，SRS还具有初始化调制和编码方案选择、为传输数据而进行的初始化功率控制、定时提前及频率半选择性调度等功能。上行参考信号上行数据解调参考信号(DeModulation 物理信道一般处理流程LTE下行物理信道的基本处理过程物理信道一般处理流程LTE下行物理信道的基本处理过程LTE物理层过程LTE物理层过程小区搜索与同步小区搜索与同步随机接入获得唯一的C-RNTI小区无线网络临时标识 随机接入获得唯一的C-RNTI小区无线网络临时标识 随机接入信道PRACHPreamble码随机接入前导码共64个，PRACH信

21、道在每个子帧只能配置一个，则在无冲突的情况下，每个小区最多可支持64个UE同时接入；eNodeB会通过广播系统信息SIB-2来通知所有的UE，允许在哪些时频资源上传输preamble；短Preamble码TD系统独有将PRACH信道承载在UpPTS上；最多覆盖1.4km的小区；长Preamble码将PRACH信道承载在正常的上行子帧上；有四种可能的配置，对应的小区半径从14km到100km不等；随机接入信道PRACHPreamble码随机接入前导码随机接入信道PRACH时间长度序列长度小区半径使用范围preamble01ms800s14.53km小、中型小区preamble12ms800s77

22、.34km大型小区preamble22ms1600s29.53km中型小区preamble33ms1600s100.16km超大型小区Preamble4(仅TDD)157.292s133s1.4km短距离覆盖Preamble码随机接入前导码每个小区最多可支持64个UE同时接入；随机接入信道PRACH时间长度序列长度小区半径使用范围pr随机接入随机接入前导(Preamble)的发送随机接入响应随机接入过程Preamble当UE收到eNB的广播信息需要接入时，从序列集中随机选择一个preamble序列发给eNB,然后根据不同的前导序列来区分不同的UE.随机接入随机接入前导(Preamble)的发送

23、随机接入响应随竞争的随机接入流程适用于初始接入053preamble码，UE申请，系统随机分配；竞争的随机接入流程适用于初始接入非竞争的随机接入流程适用于切换或有下行数据到达且需要重新建立上行同步时5463preamble码，系统直接指定给UE；非竞争的随机接入流程适用于切换或有下行数据到达且需要重新建立功率控制下行功率分配功率分配策略保证下行链路传输的有效性上行功率控制功率控制抑制小区间干扰功率控制功率控制下行功率分配上行功率控制功率控制课程内容LTE概述LTE系统架构与协议栈LTE关键技术LTE物理层设计LTE中的语音业务LTE-Advanced的增强技术课程内容LTE概述过渡方案CSFB

24、CSFB(Circuit Switched FallBack，电路交换回落)终端优选LTE网络驻留，而使用CS语音回落技术将LTE网络的语音业务(包括主叫和被叫)转移至传统的2G或3G网络的电路域承载。在CSFB中，LTE网络只参与了部分呼叫建立过程，并不参与语音传递过渡方案CSFBCSFB(Circuit Switche过渡方案单卡双待机终端支持双待，可同时驻留在LTE和2G/3G网络。语音、短信等电路域业务承载于2G/3G网络电路域；数据业务则优先选择承载于LTE，若无LTE覆盖，则由2G/3G网络分组域承载。常见的有：SGLTE(Simultaneous GSM and LTE)SVLT

25、E(Simultaneous Voice and LTE)过渡方案单卡双待机终端支持双待，可同时驻留在LTE和2G目标方案VoLTE/SRVCC技术VoLTE(Voice over LTE)由IP多媒体子系统(IP Multimedia Subsystem，IMS)承载的语音业务。目标方案VoLTE/SRVCC技术VoLTE(VoiceLTE中的语音业务LTE中的语音业务课程内容LTE概述LTE系统架构与协议栈LTE关键技术LTE物理层设计LTE中的语音业务LTE-Advanced的增强技术课程内容LTE概述TD-LTE-AdvancedTD-LTE-AdvancedTD-LTE-Advanced增强技术载波聚合载波聚合（Carrier Aggregation, CA）通过联合调度和使用多个成员载波上的资源，使LTE-A系统可以支持最大100MHz的带宽，从而能实现更高的系统峰值速率； 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)；TD-LTE-Advanced增强技术载波聚合载波聚合（Ca载波聚合载波聚合的类型载波聚合载波聚合的类型载波聚合载