第8章 第四代移动通信系统

第8章第四代移动通信系统

8.1第四代移动通信网概况

8.2TD-LTE基本原理及关键技术2023/1/3118.1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，其网络结构将是一个采用全IP的网络结构。4G网络采用许多关键技术来支撑，包括：正交频率复用技术（OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing，OFDM）；多载波调制技术，自适应调制和编码（AdaptiveModulationandCoding，AMC）技术；MIMO和智能天线技术，基于IP的核心网，软件无线电技术以及网络优化和安全性等。

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LTE（LongTermEvolution）是新一代宽带无线移动通信技术。与3G采用的CDMA技术不同，LTE以OFDM（正交频分多址）和MIMO（多输入多输出天线）技术为基础，频谱效率是3G增强技术的2～3倍。LTE包括FDD和TDD两种制式，即频分双工(FrequencyDivisionDuplexing,FDD)和时分双工(TimeDivisionDuplexing,TDD)两种方式，其中TD-LTE=LTE的TDD模式。LTE的增强技术（LTE-Advanced）是国际电联认可的第四代移动通信标准。正因为LTE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LTE，幵已成为全球运营商网络演迚的主流技术。

LTE的频段FDD-LTE主流频段为1.8G/2.6G/及低频段700MHz、800MHz。TD-LTE主流频段为2.6G/2.3GHz/1.9G。LTE频带和频点如下表8.1。LTE的FDD和TDD技术比较如下表8.2.8.1第四代移动通信网概况2023/1/3138.1第四代移动通信网概况表8.1LTE频带和频点2023/1/314无线蜂窝制式上行速率下行速率GSM(EDGE)118kbps236kbpsCDMA2000(1X)153kbps153kbpsCDMA2000(EVDORA)1.8Mbps3.1MkbpsTD-SCDMA(HSPA)2.2Mkbps2.8MkbpsWCDMA(HSPA)5.76Mkbps14.4MkbpsTD-LET50Mkbps100MkbpsFDD-LET40Mkbps150Mkbps表8.28.1第四代移动通信网概况各代移动通信速率对比2023/1/3158.1.1

TD-LTE网络总体架构X2S1移动性管理服务网关MME/SGW与eNodeB的接口EPCE-UTRANNodeBRNC+=eNodeBEPSeNodeBX2X2eNodeBeNodeBUu8.1第四代移动通信网概况图8.12023/1/316

LTE全网架构网络结构扁平化,E-UTRAN只有一种网元—E-NodeB，全IP，媒体面控制面分离，与传统网络互通。如下图8.2所示。8.1第四代移动通信网概况图8.22023/1/317各网元功能如下。E-NodeB（EvolvedNodeB）功能:无线资源管理，IP头压缩和用户数据流加密，UE附着时的MME选择，用户面数据向S-GW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。MME（MobileManagementEntity）功能:分发寻呼信息给eNB，安全控制，空闲状态的移动性管理，SAE承载控制，非接入层（NAS）信令的加密及完整性保护。S-GW（ServingGateWay）功能:终止由于寻呼原因产生的用户平面数据包，支持由于UE移动性产生的用户面切换。PDNGW（PublicDataNetworkGateWay）功能:基于用户的包过滤，合法监听，IP地址分配，上下行传输层数据包标记，DHCPv4和DHCPv6（client、relay、server）。8.1第四代移动通信网概况2023/1/3188.2.1LTE帧结构LTE无线帧结构分为FDDLTE和TD-LTE两种类型。分别如下图8.3、图8.4所示。1FDDLTE帧结构每个10ms无线帧被分为10个子帧，每个子帧包含两个时隙，每时隙长0.5ms，Ts=1/(15000*2048)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。8.2TD-LTE基本原理及关键技术图8.32023/1/3192TD-LTE帧结构TD-LTE帧结构特点：每个10ms无线帧包括2个长度为5ms的半帧，每个半帧由4个数据子帧和1个特殊子帧组成。特殊子帧包括3个特殊时隙：DwPTS，GP和UpPTS，总长度为1ms。和FDDLTE的帧长一样，FDD子帧长度也是1ms。转换周期为5ms表示每5ms有一个特殊时隙。这类配置因为10ms有两个上下行转换点，所以HARQ的反馈较为及时。适用于对时延要求较高的场景。8.2TD-LTE基本原理及关键技术图8.42023/1/31108.2.2逻辑、传输、物理信道1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户的数据。MAC向RLC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CCH和TCH，前者用于传输LTE系统所必需的控制和配置信息，后者用于传输用户数据。LTE规定的逻辑信道类型如下：BCCH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BCCH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。8.2TD-LTE基本原理及关键技术2023/1/3111DCCH，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，诸如不同的切换消息MCCH，多播控制信道，用于传输请求接收MTCH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。MTCH，多播业务信道，用于发送下行的MBMS业务8.2TD-LTE基本原理及关键技术2023/1/31122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格式等指示信息后的数据流。对物理层而言，MAC以传输信道的形式使用理层提供的服务。LTE中规定的传输信道类型如下：BCH：广播信道，用于传输BCCH逻辑信道上的信息。PCH：寻呼信道，用于传输在PCCH逻辑信道上的寻呼信息。DL-SCH：下行共享信道，用于在LTE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信道的调度、HARQ和空域复用等LTE的特性。类似于HSPA中的CPC。DL-SCH的TTI是1ms。MCH：多播信道，用于支持MBMS。UL-SCH：上行共享信道，和DL-SCH对应的上行信道

8.2TD-LTE基本原理及关键技术2023/1/31133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分别按照相应的规则确定其载频、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。如下表8.3所示。8.2TD-LTE基本原理及关键技术2023/1/3114信道类型信道名称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、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,RI8.2TD-LTE基本原理及关键技术表8.32023/1/3115BCCHPCCHCCCHDCCHDTCHMCCHMTCHPCHDL-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8.2TD-LTE基本原理及关键技术图8.52023/1/3116（1）下行物理信道下行物理信道有:PMCH-物理多播信道；PBCH:-物理广播信道；PDCCH:-物理下行控制信道；PDSCH-物理下行共享信道；PHICH-物理HARQ指示信道；PCFICH-物理控制格式指示信道。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。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。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。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。

8.2TD-LTE基本原理及关键技术2023/1/3117生成OFDM信号：为每个天线端口生成复值时域的OFDM符号。SCH(同步信道)是以不同的同步信号来区分不同的小区，包括PSS和SSS。P-SCH(主同步信道）：符号同步，部分CellID检测,3个小区ID.。S-SCH（辅同步信道）：帧同步，CP长度检测和CellgroupID检测，168个小区组ID.。8.2.3TD-LTE关键技术TD-LTE关键技术是频域多址技术—OFDM/SC-FDMA；MIMO技术；高阶调制技术；HARQ技术；链路自适应技术—AMC；快速MAC调度技术。8.2TD-LTE基本原理及关键技术2023/1/31181OFDM的概念正交频分复用（OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing，OFDM）是一种多载波传输方式。OFDM基本思想是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”，所经历的衰落是“平坦衰落”。OFDM符号持续时间<信道“相干时间”时，信道可以等效为“线性时不变”系统，降低信道时间选择性衰落对传输系统的影响。如下图8.18所示。8.2TD-LTE基本原理及关键技术2023/1/3119图8.68.2TD-LTE基本原理及关键技术2023/1/3120什么是正交，就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，OFDM，O就是正交的意思，正交就是能保证唯一性，举例子，A和B重叠，但是A*a+B*b，a和b是不同的正交序列,如果我要从同一个频率中只获取A，那么通过计算，（A*a+B*b）*a=A*a*a+B*b*a=A+0=A（因为正交，a*a=1，a*b=0）。所以OFDMA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LTE支持OFDM重叠波长的一半。8.2TD-LTE基本原理及关键技术2023/1/31212OFDM系统实现原理OFDM系统实现原理也即多载波技术：多载波技术就是在原来的频带上划分更多的子载波，有人会提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，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2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8.20所示。OFDM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。OFDM是一种多载波并行调制方式，将符号周期扩大为原来的N倍，从而提高了抗多径衰落的能力。OFDM可以通过IFFT（快速傅立叶反变换）和FFT（快速傅立叶变换）分别实现OFDM的调制和解调。8.2TD-LTE基本原理及关键技术2023/1/3122图8.78.2TD-LTE基本原理及关键技术2023/1/31233TD-LTE与LTEFDD技综合对比

技术体制TD-LTELTEFDD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，16QAM，64QAM功率控制开环结