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1、LTE基本原理,TD网规网优部梁晋仲,内容,LTE起源 LTE技术原理与系统架构 LTE关键技术分析,LTE项目的启动主要有三方面的考虑：基于CDMA技术的3G标准在通过HSDPA以及Enhanced Uplink 等技术增强之后，可以保证非来几年内的竞争力。但是，需要考虑如何保证在更长时间内的竞争力 应对来自于WiMAX的市场压力为应对ITU的4G标准征集做准备,The justification of the Study Item was that with enhancements such as HSDPA and Enhanced Uplink,the 3GPP radio-acce
2、ss technology will be highly competitive for several years.However,to ensure competitiveness in an even longer time frame,i.e.for the next 10 years and beyond,a long-term evolution of the 3GPP radio-access technology needs to be considered.-3GPP TR 25.913,LTE起源,产品与业务发展,技术趋势：无线宽带广域，IP多媒体为主导业务，呈现宽带移动化
3、、移动宽带化,技术趋势：接入多元化、网络一体化、应用综合,无线技术演进路径,3GPP 标准与技术演进,LTE的进一步演进将会满足 IMT-Advanced的技术要求,内容,LTE起源 LTE技术原理与系统架构 LTE关键技术分析,定位：集高质量话音和宽带数据为一体；支持全移动、综合多业务；网络可控、可管理；具有低成本、低时延、后向兼容的“先进的综合移动宽带无线系统”技术路线:OFDM+SA/MIMO+IP技术+TD-SCDMA成熟技术,3G是移动通信标准，BWA(802.16e等)是宽带无线接入标准 3G演进是移动通信宽带化；BWA是宽带接入无线化 3G定位是语音为主、兼顾数据；BWA是数据为
4、主、兼顾语音,电信运营商竞争的需求：既能承载高质量实时话音，又能提供无线宽带数据接入的全移动系统,TDD LTE的定位,更小的TTI满足用户面和控制面的时延；共享信道支持在多个用户间同时传输数据；用户面延迟小于5ms，控制面延迟小于100ms；,采用OFDM，MIMO等先进技术支持更高的用户传输速率；下行最大速率可达100Mbits/s，上行最大速率可达50Mbits/s,下行频谱效率可达HSDPA的34倍；上行频谱效率可达 HSUPA 的23倍；,1.4MHz/3.0MHz/5MHz/10MHz/15MHz/20MHz可变带宽；在5MHz以下带宽中，采用现有的1.4MHz带宽，实现系统的平滑
5、演进。,1,2,3,4,5,与LTE FDD系统帧结构兼容，系统设计保证了站点的重用,TDD LTE系统目标,网络扁平化,全IP化,核心网趋同化,交换功能路由化,业务平面与控制平面完全分离化,网元数目最小化,协议层次最优化,LTE网络结构简化,网络扁平化、IP化架构LTE之间各网络节点之间的接口使用IP传输eNB之间的X2接口eNB和MME、S-GW间的S1接口通过IMS承载综合业务原UTRAN的CS域业务均可由LTE网络的PS域承载,IP化的网络架构,IP化的网络架构,TD LTE接入网eNB,eNB：无线资源管理（RRM）；用户数据流IP头压缩和加密；UE附着时MME选择功能；用户面数据向
6、Serving GW的路由功能；寻呼消息的调度和发送功能（源自MME和O&M的）广播消息的调度和发送功能；用于移动性和调度的测量和测量报告配置功能。基于AMBR和MBR的上行承载级速率整型。上行传输层数据包的分类标示。,TD LTE接入网eNB,TD LTE网络接口,S1接口控制面的功能：SAE承载管理功能（包括SAE承载建立、修改和释放）；连接状态下UE的移动性管理功能（包括LTE系统内切换和系统间切换）；S1寻呼功能；NAS信令传输功能；S1 UE上下文释放功能；S1接口管理功能（包括复位、错误指示以及过载指示等）；网络共享功能；网络节点选择功能；初始上下文建立功能；漫游和接入限制支持功能
7、,业务面,控制面,S1接口概述,SAE承载管理SAE承载建立SAE承载修改 SAE承载释放 初始上下文建立 UE上下文释放 切换管理切换准备 切换资源分配 切换通知 路径切换请求 切换取消,寻呼 初始UE消息 下行NAS传输 上行NAS传输 复位 错误指示 S1建立,S1接口流程概述,业务面,控制面,X2接口控制面的功能：连接状态下UE的移动性管理功能（针对LTE系统内切换）；上行负荷管理功能；X2接口管理功能（包括复位和错误指示）。,X2接口概述,切换准备,切换取消,释放资源,序列号状态传输,负荷指示,复位,X2建立,X2接口流程概述,多模多功能TD LTE终端,PDA,GSM,TD-SCD
8、MA,ALL IN ONE,低成本,低功耗,业务丰富,通用性强,设置灵活,接入性强,操作系统简单,系统稳定,商用终端与HSPA等商用网络进行IWT和IOT测试，保证漫游等功能的实现,TD LTE终端,UE功率等级：,TD LTE终端,完成业务数据流在空中接口的收发处理，协议栈包括PDCP、RLC、MAC和PHY四个协议子层,业务面,控制面,E-UTRAN控制面主要包括NAS、RRC、PDCP、RLC、MAC和PHY，网络侧的协议终止点除NAS在MME中外，其他的协议层都终止于eNB,空中接口,广播：MIB等需要频繁发送的系统信息使用固定无线资源在PBCH上发送，而其它广播信息与数据动态共享无线
9、资源，由PDSCH承载。寻呼：采用与数据共享无线资源的方式采用PDSCH承载。业务链接建立和释放：在E-UTRAN中对RRC消息进行了较大的简化，仅使用一个单一的配置消息（RRC CONNECTION RECONFIGURATION）来进行业务链接的建立和释放。动态调度测量：测量对E-UTRAN网络性能影响非常大，与切换、调度密切相关。E-UTRAN中测量由网络侧发起和配置，具体的测量量仍在定义中。切换,空中接口的主要工作过程,PHY位于UU口协议规范的最底层与MAC子层以及RRC层之间有信息交互PHY通过传输信道向高层提供数据传输服务,空中接口分层,固定下行,固定上行,5ms转换点：,10m
10、s转换点：,物理层帧结构,上下行配置,物理层帧结构,特殊子帧配置,物理层帧结构,基本时间单位 天线端口 LTE使用天线端口来区分空间上的资源。天线端口的定义是从接收机的角度来定义的，即如果接收机需要区分资源在空间上的差别，就需要定义多个天线端口。天线端口与实际的物理天线端口没有一一对应的关系。由于目前LTE上行仅支持单射频链路的传输，不需要区分空间上的资源，所以上行还没有引入天线端口的概念。目前LTE下行定义了三类天线端口，分别对应于天线端口序号05。,小区专用参考信号传输天线端口：天线端口03MBSFN参考信号传输天线端口：天线端口4终端专用参考信号传输天线端口：天线端口5,物理资源概念,资
11、源单元(RE)对于每一个天线端口，一个OFDM或者SC-FDMA符号上的一个子载波对应的一个单元叫做资源单元 资源块(RB)一个时隙中，频域上连续的宽度为180kHz的物理资源称为一个资源块,物理资源概念,RB参数,（常规子帧）,物理资源概念,资源单元组(REG)控制区域中RE集合，用于映射下行控制信道 每个REG中包含4个数据RE,物理资源概念,常规子帧：常规子帧由两个时隙组成，每个时隙长度0.5ms 下行Unicast/MBSFN子帧 下行MBSFN专用载波子帧 上行常规子帧 特殊子帧：特殊子帧由三个特殊域组成，分别为DwPTS、GP和UpPTS，特殊子帧只存在帧结构类型2中,子帧结构,控
12、制区域与数据区域进行时分 控制区域OFDM符号数目可配置,下行Unicast/MBSFN子帧,数据传输方式 localized distributed,下行Unicast/MBSFN子帧,下行MBSFN专用载波子帧中不存在控制区域 即控制区域OFDM符号数目为0,下行MBSFN专用载波子帧,控制区域与数据区域进行频分 数据传输方式 Localized Localized+FH,上行常规子帧,上行物理信道,下行物理信道,物理信道类型和功能,物理层信令主要用于携带与资源分配相关的信息以及HARQ相关信息：,物理层信令,传输信道的信道编码控制信息的信道编码,LTE信道编码与调制方式,下行物理信道的调
13、制方式 上行物理信道的调制方式,LTE信道编码与调制方式,上行同步,下行同步,上行初始同步：UE在随机接入信道上发送preamble码 eNodeB根据preamble码的到达位置，将调整信息反馈给UE UE根据该信息进行后续的发送时间调整,上行同步保持：eNodeB可以根据上行信号估计接收时间生成上行时间控制命令字 UE在子帧n接收到的时间控制命令字，UE在n+x子帧按照该值对发送时间提前量进行调整(X还未确定！),下行初始同步：初始下行同步是小区搜索过程。UE通过检测小区的主要同步信号，以及辅助同步信号，实现与小区的时间同步,下行同步保持：小区搜索成功后，UE周期性测量下行信号的到达时间点
14、，并根据测量值调整下行同步，以保持与eNB之间的时间同步,物理层主要过程同步,小区搜索是UE接入网络，为用户提供各种业务的基础,根据同步信号获得下行时间同步,根据同步信号获得下行频率同步,根据同步信号获得CELL ID、系统带宽、天线配置等相关信息,读取小区广播信息,物理层主要过程小区搜索,上行随机接入的目的是UE获得与基站的上行时间同步，为业务数据传输提供基础,UE高层,UE物理层,eNodeB,发送preamble码的请求,preamble码的索引 preamble码的发送功率 相关的RA-RNTI 上行随机接入资源配置,检测到含有RA-RNTI的PDCCH,随机接入请求,preamble
15、码序列,随机接入请求响应,时间同步等信息,发送preamble码的请求响应,相应的DL-SCH中的传输块,物理层主要过程上行随机接入,内容,LTE起源及里程碑 LTE技术原理与系统架构 LTE关键技术分析,LTE关键技术,LTE（OFDM+MIMO+IP）,LTE的主要增强型技术：OFDM、MIMO,1G（FDMA）,2G（TDMA为主）,3G（CDMA）,OFDM,OFDM,下行OFDM 上行SC-FDMA,OFDM即正交频分多路复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing），与传统的多载波调制（MCM）相比，OFDM调制的各个子载波间可相互重叠
16、，并且能够保持各个子载波之间的正交性。,OFDM原理,OFDM的基本原理是将高速的数据流分解为N个并行的低速数据流，在N个子载波上同时进行传输。这些在N子载波上同时传输的数据符号，构成一个OFDM符号,Bandwidth,OFDM原理,采样频率Fs 采样周期Ts FFT点数NFFT 子载波间隔f 有用符号时间Tu 循环前缀时间Tcp OFDM符号时间TOFDM 可用子载波数目Nc,关键参数：f,Tcp以及Nc采样频率以及FFT点数与实现相关,OFDM主要参数,子载波间隔 15kHz，用于单播（unicast）和多播（MBSFN）传输 7.5kHz，仅仅可以应用于独立载波的MBSFN传输 子载波
17、数目 循环前缀长度 一个时隙中不同OFDM符号的循环前缀长度不同,LTE系统中，利用NFFT=2048的采样周期定义基本时间单元：Ts=1/Fs=1/(15000 x2048)秒,LTE OFDM主要参数,频谱效率高 OFDM采用多载波方式避免用户的干扰，只是取得用户间正交性的一种方式，“防讳于未然”的一种方式未然式 CDMA采用等干扰出现后用信号处理技术将其消除，例如信道均衡、多用户检测等；以恢复系统的正交性 相对单载波系统(CDMA)来说，多载波技术(OFDM)是更直接的实现正交传输的方法 带宽扩展性强-决定性优势 OFDM信道带宽取决于子载波的数量 CDMA只能通过提高码片速率或者多载波
18、方式支持更大带宽，使得接收机复杂度大幅度上 抗多径衰落 相对于CDMA系统，OFDMA系统是实现简单均衡接收机的最直接方式,OFDM技术的优势,频域调度及自适应 OFDM可以实现频域调度，相对CDMA来说灵活性更高 可以在不同的频带采用不同的调制编码方式，更好的适应频率选择行衰落 实现MIMO技术较简单 MIMO技术的关键：有效避免天线之间的干扰以区分多个数据流 水平衰落信道中实现MIMO更容易、频率选择性信道中，IAI和ISI混合在一起，很难将MIMO接受和信道均衡区分开,OFDM技术的优势,PAPR问题 高PAPR给系统很多不利：增加模数/数模转换的复杂度、降低RF功放的效率、增加发射机功
19、放的成本等未然式 降低PAPR的方法：信号预失真技术：如消峰(Clipping)、峰加窗 编码技术、加扰技术 时间和频率同步 时间偏移会导致OFDM子载波的相位偏移，所以引入CP 载波频率偏移带来两个影响：降低信号幅度、造成ICI 多小区多址和干扰抑制,OFDM技术的缺点,单载波特性：a)信号具有低的峰均比b)传输带宽取决于M,DFT-S-OFDM原理,子载波间隔 15kHz 子载波数目 循环前缀长度 一个时隙中不同DFTS-OFDM符号的循环前缀长度不同,LTE DFTS-OFDM关键参数,多天线技术,下行 利用公共天线端口，LTE系统可以支持单天线发送（1x），双天线发送（2x）以及4天线
20、发送（4x），从而提供不同级别的传输分集和空间复用增益 利用专用天线端口以及灵活的天线端口映射技术，LTE系统可以支持更多发送天线，比如8天线发送，从而提供传输分集、空间复用增益同时，提供波束赋形增益 上行 目前，LTE系统上行仅支持单天线发送 可以采用天线选择技术提供空间分集增益,LTE系统的天线配置,下行多天线技术 传输分集 SFBC,SFBC+FSTD，闭环Rank1预编码 空间复用 开环空间复用，闭环空间复用以及MU-MIMO 波束赋形 上行多天线技术 上行传输天线选择(TSTD)MU-MIMO,多天线技术,ST/FBC,STBC,SFBC,LTE系统中在2天线端口发送情况下的传输分集
21、技术确定为SFBC,传输分集,TSTD,LTE系统上行天线选择技术可以看作是TSTD的一个特例,传输分集,FSTD,LTE系统并没有直接采用FSTD技术，而且与其他传输分集技术结合起来使用,传输分集,SFBC+FSTD,LTE系统中在4天线端口发送情况下的传输分集技术采用SFBC与FSTD结合的方式,传输分集,SISO,MISO,SIMO,MIMO,空间复用,多码字传输 多码字传输即复用到多根天线上的数据流可以独立进行信道编码和调制 单码字传输是一个数据流进行信道编码和调制之后再复用到多根天线上 LTE支持最大的码字数目为2。为了降低反馈的量,单码字 多码字,空间复用,在空间复用传输之前，多个
22、数据流使用一个线性的预编码矩阵或者向量进行预编码操作 在发送天线与接收天线相等(NL=NL)的情况下，预编码操作可以正交化多个并行的传输，增加不同数据流之间的隔离度 进一步，在发送天线数目大于接收天线数目(NLNT)的情况下，预编码操作还可以获得波束赋形增益/传输分集增益,基于预编码的空间复用,下行MU-MIMO:将多个数据流传输个不同的用户终端，多个用户终端以及eNB构成下行MU-MIMO系统 下行MU-MIMO可以在接收端通过消除/零陷的方法，分离传输给不同用户的数据流 下行MU-MIMO还可以通过在发送端采用波束赋形的方法，提前分离不同用户的数据流，从而简化接收端的操作 LTE下行目前同
23、时支持SU-MIMO和MU-MIMO,SU-MIMOMU-MIMO,MU-MIMO,上行MU-MIMO:不同用户使用相同的时频资源进行上行发送（单天线发送），从接收端来看，这些数据流可以看作来自一个用户终端的不同天线，从而构成了一个虚拟的MIMO系统，即上行MU-MIMO LTE上行仅仅支持MU-MIMO这一种MIMO模式,SU-MIMOMU-MIMO,MU-MIMO,波束赋形技术要求使用小间距的天线阵列，且天线单元数目要足够多 波束赋形技术的实现方式是将一个单一的数据流通过加权形成一个指向用户方向的波束，从而使得更多的功率可以集中在用户的方向上 波束赋形技术可以充分的利用TDD系统的信道对称
24、性 DOA SVD,波束赋形,主要在下行方向，上行方向虽然支持MU-MIMO，但是每一个UE来看，其与单天线传输没有区别 统一流程如下,层（Layer）有不同的解释在使用单天线传输、传输分集以及波束赋形时，层数目等于天线端口数目；在使用空间复用传输时，层数目等于空间信道的Rank数目，即实际传输的流数目,LTE多天线技术具体实现方式,HARQ,FEC：前向纠错编码 ARQ：自动重传请求 HARQ：ARQ+FEC 单路停等协议与多路并行停等协议 同步HARQ协议与异步HARQ协议 自适应的HARQ与非自适应的HARQ,HARQ基本概念,LTE采用多路并行停等协议 FDD:RTT包括下行信号传输时
25、间TP，下行信号接收时间Tsf，下行信号处理时间TRX，上行ACK/NACK传输时间TP，上行ACK/NACK接收时间TTX，上行ACK/NACK处理时间TRX，即RTT=2*TP+2*Tsf+TRX+TTX FDD:进程数等于RTT中包含的下行子帧数目，即Nproc=RTT/Tsf,下行HARQ RTT与进程数(FDD),HARQ RTT与进程数,LTE FDD的RTT确定为8ms，最大进程数目为8,上行HARQ RTT与进程数(FDD),HARQ RTT与进程数,对于TDD来说，其RTT大小不仅与传输时延、接收时间和处理时间有关，还与TDD系统的时隙比例、传输所在的子帧位置有关 TDD 系
26、统的进程数目,HARQ RTT与进程数,ACK/NACK定时：对于子帧n中的数据传输，其ACK/NACK在n+k子帧中传输，对于FDD，k=4，对于TDD，k3。,ACK/NACK PDSCH,ACK/NACK PUSCH,HARQ定时关系,重传与初传之间的定时关系：同步HARQ协议；异步HARQ协议 LTE上行为同步HARQ协议：如果重传在预先定义好的时间进行，接收机不需要显示告知进程号，则称为同步HARQ协议 根据PHICH传输的子帧位置，确定PUSCH的传输子帧位置 与PDCCHPUSCH的定时关系相同 LTE下行为异步HARQ协议：如果重传在上一次传输之后的任何可用时间上进行，接收机需
27、要显示告知具体的进程号，则称为异步HARQ协议,HARQ定时关系,自适应HARQ：自适应HARQ是指重传时可以改变初传的一部分或者全部属性，比如调制方式，资源分配等，这些属性的改变需要信令额外通知。非自适应HARQ：非自适应的HARQ是指重传时改变的属性是发射机与接收机实现协商好的，不需要额外的信令通知 LTE下行采用自适应的HARQ LTE上行同时支持自适应HARQ和非自适应的HARQ 非自适应的HARQ仅仅由PHICH信道中承载的NACK应答信息来触发 自适应的HARQ通过PDCCH调度来实现，即基站发现接收输出错误之后，不反馈NACK，而是通过调度器调度其重传所使用的参数,自适应/非自适
28、应HARQ,单纯HARQ机制中，接收到的错误数据包都是直接被丢掉的 HARQ与软合并结合：将接收到的错误数据包保存在存储器中，与重传的数据包合并在一起进行译码，提高传输效率,CC合并,HARQ与软合并,IR合并,LTE支持使用IR合并的HARQ，其中CC合并可以看作IR合并的一个特例,HARQ与软合并,信道调度,基本思想 对于某一块资源，选择信道传输条件最好的用户进行调度，从而最大化系统吞吐量,多用户分集,信道调度,LTE系统支持基于频域的信道调度 相对于单载波CDMA系统，LTE系统的一个典型特征是可以在频域进行信道调度和速率控制,下行：基于公共参考信号上行：基于探测参考信号,信道调度,链路
29、自适应,速率控制 功率控制,链路自适应技术一般指速率控制技术，即自适应调制编码技术,链路自适应,通过动态调整发射功率，维持接收端一定的信噪比，从而保证链路的传输质量 当信道条件较差时需要增加发射功率，当信道条件较好时需要降低发射功率，从而保证了恒定的传输速率,功率控制可以很好的避免小区内用户间的干扰,功率控制,保证发送功率恒定的情况下，通过调整无线链路传输的调制方式与编码速率，确保链路的传输质量 当信道条件较差时选择较小的调制方式与编码速率，当信道条件较好是选择较大的调制方式，从而最大化了传输速率,速率控制可以充分利用所有的功率,速率控制(即AMC),LTE下行方向的链路自适应技术基于UE反馈
30、的CQI，从预定义的CQI表格中具体的调制与编码方式,下行方向链路自适应,LTE 上行方向的链路自适应技术基于基站测量的上行信道质量，直接确定具体的调制与编码方式,上行方向的链路自适应,内容,OFDM多天线技术链路自适应信道调度与调度信令HARQ小区间干扰消除,小区间干扰消除,加扰 跳频传输 发射端波束赋形以及IRC 小区间干扰协调 功率控制,小区间干扰消除,LTE系统充分使用序列的随机化避免小区间干扰 一般情况下，加扰在信道编码之后、数据调制之前进行即比特级的加扰 PDSCH，PUCCH format 2/2a/2b，PUSCH：扰码序列与UE id、小区id以及时隙起始位置有关 PMCH：
31、扰码序列与MBSFN id和时隙起始位置有关 PBCH，PCFICH，PDCCH：扰码序列与小区id和时隙起始位置有关 PHICH物理信道的加扰是在调制之后，进行序列扩展时进行加扰 扰码序列与小区id和时隙起始位置有关,加扰,目前LTE上下行都可以支持跳频传输，通过进行跳频传输可以随机化小区间的干扰 除了PBCH之外，其他下行物理控制信道的资源映射均于小区id有关 PDSCH、PUSCH以及PUCCH采用子帧内跳频传输 PUSCH可以采用子帧间的跳频传输,跳频传输,提高期望用户的信号强度 降低信号对其他用户的干扰 特别的，如果波束赋形时已经知道被干扰用户的方位，可以主动降低对该方向辐射能量,发
32、射端波束赋形,当接收端也存在多根天线时，接收端也可以利用多根天线降低用户间干扰，其主要的原理是通过对接收信号进行加权，抑制强干扰，称为IRC（Interference Rejection Combining）,下行,上行,IRC,基本思想：以小区间协调的方式对资源的使用进行限制，包括限制哪些时频资源可用，或者在一定的时频资源上限制其发射功率 静态的小区间干扰协调 不需要标准支持 频率资源协调/功率资源协调,频率资源协调(example),小区间干扰协调,功率资源协调(example),小区间干扰协调,需要小区间交换信息，比如资源使用信息 目前LTE已经确定，可以在X2接口交换PRB的使用信息进
33、行频率资源的小区间干扰协调（上行），即告知哪个PRB被分配给小区边缘用户，以及哪些PRB对小区间干扰比较敏感。同时，小区之间可以在X2接口上交换过载指示信息（OI：Overload Indicator），用来进行小区间的上行功率控制,半静态小区间干扰协调,小区间功率控制（Inter-Cell Power Control）一种通过告知其它小区本小区IoT信息，控制本小区IoT的方法 小区内功率控制（Intra-Cell Power Control）补偿路损和阴影衰落，节省终端的发射功率，尽量降低对其他小区的干扰，使得IoT保持在一定的水平之下,功率控制,对于上行PUSCH、PUCCH以及SRS都需要进行功率控制 PUSCH的功率控制命令字由该PUSCH的调度信令（DCI format 0）给出，或者与其他用户的功率控制命令字复用在一起，由DCI format 3/3A给出 PUCCH的功率控制命令字由调度PDSCH（与PUCCH对应）的调度信令（DCI format 1/1A/2）给出，或者与其他用户的功率控制命令字复用在一起，由DCI format 3/3A给出 SRS没有具体的功率控制命令字，借用PUSCH的功率控制命令字，并由高层通知功率偏差,功率控制,
