TDLTE原理與關(guān)鍵技術(shù)A.ppt

,支持4G網(wǎng)絡(luò)的手機：三星GALAXYS4，國際雙模版支持FDD-LTE，TDD-LTE。蘋果iPhone5S（移動版）聯(lián)想VIBEZ酷派8736金立E7LHTCOneLGNexus5,課程內(nèi)容安排,1.TD-LTE概述-演進(jìn)過程-概念-關(guān)鍵技術(shù)介紹2.LTE網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及協(xié)議棧介紹-網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)-網(wǎng)元功能-協(xié)議棧介紹3.LTE物理層結(jié)構(gòu)介紹-無線幀結(jié)構(gòu)-物理信道-物理信號-物理層過程,GPRS：通用分組無線服務(wù)技術(shù)，是一種高速數(shù)據(jù)處理的技術(shù)，通過分組形式傳送資料給用戶，避免斷線。,EDGE：增強型數(shù)據(jù)速率GSM演進(jìn)技術(shù)，是一種從GSM到3G的過渡技術(shù)，采用了8PSK（8進(jìn)制移相鍵控調(diào)制）,HSPA：高速分組接入。HSDPA（高速下行分組接入）。HSUPA（高速上行分組接入）,16個符號的正交幅度調(diào)制,什么是LTE？長期演進(jìn)LTE(LongTermEvolution)是3GPP主導(dǎo)的無線通信技術(shù)的演進(jìn)LTE與SAE（系統(tǒng)架構(gòu)演進(jìn)）是3GPP當(dāng)年的兩大演進(jìn)計劃，LTE負(fù)責(zé)無線空口技術(shù)演進(jìn)，SAE(SystemArchitectureEvolution)負(fù)責(zé)整個網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的演進(jìn),什么是LTE，為什么需要LTE,為什么需要LTE？保持3GPP（第三代合作伙伴計劃）與WiMAX（全球微波互聯(lián)接入）的競爭優(yōu)勢順應(yīng)寬帶移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的發(fā)展需要移動通信數(shù)據(jù)化，寬帶化，IP化高吞吐率=高頻譜效率+大帶寬低時延=扁平化的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),E-UTRAN:EvolvedUMTSTerrestrialRadioAccessNetwork，LTE的接入網(wǎng)EPC：EvolvedPackageCore，LTE的核心網(wǎng)EPS：EvolvedPacketSystem，演進(jìn)的分組系統(tǒng)EPS=E-UTRAN+EPC,狹義來講：LTE=E-UTRAN,SAE=EPC,6,更好地支持更大系統(tǒng)帶寬,小區(qū)覆蓋與容量增益的最重要來源,更好的同頻干擾控制性能與覆蓋提升,高速下行分組接入,下行正常峰值速率：20Mbps,上行正常峰值速率：89Mbps,多媒體廣播多播業(yè)務(wù),實際支持的帶寬1.4MHz、3MHz、5MHz、10MHz、15MHz和20MHz,正交性通過以下方式實現(xiàn)：,保護(hù)間隔(GuardInterval)用于消除OFDM符號間的ISI(Inter-SymbolInterference，符號間干擾)保護(hù)間隔要大于信道的時延擴展一般在保護(hù)間隔時間內(nèi)填充CyclicPrefix（CP，循環(huán)前綴），以保證子載波間的正交性,OFDM保護(hù)間隔,OFDM系統(tǒng)的主要優(yōu)點,頻譜利用率高傳統(tǒng)FDM是用濾波器把整個頻帶分割成互不重疊的子載波，子載波之間的保護(hù)頻帶很寬，OFDM允許子載波頻譜交疊，從而提高頻譜利用效率?？衫肍FT實現(xiàn)調(diào)制解調(diào)OFDM用IFFT和FFT實現(xiàn)信號的調(diào)制與解調(diào)，目前FFT易于用DSP或FPGA實現(xiàn)，比之用傳統(tǒng)的濾波器實現(xiàn)容易，體積小。減小ISIOFDM把高速串行數(shù)據(jù)變成低速并行數(shù)據(jù)傳輸，增加每個符號的周期長度，從而有效對抗無線信道的時延擴展，減小ISI。受頻率選擇性衰落影響小單個子載波信道是平坦的，而整個系統(tǒng)帶寬是呈現(xiàn)頻率選擇性由于無線信道的頻率選擇性衰落，不可能所有的子載波都處于比較深的衰落中，因此可以通過動態(tài)比特分配和動態(tài)子信道分配，充分利用信噪比高的子信道，提高系統(tǒng)性能。抵抗窄帶干擾OFDM通過把高速串行數(shù)據(jù)映射到并行的多個子載波上，窄帶干擾只能影響一部分子載波，接收端可以通過糾錯譯碼恢復(fù)干擾引起的錯誤。,OFDM發(fā)送端輸出信號是多個子載波相加的結(jié)果，目前應(yīng)用的子載波數(shù)量從幾十個到幾千個，如果各個子載波同相位，相加后就會出現(xiàn)很大的幅值，即調(diào)制信號的動態(tài)范圍很大，這對后級RF功率放大器提出了很高的要求。,OFDM的子載波互相交疊，只有保證接收端精確的頻率取樣才能避免子載波間干擾。無線終端移動引起的Doppler頻移也會使接收端發(fā)生頻率偏移，接收端本地振蕩器與發(fā)射端的頻率偏差也是一種頻率偏移。頻率偏移會引起子載波間干擾（ICI），對頻率偏移敏感是OFDM的缺點之一。,OFDMA正交頻分多址,LTE下行采用OFDMA多址技術(shù)，不同用戶可以根據(jù)需要靈活地分配不同的時頻資源,16,SC-FDMA,相比OFDMA，SC-FDMA降低了PAPR，降低終端的復(fù)雜度從而降低成本，延長待機時間SC-FDMA采用頻域?qū)崿F(xiàn)的方式：DFT-S-OFDM（下圖）相比OFDMA，SC-FDMA多了一個DFT運算這個DFT運算使得進(jìn)行OFDM調(diào)制前的所有頻域星座點都是UE所有發(fā)送數(shù)據(jù)的線性關(guān)系，相比頻域星座點由獨立的數(shù)據(jù)決定，降低了PAPR,實際上DFT-S-OFDM可以認(rèn)為是一種特殊的多載波復(fù)用方式，其輸出的信息同樣具有多載波特性，但是由于其有別于OFDM的特殊處理，使其具有單載波復(fù)用相對較低的PAPR特性。,LTE上行采用SC-FDMA多址技術(shù)，即所謂的單載波頻分多址接入（FDMA）技術(shù),物理下行共享信道,MIMOencoderandlayermapping,NeedUEFeedbackPMI,MIMOencoderandlayermapping,NotNeedUEFeedbackPMI,X,TransmissionDiversitySFBC/PrecodingRank1,SpaceMultiplexingMCW/PrecodingRank2,Close-LoopMIMOPrecodingRank1/Rank2,Open-LoopMIMOSFBC/MCW,MIMO的主要模式,多天線技術(shù)的優(yōu)勢,陣列增益（Arraygain）分集增益（Diversitygain）空間復(fù)用增益（Spatialmultiplexinggain）干擾抑制增益（co-channelinterferencereduction）,改善系統(tǒng)覆蓋改善系統(tǒng)容量提高峰值速率,提高頻譜利用率,2.LTE網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及協(xié)議棧,2.1LTE的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)2.2LTE的網(wǎng)元功能2.3LTE的協(xié)議棧介紹,系統(tǒng)架構(gòu)演進(jìn)SAE（SystemArchitectureEvolution），是為了實現(xiàn)LTE提出的目標(biāo)而從整個系統(tǒng)架構(gòu)上考慮的演進(jìn)，主要包括：接入網(wǎng)：扁平化，IP化，去掉RNC的物理實體，功能實體分解到基站和核心網(wǎng)元大部分功能放在了E-NodeB，以減少時延和增強調(diào)度能力少部分功能放在了核心網(wǎng)，加強移動性管理核心網(wǎng)：用戶面和控制面分離原有SGSN實體分解為MME(控制面實體)和Gateway（用戶面實體）,系統(tǒng)架構(gòu)演進(jìn),31,LTE的接入網(wǎng)架構(gòu),LTE的主要網(wǎng)元E-UTRAN(接入網(wǎng))：e-NodeB組成EPC(核心網(wǎng))：MME，S-GW，P-GWLTE的網(wǎng)絡(luò)接口X2接口：e-NodeB之間的接口，支持?jǐn)?shù)據(jù)和信令的直接傳輸S1接口：連接e-NodeB與核心網(wǎng)EPC的接口S1-MME是e-NodeB連接MME的控制面接口S1-U是e-NodeB連接S-GW的用戶面接口,與傳統(tǒng)3G網(wǎng)絡(luò)比較，LTE的網(wǎng)絡(luò)結(jié)更加簡單扁平，降低組網(wǎng)成本，增加組網(wǎng)靈活性，并能大大減少用戶數(shù)據(jù)和控制信令的時延。,32,LTE網(wǎng)元實體及接口,網(wǎng)元實體：TD-LTE系統(tǒng)由3部分組成-演進(jìn)的分組核心網(wǎng)（EvolvedPacketCore，EPC）LTE3000詳見參考書目-接入網(wǎng)eNB（eNodeB）（基站，型號為EMB5116），采用的是分布式基站將傳統(tǒng)一體化基站分為BBU（基帶單元，承擔(dān)基站的基帶處理部分功能）和RRU（射頻拉遠(yuǎn)單元，承擔(dān)基站的射頻處理部分功能）分成兩部分，各自安裝，分開放置，通過光纖進(jìn)行連接。-用戶設(shè)備UE（UserEquipment）,網(wǎng)元實體,核心網(wǎng)EPC由MME、S-GW、P-GW及PCRF等網(wǎng)元組成，能夠?qū)E接入到外部PDN來完成分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，并實施計費。-MME（MobilityManagementEntity，移動性管理實體）負(fù)責(zé)信令處理部分-S-GW（ServingGateway，服務(wù)網(wǎng)關(guān)）負(fù)責(zé)本地網(wǎng)絡(luò)用戶數(shù)據(jù)處理-P-GW（PDNGateway，分組數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)）負(fù)責(zé)用戶數(shù)據(jù)包與其它網(wǎng)絡(luò)的處理演進(jìn)的接入網(wǎng)（E-UTRAN）：由eNodeB構(gòu)成,接口,S1接口：eNodeB與MME之間X2接口：不同eNodeB之間，主要用于越區(qū)切換過程中的信令和數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)。Uu接口：eNodeB與UE之間，或稱為空中接口，主要用于建立、重配置和釋放各種無線承載業(yè)務(wù)，是一個完全開放的接口。注意：與3G不同，4G把NodeB和RNC融合為網(wǎng)元eNodeB,所以TD-LTE少了Iub接口，而X2接口類似于Iur接口，S1接口類似于Iu接口,S1接口：eNodeB與MME之間,X2接口：不同eNodeB之間,Uu接口：eNodeB與UE之間,S1-MME：eNodeB連接MME的控制面接口,S1-U：eNodeB連接S-Gw的用戶面接口,無線接口協(xié)議棧主要分三層兩面：三層包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層，兩面是指控制面和用戶面。數(shù)據(jù)鏈路層MAC(MediumAccessControl,媒體接入控制)RLC（RadioLinkControl，無線鏈路控制）PDCP（PacketDataConvergenceProtocol，分組數(shù)據(jù)匯聚協(xié)議）數(shù)據(jù)鏈路層同時位于控制平面和用戶平面：控制面負(fù)責(zé)無線承載信令的傳輸、加密和完整性保護(hù)。在用戶面負(fù)責(zé)用戶業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的傳輸和加密。網(wǎng)絡(luò)層RRC（RadioResourceControl，無線資源控制）網(wǎng)絡(luò)層位于無線接入網(wǎng)的控制平面，負(fù)責(zé)完成接入網(wǎng)和終端之間交互的所有信令處理。,LTE的網(wǎng)元功能,e-NodeB的主要功能包括：無線資源管理功能，即實現(xiàn)無線承載控制、無線許可控制和連接移動性控制，在上下行鏈路上完成UE上的動態(tài)資源分配（調(diào)度）用戶數(shù)據(jù)流的IP報頭壓縮和加密UE附著狀態(tài)時MME的選擇實現(xiàn)S-GW用戶面數(shù)據(jù)的路由選擇執(zhí)行由MME發(fā)起的尋呼信息和廣播信息的調(diào)度和傳輸完成有關(guān)移動性配置和調(diào)度的測量和測量報告,MME的主要功能包括：NAS(Non-AccessStratum)非接入層信令的加密和完整性保護(hù)；AS(AccessStratum)接入層安全性控制、空閑狀態(tài)移動性控制；EPS(EvolvedPacketSystem)承載控制；支持尋呼，切換，漫游，鑒權(quán)。,S-GW的主要功能包括：分組數(shù)據(jù)路由及轉(zhuǎn)發(fā)；移動性及切換支持；合法監(jiān)聽；計費。P-GW的主要功能包括：分組數(shù)據(jù)過濾；UE的IP地址分配；上下行計費及限速。,LTE協(xié)議棧,LTE協(xié)議棧的兩個面：用戶面協(xié)議棧：負(fù)責(zé)用戶數(shù)目傳輸控制面協(xié)議棧：負(fù)責(zé)系統(tǒng)信令傳輸用戶面的主要功能：頭壓縮加密調(diào)度ARQ/HARQ,用戶面協(xié)議棧,42,控制面的主要功能：RLC和MAC層功能與用戶面中的功能一致PDCP層完成加密和完整性保護(hù)RRC層完成廣播，尋呼，RRC連接管理，資源控制，移動性管理，UE測量報告控制NAS層完成核心網(wǎng)承載管理，鑒權(quán)及安全控制,控制面協(xié)議棧,LTE物理層結(jié)構(gòu),LTE支持頻段無線幀結(jié)構(gòu)物理信道物理信號物理層過程,LTE支持的雙工模式/頻段/帶寬,支持三種雙工模式：FDD，半雙工FDD，和TDD支持多種頻段FDD系統(tǒng)從700MHz到2.6GHzTDD系統(tǒng)頻點在1900MHz2620MHz區(qū)間支持多種帶寬配置：1.4MHz,3MHz,5MHz,10MHz,15MHz,20MHz,45,TDD模式支持頻段,頻點編號計算,FDL=FDL_low+0.1(NDLNOffs-DL),FUL=FUL_low+0.1(NULNOffs-UL),上下行載波頻率用EARFCN表示EARFCN:E-UTRAAbsoluteRadioFrequencyChannelNumber取值范圍：0-65535,FDLFUL均為中心頻率,無線幀結(jié)構(gòu),LTEFDD與TDD均采用OFDM技術(shù)子載波間隔均為f=15kHzLTE共支持兩種無線幀結(jié)構(gòu)類型1，適用于頻分雙工FDD類型2，適用于時分雙工TDD1radioframe(無線幀)=10ms1subframe(子幀)=1ms1slot(時隙)=0.5ms1radioframe=10subframes=20slots,FDD類型無線幀結(jié)構(gòu),每個slot包含的OFDM符號數(shù)由CP類型決定,48,下行導(dǎo)頻時隙,物理層功能,物理層位于無線接口協(xié)議棧最底層，提供物理介質(zhì)中比特流傳輸所需要的所有功能。物理層為MAC層和高層提供信息傳輸?shù)姆?wù)，其中物理層提供的服務(wù)通過傳輸信道來描述。1.下行傳輸信道類型：廣播信道（BroadcastCHannel，BCH）采用固定的預(yù)定義傳輸格式，且能夠在整個小區(qū)覆蓋區(qū)域內(nèi)廣播。下行共享信道（DownlinkSharedCHannel，DL-SCH），使用HARQ（混合自動重傳請求）傳輸，能夠調(diào)整傳輸使用的調(diào)制方式/編碼速率和發(fā)送功率來實現(xiàn)鏈路自適應(yīng)，能夠在整個小區(qū)內(nèi)發(fā)送或使用波束賦形發(fā)送，支持動態(tài)或半靜態(tài)的調(diào)度方式。,尋呼信道（PagingCHannel，PCH）支持終端非連續(xù)接收（由網(wǎng)絡(luò)配置給終端），且能在整個小區(qū)覆蓋區(qū)域內(nèi)傳輸。多播信道（MulticastCHannel，MCH）能在整個覆蓋區(qū)內(nèi)傳輸，支持半靜態(tài)調(diào)度方式。所謂的半靜態(tài)調(diào)度方式：是指在LTE的調(diào)度傳輸過程中，eNB在初始調(diào)度通過PDCCH（物理下行控制信道）指示UE當(dāng)前的調(diào)度信息，UE識別是半靜態(tài)調(diào)度，則保存當(dāng)前的調(diào)度信息，每隔固定的周期在相同的時頻資源位置上進(jìn)行該業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的發(fā)送或接收。,2.上行傳輸信道類型上行共享信道（UplinkSharedChannel，UL-SCH）支持波束賦形和自適應(yīng)調(diào)制方式/編碼速率/發(fā)送功率的調(diào)整，支持HARQ傳輸，采用動態(tài)或半靜態(tài)調(diào)度方式。隨機接入信道（RandomAccessChannel，RACH）可承載有限的控制信息，且具有沖突碰撞特征。,各個物理信道的使用,小區(qū)搜索涉及的物理信道SCH-PBCH-PCFICH-PDCCH-PDSCH(獲取DBCH)隨機接入涉及的物理信道PRACH-PCFICH-PDCCH-PDSCH-PUSCH下行數(shù)據(jù)傳輸涉及的物理信道PCFICH-PDCCH-PDSCH-PUCCH上行數(shù)據(jù)傳輸涉及的物理信道PCFICH-PDCCH-PUSCH-PHICH,無線幀結(jié)構(gòu)：NormalCP與ExtendedCP,一般情況下，配置普通CP（NormalCP）即可MBSFN情況下，配置擴展CP廣覆蓋等小區(qū)半徑較大的場景下可配置擴展CP,CP是為了克服多徑時延擴展帶來的ISI小區(qū)半徑大!=多徑時延擴展大，還和環(huán)境有關(guān)CP本質(zhì)上是犧牲了資源利用率來保證性能,55,DL/UL子幀分配選項,TDD上下行子幀配比與特殊時隙配比,LTE-TDD幀結(jié)構(gòu)主要特點是上下行轉(zhuǎn)換上下行轉(zhuǎn)換的子幀叫做特殊子幀包括：DwPTS,GP,UpPTS上下行時隙配比和特殊子幀配比需要規(guī)劃UpPTS主要承載短RACH和SoundingRS短RACH可配，占1個OFDM符號SRS必然存在，占1個OFDM符號,D:DownlinksubframeU:UplinksubframeS:Specialsubframe,特殊子幀分配選項,56,LTE資源塊基本概念,RE(ResourceElement)物理層資源的最小粒度時域：1個OFDM符號，頻域：1個子載波RB（ResourceBlock）物理層數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁Y源分配頻域最小單位時域：1個slot，頻域：12個連續(xù)子載波(Subcarrier)TTI物理層數(shù)據(jù)傳輸調(diào)度的時域基本單位1TTI=1subframe=2slots1TTI=14個OFDM符號(NormalCP)1TTI=12個OFDM符號(ExtendedCP)CCEControlChannelElement控制信道的資源單位1CCE=36REs1CCE=9REGs(1REG=4REs),物理信道概述,58,信道映射關(guān)系,各個物理信道的使用,小區(qū)搜索涉及的物理信道SCH-PBCH-PCFICH-PDCCH-PDSCH(獲取DBCH)隨機接入涉及的物理信道PRACH-PCFICH-PDCCH-PDSCH-PUSCH下行數(shù)據(jù)傳輸涉及的物理信道PCFICH-PDCCH-PDSCH-PUCCH上行數(shù)據(jù)傳輸涉及的物理信道PCFICH-PDCCH-PUSCH-PHICH,物理層過程小區(qū)搜索,小區(qū)搜索（CellSearch）基本原理：小區(qū)搜索是UE實現(xiàn)與E-UTRAN下行時頻同步并獲取服務(wù)小區(qū)ID的過程。小區(qū)搜索分兩個步驟：第一步：UE解調(diào)主同步信號（PSS），實現(xiàn)符號同步，并獲取小區(qū)組內(nèi)ID；第二步：UE解調(diào)次同步信號(SSS)，實現(xiàn)幀同步，并獲取CP長度和小區(qū)組ID，結(jié)合小區(qū)組內(nèi)ID，最終獲得小區(qū)的PCI,UE從上電開始的完整搜索過程：UE上電后開始進(jìn)行初始化小區(qū)搜索，搜尋網(wǎng)絡(luò)。一般而言，UE第一次開機時并不知道網(wǎng)絡(luò)的帶寬和頻點。UE會重復(fù)基本的小區(qū)搜索過程，遍歷整個頻譜的各個頻點嘗試解調(diào)同步信號。這個過程耗時，但一般對此的時間要求并不嚴(yán)格?？梢酝ㄟ^一些方法縮短以后的UE初始化時間，如UE儲存以前的可用網(wǎng)絡(luò)信息，開機后優(yōu)先搜索這些網(wǎng)絡(luò)、頻點。一旦UE搜尋到可用網(wǎng)絡(luò)并與網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)時頻同步，獲得服務(wù)小區(qū)ID，即完成小區(qū)搜索后，UE將解調(diào)下行廣播信道PBCH，獲取系統(tǒng)帶寬、發(fā)射天線數(shù)等系統(tǒng)信息。UE接收PBCH后，還要接收在PDSCH上傳輸?shù)南到y(tǒng)消息。最終獲得完整的系統(tǒng)消息。,65,物理層過程隨機接入,隨機接入（RandomAccess）基本原理：隨機接入是UE與E-UTRAN實現(xiàn)上行時頻同步的過程。隨機接入前，物理層應(yīng)該從高層接收到下面的信息：隨機接入信道PRACH參數(shù)：PRACH配置，頻域位置，前導(dǎo)（preamble）格式等；小區(qū)使用preamble根序列及其循環(huán)位移參數(shù)，以解調(diào)隨機接入preamble。物理層的隨機接入過程包含兩個步驟：UE發(fā)送隨機接入preamble；E-UTRAN對隨機接入的響應(yīng)。,隨機接入的具體過程：高層請求發(fā)送隨機接入preamble，繼而觸發(fā)物理層隨機接入過程；高層在請求中指示preambleindex，preamble目標(biāo)接收功率，相關(guān)的RA-RNTI，以及隨機接入信道的資源情況等信息；UE決定隨機接入信道的發(fā)射功率為preamble的目標(biāo)接收功率+路徑損耗。發(fā)射功率不超過UE最大發(fā)射功率，路徑損耗為UE通過下行鏈路估計的值；通過preambleindex選擇preamble序列；UE以計算出的發(fā)射功率，用所選的preamble序列，在指定的隨機接入信道資源中發(fā)射單個preamble；在高層設(shè)置的時間窗內(nèi)，UE嘗試偵測以其RA-RNTI標(biāo)識的下行控制信道PDCCH。如果偵測到，則相應(yīng)的下行共享信道PDSCH則傳往高層，高層從共享信道中解析出20位的響應(yīng)信息。,隨機接入信道,隨機接入前導(dǎo),下行控制信道,隨機接入響應(yīng),RA-RNTI:RandomAccessRadioNetworkTemporaryIdentifier,66,物理層過程隨機接入（2）,以下5種事件均會觸發(fā)隨機接入流程:InitialaccessfromRRC_IDLE;RRCConnectionRe-establishmentprocedure;Handover;DLdataarrivalduringRRC_CONNECTEDrequiringrandomaccessprocedure;E.g.whenULsynchronisationstatusis“non-synchronised”;ULdataarrivalduringRRC_CONNECTEDrequiringrandomaccessprocedure;E.g.whenULsynchronisationstatusisnon-synchronisedortherearenoPUCCHresourcesforSRavaila