lte核心原理與關(guān)鍵技術(shù)

1、移動(dòng)通信2012-12By Liu Chang通信網(wǎng)Soc Classification level1 Nokia Siemens Networks/移Pr動(dòng)e通f信al 本課程介紹LTE的基本原理以及。通信網(wǎng)Soc Classification level2 Nokia Siemens Networks/移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)以及演進(jìn)13OFDM原理及2協(xié)議棧簡(jiǎn)介3通信網(wǎng)Soc Classification level3 Nokia Siemens Networks/移無動(dòng)線通信通的通信網(wǎng)Soc Classification level4 Nokia Siemens Networks/移什動(dòng)么通信

2、是E通信網(wǎng)Soc Classification level5 Nokia Siemens Networks/LTE的設(shè)計(jì)目標(biāo)u 帶寬靈活配置：支持1.4MHz, 3MHz, 5MHz, 10Mhz, 15Mhz, 20MHzu 值速率(20MHz帶寬）：下行100Mbps，上行50Mbpsu 控制面延時(shí)小于100ms，用戶面延時(shí)小于5msu 能為速度350km/h的用戶提供100kbps 的接入服務(wù)u 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單化，低成本建網(wǎng)什么是LTE？u 長(zhǎng)期演進(jìn)LTE (Long Term Evolution)是3GPP主導(dǎo)的無線通信技術(shù)的演進(jìn)。u 接入網(wǎng)將演進(jìn)為E-UTRAN (Evolved UM

3、TS Terrestrial Radio Access Network)。u 連同網(wǎng)的系統(tǒng)架構(gòu)將演進(jìn)為SAE(System Architecture Evolution)。移網(wǎng)動(dòng)絡(luò)通信結(jié)通信網(wǎng)Soc Classification level6 Nokia Siemens Networks/LTE的主要網(wǎng)元u LTE的接入網(wǎng)E-UTRAN由e-NodeB組成，提供用戶面和控制面。u LTE的網(wǎng)EPC由MME，S-GW和P-GW組成。LTE的網(wǎng)絡(luò)接口u e-NodeB間通過X2接口相互連接，支持?jǐn)?shù)據(jù)和信令的直接傳輸。u S1接口連接e-NodeB與網(wǎng)EPC。其中，S1-MME是e-NodeB連接M

4、ME的控制面接口，S1-U是e-NodeB連接S-GW 的用戶面接口。移網(wǎng)動(dòng)絡(luò)通信結(jié)通信網(wǎng)Soc Classification level7 Nokia Siemens Networks/接入網(wǎng)：LTE接入網(wǎng)僅由eNodeB組成，完成如下功能：u 無線管理u IP報(bào)文頭壓縮u 安全性u(píng) 與EPC連接移網(wǎng)動(dòng)絡(luò)通信結(jié)通信網(wǎng)Soc Classification level8 Nokia Siemens Networks/網(wǎng)：u MME：處理UE和網(wǎng)絡(luò)間信令交互的控制節(jié)點(diǎn)。u S-GW：分組數(shù)據(jù)路由及轉(zhuǎn)發(fā)；移動(dòng)性及切換支持；合法；計(jì)費(fèi)。u P-GW：負(fù)責(zé)用戶IP地址分配和QoS保證；分組數(shù)據(jù)過濾；上下

5、行計(jì)費(fèi)及限速。u HSS：用戶歸屬服務(wù)器。u PCRF：負(fù)責(zé)策略控制和計(jì)費(fèi)規(guī)則。移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)以及演進(jìn)13OFDM原理及2協(xié)議棧簡(jiǎn)介3通信網(wǎng)Soc Classification level9 Nokia Siemens Networks/移F動(dòng)DM通A信系演Multi-carrierSingle CarrierfrequencyfrequencyOFDMOFDM：Orthogonal FrequencyDivisionMultiplexing正交頻分復(fù)用frequency通信網(wǎng)Soc Classification level10 Nokia Siemens Networks/移O動(dòng)FD通M信

6、實(shí)l 實(shí)現(xiàn)機(jī)理：將高速串行數(shù)據(jù)流進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換，得到N路并行的數(shù)據(jù)流將每一路調(diào)制到相互正交的子載波上，子載波頻譜可以重疊uu通信網(wǎng)Soc Classification level11 Nokia Siemens Networks/sn,0NNsn,N -1P/SIFFTsn,0Nf0sn,N -1fN-1NS移O動(dòng)FD通M信技特通信網(wǎng)Soc Classification level12 Nokia Siemens Networks/u 對(duì)時(shí)間同步的要求比較高u 對(duì)頻率偏移特別敏感u PAPR (Peak to Average PowerRatio)值較大u 頻譜利用率高u 易于克服頻率選擇性u(píng)

7、易于克服多徑干擾（碼間串?dāng)_）u 信道估計(jì)與均衡實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單u 易于同其他技術(shù)相結(jié)合移克動(dòng)服通信頻選窄帶系統(tǒng)寬帶系統(tǒng)通信網(wǎng)Soc Classification level13 Nokia Siemens Networks/P(f)P(f)FadingffTransmit SignalReceived SignalP(f)P(f)FadingffTransmit SignalReceived Signal移多動(dòng)徑通TransmittedsignaltimeReceivedsignaltime通信網(wǎng)Soc Classification level14 Nokia Siemens Networks/移克動(dòng)

8、服通信多干 在OFDM系統(tǒng)中，增加CP可減小多徑干擾造成的影響通信網(wǎng)Soc Classification level15 Nokia Siemens Networks/移時(shí)動(dòng)域通信同通信網(wǎng)Soc Classification level16 Nokia Siemens Networks/移頻動(dòng)域通信同通信網(wǎng)Soc Classification level17 Nokia Siemens Networks/移O動(dòng)FD通M信與DOFDM （Orthogonal Frequency Division Multiplexing）屬于調(diào)制復(fù)用技術(shù)，它把系統(tǒng)帶寬分成多個(gè)的相互正交的子載波，在多個(gè)子載波上并

9、行數(shù)據(jù)傳輸。OFDMA: （Orthogonal Frequency源分配粒度更小的多址方式。Multiple Access）OFDMA 是一種資DivisionOFDMOFDMAOFDMOFDMATimeFrequency通信網(wǎng)Soc Classification level18 Nokia Siemens Networks/FrequencyOutput Power移O動(dòng)FD通M信ACOFDMA：LTE下行多址接入技術(shù)SC-FDMA:LTE上行多址接入技術(shù)通信網(wǎng)Soc Classification level19 Nokia Siemens Networks/移高動(dòng)階通信調(diào)通信網(wǎng)Soc C

10、lassification level20 Nokia Siemens Networks/移H動(dòng)AR通Q信HARQ（Hybrid Automatic (FEC)相結(jié)合的糾錯(cuò)方法ARQ類型u SAW：Stop-and-waitu GBN: Go-Back-NRepeat reQuest）HARQ技術(shù)是ARQ和前向糾錯(cuò)u SR：SelectiveHARQ類型Repeatu Typeu Typeu TypeIII(IR) III通信網(wǎng)Soc Classification level21 Nokia Siemens Networks/移M動(dòng)IM通O信下行MIMOLTE下行支持MIMO技術(shù)進(jìn)行空間維度的

11、復(fù)用?？臻g復(fù)用支持單用戶SU-MIMO模式或者多用戶MU-MIMO模式。SU-MIMO和MU-MIMO都支持通過Pre-coding的方法來降低或者控制空間復(fù)用數(shù)據(jù)流之間的干擾，從而改善MIMO 技術(shù)的性能。SU-MIMO中，空間復(fù)用的數(shù)據(jù)流調(diào)度給一個(gè)單獨(dú)的用戶， 提升該用戶的傳輸速率和頻譜效率。MU-MIMO中，空間復(fù)用的數(shù)據(jù)流調(diào)度給多個(gè)用戶，多個(gè)用戶通過空分方式共上行MIMO受限于終端的成本和功耗，實(shí)現(xiàn)單個(gè)終端上行多路射頻發(fā)射和功放的難度較大。因此，LTE正研究在上行采用多個(gè)單天線用戶進(jìn)行MIMO傳輸?shù)姆椒ǎQ為Virtual-MIMO調(diào)度器將相同的時(shí)頻用戶都采用單天線方式法進(jìn)行數(shù)據(jù)分離。

12、調(diào)度給若干個(gè)不同的用戶，每個(gè)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)采用一定的MIMO解調(diào)方采用Virtual-MIMO方式能同時(shí)獲得MIMO增益以及功率增益（相同的時(shí)頻允許更高的功率），而且調(diào)度器可以控享同一時(shí)頻，系統(tǒng)可以通過空間維度的多用戶調(diào)度獲制多用戶數(shù)據(jù)之間的干擾。同時(shí)，通過用戶選擇可以獲得多用戶分集增益。得額外的多用戶分集增益。通信網(wǎng)Soc Classification level22 Nokia Siemens Networks/移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)以及演進(jìn)13OFDM原理及2協(xié)議棧簡(jiǎn)介3通信網(wǎng)Soc Classification level23 Nokia Siemens Networks/移協(xié)動(dòng)議通信棧紹LTE

13、協(xié)議棧的兩個(gè)面：u 用戶面協(xié)議棧：負(fù)責(zé)用戶數(shù)目傳輸（頭壓縮、加密、調(diào)度、ARQ/HARQ）u 控制面協(xié)議棧：負(fù)責(zé)系統(tǒng)信令傳輸：u RLC和MAC層功能與用戶面中的功能一致u PDCP層完成加密和完整性保護(hù)u RRC層完成廣播，尋呼，RRC連接管理，控制，移動(dòng)性管理，UE測(cè)量報(bào)告控制u NAS層完成網(wǎng)承載管理，鑒權(quán)及安全控制通信網(wǎng)Soc Classification level24 Nokia Siemens Networks/移物動(dòng)理通信層 無LTE共支持兩種無線幀結(jié)構(gòu)：u 類型1，適用于頻分雙工FDDu 類型2，適用于時(shí)分雙工TDD信令相同，如NAS和RRC2層用戶平面相同：如MAC，RLC

14、和PDCP物理層大致相同，TDD/FDD的主要區(qū)別在于幀結(jié)構(gòu)、時(shí)分設(shè)計(jì)、同步、多天線等通信網(wǎng)Soc Classification level25 Nokia Siemens Networks/移物動(dòng)理通信層構(gòu)Du LTE 采用OFDM技術(shù)，子載波間隔為f=15kHz，2048階IFFT，則幀結(jié)構(gòu)的時(shí)間為Ts=1/(2048* 15000)秒u FDD類型無線幀長(zhǎng)10ms，如下圖所示。每幀含有20個(gè)時(shí)隙，每時(shí)隙為0.5ms。普通CP配置下，一個(gè)時(shí)隙包含7個(gè)連續(xù)的OFDM符號(hào)（Symbol）塊的概念：u LTE具有時(shí)域和頻域的，分配的最小是塊RB（Resource Block），RB由RE（Res

15、ource Element）組成，如右圖示u RE是二維結(jié)構(gòu)，由時(shí)域符號(hào)（Symbol）和頻域子載波（Subcarrier）組成u 1個(gè)時(shí)隙和12個(gè)連續(xù)子載波組成一個(gè)RB通信網(wǎng)Soc Classification level26 Nokia Siemens Networks/移物動(dòng)理通信層構(gòu)Du 同樣采用OFDM技術(shù)，子載波間隔和時(shí)間u 幀結(jié)構(gòu)與FDD類似，每個(gè)10ms幀由10個(gè)1ms的u 10ms幀中各個(gè)子幀的上下行分配策略可以設(shè)置。如右邊表格所示均與FDD相同。通信網(wǎng)Soc Classification level27 Nokia Siemens Networks/移物動(dòng)理通信層Pu 為克

16、服OFDM系統(tǒng)所特有的符號(hào)間干擾ISI，LTE引入了循環(huán)前綴CP（Cyclic Prefix）。u CP的長(zhǎng)度與覆蓋半徑有關(guān)，一般情況下配置普通CP（Normal CP）即可滿足要求；u 廣覆蓋等小區(qū)半徑較大的場(chǎng)景下可配置擴(kuò)展CP（Extendedu CP長(zhǎng)度配置越大，系統(tǒng)開銷越大。CP）。通信網(wǎng)Soc Classification level28 Nokia Siemens Networks/移物動(dòng)理通信層Pu 為克服OFDM系統(tǒng)所特有的符號(hào)間干擾ISI，LTE引入了循環(huán)前綴CP（Cyclic Prefix）。u CP的長(zhǎng)度與覆蓋半徑有關(guān)，一般情況下配置普通CP（Normal CP）即可滿足

17、要求；u 廣覆蓋等小區(qū)半徑較大的場(chǎng)景下可配置擴(kuò)展CP（Extendedu CP長(zhǎng)度配置越大，系統(tǒng)開銷越大。CP）。通信網(wǎng)Soc Classification level29 Nokia Siemens Networks/移物動(dòng)理通信層 物下行信道：Physical Broadcast Channel (PBCH)：物理廣播信道，承載小區(qū)ID等系統(tǒng)信息，用于小區(qū)搜索過程。uControl Channel (PDCCH)：物理下行控制信道，承分配信息，以及與用戶數(shù)據(jù)相關(guān)的HARQ信息。Shared Channel (PDSCH)：物理下行共享信道，承載Physical Downlink載尋呼和用戶

18、數(shù)據(jù)的Physical Downlink下行用戶數(shù)據(jù)。uuPhysical Control Format Indicator Channel (PCFICH)：物理控制格式指示信道，承載控制信道所在OFDM符號(hào)的位置信息。Physical Hybrid ARQ Indicator Channel (PHICH)：物理HARQ指示信道，承載HARQ的ACK/NACK信息。Physical Multicast Channel (PMCH)：物理多播信道，承載多播信息。uuu通信網(wǎng)Soc Classification level30 Nokia Siemens Networks/移物動(dòng)理通信層 物上

19、行信道：Access Channel (PRACH)：物理隨機(jī)接入信道，承載隨Physical Random機(jī)接入前導(dǎo)。Physical Uplink行用戶數(shù)據(jù)。Physical UplinkuShared Channel (PUSCH)：物理上行共享信道，承載上uControl Channel (PUCCH)：物理上行控制信道，承載uHARQ的ACK/NACK，調(diào)度請(qǐng)求(SchedulingQuality Indicator)等信息Request)，信道質(zhì)量指示(Channel通信網(wǎng)Soc Classification level31 Nokia Siemens Networks/移物動(dòng)理通

20、信層 物通信網(wǎng)Soc Classification level32 Nokia Siemens Networks/移物動(dòng)理通信層 物下行信道處理過程u 加擾：物理層傳輸?shù)拇a字都需要經(jīng)過加擾；u 調(diào)制：對(duì)加擾后的碼字進(jìn)行調(diào)制，生成復(fù)數(shù)值的調(diào)制符號(hào)；u 層影射：將復(fù)數(shù)調(diào)制符號(hào)影射到一個(gè)或多個(gè)發(fā)射層中；u 預(yù)編碼：對(duì)每個(gè)發(fā)射層中的復(fù)數(shù)調(diào)制符號(hào)進(jìn)行預(yù)編碼，并影射到相應(yīng)的天線端口；u RE影射：將每個(gè)天線端口的復(fù)數(shù)調(diào)制符號(hào)影射到相應(yīng)的RE上；u OFDM信號(hào)生成：每個(gè)天線端口信號(hào)生成OFDM信號(hào)。通信網(wǎng)Soc Classification level33 Nokia Siemens Networks/移

21、物動(dòng)理通信層 物上行信道處理過程u 加擾u 調(diào)制：對(duì)加擾后的碼字進(jìn)行調(diào)制，生成復(fù)數(shù)值的調(diào)制符號(hào)；u 轉(zhuǎn)換預(yù)編碼：生成復(fù)數(shù)值的符號(hào)；u RE影射：將復(fù)數(shù)符號(hào)影射到相應(yīng)的RE上；u SC-FDMA信號(hào)生成：每個(gè)天線端口信號(hào)生成SC-FDMA信號(hào)。通信網(wǎng)Soc Classification level34 Nokia Siemens Networks/移物動(dòng)理通信層 物通信網(wǎng)Soc Classification level35 Nokia Siemens Networks/方向物理信道調(diào)制方式下行PBCH/PCFICH/PDCCHQPSKPHICHBPSKPDSCH/PMCHQPSK, 16QAM,

22、 64QAM64QAM上行PUCCHBPSK, QPSKPUSCHQPSK, 16QAM, 64QAM 64QAMPRACHZadoff-Chu序列移物動(dòng)理通信層 物通信網(wǎng)Soc Classification level36 Nokia Siemens Networks/移物動(dòng)理通信層 物同步信號(hào)u 同步信號(hào)用于小區(qū)搜索過程中UE和E-UTRAN的時(shí)頻同步；u 同步信號(hào)包含兩個(gè)部分：u 主同步信號(hào)（Primary Synchronization Signal）：用于符號(hào)timing對(duì)準(zhǔn)，頻率同步，以及部分的小區(qū)ID偵測(cè)u 次同步信號(hào)（Secondary Synchronization Sign

23、al）：用于幀timing對(duì)準(zhǔn)，CP長(zhǎng)度偵測(cè)，以及小區(qū)組ID偵測(cè)同步信號(hào)特點(diǎn)：u 無論系統(tǒng)帶寬是多少，同步信號(hào)只位于系統(tǒng)帶寬的中部，占用62個(gè)子載波。u 同步信號(hào)只在每個(gè)10ms幀的第1個(gè)和第11個(gè)時(shí)隙中傳送。u 主同步信號(hào)位于傳送時(shí)隙的最后一個(gè)符號(hào)，次同步信號(hào)位于傳送時(shí)隙的倒數(shù)第二個(gè)符 號(hào)。通信網(wǎng)Soc Classification level37 Nokia Siemens Networks/移物動(dòng)理通信層 物上行參考信號(hào)RS（Reference Signal）：上行的導(dǎo)頻信號(hào)，用于E-UTRAN與UE的同步和上行信道估計(jì)。 上行參考信號(hào)有兩種：u 解調(diào)參考信號(hào)DM RS (Demodul

24、ation Reference Signal), PUSCH和PUCCH傳輸時(shí)的導(dǎo)頻信號(hào)u Sounding參考信號(hào)SRS (Sounding Reference Signal),無PUSCH和PUCCH傳輸時(shí)的導(dǎo)頻信號(hào)上行參考信號(hào)特點(diǎn)：u 由于上行采用SC-FDMA，每個(gè)UE只占用系統(tǒng)帶寬的一部分，DM RS只在相應(yīng)的PUSCH和PUCCH分配帶寬中傳輸。u DM RS在時(shí)隙中的位置根據(jù)伴隨的PUSCH和PUCCH的不同格式而有所差異。u Sounding RS的帶寬比單個(gè)UE分配到的帶寬要大，目的是為e-NodeB作全帶寬的上行信道估計(jì)提供參考。通信網(wǎng)Soc Classification

25、level38 Nokia Siemens Networks/移L動(dòng)TE通層信述LTE層2分為以下幾個(gè)子層：u MAC層（MediumAccess Control）u RLC層（Radio Link Control）u PDCP層（PacketProtocol）DataConvergence通信網(wǎng)Soc Classification level39 Nokia Siemens Networks/移M動(dòng)AC通層信紹MAC層的主要功能:邏輯信道（Logical Channel）與傳輸信道（Transport Channel）間的將RLC層的協(xié)議數(shù)據(jù)單元PDU（Protocol Data Unit）復(fù)用到傳輸塊TB（Transport Block）中，然后通過傳輸信道傳送到物理層。相反的過程即是