LTE基本原理及關(guān)鍵技術(shù)(巴三此里)

LTE基本原理及關(guān)鍵技術(shù)巴三此里2023/2/4了解LTE產(chǎn)生的背景及網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)掌握LTE物理層和物理層的基本過程了解LTE空口關(guān)鍵技術(shù)目標(biāo)Charter1LTE背景介紹Charter2LTE網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及協(xié)議棧介紹Charter3LTE物理層結(jié)構(gòu)介紹Charter4TD-LTE/FDD-LTE比較內(nèi)容Charter1LTE背景介紹1.1LTE的概念1.2LTE設(shè)計(jì)目標(biāo)1.3LTE的關(guān)鍵技術(shù)介紹內(nèi)容什么是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是3GPP當(dāng)年的兩大演進(jìn)計(jì)劃，LTE負(fù)責(zé)無線空口技術(shù)演進(jìn)，SAE(SystemArchitectureEvolution)負(fù)責(zé)整個(gè)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與WIMAX/3GPP2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(shí)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（概念難嚴(yán)格區(qū)分，理解就好）LTE設(shè)計(jì)目標(biāo)：三高、兩低、一平三高高峰值速率(20MHz帶寬）：下行100Mbps，上行50Mbps高頻譜效率：頻譜效率是3G的3~5倍高移動性：能為速度>350km/h的用戶提供100kbps的接入服務(wù)兩低低時(shí)延：控制面時(shí)延小于100ms，用戶面時(shí)延(單向)小于5ms低成本：SON（自組織網(wǎng)絡(luò)），支持多頻段靈活配置（1.4MHz,3MHz,5MHz,10Mhz,15Mhz,20MH）一平以分組域業(yè)務(wù)為主要目標(biāo)，系統(tǒng)在整體架構(gòu)上是基于分組交換的扁平化結(jié)構(gòu)LTE關(guān)鍵技術(shù)與特性關(guān)鍵物理層技術(shù)描述高階調(diào)制和AMC（自適應(yīng)編碼）TD-LTE可以采用64QAM調(diào)節(jié)方式，比TD-SCDMA采用的16QAM速率提升50%，越是高階調(diào)制方式，對信號質(zhì)量要求越高；AdaptiveModulationandCoding，根據(jù)無線信道變化選擇合適的調(diào)制和編碼方式。MIMO&Beamforming容量增益與小區(qū)覆蓋的最重要來源。MIMO復(fù)用模式：不同天線發(fā)射不同的數(shù)據(jù)，可以增加容量；分集模式：不同天線發(fā)射相同數(shù)據(jù)，在弱覆蓋下提高用戶接收信號質(zhì)量。智能天線不但可以有效改善小區(qū)內(nèi)用戶間的干擾，還可以大大抑制小區(qū)間用戶干擾，極大地提高了系統(tǒng)性能。CA（載波聚合）載波聚合就是通過將多個(gè)連續(xù)或非連續(xù)的載波聚合成更大的帶寬（MAX100MHz）。OFDMA&SC-FDMA正交頻分復(fù)用：多采用幾個(gè)頻率并行發(fā)送，以實(shí)現(xiàn)帶寬的傳輸，各個(gè)子載波相互正交，極大地提高了頻譜利用率。上行采用SC-FDMA，單載波FDMA。Inter-Cell-Interference-Coordination，更好的同頻干擾控制性能與覆蓋提升HARQ（自動混合重傳）ARQ（只傳不糾）+FEC（只糾不傳）ICIC小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)：同頻組網(wǎng)導(dǎo)致小區(qū)邊緣用戶因同頻干擾感知下降，通過ICIC可以將鄰區(qū)邊緣用戶頻點(diǎn)錯開，降低同頻干擾SON自組織網(wǎng)絡(luò)：自規(guī)劃、自部署、自優(yōu)化、易維護(hù)LTE關(guān)鍵技術(shù)Overview

MIMO

OFDMALTESC-FDMA64QAMOFDM基本思想OFDM：正交頻分復(fù)用（

OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexingDL

）多采用幾個(gè)頻率并行發(fā)送，以實(shí)現(xiàn)帶寬的傳輸，OFDM系統(tǒng)中各個(gè)子載波相互交疊，相互正交，極大地提高了頻譜利用率。OFDM系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)頻譜利用率高傳統(tǒng)FDM是用濾波器把整個(gè)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。

可利用FFT實(shí)現(xiàn)調(diào)制解調(diào)OFDM用IFFT和FFT實(shí)現(xiàn)信號的調(diào)制與解調(diào)，目前FFT易于用DSP或FPGA實(shí)現(xiàn)，比之用傳統(tǒng)的濾波器實(shí)現(xiàn)容易，體積小。

受頻率選擇性衰落影響小單個(gè)子載波信道是平坦的，而整個(gè)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(gè)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系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)對頻率偏差敏感

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(diǎn)之一。較高的峰均比（PAPR）OFDM發(fā)送端輸出信號是多個(gè)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(gè)到幾千個(gè)，如果各個(gè)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。OFDMALTE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(shí)頻資源SC-FDMA相比OFDMA，SC-FDMA降低了PAPR（峰均值），降低終端的復(fù)雜度從而降低成本，延長待機(jī)時(shí)間SC-FDMA采用頻域?qū)崿F(xiàn)的方式：DFT-S-OFDM相比OFDMA，SC-FDMA多了一個(gè)DFT運(yùn)算這個(gè)DFT運(yùn)算使得進(jìn)行OFDM調(diào)制前的所有頻域星座點(diǎn)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(diǎn)由獨(dú)立的數(shù)據(jù)決定，降低了PAPR實(shí)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FDMA技術(shù)MIMO的主要模式UE1SBCTransmissionDiversitySpaceMultiplexingUE1Layer1,CW1,AMC1Layer2,CW2,AMC2分集模式不同天線發(fā)射相同的數(shù)據(jù)，在弱信號條件下提高用戶接收信號質(zhì)量。復(fù)用模式

不同天線發(fā)射不同數(shù)據(jù)，可以直接增加容量：2X2MIMO方式容量提升1倍。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BeamformingBeamforming是發(fā)射端對數(shù)據(jù)先加權(quán)再發(fā)送，形成窄的發(fā)射波束，將能量對準(zhǔn)目標(biāo)用戶，從而提高目標(biāo)用戶的解調(diào)信噪比

Beamforming可以獲得陣列增益、分集增益和復(fù)用增益依賴于具體的模式

LTETDD可以利用上下行信道互易性估計(jì)下行信道信息LTETDDBeamforming需要進(jìn)行通道校正Beamforming鄰區(qū)干擾信號是擾動的，類似探照燈效應(yīng)Charter1LTE背景介紹Charter2LTE網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)介紹Charter3LTE物理層結(jié)構(gòu)介紹Charter4TD-LTE/FDD-LTE比較內(nèi)容Charter2LTE網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及協(xié)議棧介紹2.1LTE的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)2.2LTE的網(wǎng)元功能內(nèi)容系統(tǒng)架構(gòu)演進(jìn)SAE（SystemArchitectureEvolution），是為了實(shí)現(xiàn)LTE提出的目標(biāo)而從整個(gè)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(shí)體，功能實(shí)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(shí)延和增強(qiáng)調(diào)度能力少部分功能放在了核心網(wǎng)，加強(qiáng)移動性管理核心網(wǎng)：用戶面和控制面分離原有SGSN實(shí)體分解為MME(控制面實(shí)體)和Gateway（用戶面實(shí)體）系統(tǒng)架構(gòu)演進(jìn)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(shí)延。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(shí)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(bào)頭壓縮和加密UE附著狀態(tài)時(shí)MME的選擇實(shí)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(bào)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(jì)費(fèi)。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(jì)費(fèi)及限速。EPC:EvolvedPacketCoreMME:MobilityManagementEntityS-GW:ServingGatewayP-GW:PDNGatewayCharter1LTE背景介紹Charter2LTE網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及協(xié)議棧Charter3LTE物理層結(jié)構(gòu)介紹Charter4TD-LTE/FDD-LTE比較內(nèi)容Charter3LTE物理層結(jié)構(gòu)介紹3.1LTE支持頻段3.2無線幀結(jié)構(gòu)3.3物理信道3.4物理層過程內(nèi)容LTE支持的雙工模式/頻段/帶寬支持三種雙工模式：FDD，half-duplexFDD，和TDD支持多種頻段FDD系統(tǒng)從700MHz到2.6GHzTDD系統(tǒng)頻點(diǎn)在1900MHz~2620MHz區(qū)間支持多種帶寬配置：1.4MHz,3MHz,5MHz,10MHz,15MHz,20MHz協(xié)議還在更新中，部分頻段的支持情況可能會有所變動36.104協(xié)議E-UTRABandUplink(UL)Downlink(DL)FUL_low–FUL_highFDL_low–FDL_high11920MHz–1980MHz2110MHz–2170MHz21850MHz–1910MHz1930MHz–1990MHz31710MHz–1785MHz1805MHz–1880MHz41710MHz–1755MHz2110MHz–2155MHz5824MHz–849MHz869MHz–894MHz6830MHz–840MHz875MHz–885MHz72500MHz–2570MHz2620MHz–2690MHz8880MHz–915MHz925MHz–960MHz91749.9MHz–1784.9MHz1844.9MHz–1879.9MHz101710MHz–1770MHz2110MHz–2170MHz111427.9MHz–1452.9MHz1475.9MHz–1500.9MHz12698MHz–716MHz728MHz–746MHz13777MHz–787MHz746MHz–756MHz14788MHz–798MHz758MHz–768MHz……

…

17704MHz–716MHz734MHz–746MHz...…

…

FDD模式支持頻段E-UTRABandUplink(UL)Downlink(DL)FUL_low–FUL_highFDL_low–FDL_high331900MHz–1920MHz1900MHz–1920MHz342010MHz–2025MHz2010MHz–2025MHz351850MHz–1910MHz1850MHz–1910MHz361930MHz–1990MHz1930MHz–1990MHz371910MHz–1930MHz1910MHz–1930MHz38（D）2570MHz–2620MHz2570MHz–2620MHz39（F）1880MHz–1920MHz1880MHz–1920MHz40（E）2300MHz–2400MHz2300MHz–2400MHzTDD模式支持頻段無線幀結(jié)構(gòu)LTEFDD與TDD均采用OFDM技術(shù)子載波間隔均為f=15kHz1radioframe(無線幀)=10ms1subframe(子幀)=1ms1slot(時(shí)隙)=0.5ms=7（6）個(gè)符號1radioframe=10subframes=20slotsTDD類型無線幀結(jié)構(gòu)DwPTS:DownlinkPilotTimeSlotGP:GuardPeriodUpPTS:UplinkPilotTimeSlotTD-LTE無線幀結(jié)構(gòu)TD-LTE10個(gè)子幀包括：上行子幀，下行子幀，特殊子幀特殊子幀包括：下行導(dǎo)頻時(shí)隙（DwPTS）保護(hù)周期（GP）上行導(dǎo)頻時(shí)隙（UpPTS）TDD上下行子幀配比與特殊時(shí)隙配比DL/UL子幀分配選項(xiàng)Uplink-downlinkconfigurationDownlink-to-UplinkSwitch-pointperiodicitySubframenumber012345678905msDSUUUDSUUU15msDSUUDDSUUD25msDSUDDDSUDD310msDSUUUDDDDD410msDSUUDDDDDD510msDSUDDDDDDD65msDSUUUDSUUDLTE-TDD幀結(jié)構(gòu)主要特點(diǎn)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,UpPTSD:DownlinksubframeU:UplinksubframeS:Specialsubframe特殊子幀配置NormalCPExtendedCPDwPTSGPUpPTSDwPTSGPUpPTS03101381194183121031921311211011412113725392822693291271022---81112---特殊子幀分配選項(xiàng)LTE資源塊基本概念載波帶寬[MHz]1.435101520RE數(shù)目(每個(gè)OFDM符號)721803006009001200RB數(shù)目（每個(gè)slot）615255075100RE(ResourceElement)物理層資源的最小粒度時(shí)域：1個(gè)OFDM符號，頻域：1個(gè)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(shí)域：1個(gè)slot，頻域：12個(gè)連續(xù)子載波(Subcarrier)CCEControlChannelElement控制信道的資源單位1CCE=9REG(1REG=4RE)1CCE=36RE物理信道—概述下行物理信道與信號名稱功能簡介PBCHPhysicalbroadcastchannel/廣播信道用于承載系統(tǒng)廣播消息PDSCHPhysicalDownlinkSharedChannel/下行共享數(shù)據(jù)信道用于承載下行用戶數(shù)據(jù)PCFICHPhysicalcontrolformatindicatorchannel/控制格式指示信道用于指示下行控制信道使用的資源PDCCHPhysicalDownlinkControlChannel/下行控制信道用于上下行調(diào)度、功控等控制信令的傳輸PHICHPhysicalHybridARQIndicatorChannel/HARQ指示信道用于上行數(shù)據(jù)傳輸ACK/NACK信息的反饋PMCHPhysicalmulticastchannel/多播信道用于傳輸廣播多播業(yè)務(wù)RSReferenceSignal/參考信號用于下行數(shù)據(jù)解調(diào)、測量和時(shí)頻同步等SCHSynchronizationSignal/同步信號用于時(shí)頻同步和小區(qū)搜索上行物理信道與信號名稱功能簡介PRACHPhysicalRandomAccessChannel/隨機(jī)接入信道用于用戶隨機(jī)接入請求信息PUSCHPhysicalUplinkSharedChannel/上行共享數(shù)據(jù)信道用于承載上行用戶數(shù)據(jù)PUCCHPhysicalUplinkControlChannel/上行公共控制信道用于HARQ反饋、CQI反饋、調(diào)度請求指示等L1/L2控制信令DMRSDemodulationReferenceSignal/解調(diào)參考信號用于上行數(shù)據(jù)解調(diào)、時(shí)頻同步等SRSSoundingReferenceSignal/測量參考信號用于上行信道測量、時(shí)頻同步等信道映射關(guān)系下行傳輸信道和物理信道的映射關(guān)系PhysicalLayerMAC

Layer上行傳輸信道和物理信道的映射關(guān)系PhysicalLayerMAC

Layer物理信道—下行物理信道調(diào)制方式物理信道調(diào)制方式PBCHQPSKPCFICHQPSKPDCCHQPSKPHICHBPSKPDSCHQPSK,16QAM,64QAMPMCHQPSK,16QAM,64QAM下行信道處理過程加擾：信息比特0、1隨機(jī)化，以利用信道編碼的譯碼性能調(diào)制：對加擾后的碼字進(jìn)行調(diào)制，生成復(fù)數(shù)值的調(diào)制符號；層映射：將復(fù)數(shù)調(diào)制符號影射到一個(gè)或多個(gè)發(fā)射層中；預(yù)編碼：對每個(gè)發(fā)射層中的復(fù)數(shù)調(diào)制符號進(jìn)行預(yù)編碼，并影射到相應(yīng)的天線端口；RE映射：將每個(gè)天線端口的復(fù)數(shù)調(diào)制符號影射到相應(yīng)的RE上；OFDM信號生成：每個(gè)天線端口信號生成OFDM信號。物理信道—上行物理信道調(diào)制方式PUCCHBPSK,QPSKPUSCHQPSK,16QAM,64QAMPRACHZadoff-Chu序列上行信道處理過程加擾：信息比特0、1隨機(jī)化，以利用信道編碼的譯碼性能調(diào)制：對加擾后的碼字進(jìn)行調(diào)制，生成復(fù)數(shù)值的調(diào)制符號；轉(zhuǎn)換預(yù)編碼：生成復(fù)數(shù)值的符號；就是DFT操作；RE映射：將復(fù)數(shù)符號影射到相應(yīng)的RE上；SC-FDMA信號生成：每個(gè)天線端口信號生成SC-FDMA信號。Charter1LTE背景介紹Charter2LTE網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及協(xié)議棧介紹Charter3LTE物理層結(jié)構(gòu)介紹Charter4TD-LTE/FDD-LTE比較內(nèi)容Charter4TD-LTE/FDD-LTE比較4.1TD-LTE/FDD-LTE技術(shù)比較4.2TD-LTE的優(yōu)缺點(diǎn)內(nèi)容ItemTD-LTELTEFDD信道帶寬配置靈活1.4M,3M,5M,10M,15M,20M1.4M,3M,5M,10M,15M,20M多址方式DL:OFDMUL:SC-FDMADL:OFDMUL:SC-FDMA編碼方式卷積碼,Turbo碼卷積碼,Turbo碼調(diào)制方式QPSK,16QAM,64QAMQPSK,16QAM,64QAM