TDLTE原理與關鍵技術A.ppt

,支持4G網絡的手機：三星GALAXYS4，國際雙模版支持FDD-LTE，TDD-LTE。蘋果iPhone5S（移動版）聯想VIBEZ酷派8736金立E7LHTCOneLGNexus5,課程內容安排,1.TD-LTE概述-演進過程-概念-關鍵技術介紹2.LTE網絡架構及協(xié)議棧介紹-網絡架構-網元功能-協(xié)議棧介紹3.LTE物理層結構介紹-無線幀結構-物理信道-物理信號-物理層過程,GPRS：通用分組無線服務技術，是一種高速數據處理的技術，通過分組形式傳送資料給用戶，避免斷線。,EDGE：增強型數據速率GSM演進技術，是一種從GSM到3G的過渡技術，采用了8PSK（8進制移相鍵控調制）,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制,什么是LTE？長期演進LTE(LongTermEvolution)是3GPP主導的無線通信技術的演進LTE與SAE（系統(tǒng)架構演進）是3GPP當年的兩大演進計劃，LTE負責無線空口技術演進，SAE(SystemArchitectureEvolution)負責整個網絡架構的演進,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（全球微波互聯接入）的競爭優(yōu)勢順應寬帶移動數據業(yè)務的發(fā)展需要移動通信數據化，寬帶化，IP化高吞吐率=高頻譜效率+大帶寬低時延=扁平化的網絡架構,E-UTRAN:EvolvedUMTSTerrestrialRadioAccessNetwork，LTE的接入網EPC：EvolvedPackageCore，LTE的核心網EPS：EvolvedPacketSystem，演進的分組系統(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,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：,保護間隔(GuardInterval)用于消除OFDM符號間的ISI(Inter-SymbolInterference，符號間干擾)保護間隔要大于信道的時延擴展一般在保護間隔時間內填充CyclicPrefix（CP，循環(huán)前綴），以保證子載波間的正交性,OFDM保護間隔,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實現調制解調OFDM用IFFT和FFT實現信號的調制與解調，目前FFT易于用DSP或FPGA實現，比之用傳統(tǒng)的濾波器實現容易，體積小。減小ISIOFDM把高速串行數據變成低速并行數據傳輸，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通過把高速串行數據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果，目前應用的子載波數量從幾十個到幾千個，如果各個子載波同相位，相加后就會出現很大的幅值，即調制信號的動態(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，不同用戶可以根據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，降低終端的復雜度從而降低成本，延長待機時間SC-FDMA采用頻域實現的方式：DFT-S-OFDM（下圖）相比OFDMA，SC-FDMA多了一個DFT運算這個DFT運算使得進行OFDM調制前的所有頻域星座點都是UE所有發(fā)送數據的線性關系，相比頻域星座點由獨立的數據決定，降低了PAPR,實際上DFT-S-OFDM可以認為是一種特殊的多載波復用方式，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，使其具有單載波復用相對較低的PAPR特性。,LTE上行采用SC-FDMA多址技術，即所謂的單載波頻分多址接入（FDMA）技術,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,多天線技術的優(yōu)勢,陣列增益（Arraygain）分集增益（Diversitygain）空間復用增益（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網絡架構及協(xié)議棧,2.1LTE的網絡架構2.2LTE的網元功能2.3LTE的協(xié)議棧介紹,系統(tǒng)架構演進SAE（SystemArchitectureEvolution），是為了實現LTE提出的目標而從整個系統(tǒng)架構上考慮的演進，主要包括：接入網：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元大部分功能放在了E-NodeB，以減少時延和增強調度能力少部分功能放在了核心網，加強移動性管理核心網：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)架構演進,31,LTE的接入網架構,LTE的主要網元E-UTRAN(接入網)：e-NodeB組成EPC(核心網)：MME，S-GW，P-GWLTE的網絡接口X2接口：e-NodeB之間的接口，支持數據和信令的直接傳輸S1接口：連接e-NodeB與核心網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網絡比較，LTE的網絡結更加簡單扁平，降低組網成本，增加組網靈活性，并能大大減少用戶數據和控制信令的時延。,32,LTE網元實體及接口,網元實體：TD-LTE系統(tǒng)由3部分組成-演進的分組核心網（EvolvedPacketCore，EPC）LTE3000詳見參考書目-接入網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，承擔基站的基帶處理部分功能）和RRU（射頻拉遠單元，承擔基站的射頻處理部分功能）分成兩部分，各自安裝，分開放置，通過光纖進行連接。-用戶設備UE（UserEquipment）,網元實體,核心網EPC由MME、S-GW、P-GW及PCRF等網元組成，能夠將UE接入到外部PDN來完成分組數據業(yè)務，并實施計費。-MME（MobilityManagementEntity，移動性管理實體）負責信令處理部分-S-GW（ServingGateway，服務網關）負責本地網絡用戶數據處理-P-GW（PDNGateway，分組數據網關）負責用戶數據包與其它網絡的處理演進的接入網（E-UTRAN）：由eNodeB構成,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據包轉發(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，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、數據鏈路層和網絡層，兩面是指控制面和用戶面。數據鏈路層MAC(MediumAccessControl,媒體接入控制)RLC（RadioLinkControl，無線鏈路控制）PDCP（PacketDataConvergenceProtocol，分組數據匯聚協(xié)議）數據鏈路層同時位于控制平面和用戶平面：控制面負責無線承載信令的傳輸、加密和完整性保護。在用戶面負責用戶業(yè)務數據的傳輸和加密。網絡層RRC（RadioResourceControl，無線資源控制）網絡層位于無線接入網的控制平面，負責完成接入網和終端之間交互的所有信令處理。,LTE的網元功能,e-NodeB的主要功能包括：無線資源管理功能，即實現無線承載控制、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（調度）用戶數據流的IP報頭壓縮和加密UE附著狀態(tài)時MME的選擇實現S-GW用戶面數據的路由選擇執(zhí)行由MME發(fā)起的尋呼信息和廣播信息的調度和傳輸完成有關移動性配置和調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；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。,S-GW的主要功能包括：分組數據路由及轉發(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：分組數據過濾；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：負責用戶數目傳輸控制面協(xié)議棧：負責系統(tǒng)信令傳輸用戶面的主要功能：頭壓縮加密調度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層完成核心網承載管理，鑒權及安全控制,控制面協(xié)議棧,LTE物理層結構,LTE支持頻段無線幀結構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,無線幀結構,LTEFDD與TDD均采用OFDM技術子載波間隔均為f=15kHzLTE共支持兩種無線幀結構類型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類型無線幀結構,每個slot包含的OFDM符號數由CP類型決定,48,下行導頻時隙,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的服務，其中物理層提供的服務通過傳輸信道來描述。1.下行傳輸信道類型：廣播信道（BroadcastCHannel，BCH）采用固定的預定義傳輸格式，且能夠在整個小區(qū)覆蓋區(qū)域內廣播。下行共享信道（DownlinkSharedCHannel，DL-SCH），使用HARQ（混合自動重傳請求）傳輸，能夠調整傳輸使用的調制方式/編碼速率和發(fā)送功率來實現鏈路自適應，能夠在整個小區(qū)內發(fā)送或使用波束賦形發(fā)送，支持動態(tài)或半靜態(tài)的調度方式。,尋呼信道（PagingCHannel，PCH）支持終端非連續(xù)接收（由網絡配置給終端），且能在整個小區(qū)覆蓋區(qū)域內傳輸。多播信道（MulticastCHannel，MCH）能在整個覆蓋區(qū)內傳輸，支持半靜態(tài)調度方式。所謂的半靜態(tài)調度方式：是指在LTE的調度傳輸過程中，eNB在初始調度通過PDCCH（物理下行控制信道）指示UE當前的調度信息，UE識別是半靜態(tài)調度，則保存當前的調度信息，每隔固定的周期在相同的時頻資源位置上進行該業(yè)務數據的發(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調制方式/編碼速率/發(fā)送功率的調整，支持HARQ傳輸，采用動態(tài)或半靜態(tài)調度方式。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下行數據傳輸涉及的物理信道PCFICH-PDCCH-PDSCH-PUCCH上行數據傳輸涉及的物理信道PCFICH-PDCCH-PUSCH-PHICH,無線幀結構：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CP本質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幀結構主要特點是上下行轉換上下行轉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）物理層數據傳輸的資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物理層數據傳輸調度的時域基本單位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下行數據傳輸涉及的物理信道PCFICH-PDCCH-PDSCH-PUCCH上行數據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實現與E-UTRAN下行時頻同步并獲取服務小區(qū)ID的過程。小區(qū)搜索分兩個步驟：第一步：UE解調主同步信號（PSS），實現符號同步，并獲取小區(qū)組內ID；第二步：UE解調次同步信號(SSS)，實現幀同步，并獲取CP長度和小區(qū)組ID，結合小區(qū)組內ID，最終獲得小區(qū)的PCI,UE從上電開始的完整搜索過程：UE上電后開始進行初始化小區(qū)搜索，搜尋網絡。一般而言，UE第一次開機時并不知道網絡的帶寬和頻點。UE會重復基本的小區(qū)搜索過程，遍歷整個頻譜的各個頻點嘗試解調同步信號。這個過程耗時，但一般對此的時間要求并不嚴格?？梢酝ㄟ^一些方法縮短以后的UE初始化時間，如UE儲存以前的可用網絡信息，開機后優(yōu)先搜索這些網絡、頻點。一旦UE搜尋到可用網絡并與網絡實現時頻同步，獲得服務小區(qū)ID，即完成小區(qū)搜索后，UE將解調下行廣播信道PBCH，獲取系統(tǒng)帶寬、發(fā)射天線數等系統(tǒng)信息。UE接收PBCH后，還要接收在PDSCH上傳輸的系統(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實現上行時頻同步的過程。隨機接入前，物理層應該從高層接收到下面的信息：隨機接入信道PRACH參數：PRACH配置，頻域位置，前導（preamble）格式等；小區(qū)使用preamble根序列及其循環(huán)位移參數，以解調隨機接入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。,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目標接收功率，相關的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；在高層設置的時間窗內，UE嘗試偵測以其RA-RNTI標識的下行控制信道PDCCH。如果偵測到，則相應的下行共享信道PDSCH則傳往高層，高層從共享信道中解析出20位的響應信息。,隨機接入信道,隨機接入前導,下行控制信道,隨機接入響應,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