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1、LTE基本原理及关键技术,巴三此里,2019/10/18,了解LTE产生的背景及网络架构 掌握LTE物理层和物理层的基本过程 了解LTE空口关键技术,目 标,Charter 1 LTE背景介绍 Charter 2 LTE网络架构及协议栈介绍 Charter 3 LTE物理层结构介绍 Charter 4 TD-LTE/FDD-LTE比较,内 容,Charter 1 LTE背景介绍 1.1 LTE的概念 1.2 LTE设计目标 1.3 LTE的关键技术介绍,内 容,什么是LTE？ 长期演进LTE (Long Term Evolution)是3GPP主导的无线通信技术的演进 LTE与SAE是3GPP
2、当年的两大演进计划，LTE负责无线空口技术演进，SAE (System Architecture Evolution)负责整个网络架构的演进,什么是LTE，为什么需要LTE,为什么需要LTE？ 保持 3GPP与WIMAX/3GPP2的竞争优势 顺应宽带移动数据业务的发展需要 移动通信数据化，宽带化，IP化 高吞吐率 = 高频谱效率 + 大带宽 低时延 = 扁平化的网络架构,E-UTRAN: Evolved UMTS Terrestrial Radio Access Network，LTE的接入网 EPC： Evolved Package Core，LTE的核心网 EPS： Evolved Pa
3、cket System，演进的分组系统 EPS = E-UTRAN + EPC,狭义来讲： LTE=E-UTRAN, SAE = EPC,（概念难严格区分，理解就好）,LTE设计目标：三高、两低、一平,三高 高峰值速率(20MHz带宽）：下行100Mbps，上行50Mbps 高频谱效率：频谱效率是3G的35倍 高移动性：能为速度350km/h的用户提供100kbps的接入服务 两低 低时延：控制面时延小于100ms，用户面时延(单向)小于5ms 低成本：SON（自组织网络），支持多频段灵活配置（1.4MHz, 3MHz, 5MHz, 10Mhz, 15Mhz, 20MH） 一平 以分组域业务为
4、主要目标，系统在整体架构上是基于分组交换的扁平化结构,LTE关键技术与特性,LTE关键技术Overview,MIMO,OFDMA,LTE,SC-FDMA,64QAM,OFDM基本思想,OFDM：正交频分复用（ Orthogonal Frequency Division Multiplexing DL ） 多采用几个频率并行发送，以实现带宽的传输， OFDM系统中各个子载波相互交叠，相互正交，极大地提高了频谱利用率。,OFDM系统的主要优点,频谱利用率高 传统FDM是用滤波器把整个频带分割成互不重叠的子载波，子载波之间的保护频带很宽，OFDM允许子载波频谱交叠，从而提高频谱利用效率。 可利用FF
5、T实现调制解调 OFDM用IFFT和FFT实现信号的调制与解调，目前FFT易于用DSP或FPGA实现，比之用传统的滤波器实现容易，体积小。 受频率选择性衰落影响小 单个子载波信道是平坦的，而整个系统带宽是呈现频率选择性 由于无线信道的频率选择性衰落，不可能所有的子载波都处于比较深的衰落中，因此可以通过动态比特分配和动态子信道分配，充分利用信噪比高的子信道，提高系统性能。 抵抗窄带干扰 OFDM通过把高速串行数据映射到并行的多个子载波上，窄带干扰只能影响一部分子载波，接收端可以通过纠错译码恢复干扰引起的错误 。,OFDM系统的主要缺点,对频率偏差敏感 OFDM的子载波互相交叠，只有保证接收端精确
6、的频率取样才能避免子载波间干扰。无线终端移动引起的Doppler频移也会使接收端发生频率偏移，接收端本地振荡器与发射端的频率偏差也是一种频率偏移。频率偏移会引起子载波间干扰（ICI），对频率偏移敏感是OFDM的缺点之一。 较高的峰均比（PAPR） OFDM发送端输出信号是多个子载波相加的结果，目前应用的子载波数量从几十个到几千个，如果各个子载波同相位，相加后就会出现很大的幅值，即调制信号的动态范围很大，这对后级RF功率放大器提出了很高的要求。,OFDMA,LTE下行采用OFDMA多址技术，不同用户可以根据需要灵活地分配不同的时频资源,SC-FDMA,相比OFDMA，SC-FDMA降低了PAPR
7、（峰均值），降低终端的复杂度从而降低成本，延长待机时间 SC-FDMA采用频域实现的方式：DFT-S-OFDM 相比OFDMA，SC-FDMA多了一个DFT运算 这个DFT运算使得进行OFDM调制前的所有频域星座点都是UE所有发送数据的线性关系，相比频域星座点由独立的数据决定，降低了PAPR,实际上DFT-S-OFDM可以认为是一种特殊的多载波复用方式，其输出的信息同样具有多载波特性，但是由于其有别于OFDM的特殊处理，使其具有单载波复用相对较低的PAPR特性。,LTE上行采用SC-FDMA多址技术，即所谓的单载波FDMA技术,MIMO的主要模式,Transmission Diversity,
8、Space Multiplexing,分集模式 不同天线发射相同的数据，在弱信号条件下提高用户接收信号质量。,复用模式 不同天线发射不同数据，可以直接增加容量：2X2MIMO方式容量提升1倍。,多天线技术的优势,阵列增益 （Array gain） 分集增益 （Diversity gain） 空间复用增益 （Spatial multiplexing gain） 干扰抑制增益 （co-channel interference reduction）,改善系统覆盖 改善系统容量 提高峰值速率,提 高 频 谱 利 用 率,Beamforming,Beamforming是发射端对数据先加权再发送，形成窄的
9、发射波束，将能量对准目标用户，从而提高目标用户的解调信噪比 Beamforming可以获得阵列增益、分集增益和复用增益 依赖于具体的模式 LTE TDD可以利用上下行信道互易性估计下行信道信息 LTE TDD Beamforming需要进行通道校正 Beamforming邻区干扰信号是扰动的，类似探照灯效应,Charter 1 LTE背景介绍 Charter 2 LTE网络架构介绍 Charter 3 LTE物理层结构介绍 Charter 4 TD-LTE/FDD-LTE比较,内 容,Charter 2 LTE网络架构及协议栈介绍 2.1 LTE的网络架构 2.2 LTE的网元功能,内 容,系
10、统架构演进SAE（System Architecture Evolution），是为了实现LTE提出的目标而从整个系统架构上考虑的演进，主要包括： 接入网：扁平化，IP化，去掉RNC的物理实体，功能实体分解到基站和核心网元 大部分功能放在了E-NodeB，以减少时延和增强调度能力 少部分功能放在了核心网，加强移动性管理 核心网：用户面和控制面分离 原有SGSN实体分解为MME(控制面实体)和Gateway（用户面实体）,系统架构演进,LTE的接入网架构,LTE的主要网元 E-UTRAN(接入网)：e-NodeB组成 EPC(核心网)：MME，S-GW，P-GW LTE的网络接口 X2接口：e-
11、NodeB之间的接口，支持数据和信令的直接传输 S1接口：连接e-NodeB与核心网EPC的接口 S1-MME是e-NodeB连接MME的控制面接口 S1-U是e-NodeB连接S-GW 的用户面接口,与传统3G网络比较，LTE的网络结更加简单扁平，降低组网成本，增加组网灵活性，并能大大减少用户数据和控制信令的时延。,LTE的网元功能,e-NodeB的主要功能包括： 无线资源管理功能，即实现无线承载控制、无线许可控制和连接移动性控制，在上下行链路上完成UE上的动态资源分配（调度） 用户数据流的IP报头压缩和加密 UE附着状态时MME的选择 实现S-GW用户面数据的路由选择 执行由MME发起的寻
12、呼信息和广播信息的调度和传输 完成有关移动性配置和调度的测量和测量报告,MME的主要功能包括： NAS (Non-Access Stratum)非接入层信令的加密和完整性保护； AS (Access Stratum)接入层安全性控制、空闲状态移动性控制； EPS (Evolved Packet System)承载控制； 支持寻呼，切换，漫游，鉴权。,S-GW的主要功能包括： 分组数据路由及转发；移动性及切换支持；合法监听；计费。,P-GW的主要功能包括： 分组数据过滤；UE的IP地址分配；上下行计费及限速。,EPC: Evolved Packet Core MME: Mobility Mana
13、gement Entity S-GW: Serving Gateway P-GW: PDN Gateway,Charter 1 LTE背景介绍 Charter 2 LTE网络架构及协议栈 Charter 3 LTE物理层结构介绍 Charter 4 TD-LTE/FDD-LTE比较,内 容,Charter 3 LTE物理层结构介绍 3.1 LTE支持频段 3.2 无线帧结构 3.3 物理信道 3.4 物理层过程,内 容,LTE支持的双工模式/频段/带宽,支持三种双工模式： FDD，half-duplex FDD， 和TDD 支持多种频段 FDD系统从700MHz到2.6GHz TDD系统频点在
14、1900MHz2620MHz区间 支持多种带宽配置： 1.4MHz, 3MHz, 5MHz, 10MHz, 15MHz, 20MHz 协议还在更新中，部分频段的支持情况可能会有所变动,36.104协议,FDD模式支持频段,TDD模式支持频段,无线帧结构,LTE FDD与TDD均采用OFDM技术 子载波间隔均为f=15kHz 1 radio frame (无线帧) = 10ms 1 subframe (子帧) = 1ms 1 slot (时隙) = 0.5 ms =7（6）个符号 1 radio frame = 10 subframes = 20 slots,TD-LTE无线帧结构,TD-LTE
15、 10个子帧包括： 上行子帧，下行子帧，特殊子帧 特殊子帧包括： 下行导频时隙（DwPTS） 保护周期（GP ） 上行导频时隙（UpPTS）,TDD上下行子帧配比与特殊时隙配比,DL/UL子帧分配选项,LTE-TDD帧结构主要特点是上下行转换 上下行转换的子帧叫做特殊子帧 包括：DwPTS, GP, UpPTS,D: Downlink subframe U: Uplink subframe S: Special subframe,特殊子帧分配选项,LTE资源块基本概念,RE (Resource Element) 物理层资源的最小粒度 时域：1个OFDM符号，频域：1个子载波 RB（Resour
16、ce Block） 物理层数据传输的资源分配频域最小单位 时域：1个slot，频域：12个连续子载波(Subcarrier) CCE Control Channel Element 控制信道的资源单位 1 CCE = 9 REG (1 REG = 4 RE) 1 CCE = 36 RE,物理信道概述,信道映射关系,物理信道下行,下行信道处理过程 加扰：信息比特0、1随机化，以利用信道编码的译码性能 调制：对加扰后的码字进行调制，生成复数值的调制符号； 层映射：将复数调制符号影射到一个或多个发射层中； 预编码：对每个发射层中的复数调制符号进行预编码，并影射到相应的天线端口； RE映射：将每个天线端口的复数调制符号影射到相应的RE上； OFDM信号生成：每个天线端口信号生成OFDM信号。,物理信道上行,上行信道处理过程 加扰：信息比特0、1随机化，以利用信道编码的译码性能
