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1、TD-LTE及其技术演进,刘光毅研究院无线所Email: 2010-01-28,内容提要,宽带移动通信标准发展趋势TD-LTE关键技术和性能TD-LTE与TD-SCDMA TD-LTE的后续演进总结,移动通信标准发展趋势,2001-2006年,2007年,TD-HSPA+ DL:25.2MbpsUL:19.2Mbps,DL:100MbpsUL:50Mbps,HSPA+DL40MBps; UL10Mbps,2010年,2008年,2009年,Mobile WiMAX Wave115Mbps,EV-DO Rel. 0DL: 2.4MbpsUL:153.6kbps,cdma2000 1x 153.6
2、kbps,D0 Rel. ADL: 3.1MbpsUL: 1.8Mbps,Do Rev B（ 多载波 DO）DL：46.5MbpsUL: 27Mbps,GREAN600kbps,Mobile WiMAX Wave230Mbps,TD-HSDPA2.88.4Mbps,TD-HSUPA2.26.6Mbps,WCDMA384Kbps,HSDPA1.8/3.6Mbps,HSDPA7.2MbpsHSUPA1.45.8Mbps,GPRS/EDGE 200kbps,LTE-TDDDL:100MbpsUL:50Mbps,TD-LTE-A,16m100Mbps1Gbps,ITUIMT-Advanced(4G),
3、100Mbps1Gbps,LTE-A,B3G,LTEFDD,TDD技术演进,LCR,N频点,HSDPA,多载波HSDPA,HSUPA,MBMS,HSPA+,3GPP R4,3GPP R5,3GPP R6,3GPP R7,3GPP R8,3GPP的TDD标准演进,业务能力：单载波上行2.2Mbps,业务能力：单载波下行7.2Mbps,业务能力：三载波下行8.4Mbps,多媒体广播：下行最高384kbps,业务能力：单载波下行2.8Mbps,提升整网频谱效率,电路域可视电话分组域下行384kpbs,TD-LTE,业务能力：下行96Mbps，上行24Mbps,3GPP R10,TD-LTE-A,业务
4、能力：下行1Gbps,3GPP R9,eMBMS,增强多媒体广播：下行最高384kbps？,HeNB,双流BF,内容提要,宽带移动通信发展的趋势TD-LTE关键技术和性能TD-LTE与TD-SCDMA TD-LTE的后续演进总结,LTE背景和发展,2004年12月，研究项目(SI)立项，3GPP需要开发一套系统与WiMAX抗衡,2009年1月至今，R8的完善和进一步优化（R9）,LTE Long Term Evolution,2008年4月至今，LTE-A的Study Item,LTE概述(1),1.4MHz-20MHz 可变带宽,带宽需求,降低传输时延 用户面延迟（单 向）小于5ms 控制面
5、延迟小于 100ms,5km内的小区半径优化 5km到30km：可接受的 性能下降 支持100km范围的小区,传输时延,数据速率,覆盖范围,建网成本,更高的带宽，更大的容量更高的数据传输速率更低的传输时延更低的运营成本,对0到15km/h的低 速环境优化 对15到120km/h保 持高性能 对120到350甚至 500km/h保持连接,移动性支持,上行峰值速率50Mbps 下行峰值速率100Mbps 频谱效率达到3GPP R6 的2-4倍 提高小区边缘用户的数据 传输速率,8,Network Architecture,网络架构分组域支持传统的电路式业务，如VoIPLTE 网元EPC, Evol
6、ved Packet CoreeNodeBUE平坦的网络架构合并NodeB 和 RNC 为eNB，提供更低的控制和用户面时延,LTE概述(2),LTE系统物理层基础,双工方式,调制编码,多址方案,基本参数设计,基本参数系统架构,调制方式： 上行：BPSK、QPSK、8PSK和16QAM 下行 ：QPSK、16QAM、64QAM,FDD：抗干扰性更好，芯片成熟，支持更高移动速度TDD：不需对称频段，更好 的支持非对称的业务,下行：OFDMA频谱效率高，有效对抗多径上行：SC-FDMAPAPR较低，功放成本低,时隙长度为0.5ms,编码方式：Turbo,FDD与TDD参数统一,对延迟要求高,FDD
7、和TDD的差异主要来自于双工方式的差异主要存在于物理层，且相对于3G，差异进一步缩小（小于20）很方便FDD/TDD 双模和共芯片等,LTE物理层的关键技术,灵活的带宽分配OFDM技术克服多径，增加系统的可靠性；技术简洁，便于使用MIMO技术；MIMO技术显著提高传输速率和频谱利用率；,OFDM技术的发展历史,OFDM在高速调制器中的应用开始研究,OFDM 应用在高频军事系统,OFDM应用于宽带数据通信和广播等,OFDM应用于 802.11a, WiMAX, LTE,多址技术：OFDM,时域循环前缀，抑制多径引起的ISI频域分成多个子载波，与信道编码结合对抗多径衰落子载波相互正交，提高频谱利用
8、率时-频二维调度，提高系统性能可扩展带宽，充分利用不同带宽的频谱,含CP的OFDMA符号时域结构 含CP的OFDMA符号频域子载波结构,OFDM的高PAPR在上行链路的应用受到较大的限制功率效率和覆盖半径，终端功放的成本。,3GPP在上行链路采用单载波技术作为基本的传输方式，SC-FDMA低PAPR (Peak-to-average power ratio) 可以在有限的功率条件下获得更大的覆盖范围频域均衡使用CP可以压缩多径间的干扰,由于载波间正交性被破坏有一定的性能损失,多址技术:上行SC-FDMA,时域产生信号，M点DFT变换到频域,多址技术:上行SC-FDMA,SC-FDMA发射机结构
9、,Low PAPR,Low PAPR,High PAPR,每个子载波上的信号为M个符号的迭加,OFDMA与SC-FDMA性能比较,假设:指数衰减信道性能: 在达到目标PER时(0.1或0.01)，OFDMA比 SC-FDMA好3dB原因: 频选衰落，使SC-FDMA的正交性被破坏结论: OFDMA有更好的链路性能,宽带信道的时间和频域选择性,OFDM中的自适应调制,32QAM, 5 bit/s/Hz,16QAM, 4 bit/s/Hz,8QAM, 3 bit/s/Hz,QPSK, 2 bit/s/Hz,BPSK, 1 bit/s/Hz,Threshold Levels,SNR dB,BPSK,
10、8QAM,16QAM,QPSK,time,Excess SNR,功率控制向速率控制的转变！,频域多用户调度和分集增益,信道容量分析（1/2）,容量公式：,信道容量分析（2/2）,容量公式：,增加带宽,提高信噪比,增加信道数,MIMO技术的发展历史,利用有限的频谱资源，在空间上开发，提高频谱利用率,MIMO系统收发端结构,MIMO（Multiple-Input Multiple-Output）,实现多路数据流并行发送，获得空间复用增益，提高传输的有效性 实现多个子信道信号的有效合并，获得空间分集增益，提高传输的可靠性,MIMO信道容量分析,不同天线数目下，Shannon容量与SNR曲线,M：发射
11、天线数N：接收天线数,信息论已经证明：当不同的接收天线和不同的发射天线之间互不相关时，MIMO的容量与收发两端的最小天线数成正比。MIMO系统能够很好的提高系统的抗衰落和抗噪声性能，从而获得巨大的容量,MIMO的理论容量上限：CSIT vs.CSIR,CSIT: 发送端已知信道信息;CSIR: 接收端已知信道信息;,MIMO技术的分类,MIMO,LTE系统支持的MIMO模式,基于码本和公共导频,波束赋型Beamforming,复用Precoding,主要用于中低速的业务信道,基于非码本和DRS,主要用于中低速的业务信道,LTE系统中的MIMO方案,提高可靠性的分集（1/2）,分集技术,空间分集
12、：利用多根天线在不同的位置上发送和接收相同的信息，在空间域内提供信号的副本。为了保证多个发送或多个接收信号副本所经历的衰落独立，要求各根天线之间的距离足够大。,频率分集：通过在不同的载波频率上发送相同信息，在频率域内提供多个信号的副本。,时间分集：即在多个不同的时隙上传输相同的信息，在时间域内提供多个信号的副本。,提高可靠性的分集（2/2),开环MIMO-STBC/SFBC提高可靠性：同一信息经过正交编码后从两根天线或多根天线（STBC）或者多个频率（SFBC）上发送出去,FDD的MIMO方案Precoding,基于码本的precoding,接收端根据信道估计得到的信道信息；按照某种准则从码本
13、中选取最优的预编码码字；然后将该码字的序号反馈给发射端；发射端根据反馈的序号从码本中选取相应的预编码码字进行预编码操作。,TDD的的Beamforming(1/2),利用信道的互易性（基于上行的SRS，eNB获得基站下行传输的CSI（信道状态信息），生成下行发送加权向量，通过调整各天线阵元上发送信号的权值，产生空间定向波束，将无线电信号导向期望的方向,TDD的的Beamforming（2/2）,Beamforming:主波束自适应地跟踪用户主信号到达方向旁瓣或零陷对准干扰信号到达方向,Beamforming在移动通信系统的应用：扩大系统的覆盖区域； 提高系统容量； 提高频谱利用效率； 降低基站
14、发射功率，节省系统 成本，减少信号间干扰与电磁环境污染,充分高效利用移动用户信号并删除或抑制干扰信号,预编码与波束赋形的对比,适用于FDD模式,适用于TDD模式,Beamforming 对覆盖性能的提升,Beamforming可以大大改善小区边缘的覆盖,Bps/Hz,比较LTE相对于HSPA，频谱效率提升23倍；基于TDD优化，TD-LTE的性能可以进一步提高30。基于R9的进一步优化和SDMA，TD-LTE的性能可进一步提升70。,LTE与3G的综合性能比较,LTE vs.WiMAX vs. UMB,TD-LTE的帧结构,UpPTS进一步优化设计，从分利用TDD的信道的互易性短 RACH，降
15、低开销Sounding RS获得TDD信道互易性，支持Beamforming灵活的GP 设置，可以最小化GP的开销，同时支持不同的覆盖半径110个 OFDM符号大小的GP， 最大可以支持100Km的覆盖半径灵活的上下行时隙配比，可以支持非对称业务和其它业务应用等 7 个DL/UL配置比例: 3/1, 2/2, 1/3, 6/3, 7/2, 8/1, 4/5更有利于FDD/TDD双模芯片和终端的实现,内容提要,宽带移动通信发展的趋势TD-LTE关键技术和性能TD-LTE与TD-SCDMA TD-LTE的后续演进总结,TD-LTE,3G/TD-LTE关键技术比较汇总,CDMA/TDMA,更高的频谱利用率更加简单的接收机,OFDMA/SC-FDMA,SIMO/智能天线,提高传输速率,
