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1、LTE/LTE-A基础 知识介绍,张平 北京邮电大学 2013年6月4日,目录,概述 网络架构 空中接口 MAC层介绍 物理层技术 物理层过程,2,2013-5-20,陆地移动通信标准发展,3,2011-9-30,3GPP组织结构,4,2013-5-20,LTE需求 (1/2),什么是LTE?UTRA的长期演进，Long Time Evolution 满足更低传输时延、提供更高用户传输速率、增加容量和覆盖、减少运营费用、优化网络架构、采用更大载波带宽，优化分组数据域业务传输 容量提升 峰值速率：下行100 Mbps，上行50 Mbps (20MHz带宽） 频谱效率：下行是HSDPA的3-4倍，
2、上行是HSUPA的2-3倍 覆盖增强 提高“小区边缘比特率”，5km满足最优容量，30km轻微下降， 支持100km的覆盖半径 质量优化 时延：用户面小于 5ms，控制面小于 100ms,5,2013-5-20,LTE需求 (2/2),移动性提高 015km/h性能最优，15120km/h高性能，支持120350km/h，甚至在某些频段支持 500 km/h 服务内容综合多样化 高性能的广播业务，MBMS，提高实时业务支持能力，VoIP达到UTRAN电路域性能 运维成本降低 扁平、简化的网络架构，降低运营维护成本,6,2013-5-20,从3G到LTE/LTE-A,LTE与3G技术的区别： 上
3、下行链路分别选择SC-FDMA和OFDMA无线接入方式 同时支持时域和频域的调度 提供点到点和点对多点传输的简单信道结构 简单的RRC状态模式（仅有RRC_CONNECTED和RRC_IDLE） 减少了传输信道的数量（无需专用信道） MAC功能简化,7,2013-5-20,LTE/LTE-A标准化进程,8,2004年底提出，2008年底完成,2008年底开始，2009年底完成,2008年初即提出概念，2011年年底完成,2013-5-20,LTE R8基本特点 (1/2),9,1、良好的抗衰落特性（每个子载波看成是多个平坦衰落的信道） 2、抗多径时延引起的码间干扰（CP的时间间隔长于信道的最大
4、时延扩展） 3、能够灵活地进行多用户调度 4、易实现（DFT快速算法的成熟）,1、相比于OFDMA具有较小的峰均功率比（PAPR），适用于功率较小的终端 2、LTE采用基于频域生成的单载波方法DFT扩展OFDM（DFT-S-OFDM） 作为具体实现方法,多址技术,2013-5-20,LTE R8基本特点 (2/2),10,MIMO技术在LTE中得到了充分了的利用，不仅收发的天线数明显增加，MIMO传输模式也更加丰富。 下行MIMO技术 空间复用 空间分集 波束赋型 空分多址 （多用户MIMO） 上行MIMO技术 上行传输天线选择 多用户MIMO,2013-5-20,LTE R9基本特点,11,
5、基于R8的增强,终端定位业务 （LoCation Service）,增强下行传输 （引入双流Beamforming）,增强的多媒体广播多播业务（MBMS）,家庭基站（Home eNodeB）功能增强,网络自优化（SON）,2013-5-20,LTE-A R10 R12基本特点,12,多个小区协同 为用户服务，能有效提高小区边缘的通信质量,增加一些新的 中继节点， 拉近天线和终端的距离,通过增加天线的数量以提高峰值频谱效率,通过对频域进行扩充，进一步 提高带宽,为了满足IMT-A的指标要求，LTE-A的提升和增强主要包括：,2013-5-20,TDD-LTE与FDD-LTE,13,2013-5-
6、20,TDD-LTE与FDD-LTE,FS 1_帧结构（FDD-LTE）,14,2013-5-20,TDD-LTE与FDD-LTE,基于TD-SCDMA帧结构设计，保留三个特殊时隙 DwPTS、GP、UpPTS可灵活配置，支持各种尺寸的小区，提供与各种上下行比例的TD-SCDMA的共存的可能性,FS 2_帧结构（TD-LTE）,15,2013-5-20,目录,概述 网络架构 空中接口 MAC层介绍 物理层技术 物理层过程,16,2013-5-20,LTE网络架构,17,2011-9-30,演进后的核心网EPC,演进后的接入网E-UTRAN,LTE网络架构,18,2011-9-30,演进后的核心
7、网EPC MME：移动性管理实体（Mobility Management Entity），EPC的控制面结点。处理UE和核心网间信令交互的控制节点。 S-GW：业务网关（Service Gateway），EPC和E-UTRAN之间的用户面结点。数据路由前传、移动锚点。用户IP包通过S-GW发送。 P-GW：分组数据网络网关（Packet Data Network Gateway），连接EPC和Internet。负责UE IP地址分配、数据包过滤和QoS保证。 HSS：本地子载波服务节点数据库（Home Subcarrier Service）。存储子载波的信息。,LTE网络架构,19,2011-
8、9-30,演进后的接入网E-UTRAN 扁平的RAN结构：取消了RNC，由eNB组成；eNB通过S1-U连接到S-GW，通过S1-C连接到MME，降低时延。eNB间通过X2接口进行连接,LTE网络架构,20,2011-9-30,eNB是E-UTRAN侧的S1接入点，MME或S-GW是EPC侧的S1接入点。,逻辑节点、功能实体和协议层之间的关系及功能划分,目录,概述 网络架构 空中接口 MAC层介绍 物理层技术 物理层过程,21,2013-5-20,LTE空中接口,22,2011-9-30,无线接口是指终端和接入网之间的接口，简称Uu接口，通常我们也称为空中接口。无线接口协议主要是用来建立、重配
9、置和释放各种无线承载业务的。（UE-eNB） 沿袭了承载和控制相分离的思想，S1接口也分为用户平面和控制平面。,控制面协议：控制无线业务的接入及 UE和网络间各方面的连接控制,用户面协议：实现无线承载业务 的接入和信令的接入,LTE空中接口,23,2011-9-30,控制面协议栈 NAS控制协议实体位于终端UE和移动管理实体MME内，主要负责对非接入层部分的控制和管理 RRC协议实体位于UE和eNB网络实体内，主要负责对接入层的控制和管理（广播、寻呼、RRC连接管理、无线承载控制、移动性管理等） PDCP完成对控制平面RRC协议数据的加解密和完整性保护功能 数据链路层和物理层提供对RRC消息的
10、数据传输功能,LTE空中接口,24,2011-9-30,用户面协议栈 PDCP完成对业务平面数据的加解密和完整性保护功能 物理层为数据链路层提供数据传输功能。物理层通过传输信道为MAC子层提供相应的服务 MAC子层通过逻辑信道向RLC子层提供相应的服务。RLC子层通过无线承载向上层提供相应的服务,LTE空中接口,25,2011-9-30,协议栈功能示意（用户平面）,LTE MAC架构,26,2011-9-30,LTE MAC功能,27,2011-9-30,eNB和UE中MAC实体共有的功能： 逻辑信道和传输信道的映射 复用：将来自逻辑信道的MAC SDU复用为传输块，通过传输信道传到物理层 解
11、复用：将传输信道上来自物理层的传输块解复用为逻辑信道上的MAC SDU HARQ实体 eNB和UE中MAC实体特有的功能： 用户无线资源分配：时域和频域、发射层数、天线数、发射功率 通过动态调度在UE之间的优先级处理 一个UE的逻辑信道优先级的处理 传输格式选择 UE中MAC实体特有的功能： 逻辑信道优先级控制 调度信息报告,TD-LTE MAC架构,28,2011-9-30,LTE MAC信道,29,2011-9-30,控制信道 BCCH：广播控制信道，传输广播的系统控制信息（D） PCCH：寻呼控制信道，传输寻呼信息和系统信息改变通知消息（D） 当网络侧没有终端所在小区信息时，使用该信道寻
12、呼终端 CCCH：公共控制信道，当终端和网络间没有RRC连接的时候，终端级别控制信息的传输使用该信道（D & U） DCCH：专用控制信道，用于终端和网络间存在RRC连接的时候专用控制信息的传输（D & U） MCCH：多播控制信道，用于UE接收MBMS业务时的控制信令使用（MP, D） 传输信道 DTCH：专用业务信道，针对单个用户的点到点的业务传输信道（D & U） MTCH：多播业务信道，用于UE接收MBMS业务时的传输信道（MP, D）,目录,概述 网络架构 空中接口 MAC层介绍 物理层技术 物理层过程,30,2013-5-20,Resource Block 频率上连续的12个子载波
13、， 时域上对应1个时隙。这是LTE里调度的最小单元。 Resource Element RB内各个时频单元，以（k,l）来表征，k为子载波，l为OFDM符号。 Resource Element Group 4个RE为一组，用于表征下行控制信道映射、交织等操作,31,2011-9-30,LTE 物理单元,LTE 多址技术 (1/3),传统FDM/FDMA技术 频分复用，将较宽的频带分成若干较窄的子载波进行并行发送 缺点：需要大量的独立的调制/解调器；频谱效率低 OFDM技术基本原理 利用IFFT/FFT实现了调制/解调的功能 通过实现子载波正交解决了频谱效率低的问题,32,2011-9-30,L
14、TE 多址技术 (2/3),下行多址方式 OFDMA OFDM技术优势 频谱效率高 带宽扩展性强 抗多径衰落：OFDM将宽带传输转化为很多子载波上的窄带传输，每个子载波上的信道可看作平坦衰落信道 频域调度和自适应：OFDM的子载波可灵活调度和分配；且根据不同频带特性自适应选择不同的调制编码方式 实现MIMO技术较简单 OFDM技术缺点 PAPR（峰均功率比）问题：OFDM将很多子载波的信号叠加在一起，当信号相位相同时，会引起很高的峰值功率 时间和频率同步问题,33,2011-9-30,LTE 多址技术 (3/3),上行多址方式 SC-FDMA 具有单载波特性，峰均功率比（PAPR）较低，降低了
15、对终端线性功放的需求 带宽灵活分配 可大量重用LTE下行技术,34,2011-9-30,LTE MIMO (1/6),MIMO多入多出： 提高信道容量及频谱利用率 利用多天线来抑制信道衰落,35,2011-9-30,传输分集 (Transmit Diversity, TD) 主要原理就是利用空间信道的弱相关性，结合时间/频率上的选择性，为信号的传递提供更多副本，提高信号传输的可靠性，从而改善接收信号的信噪比。 空间复用 (Spatial Multiplexing, SM) 也是利用空间信道的弱相关性，其主要原理是在多个相互独立的空间信道上传递不同的数据流，从而提高数据传输的峰值速率。但其性能却
16、很大程度受到天线空间相关性的影响，随着天线相关性的增大，性能有很大程度地恶化。 波束赋形 (Beamforming, BF) 一种应用于小间距天线阵列的多天线传输技术，其主要原理是利用空间信道强相关性，利用波的干涉原理产生强方向性的辐射图，使得辐射方向图的主瓣自适应地指向用户来波方向，从而提高信噪比，提高系统容量或覆盖范围。,SFBC - 空频编码 在相邻子载波上传输相互正交的符号 接收端利用正交性恢复信号,36,2011-9-30,LTE MIMO (2/6),CDD - 循环延时分集 目的：得到多径分集或频率分集 方法：人为制造信道的频率选择性 实现：对不同天线的同一频域符号乘以不同的相位偏移,37,2011-9-30,LTE MIMO (3/6),Beamforming 波束赋形 原理：利用空间信道强相关性对发送信号进行加权，使辐射方向图对准用户来波方向 只有相位加权，没有幅度加权 加权值由用户的位置决定，与快
