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1、2019/5/25,LTE原理,Page 2,Page 2,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,Page 3,Page 3,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 LTE层2结构介绍,内 容,Page 4,Page 4,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,Page 5,Page 5,什么是LTE？ 长期演进LTE (Long Term Evol
2、ution)是3GPP主导的无线通信技术的演进 LTE与SAE是3GPP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
3、Package Core，LTE的核心网 EPS： Evolved Packet 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）,Page 6,LTE设计目标,带宽灵活配置：支持1.25MHz-20MHz带宽 实际支持1.4MHz, 3MHz, 5MHz, 10Mhz, 15Mhz, 20MHz 峰值速率(20MHz带宽）：下行100Mbps，上行50Mbps 实际实现峰值速率比目标高 控制面时延小于100ms，用户面时延(单向)小于5ms 能为速度350km/h的用户提供100kbp
4、s的接入服务 支持增强型MBMS（E-MBMS） 取消CS域，CS域业务在PS域实现，如VOIP 支持与现有3GPP和非3GPP系统的互操作 系统结构简单化，低成本建网,3GPP的目标是打造新一代无线通信系统，超越现有无线接入能力，全面支撑高性能数据业务的，“确保在未来10年内领先”。,LTE关键组网技术与物理层关键技术,Page 8,LTE关键技术Overview,MIMO,OFDMA,LTE,SC-FDMA,64QAM,Page 9,Receiver,传统多载波,Page 10,传统多载波的缺陷 Requires filter bank Spectrally inefficient OFD
5、M 通过子载波交叠的方式提升频谱效率 正交性通过以下方式实现：,OFDM: Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM基本概念,Page 11,OFDM符号的调制,OFDM调制利用IFFT/FFT代替传统多载波的逐个载波调制解调,Page 12,保护间隔(Guard Interval)用于消除OFDM符号间的ISI (Inter-Symbol Interference) 保护间隔要大于信道的时延扩展 一般在保护间隔时间内填充Cyclic Prefix（CP，循环前缀），以保证子载波间的正交性,OFDM保护间隔,OFDM系统的主要优点,频谱利用
6、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FFT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。 减小ISI OFDM把高速串行数据变成低速并行数据传输，增加每个符号的周期长度，从而有效对抗无线信道的时延扩展，减小ISI。 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
7、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 。,Page14,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
8、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。,Page 15,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,Page 16,SC-FDMA,相比OFDMA，SC-FDMA降低了PAPR，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（下图） 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
9、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,Page17,MIMO系统的极限容量,MIMO (Multiple Input Multiple Output): 收发两端同时采用2天线为例 接收信号： 极限容量 ：,Page18,MIMO系统的极限容量的本质,MIMO信道容量的本质 等效于多个正交并行子信道,SVD分解,等价变换,为信道矩阵的奇异值，代表每个子信道衰落的幅度,Page19,M
10、IMO系统的极限容量与信道相关性,空间相关性越高，MIMO信道容量越小,Page 20,MIMO encoder and layer mapping,Need UE Feedback PMI,MIMO encoder and layer mapping,Not Need UE Feedback PMI,X,Transmission Diversity SFBC/Precoding Rank1,Space Multiplexing MCW/Precoding Rank2,Close-Loop MIMO Precoding Rank1/Rank2,Open-Loop MIMO SFBC/MCW,M
11、IMO的主要模式,Page 21,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,Page22,Beamforming,Beamforming是发射端对数据先加权再发送，形成窄的发射波束，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
12、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,Page 23,Page 23,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 LTE层2结构介绍,内 容,Page 24,Page 24,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 2.3 LTE的协议栈介绍,内 容,Page 25,Page 25,系统架构演进SAE（Syste
13、m 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,Page 26,Page 26,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：
14、e-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。,Page 27,Page 27,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
15、数据的路由选择 执行由MME发起的寻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
16、MME: Mobility Management Entity S-GW: Serving Gateway P-GW: PDN Gateway,Page 28,Page 28,LTE协议栈,LTE协议栈的两个面： 用户面协议栈：负责用户数目传输 控制面协议栈：负责系统信令传输 用户面的主要功能： 头压缩 加密 调度 ARQ/HARQ,用户面协议栈,控制面协议栈,控制面的主要功能： RLC和MAC层功能与用户面中的功能一致 PDCP层完成加密和完整性保护 RRC层完成广播，寻呼，RRC连接管理，资源控制，移动性管理，UE测量报告控制 NAS层完成核心网承载管理，鉴权及安全控制,Page 29,Page 29,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 LTE层2结构介绍,内 容,Page 30,Page 30,Charter 3 LTE物理层结构
