无线通信基础与应用PPT课件(共13章)第12章-4G-LTE

第十二章 4G LTE简介4G LTE简介01概述02整体架构03LTE空口协议栈04物理传输资源05下行同步06上行同步07物理层：PDSCH个例学习08多天线技术概述为了满足高速率数据传输的要求，第三代合作组织（The Third Generation Partnership Project，3GPP）于2004年启动了长期演进（Long Term Evolution，LTE）项目。2005年10月，国际电信联盟ITU将第四代移动通信系统（以下简称4G）正式命名为IMT-Advanced，IMT的全称是International Mobile Telecommunications，Advanced则是相对于3G（其正式名称为IMT-2000）而言的，IMT-Advanced的设计目标是低速移动、热点覆盖下峰值速率为1Gbps，高速移动广域覆盖条件下达到100Mbps。12.1 概述概述2008年12月，LTE的第一个版本，即Release 8（以下简称R8）冻结，R8的下行峰值速度为100Mbps，上行峰值速率为50Mbps，并未达到IMT-Advanced规定的4G性能指标，所以此版本也称为3.9G。此后LTE继续升级演进，2011年正式发布了R10，这个版本完全达到了IMT-Advanced的设计目标，是一个真正意义上的4G系统，为了体现这一点，3GPP把LTE R10之后的系统更名为LTE-Advanced，简称LTE-A。2010年10月，ITU正式批准将两种技术包含在IMT-Advanced的首个版本之中，其中一个就是LTE-Advanced，另一个是WirelessMAN-Advanced。2013年12月4日，我国工业和信息化部正式向三大运营商发布4G牌照，中国移动、中国电信和中国联通均获得TDD-LTE牌照，意味着LTE在中国正式商用；2015年2月27日，中国电信和中国联通还获得了FDD-LTE牌照。整体架构12.2 整体架构01LTE的版本与技术规范02LTE的关键技术整体架构任何一个移动通信系统，都至少由无线接入网（Radio Access Network，RAN）和核心网（Core Network，CN）两大部分组成，基站与基站构成的网络称为RAN，基站与无线终端之间的通信接口称为空中接口，RAN的主要任务是通过空中接口向用户设备（User Equipment，UE）提供无线接入服务。为了给每个UE提供无缝覆盖和无中断服务，实现UE到其他网内或网外用户的端到端通信，所有基站必须相互协同配合，这就需要使用CN将所有基站管理起来，CN包括若干控制面/用户面实体，其功能包括认证、计费、移动性管理、基站到其他通信网络（例如互联网）之间数据通路、基站之间数据通路等。多个不同的RAN可以通过同一个CN实现互联互通，CN与RAN之间的连接称为回传（Backhaul），回传通常是通过有线承载网完成的，但是对于恶劣环境或者应急抢险场景，也可以使用微波链路实现回传。整体架构基于ITU提出的4G建设要求，3GPP针对RAN和CN设立了两个工作项目（Work Item），分别为长期演进LTE（Long Term Evolution）和系统架构演进SAE（System Architecture Evolution），其中SAE是CN网络架构向4G演进的工作项目，而LTE则是RAN向4G演进的工作项目。SAE和LTE的研究内容分别是演进的分组核心网（Evolved Packet Core，EPC）和演进的通用陆地无线接入网（Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network，E-UTRAN），E-UTRAN和EPC合起来称为演进的分组系统（Evolved Packet System，EPS），也就是4G系统。左图给出了4G系统整体架构。图12.1 4G系统整体架构（引自TS36.300）整体架构图中的EPC是全IP化网络，仅支持分组交换（与EPC不同，第2，3代移动通信系统的核心网都是支持电路交换的），包含移动性管理实体（Mobility Management Entity，MME）、服务网关（Serving Gateway，S-GW）以及分组数据网络网关（Packet Data Network Gateway，P-GW)等若干不同类型的功能节点，这些功能节点可以同机部署，也可以部署在不同的机器上。其中MME负责EPC的控制面功能，包括用户上下文和移动状态管理等，MME相当于4G网络的管家，既要管理各个基站，也要管理每个用户。S-GW负责EPC的用户面功能，包括用户面数据的路由和转发、以及越区切换时用户面数据的切换等；P-GW实现EPC与互联网的互通，还负责给网内的用户分配IP地址等。S-GW和P-GW往往同机部署，合称为SPGW。此外EPC还包含负责计费与策略的PCRF、保存签约用户数据库的HSS等节点。整体架构RAN中只有一类节点，即基站（evolved Node B，eNB），一方面，eNB通过空口协议栈（RRC/PDCP/RLC/MAC/PHY）管理和调度小区内的UE，12.3节重点讨论了空口协议栈；另一方面，eNB通过S1接口与EPC相连，S1接口分为控制面接口S1-c和用户面接口S1-u。以上行数据为例，UE发出的上行数据最终到达eNB空口协议栈的PDCP层，分离出信令和数据流，其中数据流通过S1-u接口经由S-GW/P-GW路由至正确目标网络；信令流则交给eNB控制面最高层RRC，RRC层处理后决定是否进一步通过S1-c接口与MME通信，完成UE与MME的互通，从而实现UE入网注册等控制面功能。因此eNB与MME之间传递两类信息，一是eNB和MME之间用于完成移动性管理、无线资源管理的消息；一是终端与MME之间的非接入层（None Access Stratum，NAS）消息，NAS消息包括入网注册、承载管理、服务请求等，eNB既不识别也不修改此类消息，只是简单地中转透传。此外eNB还通过X2接口与其他eNB通信，支持eNB之间数据和控制信息的直接传输，X2接口可用于快速小区切换。LTE的版本与技术规范2008年12月R8冻结，这是LTE的第一版协议，此版本并未达到ITU规定的4G性能指标，所以此版本也称为3.9G。LTE相比3G网络有以下特征：高峰值吞吐率，高频谱效率，简化网络架构和全IP网络架构等。2011年6月R10发布，主要添加以下功能：进一步增加MIMO天线数，中继节点，增强型小区间干扰协调，载波聚合和异构网络等。对性能提升较大的是增加MIMO天线数和载波聚合。这个版本达到了ITU-R提出的4G性能指标（IMT-Advanced），可以称为真正的4G系统。为体现这一点，3GPP把R10之后的系统更名为LTE-Advanced，简称LTE-A。2016年3月发布了R13，该版本又称为LTE Advanced Pro，俗称4.5G，即向5G过渡的意义。主要对载波聚合、机器类通信、室内定位、MIMO和多用户叠加编码等进行增强。图 12 2分别给出了LTE、LTE Advanced和LTE Advanced Pro三个系统的徽标，特别是LTE Advanced Pro将代表无线电波的图样从红色改为绿色，说明其对能耗的重点关注。2019年6月R15全面冻结，R15是第一个5G规范，标志着3GPP工作重心全面转移到了5G系统，R15同时也对LTE做了改进，重点包括1024QAM高阶调制、增强型V2X等。12.2.1 LTE的版本与技术规范LTE的关键技术OFDM技术技术LTE下行和上行分别采用OFDM和DFTS-OFDM调制方案，相应地多址方式为OFDMA/SC-FDMA，除了能够很好地对抗频率选择性衰落之外，两者都可以灵活地提供时频多址，可以将不同的用户信息安排在不同的时间和不同的子载波上传输，最后OFDM技术可以很自然地与多天线技术相结合，提供更高的系统容量。R8中SC-FDMA要求用户必须使用连续子载波，R10开始支持更为灵活的分簇SC-FDMA，允许使用不连续的子载波。灵活使用频谱灵活使用频谱LTE可以支持FDD或TDD两种双工方式，R8支持1.4/3/5/10/15/20MHz多种带宽配置。R10中进一步引入载波聚合（Carrier Aggregation，CA）技术，CA将R8的带宽看作一个载波单元（Component Carriers,CC），允许将多个CC聚合在一起实现更高的带宽，不同的CC在频谱上可以是连续的，也可以是分散的，从而更好地利用碎片化的频谱；R10支持最大5个CC，总带宽最大可达100MHz。R13开始最大支持32个CC，总带宽达到了640MHz。12.2.2 LTE的关键技术LTE的关键技术多天线技术多天线技术多天线技术是达成4G性能指标的关键技术，主要有以下几种应用形式：多副接收天线可用于接收分集，有效抑制衰落，在上行链路中该技术早已广泛使用，实际上除经典的接收分集技术，多副接收天线还可用来抑制干扰以获得额外增益，具体可以参考9.2.1节。基站使用多天线实现发射分集（9.2.2节）或波束赋形（9.4节），波束赋形可以提高接收SINR，最终提升系统容量和覆盖能力。收发两端同时使用多天线实现空间复用（9.3节），即MIMO，通过多个并行信道来提高传输速率，获得空间复用增益；如果进一步结合多用户MIMO技术（9.5节），多个终端甚至可以在相同的时频资源上同时传输数据从而进一步提高系统容量。LTE的关键技术自适应调制编码自适应调制编码针对上下行业务数据，R8支持每个子载波上自适应使用QPSK、16QAM、64QAM三种调制方式以及不同的编码冗余。当需要给某个终端发送下行数据或者某个终端需要发送上行数据时，LTE允许依据该终端的下行或上行信道条件，自适应地为其分配合适的时频资源、调制阶数、编码冗余等，例如针对信道条件非常好的终端，在为其分配的子载波上使用高阶调制和较少的编码冗余；针对信道条件比较差的终端，则使用低阶调制和较多的编码冗余。R12起下行支持256QAM，R15起下行支持1024QAM。当然前提条件是基站必须能够获知UE的信道特性，LTE的FDD体制中UE通过测量下行参考信号来得到下行信道特性并将其上报给基站，TDD体制中基站可以基于信道互易原理直接获得UE的信道特性。LTE的关键技术小区间干扰协调（小区间干扰协调（Iinter-Cell Interference Coordination，ICIC）为了提高频谱效率，LTE允许单小区频率复用，即相邻小区可以使用相同的频率，而且LTE的基本控制信道被设计为能够容忍较低的SINR，从而应对复用因子为1可能导致的强同频干扰。但是在相邻小区交界处的终端或者宏/微小区重叠覆盖下的终端还是可能经历较高的同频干扰，从而难以保证高速通信。在R8中使用ICIC技术解决上述问题，ICIC的目标是避免多个小区在交界处给用户分配相同的子载波，从而避免最差的干扰情况，以提高系统性能，特别是小区边缘用户的性能。要达到这一目标，eNB之间可以通过X2接口相互传输干扰和调度相关的信息，从而帮助eNB相互协调使用频率资源。R10进一步提出了增强的ICIC，即eICIC，从时域上协调干扰，做法是将下行子帧分为不含任何用户数据的ABS（Almost Blank Subframe）子帧和包含用户数据的非ABS子帧，相互干扰的小区不能同时发送非ABS子帧，由于ABS子帧不包含任何用户数据，因此可以非常低的功率发射，从而在时间上错开干扰。R11进一步引入了FeICIC技术，允许在ABS子帧上以很小的功率为信道条件较好的终端提供数据调度或数据传输。LTE的关键技术HARQLTE在物理层使用HARQ技术，当传输出错时自动发起重传请求，尽早解决差错对性能的影响，HARQ采用增量冗余，即每次重传都允许发送数据的不同冗余版本，接收端可以利用多次接收到的差错数据合并译码，降低误块率。中继（中继（Relaying）处于信号