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1、NPC Confidential新邮通信2010.03LTE 技术及仿真性能NPC ConfidentialLTE的演进过程LTE中物理层引入的新技术LTE物理层规范LTE链路及系统仿真性能介绍LTE链路预算介绍LTE频点规划2目录NPC Confidential什么是LTE到底什么是LTE呢？LTE (Long Term Evolution)是3GPP组织在UMTS演进过程中的项目名；是当前一种新的空中接口的演进发展；可以与UMTS的其它演进如HSDPA和HSUPA相共存；LTE的还有其它名字吗？Evolved UTRA(E-UTRA)/Evolved UTRAN (E-UTRAN)Evol
2、ved UMTS Terrestrial Radio AccessEvolved UMTS Terrestrial Radio Access Network其它相关的名字:3.9G, Super 3G, HSOPA (Evolution of HSDPA/HSUPA with OFDM)；一些相关未有进入标准化的名字LTE核心网的名字:通常我们称其为SAE (System Architecture Evolution)。4NPC Confidential无线通信标准组织的演进特点能力接入方式FDD和TDD都有自己的帧结构可变化的带宽1.4，3，5，10，15，20MHz 所有的带宽都可以被FD
3、D和TDD所支持基本的UE能力20MHz UL/DL，2接收1发送天线用户的数据速率下行172.8Mbps，上行86.4Mbps在20MHz带宽(2x2 DL SU-MIMO和非MIMO 64QAM UL)下行传输技术OFDM技术+QPSK,16QAM, 64QAM上行传输技术SC-FDMA技术+ QPSK, 16QAM, 64QAM下行多天线技术开环发送分集；4x2, 2x2, 1x2,1x1单用户MIMO最大可支持4x4上行多天线技术开环发送分集，2x2 MU-MIMO5NPC ConfidentialLTE 的主要特征(优势)协议代号内容TS 36.1xx设备需求: 终端、基站等等.TS
4、 36.2xx物理层相关.TS 36.3xx层2和层3: MAC层(Medium access control), 无线链路和资源管理 (radio linkcontrol, and radio resource control)TS 36.4xx网络架构及BS和移动性管理管理 (base stations and mobile management entities)TS 36.5xx一致性测试(Conformance testing)NPC ConfidentialLTE介绍：LTE演进过程定义:LTE = Long Term Evolution：长期演进版；3GPP的一个标准， 很多运营
5、商参与标准的制定；LTE 标准的演进历史Release-8: 从2004年开始讨论，到2008年3月基本冻结；Release-9: R-8的一些补充，以及新功能的引入；Release-10: 主要特征是 LTE-Advance、(4G)；所有资料均可获取从官方网站 http:/www.3gpp.org/ftp/NPC ConfidentialLTE 的后续演进4G、LTE-Advanced的后续技术：更宽的带宽足以达到10MHz(多个20MHz的汇聚，如下图)；上行的MIMO技术扩展(同一设备两个发送天线)；下行的MIMO技术扩展(能够支持8x8场景)；CoMP (Coordinated mu
6、ltipoint transmission)技术应用，通过协同调度或者联合传输在多个不同的Cell site，以提高系统容量和小区边缘速率；名称IMT-Adv要求LTE-Adv后期目标下行峰值速率1Gbps上行峰值速率500Mbps频谱宽度大于 40MHz大于100MHz用户面时延10ms10ms控制平面时延100ms50ms下行峰值频谱效率15bps/Hz30bps/Hz上行峰值频谱效率6.75bps/Hz15bps/Hz下行平均频谱效率2.2bps/Hz2.6bps/Hz上行平均频谱效率1.4bps/Hz2.0bps/Hz下行小区边缘频谱效率0.06bps/Hz0.09bps/Hz下行小区
7、边缘频谱效率0.03bps/Hz0.07bps/HNPC ConfidentialLTE 的后续演进IMT-Advanced要求和LTE-A的未来目标规划：NPC ConfidentialLTE 的后续演进LTE-A的目标与LTE的性能比较：NPC ConfidentialLTE的演进过程LTE中物理层引入的新技术LTE物理层规范LTE链路及系统仿真性能介绍LTE链路预算介绍LTE频点规划10目录单载波传统多载波(FDM)优势实现复杂不高，更不需要过多的模拟器件，很容易在数字器件中实现。每个信号在频率上区分，时间上将持续较长时间，窄带系统特性，大大降低多径和ISI的问题，信道均衡十分简单。缺点
8、受散射信号数量影响较大，很容易由被多径产生ISI问题，抗拒多径的均衡方法将导致复杂度大大增加，因此理论上更适合于窄带系统。传统多载波调制是通过模拟混频器调制到不同频点上的，因此将大大增加模拟器件成本。NPC ConfidentialLTE引进新技术介绍 I：OFDMNPC ConfidentialLTE引进新技术介绍 I：OFDM现代无线通信系统中的多径问题：当前现代民用通信系统中高速移动和多径信号散射是两个至关重要问题。a0a11a2 2h (t ) = k (t k )传统单载波系统中对抗多径的问题和方法：对于传统宽带单载波系统，需要很详细的估计出多径信道的各种信息；通常求原始信号需要使用
9、高运算量的方法如Rake接收、JD检测中的矩阵求逆。OFDM系统中对抗多径的问题和方法：将基带调制符号持续时间延长值OFDM符号时间，加入CP，从而克服了宽带系统的多径问题；接收机可通过单节均衡器实现，复杂度大大降低。NPC ConfidentialLTE引进新技术介绍 I：OFDMOFDM链路模型架构:NPC ConfidentialLTE引进新技术介绍 I：OFDMOFDM与CDMA技术的比较:CDMA:传输可以在整个系统带宽中固定的；所有信号传输在全部的系统带宽中；符号周期很短-系统带宽倒数；较低的频谱效率；对抗多径检测方法非常复杂。OFDM:传输可以在整个系统带宽中可变的；符号周期很长
10、-由子载波间隔和系统带宽共同可以；用户间通过FDMA和TDMA方式以子载波为单位区分；非常高的频谱效率；对多径问题的检测十分简单。NPC ConfidentialLTE引进新技术介绍 I：OFDMOFDM与CDMA技术的比较:链路BLER性能比较：注：其中FDE指CDMA系统使用类似于OFDM系统中信道FDE的均衡技术LTE (FDD/TDD)WCDMATD-SCDMA系统带宽1.4MHz5MHz10MHz20MHz5MHz1.6MHz传输带宽1.08MHz4.5MHz9MHz18MHz3.84MHz1.28MHz比例关系77%90%90%90%76.8%80%NPC Confidential
11、LTE引进新技术介绍 I：OFDMOFDM与CDMA技术的比较:频谱效率比较：NPC Confidential高峰均比（ PAPR）在FFT 中求和的过程导致了 A/D or D/A的很大的动态范围；射频功放的低效率，此效率提高的难度很大。对频域上的error非常敏感频域上子载波之间的正交性要得到保障；OFDM符号越长将对于高速Doppler的影响就会越发的敏感；敏感于频率的偏差、相位噪声等因素；所谓的高频谱效率带来的负面作用。应用电子器件的要求 = 仅在LTE下行中使用关于上行UE侧功放该如何呢?要和 OFDM兼容.低 峰均比（PAPR） = 单载波 ?LTE引进新技术介绍 I：OFDMOF
12、DM的局限性以及应用：局限性NPC ConfidentialLTE引进新技术介绍 I：OFDMOFDM信号受频偏和Doppler的影响：NPC ConfidentialLTE引进新技术介绍 II：SC-FDMA为什么使用SC-FDMA (Single Carrier FDMA)？SC-FDMA是一种调制技术的合并，它将频率灵活配置与OFDM的优势相结合同时又具有非常小的PAPR值；DFT和IDFT 在收端或发端总是成对出现。成对的DFT = 单载波系统 = 低的峰均比（PAPR）；SC-FDMA实质是将有限带宽内数据做了一个相应的频谱搬移；注意 M N， 成对的DFT 的维数是不同的。NPC
13、ConfidentialLTE引进新技术介绍 II：SC-FDMASC-FDMA收发机链路模型：SC-FDMA与OFDM有着很相似的结构模型；SC-FDMA检测方法和OFDM结构基本一致，其均衡视为传统的单载波频域均衡的方法；多一个M点DFT模块，发射信号成为单载波属性。NPC ConfidentialLTE引进新技术介绍 II：SC-FDMASC-FDMA vs. OFDMSC-FDMA的一些问题SC-FDMA只能对于单用户获得低PAPR的意义，随着用户数增加将接近OFDM的方式，因此它下行链路中在此方面带来的益处不大；在信道编码率较低的时候，信噪比(SNR)较低的时候性能相比OFDM会显著
14、变差。NPC ConfidentialLTE引进新技术介绍 II：SC-FDMASC-FDMA vs. OFDM链路级BLER比较：16QAMSC-FDMAOFDMA16QAMQPSKSC-FDMAOFDMAThroughput MbpsThroughput Mbps23NPC Confidential2.01.61.20.80.40.0-8-4048SNR dB2.01.61.20.80.40.0-8-4048SNR dBLTE引进新技术介绍 II：SC-FDMASC-FDMA vs. OFDM上行链路级吞吐量比较：NPC ConfidentialLTE引进新技术介绍 II：SC-FDMAS
15、C-FDMA vs. OFDM两种技术PAPR和CM的比较：% of NPC ConfidentialLTE引进新技术介绍 II：SC-FDMASC-FDMA vs. OFDMP e r c e n ta g e o f u s e r s r e a c h in g c e r t a in B it R a te , a v a ila b ility 9 0% , IS D 1 7 3 2 m50403020100100908070600 .0 20 .0 50 .1 20 .2 60 .5 61 .1 62 .3 63 .5 65 .3 77 .1 69 .5 61 0 .7S C
16、-F D M AOFDMA上行系统级吞吐量比较：功放回退小区半径B it R a te M b it/s 典型宏小区中达到特定比特速率的用户百分比系统吞吐量随小区半径变化仿真结果NPC ConfidentialLTE引进新技术介绍 III：MIMOMIMO (Multiple Input Multiple Output)技术的分类发送接收分集(Transmit/receiver Diversity)技术；空间复用(Spatial Multiplexing)技术；单用户MIMO (SU-MIMO);多用户MIMO (MU-MIMO);波束赋形(Beamforming)技术；27NPC Confi
17、dential空间分集增加覆盖抗衰落，提高链路性能波束赋形增加覆盖抗衰落，抑制干扰空分多址提高小区吞吐量及频谱效率LTE引进新技术介绍 III：MIMO空间复用提高小区吞吐量及频谱效率提高用户峰值速率针对不同信道条件，LTE可支持在分集、复用和波束赋形等发送模式间自适应切换LTE引进新技术介绍 III：MIMONPC ConfidentialTD-LTE系统采用波束赋形技术利用TDD的信道互易性增加覆盖降低小区间干扰提高小区边缘覆盖速率NPC ConfidentialLTE引进新技术介绍 III：MIMO发送接收分集(Transmit/Receiver Diversity)技术:多根发送和接收
18、天线上的信息认为是一致的，但是信号有可能有不同的空间编码方式多天线分集技术与单天线系统直观相比并没有增加系统容量，但是由于改善了性能指标从而可以通过提高编码率和降低重传率提高系统容量；多天线分集技术有很好的抗衰落功能，尤其在信道散射丰富、多根天线之间相关性不高的时候，抗衰落性能会更高，因此对于天线间距要求一般大于4倍波长，而当信道相关较大的时候则只能提高信噪比，无法对抗衰落信道。NPC ConfidentialLTE引进新技术介绍 III：MIMO发送接收分集(Transmit/Receiver Diversity)技术:右图为通过多根天线信号经历不同信道，对抗衰落信道，提高接收机的SNRBL
19、ERQAM16 R3/4 OC 2/3QAM16 R1 NOC 1/NPC ConfidentialLTE引进新技术介绍 III：MIMO发送接收分集(Transmit/Receiver Diversity)技术:Performance Comparison of 4x1 Codes(ITU-VA 30km/h, Ideal channel estimation, Turbo Code)1.00E+001.00E-011.00E-0202468101214161820SNR (dB)QAM64 SISO 1/2QAM64 R3/4 OC 2/3QAM16 SISO 1/2QPSK SISO 1
20、/2QPSK R3/4 OC 2/3QAM64 R1 OC 1/2QAM64 R1 NOC 1/2QAM16 R1 OC 1/2QPSK R1 OC 1/2)QPSK R1 NOC 1/2NPC ConfidentialLTE引进新技术介绍 III：MIMO空间复用(Spatial Multiplexing)技术:上行SU-MIMO要求UE至少两个发送通道LTE R8版本不支持下行SU-MIMO要求UE至少两个接收通道提高单用户峰值速率上行MU-MIMOUE只需一个发送通道不同的UE使用相同的物理资源，要求UE配对MIMO下行MU-MIMOUE可以只有一个接收通道不同的UE使用相同的物理资源，
21、要求UE配对NPC ConfidentialLTE引进新技术介绍 III：MIMO空间复用(Spatial Multiplexing)技术:NPC ConfidentialLTE引进新技术介绍 III：MIMO空间复用(Spatial Multiplexing)技术:MIMO的小区系统吞吐量(哈佛大学2004年参考资料)SystemCase1(ISD=500m)Case3(ISD=1732m)Bps/Hz/CellX HSPA Bps/Hz/CellX HSPAUpLinkBaseLine1x20.33210.3161LTE1x20.7352.20.6812.2LTE1x41.1033.31.
22、0383.3DownlinkBaseLine1x20.531.00.521.02x2SU-MIMO1.693.21.563.04x2SU-MIMO1.873.51.853.64x4SU-MIMONPC ConfidentialLTE引进新技术介绍 III：MIMO空间复用(Spatial Multiplexing)技术:注：Baseline为HSPA的标准速率，为LTE协议制定过程中公认的一个基准。NPC ConfidentialMIMO：Multi-Input Multi-OutputOFDM与MIMO技术的结合：为什么总是提到OFDM与MIMO的结合呢？如前所述，OFDM可以将宽带通信系统
23、转变为窄带通信系统，而MIMO的技术是非常适合于窄带通信中，因此二者便自然而然的有效结合在一起了；MIMO分离位置是在IFFT模块之前，从CDMA的角度理解为symbol级的位置；这种结合在当前(WLAN)，未来(LTE、UMB)无线通信标准中被广泛的应用。NPC ConfidentialLTE的演进过程LTE中物理层引入的新技术LTE物理层规范LTE链路及系统仿真性能介绍LTE链路预算介绍LTE频点规划37目录下行信道名称功能与作用PBCH广播信道携带小区专用公共信息PDCCH下行控制信道下行资源调度、HARQ的ACK/NACK反馈PCFICH控制格式指示信道控制格式指示信道，告知PDCCH
24、的具体位置HARQ指示信道HARQ指示信道，对PUSCH的HARQ响应PDSCH下行共享信道下行业务信息承载上行信道名称名称功能与作用PRACH随机接入信道终端接入及呼叫建立PUCCH上行控制信道调度请求、HARQ的ACK/NACK反馈、CQI反馈等等PUSCH上行共享信道上行业务信息承载NPC ConfidentialLTE下行 (DL): 物理信道和物理信号物理信道：指信号由Layer1产生，但是所承载的数据是来自于高层。下行信道名称功能与作用P-SCH主同步信道用于小区初始化第一步接入，完成与小区的同步操作；S-SCH辅同步信道基于P-SCH第一步同步接入之后，完成对小区ID号的辨析；R
25、S下行参考信号(导频)主要用于下行信道估计，辅助小区内和小区间的信道测量等；上行信道名称 名称功能与作用RS下行参考信号(导频)可分为DM RS和SRS，DM RS用于上行信道估计、同步和信道测量，SRS主要用于同步和信道测量。NPC ConfidentialLTE下行 (DL): 物理信道和物理信号物理信号：指信号完全由Layer1产生，而不需要上层参与的信号；控制信息/业务类型目标质量DL控制信息BCH1%PCH1%CFI0.1%DCIDL Scheduling Info1%UL Scheduling Info1%HIACK to NACK0.01%NACK to ACK0.01%UL控制
26、信息PreambleFalse Alarm0.1%Miss Detection1%RACH Msg31%ANACK to NACK1%NACK to ACK0.01%DTX to ACK1%CQI1%典型业务VoIP AMR 12.2Kbps2%数据业务( 初始传输误差)10%NPC ConfidentialLTE下行 (DL): 物理信道和物理信号41NPC Confidential7种上下行时隙配置0123456LTE基础 I: 帧结构(TDD)灵活的上下行时隙配置，特别适合非对称数据业务NPC Confidential数据传输控制信息数据下行同步小区搜索上行同步随机接入系统信息获取广播P
27、DSCHPCFICHPDCCHPSCHS-SCHPBCHPRACHPHICHLTE物理层过程下行各物理信道对应功能及物理层过程：收发端通信过程初始化= 收发同步过程NPC ConfidentialLTE中MIMO技术的选取原因空间复用，尤其是单用户空间复用直接增加吞吐量，使LTE更有竞争力，不可能舍弃的。虽然被写在标准中，但是由于限于接收端的能力，系统反馈开销大等因素，性能并不一定会很好。在抗无线信道衰落问题上有很强的竞争力，使用了Alamouti编码、CDD技术等，与空间复用可切换。只适合在了TDD系统，FDD系统的反馈量过大，而且天线配置方式与其它几种差别较大。原因考虑到UE侧模拟射频(尤
28、其是功放)的考虑，目前认为多套模拟系统代价过大，因此舍弃。取代SU-MIMO而被写入标准，对于UE侧没有增加射频开销，但是系统调度复杂度被加大。与SU-MIMO的考虑是一样的，受限于模拟射频器件，但是仍然允许使用天线切换技术(多根天线，一套射频电路)。同样受模拟射频器件限制，而且射频的复杂度比其它几种MIMO方式还要大。43取舍取取取取取舍舍取舍舍下行SU-MIMOMU-MIMO空间分集技术波束赋形上行SU-MIMOMU-MIMO空间分集技术波束赋形NPC ConfidentialLTE的演进过程LTE中物理层引入的新技术LTE物理层规范LTE链路及系统仿真性能介绍LTE链路预算介绍LTE频点
29、规划44目录45NPC ConfidentialLTE链路和系统仿真介绍LTE链路仿真模型(下行)46NPC ConfidentialLTE链路和系统仿真介绍LTE链路仿真模型(上行)NPC ConfidentialLTE链路和系统仿真介绍LTE链路仿真的指标链路级BLER性能链路级吞吐量性能随机接入正确检测概率(eNodB)小区初始化成功率(UE)频偏估计性能SINR、CQI估计误差发射机EVMModulationQPSK16QAM64QAMCode Rate1/31/22/33/44/51/23/52/33/44/53/52/33/44/5BLERBLERNPC ConfidentialL
30、TE链路和系统仿真介绍LTE系统链路级BLER仿真结果下行链路自适应(AMC)性能曲线：Link Level Curve(TU, 3km/h, w ith Real Channel Estimation)1.00E-041.00E-011.00E-021.00E-031.00E+001821-303612159SNR (dB)M CS0M CS1M CS2M CS3M CS4M CS5M CS6M CS7M CS8M CS9M CS10M CS11M CS12M CS13Link Level Curve(TU, 30km/h, w ith Real Channel Estimation)1.0
31、0E-041.00E-011.00E-021.00E-031.00E+00-3036121518219SNR (dB)M CS0M CS1M CS2M CS3M CS4M CS5M CS6M CS7M CS8M CS9M CS10M CS11M CS12M CS13TUTU30AMC Set48ModulationQPSK16QAMCode Rate1/91/51/31/22/33/41/22/33/48/9Repetition Factor8421BLERBLER1.00E-011.00E-021.00E-031.00E-04-15-10-5510150SNR (dB)LTE链路和系统仿真介
32、绍LTE系统链路级BLER仿真结果上行链路自适应(AMC)性能曲线：Link Level Curve(TU, 3km/h, with Real Channel Estimation)1.00E+00M CS0M CS1M CS2M CS3M CS4M CS5M CS6M CS7M CS8M CS9M CS10M CS11M CS121.00E-011.00E-021.00E-031.00E-041.00E+00-15-10-5510150SNR (dB)NPC ConfidentialLink Level Curve(TU, 30km/h, with Real Channel Estimation)M CS0M CS1M CS2M CS3M CS4M CS5M CS6M CS7M CS8M CS9M CS10M CS11M CS12TUTU30AMC Set49
