4GLTE研究

LTE罗贵舟电子与信息工程AgendaLTE技术概述LTE关键技术LTE组网技术AgendaLTE技术概述LTE关键技术LTE组网技术LTE技术概述LTE技术概述LTE(LongTermEvolution)：长期演进。它是由3GPP主导的第三代移动通信系统的演进，是3G到4G的过渡技术。问题：为什么3G还未普及，4G就开始出现了？LTE到底是演进还是革命？LTE技术概述LTE技术指标：(1)通信速率得到极大提高，下行峰值速率为100Mbps、上行为50Mbps。(2)提高了频谱效率，下行链路5(bit/s)/Hz，(3--4倍于R6版本的HSDPA);上行链路2.5(bit/s)/Hz，是R6版本HSU-PA的2--3倍。(3)以分组域业务为主要目标，系统在整体架构上将基于分组交换。(4)QoS保证，通过系统设计和严格的QoS机制，保证实时业务(如VoIP)的服务质量。(5)系统部署灵活，能够支持1.25MHz-20MHz间的多种系统带宽。保证了将来在系统部署上的灵活性。LTE技术概述(6)降低无线网络时延：子帧长度0.5ms和0.675ms，解决了向下兼容的问题并降低了网络时延，用户平面时延可达5ms，控制平面100ms。(7)增加了小区边界比特速率，在保持目前基站位置不变的情况下增加小区边界比特速率。如MBMS(多媒体广播和组播业务)在小区边界可提供1bit/s/Hz的数据速率。(8)强调向下兼容，支持已有的3G系统和非3GPP规范系统的协同运作。与3G相比，LTE更具技术优势，具体体现在：高数据速率、分组传送、延迟降低、广域覆盖和向下兼容。LTE技术概述LTE特点：(1)改进并增强了3G的空中接口(2)采用OFDM和MIMO作为无线网络演进的标准(3)在20MHz的频谱带宽能够为提供下行100Mbps与上行50Mpbs的速率(4)改善了小区边缘用户的性能，提高小区容量和降低系统延迟AgendaLTE技术概述LTE关键技术LTE组网技术OFDM技术概述OFDM（OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing）属于调制复用技术，它把系统带宽分成多个的相互正交的子载波，在多个子载波上并行数据传输。各个子载波的正交性是由基带IFFT实现的。由于子载波带宽较小（15kHz），多径时延将导致符号间干扰ISI，破坏子载波之间的正交性，为此，在OFDM符号间插入保护间隔，通常采用循环前缀CP（CyclicPrefix）来实现。…Sub-carriersFFTTimeSymbolsSystemBandwidthGuardIntervals…Frequency…Sub-carriersFFTTimeSymbolsSystemBandwidthGuardIntervals…FrequencyOFDM技术OFDM的意义OFDM具有很多能满足E-UTRAN需求的优点，是B3G和4G的核心技术之一。因此在3GPP制定LTE标准的过程中，OFDM技术被采纳并写入标准中。OFDM是一种调制复用技术，相应的多址接入技术为OFDMA，用于LTE的下行。OFDMA其实是TDMA和FDMA的结合。相对应，LTE的上行采用SC-FDMA多址接入技术，其调制复用是通过DFT-Spread-OFDM实现的。CDMA多载波频谱不重叠，需要留有保护带OFDMA子载波频谱重叠，频谱利用率高FreqFreqF1F2F3F4F5F6F7F1F2F3F4F5F6F7OFDM技术：下行接入技术OFDMAOFDMA的优点频谱分配方式灵活，能适应1.4MHz~20MHz的带宽范围配置。由于OFDM子载波间正交复用，不需要保护带，频谱利用率高；合理配置循环前缀CP，能有效克服无线环境中多径干扰引起的ISI，保证小区内用户间的相互正交，改善小区边缘的覆盖；支持频率维度的链路自适应和调度，对抗信道的频率选择性衰落，获得多用户分集增益，提高系统性能；子载波带宽在10KHz的数量级，每个子载波经历的是频谱的平坦衰落，使得接收机的均衡容易实现；OFDM容易和MIMO技术相结合。OFDMA的缺点对时域和频域的同步要求高。子载波间隔小，系统对频率偏移敏感，收发两端晶振的不一致也会引起ICI，频偏估计不精确会导致信号检测性能下降；移动场景中多普勒频移引起的频偏同样会导致ICI，需要设置合理的频率同步参数；OFDM的峰均功率比PAPR高，对功放的线性度和动态范围要求很高。OFDM技术：上行接入技术SC-FDMASC-FDMA的特点受终端电池容量和成本的限制，上行需要采用PAPR比较低的调制技术，提高功放的效率。LTE的上行采用SC-FDMA（SingleCarrierFrequencyDivisionMultipleAccessing），能够灵活实现动态频带分配，其调制是通过DFT-S-OFDM（DiscreteFourierTransformSpreadOFDM）技术实现的。DFT-S-OFDM类似于OFDM，每个用户占用系统带宽中的某一部分，占用带宽大小取决于用户的需求和系统调度结果。与传统单载波技术相比，DFT-S-OFDM中不同用户占用相互正交的子载波，用户之间不需要保护带，具有更高的频率利用效率。DFTSub-carrierMappingIFFTCPinsertionOFDM技术Sub-carriersTTI:1msFrequencyTimeSystemBandwidthSub-band：12Sub-carriersUser1User2User3Sub-carriersTTI:1msFrequencyTimeSystemBandwidthSub-band：12Sub-carriersUser1User2User3User1User2User3User1User2User3Sub-carriersTTI:1msFrequencySystemBandwidthSub-band：12Sub-carriersTimeUser1User2User3User1User2User3Sub-carriersTTI:1msFrequencySystemBandwidthSub-band：12Sub-carriersTime下行时频域上的多用户分布上行时频域上的多用户分布MIMO技术MIMO（Multiple-InputMultiple-Out-put，多输入多输出）MIMO技术的基本出发点是将用户数据分解为多个并行的数据流，在指定的带宽内由多个发射天线上同时刻发射，经过无线信道后，由多个接收天线接收，并根据各个并行数据流的空间特性，利用解调技术，最终恢复出原数据流。MIMO技术下行MIMOLTE下行支持MIMO技术进行空间维度的复用。空间复用支持单用户SU-MIMO模式或者多用户MU-MIMO模式。SU-MIMO和MU-MIMO都支持通过Pre-coding的方法来降低或者控制空间复用数据流之间的干扰，从而改善MIMO技术的性能。SU-MIMO中，空间复用的数据流调度给一个单独的用户，提升该用户的传输速率和频谱效率。MU-MIMO中，空间复用的数据流调度给多个用户，多个用户通过空分方式共享同一时频资源，系统可以通过空间维度的多用户调度获得额外的多用户分集增益。Pre-codingvectorsUserkdataUser2dataUser1dataChannelInformationUser1User2UserkSchedulerPre-coderS1S2Pre-codingvectorsUserkdataUser2dataUser1dataChannelInformationUser1User2UserkSchedulerPre-coderS1S2MU-MIMOMIMO技术上行MIMO受限于终端的成本和功耗，实现单个终端上行多路射频发射和功放的难度较大。因此，LTE正研究在上行采用多个单天线用户联合进行MIMO传输的方法，称为Virtual-MIMO调度器将相同的时频资源调度给若干个不同的用户，每个用户都采用单天线方式发送数据，系统采用一定的MIMO解调方法进行数据分离。采用Virtual-MIMO方式能同时获得MIMO增益以及功率增益（相同的时频资源允许更高的功率发送），而且调度器可以控制多用户数据之间的干扰。同时，通过用户选择可以获得多用户分集增益。User1dataChannelInformationUser1User2UserkSchedulerMIMODecoderUserkdataUser1dataUser1dataChannelInformationUser1User2UserkSchedulerMIMODecoderUserkdataUser1dataVirtual-MIMOMIMO技术MIMO信号处理过程：MIMO技术MIMO的优点：通过多流技术提升系统吞吐量。MIMO的不足：在小区边缘，由于小区间干扰的影响，吞吐量急剧下降，甚至出现覆盖空洞。如何减弱小区间干扰，保障连续覆盖，保障小区边缘用户的服务质量是LTE组网性能研究的一个关键问题！波束赋形(Beam-forming)：可以给有用信号带来最大增益，有效地减少多径效应所带来的影响，同时达到对干扰信号删除和抑制的目的，从而获得SNR增益和减少同频、邻频干扰MIMO技术AgendaLTE技术概述LTE关键技术LTE组网技术LTE组网技术MME/S-GWMME/S-GWX2S1移动性管理服务网关MME/SGW与eNodeB的接口EPCE-UTRANeNodeB间的接口NodeBRNC+=eNodeBEPSeNodeBX2X2eNodeBeNodeBUu网络构架：LTE组网技术LTE的主要网元LTE的接入网E-UTRAN由e-NodeB组成，提供用户面和控制面。LTE的核心网EPC由MME，S-GW和P-GW组成。LTE的网络接口e-NodeB间通过X2接口相互连接，支持数据和信令的直接传输。S1接口连接e-NodeB与核心网EPC。其中，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。LTE组网技术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-AccessStratum)非接入层信令的加密和完整性保护；AS(AccessStratum)接入层安全性控制、空闲状态移动性控制；EPS(EvolvedPacketSystem)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。LTE的协议栈介绍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/HARQeNBPHYUEPHYMACRLCMACPDCPPDCPRLC用户面协议栈eNBPHYUEPHYMACRLCMACMMERLCNASNASRRCRRCPDCPPDCP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LTE组网技术物理层无线帧结构（1）LTE共支持两种无线帧结构：类型1，适用于频分双工FDD类型2，适用于时分双工TDDFDD类型无线帧结构：LTE采用OFDM技术