TD-LTE原理与关键技术A

支持4G网络的手机：•三星GALAXYS4，国际双模版支持FDD-LTE，TDD-LTE。•苹果iPhone5S（移动版）•联想VIBEZ•酷派8736•金立E7L•HTCOne•LGNexus5课程内容安排•1.TD-LTE概述-演进过程-概念-关键技术介绍•2.LTE网络架构及协议栈介绍-网络架构-网元功能-协议栈介绍3.LTE物理层结构介绍-无线帧结构-物理信道-物理信号-物理层过程GPRS：通用分组无线服务技术，是一种高速数据处理的技术，通过分组形式传送资料给用户，避免断线。EDGE：增强型数据速率GSM演进技术，是一种从GSM到3G的过渡技术，采用了8PSK（8进制移相键控调制）HSPA：高速分组接入。HSDPA（高速下行分组接入）。HSUPA（高速上行分组接入）16个符号的正交幅度调制•什么是LTE？–长期演进LTE(LongTermEvolution)是3GPP主导的无线通信技术的演进–LTE与SAE（系统架构演进）是3GPP当年的两大演进计划，LTE负责无线空口技术演进，SAE(SystemArchitectureEvolution)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（第三代合作伙伴计划）与WiMAX（全球微波互联接入）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:EvolvedUMTSTerrestrialRadioAccessNetwork，LTE的接入网EPC：EvolvedPackageCore，LTE的核心网EPS：EvolvedPacketSystem，演进的分组系统EPS=E-UTRAN+EPC狭义来讲：LTE=E-UTRAN,SAE=EPC6更好地支持更大系统带宽小区覆盖与容量增益的最重要来源更好的同频干扰控制性能与覆盖提升高速下行分组接入下行正常峰值速率：20Mbps上行正常峰值速率：8~9Mbps多媒体广播多播业务实际支持的带宽1.4MHz、3MHz、5MHz、10MHz、15MHz和20MHz,nouNffnffTff0f1f2f3f4△f正交性通过以下方式实现：sKHzfTu7.661511保护间隔(GuardInterval)用于消除OFDM符号间的ISI(Inter-SymbolInterference，符号间干扰)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CyclicPrefix（CP，循环前缀），以保证子载波间的正交性UsefulOFDMsymboldurationOFDMsymbolsmPrefixlengthcopyOFDM保护间隔OFDM系统的主要优点频谱利用率高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。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。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。OFDMA正交频分多址Sub-carriersTTI：1msFrequencyTimeTimefrequencyresourceforUser1TimefrequencyresourceforUser2TimefrequencyresourceforUser3SystemBandwidthSub-band：12Sub-carriersLTE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16SC-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，降低了PAPRDFTSub-carrierMappingCPinsertionSize-NTXSize-NFFTCodedsymbolrate=RNTXsymbolsIFFT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，即所谓的单载波频分多址接入（FDMA）技术物理下行共享信道codewordUE1User1SFBCModUE1Layer1,CW1,AMC1UE2Layer2,CW2,AMC2MIMOencoderandlayermappingMIMOencoderandlayermappingNeedUEFeedbackPMIMIMOencoderandlayermappingNotNeedUEFeedbackPMIXTransmissionDiversity–SFBC/PrecodingRank1SpaceMultiplexing–MCW/PrecodingRank2Close-LoopMIMO–PrecodingRank1/Rank2Open-LoopMIMO–SFBC/MCWMIMO的主要模式多天线技术的优势阵列增益（Arraygain）分集增益（Diversitygain）空间复用增益（Spatialmultiplexinggain）干扰抑制增益（co-channelinterferencereduction）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2.LTE网络架构及协议栈2.1LTE的网络架构2.2LTE的网元功能2.3LTE的协议栈介绍•系统架构演进SAE（SystemArchitectureEvolution），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）SGiS4S3S1-MMEPCRFS7S6aHSSOperator’sIPServices(e.g.IMS,PSSetc.)Rx+S10UEGERANUTRANSGSN“LTE-Uu”EUTRANMMES11S5ServingSAEGatewayPDNSAEGatewayS1-U系统架构演进31LTE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：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eNBMME/S-GWMME/S-GWeNBeNBS1S1S1S1X2X2X2E-UTRAN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。32LTE网元实体及接口网元实体：•TD-LTE系统由3部分组成•-演进的分组核心网（EvolvedPacketCore，EPC）LTE3000详见参考书目•-接入网eNB（eNodeB）•（基站，型号为EMB5116），采用的是分布式基站将传统一体化基站分为BBU（基带单元，承担基站的基带处理部分功能）和RRU（射频拉远单元，承担基站的射频处理部分功能）分成两部分，各自安装，分开放置，通过光纤进行连接。•-用户设备UE（UserEquipment）网元实体核心网EPC由MME、S-GW、P-GW及PCRF等网元组成，能够将UE接入到外部PDN来完成分组数据业务，并实施计费。•-MME（MobilityManagementEntity，移动性管理实体）负责信令处理部分•-S-GW（ServingGateway，服务网关）负责本地网络用户数据处理•-P-GW（PDNGateway，分组数据网关）负责用户数据包与其它网络的处理演进的接入网（E-UTRAN）：由eNodeB构成接口•S1接口：eNodeB与MME之间•X2接口：不同eNodeB之间，主要用于越区切换过程中的信令和数据包转发。•Uu接口：eNodeB与UE之间，或称为空中接口，主要用于建立、重配置和释放各种无线承载业务，是一个完全开放的接口。•注意：与3G不同，4G把NodeB和RNC融合为网元eNodeB,所以TD-LTE少了Iub接口，而X2接口类似于Iur接口，S1接口类似于Iu接口S1接口：eNodeB与MME之间X2接口：不同eNodeB之间Uu接口：eNodeB与UE之间S1-MME：eNodeB连接MME的控制面接口S1-U：eNodeB连接S-Gw的用户面接口无线接口协议栈主要分三层两面：三层包括物理层、数据链路层和网络层，两面是指控制面和用户面。数据链路层•MAC(MediumAccessControl,媒体接入控制)•RLC（RadioLinkControl，无线链路控制）•PDCP（PacketDataConvergenceProtocol，分组数据汇聚协议）数据链路层同时位于控制平面和用户平面：控制面负责无线承载信令的传输、加密和完整性保护。在用户面负责用户业务数据的传输和加密。网络层RRC（RadioResourceControl，无线资源控制）网络层位于无线接入网的控制平面，负责完成接入网和终端之间交互的所有信令处理。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