移動通信理論與實戰(zhàn)第7章-LTE通信系統(tǒng)課件

1、第7章 LTE通信系統(tǒng)第7章 LTE通信系統(tǒng)課程內容LTE概述LTE系統(tǒng)架構與協(xié)議棧LTE關鍵技術LTE物理層設計LTE中的語音業(yè)務LTE-Advanced的增強技術課程內容LTE概述LTE概述LTE（Long Term Evolution長期演進）是第三代移動通信系統(tǒng)的演進改進并增強了3G的空中接入技術；采用OFDM和MIMO作為其無線網(wǎng)絡演進的標準；持續(xù)演進至LTE-Advanced(簡寫為LTE-A)，可實現(xiàn)在100MHz帶寬下，下行峰值速率為1Gb/s，上行峰值速率為500Mb/s；改善了小區(qū)邊緣用戶的性能，提高小區(qū)容量，降低系統(tǒng)時延；LTE概述LTE（Long Term Evolut

2、ion長期LTE概述LTE開發(fā)進程及特征技術LTE概述LTE開發(fā)進程及特征技術課程內容LTE概述LTE系統(tǒng)架構與協(xié)議棧LTE關鍵技術LTE物理層設計LTE中的語音業(yè)務LTE-Advanced的增強技術課程內容LTE概述LTE網(wǎng)絡架構SAE網(wǎng)絡結構扁平化E-UTRAN只有一種節(jié)點網(wǎng)元E-NodeB全IPRNC+NodeB=eNodeB媒體面控制面分離LTE網(wǎng)絡架構SAE網(wǎng)絡結構扁平化E-UTRAN只有一種eNodeB功能eNodeB具有現(xiàn)有3GPP R5/R6/R7的Node B功能和大部分的RNC功能，包括物理層功能（HARQ等），MAC，RRC，調度，無線接入控制，移動性管理等等。LTE網(wǎng)絡

3、架構RNCNode BeNodeBE-UTRAN采用由NodeB構成的單層結構，這種結構有利于簡化網(wǎng)絡和減少時延，實現(xiàn)了低時延、低復雜度和低成本的要求。eNodeB功能LTE網(wǎng)絡架構RNCNode BeNodeBLTE網(wǎng)絡架構與傳統(tǒng)網(wǎng)絡互通重點接口S1接口包括eNodeB和S-GW的用戶面接口S1-U，eNodeB與MME的控制面接口S1-MMELTE網(wǎng)絡架構與傳統(tǒng)網(wǎng)絡互通重點接口LTE網(wǎng)絡架構核心網(wǎng)EPCMME（Mobility Management Entity）負責處理用戶業(yè)務的信令，完成移動用戶的管理，并與eNodeB、HSS和SGW等設備進行交互，從而實現(xiàn)用戶鑒權、漫游控制、網(wǎng)關選擇

4、、承載管理等功能。SGW（Serving GateWay業(yè)務網(wǎng)關）負責處理用戶面的業(yè)務，完成移動數(shù)據(jù)業(yè)務的承載，并與eNodeB、MME和PGW等設備進行交互。PGW（PDN GateWay PDN網(wǎng)關）負責與PDN（Internet）接口，并與PCRF和PGW等設備進行交互，從而實現(xiàn)外網(wǎng)互聯(lián)的接入、用戶IP地址分配、數(shù)據(jù)包路由和轉發(fā)、策略控制執(zhí)行等功能。SGW和PGW可以在一個物理節(jié)點或不同物理節(jié)點實現(xiàn)，LTE網(wǎng)絡架構核心網(wǎng)EPC，LTE網(wǎng)絡架構核心網(wǎng)EPCHSS（Home Subscribers Server）HLR的升級，負責存儲用戶的關鍵信息，提供移動性管理、鑒權、用戶簽約等功能。PC

5、RF（Policy and Charging Rules Function）策略控制及計費服務器，用于控制服務質量QoS和資源管控。LTE網(wǎng)絡架構核心網(wǎng)EPCLTE接口協(xié)議架構eNodeB完成接入層的功能，非接入層的信令透傳；白色框內為控制面功能實體；藍色框內為無線協(xié)議層LTE接口協(xié)議架構eNodeB完成接入層的功能，非接入層的信LTE接口協(xié)議架構空中接口用戶面 主要完成用戶數(shù)據(jù)的報頭壓縮、加密、調度、ARQ和HARQ等功能，包括物理(PHY)層、媒體訪問控制(MAC)層、無線鏈路控制(RLC)層以及分組數(shù)據(jù)匯聚(PDCP)層四個層次，這些子層在網(wǎng)絡側均終止于eNodeB實體。LTE接口協(xié)議架

6、構空中接口用戶面 主要完成用戶數(shù)據(jù)的報LTE接口協(xié)議架構空中接口控制面 負責系統(tǒng)的連接建立、無線資源管理、移動性管理及安全性管理等。從網(wǎng)絡傳輸?shù)浇K端的控制消息既可以源于位于核心網(wǎng)的MME，也可源于位于eNodeB的無線資源控制RRC節(jié)點。LTE接口協(xié)議架構空中接口控制面 負責系統(tǒng)的連接建立、LTE接口協(xié)議架構S1接口LTE接口協(xié)議架構S1接口課程內容LTE概述LTE系統(tǒng)架構與協(xié)議棧LTE關鍵技術LTE物理層設計LTE中的語音業(yè)務LTE-Advanced的增強技術課程內容LTE概述LTE物理層多址方式什么是OFDM？OFDM: 正交頻分復用OFDM（Orthogonal Frequency Di

7、vision Multiplexing）是一種多載波傳輸方式。LTE物理層多址方式什么是OFDM？OFDM: 正交頻分復用LTE物理層多址方式下行多址技術方案-OFDMA是傳統(tǒng)的基于CP的OFDM技術。將傳輸帶寬劃分成相互正交的子載波集，通過將不同的子載波集分配給不同的用戶，可用資源被靈活的在不同移動終端之間共享可以看成是一種OFDM+FDMA+TDMA技術相結合的多址接入方式LTE物理層多址方式下行多址技術方案-OFDMAFDMA VS. OFDMAFDMA VS. OFDMALTE物理層多址方式下行OFDMA接入導頻信號、CP的作用？IFFT的作用？LTE物理層多址方式下行OFDMA接入導

8、頻信號、CP的作用？下行OFDMA接入需要考慮的幾個問題相鄰子載波間的間隔有多少？（多普勒）給定頻帶內能放置幾個子載波？(效率)OFDM 時域符號長度為多少？(有效長度)在一定的CP長度下，子載波間隔越小，OFDM符號周期越長，系統(tǒng)頻譜效率越高。但過小的子載波間隔對多普勒頻移和相位噪聲過于敏感，會影響系統(tǒng)性能下行OFDMA接入需要考慮的幾個問題下行OFDMA接入不同信道寬度下OFDM參數(shù)配置 基于CP的OFDMA系統(tǒng)的引入，相對于單載波的CDMA系統(tǒng)，具有頻譜效率高、帶寬擴展性強等優(yōu)勢，并支持更靈活的頻域調度及信道自適應技術，但也存在著較高的峰均比(PAPR)、對時間同步和頻率偏差敏感及小區(qū)間

9、干擾嚴重等缺陷，需要相應的系統(tǒng)設計予以調整和優(yōu)化。下行OFDMA接入不同信道寬度下OFDM參數(shù)配置 LTE物理層多址方式上行SC-FDMA接入SC-FDMA單載波頻分多址技術上行采用SC-FDMA的原因OFDM的峰均比較高，功放效率降低，導致整機電源效率降低；終端的配置越來越多，功能越來越強大，導致對終端電源效率提出越來越高的要求，而電池技術卻一直沒有突破性進展，因此對終端的節(jié)能技術提出了越來越高的要求；SC-FDMA及其實現(xiàn)方式TD-LTE系統(tǒng)中上行鏈路采用SC-FDMA技術，以期降低PAPR，提高功放效率，延長電池壽命；DFT-S-OFDM可以認為是SC-FDMA的頻域產(chǎn)生方式，是OFDM

10、在IFFT調制前進行了基于傅立葉變換的預編碼。LTE物理層多址方式上行SC-FDMA接入上行SC-FDMA接入實現(xiàn)方式DFT-S-OFDM DFT-S-OFDM是一種調制技術的合并，它將頻率靈活配置與OFDM的優(yōu)勢相結合同時又具有非常小的PAPR值上行SC-FDMA接入實現(xiàn)方式DFT-S-OFDM 上行SC-FDMA接入通過改變不同用戶的DFT的輸出到IDFT輸入端的對應關系，輸入數(shù)據(jù)符號的頻譜可以被搬移至不同的位置，從而實現(xiàn)多用戶多址接入。基于DFTS-OFDM的集中式、分布式頻分多址上行SC-FDMA接入通過改變不同用戶的DFT的輸出到IDFOFDM VS. SC-FDMASC-FDMA實

11、質是將有限帶寬內數(shù)據(jù)做了一個相應的時域到頻域的頻譜搬移OFDM VS. SC-FDMASC-FDMA實質是將有限帶上行SC-FDMA接入LTE系統(tǒng)上行SC-FDMA的參數(shù)配置上行SC-FDMA接入LTE系統(tǒng)上行SC-FDMA的參數(shù)配置MIMO多天線技術MIMO多天線技術在收發(fā)兩端采用多根天線，分別同時發(fā)射與接收無線信號。MIMO為無線資源增加了空間維的自由度，能獲得比SISO、SIMO和MISO更高的系統(tǒng)容量；通過空時處理，充分利用空間資源，在無需增加頻譜資源和發(fā)射功率的情況下，成倍的提升系統(tǒng)容量和可靠性，提高了頻譜利用率；MIMO多天線技術MIMO多天線技術MIMO為無線資源增加了MIMO多

12、天線技術MIMO多天線技術MIMO多天線技術下行MIMOLTE R8/R9版本中MIMO技術下行公共天線端口可以支持單天線發(fā)送(1x)、雙天線發(fā)送(2x)以及4天線發(fā)送(4x)，從而提供不同級別的傳輸分集和空間復用增益。而專用天線端口以其靈活的天線端口映射技術使得LTE系統(tǒng)可以支持更多發(fā)送天線，比如8天線發(fā)送，從而在提供傳輸分集、空間復用增益的同時，提供波束賦形增益。上行MIMOR8版本中MIMO技術上行基本天線配置為1*2，即1天線發(fā)送和2天線接收；MIMO多天線技術下行MIMOMIMO傳輸模式(TM)MIMO傳輸模式(TM)課程內容LTE概述LTE系統(tǒng)架構與協(xié)議棧LTE關鍵技術LTE物理層

13、設計LTE中的語音業(yè)務LTE-Advanced的增強技術課程內容LTE概述LTE物理幀結構雙工方式 FDD上行傳輸和下行傳輸在不同的載波頻段上進行； TDD上行傳輸和下行傳輸在相同的載波頻段上進行基站/終端在不同的時間進行信道的發(fā)送/接收或者接收/發(fā)送 ；LTE物理幀結構雙工方式LTE物理幀結構信道帶寬支持1.4MHz, 3.0MHz, 5MHz, 10MHz, 15MHz以及20MHz的信道帶寬LTE系統(tǒng)上下行的信道帶寬可以不同下行信道帶寬大小通過主廣播信息（MIB）進行廣播上行信道帶寬大小通過系統(tǒng)信息（SIB）進行廣播子載波間隔15kHz，用于單播（unicast）和多播（MBSFN）傳輸

14、7.5kHz，僅僅可以應用于獨立載波的MBSFN傳輸LTE物理幀結構信道帶寬LTE物理幀結構FDD-LTE幀結構 - 幀結構類型FS1 一個長度為10ms的無線幀由10個長度為1ms的子幀構成； 每個子幀由兩個長度為0.5ms的時隙構成；每個時隙中有數(shù)據(jù)符號和CP組成；常規(guī)CP，每個時隙的符號數(shù)為7個；擴展CP，每個時隙的符號數(shù)為6個；LTE物理幀結構FDD-LTE幀結構 - 幀結構類型FSLTE物理幀結構TDD-LTE幀結構幀結構類型FS2一個長度為10ms的無線幀由2個長度為5ms的半幀構成每個半幀由4個常規(guī)子幀和1個特殊子幀構成，長度均為1ms常規(guī)子幀：由兩個長度為0.5ms的時隙構成特

15、殊子幀：由DwPTS、GP以及UpPTS構成LTE物理幀結構TDD-LTE幀結構幀結構類型FS2LTE物理幀結構TDD幀結構特殊子幀符號配置DwPTS+GP+UpPTS=14個OFDM符號特殊子幀配置Normal CPDwPTSGPUpPTS031011941210313112141211539269327102281112LTE物理幀結構TDD幀結構特殊子幀符號配置特殊子幀配置LTE物理幀結構TDD幀結構上下行配置支持5ms和10ms上下行切換點子幀0、5和DwPTS總是用于下行發(fā)送，2固定上行；LTE物理幀結構TDD幀結構上下行配置FDD VS. TDDFDD VS. TDDFDD VS.

16、 TDDFDD VS. TDDLTE物理資源無線幀OFDM符號天線端口基本時間單位時隙-slot子幀物理資源接收機用來區(qū)分資源在空間上的差別；端口與實際物理天線端口沒有一一對應的關系LTE物理資源無線幀OFDM符號天線端口基本時間單位時隙-s資源單位最小的資源單位，時域上為1個符號，頻域上為1個子載波RE (Resource Element)資源粒子REG ( Resource Element Group)RB ( Resource Block)資源塊CCE ( Channel Control Element)RBG ( Resource Block Group)資源單位業(yè)務信道的資源單位，時

17、域上為1個時隙，頻域上為12個子載波為控制信道資源分配的資源單位，由4個RE組成為PDCCH資源分配的資源單位，由9個REG組成為業(yè)務信道資源分配的資源單位，由一組RB組成 資源單位最小的資源單位，時域上為1個符號，頻域上為1個子載波物理資源塊物理資源塊LTE信道與物理信號LTE信道與物理信號同步信號與物理小區(qū)ID同步信號作用：用于小區(qū)搜索中UE和E-UTRA的時頻同步；SSS：10ms定時同步，與小區(qū)ID組一一對應，范圍0-167PSS：5ms 定時同步，與組內ID號一一對應，范圍0-2小區(qū)ID：PSS+SSS，504種可能性FDD/TDD系統(tǒng)識別，常規(guī)CP/擴展CP識別同步信號與物理小區(qū)I

18、D同步信號FDD/TDD系統(tǒng)識別，常規(guī)C下行參考信號小區(qū)專用參考信號(Cell-Specific Reference Signal，CRS)類似于CDMA的導頻信號，用于終端的信道估計，以實現(xiàn)對下行傳輸?shù)南嚓P解調；也可以被終端用來獲取信道狀態(tài)信息(CQI)，基于該參考信號的終端測試可用做小區(qū)選擇和切換判決的基礎。UE專用參考信號(UE-Specific Reference Signal，UE-RS)可用于波束賦形時下行鏈路共享信道的信道估計及相關解調。MBSFN參考信號：多播/組播單頻網(wǎng)絡參考信號(Multimedia Broadcast multicast service Single Fr

19、equency Network Reference Signal，MBSFNRS)只在MBSFN子幀發(fā)送，用于MBSFN的信道估計和相關解調。下行參考信號小區(qū)專用參考信號(Cell-Specific R上行參考信號上行數(shù)據(jù)解調參考信號(DeModulation Reference Signal，DMRS)主要用于上行信道估計，即eNB是在對上行物理信道(PUSCH和PUCCH)的相干解調進行信道估計時使用的。它和數(shù)據(jù)或上行控制信令一起發(fā)送，所占帶寬與PUSCH和PUCCH所占帶寬相同。此外，DMRS還可用于上行信道質量測量。上行探測參考信號(Souding Reference Signal，S

20、RS)主要被網(wǎng)絡用于估計不同頻率的上行信道質量，從而在上行鏈路中進行頻率選擇性調度。此外，SRS還具有初始化調制和編碼方案選擇、為傳輸數(shù)據(jù)而進行的初始化功率控制、定時提前及頻率半選擇性調度等功能。上行參考信號上行數(shù)據(jù)解調參考信號(DeModulation 物理信道一般處理流程LTE下行物理信道的基本處理過程物理信道一般處理流程LTE下行物理信道的基本處理過程LTE物理層過程LTE物理層過程小區(qū)搜索與同步小區(qū)搜索與同步隨機接入獲得唯一的C-RNTI小區(qū)無線網(wǎng)絡臨時標識 隨機接入獲得唯一的C-RNTI小區(qū)無線網(wǎng)絡臨時標識 隨機接入信道PRACHPreamble碼隨機接入前導碼共64個，PRACH信

21、道在每個子幀只能配置一個，則在無沖突的情況下，每個小區(qū)最多可支持64個UE同時接入；eNodeB會通過廣播系統(tǒng)信息SIB-2來通知所有的UE，允許在哪些時頻資源上傳輸preamble；短Preamble碼TD系統(tǒng)獨有將PRACH信道承載在UpPTS上；最多覆蓋1.4km的小區(qū)；長Preamble碼將PRACH信道承載在正常的上行子幀上；有四種可能的配置，對應的小區(qū)半徑從14km到100km不等；隨機接入信道PRACHPreamble碼隨機接入前導碼隨機接入信道PRACH時間長度序列長度小區(qū)半徑使用范圍preamble01ms800s14.53km小、中型小區(qū)preamble12ms800s77

22、.34km大型小區(qū)preamble22ms1600s29.53km中型小區(qū)preamble33ms1600s100.16km超大型小區(qū)Preamble4(僅TDD)157.292s133s1.4km短距離覆蓋Preamble碼隨機接入前導碼每個小區(qū)最多可支持64個UE同時接入；隨機接入信道PRACH時間長度序列長度小區(qū)半徑使用范圍pr隨機接入隨機接入前導(Preamble)的發(fā)送隨機接入響應隨機接入過程Preamble當UE收到eNB的廣播信息需要接入時，從序列集中隨機選擇一個preamble序列發(fā)給eNB,然后根據(jù)不同的前導序列來區(qū)分不同的UE.隨機接入隨機接入前導(Preamble)的發(fā)送

23、隨機接入響應隨競爭的隨機接入流程適用于初始接入053preamble碼，UE申請，系統(tǒng)隨機分配；競爭的隨機接入流程適用于初始接入非競爭的隨機接入流程適用于切換或有下行數(shù)據(jù)到達且需要重新建立上行同步時5463preamble碼，系統(tǒng)直接指定給UE；非競爭的隨機接入流程適用于切換或有下行數(shù)據(jù)到達且需要重新建立功率控制下行功率分配功率分配策略保證下行鏈路傳輸?shù)挠行陨闲泄β士刂乒β士刂埔种菩^(qū)間干擾功率控制功率控制下行功率分配上行功率控制功率控制課程內容LTE概述LTE系統(tǒng)架構與協(xié)議棧LTE關鍵技術LTE物理層設計LTE中的語音業(yè)務LTE-Advanced的增強技術課程內容LTE概述過渡方案CSFB

24、CSFB(Circuit Switched FallBack，電路交換回落)終端優(yōu)選LTE網(wǎng)絡駐留，而使用CS語音回落技術將LTE網(wǎng)絡的語音業(yè)務(包括主叫和被叫)轉移至傳統(tǒng)的2G或3G網(wǎng)絡的電路域承載。在CSFB中，LTE網(wǎng)絡只參與了部分呼叫建立過程，并不參與語音傳遞過渡方案CSFBCSFB(Circuit Switche過渡方案單卡雙待機終端支持雙待，可同時駐留在LTE和2G/3G網(wǎng)絡。語音、短信等電路域業(yè)務承載于2G/3G網(wǎng)絡電路域；數(shù)據(jù)業(yè)務則優(yōu)先選擇承載于LTE，若無LTE覆蓋，則由2G/3G網(wǎng)絡分組域承載。常見的有：SGLTE(Simultaneous GSM and LTE)SVLT

25、E(Simultaneous Voice and LTE)過渡方案單卡雙待機終端支持雙待，可同時駐留在LTE和2G目標方案VoLTE/SRVCC技術VoLTE(Voice over LTE)由IP多媒體子系統(tǒng)(IP Multimedia Subsystem，IMS)承載的語音業(yè)務。目標方案VoLTE/SRVCC技術VoLTE(VoiceLTE中的語音業(yè)務LTE中的語音業(yè)務課程內容LTE概述LTE系統(tǒng)架構與協(xié)議棧LTE關鍵技術LTE物理層設計LTE中的語音業(yè)務LTE-Advanced的增強技術課程內容LTE概述TD-LTE-AdvancedTD-LTE-AdvancedTD-LTE-Advanced增強技術載波聚合載波聚合（Carrier Aggregation, CA）通過聯(lián)合調度和使用多個成員載波上的資源，使LTE-A系統(tǒng)可以支持最大100MHz的帶寬，從而能實現(xiàn)更高的系統(tǒng)峰值速率； 成員載波是指可配置的LTE系統(tǒng)載波，且每個成員載波的帶寬都不大于LTE系統(tǒng)所支持的上限(20MHz)；TD-LTE-Advanced增強技術載波聚合載波聚合（Ca載波聚合載波聚合的類型載波聚合載波聚合的類型載波聚合載