TD-LTE演進及關(guān)鍵技術(shù)

TD-LTE演進及關(guān)鍵技術(shù)主講：孫克輝通信新技術(shù)專題之三中南大學(xué)物理與電子學(xué)院提綱TD-LTE主要關(guān)鍵技術(shù)TD-LTE技術(shù)的演進TD-SCDMA同TD-LTE關(guān)鍵技術(shù)比較OFDM及SC-FDMALTE-Advanced關(guān)鍵技術(shù)簡述MIMO多天線解決方案LTE成為移動通信技術(shù)演進的方向互聯(lián)網(wǎng)寬帶接入服務(wù)移動通信網(wǎng)絡(luò)更高的峰值速率更低的網(wǎng)絡(luò)時延更高的頻譜利用率和靈活性更高的系統(tǒng)容量2004年11月，3GPP和3GPP2啟動LTE。

3GPP(the3rdGenerationPartnershipProject)是領(lǐng)先的3G技術(shù)規(guī)范機構(gòu)，是由歐洲的ETSI，日本的ARIB和TTC，韓國的TTA以及美國的T1在1998年底發(fā)起成立的，旨在研究制定并推廣基于演進的GSM核心網(wǎng)絡(luò)的3G標(biāo)準(zhǔn)，即WCDMA，TD-SCDMA，EDGE等。中國無線通信標(biāo)準(zhǔn)組(CWTS)于1999年加入3GPP。3GPP的目標(biāo)是實現(xiàn)由2G網(wǎng)絡(luò)到3G網(wǎng)絡(luò)的平滑過渡，保證未來技術(shù)的后向兼容性，支持輕松建網(wǎng)及系統(tǒng)間的漫游和兼容性。

3GPP2于1999.1成立，由美國TIA、日本ARIB和TTC、韓國的TTA四個標(biāo)準(zhǔn)化組織發(fā)起，中國無線通信標(biāo)準(zhǔn)研究組（CWTS）于1999年6月在韓國正式簽字加入3GPP2,成為這個當(dāng)前主要負(fù)責(zé)第三代移動通信cdma2000技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)組織的伙伴。中國通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(CCSA)成立后，CWTS在3GPP2的組織名稱更名為CCSA。3GPP的目標(biāo)是制訂以ANSI-41核心網(wǎng)為基礎(chǔ)，cdma2000為無線接口的移動通信技術(shù)規(guī)范。3GPP與3GPP2TD-SCDMA作為自主知識產(chǎn)權(quán)的移動通信技術(shù)和產(chǎn)業(yè)逐漸發(fā)展壯大。十年間，TD-SCDMA從一個紙面上的國際標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展到目前近2億的用戶，從面向國內(nèi)市場的非主流3G技術(shù)演進到可面向全球市場的主流4G技術(shù)，將迎來巨大的發(fā)展前景。

TD-SCDMA2004TD-SCDMA2004TD-SCDMA測試200520042013TD-SCDMA產(chǎn)業(yè)化2006TD-SCDMA試驗網(wǎng)2007TD-CDMA商用2008LTE2009TD-LTE2011TD-LTE2012TD-LTE2013移動通信十年發(fā)展歷程LTE使?fàn)I運商和用戶獲益LTE使移動業(yè)務(wù)更豐富LTE成為移動通信技術(shù)演進的方向3GPPR4語音，數(shù)據(jù)N頻點3GPPR5/6/7HSPA/HSPA+MBMS3GPPLTEOFDM方案IMT-AD（TDD）基本版本增強版本長期演進版本4G版本2002-20042005-20072004-20082006-2010

TD-SCDMA是我國提出的3G國際標(biāo)準(zhǔn)，具有獨立的知識產(chǎn)權(quán)。其后續(xù)演進技術(shù)TD-LTE(TimeDivision-LongTermEvolution)不僅是其發(fā)展和演進的保障，而且也為我國成功實施“新一代寬帶無線移動通信網(wǎng)”國家重大專項奠定基礎(chǔ)。TD-SCDMA標(biāo)準(zhǔn)演進路線如下圖。目前三大3G移動通信標(biāo)準(zhǔn)TD-SCDMA、WCDMA以及cdma2000都將LTE作為其下一步發(fā)展的方向。2G2.5G2.75G3G3.5G3.75G3.9GGPRSEDGEeEDGEHSDPAR5HSUPAR6MBMS4GMBMSCDMA20001XEV-DO802.16e802.16mHSDPAHSPA+R7

FDD/TDD4GGSMTD-SCDMAWCDMAR99802.16dCDMAIS95CDMA20001xLTEEV-DORev.AEV-DORev.BHSUPALTE成為移動通信技術(shù)演進的方向LTE成為移動通信技術(shù)演進的方向1）通信速率高。下行峰值速率100Mbps、上行50Mbps。2）頻譜效率高。DL為5(bit/s)/Hz；UL為2.5(bit/s)/Hz。3）基于分組交換。4）QoS保證。實時業(yè)務(wù)(如VoIP)的服務(wù)質(zhì)量好。5）系統(tǒng)部署靈活。支持1.4MHz~20MHz間多種系統(tǒng)帶寬。6）無線網(wǎng)絡(luò)時延低。子幀長度為0.5ms和0.675ms，時延達(dá)U-plan<5ms，C-plan<100ms。7）增加了小區(qū)邊界比特速率。如MBMS(多媒體廣播和組播業(yè)務(wù))在小區(qū)邊界可提供1bit/s/Hz的數(shù)據(jù)速率。8）向下兼容。支持已有的3G系統(tǒng)和非3GPP規(guī)范系統(tǒng)的協(xié)同運作。LTE成為移動通信技術(shù)演進的方向MME/S-GWMME/S-GWX2S1移動性管理服務(wù)網(wǎng)關(guān)MME/SGW與eNodeB的接口EPCE-UTRANeNodeB間的接口NodeBRNC+=eNodeBEPSeNodeBX2X2eNodeBeNodeBUu下行最大速率可達(dá)100Mbits/s上行最大速率可達(dá)50Mbits/s用戶面延遲小于5ms控制面延遲小于100ms靈活的多頻段配置先進的天線解決方案新的無線接入技術(shù)提綱TD-LTE主要關(guān)鍵技術(shù)TD-LTE技術(shù)的演進TD-SCDMA同TD-LTE關(guān)鍵技術(shù)比較OFDM及SC-FDMALTE-Advanced關(guān)鍵技術(shù)簡述MIMO多天線解決方案TD-LTE關(guān)鍵技術(shù)OFDM及SC-FDMAMIMO多天線解決方案TD-LTE關(guān)鍵技術(shù)TD-LTE多址技術(shù)采用OFDMA取代CDMA作為基本的多址技術(shù)下行多址技術(shù)采用CP-OFDMA上行多址技術(shù)采用SC-FDMA1、主要是3GPP大多數(shù)公司與知識產(chǎn)權(quán)等利益平衡的結(jié)果2、CDMA的頻譜效率并不低于OFDMA3、OFDMA可以更好、更簡單地實現(xiàn)5M以上，特別是20M以上系統(tǒng)帶寬4、OFDMA能夠更好地對抗多徑衰落1、采用經(jīng)典OFDMA技術(shù)1、相比于OFDMA具有較小的PAPR值，適用于功率較小的終端2、TD-LTE采用基于頻域生成的單載波方法——DFT擴展OFDM

（DFT-S-OFDM）作為具體實現(xiàn)方法。OFDM是TD-LTE區(qū)別于3G系統(tǒng)的最關(guān)鍵技術(shù)OFDM(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing)技術(shù)原理OFDM將頻域劃分為多個子信道，各相鄰子信道相互重疊，但不同子信道相互正交。將高速的串行數(shù)據(jù)流分解成若干并行的子數(shù)據(jù)流同時傳輸。采用循環(huán)前綴(CP)對抗符號間干擾OFDM符號持續(xù)時間<信道“相干時間”時，信道可以等效為“線性時不變”系統(tǒng)，降低信道時間選擇性衰落對傳輸系統(tǒng)的影響OFDM技術(shù)原理OFDM子載波的帶寬<信道“相干帶寬”時，可以認(rèn)為該信道是“非頻率選擇性信道”，所經(jīng)歷的衰落是“平坦衰落”單載波系統(tǒng)呈現(xiàn)頻率選擇性衰落OFDM系統(tǒng)對應(yīng)每個子載波呈現(xiàn)平坦衰落OFDM主要參數(shù)子載波間隔：子載波間隔越小，OFDM符號周期Tu越長，這樣CP開銷越小。15kHz，用于單播（unicast）和多播（

MBSFN）傳輸7.5kHz，僅僅可以應(yīng)用于獨立載波的MBSFN傳輸子載波數(shù)目：循環(huán)前綴長度：決定了OFDM系統(tǒng)的抗多徑能力和覆蓋能力。一個時隙中不同OFDM符號的循環(huán)前綴長度不同頻譜效率高OFDM采用多載波方式避免用戶的干擾，只是取得用戶間正交性的一種方式，“防患于未然”的一種方式。

CDMA采用等干擾出現(xiàn)后用信號處理技術(shù)將其消除，例如信道均衡、多用戶檢測等，以恢復(fù)系統(tǒng)的正交性相對單載波系統(tǒng)(CDMA)來說，多載波技術(shù)(OFDM)是更直接的實現(xiàn)正交傳輸?shù)姆椒◣挃U展性強-----決定性優(yōu)勢OFDM信道帶寬取決于子載波的數(shù)量。

CDMA只能通過提高碼片速率或者多載波方式支持更大帶寬，使得接收機復(fù)雜度大幅度上升?？苟鄰剿ヂ湎鄬τ贑DMA系統(tǒng)，OFDMA系統(tǒng)是實現(xiàn)簡單均衡接收機的最直接方式。OFDM技術(shù)的優(yōu)點頻域調(diào)度及自適應(yīng)OFDM可以實現(xiàn)頻域調(diào)度，相對CDMA來說靈活性更高?？梢栽诓煌念l帶采用不同的調(diào)制編碼方式，更好的克服頻率選擇性衰落。實現(xiàn)MIMO技術(shù)較簡單MIMO技術(shù)的關(guān)鍵：有效避免天線之間的干擾以區(qū)分多個數(shù)據(jù)流。平坦衰落信道中實現(xiàn)MIMO更容易，頻率選擇性信道中，IAI和ISI混合在一起，很難將MIMO接收和信道均衡區(qū)分開OFDM技術(shù)的優(yōu)點上行采用SC-FDMA的原因OFDM的峰均比較高，功放效率降低，導(dǎo)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(dǎo)致對終端電源效率提出越來越高的要求，而電池技術(shù)卻一直沒有突破性進展，因此對終端的節(jié)能技術(shù)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(shù)，以期降低PAPR，提高功放效率，延長電池壽命；DFT-S-OFDM可以認(rèn)為是SC-FDMA的頻域產(chǎn)生方式，是OFDM在IFFT調(diào)制前進行了基于傅立葉變換的預(yù)編碼。上行SC-FDMA多址方式SC-FDMA實現(xiàn)方式SC-FDMA是一種調(diào)制技術(shù)的合并，它將頻率靈活配置與OFDM的優(yōu)勢相結(jié)合同時又具有非常小的PAPR值。利用DFT-S-OFDM的特點可以方便的實現(xiàn)SC-FDMA多址接入方式DFT和IDFT在收端或發(fā)端總是成對出現(xiàn)

成對的DFT=>

單載波系統(tǒng)=>低的峰均比（PAPR）。SC-FDMA的實現(xiàn)方式通過改變不同用戶的DFT的輸出到IDFT輸入端的對應(yīng)關(guān)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)多用戶多址接入分為Localized單載波和Distributed單載波兩種，二者在進行DFT變換時子載波映射方式不同SC-FDMA的實現(xiàn)方式SC-FDMA同OFDMA的對比SC-FDMA同OFDMA的對比SC-FDMA實質(zhì)是將有限帶寬內(nèi)數(shù)據(jù)做了一個相應(yīng)的時域到頻域的頻譜搬移以上例中假設(shè)采用QPSK調(diào)制，載波數(shù)N=4SC-FDMA的不足SC-FDMA只能對于單用戶獲得低PAPR的意義，隨著用戶數(shù)增加將接近OFDM的方式，因此它下行鏈路中在此方面帶來的益處不大；SC-FDMA與OFDM技術(shù)相比較，在信道譯碼過程中無法利用信道信息。OFDMA及SC-FDMA性能比較鏈路級BLER比較。以上仿真結(jié)果引用廠商調(diào)研資料，僅作參考OFDMA及SC-FDMA性能比較PAPR及CM性能比較以上仿真結(jié)果引用廠商調(diào)研資料，僅作參考PAPR：峰值平均功率比CM：立方度量，表征功放功率效率的降低二者都是用來衡量傳輸技術(shù)對功放非線性的影響，LTE選用CM作為最準(zhǔn)確方式。TD-LTE關(guān)鍵技術(shù)OFDM及SC-FDMAMIMO多天線解決方案TD-LTE關(guān)鍵技術(shù)MIMO作為提高系統(tǒng)輸率的最主要手段，LTE確定MIMO天線個數(shù)的基本配置是下行2×2、上行1×2，但也在考慮4×4的高階天線配置。北電網(wǎng)絡(luò)（加拿大）的專利技術(shù)虛擬MIMO也被LTE采納作為提高小區(qū)邊緣數(shù)據(jù)速率和系統(tǒng)性能的主要手段。另外，LTE也正在考慮采用小區(qū)干擾抑制技術(shù)來改善小區(qū)邊緣的數(shù)據(jù)速率和系統(tǒng)容量。下行方向MIMO方案相對較多，根據(jù)2006年3月雅典會議報告，LTEMIMO下行方案可分為兩大類：發(fā)射分集和空間復(fù)用兩大類。MIMO信道容量MIMO信道容量MIMO信道容量本質(zhì)：等效多個正交并行子信道。MIMO信道容量特征：MIMO系統(tǒng)利用空間的維度能夠提升系統(tǒng)的極限容量MIMO系統(tǒng)極限容量等于多個并行子信道容量之和MIMO系統(tǒng)的極限容量和空間相關(guān)性有關(guān)，空間相關(guān)性越高，MIMO信道容量越小下行公共天線端口LTE系統(tǒng)可以支持單天線（1x）、雙天線（2x）以及4天線（4x）發(fā)送，從而提供不同級別的傳輸分集和空間復(fù)用增益。專用天線端口以及靈活的天線端口映射技術(shù)，LTE系統(tǒng)可以支持更多發(fā)送天線，比如8天線發(fā)送，從而提供傳輸分集、空間復(fù)用增益同時，提供波束賦形增益。MIMO配置上行目前，LTE系統(tǒng)上行僅支持單天線發(fā)送?？梢圆捎锰炀€選擇技術(shù)提供空間分集增益SC-FDMA及其實現(xiàn)方式。下行多天線技術(shù)傳輸分集SFBCSFBC+FSTD閉環(huán)Rank1預(yù)編碼空間復(fù)用開環(huán)空間復(fù)用閉環(huán)空間復(fù)用MU-MIMO波束賦形TD-LTE系統(tǒng)的多天線技術(shù)實現(xiàn)方式上行多天線技術(shù)上行傳輸天線選擇(TSTD)MU-MIMO發(fā)送接收分集多天線分集技術(shù)與單天線系統(tǒng)直觀相比并沒有增加系統(tǒng)吞吐量，但是由于改善了性能指標(biāo)從而可以通過提高編碼率和降低重傳率提高系統(tǒng)容量。多天線分集技術(shù)有很好的抗衰落功能，尤其在信道散射豐富、多根天線之間相關(guān)性不高的時候，抗衰落性能會更高，因此對于天線間距要求一般大于4倍波長，而當(dāng)信道相關(guān)較大的時候則只能提高信噪比，無法對抗衰落信道。多天線技術(shù)——傳輸分集多天線技術(shù)——空分復(fù)用基于預(yù)編碼的空分復(fù)用在空間復(fù)用傳輸之前，多個數(shù)據(jù)流使用一個線性的預(yù)編碼矩陣或者向量進行預(yù)編碼操作在發(fā)送天線與接收天線相等的情況下，預(yù)編碼操作可以正交化多個并行的傳輸，增加不同數(shù)據(jù)流之間的隔離度進一步，在發(fā)送天線數(shù)目大于接收天線數(shù)目的情況下，預(yù)編碼操作還可以獲得波束賦形增益/傳輸分集增益開環(huán)空間復(fù)用——Large-delayCDDeNodeB周期地分配不同的Precoding碼字到不同的數(shù)據(jù)子載波中。其中每m個子載波用不同的Precoding碼字，m為Rank數(shù)。Large-delayCDD方案只用于Rank>1支持Rank1和開環(huán)空間復(fù)用的動態(tài)Rank自適應(yīng)不需要PMI反饋，兩個碼子的CQI沒有空間差異多天線技術(shù)——空分復(fù)用閉環(huán)空間復(fù)用eNodeB需要進行數(shù)據(jù)預(yù)編碼系統(tǒng)從預(yù)定義的碼本中選擇最適合的Precoding矩陣，預(yù)定義碼本同時保存在eNodeB和UE中UE在評估信道質(zhì)量的基礎(chǔ)上，選擇該時刻最適合的Precoding矩陣，并將矩陣索引發(fā)送給eNodeB預(yù)編碼碼本預(yù)編碼目的：改善SNR，減少干擾反饋內(nèi)容：CQI：信道質(zhì)量指示，包括寬帶和窄帶PMI：預(yù)編碼矩陣指示多天線技術(shù)——空分復(fù)用碼本方案可適用于不同的天線配置相關(guān)天線和非相關(guān)天線陣列交叉極化和線性天線陣列eNB采用雙極化8天線陣列下行UE2天線接收，上行輪流發(fā)射上行eNB8天線接收，下行采用EBB算法實現(xiàn)波束賦形單流方案一8天線Beamforming方案二8天線2x2MIMO同極化的4天線組成某一子陣，即Ant1~Ant4和Ant5~Ant8分別構(gòu)成兩個子陣子陣內(nèi)采用廣播波束賦形兩個子陣間實現(xiàn)MIMO雙流抗干擾能力強邊緣用戶速率有保障BF與MIMO結(jié)合TD-LTE多天線方案雙極化8天線中Ant1/Ant4/Ant5/Ant8為間距最大的交叉極化4天線4天線實現(xiàn)MIMO雙流方案三4x2MIMO自適應(yīng)切換準(zhǔn)則：基于吞吐率最大原則根據(jù)信道相關(guān)性瞬時值、信干比等信息，分別估算BF和雙流MIMO傳輸方式下各自的瞬時吞吐量，并采用瞬時吞吐量較高的一種方式方案四自適應(yīng)MIMO/BF相關(guān)性弱有利于實現(xiàn)MIMO自適應(yīng)選擇，有利于發(fā)揮MIMO/BF性能優(yōu)勢總的來說，雙流，甚至是多流波束賦性將是未來TD-LTE多天線技術(shù)的主要發(fā)展方向。雙流波束賦形技術(shù)不僅可以提高小區(qū)中心用戶的吞吐量，而且可以提高小區(qū)邊緣的用戶的服務(wù)感受。TD-LTE多天線方案多MIMO方案應(yīng)用場景室