移動(dòng)通信理論與實(shí)戰(zhàn)LTE通信系統(tǒng)

移動(dòng)通信理論與實(shí)戰(zhàn)LTE通信系統(tǒng)第1頁/共73頁課程內(nèi)容LTE概述LTE系統(tǒng)架構(gòu)與協(xié)議棧LTE關(guān)鍵技術(shù)LTE物理層設(shè)計(jì)LTE中的語音業(yè)務(wù)LTE-Advanced的增強(qiáng)技術(shù)第2頁/共73頁LTE概述LTE（LongTermEvolution長期演進(jìn)）是第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)的演進(jìn)改進(jìn)并增強(qiáng)了3G的空中接入技術(shù)；采用OFDM和MIMO作為其無線網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)的標(biāo)準(zhǔn)；持續(xù)演進(jìn)至LTE-Advanced(簡寫為LTE-A)，可實(shí)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(shí)延；第3頁/共73頁LTE概述LTE開發(fā)進(jìn)程及特征技術(shù)第4頁/共73頁課程內(nèi)容LTE概述LTE系統(tǒng)架構(gòu)與協(xié)議棧LTE關(guān)鍵技術(shù)LTE物理層設(shè)計(jì)LTE中的語音業(yè)務(wù)LTE-Advanced的增強(qiáng)技術(shù)第5頁/共73頁LTE網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)——SAE網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)扁平化E-UTRAN只有一種節(jié)點(diǎn)網(wǎng)元—E-NodeB全I(xiàn)PRNC+NodeB=eNodeB媒體面控制面分離第6頁/共73頁eNodeB功能eNodeB具有現(xiàn)有3GPPR5/R6/R7的NodeB功能和大部分的RNC功能，包括物理層功能（HARQ等），MAC，RRC，調(diào)度，無線接入控制，移動(dòng)性管理等等。LTE網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)RNCNodeBeNodeBE-UTRAN采用由NodeB構(gòu)成的單層結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)有利于簡化網(wǎng)絡(luò)和減少時(shí)延，實(shí)現(xiàn)了低時(shí)延、低復(fù)雜度和低成本的要求。第7頁/共73頁LTE網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)互通重點(diǎn)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-MME第8頁/共73頁LTE網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)核心網(wǎng)EPCMME（MobilityManagementEntity）負(fù)責(zé)處理用戶業(yè)務(wù)的信令，完成移動(dòng)用戶的管理，并與eNodeB、HSS和SGW等設(shè)備進(jìn)行交互，從而實(shí)現(xiàn)用戶鑒權(quán)、漫游控制、網(wǎng)關(guān)選擇、承載管理等功能。SGW（ServingGateWay業(yè)務(wù)網(wǎng)關(guān)）負(fù)責(zé)處理用戶面的業(yè)務(wù)，完成移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的承載，并與eNodeB、MME和PGW等設(shè)備進(jìn)行交互。PGW（PDNGateWayPDN網(wǎng)關(guān)）負(fù)責(zé)與PDN（Internet）接口，并與PCRF和PGW等設(shè)備進(jìn)行交互，從而實(shí)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(zhuǎn)發(fā)、策略控制執(zhí)行等功能。SGW和PGW可以在一個(gè)物理節(jié)點(diǎn)或不同物理節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)，第9頁/共73頁LTE網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)核心網(wǎng)EPCHSS（HomeSubscribersServer）HLR的升級，負(fù)責(zé)存儲用戶的關(guān)鍵信息，提供移動(dòng)性管理、鑒權(quán)、用戶簽約等功能。PCRF（PolicyandChargingRulesFunction）策略控制及計(jì)費(fèi)服務(wù)器，用于控制服務(wù)質(zhì)量QoS和資源管控。第10頁/共73頁LTE接口協(xié)議架構(gòu)eNodeB完成接入層的功能，非接入層的信令透傳；白色框內(nèi)為控制面功能實(shí)體；藍(lán)色框內(nèi)為無線協(xié)議層第11頁/共73頁LTE接口協(xié)議架構(gòu)空中接口用戶面

主要完成用戶數(shù)據(jù)的報(bào)頭壓縮、加密、調(diào)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(gè)層次，這些子層在網(wǎng)絡(luò)側(cè)均終止于eNodeB實(shí)體。第12頁/共73頁LTE接口協(xié)議架構(gòu)空中接口控制面

負(fù)責(zé)系統(tǒng)的連接建立、無線資源管理、移動(dòng)性管理及安全性管理等。從網(wǎng)絡(luò)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(diǎn)。

第13頁/共73頁LTE接口協(xié)議架構(gòu)S1接口第14頁/共73頁課程內(nèi)容LTE概述LTE系統(tǒng)架構(gòu)與協(xié)議棧LTE關(guān)鍵技術(shù)LTE物理層設(shè)計(jì)LTE中的語音業(yè)務(wù)LTE-Advanced的增強(qiáng)技術(shù)第15頁/共73頁LTE物理層多址方式什么是OFDM？OFDM:正交頻分復(fù)用OFDM（OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing）是一種多載波傳輸方式。第16頁/共73頁LTE物理層多址方式下行多址技術(shù)方案-OFDMA是傳統(tǒng)的基于CP的OFDM技術(shù)。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(dòng)終端之間共享可以看成是一種OFDM+FDMA+TDMA技術(shù)相結(jié)合的多址接入方式第17頁/共73頁FDMAVS.OFDMA第18頁/共73頁LTE物理層多址方式下行OFDMA接入導(dǎo)頻信號、CP的作用？IFFT的作用？第19頁/共73頁下行OFDMA接入需要考慮的幾個(gè)問題相鄰子載波間的間隔有多少？（多普勒）給定頻帶內(nèi)能放置幾個(gè)子載波？(效率)OFDM時(shí)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)性能第20頁/共73頁下行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(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)勢，并支持更靈活的頻域調(diào)度及信道自適應(yīng)技術(shù)，但也存在著較高的峰均比(PAPR)、對時(shí)間同步和頻率偏差敏感及小區(qū)間干擾嚴(yán)重等缺陷，需要相應(yīng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)予以調(diào)整和優(yōu)化。第21頁/共73頁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(shù)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(jī)電源效率降低；終端的配置越來越多，功能越來越強(qiáng)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(jìn)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(shí)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(jìn)行了基于傅立葉變換的預(yù)編碼。第22頁/共73頁上行SC-FDMA接入實(shí)現(xiàn)方式——DFT-S-OFDMDFT-S-OFDM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(shí)又具有非常小的PAPR值第23頁/共73頁上行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(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(shí)現(xiàn)多用戶多址接入?；贒FTS-OFDM的集中式、分布式頻分多址第24頁/共73頁OFDMVS.SC-FDMASC-FDMA實(shí)質(zhì)是將有限帶寬內(nèi)數(shù)據(jù)做了一個(gè)相應(yīng)的時(shí)域到頻域的頻譜搬移第25頁/共73頁上行SC-FDMA接入LTE系統(tǒng)上行SC-FDMA的參數(shù)配置第26頁/共73頁MIMO多天線技術(shù)MIMO多天線技術(shù)在收發(fā)兩端采用多根天線，分別同時(shí)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(shí)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；第27頁/共73頁MIMO多天線技術(shù)第28頁/共73頁MIMO多天線技術(shù)下行MIMOLTER8/R9版本中MIMO技術(shù)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(fù)用增益。而專用天線端口以其靈活的天線端口映射技術(shù)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(fù)用增益的同時(shí)，提供波束賦形增益。上行MIMOR8版本中MIMO技術(shù)上行基本天線配置為1*2，即1天線發(fā)送和2天線接收；第29頁/共73頁MIMO傳輸模式(TM)第30頁/共73頁課程內(nèi)容LTE概述LTE系統(tǒng)架構(gòu)與協(xié)議棧LTE關(guān)鍵技術(shù)LTE物理層設(shè)計(jì)LTE中的語音業(yè)務(wù)LTE-Advanced的增強(qiáng)技術(shù)第31頁/共73頁LTE物理幀結(jié)構(gòu)雙工方式

FDD上行傳輸和下行傳輸在不同的載波頻段上進(jìn)行；

TDD上行傳輸和下行傳輸在相同的載波頻段上進(jìn)行基站/終端在不同的時(shí)間進(jìn)行信道的發(fā)送/接收或者接收/發(fā)送；第32頁/共73頁LTE物理幀結(jié)構(gòu)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(jìn)行廣播上行信道帶寬大小通過系統(tǒng)信息（SIB）進(jìn)行廣播子載波間隔15kHz，用于單播（unicast）和多播（MBSFN）傳輸7.5kHz，僅僅可以應(yīng)用于獨(dú)立載波的MBSFN傳輸?shù)?3頁/共73頁LTE物理幀結(jié)構(gòu)FDD-LTE幀結(jié)構(gòu)---幀結(jié)構(gòu)類型FS1一個(gè)長度為10ms的無線幀由10個(gè)長度為1ms的子幀構(gòu)成；每個(gè)子幀由兩個(gè)長度為0.5ms的時(shí)隙構(gòu)成；每個(gè)時(shí)隙中有數(shù)據(jù)符號和CP組成；常規(guī)CP，每個(gè)時(shí)隙的符號數(shù)為7個(gè)；擴(kuò)展CP，每個(gè)時(shí)隙的符號數(shù)為6個(gè)；第34頁/共73頁LTE物理幀結(jié)構(gòu)TDD-LTE幀結(jié)構(gòu)——幀結(jié)構(gòu)類型FS2一個(gè)長度為10ms的無線幀由2個(gè)長度為5ms的半幀構(gòu)成每個(gè)半幀由4個(gè)常規(guī)子幀和1個(gè)特殊子幀構(gòu)成，長度均為1ms常規(guī)子幀：由兩個(gè)長度為0.5ms的時(shí)隙構(gòu)成特殊子幀：由DwPTS、GP以及UpPTS構(gòu)成第35頁/共73頁LTE物理幀結(jié)構(gòu)TDD幀結(jié)構(gòu)——特殊子幀符號配置DwPTS+GP+UpPTS==14個(gè)OFDM符號特殊子幀配置NormalCPDwPTSGPUpPTS031011941210313112141211539269327102281112第36頁/共73頁LTE物理幀結(jié)構(gòu)TDD幀結(jié)構(gòu)－上下行配置支持5ms和10ms上下行切換點(diǎn)子幀0、5和DwPTS總是用于下行發(fā)送，2固定上行；第37頁/共73頁FDDVS.TDD第38頁/共73頁FDDVS.TDD第39頁/共73頁LTE物理資源無線幀OFDM符號天線端口基本時(shí)間單位時(shí)隙-slot子幀物理資源接收機(jī)用來區(qū)分資源在空間上的差別；端口與實(shí)際物理天線端口沒有一一對應(yīng)的關(guān)系第40頁/共73頁資源單位最小的資源單位，時(shí)域上為1個(gè)符號，頻域上為1個(gè)子載波RE(ResourceElement)資源粒子REG(ResourceElementGroup)RB(ResourceBlock)資源塊CCE(ChannelControlElement)RBG(ResourceBlockGroup)資源單位業(yè)務(wù)信道的資源單位，時(shí)域上為1個(gè)時(shí)隙，頻域上為12個(gè)子載波為控制信道資源分配的資源單位，由4個(gè)RE組成為PDCCH資源分配的資源單位，由9個(gè)REG組成為業(yè)務(wù)信道資源分配的資源單位，由一組RB組成第41頁/共73頁物理資源塊第42頁/共73頁LTE信道與物理信號第43頁/共73頁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(shí)頻同步；SSS：10ms定時(shí)同步，與小區(qū)ID組一一對應(yīng)，范圍0-167PSS：5ms定時(shí)同步，與組內(nèi)ID號一一對應(yīng)，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(kuò)展CP識別第44頁/共73頁下行參考信號小區(qū)專用參考信號(Cell-SpecificReferenceSignal，CRS)類似于CDMA的導(dǎo)頻信號，用于終端的信道估計(jì)，以實(shí)現(xiàn)對下行傳輸?shù)南嚓P(guān)解調(diào)；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(chǔ)。UE專用參考信號(UE-SpecificReferenceSignal，UE-RS)可用于波束賦形時(shí)下行鏈路共享信道的信道估計(jì)及相關(guān)解調(diào)。MBSFN參考信號：多播/組播單頻網(wǎng)絡(luò)參考信號(MultimediaBroadcastmulticastserviceSingleFrequencyNetworkReferenceSignal，MBSFNRS)只在MBSFN子幀發(fā)送，用于MBSFN的信道估計(jì)和相關(guān)解調(diào)。第45頁/共73頁上行參考信號上行數(shù)據(jù)解調(diào)參考信號(DeModulationReferenceSignal，DMRS)主要用于上行信道估計(jì)，即eNB是在對上行物理信道(PUSCH和PUCCH)的相干解調(diào)進(jìn)行信道估計(jì)時(shí)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(zhì)量測量。上行探測參考信號(SoudingReferenceSignal，SRS)主要被網(wǎng)絡(luò)用于估計(jì)不同頻率的上行信道質(zhì)量，從而在上行鏈路中進(jìn)行頻率選擇性調(diào)度。此外，SRS還具有初始化調(diào)制和編碼方案選擇、為傳輸數(shù)據(jù)而進(jìn)行的初始化功率控制、定時(shí)提前及頻率半選擇性調(diào)度等功能。第46頁/共73頁物理信道一般處理流程LTE下行物理信道的基本處理過程第47頁/共73頁LTE物理層過程第48頁/共73頁小區(qū)搜索與同步第49頁/共73頁隨機(jī)接入獲得唯一的C-RNTI——小區(qū)無線網(wǎng)絡(luò)臨時(shí)標(biāo)識第50頁/共73頁隨機(jī)接入信道PRACHPreamble碼隨機(jī)接入前導(dǎo)碼共64個(gè)，PRACH信道在每個(gè)子幀只能配置一個(gè)，則在無沖突的情況下，每個(gè)小區(qū)最多可支持64個(gè)UE同時(shí)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(shí)頻資源上傳輸preamble；短Preamble碼——TD系統(tǒng)獨(dú)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(yīng)的小區(qū)半徑從14km到100km不等；第51頁/共73頁隨機(jī)接入信道PRACH

時(shí)間長度序列長度小區(qū)半徑使用范圍preamble01ms800μs<14.53km小、中型小區(qū)preamble12ms800μs<77.34km大型小區(qū)preamble22ms1600μs<29.53km中型小區(qū)preamble33ms1600μs<100.16km超大型小區(qū)Preamble4(僅TDD)157.292μs133μs<1.4km短距離覆蓋Preamble碼隨機(jī)接入前導(dǎo)碼每個(gè)小區(qū)最多可支持64個(gè)UE同時(shí)接入；第52頁/共73頁隨機(jī)接入隨機(jī)接入前導(dǎo)(Preamble)的發(fā)送隨機(jī)接入響應(yīng)隨機(jī)接入過程Preamble當(dāng)UE收到eNB的廣播信息需要接入時(shí)，從序列集中隨機(jī)選擇一個(gè)preamble序列發(fā)給eNB,然后根據(jù)不同的前導(dǎo)序列來區(qū)分不同的UE.第53頁/共73頁競爭的隨機(jī)接入流程適用于初始接入0~53preamble碼，UE申請，系統(tǒng)隨機(jī)分配；第54頁/共73頁非競爭的隨機(jī)接入流程適用于切換或有下行數(shù)據(jù)到達(dá)且需要重新建立上行同步時(shí)54~63preamble碼，系統(tǒng)直接指定給UE；第55頁/共73頁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)間干擾功率控制第56頁/共73頁課程內(nèi)容LTE概述LTE系統(tǒng)架構(gòu)與協(xié)議棧LTE關(guān)鍵技術(shù)LTE物理層設(shè)計(jì)LTE中的語音業(yè)務(wù)LTE-Advanced的增強(qiáng)技術(shù)第57頁/共73頁過渡方案——CSFBCSFB(CircuitSwitchedFallBack，電路交換回落)終端優(yōu)選LTE網(wǎng)絡(luò)駐留，而使用CS語音回落技術(shù)將LTE網(wǎng)絡(luò)的語音業(yè)務(wù)(包括主叫和被叫)轉(zhuǎn)移至傳統(tǒng)的2G或3G網(wǎng)絡(luò)的電路域承載。在CSFB中，LTE網(wǎng)絡(luò)只參與了部分呼叫建立過程，并不參與語音傳遞第58頁/共73頁過渡方案——單卡雙待機(jī)終端支持雙待，可同時(shí)駐留在LTE和2G/3G網(wǎng)絡(luò)。語音、短信等電路域業(yè)務(wù)承載于2G/3G網(wǎng)絡(luò)電路域；數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)則優(yōu)先選擇承載于LTE，若無LTE覆蓋，則由2G/3G網(wǎng)絡(luò)分組域承載。常見的有：SGLTE(SimultaneousGSMandLTE)SVLTE(SimultaneousVoiceandLTE)第59頁/共73頁目標(biāo)方案——VoLTE/SRVCC技術(shù)VoLTE(VoiceoverLTE)由IP多媒體子系統(tǒng)(IPMultimediaSubsystem，IMS)承載的語音業(yè)務(wù)。第60頁/共73頁LTE中的語音業(yè)務(wù)第61頁/共73頁課程內(nèi)容LTE概述LTE系統(tǒng)架構(gòu)與協(xié)議棧LTE關(guān)鍵技術(shù)LTE物理層設(shè)計(jì)LTE中的語音業(yè)務(wù)LTE-Advanced的增強(qiáng)技術(shù)第62頁/共73頁TD-LTE-Advanced第63頁/共73頁TD-LTE-Advanced增強(qiáng)技術(shù)載波聚合載波聚合（CarrierAggregation,CA）通過聯(lián)合調(diào)度和使用多個(gè)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(shí)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(gè)成員載波的帶寬都不大于LTE系統(tǒng)所支持的上限(20MHz)；第64頁/共