4G-LTE研究課件講義整理

LTE羅貴舟電子與信息工程LTE羅貴舟AgendaLTE技術(shù)概述LTE關(guān)鍵技術(shù)LTE組網(wǎng)技術(shù)AgendaLTE技術(shù)概述AgendaLTE技術(shù)概述LTE關(guān)鍵技術(shù)LTE組網(wǎng)技術(shù)AgendaLTE技術(shù)概述LTE技術(shù)概述LTE技術(shù)概述LTE技術(shù)概述LTE(LongTermEvolution)：長(zhǎng)期演進(jìn)。它是由3GPP主導(dǎo)的第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)的演進(jìn)，是3G到4G的過渡技術(shù)。 問題： 為什么3G還未普及，4G就開始出現(xiàn)了？ LTE到底是演進(jìn)還是革命？LTE技術(shù)概述LTE(LongTermEvolutioLTE技術(shù)概述LTE技術(shù)指標(biāo)：

(1)通信速率得到極大提高，下行峰值速率為100Mbps、上行為50Mbps。 (2)提高了頻譜效率，下行鏈路5(bit/s)/Hz，(3--4倍于R6版本的HSDPA);上行鏈路2.5(bit/s)/Hz，是R6版本HSU-PA的2--3倍。 (3)以分組域業(yè)務(wù)為主要目標(biāo)，系統(tǒng)在整體架構(gòu)上將基于分組交換。 (4)QoS保證，通過系統(tǒng)設(shè)計(jì)和嚴(yán)格的QoS機(jī)制，保證實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)(如VoIP)的服務(wù)質(zhì)量。 (5)系統(tǒng)部署靈活，能夠支持1.25MHz-20MHz間的多種系統(tǒng)帶寬。保證了將來在系統(tǒng)部署上的靈活性。LTE技術(shù)概述LTE技術(shù)指標(biāo)：LTE技術(shù)概述 (6)降低無線網(wǎng)絡(luò)時(shí)延：子幀長(zhǎng)度0.5ms和0.675ms，解決了向下兼容的問題并降低了網(wǎng)絡(luò)時(shí)延，用戶平面時(shí)延可達(dá)<5ms，控制平面<100ms。 (7)增加了小區(qū)邊界比特速率，在保持目前基站位置不變的情況下增加小區(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)強(qiáng)調(diào)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(yùn)作。 與3G相比，LTE更具技術(shù)優(yōu)勢(shì)，具體體現(xiàn)在：高數(shù)據(jù)速率、分組傳送、延遲降低、廣域覆蓋和向下兼容。LTE技術(shù)概述 (6)降低無線網(wǎng)絡(luò)時(shí)延：子幀長(zhǎng)度0.5ms和LTE技術(shù)概述LTE特點(diǎn)： (1)改進(jìn)并增強(qiáng)了3G的空中接口 (2)采用OFDM和MIMO作為無線網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)的標(biāo)準(zhǔn) (3)在20MHz的頻譜帶寬能夠?yàn)樘峁┫滦?00Mbps與上行50Mpbs的速率 (4)改善了小區(qū)邊緣用戶的性能，提高小區(qū)容量和降低系統(tǒng)延遲LTE技術(shù)概述LTE特點(diǎn)：AgendaLTE技術(shù)概述LTE關(guān)鍵技術(shù)LTE組網(wǎng)技術(shù)AgendaLTE技術(shù)概述OFDM技術(shù)概述OFDM（OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing）屬于調(diào)制復(fù)用技術(shù)，它把系統(tǒng)帶寬分成多個(gè)的相互正交的子載波，在多個(gè)子載波上并行數(shù)據(jù)傳輸。各個(gè)子載波的正交性是由基帶IFFT實(shí)現(xiàn)的。由于子載波帶寬較?。?5kHz），多徑時(shí)延將導(dǎo)致符號(hào)間干擾ISI，破壞子載波之間的正交性，為此，在OFDM符號(hào)間插入保護(hù)間隔，通常采用循環(huán)前綴CP（CyclicPrefix）來實(shí)現(xiàn)。OFDM技術(shù)概述OFDM技術(shù)OFDM的意義OFDM具有很多能滿足E-UTRAN需求的優(yōu)點(diǎn)，是B3G和4G的核心技術(shù)之一。因此在3GPP制定LTE標(biāo)準(zhǔn)的過程中，OFDM技術(shù)被采納并寫入標(biāo)準(zhǔn)中。OFDM是一種調(diào)制復(fù)用技術(shù)，相應(yīng)的多址接入技術(shù)為OFDMA，用于LTE的下行。OFDMA其實(shí)是TDMA和FDMA的結(jié)合。相對(duì)應(yīng)，LTE的上行采用SC-FDMA多址接入技術(shù)，其調(diào)制復(fù)用是通過DFT-Spread-OFDM實(shí)現(xiàn)的。CDMA多載波頻譜不重疊，需要留有保護(hù)帶OFDMA子載波頻譜重疊，頻譜利用率高FreqFreqF1F2F3F4F5F6F7F1F2F3F4F5F6F7OFDM技術(shù)OFDM的意義CDMA多載波頻譜不重疊，需要留有OFDM技術(shù)：下行接入技術(shù)OFDMAOFDMA的優(yōu)點(diǎn)頻譜分配方式靈活，能適應(yīng)1.4MHz~20MHz的帶寬范圍配置。由于OFDM子載波間正交復(fù)用，不需要保護(hù)帶，頻譜利用率高；合理配置循環(huán)前綴CP，能有效克服無線環(huán)境中多徑干擾引起的ISI，保證小區(qū)內(nèi)用戶間的相互正交，改善小區(qū)邊緣的覆蓋；支持頻率維度的鏈路自適應(yīng)和調(diào)度，對(duì)抗信道的頻率選擇性衰落，獲得多用戶分集增益，提高系統(tǒng)性能；子載波帶寬在10KHz的數(shù)量級(jí)，每個(gè)子載波經(jīng)歷的是頻譜的平坦衰落，使得接收機(jī)的均衡容易實(shí)現(xiàn)；OFDM容易和MIMO技術(shù)相結(jié)合。OFDMA的缺點(diǎn)對(duì)時(shí)域和頻域的同步要求高。子載波間隔小，系統(tǒng)對(duì)頻率偏移敏感，收發(fā)兩端晶振的不一致也會(huì)引起ICI，頻偏估計(jì)不精確會(huì)導(dǎo)致信號(hào)檢測(cè)性能下降；移動(dòng)場(chǎng)景中多普勒頻移引起的頻偏同樣會(huì)導(dǎo)致ICI，需要設(shè)置合理的頻率同步參數(shù)；OFDM的峰均功率比PAPR高，對(duì)功放的線性度和動(dòng)態(tài)范圍要求很高。OFDM技術(shù)：下行接入技術(shù)OFDMAOFDMA的優(yōu)點(diǎn)OFDMOFDM技術(shù)：上行接入技術(shù)SC-FDMASC-FDMA的特點(diǎn)受終端電池容量和成本的限制，上行需要采用PAPR比較低的調(diào)制技術(shù)，提高功放的效率。LTE的上行采用SC-FDMA（SingleCarrierFrequencyDivisionMultipleAccessing），能夠靈活實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)頻帶分配，其調(diào)制是通過DFT-S-OFDM（DiscreteFourierTransformSpreadOFDM）技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。DFT-S-OFDM類似于OFDM，每個(gè)用戶占用系統(tǒng)帶寬中的某一部分，占用帶寬大小取決于用戶的需求和系統(tǒng)調(diào)度結(jié)果。與傳統(tǒng)單載波技術(shù)相比，DFT-S-OFDM中不同用戶占用相互正交的子載波，用戶之間不需要保護(hù)帶，具有更高的頻率利用效率。OFDM技術(shù)：上行接入技術(shù)SC-FDMASC-FDMA的特點(diǎn)OFDM技術(shù)下行時(shí)頻域上的多用戶分布上行時(shí)頻域上的多用戶分布OFDM技術(shù)下行時(shí)頻域上的多用戶分布上行時(shí)頻域上的多用戶分布MIMO技術(shù)MIMO（Multiple-InputMultiple-Out-put，多輸入多輸出）MIMO技術(shù)的基本出發(fā)點(diǎn)是將用戶數(shù)據(jù)分解為多個(gè)并行的數(shù)據(jù)流，在指定的帶寬內(nèi)由多個(gè)發(fā)射天線上同時(shí)刻發(fā)射，經(jīng)過無線信道后，由多個(gè)接收天線接收，并根據(jù)各個(gè)并行數(shù)據(jù)流的空間特性，利用解調(diào)技術(shù)，最終恢復(fù)出原數(shù)據(jù)流。MIMO技術(shù)MIMO（Multiple-InputMultMIMO技術(shù)下行MIMOLTE下行支持MIMO技術(shù)進(jìn)行空間維度的復(fù)用?？臻g復(fù)用支持單用戶SU-MIMO模式或者多用戶MU-MIMO模式。SU-MIMO和MU-MIMO都支持通過Pre-coding的方法來降低或者控制空間復(fù)用數(shù)據(jù)流之間的干擾，從而改善MIMO技術(shù)的性能。SU-MIMO中，空間復(fù)用的數(shù)據(jù)流調(diào)度給一個(gè)單獨(dú)的用戶，提升該用戶的傳輸速率和頻譜效率。MU-MIMO中，空間復(fù)用的數(shù)據(jù)流調(diào)度給多個(gè)用戶，多個(gè)用戶通過空分方式共享同一時(shí)頻資源，系統(tǒng)可以通過空間維度的多用戶調(diào)度獲得額外的多用戶分集增益。MU-MIMOMIMO技術(shù)下行MIMOMU-MIMOMIMO技術(shù)上行MIMO受限于終端的成本和功耗，實(shí)現(xiàn)單個(gè)終端上行多路射頻發(fā)射和功放的難度較大。因此，LTE正研究在上行采用多個(gè)單天線用戶聯(lián)合進(jìn)行MIMO傳輸?shù)姆椒?，稱為Virtual-MIMO調(diào)度器將相同的時(shí)頻資源調(diào)度給若干個(gè)不同的用戶，每個(gè)用戶都采用單天線方式發(fā)送數(shù)據(jù)，系統(tǒng)采用一定的MIMO解調(diào)方法進(jìn)行數(shù)據(jù)分離。采用Virtual-MIMO方式能同時(shí)獲得MIMO增益以及功率增益（相同的時(shí)頻資源允許更高的功率發(fā)送），而且調(diào)度器可以控制多用戶數(shù)據(jù)之間的干擾。同時(shí)，通過用戶選擇可以獲得多用戶分集增益。Virtual-MIMOMIMO技術(shù)上行MIMOVirtual-MIMOMIMO技術(shù)MIMO信號(hào)處理過程：MIMO技術(shù)MIMO信號(hào)處理過程：MIMO技術(shù)MIMO的優(yōu)點(diǎn)：通過多流技術(shù)提升系統(tǒng)吞吐量。MIMO的不足：在小區(qū)邊緣，由于小區(qū)間干擾的影響，吞吐量急劇下降，甚至出現(xiàn)覆蓋空洞。 如何減弱小區(qū)間干擾，保障連續(xù)覆蓋，保障小區(qū)邊緣用戶的服務(wù)質(zhì)量是LTE組網(wǎng)性能研究的一個(gè)關(guān)鍵問題！ 波束賦形(Beam-forming)：可以給有用信號(hào)帶來最大增益，有效地減少多徑效應(yīng)所帶來的影響，同時(shí)達(dá)到對(duì)干擾信號(hào)刪除和抑制的目的，從而獲得SNR增益和減少同頻、鄰頻干擾MIMO技術(shù)MIMO的優(yōu)點(diǎn)：通過多流技術(shù)提升系統(tǒng)吞吐量。MIMO技術(shù)MIMO技術(shù)AgendaLTE技術(shù)概述LTE關(guān)鍵技術(shù)LTE組網(wǎng)技術(shù)AgendaLTE技術(shù)概述LTE組網(wǎng)技術(shù)MME/S-GWMME/S-GWX2S1移動(dòng)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網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架：LTE組網(wǎng)技術(shù)MME/S-GWMME/S-GWX2SLTE組網(wǎng)技術(shù)LTE的主要網(wǎng)元LTE的接入網(wǎng)E-UTRAN由e-NodeB組成，提供用戶面和控制面。LTE的核心網(wǎng)EPC由MME，S-GW和P-GW組成。LTE的網(wǎng)絡(luò)接口e-NodeB間通過X2接口相互連接，支持?jǐn)?shù)據(jù)和信令的直接傳輸。S1接口連接e-NodeB與核心網(wǎng)EPC。其中，S1-MME是e-NodeB連接MME的控制面接口，S1-U是e-NodeB連接S-GW的用戶面接口。LTE組網(wǎng)技術(shù)LTE的主要網(wǎng)元LTE組網(wǎng)技術(shù)e-NodeB的主要功能包括：無線資源管理功能，即實(shí)現(xiàn)無線承載控制、無線許可控制和連接移動(dòng)性控制，在上下行鏈路上完成UE上的動(dòng)態(tài)資源分配（調(diào)度）；用戶數(shù)據(jù)流的IP報(bào)頭壓縮和加密；UE附著狀態(tài)時(shí)MME的選擇；實(shí)現(xiàn)S-GW用戶面數(shù)據(jù)的路由選擇；執(zhí)行由MME發(fā)起的尋呼信息和廣播信息的調(diào)度和傳輸；完成有關(guān)移動(dòng)性配置和調(diào)度的測(cè)量和測(cè)量報(bào)告。MME的主要功能包括：

NAS(Non-AccessStratum)非接入層信令的加密和完整性保護(hù)；AS(AccessStratum)接入層安全性控制、空閑狀態(tài)移動(dòng)性控制；EPS(EvolvedPacketSystem)承載控制；支持尋呼，切換，漫游，鑒權(quán)。S-GW的主要功能包括：分組數(shù)據(jù)路由及轉(zhuǎn)發(fā)；移動(dòng)性及切換支持；合法監(jiān)聽；計(jì)費(fèi)。P-GW的主要功能包括：分組數(shù)據(jù)過濾；UE的IP地址分配；上下行計(jì)費(fèi)及限速。LTE組網(wǎng)技術(shù)e-NodeB的主要功能包括：MME的主要功能LTE的協(xié)議棧介紹LTE協(xié)議棧的兩個(gè)面：用戶面協(xié)議棧：負(fù)責(zé)用戶數(shù)目傳輸控制面協(xié)議棧：負(fù)責(zé)系統(tǒng)信令傳輸用戶面的主要功能：頭壓縮加密調(diào)度ARQ/HARQ用戶面協(xié)議棧

控制面協(xié)議棧

控制面的主要功能：RLC和MAC層功能與用戶面中的功能一致PDCP層完成加密和完整性保護(hù)RRC層完成廣播，尋呼，RRC連接管理，資源控制，移動(dòng)性管理，UE測(cè)量報(bào)告控制NAS層完成核心網(wǎng)承載管理，鑒權(quán)及安全控制LTE組網(wǎng)技術(shù)LTE的協(xié)議棧介紹LTE協(xié)議棧的兩個(gè)面：用戶面協(xié)議?？刂泼嫖锢韺訜o線幀結(jié)構(gòu)（1）LTE共支持兩種無線幀結(jié)構(gòu)：類型1，適用于頻分雙工FDD類型2，適用于時(shí)分雙工TDDFDD類型無線幀結(jié)構(gòu)：LTE采用OFDM技術(shù)，子載波間隔為

f=15kHz，2048階IFFT，則幀結(jié)構(gòu)的時(shí)間單位為Ts=1/(2048*15000)秒FDD類型無線幀長(zhǎng)10ms，含有10個(gè)子幀，每幀含有20個(gè)時(shí)隙，每時(shí)隙為0.5ms。普通CP配置下，一個(gè)時(shí)隙包含7個(gè)連續(xù)的OFDM符號(hào)（Symbol）FDD類型無線幀結(jié)構(gòu)資源塊的概念：LTE具有時(shí)域和頻域的資源，資源分配的最小單位是資源塊RB（ResourceBlock），RB由RE（ResourceElement）組成，如右圖示RE是二維結(jié)構(gòu)，由時(shí)域符號(hào)（Symbol）和頻域子載波（Subcarrier）組成RB是進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)物理資源分配的最小單元。物理層無線幀結(jié)構(gòu)（1）LTE共支持兩種無線幀結(jié)構(gòu)：FDD類型TDD類型無線幀結(jié)構(gòu)：同樣采用OFDM技術(shù)，子載波間隔和時(shí)間單位均與FDD相同。幀結(jié)構(gòu)與FDD類似，每個(gè)10ms幀由10個(gè)1ms的子幀組成；子幀包含2個(gè)0.5ms時(shí)隙。10ms幀中各個(gè)子幀的上下行分配策略可以設(shè)置。如右邊表格所示。DL/UL子幀分配Uplink-downlinkconfigurationDownlink-to-UplinkSwitch-pointpe