TDLTE原理及关键技术V.2.0.0.ppt

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1、1,TD-LTE原理及关键技术,了解LTE的网络架构掌握物理层帧结构理解TD-LTE的三个核心技术理解TD-LTE物理层过程,TD-LTE技术原理与系统设计 人民邮电出版社3GPP长期演进技术原理与系统设计 人民邮电出版社,TD-LTE原理及关键技术,TD-LTE概述,TD-LTE 核心技术,帧结构和物理信道映射,TD-LTE物理层过程,TD-LTE面临的挑战,2,1 TD-LTE概述,LTE技术演进,TD-LTE原理及关键技术,2,1 TD-LTE概述,什么是TD-LTELTE=Long Term Evolution=长期演进，是3GPP指定的下一代无线通信标准。TD-LTE=LTE的TDD

2、模式。LTE是以OFDM为核心的技术，为了降低用户面延迟，取消了无线网络控制器（RNC），采用了扁平网络架构。与其说是3G技术的“演进”（evolution），不如说是“革命”（revolution）。,TD-LTE原理及关键技术,3,1 TD-LTE概述,TD-LTE原理及关键技术,4,1 TD-LTE概述,LTE技术创新频分多址系统下行OFDM：用户在一定时间内独享一段“干净”的带宽上行SC-FDMA：具有单载波特性的改进OFDM系统（低峰平比）MIMO（多天线技术）下行MIMO：发射分集：空间复用：波束赋形：空间多址：上行MIMO：空间多址：扁平网络取消RNC（中央控制节点），只保留一层

3、RAN节点eNodeBNodeB和核心网采用基于IP路由的灵活多重连接S1-flex接口相邻eNodeB采用Mesh连接X2接口,TD-LTE原理及关键技术,5,1 TD-LTE概述,E-UTRAN扁平网络架构,TD-LTE原理及关键技术,扁平的网络架构，减少设备投入 减少接口数量，IP的网络接口 增强的端到端QoS,TD-LTE原理及关键技术,TD-LTE概述,TD-LTE 核心技术,帧结构和物理信道映射,TD-LTE物理层过程,TD-LTE面临的挑战,2,2 TD-LTE核心技术,TD-LTE的3个核心技术OFDM/SC-FDMAMIMO干扰协调技术,TD-LTE原理及关键技术,2 TD-

4、LTE核心技术,OFDM是一种新技术吗？不是OFDM（正交频分复用）的本质就是一个频分系统，而频分是无线通信最朴素的实现方式多采用几个频率并行发送，实现宽带传输生活中的频分系统,TD-LTE原理及关键技术,2 TD-LTE核心技术,OFDM是一种新技术吗？是传统FDM系统中，载波之间需要很大的保护带，频谱效率很低。OFDM系统允许载波之间紧密相临，甚至部分重合，可以实现很高的频谱效率子载波。如何做到这一点？依赖FFT（快速傅立叶变换）为什么直到最近20年才逐渐实用？有赖于数字信号处理（DSP）芯 片的发展。,TD-LTE原理及关键技术,2 TD-LTE核心技术,OFDM发射机原理框图,TD-L

5、TE原理及关键技术,OFDM的两个基本特征,2 TD-LTE核心技术,OFDM技术的优势：抵抗多径衰落,TD-LTE原理及关键技术,2 TD-LTE核心技术,OFDM技术的优势：抵抗频率选择性衰落化零为整，简化接收机的信道均衡操作,TD-LTE原理及关键技术,2 TD-LTE核心技术,OFDM技术的优势：插入CP应对符号间干扰,TD-LTE原理及关键技术,2 TD-LTE核心技术,为什么LTE采用OFDM技术,TD-LTE原理及关键技术,2 TD-LTE核心技术,MIMO技术基本原理在发送端和接收端均使用多根天线进行数据的发送和接收；在发送端每根（/多根）天线上发送不同的数据比特；在多散射体的

6、无线环境中，来自每个发射天线的信号在每个接收天线中是不相关的，并在接收机端利用这种不相关性对多个天线发送的数据进行区分和检测；可以产生多个并行的信道，并且每个信道上传递的数据不同，从而提高信道容量,TD-LTE原理及关键技术,MIMO技术的分类,空间分集（Spatial Diversity）,利用较大间距的天线阵元之间或赋形波束之间的不相关性，发射或接收一个数据流，避免单个信道衰落对整个链路的影响。,波束赋形（Beamforming）,利用较小间距的天线阵元之间的相关性，通过阵元发射的波之间形成干涉，集中能量于某个（或某些）特定方向上，形成波束，从而实现更大的覆盖和干扰抑制效果。,空分复用（S

7、patial Multiplexing）,利用较大间距的天线阵元之间或赋形波束之间的不相关性，向一个终端/基站并行发射多个数据流，以提高链路容量（峰值速率）。,空分多址（SDMA）,利用较大间距的天线阵元之间或赋形波束之间的不相关性，向多个终端并向发射数据流，或从多个终端并行接收数据流，以提高用户容量。,46,2 TD-LTE核心技术,TD-LTE原理及关键技术,2 TD-LTE核心技术,复用和多址概念,TD-LTE原理及关键技术,多址：强调如何复用多个用户的数据,复用：不强调复用的多个数据流用于一个用户还是多个,2.3LTE的核心技术,复用和多址概念,TD-LTE原理及关键技术,空间分集基本

8、原理：,47,2 TD-LTE核心技术,STBC,SFBC,LTE系统中在2天线端口发送情况下的传输分集技术确定为SFBC,空间分集的分类：空时/频块码（STBC/SFBC）空时块码方式在第一根天线上传输原始信号，而在第二根天线上，以两个符号为一组变换信号的传输顺序，并进行共轭和/或取反的操作。如果上述符号对应的是不同子载波上的符号，而不是时域上的符号，即空频块码,2 TD-LTE核心技术,空间复用基本原理：,50,2 TD-LTE核心技术,2 TD-LTE核心技术,空间复用单码字空间复用多码字空间复用一般来说空间复用要求在发送端的不同天线上发送多个编码的数据流,TD-LTE原理及关键技术,波

9、束赋形基本原理：,利用较小间距的天线阵元之间的相关性（天线间距通常为/2），通过阵元发射的波之间形成干涉，集中能量于某个（或某些）特定方向上，形成波束，从而实现更大的覆盖和干扰抑制效果。,56,2 TD-LTE核心技术,2 TD-LTE核心技术,基于波束赋形的空间复用,TD-LTE原理及关键技术,空分多址的原理：,利用较大间距的天线阵元之间或赋形波束之间的不相关性，向多个终端并向发射数据流，或从多个终端并行接收数据流，以提高用户容量。,又可以称为多用户MIMO（MU-MIMO），相对单用户MIMO（SU-MIMO），空分多址可以获得更大的多用户分集增益，也更适合于用户数量较多，数据率较低的情况

10、（如提高VoIP用户容量）。,62,2 TD-LTE核心技术,2 TD-LTE核心技术,SDMA下行空分多址：基站将多个空间复用流分给多个终端，使其可以共享相同的时频资源。上行空分多址：多个终端共享相同的时频资源向基站发送。,TD-LTE原理及关键技术,2 TD-LTE核心技术,MIMO天线技术优势,TD-LTE原理及关键技术,2 TD-LTE核心技术,LTE多天线处理层映射(Layer Mapping)预编码(Precoding)资源映射（RE Mapping）天线端口映射（Antenna Port mapping）,TD-LTE原理及关键技术,2 TD-LTE核心技术,LTE多天线处理模式

11、之间根据RRC消息进行半静态转换如根据业务和天线配置模式内由调度器进行动态转换如根据信道反馈,TD-LTE原理及关键技术,2 TD-LTE核心技术,小区间干扰协调技术多小区相互协调，限制边缘用户资源分配对于边缘用户，让不同小区的边缘用户在时频资源上相互错开，从而达到避免相互的强干扰。避免和降低干扰，保证边缘覆盖速率干扰协调技术分类 静态干扰协调半静态干扰协调动态干扰协调,TD-LTE原理及关键技术,2 TD-LTE核心技术,静态频率复用技术在最初网络规划时，就实现规划好边缘用户的可用资源，对相邻小区的边缘用户可用的资源进行错开，这是网络规划时就可以规划的,TD-LTE原理及关键技术,优缺点：不

12、需要X2交互信息不能根据小区中心用户和边缘用户比例，系统负荷情况对资源进行调整，频率利用率比较低,2 TD-LTE核心技术,静态频率复用技术小区中心用户可以使用全部频率资源，边缘用户只能使用规划的部分频率资源。边缘用户的可用资源集合通知给调度模块，以便调度在分配资源时进行频率资源PRB的分配。相邻小区之间不需要交互信息，实现简单。在网络初时规划的时候就可以确定。不能动态灵活的改变边缘用户的频率资源，边缘可用资源不能随负荷或UE移动灵活设置,TD-LTE原理及关键技术,2 TD-LTE核心技术,小区间干扰协调技术从资源协调的周期来看静态干扰协调 半静态干扰协调 动态干扰协调。从复杂度上来看静态干

13、扰协调 半静态干扰协调 动态干扰协调。从性能提升上来看（理论分析）静态干扰协调 半静态干扰协调 动态干扰协调。,TD-LTE原理及关键技术,TD-LTE原理及关键技术,TD-LTE概述,TD-LTE 核心技术,帧结构和物理信道映射,TD-LTE物理层过程,TD-LTE面临的挑战,2,物理层概述,TD-LTE原理及关键技术,支持频分双工（FDD）和时分双工（TDD）两种模式；,LTE物理层的多址方案：下行采用OFDM,上行采用SC-FDMA；,基于分组交换思想，使用共享信道；,主要特征,支持多输入多输出（MIMO）传输。,3 帧结构和物理信道映射,7,传输信道的纠错编码/译码,HARQ软合并,编

14、码的传输信道向物理信道映射,物理信道功率加权,无线特征测量，并向高层提供指示,频率与时间同步,MIMO天线处理,传输信道的错误检测，并向高层提供指示,物理信道调制与解调,射频处理（射频相关规范）,物理层概述,TD-LTE原理及关键技术,2.3 帧结构和物理信道映射,8,支持的信道1.4MHz，3.0MHz，5MHz，10MHz，15MHz以及20MHz带宽下行信道带宽大小通过主广播信息（MIB）进行广播 上行信道带宽大小通过系统信息（SIB）进行广播,TD-LTE原理及关键技术,3 帧结构和物理信道映射,9,2.3 帧结构和物理信道映射,FDD帧结构一个长度为10ms的无线帧由10个长度为1m

15、s的子帧构成；每个子帧由两个长度为0.5ms的时隙构成；,TD-LTE原理及关键技术,10,3 帧结构和物理信道映射,TDD帧结构一个长度为10ms的无线帧由2个长度为5ms的半帧构成 每个半帧由5个长度为1ms的子帧构成 常规子帧：由两个长度为0.5ms的时隙构成 特殊子帧：由DwPTS、GP以及UpPTS构成 支持5ms和10ms DLUL切换点周期,TD-LTE原理及关键技术,11,3 帧结构和物理信道映射,TDD帧结构-上下行配置,TD-LTE原理及关键技术,12,3 帧结构和物理信道映射,TDD帧结构-特殊子帧配置,TD-LTE原理及关键技术,13,无线帧,OFDM符号,天线端口,基

16、本时间单位,时隙-slot,子帧,物理资源,接收机用来区分资源在空间上的差别，包括三类天线端口：CRS：天线端口03MBSFN：天线端口4DRS：天线端口5,3 帧结构和物理信道映射,物理资源概念,TD-LTE原理及关键技术,14,资源单位RE对于每一个天线端口，一个OFDM或者SC-FDMA符号上的一个子载波对应的一个单元叫做资源单元；资源单位RB一个时隙中，频域上连续的宽度为180kHz的物理资源称为一个资源块；,TD-LTE原理及关键技术,3 帧结构和物理信道映射,15,3 帧结构和物理信道映射,资源单元组控制区域中RE集合，用于映射下行控制信道 每个REG中包含4个数据RE控制信道单元

17、（CCE）36RE，9REG组成,TD-LTE原理及关键技术,下行物理信道,PBCH：物理广播信道调制方式：QPSK,PDSCH：物理下行共享信道调制方式：QPSK,16QAM,64QAM,PCFICH：物理控制格式指示信道调制方式：QPSK,PMCH：物理多播信道调制方式：QPSK,16QAM,64QAM,PDCCH：物理下行控制信道调制方式：QPSK,下行物理信道,PHICH：物理HARQ指示信道调制方式：BPSK,下行物理信道一般处理流程,下行物理信道,加扰,调制,层映射,预编码,RE映射,OFDM信号产生,物理广播信道PBCH：PBCH传送的系统广播信息包括下行系统带宽（4bit）、S

18、FN子帧号（8bit）、PHICH（3bit）指示信息等；PBCH的RE映射；,常规CP,扩展CP,下行物理信道,物理控制格式指示信道PCFICH：PCFICH用于指示在一个子帧中传输PDCCH所使用的OFDM个数 CFI：2bit信息 1/16编码，QPSK调制 PCFICH映射到控制区域的第一个OFDM符号上的4个REG上 第一个REG的位置取决于小区id 4个REG之间相差1/4带宽,下行物理信道,物理HARQ指示信道PHICH PHICH用于承载HARQ应答信息；多个PHICH叠加之后可以映射到同一个PHICH group，一个PHICH group对应于12RE；对于TDD，不同子帧

19、中的PHICH group数目不同；,下行物理信道,PHICH信道的RE映射 PHICH group的物理资源映射 PHICH长度分为两个等级，其所占用的OFDM符号个数如下表所示 一个PHICH group由3部分组成，分别映射到一个REG上,具体频域位置取决于-小区id PHICH group序号-所在OFDM符号中的REG数目-以及PHICH扩展长度的大小,PHICH扩展长度为2的子帧 PHICH扩展长度为3的子帧,下行物理信道,物理下行控制信道PDCCH：PDCCH用于承载资源分配信息，包括功率控制信息等;逻辑映射一个PDCCH是一个或者几个连续CCE的集合；根据PDCCH中包含CCE

20、的个数，可以将PDCCH分为如下图四种格式；物理映射多个用户的PDCCH进行复用和加扰等操作，映射到没有用于传输PCFICH和PHICH的REG上。,下行物理信道,物理下行共享信道PDSCH:PDSCH用于承载Unicast数据信息没有专用导频时，按照PBCH同样的端口映射Port 组合0 0,1 0,1,2,3发射专用导频时，按照port 5 映射 PDSCH资源分配优先级最低，只能占用其他信道/信号不用的RB;物理多播信道PMCH：用于承载Multicast数据信息；对于混合载波（PMCH+PDSCH）时，PMCH在MBSFN子帧传输；MBSFN子帧概念前1 or 2 符号可以用于unic

21、ast;其他符号用于Multicast业务,下行物理信道,确定唯一的物理小区id；,下行信道质量测量；下行信道估计，用于UE端的相干检测和解调；小区搜索；,同步信号,参考信号,主同步信号 辅同步信号,小区专用参考信号 MBSFN参考信号终端专用的参考信号,下行物理信号,同步信号,FS1，常规CP,FS2，常规CP,下行物理信号,同步信号序列 主同步信号使用Zadoff-Chu序列；共有3个PSS序列，每个对应一个小区ID：辅同步信号使用的序列由两个长度为31的二进制序列通过交织级联产生，并且使用由主同步信号序列决定的加扰序列进行加扰，长度为31的二进制序列以及加扰序列都由m序列产生；,下行物理

22、信号,共有168组SSS序列，与小区ID组序号 一一对应,小区专用参考信号,常规CP,下行物理信号,1,R,F,o,u,r,a,n,t,e,n,n,a,p,o,r,t,s,even,-,numbered slots,odd,-,numbered slots,Antenna port,0,even,-,numbered slots,odd,-,numbered slots,Antenna port,1,even,-,numbered slots,odd,-,numbered slots,Antenna port,2,even,-,numbered slots,odd,-,numbered slo

23、ts,Antenna port,3,小区专用参考信号,常规CP,下行物理信号,1,R,F,o,u,r,a,n,t,e,n,n,a,p,o,r,t,s,even,-,numbered slots,odd,-,numbered slots,Antenna port,0,even,-,numbered slots,odd,-,numbered slots,Antenna port,1,even,-,numbered slots,odd,-,numbered slots,Antenna port,2,even,-,numbered slots,odd,-,numbered slots,Antenna

24、port,3,小区专用参考信号,扩展CP,下行物理信号,MBSFN参考信号,扩展CP，15kHz,扩展CP，7.5kHz,下行物理信号,终端专用参考信号,扩展CP,扩展CP，7.5kHz,下行物理信号,PUSCH：物理控制格式指示信道调制方式：QPSK,16QAM,64QAM,PRACH:物理随机接入信道调制方式：QPSK,PUCCH：物理上行控制信道调制方式：QPSK,下行物理信道,上行物理信道,上行物理共享信道PUSCH：,用于承载上行业务数据；上行资源只能选择连续的PRB，并且PRB个数满足2、3、5的倍数；在RE映射时，PUSCH映射到子帧中的数据区域上；PUSCH的基带信号产生的流程

25、：,上行物理信道,加扰,调制,传输预编码,RE映射,SC-FDMA信号产生,上行物理控制信道PUCCH：,上行物理信道,PUCCH格式：,PUCCH format 1/1a/1b结构,常规CP,扩展CP,上行物理信道,PUCCH format 1/1a/1b RE映射 1比特SR信息经过序列扩展和正交复用，形成96个比特，映射到PUCCH format 1中的数据部分 1比特ACK/NACK信息，经过BPSK调制，序列扩展和正交复用，形成96个符号，映射到PUCCH format 1a中的数据部分 2比特ACK/NACK信息，经过QPSK调制，序列扩展和正交复用，形成96个符号，映射到PUCC

26、H format 1b中的数据部分 参考信号序列经过正交复用后，映射到PUCCH format 1/1a/1b中的参考信号部分,PUCCH format 1/1a/1b的具体映射RB位置与其序号，PUCCH带宽以及时隙位置有关,上行物理信道,PUCCH format 2/2a/2b 结构,常规CP,扩展CP,上行物理信道,PUCCH format 2/2a/2b RE映射 20比特CQI信息经过QPSK调制，形成10个符号，经过序列扩展之后形成120个符号，映射到PUCCH format 2/2a/2b中的数据部分 1比特ACK/NACK信息，经过BPSK调制，形成1个符号，经过与参考信号相乘

27、之后形成为12个符号，映射到PUCCH format 2a中每个时隙中的第二个RS上 2比特ACK/NACK信息，经过QPSK调制，形成1个符号，经过与参考信号相乘之后形成为12个符号，映射到PUCCH format 2a中每个时隙中的第二个RS上 参考信号序列经过正交复用后，映射到PUCCH format 2/2a/2b中的参考信号部分,LTE支持一个PRB上，format1/1a/1b与format2/2a/2b混合存在,PUCCH format 2/2a/2b的具体映射RB位置与其序号以及时隙位置有关根据序号从小到大一次映射到m=0，m=1，m=2的RB上,上行物理信道,上行物理随机接入

28、信道PRACH：时域结构 Preamble:CP+Sequence Preamble之后需要预留保护间隔（GT）,小区中间用户发送Preamble,小区边缘用户发送Preamble,上行物理信道,序列产生 Preamble使用Zadoff-Chu序列产生 序列长度 Preamble format 03：839 Preamble format 4：139频域结构 一个PRACH占用6个RB Preamble信号采用的子载波间隔与上行其它SC-FDMA符号不同 Preamble format 03：1250Hz Preamble format 4:7500Hz,Preamble format 03

29、,Preamble format 4,上行物理信道,PRACH 格式 根据时域结构、频域结构以及序列长度的不同，可以将Preamble分为 如下五种格式:,Preamble格式4在帧结构2中的UpPTS域中传输,上行物理信道,上行物理信号,上行信道估计，用于eNodeB端的相干检测和解调；上行信道质量测量；,参考信号,解调用参考信号(DRS)探测用参考信号(SRS),PUSCH 解调用参考信号,常规CP,扩展CP,上行物理信号,PUCCH 解调用参考信号,上行物理信号,探测用参考信号,上行物理信号,对上行信道质量进行估计，用于上行信道调度,TD-LTE原理及关键技术,TD-LTE概述,TD-L

30、TE 核心技术,帧结构和物理信道映射,TD-LTE物理层过程,TD-LTE面临的挑战,2,TD-LTE原理及关键技术,为什么要进行小区搜索,完成UE与基站之间的时间和频率的同步，并识别小区id；,完成小区初搜后，UE接收基站发出系统信息；,小区搜索是UE接入系统的第一步，关系到能否快速，准确的接入系统。,4 TD-LTE物理层过程,4 TD-LTE物理层过程,小区搜索过程,TD-LTE原理及关键技术,5ms 定时，获得,计算得到,读取MIB,读取SIB,主同步信号,辅同步信号,PBCH,DBCH,其他系统信息,公共天线端口数目（盲检）SFN下行系统带宽 PHICH配置信息,为什么要进行随机接入

31、过程,TD-LTE原理及关键技术,UE通过随机接入与基站进行信息交互，完成后续如呼叫，资源请求，数据传输等操作；,实现与系统的上行时间同步；,随机接入的性能直接影响到用户的体验，能够适应各种应用场景、快速接入、容纳更多用户的方案；,4 TD-LTE物理层过程,4 TD-LTE物理层过程,TD-LTE原理及关键技术,随机接入前导(Preamble)的发送,随机接入响应,随机接入过程,Preamble,当UE收到eNB的广播信息需要接入时，从序列集中随机选择一个preamble序列发给eNB,然后根据不同的前导序列来区分不同的UE.,4 TD-LTE物理层过程,竞争的随机接入一般用于初始接入,TD

32、-LTE原理及关键技术,步骤一：终端发送随机接入Preamble。,步骤二：基站在DL-SCH上发送随机接入响应。,步骤三：终端在UL-SCH上进行第一次被调度的传输。传输的信息根据发起随机接入的原因而不同。,步骤四：基站使用DL-SCH发送竞争解决消息。终端通过比较第四步中接收到的消息id与第三步中发送的id进行比较，如果两者一致，认为接入成功。此时，在步骤一中使用相同的Preamble而发生冲突的用户，并在第二步中被分配相同的临时指示的用户中，只有可一个能够接入成功。,4 TD-LTE物理层过程,无竞争的随机接入适用于切换或有下行数据到达，需要建立上行同步时一般用于初始接入,TD-LTE原

33、理及关键技术,1.基站根据此时的业务需求，给UE分配一个特定的preamble序列。（该序列不是基站在广播信息中广播的随机接入序列组）2.UE接收到信令指示后，在特定的时频资源发送指定的preamble序列 3.基站接收到随机接入preamble序列后，发送随机接入响应。进行后续的信令交互和数据传输。,TD-LTE原理及关键技术,TD-LTE概述,TD-LTE 核心技术,帧结构和物理信道映射,TD-LTE物理层过程,TD-LTE面临的挑战,2,5 LTE面临的挑战,无线资源的深度挖掘频域扩展：大宽带解决方案不同带宽，统一处理空域扩展真正的自适应MIMO全面的模式，统一框架,TD-LTE原理及关

34、键技术,网络结构的简化层次简化网络对用户来说：更近、更快、更简单、更透明。横向灵活互联全IP路由，移动性操作层面下放，更优化的局域漫游切换。,5 LTE面临的挑战,LTE面临的挑战LTE标准定义了比3G标准具备更强的能力，但同时也对设备研发带来了更大挑战：OFDM/SC-FDMA的挑战MIMO技术的挑战组网技术的挑战更充沛的时、频、空域资源、更灵活（某种程度上说“过于灵活”了）的系统设计蕴含了更强大的技术潜力，但能否很好的利用这些资源，为我们资源管理算法提出了挑战：MIMO模式选择及实现问题LTE在同频组网方面相对3G系统面临更大挑战LTE测试的挑战,TD-LTE原理及关键技术,5 LTE面临的挑战,LTE的进一步演进LTE-Advanced的目的主要是满足IMT-Advanced的需求，占领更长期演进的制高点。LTE-A的技术核心仍然是LTE（强兼容），只是在外延上继续创新。LTE LTE-A类似于HSPA 多载波HSPA+的关系：频域扩展：20MHz n20MHz空域扩展：8天线，CoMP、Relay细节技术完善,TD-LTE原理及关键技术,140,