LTE原理及關鍵技術

1、目錄1. 系統(tǒng)架構32. 工作頻段43. 無線協(xié)議接口64. 上行/下行信道.75. 物理層幀結構96. 上下行時隙比例配置107. 傳輸帶寬118. 資源分組129. 理論數(shù)據(jù)速率計算1310. MIMO技術141系統(tǒng)架構 MME：移動管理實體，負責控制面功能，如非接入層信令的加密、完整性保護和安全控制，并對空閑狀態(tài)下的移動臺進行移動性管理， S-GW：服務網(wǎng)關，負責用戶面功能，如終止用戶面數(shù)據(jù)包及用戶平面切換 P-GW：分組數(shù)據(jù)網(wǎng)關，終結和外部數(shù)據(jù)網(wǎng)絡（如互聯(lián)網(wǎng)、IMS等）的SGi接口，是EPS錨點，即3GPP與non-3GPP網(wǎng)絡間的用戶面數(shù)據(jù)鏈路的錨點 eNodeB（eNB）：演進型節(jié)

2、點B，具有3GPP R5/R6/R7的Node B功能和大部分RNC功能（接入層功能） 演進型通用陸基無線接入網(wǎng)（E-UTRAN）僅由eNodeB組成，取消了RNC 演進型分組核心網(wǎng)（EPC）由MME和S-GW組成 演進后的系統(tǒng)僅存在分組交換域，取消了電路交換域 eNodeB之間通過X2接口互連 eNodeB通過用戶面接口S1-GW與S-GW相連 eNodeB通過S1-MME接口與MME相連2. 工作頻段TD-LTE要求支持頻段38：25702620MHz要求支持頻段39：18801920MHz要求支持頻段40：23002400MHzTD-SCDMA要求支持頻段34：20102025MHz要求

3、支持頻段39：18801920MHzFDD-LTE要求支持頻段7：上行25002570MHz，下行26202690MHz載波頻點Fc=Flow+0.1*（Nearfcn-Noffs）EARFCN（E-UTRA Absolute Radio Frequency Channel Number）的序號范圍為0655352570-2620對應的EARFCN為37750-38249Fc =2570+0.1（37750-37750）= 2570Fc =2570+0.1（38249-37750）= 2619.9信道柵格是指用于調(diào)整LTE載波頻率位置的最小單位。E-UTRA規(guī)范規(guī)定信道柵格為100KHz。所以

4、中心頻點是100KHz的整數(shù)倍。UMTS使用的信道柵格為200KHz。目前實驗室里LTE的RRU的工作頻段是2575MHz2615MHz，若是2個小區(qū)一組可以按20M帶寬規(guī)劃，即中心頻點配成2585MHz和2605MHz。若是4個小區(qū)一組可以按10M帶寬規(guī)劃，即中心頻點配成2580MHz、2590MHz、2600MHz和2610MHz?！菊惨恪浚篢D-LTE底層技術OFDM，在每個TTI內(nèi)使用最多20MHz頻域（100RB）的資源承載數(shù)據(jù)符號，由于考慮到系統(tǒng)容量盡量采用20MHz帶寬組網(wǎng)，可配的中心頻點不多，所以實際組網(wǎng)中不可避免遇到很多同頻組網(wǎng)。實際上eNodeB側(cè)有類似的調(diào)度算法，考慮小區(qū)

5、中心及邊緣的用戶遠近，比如兩個小區(qū)邊緣處對不同用戶在分配資源的時候會盡量錯開頻域資源比如UE1分配在靠近中心RB的資源，UE2分配在靠近邊緣RB的資源，這樣大家在同TTI下的頻域是錯開的，防止同頻干擾。再則就算異頻組網(wǎng)，由于TD-LTE與TDS不同的是，TDS是工作在各載波中心頻點下的時分系統(tǒng)，TD-LTE是OFDM使用整個頻帶內(nèi)的資源，無法簡單的從中心頻點錯開就能認為可以錯開所有的同頻干擾，關鍵看網(wǎng)側(cè)那邊優(yōu)化。不過室內(nèi)因為小區(qū)間地域上沒有足夠空間距離，如果同頻組網(wǎng)，干擾肯定比室外要大。3. 無線協(xié)議接口在LTE中真正實現(xiàn)了控制和承載相分離，控制信令通過MME進行交互，而業(yè)務則通過S-GW與e

6、NodeB進行交互?？刂破矫嬷饕撠煂o線接口的管理和控制，包括RRC協(xié)議、數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議(PDCP/RLC/MAC)和物理層協(xié)議。用戶平面主要為數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議和物理層協(xié)議，主要完成頭壓縮、加密、調(diào)度、ARQ和HARQ等功能。控制平面協(xié)議棧用戶平面協(xié)議棧 NAS層主要負責提供對非接入層部分的控制和管理，主要功能包括EPS承載管理，鑒權，EPS連接管理模式空閑狀態(tài)（ECM-IDLE）下的移動性管理，負責產(chǎn)生ECM-IDLE 狀態(tài)下UE的尋呼，安全控制等。 RRC層主要負責對接入層的控制和管理，完成廣播、尋呼、RRC連接管理、RB控制、移動性管理、UE測量報告和控制功能。RRC分為RRC_IDLE

7、和RRC_CONNECTED兩個狀態(tài)。 數(shù)據(jù)鏈路層被分為MAC、RLC和PDCP三個子層，MAC子層為RLC子層提供邏輯信道級的服務，PDCP子層為上層提供無線承載級的服務。在控制平面負責無線承載信令的傳輸，加密和完整性保護，在用戶平面負責用戶業(yè)務數(shù)據(jù)的傳輸和加密。 物理層為數(shù)據(jù)鏈路層提供數(shù)據(jù)傳輸功能，通過傳輸信道為MAC子層提供相應的服務。4. 上行/下行信道1）邏輯信道 MAC向RLC以邏輯信道的形式提供服務 BCCH：廣播控制信道，下行 PCCH：尋呼控制信道，下行 CCCH：公共控制信道，上行和下行，UE和網(wǎng)絡間無RRC連接時傳輸控制信息 DCCH：專用控制信道，上行和下行，點對點的雙

8、向信道，存在RRC連接時使用 MCCH：多播控制信道，下行，點到多點 DTCH：專用業(yè)務信道，上行和下行，針對單個用戶，點到點 MTCH：多播業(yè)務信道，發(fā)送下行MBMS業(yè)務（多媒體廣播組播功能），點到多點2）傳輸信道 MAC以傳輸信道的形式使用物理層提供的服務 BCH：廣播信道，下行 PCH：尋呼信道，下行 DL-SCH：下行共享信道，下行，使用HARQ傳輸 MCH：多播信道，下行 RACH：隨機接入信道，支持HARQ傳輸 UL-SCH：上行共享信道3）物理信道 為MAC層和高層提供信息傳輸?shù)姆丈闲形锢硇诺?PUSCH：物理上行共享信道，傳輸上行數(shù)據(jù)，包括業(yè)務數(shù)據(jù)和高層信令等。調(diào)制方式：QP

9、SK，16QAM，64QAM PRACH：物理隨機接入信道，用于UE上行接入同步或上行數(shù)據(jù)到達時的資源請求。調(diào)制方式：QPSK PUCCH：物理上行控制信道，傳輸上行控制信息，主要包括CQI和ACK。調(diào)制方式：QPSK下行物理信道 PDSCH：物理下行共享信道，傳輸數(shù)據(jù)信息，包括業(yè)務數(shù)據(jù)和高層信令等信息。調(diào)制方式：QPSK，16QAM，64QAM PMCH：物理多播信道，傳輸多播信息。調(diào)制方式：QPSK，16QAM，64QAM PDCCH：物理下行控制信道，傳輸與特定PSDCH相關的配置和控制信息（HARQ信令，功控命令，RB分配，AMC配置）。調(diào)制方式：QPSK PBCH：物理廣播信道，傳輸

10、小區(qū)廣播信息。調(diào)制方式：QPSK PCFICH：物理控制格式指示信道，2bit信息（1,2,3,4），傳輸用于控制信道PDCCH的OFDM符號個數(shù)。調(diào)制方式：BPSK PHICH：物理HARQ指示信道，傳輸PUSCH的ACK/NACK信息。調(diào)制方式：QPSK4）參考信道上行參考信號： 解調(diào)參考信號（DM-RS）：與PUSCH或PUCCH相關聯(lián)，用作求取信道估計矩陣，在eNodeB端幫助PUSCH或PUCCH進行解調(diào) 探測參考信號（SRS）：與PUSCH或PUCCH不關聯(lián)，用作上行信道質(zhì)量的估計與信道選擇，計算上行信道的SINR下行參考信號： 小區(qū)專用參考信號（CRS）：用于除了不基于碼本的波束

11、賦形技術之外的所有下行傳輸技術的信道估計和相關解調(diào)。對應天線端口03 MBSFN參考信號：用于MBSFN的信道估計和相關解調(diào)。對應天線端口4 UE專用參考信號（DM-RS）：用于不基于碼本的波束賦形技術的信道估計和相關解調(diào)。對應天線端口5 定位參考信號（PRS）： 信道狀態(tài)信息參考信號（CSI-RS）：用來進行信道狀態(tài)估計（CQI/PMI/RI）5. 物理層幀結構基本時間單位Ts = 1/（15000x2048）s = 32.55ns無線幀長度Tf=307200Ts =10ms1）幀結構類型1（FDD）每個無線幀長度為10ms由20個時隙組成，編號019，每個時隙大小0.5ms每個無線子幀由兩

12、個連續(xù)時隙組成，大小1ms2）幀結構類型2（TDD）每個無線幀長度為10ms由兩個長度為5ms（153600Ts）的半幀構成每個半幀包含5個長度為1ms（30720Ts）的子幀，編號04和59每個半幀包含8個常規(guī)時隙和DwPTS、GP和UpPTS三個特殊時隙每個常規(guī)時隙長度為0.5ms（15360Ts）DwPTS、GP和UpPTS三個時隙的總長度為1ms，其時隙長度可以配置6. 上下行時隙比例配置TDD-LTE支持5ms和10ms的上下行子幀切換周期5ms切換周期中，兩個半幀均包含特殊子幀（DwPTS/GP/UpPTS）10ms切換周期中，特殊子幀只存在與第一個半幀子幀0和子幀5以及DwPTS

13、總是用于下行傳輸DwPTS之前的子幀為下行，UpPTS之后的子幀為上行特殊子幀的配置表（單位：OFDM/SC-FDMA符號）7. 傳輸帶寬E-UTRAN系統(tǒng)支持6種信道帶寬：1.4MHz，3MHz，5MHz，10MHz，15MHz，20MHz傳輸帶寬 = 子載波寬度（15KHz） 每個RB的子載波數(shù)目（12） RB數(shù)目例如20MHz的信道帶寬，RB數(shù)目=100實際的傳輸帶寬 = 15KHz 12 100 = 18MHz8. 資源分組 對于每一個天線端口，一個OFDM或者SC-FDMA符號上的一個子載波對應的一個單元稱為資源粒子RE 一個時隙中，頻域上連續(xù)的寬度為180KHz的物理資源稱為一個資

14、源塊RB 一個資源塊RB由個資源粒子RE構成，在時域上對應一個時隙0.5ms，在頻域上占180KHz 對于15KHz的子載波帶寬頻域：=12，即12個連續(xù)的子載波構成一個資源塊RB，每個子載波帶寬15KHz，所以頻域上占15KHz 12 = 180KHz時域：OFDM/SC-FDMA符號個數(shù)=7（常規(guī)CP），OFDM/SC-FDMA符號個數(shù)=6（擴展CP）常規(guī)CP：第1個OFDM/SC-FDMA符號是（160+2048）Ts=71.875s，CP長度是160Ts=5.21s；后面6個符號為（144+2048）Ts=71.354s，CP長度是144Ts=4.69s。擴展CP：每個OFDM/SC-

15、FDMA符號是（512+2048）Ts=s，CP長度是512Ts=16.67s除CP以外的符號長度都是2048Ts=66.7s9. 理論數(shù)據(jù)速率計算1）以單個子幀（1ms）的角度計算 采用20MHz的信道帶寬，RB數(shù)目=100，即1200個子載波 采用常規(guī)CP，每個時隙每個子載波傳7個符號，即一個常規(guī)子幀傳輸14個符號 調(diào)制方式采用64QAM，即每個符號承載6比特 編碼效率為1.01ms內(nèi)的RE總個數(shù)為：100個RB12子載波7個符號2個時隙 = 16800每個子幀的總比特數(shù)為：168006個比特 = 100800個比特單天線理論最大下行數(shù)據(jù)速率為100800 bit / 1ms = 100.

16、8Mbps2）以單個無線幀（10ms）的角度計算 采用20MHz的信道帶寬，RB數(shù)目=100，即1200個子載波 上下行時隙比例采用配置2，即5ms切換周期，3DL:1UL 特殊子幀采用配置7，即DwPTS:GP:UpPTS符號比為10:2:2的配置 采用常規(guī)CP，每個時隙每個子載波傳7個符號，即一個常規(guī)子幀傳輸14個符號 一個特殊子幀傳輸10個下行符號，2個上行符號 下行調(diào)制方式采用64QAM，即每個符號承載6比特，上行調(diào)制方式采用16QAM，即每個符號承載4比特 編碼效率為1.0 不考慮控制信道（PDCCH，PBCH）、參考信號（RS）、同步信號（SS）、等開銷下行10ms內(nèi)的下行RE總個

17、數(shù)為：100個RB12子載波(146 + 102) = 124800每個無線幀的下行總比特數(shù)為：1248006個比特 = 748800個比特單天線理論下行最大數(shù)據(jù)速率為748800 bit / 10ms = 74.88Mbps上行10ms內(nèi)的上行RE總個數(shù)為：100個RB12子載波(142 + 22) = 38400每個無線幀的上行總比特數(shù)為：384004個比特 = 153600個比特單天線理論上行最大數(shù)據(jù)速率為153600bit / 10ms = 15.36Mbps上行PUSCH目前Category 3的終端只有16QAM,和QPSK這兩種調(diào)制方式LTE系統(tǒng)的接收端最多支持2天線，所以發(fā)送的

18、數(shù)據(jù)流數(shù)量最多為2，即支持的最大碼字數(shù)目為2。因此采用MIMO技術時，最大速率也只能為單天線時的兩倍。10. MIMO技術天線構成的信道稱為MIMO（Multiple Input Multiple Output）信道，多天線技術是LTE的核心技術之一。MIMO的基本出發(fā)點是將用戶數(shù)據(jù)分解為多個并行的數(shù)據(jù)流，在指定的帶寬內(nèi)由多個發(fā)射天線上同時刻發(fā)射，經(jīng)過無線信道后，由多個接收天線接收，并根據(jù)各個并行數(shù)據(jù)流的空間特性，利用解調(diào)技術，最終恢復出原數(shù)據(jù)流。MIMO技術充分利用了信道的空間特性，能夠大幅度地提高系統(tǒng)容量、獲得相當高的頻譜利用率，從而可以獲得更高的數(shù)據(jù)速率、更好的傳輸品質(zhì)或更大的系統(tǒng)覆蓋范

19、圍。MIMO技術的特點 在發(fā)送端和接收端均使用多根天線進行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。 在發(fā)送端每根天線上發(fā)送不同的數(shù)據(jù)比特。 在多散射體的無線環(huán)境中，來自每個發(fā)射天線的信號在每個接收天線中是不相關的，并在接收機端利用這種不相關性對多個天線發(fā)送的數(shù)據(jù)進行區(qū)分和檢測。 可以產(chǎn)生多個并行的信道，并且每個信道上傳遞的數(shù)據(jù)不同，從而提高信道容量。MIMO技術的優(yōu)點 陣列增益：可以提高發(fā)射功率和進行波束賦形。 系統(tǒng)的分集特性：可以改善信道衰落造成的干擾，提高信道的可靠性，降低誤碼率。 系統(tǒng)的空間復用增益：可以構造空間正交的信道，傳遞不同的數(shù)據(jù)流，從而提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆逯邓俾省IMO的主要內(nèi)容 下行MIMO技術包括

20、空間復用、波束賦形和傳輸分集，目前MIMO下行基本天線配置為2*2，即2天線發(fā)送和2天線接收，最大支持4天線進行下行方向四層傳輸。 上行MIMO技術包括空間復用和傳輸分集，目前MIMO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天線數(shù)據(jù)位虛擬天線數(shù)目？1）傳輸分集傳輸分集分為發(fā)射分集和接收分集。發(fā)射分集就是在發(fā)射端使用多幅發(fā)射天線發(fā)射相同的信息，接收端獲得比單天線高的信噪比。接收分集就是多個天線接收來自多個信道的承載同一信息的多個獨立的信號副本，由于信號不可能同時處于深衰落情況中，因此在任一給定的時刻至少可以保證有一個強度足夠大的信號副本提供給接收機，從而提高接收信號的信噪比。

21、傳輸分集技術可以提高鏈路的傳輸質(zhì)量。LTE中2天線端口的傳輸分集方式采用SFBC（空頻塊碼），4天線端口的傳輸分集方式采用SFBC和FSTD（頻率切換發(fā)射）的組合方案。 SFBC：針對空間（天線之間）和頻率（子載波）二維對發(fā)送的符號進行編碼，將信號的副本同時通過不同頻率的子載波發(fā)射，但保持其正交性，簡化譯碼復雜度。 FSTD：不同的天線支路使用不同的子載波集合進行發(fā)送，減小了子載波之間的相關性，使等效信道產(chǎn)生了頻率選擇性，因而同樣可以利用糾錯編碼提高差錯概率性能。2）空間復用發(fā)射的高速數(shù)據(jù)被分成幾個并行的低速數(shù)據(jù)流，在同一頻帶從多個天線同時發(fā)射出去。由于多徑傳播，每個發(fā)射天線對于接收機產(chǎn)生不同

22、的空間簽名，接收機利用這些不同的簽名分離出獨立的數(shù)據(jù)流，最后再復用成原始數(shù)據(jù)流?？臻g復用可以提高頻譜利用率，成倍提高數(shù)據(jù)傳輸速率。 單碼字傳輸是一個數(shù)據(jù)流進行信道編碼和調(diào)制之后再復用到多根天線上 多碼字傳輸則是復用到多根天線上的數(shù)據(jù)流可以獨立進行信道編碼和調(diào)制LTE系統(tǒng)支持基于多碼字（Multiple CodeWord，MCW）的空間復用傳輸。多碼字傳輸指的是用于空間復用傳輸?shù)亩鄬訑?shù)據(jù)來自于多個不同的獨立進行信道編碼的數(shù)據(jù)流，每一個碼字可以獨立地進行速率控制，分配獨立的混合自動重傳請求（HARQ）。在LTE系統(tǒng)中，一個碼字指的是一個獨立編碼的數(shù)據(jù)塊，在發(fā)送端對應著一個MAC層傳到物理層的獨立傳

23、輸塊TB，通過塊CRC加以保護。不同的碼字Q區(qū)分不同的數(shù)據(jù)流，其目的是通過MIMO發(fā)送多路數(shù)據(jù)，實現(xiàn)空間復用。在LTE的下行中，HARQ進程是針對每個碼字來進行的，每個HARQ進程都需要上行的ACK/NACK反饋。同時，上行CQI的上報過程也是針對每個碼字來進行的。由于LTE系統(tǒng)的接收端最多支持2天線，所以發(fā)送的數(shù)據(jù)流數(shù)量最多為2，LTE支持的最大碼字數(shù)目為2。即在一個TTI內(nèi)，在相同的時空資源上，最多只能同時接收與發(fā)送2個TB。LTE最多支持傳輸2個碼字，而發(fā)射天線的數(shù)量則有可能為3或4，碼字數(shù)量和發(fā)送天線數(shù)量不一致，需要將碼字流映射到不同的發(fā)送天線上，因此需要使用層映射（Layer map

24、per）與預編碼（Precoding）。層映射首先按照一定的規(guī)則將碼字流重新映射到多個層（新的數(shù)據(jù)流）。預編碼再將數(shù)據(jù)映射到不同的天線端口上。在各個天線端口上進行資源映射，生成OFDM符號并發(fā)射。MIMO的層數(shù)定義為MIMO信道矩陣的秩（Rank），也就是獨立的虛擬信道的數(shù)目，對于P個發(fā)送天線端口，層數(shù)（秩）小于等于天線端口數(shù)P，碼字的數(shù)量小于等于層數(shù)（秩）。對于4發(fā)2收的天線系統(tǒng)，在不同的信道環(huán)境下，其層數(shù)（秩）可能是1或者2，最大不會超過接收和發(fā)送兩端天線數(shù)目的最小值2；碼字數(shù)量可能是1或者2，最大不會超過層數(shù)（秩）。單用戶空間復用MIMO可以分為開環(huán)和閉環(huán)兩種形式。對于閉環(huán)空間復用，UE

25、向eNodeB反饋RI（Rank Indicator），PMI（Precoding Matrix Indicator）以及CQI（Channel Quality Indicator）。eNodeB根據(jù)UE的反饋值，以及其他的一些參考因素，例如需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，可用的傳輸功率等，來為UE分配相應的傳輸模式。在某些情況下，例如UE高速移動或者上行反饋開銷過大的情況下，eNodeB可能無法獲得可靠的PMI，此時可以采用開環(huán)空間復用，eNodeB為UE分配預制的空間復用模式和編碼矩陣。3）多用戶MIMOMIMO可分為SU-MIMO（單用戶MIMO）和MU-MIMO（多用戶MIMO）兩種模式。 SU-MI

26、MO是基于預編碼實現(xiàn)的，同一UE的多個子流在空間上相互正交的特征信道中傳輸，彼此之間沒有干擾。通過空時編碼技術，在不需要額外帶寬的情況下實現(xiàn)近距離的頻譜資源重復利用，提高了傳輸效率，同時增加了抗干擾抗衰落的能力。 下行MU-MIMO是一種空分多址（SDMA）的復用方式，eNodeB將占用相同時頻資源的多個數(shù)據(jù)流發(fā)送給不同的用戶，可以大大提高下行的頻譜利用率。 上行MU-MIMO是一個虛擬的MIMO系統(tǒng)。每個UE均只用單根天線發(fā)送一個數(shù)據(jù)流，但是兩個或者更多的數(shù)據(jù)流占用相同的時頻資源，這樣從eNodeB來看，這些來自不同UE的數(shù)據(jù)流可以被看作來自同一個UE上不同天線的數(shù)據(jù)流，從而構成一個MIMO

27、系統(tǒng)。與SU-MIMO相比，MU-MIMO可以獲得多用戶分集增益，MU-MIMO信號來自于不同終端，更容易獲得信道之間的獨立性。SU-MIMO即單用戶空間復用MIMO，可提高單用戶的下行峰值速率。LTE下行必須至少支持SU-MIMO這種MIMO模式。MU-MIMO不增加每個用戶的吞吐量，但是可以增加小區(qū)的容量。LTE上行僅僅支持MU-MIMO這一種MIMO模式。4）波束賦形波束賦形是一種應用于小間距的天線陣列多天線傳輸技術，其主要原理是利用空間的強相關性及波的干涉原理產(chǎn)生強方向性的輻射方向圖，使輻射方向圖的主瓣自適應的指向用戶來波方向，從而能夠獲得明顯的陣列增益。波束賦形可以提升小區(qū)邊緣用戶吞吐量，提升小區(qū)容量，可以降低用戶間干擾，提升覆蓋能力。MIMO傳輸模式TD-LTE R8中定義了7種下行MIMO傳輸模式（由高層通過傳輸模式通知UE），R9在此基礎上增加了一種新的傳