LTE入门介绍_图文

LTE入门介绍

Charter 1 LTE背景介绍
Charter 2 LTE网络架构及协议栈介绍 Charter 3 LTE物理层结构介绍

Charter 4 LTE层2结构介绍
Charter 5 LTE空口关键技术介绍

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Charter 1 LTE背景介绍
1.1 LTE的概念和设计目标 1.2 LTE的标准化进程

1.3 SAE简介
1.4 SON简介 1.5 3GPP简介

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LTE背景介绍
? 什么是LTE?
– 长期演进LTE (Long Term Evolution) 是3GPP主导的无线通信技术的演进。
– 接入网将演进为E-UTRAN (Evolved UMTS Terrestrial Radio Access Network)。连同核心网的系统架构将演 进为SAE (System Architecture Evolution)。

LTE的设计目标
?

? ? ? ? ? ?

带宽灵活配置:支持1.4MHz, 3MHz, 5MHz, 10Mhz, 15Mhz, 20MHz 峰值速率(20MHz带宽):下行100Mbps,上行50Mbps 控制面延时小于100ms,用户面延时小于5ms 能为速度>350km/h的用户提供100kbps的接入服务 3GPP的目标是打造新一代无线通信系统, 支持增强型MBMS(E-MBMS) 超越现有无线接入能力,全面支撑高性能 取消CS域,CS域业务在PS域实现,如VOIP 系统结构简单化,低成本建网 数据业务的,“确保在未来10年内领先‖。

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LTE背景介绍
? LTE的标准化进程
– – – – – – 2004年12月3GPP正式成立了LTE的研究项目。 原定2006年6月完成的研究项目SI(Study Item)推迟到2006年9月。完成可行性研究,并输出技术报告。 2006年9月正式开始工作项目WI(Work Item)/标准制定阶段,原定为2007年9月完成第一个标准版本, 现已延期。 目前LTE处于Stage3 (Protocol)研究阶段,正在各个子组会议上热烈的讨论。 预计2008年年底会推出首个商用协议版本。LTE主要涉及36.xxx系列协议。 目前协议仍在不断完善中。

LTE SI stage

LTE WI stage

Delayed
LTE SI LTE WI

LTE Rel8 (Approval)

LTE Rel8 (Spec finished)

LTE enhancement and improvement

2005 Dec

2006 Mar

2006 Jun

2006 Sep

2006 Dec

2007 Mar

2007 Jun

2007 Sep

2007 Dec

2008 Mar

2008 Jun

2008 Sep

2008 Dec

2009 Mar

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LTE背景介绍
? SAE简介
– 系统架构演进SAE(System Architecture Evolution),是为了实现LTE提出的目标而从整个

系统架构上考虑的演进,主要包括:
? 功能平扁化,去掉RNC的物理实体,把部分功能放在了E-NodeB,以减少时延和增强调度能 力(如,单站内部干扰协调,负荷均衡等,调度性能可以得到很大提高) ? 把部分功能放在了核心网,加强移动交换管理,采用全IP技术,实行用户面和控制面分离。 同时也考虑了对其它无线接入技术的兼容性。
GERAN

SGSN
UTRAN

HSS

S3 S1-MME MME

S6a

PCRF S11 ―LTE-Uu‖ UE EUTRAN S1-U S10 S4 S7 S5 Rx+

Serving SAE Gateway

PDN SAE Gateway

SGi

Operator ’s IP Services (e.g. IMS, PSS etc.)

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LTE背景介绍
SON简介
?

自组织网络SON(Self Organization Network)是由下一代移动网NGMN(Next Generation Mobile Network)运营商发起的要求LTE实现的功能。
运营商站在自己利益和感受的角度出发,鉴于早期通信系统在O&M兼容性和经济性比较差,而对LTE提 出新的要求,主要集中于FCAPSI的管理(Fault, Configuration, Alarm, Performance, Security, Inventory):
? ? ? ?

?

自规划(Self-planning) 自配置(Self-deployment) 自优化(Self-optimization) 自维护(Self-maintenance)

SON的优势
?

运营商可以减少规划、优化、维护的 成本,降低OPEX。 设备商可以促进性能特性、工具等的 销售,降低交付后网络优化的成本; 低附加值和低技术含量的工作收益将 减少。

?

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LTE背景介绍
3GPP简介
?

3GPP (3rd Generation Partnership Project )成立于1998年12月,是一个无线通信技术的标准组织,由一 系列的标准联盟作为成员(Organizational Partners)。目前有ARIB(日本), CCSA(中国), ETSI(欧 洲), ATIS(美洲), TTA(韩国), and TTC(日本) 等。
3GPP分为标准工作组TSG和管理运维组两个部分。TSG主要负责各标准的制作修订工作,管理运维组主要 负责整理市场需求,并对TSG和整个项目的运作提供支持。

?

TSG(Technical Specification Groups )
? ? ?

TSG GERAN: GERAN无线侧相关(2G); TSG RAN: 无线侧相关(3G and LTE); TSG SA (Service and System Aspects): 负责整体的网络架构和业务能力; TSG CT (Core Network and Terminals): 负责定义终端接口以及整个网络的核心 网相关部分。

?

http://www.3gpp.org

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Charter 1 LTE背景介绍
Charter 2 LTE网络架构及协议栈介绍 Charter 3 LTE物理层结构介绍

Charter 4 LTE层2结构介绍
Charter 5 LTE空口关键技术介绍

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Charter 2 LTE网络架构及 协议栈介绍
2.1 LTE的网络架构 2.2 LTE的网元功能 2.3 LTE的协议栈介绍

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LTE的网络架构
? LTE的主要网元
– – LTE的接入网E-UTRAN由e-NodeB组成,提供用户面和控制面。 LTE的核心网EPC由MME,S-GW和P-GW组成。 与传统3G网络比较,LTE的网 络结更加简单扁平,降低组网成 本,增加组网灵活性,并能大大 减少用户数据和控制信令的时延。

?

LTE的网络接口
– – e-NodeB间通过X2接口相互连接,支持数据和信令的直接传输。

S1接口连接e-NodeB与核心网EPC。其中,S1-MME是e-NodeB连接MME的控制面接口,S1-U是eNodeB连接S-GW 的用户面接口。
eNB Inter Cell RRM RB Control Connection Mobility Cont. MME

MME / S-GW

MME / S-GW

Radio Admission Control NAS Security eNB Measurement Configuration & Provision Dynamic Resource Allocation (Scheduler) RRC Idle State Mobility Handling EPS Bearer Control

RRC: Radio Resource Control PDCP: Packet Data Convergence Protocol RLC: Radio Link Control MAC: Medium Access Control PHY: Physical layer EPC: Evolved Packet Core MME: Mobility Management Entity S-GW: Serving Gateway P-GW: PDN Gateway

X2
eNB eNB

S1

X2

S1
S1
X2
eNB

S1
E-UTRAN

PDCP S-GW RLC MAC S1 PHY Packet Filtering internet E-UTRAN EPC Mobility Anchoring UE IP address allocation P-GW

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LTE的网元功能
e-NodeB的主要功能包括:
?

S-GW的主要功能包括:
?

无线资源管理功能,即实现无线承载控制、 无线许可控制和连接移动性控制,在上下行 链路上完成UE上的动态资源分配(调度); 用户数据流的IP报头压缩和加密; UE附着状态时MME的选择; 实现S-GW用户面数据的路由选择; 执行由MME发起的寻呼信息和广播信息的调 度和传输; 完成有关移动性配置和调度的测量和测量报 告。 NAS (Non-Access Stratum)非接入层信令的 加密和完整性保护; AS (Access Stratum)接入层安全性控制、空 闲状态移动性控制; EPS (Evolved Packet System)承载控制; 支持寻呼,切换,漫游,鉴权。

分组数据路由及转发;移动性及切换支持; 合法监听;计费。

P-GW的主要功能包括:
?

? ? ? ?

分组数据过滤;UE的IP地址分配;上下行计 费及限速。

eNB Inter Cell RRM RB Control Connection Mobility Cont. MME Radio Admission Control NAS Security eNB Measurement Configuration & Provision Dynamic Resource Allocation (Scheduler) RRC PDCP S-GW RLC MAC Mobility Anchoring S1 PHY Packet Filtering internet E-UTRAN EPC UE IP address allocation P-GW Idle State Mobility Handling EPS Bearer Control

?

MME的主要功能包括:
?

?

? ?

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LTE的协议栈介绍
? LTE协议栈的两个面:
– – 用户面协议栈:负责用户数目传输 控制面协议栈:负责系统信令传输

控制面的主要功能:
? ? ?

?

用户面的主要功能:
– – – – 头压缩 加密 调度 ARQ/HARQ
UE

?

RLC和MAC层功能与用户面中的功能一致 PDCP层完成加密和完整性保护 RRC层完成广播,寻呼,RRC连接管理, 资源控制,移动性管理,UE测量报告控制 NAS层完成核心网承载管理,鉴权及安全控 制

控制面协议栈
eNB NAS RRC RRC PDCP RLC MAC PHY MME NAS

用户面协议栈
UE PDCP RLC MAC PHY eNB PDCP RLC MAC PHY

PDCP RLC MAC PHY

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Charter 1 LTE背景介绍
Charter 2 LTE网络架构及协议栈介绍 Charter 3 LTE物理层结构介绍

Charter 4 LTE层2结构介绍
Charter 5 LTE空口关键技术介绍

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Charter 3 LTE物理层结构 介绍
3.1 LTE支持频段 3.2 无线帧结构 3.3 物理信道 3.4 物理信号 3.5 物理层过程

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LTE支持频段
根据2008年底冻结的LTE R8协议:
?

FDD模式支持频段

支持两种双工模式:FDD和TDD

?

支持多种频段,从700MHz到2.6GHz
支持多种带宽配置,协议规定以下带宽配置: 1.4MHz, 3MHz, 5MHz, 10MHz, 15MHz, 20MHz
TDD模式支持频段

E-UTRA Band
1 2 3 4 5

Uplink (UL) FUL_low – FUL_high
1920 MHz 1850 MHz 1710 MHz 1710 MHz 824 MHz 830 MHz 2500 MHz 880 MHz 1749.9 MHz – – – – – – – – – 1980 MHz 1910 MHz 1785 MHz 1755 MHz 849 MHz 840 MHz 2570 MHz 915 MHz 1784.9 MHz

Downlink (DL) FDL_low – FDL_high
2110 MHz 1930 MHz 1805 MHz 2110 MHz 869 MHz 875 MHz 2620 MHz 925 MHz 1844.9 MHz – – – – – – – – – 2170 MHz 1990 MHz 1880 MHz 2155 MHz 894MHz 885 MHz 2690 MHz 960 MHz 1879.9 MHz

Duple x Mode
FDD FDD FDD FDD FDD FDD FDD FDD FDD

?

协议还在更新中,部分频段的支持情况可能会有所变动

EUTRA Band
33 34 35 36 37 38 39 40

Uplink (UL) FUL_low – FUL_high
1900 MHz 2010 MHz 1850 MHz 1930 MHz 1910 MHz 2570 MHz 1880 MHz 2300 MHz – – – – – – – – 1920 MHz 2025 MHz 1910 MHz 1990 MHz 1930 MHz 2620 MHz 1920 MHz 2400 MHz

Downlink (DL) FDL_low – FDL_high
1900 MHz 2010 MHz 1850 MHz 1930 MHz 1910 MHz 2570 MHz 1880 MHz 2300 MHz – – – – – – – – 1920 MHz 2025 MHz 1910 MHz 1990 MHz 1930 MHz 2620 MHz 1920 MHz 2400 MHz

Duple x Mode
TDD TDD TDD

6 7 8 9

10
11 TDD TDD TDD TDD TDD 12 13 14 … 17 ...

1710 MHz
1427.9 MHz 698 MHz 777 MHz 788 MHz … 704 MHz …


– – – –

1770 MHz
1452.9 MHz 716 MHz 787 MHz 798 MHz

2110 MHz
1475.9 MHz 728 MHz 746 MHz 758 MHz …


– – – –

2170 MHz
1500.9 MHz 746 MHz 756 MHz 768 MHz

FDD
FDD FDD FDD FDD …



716 MHz

734 MHz …



746 MHz

FDD …

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无线帧结构(1)
LTE共支持两种无线帧结构:
? ?

类型1,适用于频分双工FDD 类型2,适用于时分双工TDD

FDD类型无线帧结构:
?

LTE 采用OFDM技术,子载波间隔为?f=15kHz,2048阶IFFT,则帧结构的时间单位 为 Ts=1/(2048* 15000)秒 FDD类型无线帧长10ms,如下图所示。每帧含有20个时隙,每时隙为0.5ms。普通 CP配置下,一个时隙包含7个连续的OFDM符号(Symbol)
One radio frame, Tf = 307200Ts = 10 ms One slot, Tslot = 15360Ts = 0.5 ms #0 #1 #2 #3 #18 #19

?

One subframe

FDD类型无线帧结构

资源块的概念:
?

LTE具有时域和频域的资源,资源分配的最小单位是资源块RB(Resource Block), RB由RE(Resource Element)组成,如右图示 RE是二维结构,由时域符号(Symbol)和频域子载波(Subcarrier)组成 1个时隙和12个连续子载波组成一个RB

? ?

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无线帧结构(2)
? TDD类型无线帧结构:
– – 同样采用OFDM技术,子载波间隔和时间 单位均与FDD相同。 帧结构与FDD类似,每个10ms帧由10个 1ms的子帧组成;子帧包含2个0.5ms时隙。
Uplinkdownlink configuratio n 0

DL/UL子帧分配
Downlink-toUplink Switch-point periodicity 5 ms Subframe number 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

D

S

U

U

U

D

S

U

U

U

1

5 ms
5 ms 10 ms 10 ms 10 ms

D
D D D D

S
S S S S

U
U U U U

U
D U U D

D
D U D D

D
D D D D

S
S D D D

U
U D D D

U
D D D D

D
D D D D



10ms帧中各个子帧的上下行分配策略可以 设置。如右边表格所示。

2 3 4

One radio frame, Tf = 307200Ts = 10 ms One half-frame, 153600Ts = 5 ms

5

6

5 ms

D

S

U

U

U

D

S

U

U

D

D: Downlink subframe U: Uplink subframe S: Special subframe
One slot, Tslot=15360Ts 30720Ts

Subframe #0 One subframe, 30720Ts DwPTS GP

Subframe #2

Subframe #3

Subframe #4

Subframe #5

Subframe #7

Subframe #8

Subframe #9

TDD类型无线帧结构
UpPTS DwPTS GP UpPTS

DwPTS: Downlink Pilot Time Slot GP: Guard Period UpPTS: Uplink Pilot Time Slot

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无线帧结构(3)
? CP长度配置:
– 为克服OFDM系统所特有的符号间干扰 ISI,LTE引入了循环前缀CP(Cyclic Prefix)。 CP的长度与覆盖半径有关,一般情况下 下配置普通CP(Normal CP)即可满足 要求;广覆盖等小区半径较大的场景下 可配置扩展CP(Extended CP)。 CP长度配置越大,系统开销越大。
Configuration DL OFDM CP UL SC-FDMA 上下行CP长度配置 Length CP Length 160 for slot #0 144 for slot #1~#6 512 for slot #0~#5 NULL 24 (DL only) 12 6 7 Subcarrier of each RB Symbol of each slot Normal CP ?f=15kHz 160 for slot #0

144 for slot #1~#6



?f=15kHz Extende d CP ?f=7.5kHz

512 for slot #0~#5 1024 for slot #0~#2



3 (DL only)

上下行普通CP配置下时隙结 构 (△f=15kHz)

上下行扩展CP配置下时隙结 构 (△f=15kHz)

下行扩展CP配置下时隙结构 (△f=7.5kHz)

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物理信道—概述
下行信道:
?

Physical Broadcast Channel (PBCH):物理广播信道,承载小区ID等 系统信息,用于小区搜索过程。 Physical Downlink Control Channel (PDCCH):物理下行控制信道, 承载寻呼和用户数据的资源分配信息,以及与用户数据相关的HARQ 信息。 Physical Downlink Shared Channel (PDSCH):物理下行共享信道, 承载下行用户数据。 Physical Control Format Indicator Channel (PCFICH):物理控制格式 指示信道,承载控制信道所在OFDM符号的位置信息。 Physical Hybrid ARQ Indicator Channel (PHICH):物理HARQ指示信 道,承载HARQ的ACK/NACK信息。

BCH

MCH

PCH

DL-SCH

?

Downlink Transport channels

MAC Layer Physical Layer
Downlink Physical channels

?

PBCH

PMCH

PDSCH

PDCCH

?

下行传输信道和物理信道的映射关系

?

?

Physical Multicast Channel (PMCH):物理多播信道,承载多播信息。
UL-SCH RACH

上行信道:
? Physical Random Access Channel (PRACH):物理随机接入信道, 承载随机接入前导。 ? Physical Uplink Shared Channel (PUSCH):物理上行共享信道,承 载上行用户数据。 ? Physical Uplink Control Channel (PUCCH):物理上行控制信道,承 载HARQ的ACK/NACK,调度请求(Scheduling Request),信道质量指 示(Channel Quality Indicator)等信息

Uplink Transport channels

MAC Layer Physical Layer
Uplink Physical channels

PUSCH

PRACH

PUCCH

上行传输信道和物理信道的映射关系

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物理信道—下行
下行信道处理过程
? ? ? ? ? ?

加扰:物理层传输的码字都需要经过加扰; 调制:对加扰后的码字进行调制,生成复数值的调制符号; 层影射:将复数调制符号影射到一个或多个发射层中; 预编码:对每个发射层中的复数调制符号进行预编码,并影射到相应的天线端口;

RE影射:将每个天线端口的复数调制符号影射到相应的RE上;
OFDM信号生成:每个天线端口信号生成OFDM信号。
layers antenna ports

code words

Scrambling

Modulation mapper Layer mapper Precoding

Resource element mapper

OFDM signal generation

Scrambling

Modulation mapper

Resource element mapper

OFDM signal generation

下行信道的调制方式
?

物理信 道
PBCH PDCCH

如右表所示

调制方式
QPSK QPSK

物理信道
PCFICH PHICH

调制方式
QPSK BPSK

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PDSCH

QPSK, 16QAM, 64QAM

PMCH

QPSK, 16QAM, 64QAM

物理信道—上行
上行信道处理过程
? ? ? ? ?

加扰 调制:对加扰后的码字进行调制,生成复数值的调制符号; 转换预编码:生成复数值的符号; RE影射:将复数符号影射到相应的RE上;

SC-FDMA信号生成:每个天线端口信号生成SC-FDMA信号。

Scrambling

Modulation mapper

Transform precoder

Resource element mapper

SC-FDMA signal gen.

上行信道的调制方式
?

如右表所示 物理信道
PUCCH PUSCH PRACH

调制方式
BPSK, QPSK

QPSK, 16QAM, 64QAM Zadoff-Chu序列

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物理信号—下行(1)
R0

单 天 线 端 口

R0

R0

下行参考信号RS(Reference Signal):
?

R0

R0

R0

小区特定参考信号在 时频域的位置示意图
l?6

类似CDMA的导频信号。用于下行物理信道解调及信道质量测量 (CQI)。 协议指定有三种参考信号。其中,小区特定参考信号(Cell-Specific Reference Signal)为必选,另外两种参考信号(MBSFN Specific RS & UE-Specific RS)为可选。

?

R0
l?0

R0
l?6 l?0

下行参考信号特点:
Resource element (k,l)
R0 R0
R1

RE
?

R1

R0

双 天 线 端 口

R0

R1

R1

Not used for transmission on this antenna port

该天线口不传输RS
?

小区特定参考信号由小区特定参考信号序列及频移 影射得到。RS本质上是在时频域上传播的伪随机序 列。 在某一天线端口上,RS的频域间隔为6个子载波。 RS离散地分布在时频域上,相当于对信道的时频域 特性进行抽样,供下行信道估计和信号解调提供参 考。 RS分布越密集,则信道估计越精确,但开销越大, 影响系统容量。
R1:第一个天线口传输的 RS R2:第二个天线口传输的 RS R3:第三个天线口传输的 RS R4:第四个天线口传输的 RS
l?6

R0

R0

R1

R1

Reference symbols on this antenna port

该天线口的RS符号

?

R0
l?0

R0
l?6 l?0 l?6 l?0

R1
l?6 l?0

R1
l?6

?

R0

四 天 线 端 口

R0

R0

R1

R1

R2

R3

R0

R1

R1

R2

R3

R0

R0

R1

R1

R2

R3

R0
l?0

R0
l?6 l?0 l?6 l?0

R1
l?6 l?0

R1
l?6 l?0

R2
l?6 l?0 l?6 l?0

R3
l?6 l?0

MBSFN: Multicast/Broadcast over a Single Frequency Network

even-numbered slots

odd-numbered slots

even-numbered slots

odd-numbered slots

even-numbered slots

odd-numbered slots

even-numbered slots

odd-numbered slots

天线端口0 Antenna port 0

天线端口1 Antenna port 1

天线端口2 Antenna port 2

Antenna port 3

天线端口3

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物理信号—下行(2)
同步信号(Synchronization Signal):
? ?

同步信号用于小区搜索过程中UE和E-UTRAN的时频同步。 同步信号包含两个部分:
?

主同步信号(Primary Synchronization Signal):用于符号timing对准,频率同步,以及部分的小区ID侦 测 次同步信号(Secondary Synchronization Signal):用于帧timing对准,CP长度侦测,以及小区组ID侦 测

?

同步信号特点:
?

无论系统带宽是多少,同步信号只 位于系统带宽的中部,占用62个子 载波。 同步信号只在每个10ms帧的第1个 和第11个时隙中传送。 主同步信号位于传送时隙的最后一 个符号,次同步信号位于传送时隙 的倒数第二个符号。

?

?

同步信号结构

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物理信号—上行
上行参考信号RS(Reference Signal):
?

Freq

上行的导频信号,用于E-UTRAN与UE的同步和上行信道 估计。 上行参考信号有两种:
?

某用户分配到的上行带 宽

?

解调参考信号DM RS (Demodulation Reference
Signal), PUSCH和PUCCH传输时的导频信号
Time Freq

伴随PUSCH传输的DM RS位置图 DM RS占用每个时隙的第4个符号

?

Sounding参考信号SRS (Sounding Reference Signal), 无PUSCH和PUCCH传输时的导频信号

上行参考信号特点:
?

由于上行采用SC-FDMA,每个UE只占用系统带宽的一部 分,DM RS只在相应的PUSCH和PUCCH分配带宽中传输。 DM RS在时隙中的位置根据伴随的PUSCH和PUCCH的不 同格式而有所差异。
Freq Time

伴随PUCCH传输的DM RS位置图 (PUCCH传输UL ACK信令) DM RS占用每个时隙的3个符号

?

?

Sounding RS的带宽比单个UE分配到的带宽要大,目的是 为e-NodeB作全带宽的上行信道估计提供参考。 Sounding RS在每个子帧的最后一个符号发送,周期/带宽 可以配置。Sounding RS可以通过系统调度由多个UE发送。
Time

?

伴随PUCCH传输的DM RS位置图 (PUCCH传输CQI信令) DM RS占用每个时隙的2个符号 系统带宽

PUCCH在系统带宽的两 端,并在两个时隙间跳 频

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物理层过程—小区搜索
小区搜索(Cell Search)基本原理:
?

初始化小区搜索(Initial Cell Search):
?

小区搜索是UE实现与E-UTRAN下行时频同步并获取服 务小区ID的过程。 小区搜索分两个步骤:
?

UE上电后开始进行初始化小区搜索,搜寻网络。一般而 言,UE第一次开机时并不知道网络的带宽和频点。 UE会重复基本的小区搜索过程,历遍整个频谱的各个频 点尝试解调同步信号。这个过程耗时,但一般对此的时间 要求并不严格。可以通过一些方法缩短以后的UE初始化 时间,如UE储存以前的可用网络信息,开机后优先搜索 这些网络。 一旦UE搜寻到可用网络并与网络实现时频同步,获得服 务小区ID,即完成小区搜索后,UE将解调下行广播信道 PBCH,获取系统带宽、发射天线数等系统信息。 完成上述过程后,UE解调下行控制信道PDCCH,获取网 络指配给这个UE的寻呼周期。然后在固定的寻呼周期中 从IDLE态醒来解调PDCCH,监听寻呼。如果有属于该 UE的寻呼,则解调指定的下行共享信道PDSCH资源,接 收寻呼。

?

?

第一步:UE解调主同步信号实现符号同步,并获 取小区组内ID; 第二步:UE解调次同步信号实现帧同步,并获取 CP长度和小区组ID。

?

?

关于Cell ID:
?

?

LTE协议规定物理层Cell ID分为两个部分:小区组ID (Cell Group ID)和组内ID(ID within Cell Group)。 目前最新协议规定物理层小区组有168个,每个小区组 由3个ID组成,因此共有168*3=504个独立的Cell ID

(1) (2) cell N ID ? 3N ID ? N ID
?

其中

(1) N ID (2) N ID

代表小区组ID,取值范围0~167; 代表组内ID,取值范围0~2

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物理层过程—随机接入
随机接入(Random Access)基本原理:
?

随机接入的具体过程:
?

随机接入是UE与E-UTRAN实现上行时频同步的过程。 随机接入前,物理层应该从高层接收到下面的信息:
?

?

高层请求发送随机接入preamble,继而触发物理层随 机接入过程; 高层在请求中指示preamble index, preamble目标接 收功率,相关的RA-RNTI,以及随机接入信道的资源 情况等信息; UE决定随机接入信道的发射功率为preamble的目标接 收功率+路径损耗。发射功率不超过UE最大发射功率, 路径损耗为UE通过下行链路估计的值; 通过preamble index选择preamble序列;

随机接入信道PRACH参数:PRACH配置,频 域位置,前导(preamble)格式等; 小区使用preamble根序列及其循环位移参数, 以解调随机接入preamble。

?

?

?

?

物理层的随机接入过程包含两个步骤:
?

UE发送随机接入preamble; E-UTRAN对随机接入的响应。

?

?

?

UE以计算出的发射功率,用所选的preamble序列,在 指定的随机接入信道资源中发射单个preamble ;
在高层设置的时间窗内,UE尝试侦测以其RA-RNTI标 识的下行控制信道PDCCH。如果侦测到,则相应的下 行共享信道PDSCH则传往高层,高层从共享信道中解 析出20位的响应信息。

?

RA-RNTI: Random Access Radio Network Temporary Identifier

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物理层过程—功率控制
功率控制(Power Control)基本原理:
?

下行功控:
?

下行功控决定了每个RE(Resource Element)上 的能量EPRE(Energy per Resource Element); 上行功控决定了每个DFT-S-OFDM(上行SCFDMA的复用调制方式)符号上的能量。

下行RS一般以恒定功率发射,下行共享信道PDSCH 的发射功率是与RS发射功率成一定比例的。 下行功控根据UE上报的CQI与目标CQI的对比,调整 下行发射功率。

?

?

上行功控:
?

UE上报CQI 下行发射功率

上行功控的方式有开环功控和闭环功控两种。 可以通过X2接口交换各小区的过载指示OI(Overload Indicator) 实现小区间的集中式功控,使得功控有可能提升整个系统的性 能。

?

上行功控可以分别控制PUSCH,PUCCH,PRACH和 Sounding RS。各种信道/信号的功控大同小异,以PUSCH功 PPUSCH (i) ? min{PMAX ,10log10 (M PUSCH (i))? PO_PUSCH (j) ? α(j)? PL ? ΔTF (i) ? 控为例:
?

X2

f(i)}

上行发射功率 系统调整参数

?

PUSCH功控为慢速功控,补偿路径损耗和阴影衰落,以及控 制小区间干扰。功控的原理如上式。影响PUSCH的发射功率 PPUSCH的因素有UE最大发射功率PMAX,UE分配的资源MPUSCH, 初始发射功率PO_PUSCH,估计路径损耗PL,调制编码因子△TF, 系统调整因子f(开环功控时f不起作用)

EPRE: Energy per Resource Element DFT-SOFDM: Discrete Fourier Transform Spread OFDM

Page 28

Charter 1 LTE背景介绍
Charter 2 LTE网络架构及协议栈介绍 Charter 3 LTE物理层结构介绍

Charter 4 LTE层2结构介绍
Charter 5 LTE空口关键技术介绍

Page 29

Charter 4 LTE层2结构介绍
4.1 LTE层2概述 4.2 MAC层介绍 4.3 4.4

RLC层介绍 PDCP层介绍

4.5 层1层2数据流小结

Page 30

LTE层2概述
LTE层2分为以下几个子层:
?

层2的主要功能
?

MAC层(Medium Access Control) RLC层(Radio Link Control) PDCP层(Packet Data Convergence Protocol)
下行层2结构
Radio Bearers ROHC ROHC Security ROHC Security ROHC

头压缩,加密 分段/串接,ARQ 调度,优先级处理,复用/解复用,HARQ
上行层2结构
Radio Bearers ROHC PDCP Security ROHC Security

?

?

?

?

PDCP Security Security

RLC

Segm. ARQ etc

...

Segm. ARQ etc Logical Channels

Segm. ARQ etc

...

Segm. ARQ etc

BCCH

PCCH

RLC

Segm. ARQ etc

...

Segm. ARQ etc Logical Channels

Scheduling / Priority Handling

Scheduling / Priority Handling

MAC

Multiplexing UE1

Multiplexing UEn

MAC

Multiplexing

HARQ Transport Channels

HARQ

HARQ Transport Channels

Page 31

MAC层介绍
MAC层的主要功能
?

MAC层的逻辑信道
?

逻辑信道(Logical Channel)与传输信道 (Transport Channel)间的映射 将RLC层的协议数据单元PDU(Protocol Data Unit) 复用到传输块TB(Transport Block)中,然后通过 传输信道传送到物理层。相反的过程即是解复用的 过程 业务量测量报告 通过 HARQ纠错 PDCP
ROHC ROHC Security Security Radio Bearers

控制信道(Control Channel):传输控制面 信息 业务信道(Traffic Channel):传输用户面信 息 CCCH DCCH DTCH
Uplink Logical channels

?

?

? ? ? ? ? ?

控制信道 业务信道
RACH UL-SCH

MAC层上行 信道映射
Uplink Transport channels

对单个UE的逻辑信道优先级处理 多个UE间的优先级处理(动态调度) 传输格式选择 填充
Scheduling / Priority Handling RLC Segm. ARQ etc ... Segm. ARQ etc Logical Channels
PCCH

BCCH

CCCH

DCCH

DTCH

MCCH

MTCH

Downlink Logical channels

MAC

Multiplexing

MAC层结构

MAC层下行 信道映射
Downlink Transport channels

HARQ Transport Channels
PCH BCH DL-SCH MCH

Page 32

RLC层介绍
RLC层的主要功能
?

上层协议数据单元PDU的传输支持确认模式 AM和非确认模式UM

RLC PDU结构
?

? ?

数据传输支持透传模式TM
通过ARQ纠错(无需CRC校验,由物理层提 供CRC校验) 对传输块TB进行分段(Segmentation)处理: 仅当RLC SDU不完全符合TB大小时,将SDU 分段到可变大小的RLC PDU中,而不用进行 填充 对重传的PDU进行重分段(Resegmentation )处理:仅当需要重传的PDU 不完全符合用于重传的新TB大小时,对RLC PDU进行重分段处理
?

RLC header承载的PDU序列号与SDU序列号无 关 根据调度机制,RLC PDU的大小动态可变。 RLC根据PDU的大小对SDU进行分段和串接, 一个PDU的数据可能来自一个或多个SDU
分段 串接
n+1 n+2 n+3 ... n

?

RLC SDU ...

?

? ? ? ? ? ?

多个SDU的串接(Concatenation)
PDCP 顺序传递上层PDU (除切换外) ROHC Security ROHC Security

RLC header Radio Bearers

RLC header

RLC PDU

RLC PDU结构
AM: Acknowledge Mode UM: Un-acknowledge Mode TM: Transparent Mode TB: Transport Block SDU: Service Data Unit PDU: Protocol Data Unit

协议流程错误侦测和恢复 副本侦测 SDU丢弃
RLC Segm. ARQ etc ... Segm. ARQ etc

RLC层结构
Logical Channels

复位
Scheduling / Priority Handling

Page 33
MAC

Multiplexing

PDCP层介绍
PDCP层的主要功能为:
?

PDCP PDU结构:
?

用户面的功能:
?

PDCP PDU和PDCP header均为8位格式 PDCP header长度为1或2字节

头压缩/解压缩:ROHC 用户数据传输:接收来自上层NAS层的PDCP SDU,然后传递到RLC层。反之亦然 RLC确认模式AM下,在切换时将上层PDU顺序 传递 RLC确认模式AM下,在切换时下层SDU的副本 侦测 RLC确认模式AM下,在切换时将PDCP SDU重 传 加密 基于计时器的上行SDU丢弃

?

?

?

PDCP header

PDCP SDU PDCP PDU

?

?

PDCP PDU结构

?

Radio Bearers ROHC PDCP Security Security ROHC

?

?

控制面的功能:
?

PDCP层结构

加密及完整性保护 控制数据传输:接收来自上层RRC层的PDCP SDU,然后传递到RLC层。反之亦然
RLC Segm. ARQ etc ... Segm. ARQ etc Logical Channels Scheduling / Priority Handling

?

ROHC: Robust Header Compression

Page 34
MAC

Multiplexing

层1层2数据流小结
层1和层2的数据传递
? ? ?

来自上层的数据包加头封装后传递到下层。反之,来自下层的数据包被拆封去头后传递到上层。 调度器在RLC,MAC和物理层均起作用。多个用户的数据包在MAC层实现复用。 物理层实现CRC校验。

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Charter 1 LTE背景介绍
Charter 2 LTE网络架构及协议栈介绍 Charter 3 LTE物理层结构介绍

Charter 4 LTE层2结构介绍
Charter 5 LTE空口关键技术介绍

Page 36

Charter 5 LTE空口关键技 术介绍
5.1 OFDM介绍 5.2 MIMO介绍 5.3 调度和链路自适应介绍 5.4 E-MBMS介绍 5.5 小区干扰控制介绍

Page 37

OFDM概述
概述
?

OFDM的意义
OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing)属 于调制复用技术,它把系统带宽分成多个的相互正交的子载 波,在多个子载波上并行数据传输。 各个子载波的正交性是由基带IFFT实现的。由于子载波带 宽较小(15kHz),多径时延将导致符号间干扰ISI,破坏子 载波之间的正交性。为此,在OFDM符号间插入保护间隔, 通常采用循环前缀CP来实现。
System Bandwidth FFT Sub-carriers
?

OFDM具有很多能满足E-UTRAN需求的优点, 是B3G和4G的核心技术之一。因此在3GPP制定 LTE标准的过程中,OFDM技术被采纳并写入标 准中。 OFDM是一种调制复用技术,相应的多址接入技 术为OFDMA,用于LTE的下行。OFDMA其实是 TDMA和FDMA的结合。

?

?

?

相对应,LTE的上行采用SC-FDMA多址接入技 术,其调制复用是通过DFT-Spread-OFDM实现 的。

Guard Intervals Symbols


Frequency



Time

OFDM与OFDMA的比较

Page 38

下行多址接入技术OFDMA
OFDMA的优点
?

CDMA多载波频谱不重叠, 需要留有保护带

频谱分配方式灵活,能适应1.4MHz~20MHz的带宽 范围配置。由于OFDM子载波间正交复用,不需要 保护带,频谱利用率高; 合理配置循环前缀CP,能有效克服无线环境中多径 干扰引起的ISI,保证小区内用户间的相互正交,改 善小区边缘的覆盖; 支持频率维度的链路自适应和调度,对抗信道的频 率选择性衰落,获得多用户分集增益,提高系统性 能; 子载波带宽在10KHz的数量级,每个子载波经历的 是频谱的平坦衰落,使得接收机的均衡容易实现;

F1

F2

F3

F4

F5

F6

F7

Freq

?

OFDMA子载波频谱重叠, 频谱利用率高
F1 F2 F3 F4 F5 F6 F7

?

Freq
System Bandwidth Sub-carriers

?

?

OFDM容易和MIMO技术相结合。
TTI: 1ms Frequency

OFDMA的缺点
?

对时域和频域的同步要求高。子载波间隔小,系 统对频率偏移敏感,收发两端晶振的不一致也会 引起ICI,频偏估计不精确会导致信号检测性能 下降; 移动场景中多普勒频移引起的频偏同样会导致 ICI,需要设置合理的频率同步参数; OFDM的峰均功率比PAPR高,对功放的线性度 和动态范围要求很高。
Time

User 1 User 2 Sub-band:12Sub-carriers User 3

?

?

在时频域上的多用户分布(下行)

Page 39

上行多址接入技术SC-FDMA
SC-FDMA的特点
?

DFT-S-OFDM调制过程
Subcarrier Mapping CP insertion

受终端电池容量和成本的限制,上行需要采用PAPR比较低的 调制技术,提高功放的效率。 LTE的上行采用SC-FDMA(Single Carrier Frequency Division Multiple Accessing),能够灵活实现动态频带分配, 其调制是通过DFT-S-OFDM(Discrete Fourier Transform Spread OFDM)技术实现的。 DFT-S-OFDM类似于OFDM,每个用户占用系统带宽中的某 一部分,占用带宽大小取决于用户的需求和系统调度结果。 与传统单载波技术相比,DFT-S-OFDM中不同用户占用相互 正交的子载波,用户之间不需要保护带,具有更高的频率利 用效率。
System Bandwidth Sub-carriers

DFT

IFFT

?

两种子载波映射方式
L-1 zeros

?

0

?

L-1 zeros

from DFT

to IFFT

from DFT
L-1 zeros

to IFFT

L-1 zeros

TTI: 1ms Frequency

0

L-1 zeros

集中式(Localized)
User 1 User 2 Time Sub-band:12Sub-carriers User 3

分布式(Distributed)

集中式:将若干连续子载波分配给一个用户,这种方式下系统通 过频域调度,选择较优的子载波组进行传输,获得多用户分集增 益。 分布式:系统将分配给一个用户的子载波分散到整个带宽,获得 频率分集增益。但这种方式信道估计较复杂,也无法进行频域调 度。

在时频域上的多用户分布(上行)

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MIMO技术
下行MIMO
?

上行MIMO
?

LTE下行支持MIMO技术进行空间维度的复用。空间复 用支持单用户SU-MIMO模式或者多用户MU-MIMO模式。 SU-MIMO和MU-MIMO都支持通过Pre-coding的方法来 降低或者控制空间复用数据流之间的干扰,从而改善 MIMO技术的性能。 SU-MIMO中,空间复用的数据流调度给一个单独的用 户,提升该用户的传输速率和频谱效率。MU-MIMO中, 空间复用的数据流调度给多个用户,多个用户通过空分 方式共享同一时频资源,系统可以通过空间维度的多用 户调度获得额外的多用户分集增益。

?

受限于终端的成本和功耗,实现单个终端上行多路 射频发射和功放的难度较大。因此,LTE正研究在上 行采用多个单天线用户联合进行MIMO传输的方法, 称为Virtual-MIMO 调度器将相同的时频资源调度给若干个不同的用户, 每个用户都采用单天线方式发送数据,系统采用一 定的MIMO解调方法进行数据分离。 采用Virtual-MIMO方式能同时获得MIMO增益以及功 率增益(相同的时频资源允许更高的功率发送), 而且调度器可以控制多用户数据之间的干扰。同时, 通过用户选择可以获得多用户分集增益。
User1

?

?

?

Pre-coding vectors User1
User 1 data

User 1 data User 2 data

S1

User 1 data User k data

MIMO Decoder

Scheduler
User k data

Pre-coder
S2

User2

User2

User k Channel Information

Scheduler
Channel Information

User k

MU-MIMO

Virtual-MIMO

Page 41

调度和链路自适应
用户复用和调度
?

链路自适应
?

LTE可以支持较大的系统带宽(10/15/20MHz),通常 会面临频率选择性衰落的问题。某用户的子载波在相干 带宽内的衰落特性可以认为是相同的,但更远的子载波 上的衰落特性就不相同了。 如果知道各个用户在各个子载波上的衰落特性,则可以 为不同的用户尽量选择条件比较好的子载波进行数据传 输,从而使得绝大部分用户的传播条件比较好,实现多 用户分集增益,提高频谱效率。 相干带宽内的子载波具有近似的衰落值,可以把相邻的 一些子载波划成一个子带Subband,以子带为单位进行 调度。接收方在一定的时间内针对每个子带反馈一个信 号质量指示,而无需对每个子载波进行反馈,减少信令 开销。 LTE的调度周期可以为一个或多个TTI长度。 为了在频域调度获得多用户分集增益,发射端必须知道 所有用户在所有子载波上的瞬时衰落值,FDD系统上下 行衰落不一致,必须通过反向链路将信道信息回传给发 射端,这些信道质量指示均为额外开销,占用资源越少 越好。

LTE支持时间和频率两个维度的链路自适应,根据时频 域信道质量信息对不同的时频资源选择不同的调制编码 方式。 功率控制在CDMA系统中是一项重要的链路自适应技术, 可以避免远近效应带来的多址干扰。在LTE系统中,上 下行均采用正交的OFDM技术对多用户进行复用。因此, 功控主要用来降低对邻小区上行的干扰,补偿链路损耗, 也是一种慢速的链路自适应机制。

?

?

?

? ?

Page 42

增强型MBMS
E-MBMS
?

各个基站采用相同的频率资源并且同步发送MBMS数据。 在终端看来,不同基站的信号可以看作多径的组成部分,终端可以不必区分不同基站的信号,自动完成软 合并。

?

E-MBMS特性
?

这种工作模式称为SFN(Single Frequency Network)模式。 MBMS主要受限于边缘用户的性能,SFN模式能极大改善小区边缘的接收性能,从而改善MBMS的性 能。 SFN模式下,系统基站间需要下行空口同步。 不同基站的传播时延差别较大,不同基站的信号合并将导致传播时延的增加,需要配置更长的CP长度。

?

?

?

Page 43

小区干扰控制
小区干扰的原因
?

LTE系统中,系统中各小区采用相同的频率进行发送和接收。与CDMA系统不同的是,LTE系统 并不能通过合并不同小区的信号来降低邻小区信号的影响。因此必将在小区间产生干扰,小区 边缘干扰尤为严重。

小区干扰控制的方法
为了改善小区边缘的性能,系统上下行都需要采用一定的方法进行小区干扰控制。目前正在研究方 法有:
?

干扰随机化:被动的干扰控制方法。目的是使系统在时频域受到的干扰尽可能平均,可通过加 扰,交织,跳频等方法实现; 干扰对消:终端解调邻小区信息,对消邻小区信息后再解调本小区信息;或利用交织多址IDMA 进行多小区信息联合解调; 干扰抑制:通过终端多个天线对空间有色干扰特性进行估计和抑制,可以分为空间维度和频率 维度进行抑制。系统复杂度较大,可通过上下行的干扰抑制合并IRC实现; 干扰协调:主动的干扰控制技术。对小区边缘可用的时频资源做一定的限制。这是一种比较常 见的小区干扰抑制方法。

?

?

?

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LTE关键技术—小区干扰控制
小区间干扰协调ICIC(Inter-Cell Interference Coordination)
?

小区间干扰协调是小区干扰控制的一种方式,本质上是一种调度策略。LTE系统可以采用频率软 复用SFR(Soft Frequency Reuse)和部分频率复用FFR(Fractional Frequency Reuse)等干 扰协调机制来控制小区边缘的干扰。主要目的是提高小区边缘的频率复用因子,改善小区边缘的 性能。

SFR方案
?

SFR是一种有效控制邻区干扰的方法。系统频率划分为主频和副频,不同的区域使用不同的频率 及发射功率。 主频通常分配给小区边缘区域的 副频 副频
副频 用户,eNB在主频上可高功率发 射
Power Cell 2,4,6 Frequency

Power

Cell 1

2
Cell 1主频 系统全部带宽
Frequency

Cell 2,4,6主频

7 1 6

3

副频
Power

4 5

Cell 3,5,7 Frequency

全部带宽可以分配给小区中间 的用户,eNB在副频上降功率发 射,避免干扰相邻小区的主频

Cell 3,5,7主频

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