LTE基本原理及關鍵技術巴三此里2023/2/4了解LTE產生的背景及網絡架構掌握LTE物理層和物理層的基本過程了解LTE空口關鍵技術目標Charter1LTE背景介紹Charter2LTE網絡架構及協議棧介紹Charter3LTE物理層結構介紹Charter4TD-LTE/FDD-LTE比較內容Charter1LTE背景介紹1.1LTE的概念1.2LTE設計目標1.3LTE的關鍵技術介紹內容什么是LTE？長期演進LTE(LongTermEvolution)是3GPP主導的無線通信技術的演進LTE與SAE是3GPP當年的兩大演進計劃，LTE負責無線空口技術演進，SAE(SystemArchitectureEvolution)負責整個網絡架構的演進什么是LTE，為什么需要LTE為什么需要LTE？保持3GPP與WIMAX/3GPP2的競爭優勢順應寬帶移動數據業務的發展需要移動通信數據化，寬帶化，IP化高吞吐率=高頻譜效率+大帶寬低時延=扁平化的網絡架構E-UTRAN:

EvolvedUMTSTerrestrialRadioAccessNetwork，LTE的接入網EPC：EvolvedPackageCore，LTE的核心網EPS：EvolvedPacketSystem，演進的分組系統EPS=E-UTRAN+EPC狹義來講：LTE=E-UTRAN,SAE=EPC（概念難嚴格區分，理解就好）LTE設計目標：三高、兩低、一平三高高峰值速率(20MHz帶寬）：下行100Mbps，上行50Mbps高頻譜效率：頻譜效率是3G的3~5倍高移動性：能為速度>350km/h的用戶提供100kbps的接入服務兩低低時延：控制面時延小于100ms，用戶面時延(單向)小于5ms低成本：SON（自組織網絡），支持多頻段靈活配置（1.4MHz,3MHz,5MHz,10Mhz,15Mhz,20MH）一平以分組域業務為主要目標，系統在整體架構上是基于分組交換的扁平化結構LTE關鍵技術與特性關鍵物理層技術描述高階調制和AMC（自適應編碼）TD-LTE可以采用64QAM調節方式，比TD-SCDMA采用的16QAM速率提升50%，越是高階調制方式，對信號質量要求越高；AdaptiveModulationandCoding，根據無線信道變化選擇合適的調制和編碼方式。MIMO&Beamforming容量增益與小區覆蓋的最重要來源。MIMO復用模式：不同天線發射不同的數據，可以增加容量；分集模式：不同天線發射相同數據，在弱覆蓋下提高用戶接收信號質量。智能天線不但可以有效改善小區內用戶間的干擾，還可以大大抑制小區間用戶干擾，極大地提高了系統性能。CA（載波聚合）載波聚合就是通過將多個連續或非連續的載波聚合成更大的帶寬（MAX100MHz）。OFDMA&SC-FDMA正交頻分復用：多采用幾個頻率并行發送，以實現帶寬的傳輸，各個子載波相互正交，極大地提高了頻譜利用率。上行采用SC-FDMA，單載波FDMA。Inter-Cell-Interference-Coordination，更好的同頻干擾控制性能與覆蓋提升HARQ（自動混合重傳）ARQ（只傳不糾）+FEC（只糾不傳）ICIC小區間干擾協調：同頻組網導致小區邊緣用戶因同頻干擾感知下降，通過ICIC可以將鄰區邊緣用戶頻點錯開，降低同頻干擾SON自組織網絡：自規劃、自部署、自優化、易維護LTE關鍵技術Overview

MIMO

OFDMALTESC-FDMA64QAMOFDM基本思想OFDM：正交頻分復用（

OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexingDL

）多采用幾個頻率并行發送，以實現帶寬的傳輸，OFDM系統中各個子載波相互交疊，相互正交，極大地提高了頻譜利用率。OFDM系統的主要優點頻譜利用率高傳統FDM是用濾波器把整個頻帶分割成互不重疊的子載波，子載波之間的保護頻帶很寬，OFDM允許子載波頻譜交疊，從而提高頻譜利用效率。

可利用FFT實現調制解調OFDM用IFFT和FFT實現信號的調制與解調，目前FFT易于用DSP或FPGA實現，比之用傳統的濾波器實現容易，體積小。

受頻率選擇性衰落影響小單個子載波信道是平坦的，而整個系統帶寬是呈現頻率選擇性由于無線信道的頻率選擇性衰落，不可能所有的子載波都處于比較深的衰落中，因此可以通過動態比特分配和動態子信道分配，充分利用信噪比高的子信道，提高系統性能。抵抗窄帶干擾OFDM通過把高速串行數據映射到并行的多個子載波上，窄帶干擾只能影響一部分子載波，接收端可以通過糾錯譯碼恢復干擾引起的錯誤。OFDM系統的主要缺點對頻率偏差敏感

OFDM的子載波互相交疊，只有保證接收端精確的頻率取樣才能避免子載波間干擾。無線終端移動引起的Doppler頻移也會使接收端發生頻率偏移，接收端本地振蕩器與發射端的頻率偏差也是一種頻率偏移。頻率偏移會引起子載波間干擾（ICI），對頻率偏移敏感是OFDM的缺點之一。較高的峰均比（PAPR）OFDM發送端輸出信號是多個子載波相加的結果，目前應用的子載波數量從幾十個到幾千個，如果各個子載波同相位，相加后就會出現很大的幅值，即調制信號的動態范圍很大，這對后級RF功率放大器提出了很高的要求。OFDMALTE下行采用OFDMA多址技術，不同用戶可以根據需要靈活地分配不同的時頻資源SC-FDMA相比OFDMA，SC-FDMA降低了PAPR（峰均值），降低終端的復雜度從而降低成本，延長待機時間SC-FDMA采用頻域實現的方式：DFT-S-OFDM相比OFDMA，SC-FDMA多了一個DFT運算這個DFT運算使得進行OFDM調制前的所有頻域星座點都是UE所有發送數據的線性關系，相比頻域星座點由獨立的數據決定，降低了PAPR實際上DFT-S-OFDM可以認為是一種特殊的多載波復用方式，其輸出的信息同樣具有多載波特性，但是由于其有別于OFDM的特殊處理，使其具有單載波復用相對較低的PAPR特性。LTE上行采用SC-FDMA多址技術，即所謂的單載波FDMA技術MIMO的主要模式UE1SBCTransmissionDiversitySpaceMultiplexingUE1Layer1,CW1,AMC1Layer2,CW2,AMC2分集模式不同天線發射相同的數據，在弱信號條件下提高用戶接收信號質量。復用模式

不同天線發射不同數據，可以直接增加容量：2X2MIMO方式容量提升1倍。多天線技術的優勢陣列增益（Arraygain）分集增益（Diversitygain）空間復用增益（Spatialmultiplexinggain）干擾抑制增益（co-channelinterferencereduction）改善系統覆蓋改善系統容量提高峰值速率提高頻譜利用率BeamformingBeamforming是發射端對數據先加權再發送，形成窄的發射波束，將能量對準目標用戶，從而提高目標用戶的解調信噪比

Beamforming可以獲得陣列增益、分集增益和復用增益依賴于具體的模式

LTETDD可以利用上下行信道互易性估計下行信道信息LTETDDBeamforming需要進行通道校正Beamforming鄰區干擾信號是擾動的，類似探照燈效應Charter1LTE背景介紹Charter2LTE網絡架構介紹Charter3LTE物理層結構介紹Charter4TD-LTE/FDD-LTE比較內容Charter2LTE網絡架構及協議棧介紹2.1LTE的網絡架構2.2LTE的網元功能內容系統架構演進SAE（SystemArchitectureEvolution），是為了實現LTE提出的目標而從整個系統架構上考慮的演進，主要包括：接入網：扁平化，IP化，去掉RNC的物理實體，功能實體分解到基站和核心網元大部分功能放在了E-NodeB，以減少時延和增強調度能力少部分功能放在了核心網，加強移動性管理核心網：用戶面和控制面分離原有SGSN實體分解為MME(控制面實體)和Gateway（用戶面實體）系統架構演進LTE的接入網架構LTE的主要網元E-UTRAN(接入網)：e-NodeB組成EPC(核心網)：MME，S-GW，P-GWLTE的網絡接口X2接口：e-NodeB之間的接口，支持數據和信令的直接傳輸S1接口：連接e-NodeB與核心網EPC的接口S1-MME是e-NodeB連接MME的控制面接口S1-U是e-NodeB連接S-GW的用戶面接口與傳統3G網絡比較，LTE的網絡結更加簡單扁平，降低組網成本，增加組網靈活性，并能大大減少用戶數據和控制信令的時延。LTE的網元功能e-NodeB的主要功能包括：無線資源管理功能，即實現無線承載控制、無線許可控制和連接移動性控制，在上下行鏈路上完成UE上的動態資源分配（調度）用戶數據流的IP報頭壓縮和加密UE附著狀態時MME的選擇實現S-GW用戶面數據的路由選擇執行由MME發起的尋呼信息和廣播信息的調度和傳輸完成有關移動性配置和調度的測量和測量報告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；AS(AccessStratum)接入層安全性控制、空閑狀態移動性控制；EPS(EvolvedPacketSystem)承載控制；支持尋呼，切換，漫游，鑒權。S-GW的主要功能包括：分組數據路由及轉發；移動性及切換支持；合法監聽；計費。P-GW的主要功能包括：分組數據過濾；UE的IP地址分配；上下行計費及限速。EPC:EvolvedPacketCoreMME:MobilityManagementEntityS-GW:ServingGatewayP-GW:PDNGatewayCharter1LTE背景介紹Charter2LTE網絡架構及協議棧Charter3LTE物理層結構介紹Charter4TD-LTE/FDD-LTE比較內容Charter3LTE物理層結構介紹3.1LTE支持頻段3.2無線幀結構3.3物理信道3.4物理層過程內容LTE支持的雙工模式/頻段/帶寬支持三種雙工模式：FDD，half-duplexFDD，和TDD支持多種頻段FDD系統從700MHz到2.6GHzTDD系統頻點在1900MHz~2620MHz區間支持多種帶寬配置：1.4MHz,3MHz,5MHz,10MHz,15MHz,20MHz協議還在更新中，部分頻段的支持情況可能會有所變動36.104協議E-UTRABandUplink(UL)Downlink(DL)FUL_low–FUL_highFDL_low–FDL_high11920MHz–1980MHz2110MHz–2170MHz21850MHz–1910MHz1930MHz–1990MHz31710MHz–1785MHz1805MHz–1880MHz41710MHz–1755MHz2110MHz–2155MHz5824MHz–849MHz869MHz–894MHz6830MHz–840MHz875MHz–885MHz72500MHz–2570MHz2620MHz–2690MHz8880MHz–915MHz925MHz–960MHz91749.9MHz–1784.9MHz1844.9MHz–1879.9MHz101710MHz–1770MHz2110MHz–2170MHz111427.9MHz–1452.9MHz1475.9MHz–1500.9MHz12698MHz–716MHz728MHz–746MHz13777MHz–787MHz746MHz–756MHz14788MHz–798MHz758MHz–768MHz……

…

17704MHz–716MHz734MHz–746MHz...…

…

FDD模式支持頻段E-UTRABandUplink(UL)Downlink(DL)FUL_low–FUL_highFDL_low–FDL_high331900MHz–1920MHz1900MHz–1920MHz342010MHz–2025MHz2010MHz–2025MHz351850MHz–1910MHz1850MHz–1910MHz361930MHz–1990MHz1930MHz–1990MHz371910MHz–1930MHz1910MHz–1930MHz38（D）2570MHz–2620MHz2570MHz–2620MHz39（F）1880MHz–1920MHz1880MHz–1920MHz40（E）2300MHz–2400MHz2300MHz–2400MHzTDD模式支持頻段無線幀結構LTEFDD與TDD均采用OFDM技術子載波間隔均為f=15kHz1radioframe(無線幀)=10ms1subframe(子幀)=1ms1slot(時隙)=0.5ms=7（6）個符號1radioframe=10subframes=20slotsTDD類型無線幀結構DwPTS:DownlinkPilotTimeSlotGP:GuardPeriodUpPTS:UplinkPilotTimeSlotTD-LTE無線幀結構TD-LTE10個子幀包括：上行子幀，下行子幀，特殊子幀特殊子幀包括：下行導頻時隙（DwPTS）保護周期（GP）上行導頻時隙（UpPTS）TDD上下行子幀配比與特殊時隙配比DL/UL子幀分配選項Uplink-downlinkconfigurationDownlink-to-UplinkSwitch-pointperiodicitySubframenumber012345678905msDSUUUDSUUU15msDSUUDDSUUD25msDSUDDDSUDD310msDSUUUDDDDD410msDSUUDDDDDD510msDSUDDDDDDD65msDSUUUDSUUDLTE-TDD幀結構主要特點是上下行轉換上下行轉換的子幀叫做特殊子幀包括：DwPTS,GP,UpPTSD:DownlinksubframeU:UplinksubframeS:Specialsubframe特殊子幀配置NormalCPExtendedCPDwPTSGPUpPTSDwPTSGPUpPTS03101381194183121031921311211011412113725392822693291271022---81112---特殊子幀分配選項LTE資源塊基本概念載波帶寬[MHz]1.435101520RE數目(每個OFDM符號)721803006009001200RB數目（每個slot）615255075100RE(ResourceElement)物理層資源的最小粒度時域：1個OFDM符號，頻域：1個子載波RB（ResourceBlock）物理層數據傳輸的資源分配頻域最小單位時域：1個slot，頻域：12個連續子載波(Subcarrier)CCEControlChannelElement控制信道的資源單位1CCE=9REG(1REG=4RE)1CCE=36RE物理信道—概述下行物理信道與信號名稱功能簡介PBCHPhysicalbroadcastchannel/廣播信道用于承載系統廣播消息PDSCHPhysicalDownlinkSharedChannel/下行共享數據信道用于承載下行用戶數據PCFICHPhysicalcontrolformatindicatorchannel/控制格式指示信道用于指示下行控制信道使用的資源PDCCHPhysicalDownlinkControlChannel/下行控制信道用于上下行調度、功控等控制信令的傳輸PHICHPhysicalHybridARQIndicatorChannel/HARQ指示信道用于上行數據傳輸ACK/NACK信息的反饋PMCHPhysicalmulticastchannel/多播信道用于傳輸廣播多播業務RSReferenceSignal/參考信號用于下行數據解調、測量和時頻同步等SCHSynchronizationSignal/同步信號用于時頻同步和小區搜索上行物理信道與信號名稱功能簡介PRACHPhysicalRandomAccessChannel/隨機接入信道用于用戶隨機接入請求信息PUSCHPhysicalUplinkSharedChannel/上行共享數據信道用于承載上行用戶數據PUCCHPhysicalUplinkControlChannel/上行公共控制信道用于HARQ反饋、CQI反饋、調度請求指示等L1/L2控制信令DMRSDemodulationReferenceSignal/解調參考信號用于上行數據解調、時頻同步等SRSSoundingReferenceSignal/測量參考信號用于上行信道測量、時頻同步等信道映射關系下行傳輸信道和物理信道的映射關系PhysicalLayerMAC

Layer上行傳輸信道和物理信道的映射關系PhysicalLayerMAC

Layer物理信道—下行物理信道調制方式物理信道調制方式PBCHQPSKPCFICHQPSKPDCCHQPSKPHICHBPSKPDSCHQPSK,16QAM,64QAMPMCHQPSK,16QAM,64QAM下行信道處理過程加擾：信息比特0、1隨機化，以利用信道編碼的譯碼性能調制：對加擾后的碼字進行調制，生成復數值的調制符號；層映射：將復數調制符號影射到一個或多個發射層中；預編碼：對每個發射層中的復數調制符號進行預編碼，并影射到相應的天線端口；RE映射：將每個天線端口的復數調制符號影射到相應的RE上；OFDM信號生成：每個天線端口信號生成OFDM信號。物理信道—上行物理信道調制方式PUCCHBPSK,QPSKPUSCHQPSK,16QAM,64QAMPRACHZadoff-Chu序列上行信道處理過程加擾：信息比特0、1隨機化，以利用信道編碼的譯碼性能調制：對加擾后的碼字進行調制，生成復數值的調制符號；轉換預編碼：生成復數值的符號；就是DFT操作；RE映射：將復數符號影射到相應的RE上；SC-FDMA信號生成：每個天線端口信號生成SC-FDMA信號。Charter1LTE背景介紹Charter2LTE網絡架構及協議棧介紹Charter3LTE物理層結構介紹Charter4TD-LTE/FDD-LTE比較內容Charter4TD-LTE/FDD-LTE比較4.1TD-LTE/FDD-LTE技術比較4.2TD-LTE的優缺點內容ItemTD-LTELTEFDD信道帶寬配置靈活1.4M,3M,5M,10M,15M,20M1.4M,3M,5M,10M,15M,20M多址方式DL:OFDMUL:SC-FDMADL:OFDMUL:SC-FDMA編碼方式卷積碼,Turbo碼卷積碼,Turbo碼調制方式QPSK,16QAM,64QAMQPSK,16QAM,64QAM