1、TD LTE基本原理,天元学院培训部-Lu Yanping,目录,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50M
2、bps； 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； 支持增强型MBMS（E-MBMS）； 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。,目录,LTE的网络构架,E-UTRAN中只有一种网元eNode B 网络结构扁平化， RNC+NodeB=eNodeB 全IP网络结构，与传统网络互连互通,网络扁平化减少系统延时，更好用户体验 网元数目减少，网络部署简单，维护更加容易 取消了RNC的集中控制，避免单点故障，有利于提高网络稳定,LTE的网络构架,网络结构扁平化E-UTRAN只有一种网元E-Nod
3、e B,全IP媒体面控制面分离与传统网络互通,E-UTRAN 和 EPC的功能划分,eNB 功能: 无线资源管理 IP头压缩和用户数据流加密 UE附着时的MME选择 用户面数据向S-GW的路由 寻呼消息和广播信息的调度和发送 移动性测量和测量报告的配置,MME 功能: 分发寻呼信息给eNB 安全控制 空闲状态的移动性管理 SAE 承载控制 非接入层（NSA）信令的加密及完整性保护,S-GW 功能: 终止由于寻呼原因产生的用户平面数据包 支持由于UE移动性产生的用户面切换,LTE无线接口-用户面/控制面,在无线通信系统中，负责传送和处理用户数据流工作的协议称为用户面；负责传送和处理系统协调信令的
4、协议称为控制面。接口是指不同网元之间的信息交互时的节点，每个接口含有不同的协议，同一接口的网元之间使用相互明白的语言进行信息交互，称为接口协议，接口协议的架构称为协议栈。,LTE/SAE的协议结构,信令流,数据流,目录,OFDM概述,正交频分复用技术，多载波调制的一种。将一个宽频信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到每个子信道上进行传输。,概念,宽频信道,正交子信道,OFDM优势-对比 FDM,与传统FDM的区别？,传统FDM:为避免载波间干扰，需要在相邻的载波间保留一定保护间隔，大大降低了频谱效率。,FDM,OFDM,OFDM:各(子)载波重叠排列，同时保持(
5、子)载波的正交性（通过FFT实现）。从而在相同带宽内容纳数量更多(子)载波，提升频谱效率。,OFDM优势-对比CDMA,考虑到系统设计的复杂程度及成本，OFDM更适用于宽带移动通信,OFDM不足,OFDM输出信号是多个子载波时域相加的结果，子载波数量从几十个到上千个，如果多个子载波同相位，相加后会出现很大幅值，造成调制信号的动态范围很大。因此对RF功率放大器提出很高的要求,较高的峰均比（PARP）,受频率偏差的影响,高速移动引起的Doppler频移 系统设计时已通过增大导频密度（大致为每0.25ms发送一次导频，时域密度大于TD-S）来减弱此问题带来的影响,子载波间干扰(ICI）,折射、反射较
6、多时，多径时延大于CP(Cyclic Prefix，循环前缀)，将会引起ISI及ICI 系统设计时已考虑此因素，设计的CP能满足绝大多数传播模型下的多径时延要求（4.68us)，从而维持符号间无干扰,受时间偏差的影响,ISI(符号间干扰）& ICI,OFDM符号间保护间隔-CP,无保护间隔,信号在空间的传递是会经过反射和折射的，一路信号到达接收端会变成几路，这几路会存在时延导致互相干扰，由于第 2 径的第一个信号延迟，一部分落到第1 径的第二个符号上，导致第二个符号正交性破坏从而失去正交性无法解调出来，造成ISI和ICI。,为了避免这种状况，就设计了保护间隔出来，在每个信号之前增加一个间隔，只
7、要时延小于间隔就不会互相影响，加入了保护间隔后，虽然第 2 径第一个信号延迟了，但是刚好落入第 1 径的第二个符号的保护间隔内，在解调时会随着 CP 一起抛弃，不会干扰到第二个符号，这样做可以消除ISI； 但是第 2 径的第二个符号的保护间隔落入了第 1 径的第二个符号内，引起符号内波形无法在积分周期内积分为0，导致波形在频域上无法和其他子载波正交，造成ICI。,空白保护间隔,OFDM符号间保护间隔-CP,循环前缀做保护间隔,CP是将符号的最后一部分拿出来放到前面当保护间隔。由于保护间隔是信号的一部分，所以不会破坏符号本身的正交性，使一个符号周期内因多径产生的波形为完整的正弦波，因此不同子载波
8、对应的时域信号及其多径积分总为0 ，既可以消除多径的ISI,又可以消除ICI。,应用于OFDM系统。每个子载波宽度仅为15kHz且交叠存在，子载波间干扰（ICI）对系统影响较大，因此采用CP消除ICI,在实际系统中，OFDM符号在送入信道之前，首先要加入循环前缀，然后送入信道进行传送。在接收端，首先将接收符号开始的宽度为Tg的部分丢弃，然后将剩余的宽度为T的部分进行傅立叶变换，然后进行解调。在OFDM符号内加入循环前缀可以保证在一个FFT周期内，OFDM符号的时延副本所包含的波形周期个数也是整数，因此此时的时延对于每一个子载波来说只是相当于进行相位的旋转，这个旋转不会在解调过程中产生ICI。,
9、LTE的多址方式-下行,将传输带宽划分成一系列正交的子载波资源，将不同的子载波资源分配给不同的用户实现多址。因为子载波相互正交，所以小区内用户之间没有干扰。,集中式：连续RB 分给一个用户 优点 ： 调度开销小,分布式：分配给用户的RB不连续 优点 ： 频选调度增益较大,同相位的子载波的波形在时域上直接叠加。因子载波数量多，造成峰均比(PAPR)较高，调制信号的动态范围大，提高了对功放的要求。,OFDMA,下行多址方式特点,LTE的多址方式-上行,和OFDMA相同，将传输带宽划分成一系列正交的子载波资源，将不同的子载波资源分配给不同的用户实现多址。注意不同的是：任一终端使用的子载波必须连续。,
10、考虑到多载波带来的高PAPR会影响终端的射频成本和电池寿命，LTE上行采用Single Carrier-FDMA （即SC-FDMA）以改善峰均比。 SC-FDMA的特点是，在采用IFFT将子载波转换为时域信号之前，先对信号进行了FFT转换，从而引入部分单载波特性，降低了峰均比。,在任一调度周期中，一个用户分得的子载波必须是连续的,SC-FDMA,上行多址方式特点,上下行频域资源划分,RE：Resource Element。 LTE最小的时频资源单位。频域上占一个子载波（15kHz)，时域上占一个OFDM符号(1/14ms),REG：RE group，资源粒子组。REG = 4 RE,CCE：
11、Control Channel Element。CCE = 9 REG,RB：Resource Block。RB = 84RE。左图即为一个RB。时域上占7个OFDM符号，频域上占12个子载波。,天线模式相关概念,”码字”与”流”的概念相同，LTE目前有单流或双流； 信道条件好时，可使用双流-空间复用; 信道条件不好时，可切换成分集模式或波束赋形。 层与秩（rank）的概念相同，秩为1，2，3，4，表示任一时刻终端和基站间的独立传播信道的个数； 公共导频的逻辑天线端口有1、2、4三种情况； 也就是说，即便最多可使用4个逻辑天线进行空间复用传输，仍然只传输两个信息流。,LTE传输模式-概述,传输
12、模式是针对单个终端的。同小区不同终端可以有不同传输模式 eNB自行决定某一时刻对某一终端采用什么传输模式，并通过RRC信令通知终端 模式3到模式8中均含有发射分集。当信道质量快速恶化时，eNB可以快速切换到模式内发射分集模式,多天线技术：分集、空间复用和波束赋形,MIMO-波束赋形,MIMO-波束赋形（Mode 7，8）,波束赋型只应用于业务信道 控制信道仍使用发射分集保证全小区覆盖（类比于TD-SCDMA中PCCPCH也是广播发射） 可以不需要终端反馈信道信息 平均路损和来波方向可通过基站测量终端发射的SRS（Sounding Reference Signal，探测参考信号，类比于TD-SC
13、DMA里的midamble码）,两个波束传递相同信息，获得分集增益+赋型增益,两个波束传递不同信息， 获得复用增益+赋型增益,产生定向波束，获得赋型增益,定义,波束赋型是发射端对数据先加权再发送，形成窄的发射波束，将能量对准目标用户，提高目标用户的信噪比，从而提高用户的接收性能。,特点,单流beamforming,双流beamforming,MIMO-空间分集,MIMO-空间分集之接收分集,接收机使用来自多个信道的副本信息能比较正确的恢复出原发送信号，从而获得分集增益。手机受电池容量限制，因此在上行链路中采用接收分集也可有效降低手机发射功率,MRC （最大比合并） 线性合并后的信噪比达到最大化
14、 相干合并：信号相加时相位是对齐的 越强的信号采用越高的权重 适用场景：白噪或干扰无方向性的场景 IRC（干扰抑制合并） 合并后的SINR达到最大化 有用信号方向得到高的增益 干扰信号方向得到低的增益 适用场景：干扰具有较强方向性的场景。, 由于IRC在最大化有用信号接收的同时能最小化干扰信 号，故通常情况IRC优于MRC 天线数越多及干扰越强时，IRC增益越大 IRC需进行干扰估计，计算复杂度较大,初期引入建议： IRC性能较好，故建议厂商支持IRC 鉴于IRC复杂度较大，厂商初期可能较难支持，故同时要求MRC,原理,性能比较,接收分集的主要算法：MRC &IRC,MIMO-空间复用,目录,
15、FDD LTE帧结构,TD-LTE帧结构,LTE帧结构,TD-LTE帧结构特点： 无论是正常子帧还是特殊子帧，长度均为1ms。FDD子帧长度也是1ms。 一个无线帧分为两个5ms半帧，帧长10ms。和FDD LTE的帧长一样。 特殊子帧 DwPTS + GP + UpPTS = 1ms,TD-LTE上下行配比表,转换周期为5ms表示每5ms有一个特殊时隙。这类配置因为10ms有两个上下行转换点，所以HARQ的反馈较为及时。适用于对时延要求较高的场景,转换周期为10ms表示每10ms有一个特殊时隙。这种配置对时延的保证略差一些，但是好处是10ms只有一个特殊时隙，所以系统损失的容量相对较小,TD
16、-LTE帧结构,TD-LTE特殊子帧,TD-LTE的特殊子帧配置和上下行时隙配置没有制约关系，可以相对独立的进行配置； 目前厂家支持10：2：2（以提高下行吞吐量为目的）和3:9:2（以避免远距离同频干扰或某些TDS配置引起的干扰为目的）以及9:3:2（以提高F频段站点下行吞吐量为目的）,TD LTE特殊子帧继承了TD-SCDMA的特殊子帧的设计思路，由DwPTS,GP,UpPTS组成； TD-LTE的特殊子帧可以有多种配置，用以改变DwPTS,GP和UpPTS的长度，但无论如何改变， DwPTS,GP,UpPTS永远等于1ms。,逻辑、传输、物理信道,上下行信道映射关系,物理信道简介,物理信
17、道位置,PBCH,PHICH的采用BPSK调制，传输上行信道反馈信息.主要反馈ACK/NACK信息,指示PDCCH的长度信息（1、2或3），在子帧的第一个OFDM符号上发送， 占用4个REG，均匀分布在整个系统带宽。 采用QPSK调制，携带一个子帧中用于传输PDCCH的OFDM符号数，传输格式。,PCFICH & PHICH,PCFICH(物理层控制格式指示信道),PHICH(物理HARQ指示信道),频域：占用所有的子载波 时域：占用每个子帧的前n个OFDM符号，n=3PDCCH的信息映射到控制域中除了参考信号、PCFICH、PHICH之外的RE中，因此需先获得PCFICH和PHICH的位置之
18、后才能确定其位置。用于发送上/下行资源调度信息、功控命令等，通过下行控制信息块DCI承载，不同用户使用不同的DCI资源。,PDCCH,PDCCH(物理下行控制信道),DCI占用的物理资源可变，范围为18个CCE（ 36个RE/CCE ） DCI占用资源不同，则解调门限不同，资源越多，需求的解调门限越低，覆盖范围越大 针对每个DCI可以进行功控，以达到降低小区间干扰和增强覆盖的目的,初期引入建议：考虑初期应用场景为城区，Format 0和4即可满足覆盖要求，故初期仅要求格式0和4,频域：1.08MHz带宽（72个子载波），与PUCCH相邻 时域：位于UpPTS（format 4）及普通上行子帧中
19、（format 03）。每10ms无线帧接入0.56次，每个子帧采用频分方式可传输多个随机接入资源。,PRACH,长度配置,LTE中有两种接入类型（竞争和非竞争），两种类型共享接入资源（前导码，共64个），需要提前设置。 初期建议：竞争/非竞争两种接入类型均要求，配置保证在切换场景下使用非竞争接入。,PRACH(物理随机接入信道),接入类型建议,PUCCH,传输上行用户的控制信息，包括CQI, ACK/NAK反馈，调度请求等。 一个控制信道由1个RB pair组成，位于上行子帧的两边边带上 在子帧的两个slot上下边带跳频，获得频率分集增益 PUCCH重复编码，获得接收分集增益，增加解调成功率
20、 通过码分复用，可将多个用户的控制信息在同一个PDCCH资源上发送。 上行容量与吞吐量是PUCCH个数与PUSCH个数的折中,PUCCH（上行物理控制信道）,控制信道示意图,用于估计上行信道频域信息，做频率选择性调度 用于估计上行信道，做下行波束赋形,用于上行控制和数据信道的相关解调,用作信道估计、测量。 上下行时隙中，均位于每个时隙的数据部分之间,下行导频，用作信道估计。 用作同步,仅出现于波束赋型模式，用于UE解调,用于下行信道估计，及非 beamforming模式下的解调。调度上下行资源用作切换测量,参考信号,TD-LTE,TD-SCDMA,下行参考信号,上行参考信号,CRS,DRS,D
21、MRS,SRS,DWPTS,Midamble码,相同点：都是公共导频，分布于全带宽内 不同点：CRS还可用作非beamforming模式下的解调,相同点：主要用于业务信道的解调 不同点：TD-L系统是宽带系统，本身存在多个子载波，故DRS及DMRS分布于用户占用的子载波带宽内。 DRS:仅用于BF模式下业务信道的解调 DMRS:用于上行控制信道和业务信道的解调,下行参考信号,CRS（公共参考信号）,DRS（专用参考信号）,上行参考信号,在PUCCH、PUSCH上传输，用于PUCCH和PUSCH的相关解调,DMRS（解调参考信号）,For PUCCHACK 每个slot中间三个OFDMsymbo
22、l为RS For PUCCHCQI 每个slot两个参考信号,For PUSCH 每个slot(0.5ms) 一个RS，第四个OFDM symbol,可以在普通上行子帧上传输，也可以在UpPTS上传输，位于上行子帧的最后一个SC-FDMA符号，eNB配置UE在某个时频资源上发送sounding以及发送sounding的长度。,Sounding作用 上行信道估计，选择MCS和 上行频率选择性调度 TDD系统中，估计上行信道矩阵H，用于下行波束赋形,Sounding周期 由高层通过RRC 信令触发UE 发送SRS，包括一次性的SRS 和周期性SRS 两种方式； 周期性SRS 支持2ms,5ms,1
23、0ms, 20ms, 40ms, 80ms, 160ms, 320ms 八种周期； TDD系统中，5ms最多发两次。,SRS（探测参考信号）,物理层过程-下行同步, 第一步： UE用3个已知的主同步序列和接收信号做相关，找到最大相关峰值，从而获得该小区的主同步序列以及主同步信道位置（PSC，即上图的紫色位置），达到OFDM符号同步。PSC每5ms发射一次，所以UE此时还不能确定哪里是整个帧的开头。另外，小区的主同步序列是构成小区ID的一部分。 第二步： UE用168个已知的辅同步序列在特定位置（上图中的蓝色位置，即SSC）和接收信号做相关，找到该小区的辅同步序列。SSC每5ms发射一次，但一帧
24、里的两次SSC发射不同的序列。UE据此特性获得帧同步。辅同步序列也是构成小区ID的一部分。 第三步： 到此，下行同步完成。同时UE已经获取了该小区的小区ID,TD-SCDMA 中主要依靠Sync_DL 进行下行同步 UE在DWpts上粗搜SYNC_DL位置（与TD-LTE相同每5ms帧发送一次），与可能的32个sync_DL做相关，确定SYNC_DL的码型（每个Sync_DL对应4个midamble码和扰码序列）； 通过相关运即可找到当前系统所用的midamble码，同时可以估计出当前无线信道，用于UE对系统的扰码进行解码； 获取扰码后，便可建立TS0同步并读取P-CCPH信息发送的，读取小区
25、广播信息。,下行同步是UE进入小区后要完成的第一步，只有完成下行同步，才能开始接收其他信道（如广播信道）并进行其他活动。,TD-LTE,TD-SCDMA,物理层过程-上行同步,在UE收取了小区广播信息之后，当需要接入系统时，UE即在PRACH信道发送Preamble码，开始触发随机接入流程。, PRACH信道可以承载在UpPTS上，但因为UpPTS较短，此时只能发射短Preamble码。短Preamble码能用在最多覆盖1.4公里的小区； PRACH信道也可承载在正常的上行子帧。这时可以发射长preamble码。长preamble码有4种可能的配置，对应的小区覆盖半径从14公里到100公里不等
26、； PRACH信道在每个子帧上只能配置一个。考虑到LTE中一共有64个preamble码，在无冲突的情况下，每个子帧最多可支持64个UE同时接入； 实际应用中，64个preamble码有部分会被分配为仅供切换用户使用（叫做：非竞争preamble码），以提高切换用户的切换成功率。 所以小区内用户用于初始随机接入的preamble码可能会少于64个。,目录,LTE系统消息广播,系统信息广播（System Information Broadcast）是通信系统中的一个重要功能，主要提供了接入网系统的主要信息，以便于UE建立无线连接。 系统信息广播中的系统信息是连接UE和网络的纽带，UE与E-UTR
27、AN之间通过系统信息的传递，完成无线通信各类业务和物理过程。 LTE系统信息广播与3G的系统信息广播从功能上是完全一致的，但是在调度和具体的信息内容上还是有很大的不同。,系统信息广播的内容被划分为多个系统信息块(System Information Blocks, SIB)，但是有一个“块”另外给起了个名字：主信息块(Master Information Block,MIB)。因此系统广播信息就被划分为MIB+ several SIBs。,LTE系统消息-MIB,系统消息的组成 MasterInformationBlock(MIB) 多个SystemInformationBlocks (SIB
28、s) MIB 承载于BCCH BCH P-BCH上; 包括有限个用以读取其他小区信息的最重要 、最常用的传输参数（系统带宽，系统帧号 ，PHICH配置信息）; 时域：紧邻同步信道，以10ms为周期重传4次; 频域：位于系统带宽中央的72个子载波,LTE系统消息-SIBs,SIBs 除MIB以外的系统消息，包括SIB1-SIB12； SIB1的传输通过携带SI-RNTI（SI-RNTI每个小区都是相同的）的PDCCH调度完成； 除SIB1以外，SIB2-SIB12均由SI (System Information)承载； SIB1是除MIB外最重要的系统消息，用于传输与评估一个UE是否被允许接入小
29、区有关的信息，固定以20ms为周期重传4次，即SIB1在每两个无线帧（20ms）的子帧#5中重传（SFN mod 2 = 0，SFN mod 8 0）一次，如果满足SFN mod 8 = 0时，SIB1的内容可能改变，新传一次； SIB1和所有SI消息均传输在BCCH DL-SCH PDSCH上； SIB1中的SchedulingInfoList携带所有SI的调度信息，接收SIB1以后，即可接收其他SI消息。,SIBs携带的参数主要有：小区接入相关信息、小区选择信息、SIB调度信息、TDD参数配置、SI窗口长度、ValueTag。,LTE系统消息的作用,切换三步曲,测量测量控制测量的执行与结果
30、的处理测量报告主要由UE完成判决以测量为基础资源申请与分配主要由网络端完成执行信令过程支持失败回退测量控制更新,切换简单流程,LTE切换-测量,RRC_IDLE状态下，UE的测量参数信息通过E-UTRAN的广播获得RRC_CONNECTED状态下，E-UTRAN通过专属信令向UE下发测量配置（measurement configuration）信息，如RRC Connection Reconfiguration消息中可携带UE可执行的测量类型： 同频测量：测量与当前服务小区下行频点相同的邻小区下行频点 异频测量：测量与当前服务小区下行频点不同的下行频点（同小区或邻小区） 与UTRA的系统间测量
31、 与GERAN的系统间测量 与CDMA2000 HRPD或CDMA2000 1xRTT的系统间测量,IDLE态，网络侧通过系统消息告知UE需要进行的测量及其参数： SIB4：下发同频邻区测量信息（邻区列表） SIB5：下发异频邻区测量信息（邻区列表） SIB6：下发UTRAN邻区信息 SIB7：下发GERAN邻区信息 SIB8：下发CDMA2000邻区信息 连接态，网络侧通过RRC重配消息中携带MeasConfig信元给UE下发测量配置： 该信元中携带测量对象和测量上报标准,测量概述,测控消息,eUTRAN下发的测量配置参数： 测量对象：LTE同频或异频、UTRA的一组同频小区、GERAN的一
32、组频率、CDMA2000的一组同频小区； 测量上报配置：周期或事件报告，报告格式包含测量量和相关信息； 测量标识：测量ID的列表，Measurement ID； 测量间隙：UE使用这个间隙执行测量，此时不进行上下行调度。,测量对象及测量值,切换的测量对象及测量值 同频测量 RSRP、RSRQ、Pathloss 异频测量 RSRP、RSRQ、Pathloss 异系统测量 PCCPCH RSCP CPICH RSCP、CPICH Ec/No GSM Carrier RSSI，BSIC Identification，BSIC Reconfirmation,同系统内测量事件,同系统内的测量事件采用 A
33、X 来标识，同系统内事件报告种类 A1：服务小区比绝对门限好。用于停止正在进行的异频/IRAT测量，在RRC控制下去激活测量间隙； A2：服务小区比绝对门限差。用于开始异频/IRAT测量，在RRC控制下激活测量间隙； A3：邻小区比（服务小区+偏移量）好，用于切换； A4：邻小区比绝对门限好。可用于负载平衡，与移动到高优先级的小区重选相似。 A5：服务小区比绝对门限1差，邻小区比绝对门限2好。可用于负载平衡，与移动到低优先级的小区重选相似。,异系统测量事件用 BX 来标识。 B1：邻小区比绝对门限好。用于测量高优先级的RAT小区； B2：服务小区比绝对门限1差，邻小区比绝对门限2好。用于相同或低优先级的RAT小区的测量。,在此输入标题,谢谢您的耐心阅读！,
