TD-LTE原理及关键技术
DTM.PX3.016.001-v5.0.0
大唐移动通信设备有限公司 客服中心 培训中心 1
课程目标
? ? ? ? 了解LTE的网络架构 理解TD-LTE的三个核心技术 掌握物理层帧结构 理解TD-LTE物理层过程
参考书目
《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
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TD-LTE原理及关键技术
1. 2. 3. 4. 5. 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 后续演进
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TD-LTE原理及关键技术
1 TD-LTE概述
2G
TDMA GPRS/EDG E ? 峰值速率(UL:DL) 0.47/0.47Mbps ? 小区吞吐量(UL:DL) 0.23/0.23Mbps 3GPP阵营(GSM) CDMA WCDMA HSPA
3G
3.9G
OFDM LTE FDD 峰值速率 (20MHz)： 50M/150Mbps (注：假设上行 最高16QAM） LTE TDD 峰值速率 (20MHz)： 10M/110Mbps (注：3:1配比下， 且假设上行最高 16QAM） Mobile WiMAX 802.16e
4G
? 峰值速率：5.76/14.4Mbps ? 小区吞吐量：1.5/3Mbps
TD-SCDMA
TD-HSPA
LTE-Adv (包括FDD和 TDD) 峰值速率： 500M~1Gbps
? 峰值速率：0.55/1.68Mbps ? 小区吞吐量：0.36/1Mbps EV-DO Rel.0
CDMA 2000 1x 3GPP阵营(CDMA)
D0 Rel .A A
? 峰值速率：1.8/3.1Mbps ? 小区吞吐量：0.4/0.8Mbps
Mobile WiMAX 802.16m 峰值速率： 500M~1Gbps
标准演进路线
WiMAX阵营
峰值速率： 75Mbps
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TD-LTE原理及关键技术
1 TD-LTE概述
什么是LTE？ 两种实现 式：TDD和FDD
Long Term Evolution，长期演进
? ? ?
LTE是3GPP指定的下一代无线通信标准。 TD-LTE是LTE的TDD模式。 LTE是以OFDMA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）。
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TD-LTE原理及关键技术
1 TD-LTE概述
LTE需求导入
成本和业务需求 系统容量 系统部署 系统性能 无线接入网 框架和演进 复杂度
无线资源管理
LTE需求
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TD-LTE原理及关键技术
1 TD-LTE概述
系统容量和性能需求
名称
峰值数据率 控制面延迟 用户面延迟 控制面容量 用户吞吐量 频谱效率 移动性 覆盖 增强MBMS
需求
20MHz系统带宽下，下行瞬间峰值速率100Mbps（频谱效率5bit/Hz），上行 瞬间峰值速率50Mbps（频谱效率2.5bit/Hz）。 从驻留状态转换到激活状态的时延小于100ms。 从睡眠状态转换到激活状态的时延小于50ms。 零负载（单用户、单数据流）、小IP分组条件下时延小于5ms。 每个小区在5MHz带宽下最少支持200个用户。 下行每兆赫兹平均用户吞吐量为R6 HSDPA的3~4倍；上行每兆赫兹平均用户 吞吐量为R6 HSUPA的2~3倍。 在真实负载的网络中 下行频谱效率为R6 HSDPA的3 在真实负载的网络中，下行频谱效率为 3~4 4倍；上行频谱效率为 R6 HSUPA的2~3倍。 0~15km/h 低 速 移 动 优 化 ， 15~120km/h 高 速 移 动 下 实 现 高 性 能 ， 在 120~350km/h（在某些频段甚至应支持500km/h）下能保持蜂窝网络的移动性。 吞吐率、频谱效率和移动性指标在半径5km以下的小区中应全面满足，在半径 30km的小区中性能可有小幅下降，不应排除半径达到100km的小区。 为了降低终端复杂度，应和单播操作采用相同的调制、编码和多址方法；可 向用户同时提供MBMS和专用话音业务；可用于成对和非成对频谱。
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TD-LTE原理及关键技术
1 TD-LTE概述
系统部署和无线资源管理需求
名称
频谱灵活性
需求
支持不同大小的频带尺寸，从1.4~20MHz；支持成对和非成对频谱中的部署； 支持基于资源整合（ Resource Aggregation）的内容提供，包括一个频段内 部、不同频段之间、上下行之间、相邻和不相邻频段之间的整合。 和 GERAN/UTRAN系统可以邻频共站址共存；支持 UTRAN 、 GERAN操作的 E-UTRAN 终 端 应 支 持 对 UTRAN/GERAN 的 测 量 ， 以 及 E-UTRAN 和 UTRAN/GERAN 之间的切换。实时业务在 E-UTRAN 和 UTRAN/GERAN 之间 的切换中断时间小于300ms。 单一基于分组的E-UTRAN系统架构，通过分组架构支持实时业务和会话业务； 最大限度的避免单点失败（Single Point of Failure）；支持端到端QoS；优化 回转（Backhaul）通信协议。 增强的端到端 QoS；有效支持高层传输；支持不同的无线接入技术之间的负 载均衡和政策管理。 尽可能减少选项，避免多余的必选特性。 降低多模（如支持GERAN、UTRAN和E-UTRAN系统）UE的复杂度。
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与 3GPP 无 线接入技术 的共存和互 操作 系统架构和 演进 无线资源管 理 复杂度
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多天线技术，8天线 :可同时发送1个，2 个和4个数据流
TD-LTE核心技术
TD-LTE原理及关键技术
1 TD-LTE概述
取消RNC, 提高速率
MIMO 技术
扁平网络
正交的频分多址 ，同频组网
频分多址 系统
干扰抑制 技术ICIC
干扰抑制 技术
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TD-LTE原理及关键技术
1 TD-LTE概述
E-UTRAN扁平网络架构
只有PS域，分为控 制面(MME),和用户 面SAE(网关)
z 取消RNC（中央控制节点），只保 留一层RAN节点——eNodeB z NodeB和核心网采用基于IP路由的 灵活多重连接——S1-flex接口 z 相邻eNodeB采用Mesh连接——X2 接口
用IP的方 式连接
? 扁平网络架构，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
增强型NODEB
增强型接入
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TD-LTE原理及关键技术
1 TD-LTE概述
E-UTRAN和EPC的功能划分
无 线资源管理 eNode B
小区间RRM 无线承载控制 连接移动性控制 无线许可控制 eNodeB测量配置与提供 动态资源分配（调度集） RRC PDCP RLC MAC PHY E-UTRAN
(MME:移动 管理实体)控 制平面，传 信令的
MME NAS安全性 Idle状态移动性管理 EPS承载控制
UE NAS RRC PDCP RLC MAC
eNode B
MME NAS
RRC PDCP RLC MAC PHY
加密
PHY
NAS（在空口）:非接入层 ，2，3，4G通用 PDCP：接入层的加密过 程，有PDCP和NAS两次 加密。
跟踪 E-UTRAN控制面协议栈 承载：数据传输的一个通道
P-GW UE IP地址分配 包过滤
S-GW S1 移动性锚定
(S-GW,P-GW)用户平面，传数据的
Internet
EPC
移动性锚定：切换，到SGW或MME,但P GW一定不发生改变。因此只是s1改变或 X2改变
EPC：增强型的核心
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TD-LTE原理及关键技术
1 TD-LTE概述
频段 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 双工方式 TDD TDD TDD TDD TDD TDD TDD TDD TDD TDD TDD FDL_low/FUL_low (MHz) 1900 2010 1850 1930 1910 2570 1880 2300 2496 3400 3600 FDL_high/FUL_high (MHz) 1920 2025 1910 1990 1930 2620 1920 2400 2690(非连续） 3600 3800
A+F混合组网： A:3g F:4G
38：D频段，单独组网 39：F频段 :40：E频段。室内频 段，2300已经军用， 所以只能用于室内
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LTE应用频带：详细请参考 36.101协议
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小
1. 为什么要发展LTE？ 2. 什么叫LTE？
结
3. LTE有哪些具体的需求/要求？为满足这些需求， 要求LTE引入哪些核心技术？ 4. LTE的网络架构是怎样的？占用的频段是哪些？
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TD-LTE原理及关键技术
1. 2. 3. 4. 5. 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 后续演进
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2. TD-LTE核心技术
2.1 频分多址技术之OFDMA/SC-FDMA 2.2 2.3 多天线技术之MIMO 干扰抑制技术之ICIC
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2. TD-LTE核心技术
2.1 频分多址技术之OFDMA/SC-FDMA
FDMA
CDMA
OFDMA
TD-LTE频分多址技术
z 下行OFDMA：用户在一定时 间内独享一段“干净”的带宽 间内独享 段 干净 的带宽 z 上行SC-FDMA：具有单载波 特性的改进OFDM系统（低峰 均比）
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2. TD-LTE核心技术
2.1 频分多址技术之OFDMA/SC-FDMA
什么是OFDM？
Orthogonal Frequency Division Multiplexing 正交频分复用
z
OFDM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。 与传统的多载波调制（MCM）相比，OFDM调制的各个子载波间可 相互重叠，并且能够保持各个子载波之间的正交性
z
传统FDM频谱
OFDM频谱
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正交：从时域上看当f1处于波峰时，其他波都在波谷，小区内不存在干扰，小区间存 在同频干扰。小区内正交，小区间因是同频组网，所以会存在同频干扰。
2. TD-LTE核心技术
2.1 频分多址技术之OFDMA/SC-FDMA
OFDMA基本原理
将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 在每个子信道上进行传输，正交信号可以通过在接收端采用相关技术来分开。由于 每个子信道的带宽很小，因此每个子信道上的衰落可以看成是平坦性衰落，能够有 效的消除符号间干扰；而且由于每个子信道的带宽仅仅是原信道带宽的一小部分， 信道均衡也变得相对容易。
FFT
Guard Intervals Symbols 5 MHz Bandwidth Sub-carriers
…
Frequency
…
Time
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2. TD-LTE核心技术
2.1 频分多址技术之OFDMA/SC-FDMA
OFDMA的优点
z z 时域上抵抗多径衰落
CP:循环前缀，抗多径时延符号的干扰
频域上抵抗频率选择性衰落，简化接收机的信道均衡操作
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2. TD-LTE核心技术
2.1 频分多址技术之OFDMA/SC-FDMA
OFDM实现（发送）
M symbols?
0 S/P 0
Δf
xn = IDFT = x(nTs ) = ∑ ak e jkwu nTs
k =0
CP insertion
TCP Tu
Nc?1
From?coding &?modulation
Size‐N IFFT
M?subcarriers
to?RF?tx
Tu =?1/Δf
OFDM实现（接收）
from?RF?rx
CP removal
M symbols
0
Size‐N FFT
0
P/S To?demodulation &?decoding?
xn = DFT = x(nTs ) =
Nc ?1 k =0
∑a e
k
? jkwu nTs
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2. TD-LTE核心技术
2.1 频分多址技术之OFDMA/SC-FDMA
OFDM子载波时域图
OFDM峰均比很高，耗电 。基站可以承受。但是终 端不能要承受，需要单载 波？
OFDM子载波频域图
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2. TD-LTE核心技术
2.1 频分多址技术之OFDMA/SC-FDMA
OFDM循环前缀 CP （Cyclic Prefix） CP能够克服时延扩展，最大限度消除符号间干扰（ISI） ）。CP越长，能 够抵抗的多径时延越长，但相应的，系统开销也越大。
CP越长，基站覆盖半 径越大。扩展CP用于覆 盖广域覆盖场景。一个 子载波的宽度是15kHz.
配置 常规CP 扩展CP ?f=15kHz ?f=15kHz ?f=7.5kHz CP长度 NCP,f 5.2 μs for l=0 4.7 μs for l=1,2,…,6 16.7 μs for l=0,1,…,5 33.3 μs for l=0,1,2
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2. TD-LTE核心技术
2.1 频分多址技术之OFDMA/SC-FDMA
OFDM循环前缀 CP
幅度 幅度
Tcp
幅度
保护间隔
时间 时间
FFT积分周期 OFDM符号
CP使一个符号周期内因多径产生的波形 为完整的正弦波，因此不同子载波对应的时 域信号及其多径积分总为0 ，消除载波间干 扰(ICI)
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时间
2. TD-LTE核心技术
2.1 频分多址技术之OFDMA/SC-FDMA
OFDM 与CDMA的技术比较
OFDM 抗多径干扰能力 与MIMO结合 可不采用或采用简单时域均衡 器 每个子载波可看作平坦衰落信 道，天线增加对系统复杂度影 响有限 带宽扩展性强，LTE支持多种 载波带宽 CDMA 对均衡器的要求较高 需选择可将MIMO接收 和信道均衡混合处理的 接收机，大大增加接收 机复杂度 带宽扩展性差
带宽扩展性 频域调度
频域调度粗放 频域调度灵活 频域调度颗粒度小（180KHz） 只能进行载波级调度
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2. TD-LTE核心技术
2.1 频分多址技术之OFDMA/SC-FDMA
OFDM 技术缺点
时频同步要 求高
同频干扰 大
PAPR高
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2. TD-LTE核心技术
2.1 频分多址技术之OFDMA/SC-FDMA
什么是SC-FDMA？
Si l C Single Carrier i Frequency F Division Di i i M Multiple lti l Access A 单载波频分多址接入 z SC-FDMA类似于OFDMA，但SC-FDMA可以降低PAPR。
上行多了一个离散傅 叶变换
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2. TD-LTE核心技术
2.1 频分多址技术之OFDMA/SC-FDMA
OFDMA vs. SC-FDMA
SCFDMA体现单载波特性，但不是单载波传输。是从时 域上看合成的效果。
z OFDMA导致高PAPR，影响UE的成本和电池寿命 z SC-FDMA采用单载波技术，峰均比（PAPR）低，有效提高 RF功率放大器的效率，降低终端成本和耗电量
power
t
时域波形 峰均比示意图
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2. TD-LTE核心技术
2.1 频分多址技术之OFDMA/SC-FDMA
下行多址方式——OFDMA
频率
用户A
集中式：连续RB分给一个用户 9 优点：调度开销小
用户B
分布式：分配给用户的RB不连续 9 优点：频选调度增益较大
用户C
在这个调度周期中，用户A 是分布式，用户B是集中式
时间
一个 户可同时使用多个子载波
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2. TD-LTE核心技术
2.1 频分多址技术之OFDMA/SC-FDMA
上行多址方式——SC-FDMA 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 相同 将传输带宽划分成 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。 频率
用户A
上行必须是集中式的，下 行可以集中式也可以是分 散式的
在任一调度周期中，一 个用户分得的子载波必 须是连续的
用户B
用户C
时间
OFDMA体现多载波 特性， SCFDMA体现单载波 29 特性
2. TD-LTE核心技术
2.1 频分多址技术之OFDMA/SC-FDMA 2.2 2.3 多天线技术之MIMO 干扰抑制技术之ICIC
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2. TD-LTE核心技术
2.2 多天线技术之MIMO
什么是MIMO？
Multiple Input Multiple Output
z z
多输入多输出
在多个天线上分别发送多个数据流；
终端不能多输出。
利用多径衰落，在不增加带宽和天线发送功率的情况下，提高信道 容量及频谱利用率，或提高数据的传输质量。
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2. TD-LTE核心技术
2.2 多天线技术之MIMO
MIMO的优点
z MIMO多种模式带来多种增益。 多种模式带来多种增益 ? 分集增益 ? 波束赋形增益 ? 空间复用增益 z 提高频谱效率 要求TD-LTE的下行频谱效率 达到5bps/Hz（Rel-10为 30bps/Hz），上行频谱效率 达到2.5bps/Hz（Rel-10为 15bps/Hz）
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2. TD-LTE核心技术
2.2 多天线技术之MIMO
MIMO天线收发分集：提高通信质量 控制信道采用发射分集，以提高可靠性
开环模式中的STTD分集
发射分集技术提高系统下行链路性能
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2. TD-LTE核心技术
2.2 多天线技术之MIMO
MIMO天线空间复用：提高系统容量 空分多址，一般较少应用
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MU-MIMO 基站将占用相同时频资源的多个数据流发送给不同用户 下行同时支持SU-MIMO和MU-MIMO
空间复用：多个数据流的概念
SU-MIMO(SDM)
空分多址：多个 户的概念， MU-MIMO(SDMA) 用同样的视频资源，同时给两 个用户传输资源，这两个用户 在空间上是隔开的
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2. TD-LTE核心技术
2.2 多天线技术之MIMO
MIMO天线波束赋形：增强抗干扰能力
传统波束赋形
z z 小间距的天线阵列，使用较多天 线单元 提高峰值速率，小区覆盖，降低 小区间干扰
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4流传输时，不能波束赋形，2流传输时，才能波束赋形
2. TD-LTE核心技术
2.2 多天线技术之MIMO
中国移动LTE创新技术：双流波束赋形
波束赋形（BF） ? 降低干扰 ? 提升覆盖半径 双流波束赋形技术
MIMO ? 提升吞吐量
? 提升吞吐量 ? 提升覆盖半径 ? 降低小区间干扰
双流波束赋形技术是TD-LTE的多天线增强型技术，是TD-LTE建网的主流技术， 结合了智能天线波束赋形技术与MIMO空间复用技术，是中国移动与厂商共同创 新的成果，也是中国通信产业技术能力的体现。
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2. TD-LTE核心技术
2.2 多天线技术之MIMO
TD-LTE中MIMO的应用（PDSCH传输方案） 下行的共享信道（业务传输）
传输模式 PDSCH传输方案 TM1 TM2 单天线传输模式 发送分集 开环空间复用 闭环空间复用 多用户MIMO Rank=1的预编码 单流波束赋形 双流波束赋形 优点 产生的CRS开销小 提高链路传输质量，提高小 区覆盖半径 提高小区平均频谱效率和峰 值速率 提高小区平均频谱效率和峰 值速率 提高小区平均频谱效率和峰 值速率 提高小区的覆盖 提高链路传输质量，提高小 区覆盖 提高小区覆盖，提升小区中 心用户吞吐量 典型应用场景 各类场景 作为其它MIMO模式的 回退模式 高速移动场景 低速移动场景 密集城区
2,3,7模式用的 比较多， 采用自适应方 式，自动改变 模式
TM3 TM4 TM5 TM6 TM7 TM8
相当于并
传输
终端有反馈，叫闭环。基站根据 反馈，采用双流，还是四流
仅支持rank=1的传输 郊区、大范围覆盖场景 小区中心吞吐量需求大 的场景
记住名称，以及含义：如 ：单天线传输，发送分集 成 开环空间复用等等
控制信道采用 发射分 37 集方式，提高可靠性 。
2. TD-LTE核心技术
2.2 多天线技术之MIMO
PDSCH物理层处理过程
层映射：决定层数，开环还是闭环。几层就是几流，每 一层代表一个子信道
符 号
z “码字”通过“传输块”实现传输，LTE目前最大传输2个码字或2个传输块； z 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； z 公共导频的逻辑天线端口有1、2、4三种情况。
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？
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参考信号是 恒定的功率发 射，且基站和终端都知道参 2. TD-LTE核心技术 考信号的内容，通过这种方 2.2 多天线技术之MIMO 式，来检验无线传输环境。 小区专用参考信号 会在一定的时间插入参考信 TM1：单天线端口传输 ：分布于整个20 号。 z 最简单的传输方案。 最简单的传输方案 M带宽。 区专用参考信号，2个作 z PDSCH使用单天线端口传输时，根据Port0上的CRS进行解调。 ： 1.衡量下行信道的无线环境的 好坏 2.区分每一个数据流。（第一 个数据流会插入参考数据0， 用户专用参考信号：是用户 用来解调数据用的。它只是 穿插于用户自己要发送的数 据流
z 可用于各种场景。
频域
小区专用参考信号
用户专用参考信号
小方框代表调制产生 的符号，不是OFDMA 的符号
注：CRS：Cell-specific Reference Signal
时域-10MS
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2. TD-LTE核心技术
2.2 多天线技术之MIMO
用户专用参考信号
R5
用户专用参考信号 分布于用户自己要 发送的数据流，
R5
R5 R5 R5 R5 R5
R5
R5 R5 R5
R5
R5
R5 R5
R5
R5 R5
R5 R5 l=0 l=6 l =0
R5
R5
l=6
R5
R5
l =0
l = 5l = 0
l =5
常规CP,15kHz
扩展CP，15kHz
40
20