LTE概述

LTE概述

LTE相关组织介绍

LTE标椎组织

功能需求$\to$标椎制定$\to$技术验证
ngmn $\to$ 3GPP $\to$ LSTI

3gpp组织架构

3GPP网站

LTE标准进化进展-4G

	冻结时间	基本作用	功能
LTE R8	2009.03	定义LTE的基本功能	光谱灵活：带宽，双工；新的无线接入：UL:SC-FDMA,UP:OFDMA;多天线技术：发送分集，空间复用；Fast Scheduling；自适应调制编码（AMC）；混合自动重传请求（HARQ）;自组织网络(SON)
LTE R9	2009.12	完善家庭基站、管理和安全方面的性能，LTE微微基站和自组织管理功能	positioning（定位）；SON;EMBMS(改进的多媒体广播组播服务)
LTE Advance	2011.03	定义Lte-a的关键技术如relay，载波聚合，8*8MIMO，	带宽扩展；协同多点传输（CoMP）;Relay（增大网络范围，增强链路性能）

LTE网络架构

EPS

EPC

E-UTRAN

MME/S-GW

e-Node B

移动性管理实体/服务网关

EPS：演进分组系统
EPC：演进分组核心网
E-UTRAN：只有一种网元eNode B

LTE全网架构

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-Gs3cH5TP-1570611879891)(C:\Users\gxdbi\Desktop\MarkDownd笔记\通信\image\LTE全网架构.png)]

• 网络结构扁平化

• 全IP

• 媒体面控制面分离

• 与传统网络互通

  EPC网元的功能

控制面板网元MME（Mobility Management Entity，移动性管理设备），主要用于用户接入控制和移动性管理。
用户面网元包括S-GW（Serving—Gateway，服务网关），P-GW(PDN—Gateway，PDN—Packet Data Network—网关）,用来承载数据业务
服务数据管理网元HSS(Home Subscriber Server，归属签约用户服务器)EPC的HSS是融合的HLR/HSS，用于存储2G/3G、LTE用户数据、鉴权数据等。
策略控制网元为PCRF（Policy and Charging Rules Function，策略和计费控制功能），主要用于服务质量（QoS）的策略控制和计费控制。
PDN GW：P-GW的主要功能包括基于用户的包过滤功能、合法侦听功能、UE的IP地址分配功能、在上/下行链路中进行数据包传输层标记、进行上/下行业务等级计费以及业务级门控、进行基于业务的上/下行速率的控制等。另外，P-GW还提供上/下行链路承载绑定和上行链路绑定校验功能。
详情请见

LTE网络架构—Femto网

n个femto

Internet

SeGW

CN-OSS

X

HeMS

AAA

HSS

HeNBGW

MME

S-GW

HeNB（Home evolved Node B，家庭演进基站）：Femto无线接入点，完成无线口接入的相关流程。
SeGW，安全网关，确保非安全传输网络上S1口数据的安全传送
HeNB GW，Femto网关，完成S1口控制面板/用户面相关流程的代理服务功能
HeMS：Femto网管系统，提供对HeNB的接入认证、告警、性能等的管理功能
AAA+HSS：与SeGW相连实现HeNB USIM卡安全认证
CN-OSS：实现对SeGW、HeNB GW、AAA, HSS等设备管理，与BOSS对接
控制面：

Femto

Internet

SeGW

X

HeNB GW

MME

User plane:

femto

Internet

SeGW

x

HeNB GW

S-GW

eNode B基本功能

具有Node B的全部和RNC¹大部分功能：

• 物理层
• RLC² :无线链路控制（Radio Link Control），MAC³, PDCP⁴
• RRC功能
• 资源调度
• 无线资源管理
• 无线接入控制
• 移动性管理

LTE协议栈

信令流

UE

eNB

MME

数据流：

UE

eNB

S-GW

LTE无线接口—用户平面

LTE无线接口—控制平面

无线帧结构----类型1

• 每个10ms的无线帧被分为10个子帧
• 每个子帧包含两个时隙，每个时隙0.5ms
• LTE中，利用NFFT=2048的采样周期定义基本时间单元$T_s=\frac{1}{15000\ast 2048}$是基本时间单元，所有时域资源都以时间单元$T_s$表示
• 任何子帧可上可下

无线帧结构—类型2

• 每个10ms的无线帧包括2x5ms，每个半帧由4个数据子帧，1个特殊子帧组成
• 特殊子帧3个特殊时隙：DwPTS,GP,UpPTS⁵，总厂为1ms
• DwPTS和UpPTS长度可配置
• 支持5ms和10ms上下行切换点
• 子帧0,5和DwPTS总是用于下行发送

LTE物理资源分配—天线端口概念

LTE利用天线端口区分空间上的资源。LTE下行定义了6类天线端口

• 小区专用参考信号天线端口
• MBSFN⁶参考信号天线端口
• PDSCH⁷终端专用参考信号天线端口
• ePDCCH解调用参考信号天线端口
• 定位用参考信号天线端口
• CSI参考信号天线端口
  天线端口与物理端口无一一对应大关系

LTE物理资源分配—子载波

正交子载波区分频域资源，子载波之间间隔15或7.5kHz

LTE物理资源分配—RE

OFDM symbol：每个子载波—I/Q数据
一个RE----一个OFDM symbol（下行）或者SC-FDMA(上行)—一个天线端口—在BPSK调制承载1bit

LTE物理资源分配—RB

$PRB = N_{子载波}\times N_{符号个数} $
即：时域上连续的$N_{symb}^{DL}$个符号，频域上连续的$N_{sc}^{RB}$个子载波 组成，两者由CP类型和子载波间隔决定

系统占用带宽分析

• 占用带宽 = 子载波宽度 x 每个RB的子载波数目 x RB数目
• 子载波宽度 = 15kHz
• 每RB的子载波数目 = 12

LTE物理资源分配—REG/CCE/RBG

REG：（Resource Element Group）为控制区域中RE的集合，映射下行控制信道，并包含4个连续RE
RBG(Resource block Group)：为业务信道资源分配的资源单位，由一组RB构成，分组大小与系统带宽有关。
CCE（Channel Control Element）：为PDCCH⁸资源分配的单位，由9个REG组成

LTE物理资源分配—控制区域与数据区域

	组成
常规子帧	两个时隙,包括下行 Unicast/MBSFN子帧、下行MBSFN专用载波子帧和上行常规子帧
特殊子帧	三个特殊域组成，DwPTS,GP,UpPTS

1. 下行 Unicast/MBSFN子帧：控制区域与数据区域进行时分，控制区域OFDM 符号数目可配置

下行 Unicast/MBSFN 子帧	控制区域****OFDM 符号数目
帧结构类型2中的子帧 1 和子帧 6	1, 2
存在****MBSFN 传输的子帧	1, 2
不存在****MBSFN 传输的子帧	1, 2, 3

2. 下行****MBSFN 专用载波子帧中不存在控制区域
3. 上行常规子帧控制区域与数据区域进行频分

LTE物理信道概述

逻辑信道

传输信道

无线资源控制RRC

无线链路控制层RLC

媒质接入控制MAC

物理层PHY

逻辑信道

MAC向RLC以逻辑信道的形式提供服务。逻辑信道（信息类型）：CCH(传输LTE系统所必需的控制和配置信息)与TCH（传输用户数据）

传输信道

• 对PHY来说MAC以传输信道的形式向PHY提供服务

LTE物理信号

下行物理信号包括参考信号和同步信号
上行物理信号仅有参考信号

LTE物理信号—小区专用参考信号

RS干扰：影响信道估计，严重时，将使小区搜索失败或者切换失败。解决方法：规避RS信号在频域上的重叠

LTE物理信号—MBSFN参考信号

MBSF参考信号$\to$MBSF传输的子帧：用于下行MBMS业务的信号估计
天线端口4

LTE物理信号—UE专用参考信号

PDSCH信道估计，支持PDSCH的单天线传输。有高层配置

LTE物理信号—解调/定位/CSI用参考信号

	作用	天线端口
定位用参考信号（PRS)	Z终端定位	6
下行解调用参考信号（DM-RS）	EPDCCH信道估计	107,108,109,110每个端口对应一个+1和-1的组成序列
信道状态参考信号（CIS）	信道信息CQI，PMI，RI等信息的测量，最大支持8个端口的测量	15~22

LTE物理信号—下行同步信号

TDD系统，主同步信号（PSS）位于DwPTS的三个符号发送，辅同步信号（SSS）在子帧0/5的最后一个OFDM symbol 发送

• 主同步信号
  • 一个小区中PSS三选一
  • 3个序列$\leftarrow$$\to$物理层小区id组（3个物理层小区id） 一一对应
  • 由Zadoff-Chu序列产生
• 辅同步信号
  • 两个长度为31的二进制序列交错级联产生
  • 二进制序列由$x^5+x^3+1$生成31的M序列循环位移得到
  • 级联序列 + PSS的扰码信号
• LTE物理层小区ID(PCI) 504 —168 SSS序列 — 3个PCI

LTE物理信号—上行参考信号

物理层过程

• 搜索 PSS**，确定** 5ms 定时、获得小区 ID
• 解调 SSS**，取得**10ms定时，获得小区ID（PCI）组
• 计算物理小区标识$N_{ID}^{cell}=3\times N_{ID}^{(1)}+N_{ID}^{(2)}$
• 检测下行参考信号，获取BCH的天线配置
• UE就可以读取PBCH的系统mib消息（PCH配置、RACH配置、邻区列表等）
• 读取DL-SCH结构基于1.25MHz固定带宽。UE必需的小区信息有：小区总发射带宽、小区ID****、小区天线配置、CP长度配置、BCH带宽

LTE关键技术

频域多址技术—OFDM/SC-FDMA

多址技术要求

• 更大的带宽
  • 带宽de增加，OFDM信号仍将保持正交，CDMA的性能将受到多径的影响
  • 同一系统中，使用OFDMA可以灵活处理多个系统带宽
• 扁平化结构
  • 当分组调动的功能位于基站时，可以利用快速调度，including 频域调度，以提高小区容量。频域调度可通过OFDMA实现，而CDMA无法实现。
• 便于上行功放的实现
  • SC-FDMA相比较OFDMA可以实现更低的峰均比，有利于终端采用更高效率的功放
• 简化多天线操作
  • OFDMA更容易实现MIMO

多址方式概述

• LTE采用OFDM作为下行多址方式

频域

时域

信道编码/交织/加扰

QAM调制

串转并

子载波映射

IFFT

加cp

j

• 下行SC-OFDMA

时域

频域

时域

信道编码/交织/加扰

QAM调制

DFT

子载波映射

IFFT

加cp

j

OFDM基本思想

• 个子载波之间可以相互交叠
• 将高速数据流转换成N个并行的低速数据流，并在N个子载波上同时传输。并构成一个OFDM符号

OFDM—循环前缀

为什么需要前缀？

• 个子载波之间需完全正交，完全同步
• 发射机与接收机精确同频、同步
• 多径效应引起符号间的干扰
• 积分区间内周期不完整
  保护间隔和循环前缀：但在多径情况下空闲保护间隔在子载波中造成干扰

OFDM—主要参数

• 子载波间隔

  • 15kHZ，用于单播（unicast）和多播（MBSFN）传输
  • 7.5kHz，独立载波的MBSFN传输

• 子载波数目

  信道带宽MHz	1.4	3	5	10	15	20
  子载波数目	72	180	300	600	900	1200

• 循环前缀长度

  • 一个时隙中不同OFDM符号的循环前缀长度不同

OFDM—上行SC-FDMA多址方式

• 利用DFTS-OFDM的特点可以方便的实现SC-OFDMA多址接入
• 通过改变不同用户的DFT的输出到IDFT的输入的对应关系，输入数据符号的频谱可以被移植不同的位置，从而实现多用户多只输入

OFDM—DFTS-OFDM关键参数【同OFDM–主要参数】

• 子载波间隔
  • 15kHZ

OFDMA VS SC-FDMA

	时域	频域
OFDMA	调制完成后，N个符号同时传输	较高的峰均比（PAPR）：经过IFFT以后，每一个时域上的符号是那N个符号经过相位旋转的和。当N足够大时，每个符号趋于复高斯分布，整体幅度趋于瑞利分布。$\to$最大功率与平均功率的比值就会很大。对于OFDM，每个已调的信号映射到不同的子载波上，然后叠加在一起发送，发送的信号是很多时域信号的叠加
SC-FDMA	N个付符号一起调制，一个接一个顺序传输	经过DFT和IDFT变换后，接收到的符号周期变短了。每个符号经过DFT扩展到各个子载波上，也就是说每个子载波都有信息承载

MIMO技术

多天线技术

• 上行多天线技术
  • 上行传输天线选择（TSTD)
  • MU-MIMO
• 下行多天线技术
  • 传输分集：SFBC，sfbc+fstd，闭环Rank1预编码
  • 空间复用：开环空间复用，闭环空间复用以及MU-MIMO
  • 波束赋形
• 多天线技术分类
  • MIMO
  • SISO
  • SIMO
  • MISO
    LTE的基本配置是DL 2x2 UL 2x1，最大支持4x4

多天线技术—MIMO对比

• SU-MIMO：空分复用
  • 两个数据流在一个TTI中传输给UE
• SU-MIMO：发射分集
  • 只传给UE一个数据流

SU-MIMO:可通过多链路同时传输，提升路由器与客户端设备之间的网络通信速率，同一时间和同一频段内，路由器只与一个客户端设备进行通讯。客户端设备不能完全占用路由器的无线带宽，那路由器也无法将剩余带宽分配给其它设备使用。

• MU-MIMO结合SDM
  • 给每个UE传送两个数据流
• MU-MIMO结合发射分集
  • 给每个UE传送一个数据流

MU-MIMO：添加了多用户同时通讯机制。可以将全部的无线宽带利用起来。 多用户接入时，各个设备的网络延迟状况都会得到较好的改善。更重要的一点是，MU-MIMO不需要客户端设备提供支持，只要路由器本身支持MU-MIMO技术，那么其在实际使用的过程中就会生效，并通过路由器固件的设置来调整各个无线客户端设备的带宽分配。
上行支持 MU-MIMO
目前支持的配置1x2或1x4，将来支持2x2或4x4

多天线技术----UL MU-MIMO

• 多用户使用相同的时频资源
• 需要不同用户间相互协作完成
• 有效提升上行吞吐量
• 主要用于小区中心区域用户
  UL MU-MIMO技术使得上行小区的吞吐量提升了70-80%

多天线技术----波束赋形

• 基于码本的波束赋形
  • 终端$\to$ 选择系统推荐的PMIKaTeX parse error: Undefined control sequence: \rightaeeow at position 1: \̲r̲i̲g̲h̲t̲a̲e̲e̲o̲w̲基站
  • 需要使用小区参考信号 ，不需要终端参考信号
• 非码本的波束赋形
  • 利用上下行信道的互易性。利用上行信道矩阵估计下行信道矩 $H_{DL}=H_{UL}^T$
  • 利用上行信道的测量值估计下行发射的参数
  • 基站计算天线阵子的权值，控制各个阵子发送信号的幅度和相位，使信号同相叠加
  • 使用小区参考信号（CRS）和终端参考信号
• 双流波束赋形

多天线技术—增强型MIMO技术

• 最大下行支持8天线，最大支持8层传输，即8x8 MIMO
  • 提高下行吞吐量和频谱效率
  • 基于CSI-RS进行闭环TM9码本测量
  • TDD支持开环TM9多流业务发射
• 上行最大4x4
  • 大幅提高吞吐量和频谱效率
  • PUCCH（物理上行控制链路）支持基于SORTD⁹的发射分集，提高上行控制信息的传输质量
  • SRS¹⁰支持多端口发射，配合PUSCH进行空间服用的码本测量
  • TDD模式可用于TM9开环SU-MIMO增强
• MU-MIMO进一步增强，如SU-MU的动态切换、UE专用导频的引入等，用来提高MU-MIMO的性能

多天线技术----CoMP(Coordinated Mulitple Point，协同多点传输)

• 不管是同构小区基站单元，还是异构网中RRH,RRU,LPN等射频单元
• 改善小区边缘用户服务质量，提高小区的吞吐量

多天线技术 ---- DL CoMP

• 联合处理JP（Joint Processing）
  • 同一时频资源协作集中多节点可获得数据，各个节点联合进行数据处理，包括JT,DPS

    JT(Joint Transmission)	一个UE数据同时多个点进行传播，改善信号质量，或消除其他UE的干扰
    DPS(Dynamic point selection)	一个时刻，CoMP协作点集中只有一个点传输UE数据

• 协同调度（CS）\协同波束赋形（CB）

  • 数据仅仅在服务小区可获得，并由服务小区进行数据的传输，但是用户的调度和波叔的确定由协作集中的多个小区共同确定。

    CS(Coordinated Scheduling)	通过调度使其他协作节点避免与目标小区相同的资源上调度用户，或者让协作节点在相同资源上以低功率发送
    CB（Coordinated Beamforming）	通过协作的方式使邻小区选择恰当的BF权值来抑制邻小区对该UE的干扰

多天线技术----UL CoMP

• 联合接受JR（Joint Reception）

  • UE上行发数据同时由多个协作小区接收，通过小区间信息的交互，最终得到UE的解调性能。可分为：

    JE(Joint Equalization)	将CoMP协作集中的所有天线和流统一进行均衡处理，相对而言复杂度更高
    SC(Soft Combing)	每个小区解析出的邻小区用户数据传递到邻小区，用于信息的软合并

高阶调制技术

HARQ技术

混合自动重传请求（HARQ）

• 前向纠错码FEC
• 自动重传请求arq
• HARQ = FEC + ARQ

FEC通信系统

优势	劣势
高：系统传输效率；自动错误纠正，无反馈及重传；低延时	可靠性低；对信道自适应能力低；为保证较高的可靠性，编码时间长，编码效率低，复杂度和成本高

ARQ通信新系统

优势	劣势
低复杂；高可靠；适应性强	连续性，实时性，传输效率低

HARQ机制

以FEC进行传输，ARQ进行反馈

HARQ—定时关系

• ACK/NACK定时：对于子帧n中的数据传输，其ACK/NACK在n+k子帧中进行传输，对于FDD，k = 4；TDD, k > 3
• 重传与初传之间的定时关系：同步、异步HARQ协议
• LTE上行为同步HARQ协议：如果重传在预先定义好的时间进行，接收机不需要显示告知进程号。
  • 由PHICH¹¹传输子帧的位置$\to$PUSCH传输子帧的位置
  • 与PDCCH$\to$PUSCH的定时关系相同
• LTE下行异步：如果重传在上一次传输之后的任何一段时间上进行，接收机需要显示告知具体进程号。

HARQ—自适应、非自适应HARQ

• 自适应：可以改变初传的一部分或者全部的属性，例如调制方式，资源分配等，这些属性的改变需要信令的额外通知。
• 非自适应：重传时改变的属性是发射机与接收机协商好的，不需要额外的信令通知

LTE下行：自适应：PDCCH实现，不反馈NACK信令
LTE上行：非自适应：由PHICH信道中承载的NACK触发

RTT（Round Trip Time，回环时间）与进程数

RTT的大小：传输延时，接收时间，处理时间。TDD系统的时隙比例，传输所在子帧的位置有关。

链路自适应技术—AMC

实现方式：功率控制和速率控制
一般情况下是指：速率控制，LTE中为自适应编码调制技术（Adaptive Madolation and Coding，AMC）$\to$eNode B根据UE反馈的信道状况调整不同的调制方式
对于长时延的分组数据，Amc提高系统容量的同时不增加对邻区的干扰

快速MAC调制技术

小区干扰消除

TD-LTE VS LTE-FDD

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1. 是基站控制器，负责管理基站，实施通信控制 ↩︎

2. 无线链路控制（Radio Link Control，RLC）协议的主要目的是将数据交付给对端的RLC实体。所以RLC提出了三种模式：透明模式（Transparent Mode，TM）、非确认模式（Unacknowledged Mode，UM）和确认模式（Acknowledged Mode，AM） ↩︎

3. E-UTRA提供了两种MAC实体，一种是位于UE的MAC实体，一种是位于E-UTRAN的MAC实体。UE的MAC实体与E-UTRAN的MAC实体执行不同的功能，图33从UE的角度给出一种MAC实体结构。[https://baike.baidu.com/item/LTE%20MAC%E5%B1%82/16844150?fr=aladdin](https://baike.baidu.com/item/LTE MAC层/16844150?fr=aladdin) ↩︎

4. PDCP*(Packet Data Convergence Protocol)分组数据汇聚协议PDCP是对分组数据汇聚协议的一个简称LTE系统PDCP协议层的主要目的是发送或接收对等PDCP实体的分组数据。该子层主要完成以下几方面的功能：IP包头压缩与解压缩、数据与信令的加密，以及信令的完整性保护。 ↩︎

5. DwPTS是下行导频时隙，共96个chips,TD-SCDMA的帧结构是一个帧被分成了7+3个时隙，7个常规时隙，还有一个DwPTS（下行导频时隙），一个UpPTS（上行导频时隙，共160个chips)，GP（保护间隔，96个chips)，GP位于DwPTS和UpPTS之间 ↩︎

6. MBSFN，是Multicast Broadcast Single Frequency Network的缩写，意思是多播/组播单频网络。它要求同时传输来自多个小区的完全相同的波形。这样一来，UE接收机就能将多个MBSFN小区视为一个大的小区 [1] 。此外，UE不仅不会受到相邻小区传输的小区间干扰，而且将受益于来自多个MBSFN小区的信号的叠加。不仅如此，诸如G-RAKE等先进的UE接收机技术还能解决多径传播的时间差问题，从而消除小区内干扰。 ↩︎

7. Physical Downlink Shared Channel – 物理下行共享信道FACH或DCH相伴而存在，因此作为传输信道载体的PDSCH也不能独立存在。DSCH数据可以在物理层进行编码组合，因而PDSCH上可以存在TFCI，但一般不使用SS和TPC，对UE的功率控制和定时提前量调整等信息都放在与之相伴的PDCH信道上。 ↩︎

8. PDCCH (Physical Downlink Control Channel) ↩︎

9. SORTD:空间正交资源传输分集。基本思想是在不同的天线端口上使用不同的正交资源（即不同的PUCCH资源，RB、cyclic shift或orthogonal sequence不同）来传输同一UE的同一上行控制信息（UCI）。却减少了上行容量 ↩︎

10. SRS:Sounding Reference Signal(上行探测参考信号)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。 ↩︎

11. PHICH全称为Physical hybrid ARQ indicator channel，即物理HARQ指示信道。 ↩︎