TD-LTE无线技术原理

Mobile WiMAX 802.16m 峰值速率： 500M~1Gbps
• LTE: Long Term Evolution (长期演进）； • TD-LTE和FDD LTE在3GPP标准中的区别很小，主要区别体现在基本的双工方式上； • 运营商出于市场竞争方面的考虑，对“4G”有不同的解读
4
LTE的设计要求
Release 8 TD-LTE：基 础版本 多址方式 OFDMA/SC-FDMA 支持多流传输，下 行4流MIMO，上行 MU-MIMO 上下行支持64 QAM 调制 支持单流波束赋形
Release 9 TD-LTE：增强 Release 10 TD-LTE-Advanced：面 向IMT-Advanced 版本 支持双流波束赋形， 增强的上下行MIMO，支持最高 下行8流/上行4流传输，配合载波 增强性能 聚合实现1Gbps峰值速率 Home eNB增强 载波聚合支持最大100MHz带宽 实现自组织网络 无线中继Relay （SON）功能 分层网络下的小区间干扰消除， 实现混合载波 满足热点和家庭覆盖需求 eMBMS功能 研究节能与终端内多种无线技 术干扰共存 实现最小化路测（MDT）功能
在任一调度周期中，一 个用户分得的子载波必 须是连续的
时间
• 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 CarrierFDMA （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。
更高速率
– 峰值速率: 下行 > 100Mbps / 上行 > 50Mbps@20MHz – 提升小区边缘速率 – HSPA2-4倍的频谱利用率
OFDMA SC-FDMA TX TX
更小时延
– 无线数据包延时 < 10 ms (HSPA 是100ms左右） – 控制平面建立延时 < 50 ms
MIMO SDMA
TD-LTE 无线技术原理
目录
1 2 3
TD-LTE需求和标准发展 LTE基础和关键技术 TD-LTE帧结构及物理层技术
4
TD-LTE-Advanced增强技术
2
无线系统进步的推动力
保持竞争力
• 有线 • 不同系统
业务发展的需求
• 更新的业务 • 更好的业务
降低成本
• 系统 • 终端
保住工程师的饭 ？ 碗，^_^
应用场景
• 提高覆盖能力，可用于开阔 地区及小区边缘；另一方面 可以降低小区间干扰，提升 系统吞吐量
•
双流beamforming
BF1
BF2
21
目录
1 2 3 TD-LTE产业和标准发展 LTE基础和关键技术 TD-LTE帧结构及物理层技术
4
TD-LTE-Advanced增强技术
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LTE帧结构
受频率偏差的影响
子载波间干扰(ICI）
• 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
受时间偏差的影响
ISI(符号间干扰）& ICI
• 折射、反射较多时，多径时延大于CP （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环境下的多径时 延要求（4.68us)，从而维持符号间无干扰 16
全IP的扁平化结构
eNodeB S-GW P-GW
灵活的频谱使用
– 适应不同带宽 – 适应不同制式（TDD和FDD）
MME MME
LTE/SAE
5
LTE的标准发展
2008
2009
2010
2011
2012
TD-LTE帧结构融合， TD-LTE发展提速 形成“Type II” 帧结构：包括 DwPTS/GP/UpPTS 特殊子帧 工信部正式将LTE TDD命名为TD-LTE， 定位为TD-SCDMA 的后续演进
3 2.7 15
4.69
5 4.5 25
4.69
10 9 50
4.69
15 13.5 75
4.69
20 18 100
4.69
16.67
16.67
16.67
16.67
16.67
16.67
Channel Bandwidth [MHz] Transmission Bandwidth Configuration [RB] Transmission Bandwidth [RB]
1ms
特殊子帧配 置
0 1 2 3 4 5 6 7
Normal CP DwPT S 3 9 10 11 12 3 9 10 GP 10 4 3 2 1 9 3 2 UpPT S 1 1 1 1 1 2 2 2
Resource block
不同运营商的选择 • DoCoMo：5MHz
• Verizon： 10MHz
• 香港公司：15MHz
Active Resource Blocks
Center subcarrier (corresponds to DC in baseband) is not transmitted in downlink
目录
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TD-LTE需求和标准发展 LTE基础和关键技术 TD-LTE帧结构及物理层技术
4
TD-LTE-Advanced增强技术
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LTE概览
支持不同带宽 双工方式：FDD，TDD 同频组网 支持2、4、8通道系统
MME / S-GW MME / S-GW
性能（20MHz载波）
• FDD下行峰值吞吐量：150Mbps • TDD下行峰值吞吐量：81Mbps (2:2配比）
• 正交频分复用技术
宽频信道分成正交子信道 高速数据信号转换成并行的低速子数据流 每个子信道上传输低速子数据流
宽频信道
子载波颗粒度小（15kHz） 频域调度颗粒度小（180kHz）
正交子信道
f
频来自百度文库波形
OFDM概述（3）
OFDM技术的挑战
较高的峰均比(PAPR)
• 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
• 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 D0 Rel .A
LTE TDD
Release 11 TD-LTE-Advanced： 继续演进 上下行MIMO增强 载波聚合增强 移动Relay，支持高铁应用 TDD新频段 小区间干扰消除增强标准 化 标准化基站节能，促进节 能减排 标准化多种无线技术干扰 共存，推进四网融合
6
两大问题
LTE vs. HSPA ？ TD-SCDMA TD-LTE LTE FDD
11
1.4
3
5
10
15 fDL/UL
20 MHz
FDD-only
fDL fUL
TDD-only
多址技术的发展史
FDMA FDMA+TDMA
第一代移动通信系统
第二代移动通信系统（GSM）
CDMA
OFDMA
LTE
第三代移动通信系统
12
OFDM概述(1)
减少子载波间的保护频带，提高频谱利用率
OFDM概述(2)
用户B
用户C
时间
在这个调度周期中，用户A 是分布式，用户B是集中式
17
LTE多址方式-上行
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（R8/9）
频率
用户A
用户B
用户C
移动通信系统的标准演进与发展
2G
TDMA
GPRS/EDGE
3G
CDMA
WCDMA HSPA
3.9G
OFDM
4G
LTE FDD
峰值速率 (2×20MHz)： 50M/150Mbps (注：假设上行最 高16QAM）
• 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)
1 ms #0 #2 #3 #4 #5
DwPTS GP UpPTS
23
DwPTS GP UpPTS
TD-LTE的子帧配比
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
DL-UL Configuration Switch-point periodicity 0 1 2 3 Subframe number 4 5 6 7 8 9
峰值速率(20MHz)： 10M/110Mbps (注：3:1配比下， 且假设上行最高 16QAM）
CDMA 2000 1x
3GPP2阵营(CDMA)
• 峰值速率：1.8/3.1Mbps • 小区吞吐量：0.4/0.8Mbps
Mobile WiMAX 802.16e WiMAX阵营 峰值速率： 75Mbps
LTE多址方式-下行
下行多址方式—OFDMA
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。
频率
用户A
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
FDD LTE帧结构
#0 slot Sub-frame One radio frame = 10ms #1 #2 #18 #19
TD-LTE帧结构
One radio frame =10 ms
One half frame =5 ms
移动标准化 最大贡献，奠定 FDD和TDD融合 发展的技术基础
#7 #8 #9
存在时间、空间和频 率多种模式
空间复用
多路空间信道同时传输 不同信息
接收机：使用公 共导频序列获取 空间信道
应用场景
• 理论上成倍提高峰值速 率 • 适合信号散射多地区
分为开环、闭环空间复用 支持单用户和多用户模式
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LTE多天线技术-波束赋型 波束赋型
• 发射端天线阵列对数据先加权再发 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 使用与数据一起赋形的专用参考信 号进行解调 单流beamforming
18
LTE上行：SC-FDMA
• 降低峰均比 • 链路性能比OFDM略差 • 提高上行覆盖
• IFDMA – 时域实现，频谱利用率低 • DFT-S-OFDM – 频域实现，LTE采用
LTE多天线技术
空间分集
发射分集
多天线传输同样信息
分集合并
接收分集
应用场景
• 提高接收的可靠性和提高覆盖 • 适用于需要保证可靠性或覆盖的 环境
0 1 2 3 4 5 6
5 ms 5 ms 5 ms 10 ms 10 ms 10 ms 5 ms
D D D D D D D
S S S S S S S
U U U U U U U
U U D U U D U
U D D U D D U
D D D D D D D
S S S D D D S
U U U D D D U
LTE的关键技术
LTE的多址技术
下行: OFDMA 上行: SC-FDMA
OFDMA
SC-FDMA
先进的天线解决方案
空间分集 空间复用 波束赋形
TX TX
灵活的带宽配置
6种可用带宽 支持载波聚合（LTE-A）
可选的双工方式
TDD FDD（含半双工）
U U D D D D U
U D D D D D D
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
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TD-LTE特殊子帧配置
• TD-LTE特殊子帧继承了TD-SCDMA的特 殊子帧设计思路，由DwPTS，GP和 UpPTS组成。 • TD-LTE特殊子帧可有多种配置，用以改变 DwPTS，GP和UpPTS的长度。但无论如 何改变，DwPTS + GP + UpPTS等于1ms
• TDD下行峰值吞吐量：110Mbps (3:1配比）
• 调度周期：1ms • 移动速度：最大支持350km/h
X2
eNB eNB
S1
eNB
X2
S1
S1
X2
S1
E-UTRAN
LTE基本系统参数
系统带宽（MHz） 传输带宽（MHz） 资源块数目 CP 长度（μ s） 短 长 1.4 1.08 6
4.69