TDLTE知识库4.docx
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TDLTE知识库4
1TD-LTE系统原理
1.1TD-LTE网络结构及协议栈介绍
1.1.1网络架构及主要网元功能
LTE采用了与2G、3G均不同的空中接口技术，即基于OFDM（正交频分复用Orthogonalfrequancy-divisionmultiplexing）技术的空中接口技术，并对传统3G的网络架构进行了优化，采用扁平化的网络架构，亦即接入网E-UTRAN不再包含RNC，仅包含节点eNB，提供E-UTRA用户面PDCP/RLC/MAC/物理层协议的功能和控制面RRC协议的功能。
新的LTE架构中，没有了原有的Iu和Iub以及Iur接口，取而代之的是新接口S1和X2。
E-UTRAN的系统结构参见下图的LTEE-UTRAN系统结构图所示。
图1.11E-UTRAN结构
eNB之间由X2接口互连，每个eNB又和演进型分组核心网EPC通过S1接口相连。
S1接口的用户面终止在服务网关S-GW上，S1接口的控制面终止在移动性管理实体MME上。
控制面和用户面的另一端终止在eNB上。
eNB主要功能
LTE的eNB除了具有原来NodeB的功能之外，还承担了原来RNC的大部分功能，包括有物理层功能、MAC层功能（包括HARQ/混合自动重传）、RLC层（包括ARQ功能）、PDCP功能、RRC功能（包括无线资源控制功能）、调度、无线接入许可控制、接入移动性管理以及小区间的无线资源管理功能等。
具体包括有：
●无线资源管理：
无线承载控制、无线接纳控制、连接移动性控制、上下行链路的动态资源分配（即调度）等功能
●IP头压缩和用户数据流的加密
●当从提供给UE的信息无法获知到MME的路由信息时，选择UE附着的MME
●路由用户面数据到S-GW
●调度和传输从MME发起的寻呼消息
●调度和传输从MME或O&M发起的广播信息
●用于移动性和调度的测量和测量上报的配置
●调度和传输从MME发起的ETWS（即地震和海啸预警系统）消息
MME主要功能
MME是SAE（系统架构演进）的控制核心，主要负责用户接入控制、业务承载控制、寻呼、切换控制等控制信令的处理。
MME功能与网关功能分离，这种控制平面/用户平面分离的架构，有助于网络部署、单个技术的演进以及全面灵活的扩容。
其主要功能包括：
●NAS非接入层信令的加密和完整性保护
●AS接入层案例性控制、空闲态移动性控制
●EPS承载控制
●支持鉴权、寻呼、切换、漫游
S-GW主要功能
●S-GW作为本地基站切换时的锚定点，主要负责以下功能：
●分组数据路由及转发
●移动性和切换支持
●为下行数据包提供缓存
●基于用户的计费等
●合法监听
P-GW主要功能
●公共数据网关P-GW作为数据承载的锚定点，主要提供以下功能：
●分组数据过滤
●UE的IP地址分配
●上下行业务级计费
●基于聚合最大比特速率（AMBR）的下行速率控制
E-UTRAN和EPC之间的功能划分图，可以从LTE在S1接口的协议栈结构图来描述，如下图所示黄色框内为逻辑节点，白色框内为控制面功能实体，蓝色框内为无线协议层。
图1.12E-UTRAN和EPC的功能划分
1.1.2LTE协议栈
控制面协议结构
控制面协议结构如下图所示。
图1.13控制面协议栈
●PDCP在网络侧终止于eNB，需要完成控制面的加密、完整性保护等功能。
●RLC和MAC在网络侧终止于eNB，在用户面和控制面执行功能没有区别。
●RRC在网络侧终止于eNB，主要实现广播、寻呼、RRC连接管理、RB控制、移动性功能、UE的测量上报和控制功能。
●NAS控制协议在网络侧终止于MME，主要实现EPS承载管理、鉴权、ECM（EPS连接性管理）idle状态下的移动性处理、ECMidle状态下发起寻呼、安全控制功能。
用户面协议结构
用户面协议结构如下图所示。
图1.14用户面协议栈
用户面PDCP、RLC、MAC在网络侧均终止于eNB，主要实现头压缩、加密、调度、ARQ和HARQ功能。
1.2LTE物理层结构
1.2.1LTE无线帧结构
LTE支持两种类型的无线帧结构：
●类型1，适用于FDD模式；
●类型2，适用于TDD模式。
FDD模式帧结构：
TDD模式帧结构：
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FDDLTE的帧长一样。
●特殊子帧DwPTS+GP+UpPTS=1ms
TD-LTE特殊子针
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。
DwPTS
主同步信号PSS在DwPTS上进行传输。
DwPTS上最多能传两个PDCCHOFDM符号（正常时隙能传最多3个）。
只要DwPTS的符号数大于等于9，就能传输数据。
UpPTS
UpPTS可以发送短RACH（做随机接入用）和SRS（Sounding参考信号），根据系统配置，是否发送短RACH或者SRS都可以用独立的开关控制。
因为资源有限（最多仅占两个OFDM符号），UpPTS不能传输上行信令或数据。
NormalCP下特殊子针分配如下表：
特殊子帧配置
NormalCP
DwPTS
GP
UpPTS
0
3
10
1
1
9
4
1
2
10
3
1
3
11
2
1
4
12
1
1
5
3
9
2
6
9
3
2
7
10
2
2
8
11
1
2
TD-LTE帧结构和TD-SCDMA帧结构区别
TD-LTE和TD-SCDMA帧结构主要区别：
●时隙长度不同。
TD-LTE的子帧（相当于TD-S的时隙概念）长度和FDDLTE保持一致，有利于产品实现以及借助FDD的产业链。
●TD-LTE的特殊时隙有多种配置方式，DwPTS，GP，UpPTS可以改变长度，以适应覆盖、容量、干扰等不同场景的需要。
●在某些配置下，TD-LTE的DwPTS可以传输数据，能够进一步增大小区容量（TS36.213规定，特殊时隙DwPTS如果用于传输数据，那么吞吐量按照正常下行时隙的0.75倍传输。
如果采用10:
2:
2配置，则下行容量为3个正常时隙吞吐量+0.75倍正常时隙吞吐量）。
●TD-LTE的调度周期为1ms，即每1ms都可以指示终端接收或发送数据，保证更短的时延。
而TD-SCDMA的调度周期为5ms。
TD-LTE和TD-SCDMA半帧结构对比如下图所示：
TDDLTE上下行配比
DL-ULConfiguration
Switch-point
periodicity
Subframenumber
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
0
5ms
D
S
U
U
U
D
S
U
U
U
1
5ms
D
S
U
U
D
D
S
U
U
D
2
5ms
D
S
U
D
D
D
S
U
D
D
3
10ms
D
S
U
U
U
D
D
D
D
D
4
10ms
D
S
U
U
D
D
D
D
D
D
5
10ms
D
S
U
D
D
D
D
D
D
D
6
5ms
D
S
U
U
U
D
S
U
U
D
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。
1.2.2LTE物理信道
物理信道简介
信道类型
信道名称
TD-S类似信道
功能简介
控制信道
PBCH（物理广播信道）
PCCPCH
MIB
PDCCH（下行物理控制信道）
HS-SCCH
传输上下行数据调度信令
上行功控命令
寻呼消息调度授权信令
RACH响应调度授权信令
PHICH（HARQ指示信道）
HS-SICH
传输控制信息HI（ACK/NACK）
PCFICH（控制格式指示信道）
N/A
指示PDCCH长度的信息
PRACH（随机接入信道）
PRACH
用户接入请求信息
PUCCH（上行物理控制信道）
ADPCH
传输上行用户的控制信息，包括CQI，ACK/NAK反馈，调度请求等。
业务信道
PDSCH（下行物理共享信道）
PDSCH
RRC相关信令、SIB、paging消息、下行用户数据
PUSCH（上行物理控制信道）
PUSCH
上行用户数据，用户控制信息反馈，包括CQI，PMI，RI
●同步信道SCH：
不同的同步信号来区分不同的小区，包括PSS和SSS。
●P-SCH（主同步信道）：
符号同步，部分CellID检测，3个小区ID。
●S-SCH（辅同步信道）：
帧同步，CP长度检测和CellgroupID检测，168个小区组ID。
●广播信道PBCH
频域：
对于不同的带宽，都占用中间的1.08MHz（72个子载波）进行传输。
时域：
映射在每个5ms无线帧的subframe0里的第二个slot的前4个OFDM符号上。
周期：
PBCH周期为40ms，每10ms重复发送一次，终端可以通过4次中的任一次接收解调出BCH。
●物理层控制格式指示信道PCFICH
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。
●物理HARQ指示信道PHICH
PHICH的传输以PHICH组的形式，PHICH组的个数由PBCH指示。
采用BPSK调制，传输上行信道反馈信息。
●物理下行控制信道PDCCH
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。
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<=3
PDCCH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的位置之后才能确定其位置。
●物理随机接入信道PRACH
频域：
1.08MHz带宽（72个子载波），与PUCCH相邻
时域：
位于UpPTS（format4）及普通上行子帧中（format0~3）。
每10ms无线帧接入0.5~6次，每个子帧采用频分方式可传输多个随机接入资源。
●上行物理控制信道PUCCH
传输上行用户的控制信息，包括CQI，ACK/NAK反馈，调度请求等。
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。
●上行物理控制信道PUSCH
承载UL-SCH信息
逻辑、传输、物理信道映射关系
●逻辑信道定义传送信息的类型，这些数据流是包括所有用户的数据。
●传输信道是在对逻辑信道信息进行特定处理后再加上传输格式等指示信息后的数据流。
●物理信道是将属于不同用户、不同功用的传输信道数据流分别按照相应的规则确定其载频、扰码、扩频码、开始结束时间等进行相关的操作，并在最终调制为模拟射频信号发射出去；不同物理信道上的数据流分别属于不同的用户或者是不同的功用。
下行信道映射关系如下图所示：
上行信道映射关系如下图所示：
2TD-LTE关键特性
2.1OFDM
2.1.1概述
正交频分复用（OFDM）是一种无线环境下的高速传输技术。
传统的频分复用将频带分为若干个不重叠的子频带来传输并行数据流，子信道之间要保留保护频带。
而OFDM技术中各个子载波之间相互正交，允许子信道的频谱相互重叠，因此OFDM系统可以最大限度地利用频谱资源。
OFDM实际上是一种多载波并行调制方式，其将符号周期扩大为原来的N倍，从而提高了抗多径衰落的能力。
2.1.2基本原理
OFDM主要思想：
将数据进行串并转换，得到N路并行的数据流，并将它们调制到相互正交的子载波上，各个子载波的频谱相互交叠
把传输中的数据流分成多个部分，把无线信道分成N个信道，而传输的数据流则是分成N条数据，在N个信道上分别传输。
虽然总的信道是不平坦的，具有频率选择性，但是每个信道在自己的信道上传输，解决了平坦性。
这样不仅有利于增大在传输过程中的符号的周期时间，还可以减少码间的干扰。
最重要的一点是，加入了保护间隔，可以最大消除符号间干扰。
频域波形图如下：
2.1.3关键技术
Ø时频同步
同步技术是OFDM的一个最为关键的技术，因为它对OFDM系统的影响最大，直接影响系统的性能。
在多载波系统中，会产生频率偏移，而载波间的频率偏移会使导致干扰。
Ø信道估计
常用最小二乘（LS）、最小均方误差（MMSE）、降噪算法（NR）方法，利用训练序列进行信道估计或利用导频子载波进行信道估计。
利用训练序列进行信道估计通常进行一维（频域）插值，利用导频子载波进行信道进行估计，进行时频二维插值。
ØPAPR抑制
OFDM系统中，PAPR与系统所采用的调制方式基本无关，随可用子载波数目的增多而非线性增加。
降低PAPR可采用下述方法：
●合理地设计各个子载波的相位（当相位为有效信息时，该方法不再适应）
●预编码（当子载波数目较大时，找不到好的预编码方案）
●限幅（产生非线性失真，增加带内干扰及带外辐射，使BER提高）
Ø动态资源分配
OFDM系统中可供分配的资源包括功率、子载波、编码调制方式，OFDM系统可以：
●根据信道质量为每个用户动态分配最优子载波，同时为每个子载波动态分配合适的编码调制方式
●根据注水定理，通过合理的资源分配使系统容量最大化或者发射功率最小化
●将QoS与动态资源分配相结合，考虑业务需求和公平性
●将功率分配与远近效应相结合，尽量降低自干扰
优点
ØOFDM系统的频谱利用率高
OFDM系统中各个子载波之间是彼此重叠、相互正交的，从而极大提高了频谱利用率。
由于OFDM系统中只预留少部分保护子载波，不象传统的多载波系统那样需要较大的保护频带，因而频谱利用率有一定程度的提高。
单载波和正交多载波系统的频谱示意图如下图所示：
ØOFDM系统能有效抵抗多径干扰
在每个OFDM符号前面或后面插入一个保护间隔，则可以进一步降低多径延迟所引起的符号间干扰，当保护间隔的长度大于最大多径时延时，可以完全避免符号间干扰。
OFDM的保护间隔采用CP，则在有效的OFDM符号周期内，每一径的信号都是完整的，可以保证了子载波之间的正交性。
ØOFDM系统能有效抵抗频率选择性衰落
OFDM系统中可以通过动态子载波分配技术来抵抗频率选择性衰落，在衰落子载波上不传数据或者采用较低阶调制。
不足
Ø较高的峰均比（PARP）
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
Ø受频率偏差的影响，导致ICI
Ø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。
Ø受时间偏差的影响，导致ISI&ICI
折射、反射较多时，多径时延大于CP（CyclicPrefix，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
2.1.4上、下行多址方式
Ø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也没有干扰。
RB的分配有2种方式：
集中式（连续RB分给一个用户）、分布式（分配给用户的RB不连续）。
如下图所示：
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。
如下图所示：
Ø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
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SingleCarrier-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。
2.2MIMO
2.2.1MIMO概述
根据香农公式，对于给定的带宽，要提升系统的信息传输速率，需要提升系统的信噪比，即采用没有噪声的传输信道或者采用无限大的发射功率。
C=Blog2（1+S/N）
随着Turbo编码及LDPC技术的成熟，实际系统基本逼近了上限，故仅在时、频域内要大幅提升信道容量比较困难；
无线空口技术在时域及频域的使用达到极限，如何更高的容量达以满足日益发展的需求？
时频系统所能达到的极限容量如下：
可以发现容量随着发射天线数对数增加。
MIMO：
（multipleinputmultipleoutput）缩写，简称多天线技术，是指在收、发两端同时使用了多根天线进行组合传输、并辅助一定的信号处理技术来达到系统容量最大化，传输质量最优的组合技术。
广义上讲：
SIMO、MISO、BF技术也属于MIMO的范畴；
MIMO充分挖掘利用空间维度的资源，最大限度的提高无线链路传输的可靠性和频谱效率。
可以获得更大的系统容量、更广的覆盖和更高的用户速率。
2.2.2MIMO特性介绍
MIMO处理流程及相关术语
LTEMIMO系统中，涉及码字、层、秩、天线端口、层映射的概念。
●码字：
指来自上层的业务进行信道编码之后的业务数据流，不同的码字区分不同的数据流，用以通过MIMO发送多路数据，实现空间复用；
●层：
指映射到发射天线端口的数据流的个数，对发射分集而言，层数等于天线端口数；对于空间复用而言，层数等于传输信道矩阵的秩；
●秩：
MIMO系统可以等效为多个并行互不干扰的子信道，而子信道的数目就是矩阵的秩；
●天线端口：
一个逻辑端口的数据可以由多个物理端口发送，如BF；多个逻辑端口的数据也可以由1个物理端口发送；
●层映射：
由于码字数量与天线端口数量可能不一致，需要将码字流映射到不同的天线端口上，层映射和预编码实际是将“码字映射到不同天线端口”的两个子过程，层映射首先按照一定的规则，将数据流重新映射到多个层，预编码再将数据流映射到不同的天线端口上。
MIMO分类
根据分类方式的不同，通常可以将MIMO系统分为如下几类：
●按照是否要求UE反馈PMI，MIMO系统可以分为开环MIMO和闭环MIMO
●按照空间传输的码字（空间数据流）的数量，MIMO系统可以分为：
发射分集和空间复用
发射分集即在空间传输单个数据流，此时其Rank等于1，发射分集是利用空间信道的弱相关性，结合时间、频率上的选择性，在接收端将经历不同衰落的信号副本进行合并，降低合并后信号处于深衰落的概率，以此获得分集增益，提高信号传输的可靠性。
空间复用即在空间传输多个数据流，空间复用的Rank等于或大于1；在发射端和接收端都要采用多根天线，且Rank不大于发射端和接受段的天线的最小值；空间复用主要包括层映射和预编码两个操作，根据预编码矩阵是否由UE反馈得到，可将空间复用分为开环空间复用和闭环空间复用；
●按照用户数的多少，MIMO系统可以分为：
单用户MIMO和多用户MIMO
MIMO系统性能增益
Ø阵列增益
发射总功率相同（归一化）的前提下，通过提升处理后平均信噪比获得的性能增益。
利用各天线上的信号的相关性和噪声的非相关性，通过提高合并后信号的SINR（SignaltoInterferenceplusNoiseRatio:
信干噪比），而获得的性能增益；所以传输信道的相关性越高，阵列增益越明显；相关系数为0的不想关信道，无法获得阵列增益；
Ø分集增益
利用空间信道衰落的独立性，通过减小合并后信号的信噪比的波动，而获得的性能增益。
分集增益改善SNR分布的均差，并不能提高SNR的均值。
SNR的波动的减小会带来解调性能提升，IBLER降低，在外环机制的作用下抬升MCS，最终体现在吞吐量的提升上。
Ø复用增益
利用MIMO系统空间信道衰落的独立性，通过同时传输多个数据流，来提升传输速率，获得吞吐量的增益。
由于
，在相同发射总功率下，把功率分配给几个并行信道所能获得的极限容量将大于等于把功率全部集中到一个传输信道上所能得到的极限容量。
空间复用允许系统在不增加额外带宽和功率的前提下，同时传输单个用户的多个数据流或者多个用户的数据流。
Ø干扰抵消增益
利用干扰信道的空间有色性，对干扰进行抑制，通过提升处理后信号的信干噪比来获得增益；当MIMO系统干扰存在一定的有色性时，通过多个天线可以对干扰的有色性进行评估，并利用这个干扰进行干扰抑制。
MIMO系统增益如下图所示：
MIMO传输模式
3GPPLTE协议中所规定的传输模式如下表所示：
Transmissionmode
TransmissionSchemeofPDSCH
多天线增益
好处
TM1（R8）
（DLSIMO）
单天线发射，Port0
-
-
TM2（R8）
开环发射分集
分集增益
提高系统覆盖
TM3（R8）
开环空间复用
复用增益
提高系统容量
TM4（R8）
闭环空间复用
阵列增益
复用增益
提高系统容量
TM5（R8）
多用户空间复用
复用增益
提高系统容量
TM6（R8）
闭环发射分集
阵列增益
提高系统覆盖
TM7（R8）
单流BF
阵列增益
提高覆盖
TM8（R9版本新增）
双流BF
阵列增益
复用增益
提高系统容量
MIMO各种传输模式自适应流程如下图所示：
2.2.3总结
MIMO与OFDM相结合
MIMO系统是针对多径无线信道而产生的，一定程度上可以利用传播过程中产生的多径分量，也就是说MIMO可以抗多径衰落，多径效应对其影响并不大，反而可以作为一个有利因素加以使用。
但MIMO对于频率选择性衰落仍无法避免，目前解决MIMO系统中的频率选择性衰落的方案一般是利用均衡技术和OFDM，而解决频率选择性衰落问题恰恰正是OFDM的一个长处。
将MIMO系统与OFDM技术相结合，可以充分利用二者的优势，而又互相弥补不足之处：
●MIMO-OFDM系统不仅有
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