FDDLTE技术整理解析.docx
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FDDLTE技术整理解析
一、LTE的驱动力1
1.1引言1
1.2LTE是需求与竞争的产物1
二、OFDM技术简介2
2.1OFDM概述2
2.2OFDM原理2
2.3OFDM关键技术2
2.3.1保护间隔和循环前缀2
2.3.2信号同步3
2.3.3降低OFDM信号的PAPR3
三、MIMO技术简介4
3.1MIMO概述4
3.2MIMO技术优势4
3.2.1空间分集4
3.2.2空间复用4
3.2.3波束成形4
3.3LTE中的MIMO模式4
四、FDD-LTE技术原理5
4.1FDD-LTE的基本原理5
4.2速率比较5
4.3FDD-LTE与TDD-LTE的区别5
4.4全球商用情况6
五、FDD-LTE物理层概述7
5.1总体协议架构7
5.2物理层功能7
5.3FDD-LTE物理层帧结构8
5.4物理信道8
5.4.1上行信道和上行信号8
5.4.2下行信道和下行信号9
5.5信道映射关系11
5.5.1传输信道与物理信道的映射11
5.5.2逻辑信道和传输信道的映射12
5.5.3三种信道总体的映射关系12
5.6物理层过程13
5.6.1小区搜索13
5.6.2功率控制14
5.6.3随机接入过程15
六、LTE业务16
6.1移动高清多媒体业务16
6.2实时移动视频监控16
6.3移动接入的远程医疗系统16
6.4高清视频即摄即传17
本文如无特别说明LTE协议均为R10版本。
一、LTE的驱动力
1.1引言
移动互联网是目前信息化时代最具时代特征值的技术，移动互联网是通信产业与传统的IT产业的交汇和融合，是信息技术IT（InformationTechnology）产业向通信技术CT（CommunicationTechnology）产业的渗透。
而其催生的动力来源于人们对于高数据传输速率日益增长的需求及智能移动终端设备的出现，随着社会的发展和人们对生活品质的追求及丰富多彩的体验，人们已经越来越不满足最传统的语音通信业务，人们开始追求高质量的移动视听服务，高清晰度的IPTV享受，需要体验快捷方便的移动支付，需要进行实时流畅的手机游戏，需要进行高速准确的移动搜索，实时的获取各种新闻信息，人们希望在移动中进行轻松的社交活动，需要进行移动商务以实时的和客户进行沟通……这些都成为推动移动通信技术迅速发展的的驱动力。
目前，移动互联网用户的数量正在以史无前例的速度增长。
据统计，目前全球移动上网的用户已经远远超过了固定网络上网的用户；移动话音通信的用户已经远远超过了固定电话通信的用户；移动数据业务收人已经远远超过了移动话音业务收人；手机用户保有量已经超过PC和TV用户的保有量，移动互联网技术正在开辟信息技术时代的新天地。
1.2LTE是需求与竞争的产物
全世界在80年代初开始了以模拟通信为特征的1G蜂窝移动通信的建设，最具典型的是1983年美国的AMPS系统及1985年欧洲的TACS系统，载频带宽为25K~30KHZ,由于是模拟通信技术，不能进行各种加密、编码和数字信号处理技术，所以通信安全性差，信号极易被窃听。
80年代末90年代初全世界开始了以数字通信为特征的2G移动通信的建设，最具典型的是GSM及由美国高通公司提出的IS-95CDMA移动通信系统，其中GSM的载频带宽为200KHZ,IS-95CDMA的载频带宽为1.25MHZ,2G移动通信频谱利用率比1G大大提高，系统容量大大提高。
1996年，3GPP/3GPP2开始了3G移动通信标准的制定工作，到1998年全世界形成了三个国际性的3G标准，WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA标准，3G以支持髙速数据传输及多媒体业务为特征，也即指首批用于宽带数据业务的移动通信，最初的标准5MHZ的带宽下可以达到室内环境至少2Mbps的数据率，后期到了3.5G又进行了增强进一步地提高了数据传输速率。
3G的前三个标准全采用了CDMA的多址方式，已经被证实比1G的TDMA及2G的TDMA具有更高的系统容量。
为什么称3G的前三个标准，原因在于几年后又有一个标准也被ITU承认作为一个3G的正式标准，所以，严格的讲，3G应该是有4个国际化的标准。
2007年10月，移动宽带接人的强有力竞争对手WiMAX被ITU批准正式成为3G的一个标准，采用了OFDM、MIMO等更新的技术，支持更高的数据传输速率（20MHZ带宽下可以达到75Mbps）。
为了应对WiMAX的竞争压力，3GPP/3GPP2全面启动了新一代3G技术的研究，3GPP于2008年12月发布了3GPPR8即LTE（LongTermEvolution）,其主要的目标是明显提高数据传输速率：
达到在20MHz带宽内达到下行100Mbit/S的峰值速率（即5bit/S/Hz的频谱效率）及50Mbit/S的上行峰值速率（即2.5bit/s/Hz的频谱效率）。
随后3GPP提出来R8的增强版本R9。
为了进一步的提高数据速率来满足业务的需求，3GPP在2012年发布了100MHz带宽内下行1Gbps的峰值速率及上行500Mbps峰值速率的R10版本。
LTE和WiMax都采用了相同的关键技术，包括OFDM及MIMO。
LTE的产生最根本的驱动力总结起来有三：
（1）基于人们日益增长的高数据率要求的移动互联网业务的蓬勃发展；
（2）以苹果Iphone为代表的智能移动终端设备的出现及大量普及；（3）WiMAX的异军突起和强大竞争压力。
二、OFDM技术简介
2.1OFDM概述
正交频分复用（OFDM:
OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing）是一种多载波调制技术，早在20世纪60年代就已经提出了OFDM的概念，不过由于实现复杂度高，大家并不怎么关注，之后随着DFT（离散傅立叶变化）、FFT（快速傅立叶变换）的提出以及DSP芯片技术的发展，极大减少了OFDM实现复杂度和成本，OFDM逐步在通信领域得到了广泛的应用，并且成为了高速移动通信中的主流技术。
OFDM使用相互重叠但正交的窄带传输数据，相比传统的多载波系统具有更高的频谱利用率。
3gpp选择OFDM作为LTE下行数据传输制式。
由于OFDM信号是多个子载波信号的叠加，所以存在较高的PAPR（峰均比），对功放的要求较高，不适合于上行使用，所以为了克服OFDM的缺点，3gpp在上行引入了单载波频分多址（SC-FDMA:
SingleCarrierFrequencyDivisionMultipleAccess）机制，SC-FDMA是OFDM的一种修正形式，和OFDM使用多载波并行方式传输数据相比，SC-FDMA采用单载波串行方式传输数据，从而具有较低的PAPR。
2.2OFDM原理
将高速的数据流分解为多路并行低速数据流，在多个载波上同时进行传输。
OFDM允许子载波频谱部分重叠,只要能满足子载波之间相互正交就可以从混叠的子载波上分离出数据信息。
由于OFDM允许子载波频谱混叠,其频谱效率大大提高,因而是一种高效的调制方式。
2.3OFDM关键技术
2.3.1保护间隔和循环前缀
应用OFDM的一个最主要的原因是它可以有效地对抗多径时延扩展。
通过把输入的数据流串并变换到N个并行的子信道中，使得每个用于去调制子载波的数据符号周期可以扩大为原始数据符号周期的N倍，因此时延扩展与符号周期的比值也同样降低N倍。
为了最大限度地消除符号间干扰，还可以在每个OFDM符号之间插入保护间隔（guardinerval），而且该保护间隔长度
一般要大于无线信道的最大时延扩展，这样一个符号的多径分量就不会对下一个符号造成干扰。
在这段保护间隔内，可以不插入任何信号，即是一段空闲的传输时段。
然而在这种情况中，由于多径传播的影响，则会产生信道间干扰（ICI），即子载波之间的正交性遭到破坏，不同的子载波之间产生干扰。
为了消除由于多径所造成的ICI，OFDM符号需要在其保护间隔内填入循环前缀（CP）。
循环前缀是将OFDM符号尾部的信号搬移到头部构成的，这样就可以保证有时延的OFDM信号在FFT周期内总是具有整数倍周期。
这样，时延小于保护间隔
的时延信号就不会在解调过程中产生ICI。
LTE旨在支持大范围的蜂窝部署场景，包括户内、城市、郊区、乡村、可覆盖低和高速移动的UE。
小区的大小可从半径只有数米的家庭网络宽至半径达数十公里的宏蜂窝。
部署的载波频率范围可能从400MHz~4GHz，带宽范围从1.4~100MHz。
所有这些情况意味着不同的时延扩展和多普勒频偏。
所以LTE定义了常规CP和扩展CP。
2.3.2信号同步
OFDM符号是由多个子载波信号叠加而成,各个子载波之间利用正交性来区分,对于OFDM系统而言,频率偏移会破坏子载波之间的正交性,产生ICI,影响系统性能。
因此,同步是OFDM系统中非常重要的技术,同步性能的好坏直接关系到OFDM技术能否广泛应用于无线通信领域。
OFDM系统中的存在如下几个方面的同步要求：
（1）载波同步：
接收端的振荡频率要与发送载波同频同相;
（2）符号同步：
IFFT和FFT起止时刻一致；
（3）采样时钟同步：
接收端和发射端的抽样频率一致。
2.3.3降低OFDM信号的PAPR
高峰平比是影响OFDM技术应用的一个关键问题，为了降低OFDM系统的PAPR，国内外学者进行了大量深入的研究,提出了很多方法。
解决高峰平比问题主要有两种途径：
一是提高功率放大器的性能，二是降低OFDM信号的峰平比。
其中，从提高功率放大器的性能着手解决OFDM系统存在的高峰平比问题有一定的局限性。
实际应用中,更多的是从OFDM信号本身的角度出发，采取措施降低大峰值信号的出现概率或是避免大峰值信号的出现。
降低OFDM信号峰平比的技术可以从本质上解决OFDM系统存在的高峰平比问题。
目前所存在的减小PAPR的方法大概可以分为三类：
（1）信号预畸变技术，即在信号经过放大之前，首先要对功率值大于门限值的信号进行非线性畸变，包括限幅、峰值加窗或者峰值消除等操作。
这些信号畸变技术的好处在于直观、简单，但信号畸变对系统性能造成的损害是不可避免的；
（2）编码方法，即避免使用那些会生成大峰值功率信号的编码图样，例如采用循环编码方法。
这种方法的缺陷在于，可供使用的编码图样数量非常少，特别是当子载波数量N较大时，编码效率会非常低，从而导致这一矛盾会更加突出；（3）利用不同的加扰序列对OFDM符号进行加权处理，从而选择PAR较小的OFDM信号来传输。
三、MIMO技术简介
3.1MIMO概述
多天线技术是移动通信领域中无线传输技术的重大突破。
通常多径效应会引起衰落，因而被视为有害因素，然而，多天线技术却能将多径作为一个有利因素加以利用。
MIMO（MultipleInputMultipleoutput：
多输入多输出）技术利用空间中的多径因素，在发送端和接收端采用多个天线，通过空时处理技术实现分集増益或复用増益，充分利用空间资源，提高频谱利用率。
3.2MIMO技术优势
为了满足LTE系统中高速数据传输速率和高系统容量方面的需求，LTE系统中MIMO技术主要包括：
空间分集、空间复用及波束成形3大类。
3.2.1空间分集
采用多个收发天线的空间分集可以很好的对抗传输信道的衰落。
空间分集分为发射分集、接收分集和接收发射分集三种。
3.2.2空间复用
空间复用的主要原理是利用空间信道的弱相关性，通过在多个相互独立的空间信道上传输不同的数据流，从而提高数据传输的峰值速率。
LTE系统中空间复用技术包括：
开环空间复用和闭环空间复用。
开环空间复用：
LTE系统支持基于多码字的空间复用传输。
所谓多码字，即用于空间复用传输的多层数据来自于多个不同的独立进行信道编码的数据流，每个码字可以独立地进行速率控制。
闭环空间复用：
即所谓的线性预编码技术。
3.2.3波束成形
MIMO中的波束成形方式与智能天线系统中的波束成形类似，在发射端将待发射数据矢量加权，形成某种方向图后到达接收端，接收端再对收到的信号进行上行波束成形，抑制噪声和干扰。
与常规智能天线不同的是，原来的下行波束成形只针对一个天线，现在需要针对多个天线。
通过下行波束成形，使得信号在用户方向上得到加强，通过上行波束成形，使得用户具有更强的抗干扰能力和抗噪能力。
因此，和发射分集类似，可以利用额外的波束成形増益提高通信链路的可靠性，也可在同样可靠性下利用高阶调制提高数据率和频谱利用率。
3.3LTE中的MIMO模式
LTER10中定义了9种MIMO模式，MODE1〜9。
7种模式描述如下所示
1.TM1，单天线端口传输：
主要应用于单天线传输的场合。
2.TM2，开环发射分集：
不需要反馈PMI，适合于小区边缘信道情况比较复杂，干扰较大的情况，有时候也用于高速的情况，能够提供分集增益。
3.TM3，开环空间复用：
不需要反馈PMI，合适于终端（UE）高速移动的情况。
4.TM4，闭环空间复用：
需要反馈PMI，适合于信道条件较好的场合，用于提供高的数据率传输。
5.TM5，MU-MIMO传输模式（下行多用户MIMO）：
主要用来提高小区的容量。
6.TM6，闭环发射分集，闭环Rank1预编码的传输：
需要反馈PMI，主要适合于小区边缘的情况。
7.TM7，Port5的单流Beamforming模式：
主要也是小区边缘，能够有效对抗干扰。
8.TM8，双流Beamforming模式：
可以用于小区边缘也可以应用于其他场景。
9.TM9,传输模式9是LTE-A中新增加的一种模式，可以支持最大到8层的传输，主要为了提升数据传输速率。
四、FDD-LTE技术原理
4.1FDD-LTE的基本原理
FDD-LTE是一种以频分为特点的4G制式，即上下行通过不同的频点区分。
FDD模式的特点是在分离的两个对称频率信道上，进行接收和传送，用保证频段来分离接收和传送信道。
上行理论速率为1Gbps，下行理论速率为500Mbps。
是当前世界上采用的国家及地区最广泛的，终端种类最丰富的一种4G标准。
4.2速率比较
无线蜂窝网络的上下行速率统计，如表4-1所示。
无线蜂窝制式
GSM
（EDGE）[2.75G]
CDMA2000
（1x）
CDMA2000
（EVDORA）
TD-SCDMA
（HSPA）
WCDMA
（HSPA）
TD-LTE
FDD-LTE
LTE-A
下行速率
236kbps
153kbps
3.1Mbps
2.8Mbps
14.4Mbps
100Mbps
150Mbps
1Gbps
上行速率
118kbps
153kbps
1.8Mbps
2.2Mbps
5.76Mbps
50Mbps
40Mbps
500Mbps
表4-1无线蜂窝网络的速率
4.3FDD-LTE与TDD-LTE的区别
TD-LTE是时分多址的LTE，FDD-LTE是频分多址的LTE。
简单的说，时分就是不同的用户占用不同的时间，而频分是不同的用户占用不同的频率。
频分双工（FDD）和时分双工（TDD）是两种不同的双工方式。
FDD是在分离的两个对称频率信道上进行接收和发送，用保护频段来分离接收和发送信道。
FDD必须采用成对的频率，依靠频率来区分上下行链路。
FDD在支持对称业务时，能充分利用上下行的频谱，但在支持非对称业务时，频谱利用率将大大降低。
TDD用时间来分离接收和发送信道。
在TDD方式的移动通信系统中，接收和发送使用同一频率载波的不同时隙作为信道的承载，其单方向的资源在时间上是不连续的，时间资源在两个方向上进行了分配。
某个时间段由基站发送信号给移动台，另外时间由移动台发送信号给基站，基站和移动台之间必须协同一致才能顺利工作。
如图4.1所示，横坐标为时间轴，而竖坐标为频率轴。
DL代表下行数据，而UL代表上行数据。
FDD方式下，上行数据与下行数据在同一对称频率上，需要同时传输，优势在于频率宽度大，数据传输速度快。
但如果遇到非对称业务，如下载东西等，下行数据会远远大于上行，因此上行数据的频率信道便会被占用。
TDD方式下，上下行数据在同一时间里面并不需要一起传输，因此其可以根据上下行的数据大小动态进行分配，对于频率信道的利用率更好。
图4.1FDD与TDD的区别
4.4全球商用情况
频分双工（FDD）和时分双工（TDD）两种方式，由于无线技术的差异、使用频段的不同以及各个厂家的利益等因素，LTEFDD支持阵营更加强大，标准化与产业发展都领先于LTETDD。
截至2013年3月份，全球125个国家共计412个运营商投资建设LTE网络。
67个国家的156个电信运营商己商用LTE网络。
其中商用的FDD网络共有149个。
主流频段为1.8G/2.6G/及低频段700MHz、800MHz。
其中商用的TDD网络共有14个。
主流频段为2.6G/2.3GHZ。
五、FDD-LTE物理层概述
5.1总体协议架构
图5.1:
无线接口协议体系结构
上图显示的是与物理层相关的E-UTRA无线接口协议体系结构。
物理层连接L2（数据链路层）的媒体接入控制子层（MAC）、以及L3（网络层）的无线资源控制（RRC）层。
图中不同层/子层之间的圈表示服务接入点（SAPs）。
物理层向MAC层提供传输通道。
传输通道的特性通过信息在无线接口上的传输方式确定。
MAC向L2的无线链路控制（RLC）子层提供不同的逻辑信道。
逻辑信道的特性通过传输信息的类型确定。
5.2物理层功能
物理层向高层提供数据传输服务，这些服务的接入是通过使用MAC子层的传输信道实现的。
为了提供数据传输服务，物理层将提供如下功能：
-传输信道的错误检测并指示给高层。
-传输信道的前向纠错（FEC）编码/解码
-混合自动重传请求（HARQ）软合并
-编码传输信道与物理信道的速率匹配
-编码传输信道与物理信道的映射
-物理信道的功率加权
-物理信道的调制与解调
-频率与时间的同步
-无线特性测量并指示给高层
-多输入多输出（MIMO）天线处理
-传输分集（TXdiversity）
-波束赋型
-射频处理
5.3FDD-LTE物理层帧结构
LTE物理层的多址接入方案，下行方向采用基于循环前缀（CP）的正交频分复用OFDM，上行方向采用基于循环前缀的单载波频分多址接入（SC-FDMA）。
为支持成对的频谱，支持全双工和半双工操作的频分双工（FDD）。
L1基于资源块以带宽不可知的方式定义，从而允许LTEL1适用于不同频谱分配。
一个资源块频域上或者占用12个带宽为15kHz的子载波，或者是24个带宽为7.5kHz的子载波，在时域上持续时间为一个时隙，即0.5ms。
无线帧结构1是用于FDD模式（支持全双工和半双工操作），其无线子帧长度为10ms，包含20个时隙，每个时隙长度为0.5ms。
两个相邻的时隙构成一个子帧，其长度为1ms。
对FDD，在每10ms的间隔内，10个子帧可用于下行链路传输也可用于上行链路传输。
上下行传输按频域隔离。
半双工FDD操作中，UE不能同时发送和接收，而全双工FDD中没有这种限制。
图5.2FDD帧结构
为了支持多媒体广播和多播业务（MBMS），LTE提供了在单频网络（MBSFN）中传输多播/广播业务的可能性，即在给定的时间里，从多个小区发送时间同步的公共波形。
MBSFN提供了更高效的MBMS，允许UE在空中接口合并多个小区的传输，同时使用循环前缀来处理传播时延的差别，使得MBSFN传输对于UE来说就像来自一个大覆盖小区的传输一样。
对于MBSFN，支持在指定载波上使用更长的CP和7.5kHz的子载波带宽，并且支持在一个载波上利用时分复用的方式进行MBMS传输和点对点的传输。
支持多输入多输出（MIMO）传输，下行方向可配置8根发送天线以及8根接收天线，允许最大8个流的多层传输，下行方向可配置4根发送天线以及4根接收天线，允许最大4个流的多层传输。
多用户MIMO，即在上行和下行都支持分配不同的流给不同的用户。
在上下行链路中都支持小区聚合的功能，最大支持5个服务小区。
每个服务小区最大传输带宽为110个资源块。
5.4物理信道
5.4.1上行信道和上行信号
上行传输的最小资源单位是资源单元。
一个时隙中的传输信号可以用一个资源格表示，资源格中的每个单元称为资源单元，并在时隙中每个资源单元都有唯一的序号对
定义，其中
和
分别是频域和时域索引。
上行物理信道对应于一组资源单元的集合，用于承载源自高层的信息。
上行中定义的物理信道如下：
（1）物理随机接入信道（PRACH）：
是UE一开始发起呼叫时的接入信道，UE接收到FPACH响应消息后，会根据NodeB指示的信息在PRACH信道发送RRCConnectionRequest消息，进行RRC连接的建立。
（2）物理上行共享信道（PUSCH）：
上行物理共享信道基带信号处理步骤如下：
——加扰
——对被加扰的比特进行调制（QPSK，16QAM，64QAM），生成复值符号
——将复值调制符号映射到一个或几个传输层
——对每个传输层的复值调制符号进行预编码，用于天线口上的传输
——把每个天线端口的复值调制符号映射到资源单元
——为每个天线端口生成复值时域SC-FDMA信号
图5.3上行物理共享信道的处理流程
（3）物理上行控制信道（PUCCH）：
用于承载上行链路控制信息。
如果被上层允许的话同一个UE可以同时传输PUCCH和PUSCH。
物理上行控制信道支持表5-1中给出的多种格式。
格式2a和2b只支持常规循环前缀。
PUCCH格式
调制方案
每子帧比特数,
1
N/A
N/A
1a
BPSK
1
1b
QPSK
2
2
QPSK
20
2a
QPSK+BPSK
21
2b
QPSK+QPSK
22
表5-1PUCCH格式
物理信号：
上行物理信号是指物理层使用的但是不承载任何来自高层信息的信号。
定义了如下的上行物理信号：
-参考信号
上行支持两种类型参考信号：
-解调参考信号，与PUSCH或PUCCH传输相关
-探测参考信号，与PUSCH或PUCCH传输无关
解调和探测参考信号使用相同的基序列集合。
5.4.2下行信道和下行信号
下行链路传输中最小的时频单位也为资源单元。
下行物理信道的基带信号处理按下列步骤进行：
-对在一个物理信道上传输的每一个码字中的编码比特进行加扰
-对加扰后的比特进行调制，产生复值调制符号
-将复值调制符号映射到一个或几个传输层
-对每个传输层的复值调制符号进行预编码，用于天线口上的传输
-把每个天线端口的复值调制符号映射到资源单元
-为每个天线端口产生复值的时域OFDM符号
图5.4:
下行物理信道处理过程
下行物理信道对应于一系列资源单元的集合，用于承载源于高层的信息，下行定义的物理信道如下：
物理下行共享信道（PDSCH）：
物理下行共享信道按下行物理信道处理过程中描述的方式进行处理和资源单元的映射，同时有下列条例：
-在不传输UE专用参考信号的资源块中，PDSCH与PBCH发射使用同样的天线端口集合，取
或
-在传输UE专用参考信号的资源块中，PDSCH将在天线口
or
上发射，其中v是PDSCH的传输层数。
-如果传输的PDSCH是MBSFN的子帧的话，那么PDSCH将在
的一个
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