第十四讲LTE/LTE-A移 动通信系统
第十四讲 LTE/LTE LTE/LTE-A移 动通信系统
LTE基本概念 冬LTE是由3GPP制定的通用移动通信系统(UMTS)技术标准的长期演 进。LTE系统有两种制式：FDD-LTE和TDD-LTE,即频分双工LTE系 统和时分双工LTE系统，二者技术的主要区别在于空中接口的物理层 上（如，帧结构、时分设计、同步等）。 FDD-LTE系统空口上下行传输采用一对对称的频段接收和发送数据， 而TDD-LTE系统上下行则使用相同的频段在不同的时隙上传输，相对 于FDD双工方式，TDD有着较高的频谱利用率。 可变带宽 高速率 高效率 低时延 1.4、3.0、5、10 下行：100Mbps 下行：5bit/s/Hz 控制面：100ms 15、20MHz 上行：50Mbps 上行：2.5bit/s/Hz 用户面：10ms Mobile Communication Theory
LTE基本概念 LTE是由3GPP制定的通用移动通信系统（UMTS）技术标准的长期演 进。LTE系统有两种制式： 系统有两种制式：FDD-LTE和TDD-LTE，即频分双工LTE系 统和时分双工LTE系统，二者技术的主要区别在于空中接口的物理层 上（如，帧结构、时分设计、同步等）。 FDD-LTE系统空口上下行传输采用 对对称的频段接收和发送数据 系统空口上下行传输采用一对对称的频段接收和发送数据， 而TDD-LTE系统上下行则使用相同的频段在不同的时隙上传输，相对 于FDD双工方式，TDD有着较高的频谱利用率。 Mobile Communication Theory 2
LTE的目标 3 GPP LTE的主要性能指标描述如下： (I)通信速率有了提高，下行峰值速率为100Mbps、上行为50Mbps。 (2)提高了频谱效率，下行链路5(bit/s)/Hz,(3-4倍于R6版本的HSDPA)上行链 路2.5(bit/s)/Hz,是R6版本HSUPA的2-3倍。 (3)以分组域业务为主要目标，系统在整体架构上将基于分组交换。 (4)QoS保证，通过系统设计和严格的QoS机制，保证实时业务（如VoIP)的服务质 量。 (5)系统部署灵活，能够支持1.25MHz-20MHz间的多种系统带宽。保证了将来在 系统部署上的灵活性。 (6)降低无线网络时延：子帧长度0.5ms和0.675ms,解决了向下兼容的问题并降 低了网络时延，时延可达用户面<5ms,控制面<100ms (7增加了小区边界比特速率，在保持目前基站位置不变的情况下增加小区边界 比特速率。如MBMS(多媒体广播和组播业务)在小区边界可提供1bit/s/Hz的数 据速率。 (8)强调向下兼容，支持已有的3G系统和非3GPP规范系统的协同运作。 冬与3G相比，LTE更具技术优势，具体体现在：高数据速率、分组传送、延迟 降低、广域覆盖和向下兼容。 Mobile Communication Theory
LTE的目标 3GPP LTE的主要性能指标描述如下： (1) 通信速率有了提高 下行峰值速率为 通信速率有了提高，下行峰值速率为100Mbps 100Mbps、上行为50Mbps。 (2) 提高了频谱效率，下行链路5(bit/s)/Hz，(3--4倍于R6版本的HSDPA);上行链 路2.5(bit/s)/Hz，是R6版本HSUPA的2--3倍。 (3) 以分组域业务为主要目标 系统在整体架构上将基于分组交换 以分组域业务为主要目标，系统在整体架构上将基于分组交换。 (4) QoS保证，通过系统设计和严格的QoS机制，保证实时业务(如VoIP)的服务质 量。 (5) 系统部署灵活，能够支持1.25MHz-20MHz间的多种系统带宽。保证了将来在 系统部署上的灵活性。 ( ) 6 降低无线网络时延：子帧长度0.5ms和0.675ms，解决了向下兼容的问题并降 低了网络时延，时延可达用户面<5ms，控制面<100ms。 (7) 增加了小区边界比特速率，在保持目前基站位置不变的情况下增加小区边界 比特率如 速 。 MBMS(多媒体广播和 播 务 组 业 )在 界 提供 小区边界可提供1bit/s/Hz的数 据速率。 (8) 强调向下兼容，支持已有的3G系统和非3GPP规范系统的协同运作。 与3G相比 LTE更具技术优势 具体体现在：高数据速率 分组传送 延迟 3 与3G相比，LTE更具技术优势，具体体现在：高数据速率、分组传送、延迟 降低、广域覆盖和向下兼容。 Mobile Communication Theory
LTE的关键技术-OFDM FDM与OFDM 系统把整个可用信道频带B划分为W个带宽约为B/W的子信道。把W个串 行码元变换为N个并行的码元，分别调制这W个子信道载波进行同步传输， 这就是频分复用(FDM)。 ·般的FDM多载波信号的功率谱 正交频分复用(OFDM)技 术和FDM技术都是对多路信 号进行频分复用，但是基于 模拟调制的FDM技术为了保 Af OFDM多载波信号的功率谱 证信号之间的分离，两路信 号之间需要需要一定的频域 节省的带宽 间隔，不能有效的利用频谱 资源。而OFDM技术通过将 信道分成若干个正交的子载 图4.15FDM和OFDM带宽的比较 波，使相邻的子载波进行一 部分的重叠，从而更有效的 利用频谱资源。 Mobile Communication Theory
LTE的关键技术-OFDM FDM 与OFDM 系统把整个可用信道频带 系统把整个可用信道频带 Ｂ划分为 N个带宽约为 B /N的子信道 。 把 N个串 行码元变换为 N个并行的码元，分别调制这N个子信道载波进行同步传输， 这就是频分复用（FDM ） 。 正交频分复用（OFDM ） 技 术和FDM技术都是对多路信 号进行频分复用 但是基于 f ， 模拟调制的FDM技术为了保 证信号之间的分离，两路信 号之间需要需要一定的频域 间隔，不能有效的利用频谱 资源。而OFDM技术通过将 信道分成若干个正交的子载 波，使相邻的子载波进行一 部分的重叠，从而更有效的 Mobile Communication Theory 4 利用频谱资源
LTE的关键技术-OFDM OFDM的原理 ODM技术将数据流分成W路子数据流，其中每一路子数据流的符号 长度是原数据流符号长度的N倍；再将W路子数据流调制到不同的子载 波上，如果能够保证不同符号的子载波相互正交，就可以使多路符号 之间不存在干扰。 d(0) + cos@pt cos@nt d(0) 串行数据 必 D(t 信 d(1) d 串 d(n数据 d(n) 变 用 d(1) cos@t cos@t 译码器 好 ☒ d d(1)不cos0v-t lcosN- d(N-) OFDM系统的模拟实现 Mobile Communication Theory 5
LTE的关键技术-OFDM OFDM的原理 OFDM技术将数据流分成 N路子数据流，其中每 路子数据流的符号 其中每 一路子数据流的符号 长度是原数据流符号长度的 N倍；再将N路子数据流调制到不同的子载 波上，如果能够保证不同符号的子载波相互正交，就可以使多路符号 之间不存在干扰。 0 cos t 0 cos t dt dt d(0) dt d n( ) dt d n( ) 1 cos t 1 cos t d(1) 1 cos N t 1 cos N t d N( 1) Mobile Communication Theory 5
LTE的关键技术-OFDM 假设每一路子数据流的符号周期为T,第路和第路子载波的符号经 过调制分别表示为 Sk(t)=Acos(2πft+2πft+p) s(t)=Acos(2πft+2πft+) 两路符号波形的互相关系数为 D= Rs0s0≈sin2fr.+0-2 426 2π(fk-f)T, 当两路信号的初始相位相等时，即”k-9,=0,两路信号正交的最小子 载波信号间隔是△f=1/2T,;对于任意的初始相位，在时间[0，T]内保 证子载波正交的间隔为 △f=1/T, 这是OFDM系统的重要设计参数之一。 Mobile Communication Theory
LTE的关键技术-OFDM 假设每一路子数据流的符号周期为 Ts，第 k路和第 l路子载波的符号经 过调制分别表示为 ( ) cos(2 2 ) ( ) (2 2 ) k c kk s t A ft ft Aff ( ) cos(2 2 ) l c ll s t A f t f t 两路符号波形的互相关系数为 2 0 1 sin(2 ( ) ) () () 2( ) Ts k ls k l k l k ls f f T s ts t A f fT 当两路信号的初始相位相等时，即 ，两路信号正交的最小子 载波信号间隔是 ；对于任意的初始相位，在时间[0, Ts]内保 证子载波正交的间隔为 0 k l 1/2 s f T 证子载波正交的间隔为 这是OFDM系统的重要设计参数之 1/ s f T Mobile Communication Theory 6 这是OFDM系统的重要设计参数之一
LTE的关键技术-OFDM N个并行支路的已调子载波信号相加，便得到OFDM实际发射的信 号 N-1 D(0)=∑dm)cos(2πf) 1=0 在接收端，接收的信号同时进入个并联支路，分别与N个子载波相乘 和积分（相干解调）便可以恢复各并行支路的数据： d(k)=话D(t)cos(2πf)dt=d(k) 当子信道的脉冲为矩形脉冲时，具有sic函数形式的频谱可以准确满 足这一要求，如下图所示。 N dB N=32 06 f-631 20 -10 10 20 OFDM的功率谱例子 Mobile Communication Theory
LTE的关键技术-OFDM N 1 把 N个并行支路的已调子载波信号相加，便得到OFDM实际发射的信 号： 0 ( ) ( )cos(2 ) n n D t dn f t 在接收端，接收的信号同时进入N个并联支路，分别与 N个子载波相乘 和积分（相干解调）便可以恢复各并行支路的数据： 0 ( ) ( ) cos(2 ) ( ) Ts k d k D t f t dt d k 当子信道的脉冲为矩形脉冲时，具有sinc函数形式的频谱可以准确满 足这一要求，如下图所示。 f 0 31 2 f f f Mobile Communication Theory 7
LTE的关键技术-OFDM 一个N点的DFT可以表示成 1 N-1 D(k)=IDFT(d[nl)= dnle2amkN,0≤n≤N-l OFDM模拟调制输出信号的复包络为 N-1 D(t)=∑d(n)g(t)eJ2πi+o, n=0 S/P 变换 → 号映射 离散傅氏反变换 插入前缀 I/Q调制 I/Q D/A I/Q 醋 LPF 串 上变频 采用DFT实 行输 入 现OFDM的基 N个复数数据d DFT 带调制 下 2 I/Q A/D I/Q解调 I/Q 去前缀 离散傅氏变换 符号去映射 19变换 N个解调的数据da OFDM系统的数字实现 Mobile Communication Theory
LTE的关键技术-OFDM 一个N点的IDFT可以表示成 1 N 1 2 / 0 ( ) IDFT( [ ]) [ ] , 0 -1 N j nk N n Dk dn dne n N N OFDM模拟调制输出信号的复包络为 IDFT 离 散 1 2 () () n N j ft Dt d n g t e 无线 信道 D/A LPF S/P 变 换 I/Q调制 和 上变频 I/Q 串 行 输 符 号 映 射 散 傅 氏 反 变 换 插 入 前 缀 I/Q 0 () () n g 采 用 IDFT 实 N个复数数据 dn 入 DFT P / S 下变频 和 符 号 移 离 散 采 用 IDFT 实 现OFDM的基 带调制 N个解调的数据 d A/D P / S 变 换 和 I/Q解调 I/Q 串 行 输 出 号 去 映 射 去 前 缀 I/Q 傅 氏 变 换 Mobile Communication Theory 8 OFDM系统的数字实现 N个解调的数据 d n
LTE的关键技术-OFDM 多径效应 必 由于OFDM子载波间采用了正交的方式，那就意味着在接收端，如果 信号没有受到干扰，就能完全地解调而不受到任何子载波间的干扰。 但是实际环境中这种理想条件是不存在的。 由于多径效应的影响，接 收端同时收到前一个符号 的多径延迟信号和下一个 幅度 前一个符号 下一个符号 符号的正常信号，影响了 正常接收。时域上可以看 做是码间干扰(SI), 在频域上可看做载频间干 扰(IC)。 个OFDM符号 时间 Mobile Communication Theory 9
LTE的关键技术-OFDM 多径效应 由于OFDM子载波间采用了正交的方式 子载波间采用了正交的方式，那就意味着在接收端 那就意味着在接收端，如果 信号没有受到干扰，就能完全地解调而不受到任何子载波间的干扰。 但是实际环境中这种理想条件是不存在的。 由于多径效应的影响，接 收端同时收到前一个符号 的多径延迟信号和下 个 的多径延迟信号和下 一 个 符号的正常信号，影响了 正常接收。时域上可以看 做是码间干扰（ISI ）， 在频域上可看做载频间干 扰 （ICI ） 。 Mobile Communication Theory 9
LTE的关键技术-OFDM 保护间隔 冬为了最大限度地消除ISI,在OFDM符号之间插入保护间隔，保护间隔 长度大于无线信道的最大时延扩展，这样一个符号的多径分量不会对 下一个符号造成干扰。 8 每个OFDM符号前所加的保护间隔可以有两种不同的形式：一种是不 发射信号的保护间隔(G1)。GI虽然可以有效消除多径的$I,但同 时引入了ICI。 保护间隔 G之间同时引起符号内波形无 幅度 法在积分周期内积分为0，导 致波形在频域上无法和其它子 载波正交。 应用于CDMA系统。因为 代 CDMA载波间采用传统FDM 分隔，所以频域信号即使有一 一FT积分周期 定偏差也没有问题。 -ODI符号 时间 Mobile Communication Theory 10
LTE的关键技术-OFDM 保护间隔 为了最大限度地消除 为了最大限度地消除ISI，在OFDM符号之间插入保护间隔 保护间隔 符号之间插入保护间隔，保护间隔 长度大于无线信道的最大时延扩展，这样一个符号的多径分量不会对 下一个符号造成干扰。 每个OFDM符号前所加的保护间隔可以有两种不同的形式 ：一种是不 发射信号的保护间隔（GI ） 。 GI虽然可以有效消除多径的ISI，但同 时引入了ICI 。 GI之间同时引起符号内波形无 法在积分周期内积分为 0，导 致波形在频域上无法和其它子 载波正交。 应用于 CDMA 系统。因为 CDMA载波间采用传统FDM 分隔，所以频域信号即使有一 定偏差也没有问题。 Mobile Communication Theory 10