TD-LTE及其后续演进培训材料

刘光毅 研究院无线所 010 内容提要 宽带移动通信标准发展趋势 总结 3 移动通信标准发展趋势 2001 2007年 L:>L:100L:5000010年 2008年 2009年 50 L:x 0 A L: o （ 多载波 L: 27600084200L:100L:506m 100G) 10013G 频点 载波 34 35 36 37 38 3进 业务能力：单载波上行 业务能力：单载波下行 业务能力：三载波下行 多媒体广播：下行最高 384 业务能力：单载波下行 提升整网频谱效率 电路域可视电话 分组域下行 384 业务能力：下行96行2410 业务能力：下行19 增强多媒体广播：下行最高 384 流 内容提要 宽带移动通信发展的趋势 总结 6 2004年 12月，研究项目 (项， 3月至今， 2006年 69月， 入工作项目（ 段 2008年 12月，标准化已经进入尾声，标准基本冻结 008年 4月至今， 1) 可变带宽 带宽需求 降低传输时延 用户面延迟（单 向）小于 5 控制面延迟小于 100 5 50接受的 性能下降 支持 100传输时延 数据速率 基站 A 基站 B 覆盖范围 建网成本 更高的带宽，更大的容量 更高的数据传输速率 更低的传输时延 更低的运营成本 S M b a n d w M b a n d w M b a n d w 2 5 - M b a n d w 5 - M b a n d w h 对 0到 15km/速环境优化 对 15到 120km/持高性能 对 120到 350甚至 500km/移动性支持 上行峰值速率 50 下行峰值速率 100 频谱效率达到 36 的 2 提高小区边缘用户的数据 传输速率 8 8 e N E / S - G W M M E / S - G 络架构 分组域 支持传统的电路式业务，如 元 平坦的网络架构 合并 供更低的控制和用户面时延 2) 9 双工方式 调制编码 多址方案 基本参数设计 基本参数 系统架构 调制方式： 上行： 86下行 ： 1664 干扰性更好，芯片成熟，支持更高移动速度 需对称频段，更好 的支持非对称的业务 下行： 谱效率高，有效对抗多径 上行： 放成本低 时隙长度为 编码方式： 对延迟要求高 要来自于双工方式的差异 主要存在于物理层，且相对于 3G，差异进一步缩小（小于 20） 很方便 模和共芯片等 10 灵活的带宽分配 克服多径，增加系统的可靠性； 技术简洁，便于使用 显著提高传输速率和频谱利用率 ； 接收端发送端1 2000s 1990s 1980s 1960s 用在高频军事系统 2 多址技术： 时域循环前缀，抑制多径引起的 频域分成多个子载波，与信道编码结合对抗多径衰落 子载波相互正交，提高频谱利用率 时 高系统性能 可扩展带宽，充分利用不同带宽的频谱 含 含 13 功率效率和覆盖半径 ， 终端功放的成本 。 3低 可以在有限的功率条件下获得更大的覆盖范围 频域均衡使用 由于载波间正交性被破坏有一定的性能损失 多址技术 :上行 4 时域产生信号， 多址技术 :上行 D F T W S u b - c a r r i e r M a p p i n g i n s e r t i o n S i z e - M S i z e - N C o d e d s y m b o l r a t e = R M s y m b o l s I F F T S p r e a d i n g 个子载波上的信号为 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 2410v . S N R p e r s u b c a r r i e r ( d B ) Q A M 1 / 2 , R e d : O F D M A , B l u e : I F D M A , F F T s i z e : 1 0 2 4 , M = 1 2 83 dB 设 :指数衰减信道 性能 : 在达到目标因 : 频选衰落，使 结论 : 16 宽带信道的时间和频域选择性 17 325 s/64 s/3 s/2 s/1 s/NR 6率控制向速率控制的转变！ 18 频域多用户调度和分集增益 0 50 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 3 0 0u b c a r r i e r i n d e l l o c a t e dt o U E 1A l l o c a t e d t o U E 219 信道容量分析（ 1/2） 容量公式： 系统带宽 信噪比 道数 系统容量的提高？ 20 信道容量分析（ 2/2） 容量公式： 增加带宽 提高信噪比 增加信道数 系统容量的提高？ 21 而实现无线电波大容量的传输 1908 1996 贝尔实验室的成1998 S. M. 利用有限的频谱资源，在空间上开发，提高频谱利用率 22 接收端发送端 实现多路数据流并行发送，获得空间复用增益，提高传输的有效性 实现多个子信道信号的有效合并，获得空间分集增益， 提高传输的可靠性 利用信道 空间特性 23 不同天线数目下， M：发射天线数 N：接收天线数 信息论已经证明： 当不同的接收天线和不同的发射天线之间互不相关时， 而获得巨大的容量 24 发送端已知信道信息 ; 接收端已知信道信息 ; 25 列增益 智能天线 扩大系统的覆盖区域 提高频谱利用率 提高接收信噪比 利用天线阵间的相关性 复用增益 开环 闭环 提高数据传输速率 提高系统有效性 要求天线间相关性小 分集增益 提高数据的可靠性 要求天线间相关性小 26 基于码本和公共导频 波束赋型用 要用于中低速的业务信道 分集 于空时编码 用于控制信道和高速业务信道 基于非码本和 要用于中低速的业务信道 用互易性得到信道信息，准确的波束赋型 案 27 提高可靠性的分集（ 1/2） 分集技术 空间分集：利用多根天线在不同的位置上发送和接收相同的信息，在空间域内提供信号的副本。为了保证多个发送或多个接收信号副本所经历的衰落独立，要求各根天线之间的距离足够大。 频率分集：通过在不同的载波频率上发送相同信息，在频率域内提供多个信号的副本。 时间分集：即在多个不同的时隙上传输相同的信息，在时间域内提供多个信号的副本。 28 提高可靠性的分集（ 2/2) 开环 提高可靠性：同一信息经过正交编码后从两根天线或多根天线（ 者多个频率（ 发送出去 1时解码空时编码1x )( *2x )( *4x 3x 2x*1x 1基于码本的 书反 馈 码 书 和 码 字 序 号码 书选 择码 书选 择S t r e a m 4S t r e a m 3S t r e a m 2S t r e a m 1接收机P r e c o d i n gS t r e a m 4S t r e a m 3S t r e a m 2S t r e a m 11234码书 接收端根据信道估计得到的信道信息； 按照某种准则从码本中选取最优的预编码码字； 然后将该码字的序号反馈给发射端； 发射端根据反馈的序号从码本中选取相应的预编码码字进行预编码操作。 30 ) 利用信道的互易性（基于上行的 道状态信息），生成下行发送加权向量，通过调整各天线阵元上发送信号的权值，产生空间定向波束，将无线电信号导向期望的方向 接收机波束成型 1121 12 2 222 12 N D 上下行同频 D D D D 行 下行 D D D D 31 2/2） 主波束自适应地跟踪用户主信号到达方向 旁瓣或零陷对准干扰信号到达方向 扩大系统的覆盖区域； 提高系统容量； 提高频谱利用效率； 降低基站发射功率，节省系统 成本，减少信号间干扰与电磁 环境污染 充分高效利用移动用户信号并删除或抑制干扰信号 32 预编码与波束赋形的对比 属性 基于码本的 下行信道互易性 不依赖 依赖 天线校准 不需要 需要 码本量化损失 有码本量化损失 无量化损失 干扰水平 干扰水平较高 能够较好抑制干扰 天线间距 一般采用大天线间距 一般采用小天线间距 信号反馈机制 时适用 适用于 度周期 5线数 24 48 适用于 适用于 33 覆盖性能的提升 500 1000 1500 2000 2500 3000 35000 0 0 0 0 0 0 * 2d i n g 2 * 2b/s/ m )34 z 比较 谱效率提升 2 3倍 ； 基于 。 基于 0 。 35 z) F D D T D D W X U M 分利用 短 低开销 持 灵活的 臵，可以最小化 时支持不同的覆盖半径 1 10个 P， 最大可以支持 100 灵活的上下行时隙配比，可以支持非对称业务和其它业务应用等 7 个 3/1, 2/2, 1/3, 6/3, 7/2, 8/1, 4/5 更有利于 D w P T SU p P T 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9S u b f r a m e = 1 m sR a d i o F r a m e = 1 0 m 3 41 m sT y p e 1 F D DT y p e 2 T D 8 91 m sS l o t = 0 . 5 m sH a l f F r a m e = 5 m sU p P T D w P T 容提要 宽带移动通信发展的趋势 总结 38 3G/高的频谱利用率 更加简单的接收机 能天线 提高传输速率 6高的调制，更精细的 4载波 实际组网 5大的传输带宽 更高的峰值速率 支持 20路域 更加高效的资源利用 基于分组域，全 直网络结构，有 小的传输时延 优化网络结构 扁平的网络结构，无 切换 简化切换过程 软切换 多小区干扰抑制 多用户检测 优化 简化 保证共存，提高效率 简化 优化的帧结构 39 多址技术 : 小区内正交 频选调度 / 多用户频域分集 活 消除小区内干扰 更好的抗多普勒频移效果 支持更高带宽的检测和均衡复杂度高 40 随机接 入格式 影响小区半径因素 忍的时延扩展和回环时延 干扰能力、检测成功率 保护间隔 环时延 上下行保护间隔，避免下行对上行数据产生干扰， 区半径越大 41 小区半径的影响因素 随机接入 点） 点数 ) 点） 支持小区半径（ 0 168 800/24576 976 1024 800/24576 5840 240 1600/2048 1024 1600/21984 48 096 88 区半径 =GT(300(m/2 综合考虑产品实现、覆盖能力、资源利用率、自主知识产权等因素，初期 ！ 初期 间距 500米左右 省上行资源，得到国内厂商的支持，但在室外对室内覆盖时能力不够 外厂家优先选择支持，覆盖能力好，可以作为的补充应用 42 小区半径的影响因素 75对应的覆盖半径为： t*C/2= 7510个应的覆盖半径为 当 个 持的小区半径为 1/14当 0个 持的小区半径为10*1/14！ 43 村地区） 干扰 被干扰 00 s 120 扰信号帧 到达被干扰信号帧 随机接入的 干扰 干扰的上行时隙 例如，当间距为 120输时延为 400 s 当 间的传输时延超过 75s，但存在视距传输条件时，存在以上干扰。 解决的方法 ： 根据干扰状况动态确定上行随机接入的时隙；周期切换； 44 决定性因素： 06年之前，没有文献记载类似干扰影响移动通信系统，从国内外大量文献中参考得知是由于 “低空大气波导” 效应。 大气波导是一种 特殊天气下 形成的大气对电磁波折射效应。 电磁波传播损耗很小，可绕过地平面，实现超视距传输。 45 决基站对基站干扰的方案 问题分析： 上下行保护间隔很短， 致 造成用户无法完成上行同步和随机接入过程 传输距离加大，会干扰到上行业务时隙，从而影响业务质量。 解决方案： 网络优化（作用有限） 站高、天线方向、倾角等。由于干扰源很难定位，此类手段复杂度很高。 受扰基站 除对上行接入的干扰。 容量损失， L=2:4，导致主频点上行受限严重，且上行业务时隙的干扰没有解决。 25s 5s 5s 675s 675s 675s 675s 675s 675s 675s 46 在协议和机制方面， 加大远距离干扰的保护距离 避免对用户上行接入的影响 时可以与 免对用户上行接入的影响 上行 采用低阶调制和低码率：受到干扰，只是速率会有所下降 上行频选调度：分配资源时可避开受扰部分 网络优化（作用有限） 站高、天线方向、倾角等。由于干扰源很难定位，此类手段复杂度很高。 前提：干扰源单一（算法基于多天线，理论上 消除 干扰稳定（保证可检测，可消除）。 大规模商用网络站点众多，信号复杂，干扰信号不稳定，不符合此类算法的上述前提条件。 47 活调整占用的 强覆盖 提高 控制信道健壮性 下行功率分配： 控制、数据信道 采用准动态的信道功率调整 ； 参考信号 支持公共导频信号的频移特性 ,避免小区间导频的干扰 强覆盖 证上行覆盖 48 控制信道 基于分集的 送方式，终端 2天线接收 更高的编码冗余，半静态配臵的重复次数 业务信道 大限度提高传输效率，保证可靠性 更好的干扰随机化（绕码更长，数目更多） 小区间干扰协调 接收机采用干扰消除算法 消除相邻小区的干扰 上行功控通过降低本小区边缘用户的发射功率来抑制对邻小区的干扰 49 内容提要 宽带移动通信发展的趋势 总结 50 保持 一步提升 足未来网络容量增长的需求 更高的峰值速率，更好的用户体验 更低的每比特数据的成本 更高的容量 结合我公司网络发展现状，为 分层网络可满足不同场景的混合部署，并提供高效的干扰管理和协调的手段 低对回传链路的依赖 深入挖掘 分利用现有投资 利用 多用户 51 2007及以前 2008 2009 2010 2011 础版本 I 帧结构P/ 单流 多址方式 支持多流传输， 上下行都支持 64 强版本 支持多流 0 向 增强的上下行 持最高下行 8流 /上行 4流传输 多点协作传输 载波聚合 无线中继 2 8的智能天线只能传输一个数据流给同一用户，其峰值速率相比 × 2/4× 2 可以同时传输两个数据流给同一用户，系统峰值速率加倍，吞吐量明显增加，相对 × 2/4× 2 单用户（ 单流（ 多用户（ 单流（ 单用户（ 双流（ 小区频谱效 率比较1 . 6 91 . 8 7 1 . 9 42 . 2 52 . 5 500 . 511 . 522 . 53F D D R 8 2 * 2M I M D R 8 4 * 2M I M D R 8 8 * 2单流 D R 9 8 * 2双流 单用户T D D R 9 8 * 2双流 多用户多天线技术9 家庭基站为运营商提供了室内覆盖的重要手段 家庭基站（ 是一种小型、低功率蜂窝基站，主要用于家庭及办公室等室内场所，作为蜂窝网在室内覆盖的补充，为用户提供话音及数据服务 需要解决的问题 室内 多个 大量 54 TE 1/3） 蜂窝网络中的广播 /多播受众广泛、且各用户接收的业务内容一致，适宜提供实时更新的广播业务形式 音视频广播：持续时间较长的流媒体业务 彩信、短信推送：持续时间较短、较有规律的文件下载业务 实时交通、股票、天气信息广播：持续时间较长的文件下载业务 警报，如天气、交通警报等：突发性较强、发生频率低的文件下载业务 使用蜂窝网络传输广播 /多播数据，无需建设大功率发射塔，移动运营商即可方便的提供移动上述业务 通过配臵同频广播网（ 时间 /频率同步的多小区传输同样内容，可以实现小区间数据软合并，极大的提高频谱效率，在小区边缘超过 1z，对特定业务远比单播模式高 一方面也是实现公共多媒体推送业务的一种重要手段 55 TE 2/3） 天满足同频广播网的必要条件 过配臵 存在浪费上行资源问题 基于 是后者的 5倍，与 频谱效率约为 z），具有较强竞争力 下 行子 帧 0D w P T 子 帧 2M B S F 3下 行子 帧 4单播控制信令1 m s5 m 56 TE 3/3) 数据文件下载 音视频流式广播 普通资讯信息 证券信息 新闻 天气预报 音乐下载 用场景举例 基于位臵的资讯信息 实时交通 路况图广播 音频流式广播 流行音乐广播 节目 视频流式广播 影视节目直播 57 络自组织）是自组织自优化网络的缩写，目标是通过网络自配臵与自优化方案降低运营人工成本，为运营商节省建网成本与运营成本 挑战： 厂商的非暴力不合作态度：网规网优是大厂商的传统优势项目，是其主要赢利点之一 网络部署初期自配置应用的建网成本节省 网络运营中自优化应用的运营成本节省 摘自 9 1/2） 58 通过研究各个子功能共同影响参数，协调参数调整，获取优化网络性能。 通过优化随机接入参数，提高随机接入概率，降低随机接入时延。 通过掉话率以及业务指示出发网络自动调整小区发射功率以增强小区覆盖与容量。 通过优化小区重选、切换参数，获得较为均衡的小区负载。 通过检测切换失败率、乒乓以及链路失败获取切换参数配臵不合理因素，并自动调整相关小区移动性参数。 基站通过测量等多种手段获取并维护邻区关系列表； 2/2） 负载均衡优化 移动鲁棒性 自动邻区发现 覆盖与容量优化 随机接入优化 子功能相互关系研究 59 好的频谱效率 单层网 分层网（ 更平衡的 好的边缘覆盖 高峰值速率 更大的带宽 0高的 量 优化和增强 高阶 0 3 TU 系统需求 2008 2009 2010 2011 361 干扰主要来自小区间 降低小区间的干扰将直接带来系统性能的提升 在相邻小区间进行协作的 x X 2 下行增强多天线技术的性能对比 波束赋形（ 术的演进 32% 83% 47% 116% 0% 0% 3 基于 线 光纤 64 1/4） 干扰 ： 直放站对原有网络产生额外的干扰 容量 ： 无法使用 天线 ：宿主天线和转发天线需要空间隔离度，收发采用两套天线； 噪声 ： 无法通过解码降低对于噪声信号的放大 无线直放站 收发可采用一套天线，通过时分方式区分；也可采用两套天线。 解码转发信号，有效抑制噪声 无线中继站 65 2/4） 解决回传 降低网络 维护成本 提供灵活 快速的网络部署 提高覆盖 增加容量 降低 少部署基站的维护成本； 广泛部署于 天线杆，灯柱 ，无需光纤回传，只需供电，减少维护成本 不需要光纤部署 改善移动环境下性能 在应急通信的应用中，迅速建立和扩展蜂窝系统和周边基站的的连接 大大降低 相比微波方案节省成本； 性能指标 安装建设 运营成本 投资成本 分布式资源调度 3023%) 3753%) 4065%) 小区平均 23% 所有用户 % E w/o 0704% 小区边缘 原站址基础上提高速率覆盖能力； 快速的小区分裂提高热点区域容量； 弥补无线传播损耗提高网络容量，提高频谱利用率 66 3/4）应用场景 密集城区 通过部署 提高高速业务的覆盖 乡村环境 提高覆盖 高速铁路 为用户提供更高的吞吐量 ， 并减少本地用户的切换失败率 室内环境 解决较大的阴影衰落和墙壁的穿透损耗 城市盲点 扩充对盲点区域的覆盖 7 4/4） 3应用场景 ：提高覆盖 : 场景 1：终端不在基站的覆盖范围之内 I：提高容量 : 提高小区边缘或是小区平均吞吐量 场景 2： 终端在基站的覆盖范围内； 场景 3：基站降低发射功率， 似于小区分裂。 C O N T R O T N T R O T N T R O T N T R O T N T R O T N T R O T 波聚合：系统支持多载波，终端能够在多个载波上同时收发数据 载波聚合 ： 提升系统峰值速率和用户体验，满足 保持对 8 提供灵活的频谱使用 统带宽 例如 100 C, 20 E 能力 100 40 208 载波聚合（ 1/3） 载波聚合缺点 终端复杂度、成本及功耗均有所增加 69 载波聚合）（ 2/3）性能增益 增益的来源 多用户分集和频率选择性带来的增益 多窗口服务带来的增益 结论 载波聚合可成倍提高系统的峰值速率 但频谱效率的增益随着用户数的增加而减小或者随着系统负载的增加而减少 70 H o m e e N B 2H o m e e N B 1H o m e e N B 3H o m e e N B 4H o m e e N B 5H o m e e N B 6H o m e E N B 7H o m e e N B 1 0H o m e e N B 8H o m e e N B 9e N B 1e N B 2I n t e r f e r e n c e c o o r d i n a t i o n b e t w e e n e N B a n d H e N BI n t e r f e r e n c e c o o r d i n a t i o n b e t w e e n H e N B P D C C H 1 P D C C H 2P D S C H P D S C 1 C C 2H o m e e N B 3P D C C H 1 P D C C H 2P D S C H P D S C 1 C C 2H o m e e N B 4e N B 3P D C C H 1 P D C C H 2P D S C H P D S C 1 C C 2e N B 1P D C C H 1 P D C C H 2P D S C H P D S C 1 C C 2H o m e e N B 1 宽带的频率被分成 多个载波 通过跨载波的控制信道映射，将相邻小区的控制信道映射到不同的载波上，从而降低或者消除控制信道部分的干扰 而对于数据信道，则可以利用 控制信道协调 干扰协调 载波聚合（ 3/3）其它应用场景 71 内容提要 宽带移动通信发展的趋势 总结 72 总结 移动通信发展的趋势是移动互联网 现有的 3 应用的发展需要更加灵活高效的无线传输技术 和 比， 2 3倍于 3 峰值速率则是量级的提升 抗干扰能力、同频组网能力得到进一步的提升 覆盖手段更加丰富，包括 在相同的配臵下， 于信道互易性， 在 相同的配臵下， 于信道互易性， 73 请各位领导同事批评指正 ! 74 S e r i a l t o P a r a l l e ( n )d 1 ( n )d M - 1 ( n )B P S K d a t a)/)(e x p ( )/)(2(e x p ( )/)(2(ex p ( O F D M s i g n a 75 不同子载波的频谱互相交叠 但不同子载波之间正交 76 号 2 保护时间 号 1 无保护间隔时，多径会造成 有保护间隔，但保护间隔不传输任何信号 可以消除多径的 仍然存在 了完全消除 每 个 一个 循环前缀 作为保护 时间 . 保护时间间隔的应尽可能地小，但需要大于信道 的时延扩展 通常可以采用 循环前缀 的方式来实现每个 时可以避免 77 O F D M s y m b o l t i m eG u a T i m e F F T i n t e g ra t i o n t i m 为了完全消除 引入 但是 需要 大于信道的时延扩展 . 通常可以采用循环前缀的方式来实现每个 保护时间间隔，同时可以避免 78 方案 3：全频率复用，不做频率限制，通过基站间的信息传递，动态的调度 得对功率的分配可以细化到 区间干扰协调 ) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11S e c t o r S e c t o r S e c t o r 5 M H z1 . 6 7 M H z 1 . 6 7 M H z 1 . 6 7 M H 2 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 1 10 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 1 10 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 1 1F 1F 2F 3方案 1：部分频率复用 ( 与普通频率复用相比，在某些子频带上的频率复用因子为 1，而在另外一些子频带上的频率复用因子大于 1。 方案 2：软频率复用 ( 与普通频率复用相比，对某些子频带上的功率只是部分减少，而不是完全限制使用。