TD-LTE及其技術演進 劉光毅 研究院無線所 Email: 2010-01-28 2 內(nèi)容提要 寬帶移動通信標準發(fā)展趨勢 TD-LTE關鍵技術和性能 TD-LTE與 TD-SCDMA TD-LTE的后續(xù)演進 總結 3 移動通信標準發(fā)展趨勢 2001-2006年 2007年 TD-HSPA+ DL:25.2Mbps UL:19.2Mbps DL:100Mbps UL:50Mbps HSPA+ DL40MBps； UL10Mbps 2010年 2008年 2009年 Mobile WiMAX Wave1 15Mbps EV-DO Rel. 0 DL: 2.4Mbps UL:153.6kbps cdma2000 1x 153.6kbps D0 Rel. A DL: 3.1Mbps UL: 1.8Mbps Do Rev B （ 多載波 DO） DL： 46.5Mbps UL: 27Mbps GREAN 600kbps Mobile WiMAX Wave2 30Mbps TD-HSDPA 2.88.4Mbps TD-HSUPA 2.26.6Mbps WCDMA 384Kbps HSDPA 1.8/3.6Mbps HSDPA 7.2Mbps HSUPA 1.45.8Mbps GPRS/EDGE 200kbps LTE-TDD DL:100Mbps UL:50Mbps TD-LTE-A 16m 100Mbps1Gbps ITU IMT-Advanced(4G) 100Mbps 1Gbps LTE-A B3G LTE FDD 4 LCR N頻點 HSDPA 多載波 HSDPA HSUPA MBMS HSPA+ 3GPP R4 3GPP R5 3GPP R6 3GPP R7 3GPP R8 3GPP的 TDD標準 演進 業(yè)務能力：單載波上行 2.2Mbps 業(yè)務能力：單載波下行 7.2Mbps 業(yè)務能力：三載波下行 8.4Mbps 多媒體廣播：下行最高 384kbps 業(yè)務能力：單載波下行 2.8Mbps 提升整網(wǎng)頻譜效率 電路域可視電話 分組域下行 384kpbs TD-LTE 業(yè)務能力：下行96Mbps，上行24Mbps 3GPP R10 TD-LTE-A 業(yè)務能力：下行1Gbps 3GPP R9 eMBMS 增強多媒體廣播：下行最高 384kbps？ HeNB 雙流 BF 5 內(nèi)容提要 寬帶移動通信發(fā)展的趨勢 TD-LTE關鍵技術和性能 TD-LTE與 TD-SCDMA TD-LTE的后續(xù)演進 總結 6 LTE背景和發(fā)展 2004年 12月，研究項目 (SI)立項， 3GPP需要開發(fā)一套系統(tǒng)與 WiMAX抗衡2009年 1月至今， R8的完善和進一步優(yōu)化（ R9） 2006年 69月， SI階段結束，進入工作項目（ WI）階段 2008年 12月，標準化已經(jīng)進入尾聲，標準基本凍結 LTE Long Term Evolution 2008年 4月至今， LTE-A的 Study Item 7 LTE概述 (1) 1.4MHz-20MHz 可變帶寬 帶寬需求 降低傳輸時延 用戶面延遲（單 向）小于 5ms 控制面延遲小于 100ms 5km內(nèi)的小區(qū)半徑優(yōu)化 5km到 30km：可接受的 性能下降 支持 100km范圍的小區(qū) 傳輸時延 數(shù)據(jù)速率 基站 A 基站 B 覆蓋范圍 建網(wǎng)成本 更高的帶寬，更大的容量 更高的數(shù)據(jù)傳輸速率 更低的傳輸時延 更低的運營成本 S CH10 - M Hz b a n d w idt h20 - M Hz b a n d w idt h5 - M Hz b a n d w idt h1 .2 5 - M Hz b a n d w idt h2. 5 - M Hz b a n d w idt h 對 0到 15km/h的低 速環(huán)境優(yōu)化 對 15到 120km/h保 持高性能 對 120到 350甚至 500km/h保持連接 移動性支持 上行峰值速率 50Mbps 下行峰值速率 100Mbps 頻譜效率達到 3GPP R6 的 2-4倍 提高小區(qū)邊緣用戶的數(shù)據(jù) 傳輸速率 8 8 e N BM M E / S - G W M M E / S - G We N Be N BS1S1S1S1X 2X2X2E-UTRANNetwork Architecture 網(wǎng)絡架構 分組域 支持傳統(tǒng)的電路式業(yè)務，如 VoIP LTE 網(wǎng)元 EPC, Evolved Packet Core eNodeB UE 平坦的網(wǎng)絡架構 合并 NodeB 和 RNC 為 eNB，提供更低的控制和用戶面時延 LTE概述 (2) 9 LTE系統(tǒng)物理層基礎 雙工方式 調(diào)制編碼 多址方案 基本參數(shù)設計 基本參數(shù) 系統(tǒng)架構 調(diào)制方式： 上行： BPSK、 QPSK、 8PSK和 16QAM 下行 ： QPSK、 16QAM、 64QAM FDD：抗干擾性更好，芯片成熟，支持更高移動速度 TDD：不需對稱頻段，更好 的支持非對稱的業(yè)務 下行： OFDMA 頻譜效率高，有效對抗多徑 上行： SC-FDMA PAPR較低，功放成本低 時隙長度為 0.5ms 編碼方式： Turbo FDD與 TDD參數(shù)統(tǒng)一 對延遲要求高 FDD和 TDD的差異 主要來自于雙工方式的差異 主要存在于物理層，且相對于 3G，差異進一步縮小（小于 20） 很方便 FDD/TDD 雙模和共芯片等 10 LTE物理層的關鍵技術 靈活的帶寬分配 OFDM技術 克服多徑，增加系統(tǒng)的可靠性； 技術簡潔，便于使用 MIMO技術； MIMO技術 顯著提高傳輸速率和頻譜利用率 ； OFDM 接收端發(fā)送端MIMO 11 OFDM技術的發(fā)展歷史 2000s 1990s 1980s 1960s OFDM在高速調(diào)制器中的應用開始研究 OFDM 應用在高頻軍事系統(tǒng) OFDM應用于寬帶數(shù)據(jù)通信和廣播等 OFDM應用于 802.11a, WiMAX, LTE 12 多址技術： OFDM 時域循環(huán)前綴，抑制多徑引起的 ISI 頻域分成多個子載波，與信道編碼結合對抗多徑衰落 子載波相互正交，提高頻譜利用率 時 -頻二維調(diào)度，提高系統(tǒng)性能 可擴展帶寬，充分利用不同帶寬的頻譜 含 CP的 OFDMA符號時域結構 含 CP的 OFDMA符號頻域子載波結構 13 OFDM的高 PAPR在上行鏈路的應用受到較大的限制 功率效率和覆蓋半徑 ， 終端功放的成本 。 3GPP在上行鏈路采用單載波技術作為基本的傳輸方式 ，SC-FDMA 低 PAPR (Peak-to-average power ratio) 可以在有限的功率條件下獲得更大的覆蓋范圍 頻域均衡使用 CP可以壓縮多徑間的干擾 ,由于載波間正交性被破壞有一定的性能損失 多址技術 :上行 SC-FDMA 14 時域產(chǎn)生信號， M點 DFT變換到頻域 多址技術 :上行 SC-FDMA SC-FDMA發(fā)射機結構 D F T W S u b - c a r r i e r M a p p i n g CP 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 Low PAPR Low PAPR High PAPR 每個子載波上的信號為 M個符號的迭加 dWx Md15 OFDMA與 SC-FDMA性能比較 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 2410-210-1100a v . S N R p e r s u b c a r r i e r ( d B )PER1 6 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 loss SC-FDMA OFDMA 假設 :指數(shù)衰減信道 性能 : 在達到目標PER時 (0.1或 0.01)，OFDMA比 SC-FDMA好 3dB 原因 : 頻選衰落，使 SC-FDMA的正交性被破壞 結論 : OFDMA有更好的鏈路性能 16 寬帶信道的時間和頻域選擇性 17 OFDM中的自適應調(diào)制 32QAM, 5 bit/s/Hz 16QAM, 4 bit/s/Hz 8QAM, 3 bit/s/Hz QPSK, 2 bit/s/Hz BPSK, 1 bit/s/Hz Threshold Levels SNR dB BPSK 8QAM 16QAM QPSK time Excess SNR 功率控制向速率控制的轉(zhuǎn)變！ 18 頻域多用戶調(diào)度和分集增益 0 50 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 3 0 0-4-20246810S u b c a r r i e r i n d e xRelative subcarrier power at receiving UE in dBA 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： 系統(tǒng)帶寬 信噪比 SNR 信道數(shù) 系統(tǒng)容量的提高？ 20 信道容量分析（ 2/2） 容量公式： 增加帶寬 提高信噪比 增加信道數(shù) 系統(tǒng)容量的提高？ 21 MIMO技術的發(fā)展歷史 Marconi利用多天線來抑制信道衰落，從而實現(xiàn)無線電波大容量的傳輸 1908 1996 貝爾實驗室的Foschini提出分層空時結構 BLAST，完成MIMO信道容量的理論分析 1998 S. M. Alamouti提出了一種簡單的發(fā)送分集技術 STBC。 利用有限的頻譜資源，在空間上開發(fā)，提高頻譜利用率 22 MIMO系統(tǒng)收發(fā)端結構 MIMO（ Multiple-Input Multiple-Output） 接收端發(fā)送端 實現(xiàn)多路數(shù)據(jù)流并行發(fā)送，獲得空間復用增益，提高傳輸?shù)挠行?實現(xiàn)多個子信道信號的有效合并，獲得空間分集增益， 提高傳輸?shù)目煽啃?利用信道 空間特性 23 MIMO信道容量分析 不同天線數(shù)目下， Shannon容量與 SNR曲線 M：發(fā)射天線數(shù) N：接收天線數(shù) 信息論已經(jīng)證明： 當不同的接收天線和不同的發(fā)射天線之間互不相關時，MIMO的容量與收發(fā)兩端的最小天線數(shù)成正比 。 MIMO系統(tǒng)能夠很好的提高系統(tǒng)的抗衰落和抗噪聲性能，從而獲得巨大的容量 24 MIMO的理論容量上限： CSIT vs.CSIR CSIT: 發(fā)送端已知信道信息 ； CSIR: 接收端已知信道信息 ； 25 MIMO技術的分類 MIMO 陣列增益 智能天線 -Beamforming 擴大系統(tǒng)的覆蓋區(qū)域 提高頻譜利用率 提高接收信噪比 利用天線陣間的相關性 復用增益 開環(huán) MIMO-SM 閉環(huán) MIMO-SM 提高數(shù)據(jù)傳輸速率 提高系統(tǒng)有效性 要求天線間相關性小 分集增益 STBC、 STTC、 CDD 提高數(shù)據(jù)的可靠性 要求天線間相關性小 26 LTE系統(tǒng)支持的 MIMO模式 基于碼本和公共導頻 波束賦型Beamforming 復用 Precoding 主要用于中低速的業(yè)務信道 分集 SFBC 基于空時編碼 用于控制信道和高速業(yè)務信道 基于非碼本和 DRS 主要用于中低速的業(yè)務信道 TDD的特有技術，利用互易性得到信道信息，準確的波束賦型 LTE系統(tǒng)中的MIMO 方案 27 提高可靠性的分集（ 1/2） 分集技術 空間分集：利用多根天線在不同的位置上發(fā)送和接收相同的信息，在空間域內(nèi)提供信號的副本。為了保證多個發(fā)送或多個接收信號副本所經(jīng)歷的衰落獨立，要求各根天線之間的距離足夠大。 頻率分集：通過在不同的載波頻率上發(fā)送相同信息，在頻率域內(nèi)提供多個信號的副本。 時間分集：即在多個不同的時隙上傳輸相同的信息，在時間域內(nèi)提供多個信號的副本。 28 提高可靠性的分集（ 2/2) 開環(huán) MIMO-STBC/SFBC 提高可靠性：同一信息經(jīng)過正交編碼后從兩根天線或多根天線（ STBC）或者多個頻率（ SFBC）上發(fā)送出去 1x2x3x4x 空時解碼空時編碼1x )( *2x )( *4x 3x 2x*1x4x*3x 1x2x3x4x29 FDD的 MIMO方案 Precoding 基于碼本的 precoding 碼書反 饋 碼 書 和 碼 字 序 號碼 書選 擇碼 書選 擇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接收機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碼書 接收端根據(jù)信道估計得到的信道信息； 按照某種準則從碼本中選取最優(yōu)的預編碼碼字； 然后將該碼字的序號反饋給發(fā)射端； 發(fā)射端根據(jù)反饋的序號從碼本中選取相應的預編碼碼字進行預編碼操作。 30 TDD的的 Beamforming(1/2) 利用信道的互易性（基于上行的 SRS， eNB獲得基站下行傳輸?shù)?CSI（信道狀態(tài)信息），生成下行發(fā)送加權向量，通過調(diào)整各天線陣元上發(fā)送信號的權值，產(chǎn)生空間定向波束，將無線電信號導向期望的方向 接收機波束成型 1121 xx 12 xx 12 xx 1222 xx 12 xx NN Uplink Time Slot Downlink Time Slot Legend: D 上下行同頻 TDD D D D D D FDD 上行 下行 D D D D 31 LTE熱點覆蓋 LTE中度覆蓋 LTE全覆蓋 TDD的的 Beamforming（ 2/2） Beamforming: 主波束自適應地跟蹤用戶主信號到達方向 旁瓣或零陷對準干擾信號到達方向 Beamforming在移動通信系統(tǒng)的應用： 擴大系統(tǒng)的覆蓋區(qū)域； 提高系統(tǒng)容量； 提高頻譜利用效率； 降低基站發(fā)射功率，節(jié)省系統(tǒng) 成本，減少信號間干擾與電磁 環(huán)境污染 充分高效利用移動用戶信號并刪除或抑制干擾信號 32 預編碼與波束賦形的對比 屬性 基于碼本的 Precoding Beamforming 上下行信道互易性 不依賴 依賴 天線校準 不需要 需要 碼本量化損失 有碼本量化損失 無量化損失 干擾水平 干擾水平較高 能夠較好抑制干擾 天線間距 一般采用大天線間距 一般采用小天線間距 信號反饋機制 PMI&Rank Sounding TDD/FDD 同時適用 FDD/TDD 更適用于 TDD 調(diào)度周期 5ms 1ms 天線數(shù) 24 48 適用于 FDD模式 適用于 TDD模式 33 Beamforming 對覆蓋性能的提升 Beamforming可以大大改善小區(qū)邊緣的覆蓋 500 1000 1500 2000 2500 3000 35000 .0 40 .0 50 .0 60 .0 70 .0 80 .0 90 .1 0 EBB 8 * 2 Preco d i n g 2 * 2edge cell spectrum efficiency（b/s/Hz）I SD (m )34 Bps/Hz 比較 LTE相對于 HSPA，頻譜效率提升 2 3倍 ； 基于 TDD優(yōu)化， TD-LTE的性能可以進一步提高30 。 基于 R9的進一步優(yōu)化和SDMA， TD-LTE的性能可進一步提升 70 。 LTE與 3G的綜合性能比較 35 LTE vs.WiMAX vs. UMB DL63UL0.86DL 1.63UL 0.81DL11UL0.62DL1.59UL0.90.81.8Average Cell Throughput (bps/Hz)LT E F D D LT E T D D W iM AX U M B36 TD-LTE的幀結構 UpPTS進一步優(yōu)化設計，從分利用 TDD的信道的互易性 短 RACH，降低開銷 Sounding RS獲得 TDD信道互易性，支持 Beamforming 靈活的 GP 設臵，可以最小化 GP的開銷，同時支持不同的覆蓋半徑 1 10個 OFDM符號大小的 GP， 最大可以支持 100Km的覆蓋半徑 靈活的上下行時隙配比，可以支持非對稱業(yè)務和其它業(yè)務應用等 7 個 DL/UL配臵比例 : 3/1, 2/2, 1/3, 6/3, 7/2, 8/1, 4/5 更有利于 FDD/TDD雙模芯片和終端的實現(xiàn) D w P T SU p P T SG P0 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 s0 2 3 41 m sT y p e 1 F D DT y p e 2 T D D5 7 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 SG PD w P T S37 內(nèi)容提要 寬帶移動通信發(fā)展的趨勢 TD-LTE關鍵技術和性能 TD-LTE與 TD-SCDMA TD-LTE的后續(xù)演進 總結 38 3G/TD-LTE關鍵技術比較匯總 CDMA/TDMA 更高的頻譜利用率 更加簡單的接收機 OFDMA/SC-FDMA SIMO/智能天線 提高傳輸速率 MIMO 16QAM 更高的調(diào)制，更精細的 AMC 64QAM 單載波 1.6MHz 實際組網(wǎng) 5MHz 更大的傳輸帶寬 更高的峰值速率 支持 20MHz 電路域 更加高效的資源利用 基于分組域，全 IP 垂直網(wǎng)絡結構，有 RNC 更小的傳輸時延 優(yōu)化網(wǎng)絡結構 扁平的網(wǎng)絡結構，無 RNC 硬切換 簡化切換過程 軟切換 多小區(qū)干擾抑制 OFDM系統(tǒng)小區(qū)內(nèi)不存在干擾 多用戶檢測 優(yōu)化 簡化 FDD/TDD獨立幀結構 保證共存，提高效率 簡化 FDD/TDD雙模設備實現(xiàn) 優(yōu)化的幀結構 39 多址技術 : CDMA vs. OFDMA OFDMA/SC-FDMA 小區(qū)內(nèi)正交 頻選調(diào)度 /AMC 多用戶頻域分集 MIMO OFDM的檢測簡單、靈活 CDMA Joint Detection: 消除小區(qū)內(nèi)干擾 更好的抗多普勒頻移效果 支持更高帶寬的檢測和均衡復雜度高 MIMO CDMA的檢測復雜度高 40 TD-LTE覆蓋能力 GP長度 隨機接 入格式 影響小區(qū)半徑因素 CP長度：容忍的時延擴展和回環(huán)時延 Preamble長度：抗干擾能力、檢測成功率 保護間隔 GT長度：回環(huán)時延 上下行保護間隔，避免下行對上行數(shù)據(jù)產(chǎn)生干擾， GP越大，小區(qū)半徑越大 41 小區(qū)半徑的影響因素 隨機接入 Preamble format CP長度（ us/樣點） Preamble(us/樣點數(shù) ) GT長度（ us/樣點） 支持小區(qū)半徑（ km） 0 103.13/3168 800/24576 96.88/2976 14.53 1 684.38/21024 800/24576 515.63/15840 77.34 2 203.13/6240 1600/2x24576 196.88/6048 29.53 3 684.38/21024 1600/2x24576 715.63/21984 100.16 4 14.58/448 133.33/4096 9.38/288 1.41 小區(qū)半徑 =GT(us)X300(m/us)/2 綜合考慮產(chǎn)品實現(xiàn)、覆蓋能力、資源利用率、自主知識產(chǎn)權等因素，初期 LTE網(wǎng)絡優(yōu)先支持 format0和 4！ 初期 LTE網(wǎng)絡覆蓋密集城區(qū)，站間距 500米左右 TDD自主知識產(chǎn)權，節(jié)省上行資源，得到國內(nèi)廠商的支持，但在室外對室內(nèi)覆蓋時能力不夠 FDD和 TDD共用，國外廠家優(yōu)先選擇支持，覆蓋能力好，可以作為format 4的補充應用 42 小區(qū)半徑的影響因素 GP長度 TD-SCDMA系統(tǒng) GP長度固定為96chips（ 75us），對應的覆蓋半徑為： Dmax = t*C/2= 75us*C/2 =11.25km TD-LTE系統(tǒng) GP占用 110個OFDM符號，對應的覆蓋半徑為 當 GP=1個 OFDM，支持的小區(qū)半徑為 1/14ms*C/2=10.7km 當 GP=10個 OFDM，支持的小區(qū)半徑為10*1/14ms*C/2=107km TD-LTE設計的 GP支持的覆蓋范圍更大！ 43 TDD系統(tǒng)基站間的干擾（農(nóng)村地區(qū)） 干擾 Node B 被干擾 Node B TS01 TS02 TS11 TS21 TS31 TS41 TS51 TS61 TS12 TS22 TS42 TS52 TS62 Downlink Uplink Downlink Uplink 400 s 120 km TS32 干擾信號幀 到達被干擾Node B信號幀 隨機接入的 UpPTS TS03 TS13 TS23 TS43 TS53 TS63 Downlink Uplink TS33 被干擾 NodeB信號幀 Downlink 被干擾的上行時隙 例如，當間距為 120Km時，傳輸時延為 400 s 當 Node B 間的傳輸時延超過 75s，但存在視距傳輸條件時，存在以上干擾。 解決的方法 ： 根據(jù)干擾狀況動態(tài)確定上行隨機接入的時隙；周期切換；DWPTS隔幀發(fā)送 。 44 TDD系統(tǒng)基站間干擾的成因分析 決定性因素： 06年之前，沒有文獻記載類似干擾影響移動通信系統(tǒng)，從國內(nèi)外大量文獻中參考得知是由于 “低空大氣波導” 效應。 大氣波導是一種 特殊天氣下 形成的大氣對電磁波折射效應。 電磁波傳播損耗很小，可繞過地平面，實現(xiàn)超視距傳輸。 45 TD-SCDMA系統(tǒng) 解決基站對基站干擾的方案 問題分析： 上下行保護間隔很短， UpPTS很容易被 DwPTS干擾，導致 SYNC_UL無法完成上行同步， 造成用戶無法完成上行同步和隨機接入過程 傳輸距離加大，會干擾到上行業(yè)務時隙，從而影響業(yè)務質(zhì)量。 解決方案： 網(wǎng)絡優(yōu)化（作用有限） 站高、天線方向、傾角等。由于干擾源很難定位，此類手段復雜度很高。 UpShifting主要思想： 受擾基站 UpPTS后移，消除對上行接入的干擾。 UpShifting主要問題： 容量損失， UL:DL=2:4，導致主頻點上行受限嚴重，且上行業(yè)務時隙的干擾沒有解決。 UpPTS 125s GP 75s DwPTS 75s 675s 675s 675s 675s 675s 675s 675s 46 TD-LTE解決基站對基站干擾的方法 在協(xié)議和機制方面， TD-LTE對抗基站對基站的遠距離同頻干擾手段 GP可配：可加大遠距離干擾的保護距離 PRACH未必需要配臵在 UpPTS ：避免對用戶上行接入的影響 PRACH采用 Format 4時可以與 P-SCH在頻域錯開：避免對用戶上行接入的影響 上行 AMC，可采用低階調(diào)制和低碼率：受到干擾，只是速率會有所下降 上行頻選調(diào)度：分配資源時可避開受擾部分 網(wǎng)絡優(yōu)化（作用有限） 站高、天線方向、傾角等。由于干擾源很難定位，此類手段復雜度很高。 Beamforming干擾零陷 前提：干擾源單一（算法基于多天線，理論上 N天線，能消除 N-1個干擾），干擾穩(wěn)定（保證可檢測，可消除）。 大規(guī)模商用網(wǎng)絡站點眾多，信號復雜，干擾信號不穩(wěn)定，不符合此類算法的上述前提條件。 47 TD-LTE同頻組網(wǎng)技術要求 PDCCH