通信论文LTE的关键技术和发展.docx

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通信论文LTE的关键技术和发展

毕业设计（论文）

题目:

LTE的关键技术和发展

学院大学

专业（层次）专升本

年级大三

班级通信工程

学生佳威

学号114A0735

指导教师严佩敏

摘要

LTE（LongTermEvolution，长期演进）是由3GPP（The3rdGenerationPartnershipProject，第三代合作伙伴计划）组织制定的UMTS（UniversalMobileTelemunicationsSystem，通用移动通信系统）技术标准的长期演进，于2004年12月在3GPP多伦多TSGRAN#26会议上正式立项并启动。

LTE系统引入了OFDM（OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing，正交频分复用）和MIMO（Multi-Input&Multi-Output，多输入多输出）等关键传输技术，显著增加了频谱效率和数据传输速率（20M带宽2X2MIMO在64QAM情况下，理论下行最大传输速率为201Mbps，除去信令开销后大概为140Mbps，但根据实际组网以及终端能力限制，一般认为下行峰值速率为100Mbps，上行为50Mbps），并支持多种带宽分配：

1.4MHz，3MHz，5MHz，10MHz，15MHz和20MHz等，且支持全球主流2G/3G频段和一些新增频段，因而频谱分配更加灵活，系统容量和覆盖也显著提升。

LTE系统网络架构更加扁平化简单化，减少了网络节点和系统复杂度，从而减小了系统时延，也降低了网络部署和维护成本。

LTE系统支持与其他3GPP系统互操作。

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（像帧结构、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。

本课题主要研究TD-LTE和FDD-LTE的技术原理、基于OFDM的多址接入技术、基于MIMO\SA的多天线技术等。

关键词：

TD-LTE，FDD-LTE，OFDM，MIMO\SA

ABSTRACT

LTE （Long Term Evolution, alongtermevolution） isposedof3GPP （The 3rd Generation PartnershipProject, thethirdgenerationpartnershipproject） toorganizetheformulationof UMTS （Universal MobileTelemunications System, auniversalmobiletelemunicationsystem） longtermevolution ofthetechnicalstandards, in2004 December officiallylaunchedtheproject in Toronto andthe 3GPP TSG RAN#26meeting. LTE systemintroduces OFDM （OrthogonalFrequency Division Multiplexing, orthogonal frequencydivisionmultiplexing） andMIMO （Multi-Input &Multi-Output,multipleinputmultipleoutput） andotherkey transmissiontechnology, significantly increasesthespectralefficiencyanddatatransmissionrate （20M bandwidthof2X2MIMO in64QAM cases, theoretical downlink maximumtransmissionrateof201Mbps, afterthe removalof thesignalingoverhead wasabout140Mbps, butaccordingtothe limit,theactualnetwork andterminal capacity generally downlinkpeakrateis100Mbps, onthe behaviorof50Mbps）, andsupportformultiple bandwidthallocation:

 1.4MHz, 3MHz,5MHz, 10MHz, 15MHz and20MHz, and support theglobalmainstream 2G/3Gbandand someofthenew band, thusthe spectrumallocation moreflexible, systemcapacity andcover alsosignificantlyenhancethe. LTE systemnetworkarchitectureis moreflat simple, reducesthenetwork nodeandthe plexityofthesystem, thushasreducedthesystem delay, butalsoreducesthe costof networkdeploymentandmaintenance. TheLTEsystemtosupportinteroperability withother3GPP system. LTEsystemhastwo types:

 FDD-LTEand TDD-LTE, i.e., frequencydivisionduplex timedivisionduplex LTE systemand LTEsystem,themain differencebetweenthetwo isthatphysical layertechnology onthe air interface （like framestructure, timedivision synchronous design, etc.）. FDD-LTE systemofvent onthe downlinktransmission usesapairofsymmetrical bandreceiving andsendingdata, whiletheTDD-LTEsystem uplinkanddownlink is usingthesameband transmission in differenttimeslots, relativetotheFDD duplexmode, TDD hasahigher utilizationofthespectrum.

KeyWord:

TD-LTE，FDD-LTE，OFDM，MIMO\SA

第1章绪论

1.1论文研究背景

随着移动通信技术的不断发展和演进，3GPP于2004年11月开始启动“第三代移动通信系统长期演进”LTE项目，以实现3G技术向4G的平滑过渡。

3GPP对LTE项目的工作大体分为两个时间段：

2005年3月到2006年6月为SI（StudyItem）阶段，完成可行性研究报告;2006年6月到2007年6月为WI（WorkItem）阶段，完成核心技术的规工作。

在2007年中期完成LTE相关标准制定（3GPPR7），在2008年或 2009年推出商用产品。

LTE的改进目标是实现更高的数据速率、更短的时延、更低的成本、更高的系统容量以及改进的覆盖围。

演进路线：

GSM----->GPRS--->EDGE---->WCDMA------->HSPA----->HSPA+------->LTE长期演进

1.2LTE简介

LTE基于旧有的GSM/EDGE和UMTS/HSPA网络技术，是GSM/UMTS标准的升级,LTE的当前目标是借助新技术和调制方法提升无线网络的数据传输能力和数据传输速度，如新的数字信号处理（DSP）技术，这些技术大多于2000年前后提出。

LTE网络有能力提供300Mbit/s的下载速率和75Mbit/s的上传速率。

在E-UTRA环境下可借助QOS技术实现低于5ms的延迟。

LTE可提供高速移动中的通信需求，支持多播和广播流。

LTE频段扩展度好，支持1.4MHZ至20MHZ的时分多址和码分多址频段。

全IP基础网络结构，也被称作核心分组网演进，将替代原先的GPRS核心分组网，可向原先较旧的网络如GSM、UMTS和CDMA2000提供语音数据的无缝切换。

简化的基础网络结构可为运营商节约网路运营开支。

举例来说，E-UTRA可以提供四倍于HSPA的网络容量。

第2章LTE技术简介

2.1TD-LTE技术

LTE-TDD，国亦称TD-LTE，即TimeDivisionLongTerm Evolution（分时长期演进），由3GPP组织涵盖的全球各大企业及运营商共同制定，LTE标准中的FDD和TDD两个模式实质上是相同的，两个模式间只存在较小的差异，相似度达90%。

TDD即时分双工（TimeDivisionDuplexing），是移动通信技术使用的双工技术之一，与FDD频分双工相对应。

TD-LTE与TD-SCDMA实际上没有关系，TD-LTE是TDD版本的LTE的技术，FDD-LTE的技术是FDD版本的LTE技术。

TD-SCDMA是CDMA（码分多址）技术，TD-LTE是OFDM（正交频分复用）技术。

两者从编解码、帧格式、空口、信令，到网络架构，都不一样。

2.1.1时分双工

TDD是一种通信系统的双工方式，在移动通信系统中用于分离接收与传送信道（或上下行链路）。

TDD模式的移动通信系统中接收和传送是在同一频率信道即载波的不同时隙，用保证时间来分离接收与传送信道；而FDD模式的移动通信系统的接收和传送是在分离的两个对称频率信道上，用保证频段来分离接收与传送信道。

采用不同双工模式的移动通信系统特点与通信效益是不同的。

TDD模式的移动通信系统中上下行信道用同样的频率，因而具有上下行信道的互惠性，这给TDD模式的移动通信系统带来许多优势。

2.1.2 载波聚合

载波聚合是能满足LTE-A更大带宽需求且能保持对LTE后向兼容性的必备技术。

目前，LTE支持的最大带宽是20MHz，而LTE-A通过聚合多个对LTE后向兼容的载波可以支持到最大100MHz带宽，同时这些聚合的载波可以是带连续载波聚合、带非连续载波聚合、带间非连续载波聚合。

此外，接收能力超过20MHz的LTE-A终端也可以同时接收多个成员载波，而对LTE Rel.8的终端，也可以正常接收其中一个成员载波。

LTE目前最大支持20LTEHz的系统宽带，可实现下行300LTEbi∥s、上行80LTEbi∥s的峰值速率。

在ITu关于ILTET．Advanced的规划中，提出了下行峰值速率lGbi∥8、上行500LTEbiL／s的目标，并将系统最大支持宽带不小于40LTEHz作为ILTET—Advanced系统的技术要求之一，因此需要对LTE的系统宽带作进一步的扩展。

LTE·Advanced将采用载波聚合的方式实现系统带宽的扩展。

图2-1和图2-2给出了对多个载波进行聚合的2种基本形式。

图2-1对频段上连续的多个载波进行聚合，在各个载波保持LTE后向兼容的同时，实现了LTE．Advanced全系统宽带的扩展。

图2-2是对频段上非连续的多个载波进行聚合的情况。

由于频谱规划和分配的结果，单个运营商拥有的频率资源可能分散在各个非连续的频段。

非连续载波的聚合

提供了一个系统对分散的频率资源进行整合利用的解决方案。

另外值得一提的是。

同样是处于对运用商拥有频率资源情况的考虑，在载波聚合中各个单位载波的带宽并不限定为20LTEHz，可以支持更小的选择以提供充分的灵活性。

图2-1

图2-2

2.2FDD-LTE技术

FDD（频分双工）是该技术支持的两种双工模式之一，应用FDD（频分双工）式的LTE即为FDD-LTE。

作为LTE的需求，TD系统的演进与FDD系统的演进是同步进行的。

绝大多数企业对LTE标准的贡献可等同用于FDD和TD模式。

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，FDD-LTE的标准化与产业发展都领先于TD-LTE。

FDD-LTE已成为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。

2.2.1频分双工

FDD模式的特点是在分离（上下行频率间隔190MHz）的两个对称频率信道上，系统进行接收和传送，用保护频段来分离接收和传送信道。

采用包交换等技术，可突破二代发展的瓶颈，实现高速数据业务，并可提高频谱利用率，增加系统容量。

但FDD必须采用成对的频率，即在每2x5MHz的带宽提供第三代业务。

该方式在支持对称业务时，能充分利用上下行的频谱，但在非对称的分组交换（互联网）工作时，频谱利用率则大大降低（由于低上行负载，造成频谱利用率降低约40%），在这点上，TDD模式有着FDD无法比拟的优势。

第3章LTE关键技术

3.1多址技术

无线通信系统的基础。

36PP经过激烈的讨论，决定LTE采用上下行正交频分多址（OFDMA），上行单载波频分多址（SC-FDMA）的方式。

3.1.1上行SC-FDMA

DFT-S-OFDM是SC-FDMA的频域产生方式，是OFDM在IFFT调制前进行了基于傅立叶变换的预编码。

首先通过DFT离散傅里叶变换，获取与这个长度为M的离散序列相对应的长度为M的频域序列；然后，DFT的输出信号送入N点的离散傅里叶反变换IDFT中去，其中N>M。

IDFT的长度比DFT的长度长，IDFT多出的那一部分输入用0补齐；插入零符号扩频后，扩频信号再通过IFFT，过程可简写为DFT-S-OFDMA。

过程如图3-1所示：

图3-1

SC-FDMA首先将时域的数据符号经过FFT转变为频域信号，再在频域被mapping到desired location，然后被IFFT到时域，最后，时域信号插入CP，因此，SC-FDMA也被称作FFT化了的OFDM。

SC-FDMA技术是一种单载波多用户接入技术，它的实现比OFDM/OFDMA.简单，性能也逊于OFDM/OFDMA相对于OFDM/OFDMA，SC-FDMA具有较低的PAPR，发射机效率较高，能提高小区边缘的网络性能。

SC-FDMA有两种子载波映射方式：

集中式和离散式。

集中式每用户在频域集中传输，传输带宽是可变的；离散式每用户分配在频域，采用IFDMA方式，根据IFDMA的循环因数，子载波数量是可变的。

3.1.2下行OFDM

OFDM将整个较宽的频带分割成许多较窄正交频分子载波进行发送，这样，频率选择性衰落信道被转化为许多平坦衰落子信道。

给不同用户分配不同的子载波，用户间满足相互正交，小区没有干扰，同时，子载波间重叠占用频谱可以提高频谱利用率，增加信息传输速率。

OFDMA多址方式如图3-2所示：

图3-2

OFDMA发射结构图如图3-3所示：

图3-3

经过信道编码后的数据比特，通过串并转换和调制星座映射后，可视作频域信号，然后将这些调制信号映射到子载波上，并通过IFFT将这子载波信号转换到时域，再插入CP以在多径环境下保持子载波间的正交性，最后经过并串转换将多个子载波的时域信号进行叠加，形成OFDM发送信号。

OFDM技术是LTE系统的技术基础与主要特点。

与传统的多载波调制相比，OFDM调制的各个子载波间可相互重叠，并且能够保持各个子载波之间的正交性。

OFDM技术有效地提高了频谱效率，同时通过添加循环前缀，能够克服多径时延带来的符号间干扰。

OFDM技术通过将宽带信道划分为多个窄带的子载波（子载波宽度小于信道相干带宽），可以较为有效地对抗信道的频率选择性衰落，有利于简化信道估计，并且不需要复杂的信道均衡，特别适合5MHz以上的宽带移动通信系统。

OFDM系统参数设定对整个系统的性能会产生决定性的影响，其中载波间隔又是OFDM系统的最基本参数。

3GPP经过理论分析与仿真比较最终确定为15kHz。

上下行的最小资源块为375kHz，即25个子载波宽度。

循环前缀（CP，CyclicPrefix）的长度决定了OFDM系统的抗多径能力和覆盖能力。

长CP利于克服多径干扰，支持大围覆盖，但系统开销也会相应增加，导致数据传输能力下降为了达到小区半径100km的覆盖要求，LTE系统采用长短两套CP方案，根据具体场景进行选择：

短CP方案为基本选项，长CP方案用于支持LTE大围小区覆盖和多小区广播业务。

3.2物理层技术

3.2.1MIMO技术

所谓的MIMO，就字面上看到的意思，是MultipleInputMultipleOutput（多入多出）的缩写，大部分您所看到的说法，都是指无线网络讯号通过多重天线进行同步收发，所以可以增加资料传输率。

然而比较正确的解释，应该是说，网络资料通过多重切割之后，经过多重天线进行同步传送，由于无线讯号在传送的过程当中，为了避免发生干扰起见，会走不同的反射或穿透路径，因此到达接收端的时间会不一致。

为了避免资料不一致而无法重新组合，因此接收端会同时具备多重天线接收，然后利用DSP重新计算的方式，根据时间差的因素，将分开的资料重新作组合，然后传送出正确且快速的资料流。

由于传送的资料经过分割传送，不仅单一资料流量降低，可拉高传送距离，又增加天线接收围，因此MIMO技术不仅可以增加既有无线网络频谱的资料传输速度，而且又不用额外占用频谱围，更重要的是，还能增加讯号接收距离。

所以不少强调资料传输速度与传输距离的无线网络设备，纷纷开始抛开对既有Wi-Fi联盟的兼容性要求，而采用MIMO的技术，推出高传输率的无线网络产品。

MIMO技术大致可以分为两类：

发射/接收分集和空间复用。

传统的多天线被用来增加分集度从而克服信道

衰落。

具有相同信息的信号通过不同的路径被发送出去，在接收机端可以获得数据符号多个独立衰落的复制品，从而获得更高的接收可靠性。

举例来说，在慢瑞利衰落信道中，使用1根发射天线n根接收天线，发送信号通过n个不同的路径。

如果各个天线之间的衰落是独立的，可以获得最大的分集增益为n，平均误差概率可以减小到，单天线衰落信道的平均误差概率为。

对于发射分集技术来说，同样是利用多条路径的增益来提高系统的可靠性。

在一个具有m根发射天线n根接收天线的系统中，如果天线对之间的路径增益是独立均匀分布的瑞利衰落，可以获得的最大分集增益为mn。

智能天线技术也是通过不同的发射天线来发送相同的数据，形成指向某些用户的赋形波束，从而有效的提高天线增益，降低用户间的干扰。

广义上来说，智能天线技术也可以算一种天线分集技术。

分集技术主要用来对抗信道衰落。

相反，MIMO信道中的衰落特性可以提供额外的信息来增加通信中的自由度（degreesoffreedom）。

从本质上来讲，如果每对发送接收天线之间的衰落是独立的，那么可以产生多个并行的子信道。

如果在这些并行的子信道上传输不同的信息流，可以提供传输数据速率，这被称为空间复用。

需要特别指出的是在高SNR的情况下，传输速率是自由度受限的，此时对于m根发射天线n根接收天线，并且天线对之间是独立均匀分布的瑞利衰落的。

根据子数据流与天线之间的对应关系，空间多路复用系统大致分为三种模式：

D-BLAST、V-BLAST以及T-BLAST。

3.2.2高阶调制技术

TD-LTE在下行方向采用QPSK、16QAM和64QAM，在上行方向采用QPSK和16QAM。

高峰值传送速率是LTE下行链路需要解决的主要问题。

为了实现系统下行100Mb/s峰值速率的目标，在3G原有的QPSK、16QAM基础上，LTE系统增加了64QAM高阶调制。

64QAM的频谱利用率高，但是其归一化比特信噪比与QPSK相比降低了很多，即频谱利用率的提高是在牺牲信噪比和可靠性的前提下获得的。

采用64QAM从信道利用率的角度看，可以将信道利用率提高60%，在以高速数据传输为主要目的LTE中，是一个很好的解决方案。

不过，64QAM频谱利用率的提高势必要损失一些抗干扰能力，为达到相同的误码性能需要增加归一化信噪比，设备复杂性和设备成本有所增加。

TD-LTE在上行方向采用QPSK和16QAM。

3.2.3无线帧技术

LTE支持两种基本的工作模式，即频分双工（FDD）和时分双工（TDD）；支持两种不同的无线帧结构，即Type1和Type2帧结构，帧长均为10ms。

前者适用于FDD、TDD两种工作模式，后者仅适用于TDD。

Type1帧由20个0.5ms长的时隙构成，两个相邻的时隙组成一个子帧。

在TDD模式下，上下行链路分时共享一帧。

一般来说，0号子帧和5号子帧用于传送下行信号。

需要注意的是，Type1帧结构中0.5ms的子帧长度与低码片速率（LCR）TDD UTRA（0.675ms）和高码片速率（HCR）-TDD UTRA（0.667ms）的子帧长度都不同，要避免与TDD UTRA系统之间的干扰比较困难。

因此，为了使TDDEUTRA系统和TDDUTRA系统的上下行切换点相互对齐，需要插人空闲子帧或者空闲OFDM符号，但这样会造成频谱效率的损失。

Type2帧分成两个5ms的无线子帧，每个子帧分为7个时隙。

这种设计的目的就是为了和TDDUTRA系统兼容。

同步和保护周期插在0和1时隙之间，包括下行导频时隙、保护间隔和上行导频时隙。

所有时隙都包含一个小的空闲周期，可用于上下行切换时的保护。

3.2.4网络结构

1.LTE网络：

LTE在网络架构方面做了较大的改变。

传统的3GPP接入网UTRAN由Node B和RNC两层节点构成。

为有利于简化网络层次架构和减小延迟，LTE将进一步优化核心网和接入网划分，简化结构，减少接口数量，并增强端到端的QoS能力。

目前基本确定的是一种扁平化的架构，即E-UTRAN结构。

接入网主要由演进型Node B（eNB）和接入网关（aGW）构成。

aGW实际上是一个边界节点，如果将它看作核心网的一部分，则接入网主要由eNB一层构成。

LTE的eNB除了具有原来Node B的功能外，还承担了原来RNC的大部分功能。

此外，LTE还提出了其他一些改进的网络架构方案。

总的来看，LTE的网络架构是按扁平化思想进行设计的。

E-UTRAN：

由eNB构成，是LTE的接入网，如图3-4。

EPC（Evolved packet Core）：

由MME（Mobility Management Entity），S-GW（Serving Gateway）以及P-GW（PDN Gateway）构成，是LTE的核心网，如图3-4 

图3-4

LTE网络结构简化如图3-5：

图3-5

下面列出图中接入部分和接入控制部分的功能 

eNode B功能：

1.无线资源管理，包括无线承载控制，无线接入控制，连接移动性控制，UE的上下行动态资源分配。

2.IP头压缩和用户数据流加密 

3.UE附着时的MME选择 

4.用户面数据向S-GW的路由 

5.寻呼消息调度和发送 

6.广播信息的调度和发送 

7.移动性测量和测量报告的配置 

MME功能：

1.分发寻呼信息给eN