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LTE FDD技术指导书学习精要 华为+爱立信


LTE FDD 技术十问十答
这篇精要我将会正对 LTE 的关键技术和网络结构上的演进,以 Q&A 的形式精简。至于层 1层 3 的协议细节大家还是自己看一下指导书中的讲解,记住关键功能即可。

1. 什么是 LTE? ? LTE 是 Long Term Evolution 的缩写,可以通俗的把它称之为 4G,它初始为 3GPP 定义的 3G

技术向后的演进,后续由于 CDMA2000 向后演进 UMB 的消亡,LTE 成为目前几种主流 3G 制 式 WCDMA,CDMA2000,TD-SCDMA 向后的演进方向。 LTE 分为 LTE FDD 和 LTE TDD 两种, 系统设备也是不一样的, 前者是 Frequency Division Duplex CDMA2000 和 GSM/UMTS 的演进,要求 1 对对称频段,后者是 Time Division Duplex,仅要求 一段连续频段(请注意 TDD 的这个特点) 。中国移动是 LTE TDD 制式的主推运营商(应该也 是唯一的吧) 。 2. LTE 的标准和三大组织。 的标准和三大组织 和三大组织。 3GPP 于 2004 年 12 月开始 LTE 相关的标准工作,LTE 是关于 UTRAN 和 UTRA 改进的项目。 3GPP 标准制定分为提出需求、制定结构、详细实现、测试验证四个阶段。 3GPP 以工作组的方式工作,与 LTE 直接相关的是 RAN1/2/3/4/5 工作组。

上图为 3GPP 标准制定的四个阶段

上图为 3GPP 标准组织构成 目前我们所有提到的 LTE 实验局等建设都是基于 3gpp R8 标准,R8 是 09 年 3 月冻结的。R9 也包含 LTE 的内容,主要是对于 SON 功能,ICIC,EMBMS 等高级功能的补充和完善,R10 通 常意义可以认为是 LTE-A; LTE 中的三个重要组织(这个大家在胶片中经常遇到): 中的三个重要组织(这个大家在胶片中经常遇到) 1) 2) 3GPP--LTE 标准的制定者。 NGMN--Next Generation Mobile Network : 由众多主流 super operator 组成, 其目的是集 合移动运营商的运营经验和市场洞察力,研究和制定下一代移动网络需求(简要说: NGMN 目标就是以市场推动标准, 引导标准) ,NGMN 组织对三种候选技术 (LTE, UMB, WiMAX)进行了评估,最终首选 LTE 作为下一代移动宽带技术。我司 2006 年 12 月加入 我司 NGMN 组织。 组织。 LSTI -- LTE/SAE Trial Initiative 成立于 2007 年 5 月。 LSTI 主要使命是促进 LTE/SAE 作为下 一代移动通信技术,并且加快 LTE/SAE 产业化,同时驱动产业链的发展和完善。LSTI 主 要进行概念验证和制订 IODT/TOT 的最小测试集, 进行外场测试。我司 2007 年 10 月加 我司 入 LSTI。 。

3)

3. LTE 及 LTE-A 进展介绍 LTE 主要分为两个阶段 R8 和 R9。 LTE R8 在 2009 年 3 月已经冻结,主要包含了 LTE 商用的 基本功能。LTE 中的一些其他功能如 MBMS,HomeNB,SON 的部分功能等被推迟到 R9 中研 究。LTE R9 的协议原定是 2009 年 12 月冻结,后被推迟到 2010 年 3 月。 LTE-A 属于 R10 的范畴,主要是对 LTE 技术的进一步增强,而不是象 R9 那样是一些功能的 补充。

LTE-A 的需求: 的需求: 1) 支持更大的带宽:带宽最大可达 100MHz 2) 支持更高的峰值速率:下行最高可达 1Gbps 3) 支持更短的时延:从 idle-connected 的控制面时延< 50ms, 在无负荷情况下,用户面时 延比 LTE 的 5ms 还要小。 4) 频谱效率: 下行 30bps/Hz @ 8*8, 上行 15bps/Hz @ 4*4 5) 移动性: 可支持更高速率如 500km/h 4. LTE 支持的最高速率 LTE 的噱头就是高速率,我们所谓的速率指的是小区峰值速率。 小区速率主要和以下几个指标挂钩: 1) 频率带宽:通常考虑标准规定的 20MHz,小区峰值速率和带宽成正比; 2) MIMO 模式,峰值将会根据天线的数量成倍增长;目前主流 2*2 MIMO,后续考虑支持 4*4MIMO; 3) HOM:因为是峰值,所以考虑的是单用户在最好的信道条件下,采用最高阶的调制方 式(LTE 目前支持下行 64QAM,上行 16QAM) 通常在 20MHz 带宽下,基于 2*2MIMO 模式,理论上 LTE 单小区峰值(PHY 层)可以达到下 行 150Mbps, 上行 75Mbps 基于 64QAM) 目前情况, ( , 由于终端只支持 16QAM, 所以 eNodeB 支持上行 16QAM,峰值速率 50Mbps。 (一些竞争对手通过做一些改动,宣称 170Mbps 下载 都没有考虑资源开销,只能应用于宣传) 。 另外提到的一个高速率是单用户峰值速率, 这个速率和终端的能力挂钩, 目前业界主流的商 用 LTE 终端是 category 3 的终端,支持 100Mbps 下载,50Mbps 上行。 5. LTE 的网络结构是怎么样的?每个网元的基本功能是什么? 的网络结构是怎么样的?每个网元的基本功能是什么? LTE 采用了与 2G、3G 均不同的空中接口技术、即基于 OFDM 技术的空中接口技术,并对传 统 3G 的网络架构进行了优化, 采用扁平化的网络架构, 亦即接入网 E-UTRAN 不再包含 RNC, 仅包含节点 eNB,提供 E-UTRA 用户面 PDCP/RLC/MAC/物理层协议的功能和控制面 RRC 协议 的功能。E-UTRAN 的系统结构参见下图的 LTE E-UTRAN 系统结构图所示。

图1

E-UTRAN 结构

X2

X2

eNB 之间由 X2 接口互连,每个 eNB 又和演进型分组核心网 EPC 通过 S1 接口相连。S1 接口 的用户面终止在服务网关 S-GW 上,S1 接口的控制面终止在移动性管理实体 MME 上。控制 面和用户面的另一端终止在 eNB 上。上图中各网元节点的功能划分如下(具体细分功能请 参照指导书) : eNB 功能 LTE 的 eNB 除了具有原来 Node B 的功能之外,还承担了原来 RNC 的大部分功能,包括有物 理层功能、MAC 层功能(包括 HARQ) 、RLC 层(包括 ARQ 功能) 、PDCP 功能、RRC 功能(包 括无线资源控制功能) 、调度、无线接入许可控制、接入移动性管理以及小区间的无线资源 管理功能等。 MME 功能(可认为处理信令) MME 是 SAE 的控制核心,主要负责用户接入控制、业务承载控制、寻呼、切换控制等控制 信令的处理。 MME 功能与网关功能分离,这种控制平面/用户平面分离的架构,有助于网络部署、单个技 术的演进以及全面灵活的扩容。 S-GW 功能(可认为处理切换) S-GW 作为本地基站切换时的锚定点,主要负责以下功能:在基站和公共数据网关之间传输 数据信息;为下行数据包提供缓存;基于用户的计费等。 PDN 网关(P-GW)功能(可认为处理数据) 公共数据网关 P-GW 作为数据承载的锚定点,提供以下功能:包转发、包解析、合法监听、 基于业务的计费、业务的 QoS 控制,以及负责和非 3GPP 网络间的互联等。 6. 1) LTE 的关键技术有哪些? 的关键技术有哪些? LTE 从架构上看,RNC/BSC 这一层取消了,RNC 大部分功能如资源调度,拥塞控制等都 下移到 eNodeB 上面,只有部分的加密,安全功能上移到核心网 MME 这层。 2) 从空口的关键技术上看, 关键技术主要是 MIMO, OFDM (正交频分复用) HOM 和 (high order modulation 高阶调制,64QAM) 。在组网上 LTE 采用 ICIC 技术,另外,LTE 引入了 SON(self organized network )功能降低整网 TCO。 多址方式 LTE 采用 OFDMA(正交频分多址:Orthogonal Frequency Division Multiple Access)作为下行 多址方式。

图1

LTE 下行多址方式

LTE 采用 DFT-S-OFDM (离散傅立叶变换扩展 OFDM: Discrete Fourier Transform Spread OFDM) 、 或者称为 SC-FDMA(单载波 FDMA:Single Carrier FDMA)作为上行多址方式。

图2

LTE 上行多址方式

多天线技术(Multi-input Multi-output; MIMO) MIMO 是一种用来描述多天线无线通信系统的抽象数学模型, 能利用发射端的多个天线各自 独立发送信号, 同时在接收端用多个天线接收并恢复原信息。 该技术最早是由马可尼于 1908 年提出的,他利用多天线来抑制信道衰落(fading) 。根据收发两端天线数量,相对于普通的 单输入单输出系统(Single-Input Single-Output,SISO) ,MIMO 此类多天线技术尚包含早期 所谓的“智慧型天线”,亦即单输入多输出系统(Single-Input Multi-Output,SIMO)和多输入 单输出系统(Multiple-Input Single-Output,MISO) 。这个技术大家都比较熟悉了,可以参考 泰立的学习精要。 小区间干扰抑制 采用小区间干扰抑制技术可提高小区边缘的数据率和系统容量等。 小 区 间 干 扰 抑 制 技 术 主 要 包 括 有 三 类 : 小 区 间 干 扰 随 机 化 ( Inter-cell interference randomisation) 小区间干扰消除 , (Inter-cell interference cancellation) 小区间干扰协调 , (ICIC: Inter-cell interference coordination) 。目前来看,其中的小区间干扰协调(ICIC)技术是研究 重点。 HOM(高阶调制) SON(自组织网络:Self Organising Network) 包括自配置和自优化等过程. 1) 自配置过程(self-configuration) 自配置定义为一个过程,在该过程中,一个新部署的节点由自动安装过程进行配置,以获得 系统运行必要的基本配置。该过程工作于预运行状态(pre-operational state) 。预运行状态 可以理解为从 eNB 上电,有骨干连接,一直到 RF 发射机开启为止。 预运行状态需要处理如下功能: 基本建立(Basic Setup) ; 2) 初始无线建立(Initial Radio Configuration) ; 上述功能都属于自配置过程的范畴。 自优化过程(self-optimization) 自优化过程定义为 UE 和 eNB 测量以及性能测量被用于自动调节网络的过程。

该过程工作于运行状态(operational state) 。运行状态可理解为 RF 接口处于开启状态。 7. 什么是 LTE-A? ? LTE 主要分为两个阶段 R8 和 R9。 LTE R8 在 2009 年 3 月已经冻结,主要包含了 LTE 商用的 基本功能。LTE 中的一些其他功能如 MBMS,HomeNB,SON 的部分功能等被推迟到 R9 中研 究。LTE R9 的协议原定是 2009 年 12 月冻结,后被推迟到 2010 年 3 月。 LTE-A 属于 R10 的范畴,主要是对 LTE 技术的进一步增强,而不是象 R9 那样是一些功能的 补充。 LTE-A 系统需求 ? 支持更大的带宽:带宽最大可达 100MHz ? 支持更高的峰值速率:下行最高可达 1Gbps ? 支持更短的时延:从 idle-connected 的控制面时延< 50ms, 在无负荷情况下,用户面时 延比 LTE 的 5ms 还要小。 ? 频谱效率: 下行 30bps/Hz @ 8*8, 上行 15bps/Hz @ 4*4 ? 移动性: 可支持更高速率如 500km/h LTE-A 系统主要涉及四大关键技术:载波聚合,CoMP,Relay,多天线技术。
LTE MIMO 模式 1 2 3 LTE-A MIMO 模式

单天线端口,port 0 发射分集 开环空间复用
LTE MIMO 模式

单天线端口,port 0 发射分集 开环空间复用
LTE-A MIMO 模式

4 5 6 7 8 9

闭环空间复用,rank>1 MU-MIMO 闭环空间复用,rank=1 单天线端口,端口 5

闭环空间复用 MU-MIMO 单天线端口,端口 5 多流 beamforming(BF) SDMA(MU-BF)? 其他新的发射模式?

8. LTE 传输网络需求及其特点 LTE 传输网络是指 eNB 与 LTE 核心网络设备(MME/S-GW)之间的网络,在传输网络中主要 处于城域接入网络的范围,如下图所示。

eNB
o o o

GE Transport Network Termination

S-GW
n * GE

Transport Network

eNB

Transport Network Termination GE

Transport Network Termination

MME
FE/(GE)

Ethernet Switch
FE/(GE)

O&M System

LTE 传输组网更加扁平化,组网方式更加简化,可以将 LTE 的组网分为两个部分,一部分是 从 eNB 到传输网络边缘设备之间的网段, 另一部分是从传输边缘设备到 LTE 核心网络之间的 网段。 LTE 网络对于传统 3G 网络而言,在传输上具有以下特点: ? 传输网络扁平化,由于取消了 RNC 节点,eNB 直接连接到核心网(MME/S-GW) ,从而 简化了传输网络结构,降低了网络迟延; ? 网状组网,相邻 eNB 之间组成网状网络,形成 MESH 网络结构; ? 传输网络全 IP 化,LTE 从空中接口到传输信道全部 IP 化,所有业务都以 IP 方式承载。 9. LTE 业界终端的情况 运营商考虑 LTE 时,终端是非常重要的一个因素,目前形式来看业界终端进度是落后于系统 进度的,这也是我们做实验局面临的一个瓶颈。 我们公司的 LTE 终端是手机事业部,LTE 开发团队承担,主要是基于高通芯片。所以说高通 芯片的成熟度和稳定性将制约我们公司 LTE 终端的成熟度。从今年的形式来看,高通并没有 全力投入 LTE 芯片开发。这也导致所有依赖高通芯片的厂商 LTE 终端进度较为落后。 相对而言,今年来看,业界终端做的最好的是韩国的三星和 LG,稳定性和成熟度都比高通 要好。业界唯一可以说真正商用的瑞典 TeliaSonra 网络终端供货商就是三星,但是由于三星 和 LG 是我们公司终端的竞争对手,他们并不愿意配合我们系统应对外部需求。 另外 Moto,Nokia,E///,F7 都有终端以及芯片研发的路标,但是成熟度目前来说还远远不 够。 10. LTE 市场整体形势,产业链发展现状,我们公司 LTE 业界的地位大概是什么情况? 市场整体形势,产业链发展现状, 业界的地位大概是什么情况? 可以说 LTE 在 2010 年大体上都处于实验局阶段,为数不多的几个激进运营商可能会进入试 运营,因为 LTE->3G,LTE->2G 的 hand over 以及语音方案还都不成熟完善,尤其是没有支持的 终端, 所以真正能够投入规模商用应该在 2011 年 H2 以后。 但是目前阶段是 LTE 学习部署的 重要时间窗,很多运营商也在考虑市场宣传角度,尽早的展开了实验局部署。 我们公司 LTE 一直紧跟标准, 而且利用公司产品化能力强的优势, 已经有系列的产品规划, 目前看来,产品性能是非常有竞争力的。在目前实验局阶段,单站或者单小区测试我们的性 能不逊于 HW,E///,强于 AL,NSN。但是在规模组网,以及产品稳定性方面还和 E///,HW 有一定差距,缩小差距乃至赶超是我们今年下半年的目标。


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