LTE空中接口技术与性能

LTE空中接口技术与性能,三大经典LTE教材之一，CSDN里绝无仅有。技术功能状态信令无线承载系统信息广播连接控制内移动性管理的札制简介承载业务架构参数第章网络性能评估的网络性能系统峰值速率分析系统频谱效率分析影响接收灵敏度的因素了载波频率偏差对接收灵敏度的影响振荡器相位噪声对接收灵敏度的影响符号抽样定时误差对接收灵斂度的影响开销分析开销分析开销分析时延分析用户面时延控制面时延实际网终主要时延分析性能覆盖性能下行信道覆盖上行链路覆盖覆盖性能覆盖性能覆盖性能的选择性能固定带宽探测参考信号的链路性能分析上行性能分析信道反馈性能分析不同频率分集方式对吞吐量影响缩略语参考文献第一章系统概述第1章LTE系统概述我国移动通信的发展经历了从模拟到数字的过程,包括TACS、GSM、CDMA等2G移动通信系统以及 WCDMA和TD- SCDMA等3G移动通信系统。3G及其以后的移动通信系统追求的主要目标是高速率数据,广覆盖和大容量。图1-1表明移动通信从3G到4G无线技术的演进趋势,随着4G抆术的出现,其峰值传输速率要求越来越高,譬如4G中低速移动性时峰值传输速率能够超过100 Mbit/s甚至更高。移动性高MT2000增强型MF=2035G)LTE低用于游数或地无线宽带接入的新技术峰值用户数据传输速率(Mbis)图1-1移动通信技术的演进3G移动通信系统最高的数据传输速率只有2 Mbits,在数据需求高速增长的今天显然是不具有吸引力的。为提高3G的竟争力,3GPP、3GPP2等标准化组织先后提出了 HSDPA、 HSUPAEVDO等旨在提高数据传输速率的后续标准,近来又提出了LTE( Long Term Evolution)作为未来的移动通信标准。LTE能够更好地利用频谱,以更低的成本提供良好的覆盖和信道容量。重要的是,LTE的下行链路采用OFDM技术,速率可以达到50~100 Mbit/s,上行速率也可达到30~50 Mbit/s。另外,降低系统延迟以适应多种业务也是LTE系统的主要设计目标。LTE接入网不但能够有效支持新的物理层传输技术,还会带来网络建没和运维过程中的低时延、低复杂度、低成本。原有3G网络结构显然已无法满足要求,需要调整与演进。3GPP硝定的LTE接入网采用扁平化的全IP架构,主要由基站( eNode b或 eNode B)和接入网关(aW)构成,数据核心网络演进标准称为SAE(系统体系结构演进, System ArchitectureLTE空中接口技术与性能Evolution),IP宽带网络结构成为LTE-SAE体系结构及设计思想的基石。图1-2中清晰地列出了目前业界部署的各种无线移动通信技术标准演进路线,随后的内容会详细介绍3GPP、3GPP2两大标准化组织的标准演进过程。整体来看, OFDMMIMO和扁平化P网络框梨是移动通信技术的发展趋势。无线移动通信技术演进基本上能够集到LTE、UMB及wMAX16m等为代表的来技术标准上,而这3种标准都基于OFDM+MMO技术,以提供更高的数据传输速率和频谱效率CDMAXRTT ERD+LMBHSDPARR99 HSUPALTELSMIpRSEDGEEvolvedEDXGEWIMAXWIMAXI6m图1-2各种移动通信技术均向着 OF DM/MIMO+扁平化I网络的方向演进1, 3GPP20(SM):即3GPP的R98,基于FDD和TDMA技术。它最初源于欧洲,在全世界范围内广泛应用,采用900MHz、1800MHz以及1900MHz频段。目前有超过212个国家和地区的30亿人口在使用GSM,GSM也承载低成本的短信服务。2sG(GPRS);基于FDD和TDMA技术,与GSM兼容并使用相同的工作频段。它可提供中速数据传输,从54 kbit/s到114 kbit/s,可以支持互联网的WAP接入业务,275G(EDGE):即3GP的R99,基于FDD和TDMA技术。它与GSM兼容并使用相同的⊥作频段,叫提供的数据传输速率在4时隙时达到236.8 kbit/se2.75〔(FnGE演进):数据传输速率增加到1 Mbit/s峰值速率和相应系统时延下降到100ms,采用双载波。3G(UMTS):UMTS系列的全部标准从R99开始,已经演进发展到了R7。物理层技术基于 WCDMA和 TD-SCDMA。3.5G( HSDPA): HSDPA技术在3PPR5标准中引入,与3G使用相同的频段。与3G相比, HSDPA在物理层引入了一些新技术:如下行高速共享信道( HS-DSCH)、自适应调制技术等。目前在全世界的76个国家部署了174个 HSDPA的商用网络,使用 HSDPA手机的下行数据速率达到144 MbitsHSPA+技术在3GPPR7标准中引入,在移动网终中引入了简单IP的核心架构并大大提高了无线数据传输速率,引入了新的天线技术:波束成形和MMO。通过MIMO和高阶调制技术,HSPA+可支持下行最高42Mbts和上行最高22Mbts的数据速传输率。LTE:3GPP长期演进计划,旨在通过以OFDM为基础的下一代空中接口技术,提高下行链路数据传输速率到100 Mbit/s,上行链路数据传输速率到5 AMbit/s2. 3GPP22.5530(cdma2000:cdma2000是3G主流技术标准UMTS的竞争者,可用的工作频带2008年11月美国高通公司正式宣布放弃UMB。该技术目前基本不存在应用前景一第1章LTE系统述有450MHz、700MHz、800MHz、900MHz、1700MHz、1800MHz、1900MHz和2100MHze35G(EVDO:采用CDMA与TDMA的复用技术,使单个用户的吞吐量和系统总的吞吐量最大化,有以下几个版本。Rev0:支持下行24Mbs的数据传输速率和上行153 kbit/s的数据传输速率。RevA:支持Qos(提高系统时延性能)相比Rew0可提供更高的前向与反向的数据传输速率,RevA支持下行3. Mbit/s的数据传输速率和上行1.8 Mbit/'s的数据传输速率。RevB:在RevA的基础上,通过捆绑多个载波来达到更高的传输速率和更低的时延。UMB:3GPP2面向移动宽带解决方案的演进目标,命名为超移动宽带(UMB),在网络架构方面类似于LTE。物理层技术演进可参见图1-3。率则率乡子载被子波功率FDMA功率TDMA功率CDMA功率OFDM时间功OFDMA图1-3物理层技术演进(不同的阴影部分代表不国的用户)3GPP在2004年底制定了无线长期演化计划即无线长期演进标准LTE( Long TermEvolution)和系统架构演进标准SAE( System Architecture Evolution)。在LTE系统设计之初,其目标和需求就非常明确:降低时延、提高用户传输数据速率、提高系统容量和覆盖范围、降低运营成本等。LTE系统设计目标是峰值数据速率( Peak Data Rate),在20MH系统带宽先置下,达到下行100Mbis(2天线接收),上行50 Mbit/s(1天线发送)的系统吞吐能力SAE演进日标也包括降低时延,提高容量和吞吐量的性能、简化核心网、优化基于IP业务和服务、支持非3GPP接入技术的和简化切换流程LTE设计目标需求具体列举如下所述。(1)支持125~20MHz带宽。(2)峰值数据率:上行50 Mbit/s,下行100 Bites,频谱效率达到3GPPR6的2~4倍。(3)提高小区边缘的比特率。(4)用户面延迟(单向)小于5ms,控制面延迟小于100ms(5)支持与现有3GPP和非3GPP系统的互操作。(6)支持增强型的广播多播业务(例如1-3 Mbit/s)。(7)降低建网成本,实现从R6的低成本演进。LTE空中接囗技术与性能上(8)实现合理的终端复杂度、成本和耗电。(9)支持增强的IMS(IP多媒体子系统)和核心网。(10)追求后向兼容,但应该仔细考虑性能改进和向后兼容之间的平衔。(11)取消Cs(电路交换)域,CS域业务在Ps(分组交换)域实现,如采用voIP。(12)对低速移动优化系统,同时文持高速移动(13)以尽可能相似的技术同时支持成对( paired)和非成对( unpaired)频段(14)尽可能支持简单的邻频共存(15)为不同类型服务提供QoS支持(例如基于IP的语音业务(16)灵活使用已有或新增频段。(17)允许给UE分配非连续的频谱。(18)网络结构和移动性。①须考虑 UTRAN演进以及UTRA的演进要考虑简化当前的网络架构②提供开放的接口,支持多厂商设备部署提高网络强壮性,不存在单点故障:④支持muli-RAT操作⑤支持对传统网络和其他网络的无缝移动,包括RAT间的切换和基于RAT选择的服务;保持一定的网络安全水平。LTE接入网络基于 OFDM/OFDMA技术,与CDMA技术相比, OFDM/OFDMA技术具有频谱效率高、带宽扩展性强、频域资源分配方便、抗多径衰落、易与MMO技术联合运用的优点。由于调制技术和误码处理的灵活性,LTE可以在较宽的SNR范围内有效地工作,采用MIMO技术可进一步增强数据传输能力。采用不同无线通信空口技术的理论频谱密度如图1-4所示,图中曲线表示每种技术的理论频谱密度与SNR的相对关系。理论频谱密度与频谱效率是不同的,频谱效率在多小区环境口将受到干扰等因素的影响。例如,高阶调制技术可提高频谱密度,但是由于每信息比特的高能量需求反而降低了频谱效率LTE 2x.2pA香农容量极限HSPAee吧EV-D0-AEDIeSAR(dB)图143G4G无线通信技术理论频谱密度与信道信噪比SNR关系曲线三第1章LTE系统概述上标准EDGE技术采用8PsK调制技术,在33dB的SNR时可以达到22 bit/s/Hz的频谱密度。 E-EDGE+技术由于采用高阶调制技术(32QAM)和的较高的符号速率(比EDGE技术高20%),可获得高的春吐量基于CDMA的HSPA和EVDO系统采用了相似的技术,如rake接收机、可抵消干扰的先进的接收机如 G-RAKE以及为HSPA提出的MMO等均可增强网络性能。由于在M=1的频率复用模式下,同频小区边缘由于很多的不明干扰源将会引起导频检测的可幂性降低,导致这些技术在较低的SMR的条件下对网络性能的改善不太明显。LTE(MIMO2×2)曲线是基于理想信道估计的TU3衰落环境下的仿真,在较高的SMR条件下,可达到82btH的频谱密度(MMO是基于空间复用(高SNR)与STTD(低SMR)技术的)。表1-13G4G无线通信术值速率和平均频效军HSPA R6HSPA RTFDD LTE (SMHz) FDD LTE(20MHz)CHSPA)HsPA+2×2MMO)(Sso和2×2MIMO)(sso和2x2MIMO)拉术WCDMA WCDMAOFDMA (DL)OFDMA (DL)(DL &UL)(DL UL)SC-FDMA UL>SC-FDMA CUL)工作带宽(M"z)2014.4(DL)28(DL)DL:22.16(1t)DL:864(1)峰值数据速率(Mb)576(LL)5.76(LL)DL:41.94(2×2)DL:1728(2×2)LL:22.16(t)UL:864(1t)5(DL)5.5(DL725(1以x)29(1D)平均吞吐量(Mps)1.5(UL)1.5(UL8.25(2x2)33(2×2)3.75(UL,1tx)15(UL,1)0.7(DL)1.1(DL145(DL.1t1. 45 (DL I tx)平均频效率(btHh)[03(U)03(U,1x)165(D,2x2)1.55(DL,22)0.75(ULIt)0.75(UL,lt)1.1LTE技术特点(1)LTE主要技术特点空中接口物理层技术是无线通信系统的基础与标志,LTE系统物理层下行传输方案采用先进成熟的 OFDMA技术;上行传输方案采用峰均比较低的单载波方案 SC-FDMA.OFDM技术是LTE系统的技术基础与主要特点,OFDM系统参数设定对整个系统的性能会产生决定性的影响。另外MMO作为LTE提高系统输率的最主要手段,目前已确定MMO天线个数的基本配置是下行2×2、4x41上行1×2。上行虚拟MMO技术也被LTE采纳作为提高小区边缘数据速率和系统性能的主要手段。(2)LTE与3G技术的区别LTE系统相对于2G/3G的无线系统,其主要差异如下:①上下行链路分别选择 OFDMA和 SC-FDMA无线接入方式②支持时域和频域的调度③提供点到点和点到多点传输的简单信道结构5LTE空中接口核术与性能④简单的RRC状态模式(空闲模式和连接模式)⑤诚少了传输信道的数量(无需专用信道)MAC习能简化(MAC实体数量、DRX和DTX的通用解决方案),由RLC子层和MAC子层提供的调度、ARQ和HARO⑦UE和aGW之间采用PDCP子层提供包头压缩和加密功能无压缩模式,通过调度发送接收的时间问隔进行测量:⑨简化的 e-UTRAN结构(只有一类节点: cNode b)00支持在SDU水平的下行数据前传的硬切换:①分布式的网络架构,例如RRC与ARQ功能均在 eNode B实现②NAS信令终止于UE和aGW,提供空闲模式的移动性处理③与NAS相关的UE识别与2G和3G系统相似(如: IMSIIMEI, TMSI for MME)SAE系统相对于2G/GPS系统,其主要差异如下。①信令面和用户面分离。在SAE架构中,将信令面和用户面进行了分离,由MME负责信令面的处理,这种架构适合于更加灵活地根据用户数和业务量(数据流量)的发展情况选择扩展信令面设备还是扩展用户面设备,从而可以提高网络资源的利用率,降低设各建设成本;而用户面设备可以通过适当的合并和归一化,可减少网络层次,提升网终性能,通过将用户面设备下移网络边缘,可节省回程传输资源,降低运维成本②支持多种无线接入技术。SAE系统除了支持3GPP定义的无线接入技术外,还可以支持非3GPP定义的无线接入技术,如WMAx,HRPD等,为多种不同制式的技术互通创造了有利条件,从而实现最终的网络融合。③优化的移动性管理功能。针对IDLE状态下的移动性管理,SAE中提出了专门的优化机制,减少用户在IDLE状态下产生的移动性管理消息数量(主要是位置更新消息),从而减小空口以及MME到HSs之间的信令负荷。④优化的Qs机制。相对2/3GPS系统,SAE简化了Qo参数定义,减少了网元之间Q0s参数传递的数量,同时,对QoS协商机制也进行了优化,不允许进行多次Oos的协商,从而可提高信令交互的效率。另外SAE中还提出了AMBR( Aggregate Maximum Bit Rate)的概念,这样可以控带针对一个用户的所有非保证带宽类业务的最大带宽,而不是像以前只是控制单个业务的最大带宽。⑤引入缺省承载概念,更好地支持水远在线⑥优化的MBMS机制。1.2LTE网络架构1.2.1网元设置LTE网络技术的一个关键设计目标是网络完全基于分组交换的,传统语音通信只是网络给终端用户提供的服务之一。从核心网的观点来看,LTE摒弃了在2G和3G网络中存在的双核心网结构,即语音核心网( MSC/VLR)和分组核心网( SGSN/GGSN)。在LTE网络中,分组核心网成为管理UE移动性和处理信令的唯一的核心网,各种业务可以通过P多媒体系6第1章LTE系统概述统(IMs)提供给终端用户。核心网SGSN SMMESSAE GWMMES E GWlu∠RNCluhUTRANeNode日eNode B E-UTRANeNode BNode llPErle He Node BUMTSLTE图1-5G5MMTS网络架构向LTE网络架构的滴进LTE网络节点主要包括增强型 Node I和接入网大( MME/SAE GW),增强型 Node d简写为 eNode B。与3G和2G的无线网络相比,LTE网元省略RNC节点,接入网络架构只是由若干个 eNode B组成,不用对接入节点进行汇集,网元数目减少,网络更加扁平化,部署简单容易维护。取消RNC的集中控制,有利于避免单点故障提高网络稳定性。LTE网络中eNode b直接连接MME和服务 SAE GV,有助于降低整体系统时廷改善用户体验,从而可以开展更多业务eNode B提供LTE的用户平面( RLC/MAC/PHY)和RRC控制平面RRC协议。原来RNC功能被分散到了 eNode F和接入网关(AGW)中。AGW包含了原来sGsN功能,因此还是归画为SAE的边界节点,只不过与LTE相关的部分用户面和控制面的功能在LTE中定义。HssPRE运营商提供的P业务SAE GN例如IMSs等)HP MNVPLMNGERANUTRANSIMIMEMM上" LTE-UuSInNLEUTRAN务SAE(W图1-6LTE网络架构示意图7