关键技术(二)：OFDM-MIMO.docx

LTE知识点梳理（二）：TD-LTE系统关键技术1.1 多址传输方式 多址接入技术（Multiple Access Techniques）是用于基站与多个用户之间通过公共传输媒质建立多条无线信道连接的技术。移动通信系统中常见的多址技术包括频分多址（Frequency Division Multiple Access，FDMA）、时分多址（Time Division Multiple Access，TDMA）、码分多址（Code Division Multiple Access，CDMA）、空分多址（Space Division Multiple Access，SDMA）。FDMA 是以不同的频率信道实现通信。TDMA 是以不同的时隙实现通信。CDMA 是以不同的代码序列来实现通信的。SDMA 是以不同方位信息实现多址通信。 正交频分多址接入技术（Orthogonal Frequency Division Multiple Access，OFDMA）是后 3G 时代主要的一种接入技术。其基本思想是把高速数据流分散到多个正交的子载波上传输，从而使单个子载波上的符号速率大大降低，符号持续时间大大加长，对因多径效应产生的时延扩展有较强的抵抗力，减少了符号间干扰（Inter Symbol Interference，ISI）的影响。通常在 OFDM 符号前加入保护间隔，只要保护间隔大于信道的时延扩展则可以完全消除符号间干扰。在 TD-LTE 系统中，下行方向上采用了OFDMA的多址方式，而上行方向，采用了具有单载波峰均比特征的SC-FDMA多址方式。2.4.1 OFDM系统原理与实现（1）OFDM概念OFDM将一个宽频信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到每个子信道上进行传输。OFDM系统允许各子载波之间紧密相临，甚至部分重合，通过正交复用方式避免频率间干扰，降低了保护间隔的要求，从而实现很高的频谱效率。OFDM原理图（2）OFDM基本特点l 发射机在发射数据时，将高速串行数据转为低速并行，利用正交的多个子载波进行数据传输；l 各个子载波使用独立的调制器和解调器；l 各个子载波之间要求完全正交、各个子载波收发完全同步；l 发射机和接收机要精确同频、同步；l 接收机在解调器后端进行同步采样，获得数据，然后转为高速串行；l OFDM多载波传输，载波间相互重叠，具有很高的频谱利用率。（3）OFDM系统的实现OFDM实现的主要相关模块有以下三部分：1）串/并、并/串转换模块；2）FFT、逆FFT转换模块；3）加CP、去CP模块。OFDM系统实现模型1）并行传输多径效应对信号的影响，由于信号发射后受空间环境的影响，到达接收端时会造成到达的时间和信号强度的差异，到达时间的差异称为多径时延，到达的强度不同称为选择性衰落，其中在宽带传输系统中不同频率在空间的衰落是不同的，称为频率选择性衰落。多径时延会引起符号间的干扰（ISI），OFDM系统中，并行传输降低ISI。用户的高速数据流经串/并转换后变为低速码流。这样使每个码元的传输周期（T）大大增加，多径时延比码元周期小时，自干扰就相应降低。此外，并行传输时将宽带单载波转换为多个窄带子载波可以认为是水平衰落信道，每个子载波的信道相应近似无失真。2）FFT（傅里叶变换），IFFT（逆变换）对于OFDM 来说，最难的还是在于如何保证各个子载波间的正交，其重要的一点就是利用了快速傅里叶变换，还有就是近代芯片运算能力的增加。傅里叶变换本身很复杂（LTE 用的是快速傅里叶变换，l简单了很多），下面是个简化版的公式看公式只有当m 和n 相等时才会得出1，m 和n 不等的话就是0。这就是正交的自相关性，也就是只有自己才能解出自己，别人不行，这点很重要。下面举个例子，例如信息A 在子载波m 上传递，信息B 在n上传递，那么当子载波重叠后，我要将A 取出怎么办？可以计算下。由于A 在m 子载波上，所以我用去取A，都积分也就是 A 的m 载波和m 载波自相关，所以=1，而B 的n 载波和m 载波完全不想关，所以=0。从而保证了各个子载波虽然重叠但是不会互相干扰。当使用IDFT/DFT实现OFDM调制/解调的时候，IDFT的输入是频域数据，输出是时域数据；DFT的输入是时域数据，输出是频域数据。使用FFT可以很好的实现正交变换。这样就可以用他们来携带一定的信息，在接收端用同样的子载波来运算解调出相应的数据。3）加入CP（循环前缀）众所周知，信号在空间的传递是会经过反射和折射的，那么一路信号到达接收端会变成几路，这几路会存在时延导致互相干扰，上面就是典型的多径导致符号间干扰，由于第 2 径的第一个信号延迟，一部分落到第1 径的第二个符号上，导致第二个符号正交性破坏从而失去正交性无法解调出来。为了避免这种状况，就设计了保护间隔出来，在每个信号之前增加一个间隔，只要时延小于间隔就不会互相影响，加入保护间隔加入了保护间隔后，虽然第 2 径第一个信号延迟了，但是刚好落入第1 径的第二个符号的保护间隔内，在解调时会随着CP 一起抛弃，不会干扰到第二个符号，但是上图有个问题，就是第2 径的第二个符号的保护间隔落入了第1 径的第二个符号内，会不会产生干扰呢?答案是肯定的，因为保护间隔本身也不是正交的，那么解决的办法就是采用CP，循环前缀。所以，在OFDM发展中，CP主要有以下两个作用：l CP作为保护间隔，大大减少ISIl CP可以保证信道间的正交性，大大减少ICI。CP有三种长度，如下图所示：2.4.2OFDM优缺点（1）OFDM优势1.OFDM优势对比FDM1）传统FDM:为避免载波间干扰，需要在相邻的载波间保留一定保护间隔，大大降低了频谱效率。2）OFDM:各(子)载波重叠排列，同时保持(子)载波的正交性（通过IFFT实现）。从而在相同带宽内容纳数量更多(子)载波，提升频谱效率。2.OFDM优势-对比 CDMA1）抗多径干扰能力OFDM:可不采用或采用简单时域均衡器。将高速数据流分解为多条低速数据流并使用循环前缀(CP)作为保护，大大减少甚至消除符号间干扰。TD-SCDMA:对均衡器的要求较高。高速数据流的符号宽度较短,易产生符号间干扰。接收机均衡器的复杂度随着带宽的增大而急剧增加。2）易与MIMO结合OFDM:系统复杂度随天线数量呈线性增加，每个子载波可看作平坦衰落信道，天线增加对系统复杂度影响有限。TD-SCDMA:系统复杂度随天线数量增加呈幂次变化,需在接收端选择可将MIMO接收和信道均衡混合处理的技术，大大增加接收机复杂度。3）带宽扩展性强OFDM:带宽扩展性强，LTE支持多种载波带宽。TD-SCDMA:带宽扩展性差。需要通过提高码片速率或多载波CDMA来支持更大带宽，接收机复杂度大幅提升。4）频域调度灵活OFDM:频域调度灵活。频域调度颗粒度小（180kHz）。随时为用户选择较优的时频资源进行传输，从而获得频选调度增益。TD-SCDMA:频域调度粗放。只能进行载波级调度（1.6MHz)，调度的灵活性较差。（2）OFDM不足1.较高的峰均比PARPOFDM输出信号是多个子载波时域相加的结果，子载波数量从几十个到上千个，如果多个子载波同相位，相加后会出现很大幅值，造成调制信号的动态范围很大。因此对RF功率放大器提出很高的要求。2.受时间偏差的影响ISI(符号间干扰）& ICI1）折射、反射较多时，多径时延大于CP(Cyclic Prefix，循环前缀)，将会引起ISI及ICI；2）系统设计时已考虑此因素，设计的CP能满足绝大多数传播模型下的多径时延要求（4.68us)，从而维持符号间无干扰。3.受频率偏差的影响1）高速移动引起的Doppler频移；2.4.3上下行资源单位2.4.4 LTE上下行多址方式1.下行多址方式OFDMA（1）将传输带宽划分成一系列正交的子载波资源，将不同的子载波资源分配给不同的用户实现多址。因为子载波相互正交，所以小区内用户之间没有干扰。（2）下行多址方式特点 同相位的子载波的波形在时域上直接叠加。因子载波数量多，造成峰均比(PAPR)较高，调制信号的动态范围大，提高了对功放的要求。2.上行多址方式SC-FDMA（1）和OFDMA相同，将传输带宽划分成一系列正交的子载波资源，将不同的子载波资源分配给不同的用户实现多址。注意不同的是：任一终端使用的子载波必须连续。（2）上行多址方式特点SC-FDMA的特点是，在采用IFFT将子载波转换为时域信号之前，先对信号进行了FFT转换，从而引入部分单载波特性，降低了峰均比。MIMO(Multiple-Input Multiple-Out-put)系统MIMO 技术可以说是4G 必备的技术，无论哪种4G 制式都会用，原理是通过收发端的多天线技术来实现多路数据的传输，从而增加速率。MIMO系统的3种主要技术3种多天线技术来提升无线传输速率及品质。1、空间分集（发射分集、传输分集）利用较大间距的天线阵元之间或赋形波束之间的不相关性，发射或接收一个数据流，避免单个信道衰落对整个链路的影响其实说白了，就是 2 跟天线传输同一个数据，但是2 个天线上的数据互为共轭，一个数据传2 遍，有分集增益，保证数据能够准确传输。2、空间复用（空分复用）利用较大间距的天线阵元之间或赋形波束之间的不相关性，向一个终端/基站并行发射多个数据流，以提高链路容量（峰值速率）。另外注意一点，采用空间复用并不是天线多了就行，还要保证天线之间相关性低才行，否则会导致无法解出2 路数据.3、波束赋形利用较小间距的天线阵元之间的相关性，通过阵元发射的波之间形成干涉，集中能量于某个（或某些）特定方向上，形成波束，从而实现更大的覆盖和干扰抑制效果。各种波束赋形上面是单播波束赋形，波束赋形多址和多播波束赋形. 4、LTE r9 版本中的MIMO 分类目前的 R9 版本主要分了8 类MIMO，下面列出这8 类分别讲解下原理和适用场景。TM1， 单天线端口传输：主要应用于单天线传输的场合。TM2，发送分集模式：适合于小区边缘信道情况比较复杂，干扰较大的情况，有时候也用于高速的情况。TM3，大延迟分集：合适于终端（UE）高速移动的情况。TM4，闭环空间复用：适合于信道条件较好的场合，用于提供高的数据率传输。TM5，MU-MIMO传输模式：主要用来提高小区的容量。TM6，Rank1的传输：主要适合于小区边缘的情况。TM7，Port5的单流Beamforming模式：主要也是小区边缘，能够有效对抗干扰。TM8，双流Beamforming模式：可以用于小区边缘也可以应用于其他场景。Rel-8 是 7种 Rel-9 是 8种 Rel-10 是 9种(LTE-A)LTE关键技术之干扰抑制技术 小区间干扰（ICI）概念在LTE中，下,上行采用了OFDMA（DL）/SC-FDMA(UL)的多址接入技术，采用了正交子载波区分不同的用户，小区内多用户间的干扰基本可以消除。但是LTE采用同频组网，邻小区结合部分使用相同的频谱资源，用户间不可避免存在干扰，称之为小区间干扰（Inter-Cell Interference, ICI）。在传统的解决方案中，采用频率复用来解决ICI，但随之带来的是频谱效率的降低。如常用的三扇区划分小区用的就是频率复用指数因子为3。除此之外，频率复用因子还有1、7等。当复用因子为1的时候，则网内的所有小区用的频率都是一样的，随之而来的是严重的小区间干扰。选择较大的复用因子造成的负面影响是频谱效率变小，比如复用因子为3的时候，频谱效率是1/3，复用因子为7的时候，频谱效率是1/7。小区间干扰对系统性能的影响：l 导致无线链路信噪比（SINR）减低，这样LTE的AMC技术就会选择低阶调制方式和编码方式。l 干扰严重时，需频繁的HARQ重传，降低了用户速率。l 同频干扰引起功率控制，使子幁中可使用的PRB减少，用户速率也会减低。LTE干扰抑制技术LTE干扰抑制技术分为以下四种：a) 波束赋形天线技术b) 干扰随机化技术c) 干扰消除技术d) 干扰协调技术（1）波束赋形天线技术-波束赋形天线技术是一种下行干扰抑制技术波束赋形天线的波束是指向UE的窄波束，因此只有在相邻小区的波束发生碰撞时才会造成小区间干扰，波束交错是可以有效的回避小区间干扰。（2）干扰随机化技术干扰随机化就是使干扰信号随机化，这种方法虽然不能降低干扰信号的能量，但是能使干扰信号接近白噪声，又称“干扰白化”。然后用处理白噪声的方法在UE上类似处理增益的方法抑制干扰。干扰随机化的方法可分为小区专属加扰（Scrambling）和小区专属交织（IDMA）。A）：小区专属加扰（Scrambling）：在信道编码交织后，对干扰信号随机加扰。如果没有加扰，UE的解码器不能区分接收到的信号来自本小区还是其他小区。小区专属加扰可以通过不同的扰码对不同小区的信息进行区分，LTE采用504个小区扰码（与504个小区ID绑定）区分小区，进行干扰随机化。让UE只正对有用信息进行解码，已降低干扰，加扰不影响带宽，但可以提高性能。B）：小区专属交织也称为交织多址（IDMA）：和小区加扰性能相似，但是IDMA也是一种干扰消除技术。即在信道编码后，对传输信号进行不同方式的交织。各小区的信号在信道编码后采用不同的交织图案进行信道交织，以获得干扰白化效果。交织图案与小区ID（cell ID）一一对应，小区搜索过程中确定cell ID,就可以确定交织图案。相距较远的两个小区间可以复用相同的交织图案，因为相距较远小区之间几乎不存在干扰。C）：跳频传输LTE最终采用的小区扰码来进行干扰随机化的，504个小区ID对应于504个扰码。（3）干扰消除技术干扰消除技术就是对于干扰信号进行某种程度的解调或者解码。然后利用接收机的处理增益，从接收信号中消除信号分量。包括两种干扰消除方法A）：基于多天线终端的空间干扰抑制技术 又称为干扰抑制合并(Interference Rejection Combining, IRC) 不依赖发射端配置，利用从两个相邻小区到UE的空间信道独立性来区分服务小区和干扰小区的信号。 配置双天线的UE可以区分两个空间信道，也即空分复用原理B:）基于干扰重构的干扰消除技术通过将干扰信号解调/解码后，对该干扰信号进行重构，然后从接收信号中减去。 若能将干扰信号分量准确分离，剩下的就是有用信号和噪声。 是干扰消除的最理想的方法。 IDMA技术可以通过迭代干扰消除获得显著的性能增益。可以获得明显的小区边缘性能增益。 但需要系统在资源分配、信号格式获得、小区间同步、交织器设计、信道估计、信令等提出更高的要求或更多的限制。 因此目前未被采用，将来可能使用干扰消除技术是UE测通过小区间多用户检测来消除较强的干扰，对一些幅度较小的干扰效果有限，并且实现复杂。LTE最终采用的是不需要标准化的IRC接受的干扰消除技术。并未采用更加先进的干扰消除技术。（4）干扰协调技术（ICIC）频率资源协调和功率资源协调。频率资源协调：将频率分为3 份，保证边缘用户始终处于异频的状态，从而避免小区间干扰。如下图频率资源协调功率资源协调：和上面的原理一样，也是保证边缘异频，但是是通过功率来控制覆盖实现。看图功率资源协调每个小区都会在某一个频率上加强功率，其余2 个频率上降低功率，从而使小区边缘的频率不同，实现异频来