LTE系统关键技术：OFDM.ppt

TD LTE LTE系统关键技术 OFDM1 3 TD LTE LTE 下一代宽带移动技术 10kbps 200kbps 300kbps 10Mbps 50Mbps 50M 1Gbps 数据速率 OFDM MIMO 3GPP FDD IMT Advanced WCDMA HSPA HSPA LTEFDD LTE GSM GPRS EDGE TDD TD SCDMA HSPA HSPA TD LTE TDLTE IS 95cdmaOne cdma20001X DORevA DORevB UMB UMB 3GPP2 DORev0 注 彼此兼容 IEEE802 16 802 16e 802 16m TD LTE是LTE中的TDD模式 是TD SCDMA标准的长期演进 TD LTE LTE系统需求TD LTE是LTE中的TDD模式 是TD SCDMA标准的长期演进LTE是3GPP为了保证未来10年3GPP系列技术的生命力 抵御来自非3GPP阵营技术的竞争而启动的最大规模的标准项目 可变带宽1 4 3 0MHz 5 10 15 20MHz 高速率下行 100Mbps上行 50Mbps 高效率下行 5bit s Hz 上行 2 5bit s Hz 低时延控制面 100ms用户面 10ms4 TD LTE 3GPPLTE详细需求 支持1 4MHz 20MHz带宽 峰值数据率 上行50Mb s 下行100Mb s 频谱效率达到3GPPRelease6的2 4倍 提高小区边缘的比特率 用户面延迟 单向 小于5ms 控制面延迟小于100ms 支持与现有3GPP和非3GPP系统的互操作 支持增强型的广播多播业务 降低建网成本 实现从Release6的低成本演进 实现合理的终端复杂度 成本和耗电 支持增强的IMS IP多媒体子系统 和核心网 取消电路交换 CS 域 CS域业务在包交换 PS 域实现 对低速移动优化系统 同时支持高速移动 以尽可能相似的技术同时支持成对和非成对 Unpaired 频段 尽可能支持简单的邻频共存 支持5 30 100Km的覆盖 支持120Km 小时 350Km小时的移动速度 5 TD LTE 空中接口物理层技术需求分析 多址接入技术信道估计技术调制解调信道编码 关键技术 资源复用技术预失真技术自适应技术同步技术干扰消除技术MIMO天线技术 6 TD LTE OFDM技术发展概述 8 TD LTE 更宽带宽下 为何是OFDM技术 比较干净的解决了ISI问题 西医手术方案 实现简单 IFFT FFT 无须复杂的均衡技术 造价便宜 OFDM技术 灵活的带宽选择 适应单载波宽窄带 频谱利用率高自适应方便 子载波自适应调制 时频资源调度 易于与MIMO技术结合缺点 时频同步要求高 PAR问题 同频干扰协调 9 TD LTE 更宽带宽下 为何不是CDMA技术 高速数据流 扩频增益 呼吸效应之间的矛盾闭环功控对电路型业务的适应性更好 CDMA技术 无线信道存在时延扩展 高速信息流的符号宽度相对较窄 会有严重的ISI 使用的信道均衡器的复杂性大大增强Rake接收使用的复杂性CDMA自干扰技术在宽带情况下本身的局限性 特别在多用户的情况下 系统优化不理想与MIMO结合的实现算法复杂 10 Time TD LTE OFDM技术的发展与应用 20世纪60年代 OFDM技术提出 User 1 2 3 4 5 OnePRB Power code Frequency 620世纪70年代 使用DFT IDFT FFT IFFT 20世纪80年代 引入循环前缀 20世纪90年代 PRBBandwidth 数字信号处理技术的发展 宽带有线 无线接入和广播规模应用 PRBTime width采用OFDM的系统 广播 DAB DVB T H 高通的MF 我国清华方案 00年代 有线 ADSL VDSL OFDM MIMO技术 蜂窝移动通信组网技术 WPAN UWBWLAN 802 11a HIPERLAN 2WMAN 802 16d e m HIPERMAN 2 WiBRO WWAN 802 20 LTE 3GPP UMB 3GPP2 WRAN 802 22 IMT Ad 4G 11 TD LTE OFDM基本原理 OFDM信号产生OFDM主要参数 OFDM信号频谱保护间隔循环前缀 12 13 TD LTE OFDM技术原理 低速并行传输 时域方波信号 传统频分复用 正交频分复用高速串行数据流经串并转换后 分割成若干低速并行数据流 每路并行数据流采用独立载波调制并叠加发送 14 TD LTE OFDM技术原理 抗衰落与均衡 信道传输函数 信道传输函数 H2 OFDM H1 Hk 频率OFDM对信道频带的分割作用 TD LTE OFDM技术原理 抗多径时延ISI h t OFDM用于地面移动通信系统 必须解决多径时延扩展问题 t多径时延扩展现象循环扩展 保护间隔 OFDM时域信号 OFDM信号的循环扩展保护间隔引入循环前缀CP CyclicPrefix CP保护间隔长于信道时延扩展 15 16 TD LTE OFDM技术原理 多用户调度 下行 基于公共参考信号上行 基于探测参考信号LTE系统支持最大20MHz的信道带宽 可以充分利用信道的频率选择性 获得 1 频率分集增益 不进行频域调度 2 频域调度增益 多用户分集增益 用户选择最好频域资源进行数据传输 TD LTE OFDM技术原理 基于DFT的实现 17 TD LTE OFDM子载波时域图18 TD LTE OFDM子载波频域图19 TD LTE OFDM技术优势OFDM各个子载波之间是彼此重叠 相互正交 大大提高频谱利用率OFDM实现并行传输 每个码元的传输周期增长 大大增强抗多径干扰 码间干扰 通过增加CP 克服码间干扰OFDM系统中 通过编码 频率分集 信道加权 动态子载波分配等技术来抵抗频率选择性衰落信道估计与均衡实现简单快速傅立叶变换有效实现大量子载波 窄带子载波实现低码间干扰和编码技术结合有效减少信道衰减造成的连续误码易于与其他先进技术 如MIMO等 相结合20 TD LTE OFDM技术优势可变带宽的OFDMA能够平衡抗多径能力与多普勒的影响可变带宽的OFDMA通过使用相同的符号宽度和子载波间隔能够简化系统设计可扩展的结构 支持的可变带宽从1 25到20MHz灵活的子信道分配 伪随机子信道可增加分集 连续排列子信道可增加多用户选择性多用户接入保证正交 可减少干扰增加容量精确的带宽分配21 22 TD LTE WHYDOOFDM 发射信号强度接收信号 0 时间 移动通信不得不处理多径干扰和多普勒效应 OFDM优势明显 TD LTE ISI产生原理示意图 23 TD LTE 基于OFDM实现高速数据传输exp j Ns t ts T exp j Ns 2 t ts T exp j Ns 2 t ts T 24 TD LTE OFDM数据传输 传输数据保护数据010 1 0 Frequency timeTime产生频率差异 以提高抗衰落的能力 25 TD LTE OFDM技术缺点 高峰均比 频偏敏感 相位敏感 26 TD LTE 多载波 MC 传输技术29 TD LTE MC时频资源表 aa dd aa dd aa dd aa cc ee aa cc ee aa cc ee 频率b e g b e g b e g bbb eff ggg bbb eff ggg bbb eff ggg 时间30 TD LTE 多载波调制 MCM 单载波调制 SCM 31 TD LTE OFDM基本原理 1 DistanttransmitterNearesttransmitter TD LTE OFDM基本原理 2 exp j Ns t ts T exp j Ns 2 t ts T exp j Ns 2 t ts T 34 TD LTE OFDM基本原理 3 35 2 2 36 TD LTE OFDM基本原理 4 IDFT DFT计算量 IFFT FFT计算量 基2算法 O N N O log2 N 37 TD LTE OFDM符号的频谱结构OFDM系统满足Nyquist无码间干扰准则 但此时的符号成型不象通常的系统 不是在时域进行脉冲成型 而是在频域实现的 因此时频对偶关系 通常系统中的码间干扰 ISI 变成了OFDM系统中的子载波间干扰 ICI 为了消除ICI 要求OFDM系统在频域采样点无失真 38 TD LTE OFDM时域信号示例3210 1 2 3 0 0 2 0 4 0 6 0 8 1 子载波数目N 4 承载的数据为 1 1 1 1 时 四个载波独立的波形和迭加后的信号 TD LTE OFDM符号的产生5MHzBandwidth FFT Sub carriers Symbols GuardIntervals Frequency Time 39 TD LTE 在RF信道中组织时间 频率划分TimeRF信道带宽频率子带时间段Frequency42 TD LTE 在 时间vs频率 单元上展开子载波TimeOFDM符号 Frequency 使子载波正交 以避免 载波间 干扰 43 Fs f TD LTE OFDM的主要参数 采样频率FsFFT点数NFFT子载波间隔 f有用符号时间Ts循环前缀时间TgOFDM符号时间Ts 可用子载波数目Nc载波的调制方式 f NFFTTs 1Ts Tg Ts 前向纠错编码的选择 Ts f 1Ts Tg T s Ts 关键参数 f Tcp以及Nc采样频率以及FFT点数与实现相关44 有用的符号Useful TD LTE 参数的选择原则 带宽Nc F f 时延TG TU 速率 保护 TransmittedSymbolSymbol 1 4 TS1 8 1 16 45 TD LTE ISI与ICI46 TD LTE 两径信道传输示例 47 TD LTE 保护时间 48 TD LTE OFDM插入保护间隔 以避免 符号间 干扰 保护间隔 有用的符号间隔 timeOFDM符号 frequency 保护间隔导致了传输容量的损失 49 TD LTE OFDM保护间隔 抗多径Multipath发射机A1微秒 300米符号周期 1ms 反射 直接路径接收点 信号来自回波的几微秒干扰 保护间隔 OFDM具有天生的抗干扰性 一般系统需要时域均衡器 符号周期短 50 TD LTE OFDM保护间隔 SFN 发射机B1微秒 300米保护间隔 符号周期安全区域 反射 发射机A直接路径接收点信号51 TD LTE 循环前缀和后缀TI T TG Tprefix T Tpostfix Ts52 t TD LTE CP的来源 DFT的周期性 T T T 1CyclicPrefix2CyclicPostfixorCyclicSuffic3CyclicPrefixandCyclicSuffic53 TD LTE OFDM符号循环前缀54 TD LTE 循环前缀 CP的使用会导致 功率损失和带宽损失55 frequency frequency BW BW TD LTE OFDM中的信道估计 Subframe time Subframe time57 TD LTE OFDM插入 同步导频 帮助接收机锁定在信号上OFDM帧NOFDM符号 timeFFT对接收机 frequency 时间窗 同步信号再次导致了传输容量的损失58 0 c 2 59 TD LTE 信道估计算法 线性插值算法H k m HP k m1 a HP k m2 1 a Df 高阶线性插值算法H k m 1 Df l c1Hp k m 1 c0Hp k m c 1Hp k m 1 Df where a d1 Df d1 Df 1 c1 2where c 1 1 1 1 l N TD LTE OFDM中的同步由于定时偏移 TimingOffset 和载波频率偏移 CFO CarrierFrequencyOffset 都会严重影响OFDM性能的检测性能 频率同步和时间同步对OFDM系统来说是必需的 找出符号边界和最优定时 以使载 纠正接收信号的载波频偏 因为任 波间干扰 ICI 及符号间干扰 ISI 最小 何频偏都会导致ICI 61 TD LTE OFDM中的同步 1 FFT处理窗位置与OFDM符号的相对关系 超前放置FFT处理窗 延迟放置FFT处理窗 CP1TG Data1T CP2 Data2 一个OFDM符号由保护间隔和有效数据采样构成 保护间隔在前 有效数据在后 如果FFT处理窗延迟放置 则FFT积分处理包含了当前符号的样值与下一个符号的样值 而如果FFT处理窗超前放置 则FFT积分处理包含了当前符号的数据部分和保护时间部分 后者不会引入码间干扰 而前者却可能严重影响系统性能 62 TD LTE OFDM中的同步 2 时域同步 确定OFDM系统符号边界 并且提取出最佳的采样时钟 从而减小载波干扰 ICI 和码间干扰 ISI 造成的影响 时间同步误差将导致FFT处理窗包含连续的两个OFDM符号 从而引入了OFDM符号间干扰 ISI 即使FFT处理窗位置略有偏移 也会导致OFDM信号频域的偏移 从而造成信噪比损失 BER性能下降63 TD LTE OFDM中的同步 3 OFDM系统的时间同步需要估计以下几个方面的内容 1 块的起始位置 2 采样频率同步 3 帧的起始时刻64 FFT t t TD LTE 采用循环前缀实现OFDM的同步 接收信号的前端信号与经过T时延 与后端信号进行TG时间的相关运算 可以表示 f R 2 TFFT 估计最大相关值的相位偏移 频率偏移 TFFT 共轭 OFDM信号 0 TG dt 找到最大相关值 符号同步 TGR t 0y t y t TFFT d OFDM符号边界的估计 argmaxR t t 65 TD LTE 采用训练序列进行OFDM同步 OFDM信号c0 Tsamplec1 Tsample TsamplecN 1求最大值 符号同步 在匹配滤波器输出的相关峰值处 可以同时进行符号同步和频偏校正 注意上述的匹配滤波器操作是在接收信号进行FFT变换之前进行的 因此这一同步技术与DS CDMA接收机中的同步非常类似 66 TD LTE OFDM中的同步 4 频域同步 系统估计和校正接收信号的载波偏移 频偏 CFO 主要由发射机和接收机的本地振荡器的不稳定性造成 如果频率误差是子载波间隔的整数倍 将造成OFDM信号的频谱结构错位 从而导致误码率BER为50 的严重错误 如果频率误差不是载波间隔的整数倍 将引入ICI 也会造成系统性能的下降67 TD LTE OFDM中的同步 5 频率误差造成OFDM系统产生载波间干扰示例 A f A f fn 1 fn fn 1 f fn f f a b 68 TD LTE OFDM中的同步 6 OFDM系统的同步算法可以分为以下三类 基于同步导频的同步算法 基于循环前缀 CP 的同步算法 其它不需要导频的盲同步算法 同步算法可以在频域或时域实现 OFDM系统的时频同步处理分为捕获和跟踪两个阶段 在捕获阶段 系统使用比较复杂的同步算法 对较长时段的同步信息进行处理 获得初步的系统同步 在跟踪阶段 可以采用比较简单的同步算法 对于小尺度的变化进行校正69 TD LTE OFDM实现方式 多载波OFDM OFDMA 单载波DFT S OFDMIFDMA 71 TD LTE 多载波 OFDM OFDMA 1 基本传输框图72 TD LTE 多载波 OFDM OFDMA 2 分集 多用户分集 每个用户集中在某一频段发射 在频域进行信道相关调度 频率分集 各用户分布在频域 额外的频率分集73 TD LTE OFDM实现框图75 TD LTE OFDM系统的峰均比问题 来源 发射信号是多个载波随机信号的加权累加 危害 高峰均比造成系统性能下降 降低PAPR的技术是实现OFDM系统的关键技术之一注意PAPR问题是发端RF等模拟器件会产生的问题 需要更多位的DAC 76 PSD dB TD LTE OFDM和SCM的功率谱PSD 10OFDM0SCM20dB 10 20 30 40 50 40 20 0 20 40 f N 1Ps w C m 0 sin2 Tu f m Tu 2 f m Tu 2 77 TD LTE 降低PAPR的方法 对每个OFDM符号 BER恶化 数字 模拟 用优选的扰码序列进行扰码特殊前向纠错码的编码技术 排除大PAPR的OFDM符号 降低峰均比 带外辐射 信号失真技术 通过对峰值简单地进行非线性处理 使OFDM信号峰值失真 78 TD LTE 单载波 DFT S OFDM 1 基本传输框图79 0 0 0 0 0 1 2 0 0 0 0 TD LTE 单载波 DFT S OFDM 2 LocalizedFDMA IncomingBitStream SerialtoParallelConverter mbitsmbits BittoConstellationMappingBittoConstellationMapping x 0 n x 1 n fof1M pointfM 2 1FFTfM 2 N pointIFFT Addcyclicprefix ParalleltoSerialconverter mMbits BittoConstellationMapping x M 1 n fM 2fM 1 0 ChannelBW 80 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 TD LTE 单载波 DFT S OFDM 3 DistributedFDMA m1bits BittoConstellation x 0 n fo 00 IncomingBitStream SerialtoParallelConverter m2bits MappingBittoConstellationMapping x 1 n M pointFFT f1fM 2 1fM 2 N pointIFFT Addcyclicprefix ParalleltoSerialconverter mMbits BittoConstellationMapping x M 1 n fM 2fM 1 0 0 0 1 2 3 4 ChannelBW81 TD LTE 单载波 IFDMA 基本传输框图 IncomingBitStream SerialtoParallelconverter mbits BittoConstellationMapping DS Spreading Optional User specificblockrepetition Addcyclicprefix Pulse shapefilter 梳状频谱 User specificmodulationcode 时域重复 相位偏移区分用户82 TD LTE LTEDFTS OFDM参数 子载波间隔 15kHz 用于单播 unicast 和多播传输子载波数目 信道带宽 MHz 子载波数目 1 472 3180 5300 10600 15900 201200 循环前缀长度 一个时隙中不同DFTS OFDM符号的循环前缀长度不同83 TD LTE OFDM系统实现框图84 IDFT N DFT 2N M M M N TD LTE LTE系统OFDM原理框图 X k 0 X k 1 x k 0 x k 1 sin 2 fct MX k N 1 x n sRF t Yk H Xk Wk x k N 1 cos 2 fct sin 2 fct 时变多径信道h t Y k 0 y k 0 Y k 1 Y k N 1 M y k 1 y k 2M 1 y n cos 2 fct rRF t 88 TD LTE 基本参数 OFDM withCP 子载波间隔 15KHz 短 长CP 4 7 16 7us 对应不同传输场景 FDD和TDD帧结构一为10ms无线帧分为20个0 5ms的子帧 每个子帧有7 6个符号 短 长CP 采样频率为1 92MHz的整数倍 5MHz带宽时为7 68MHz 20MHz带宽时为30 72MHz 频谱效率约为90 90 TD LTE LTEOFDM参数 子载波间隔 15kHz 用于单播 unicast 和多播传输 7 5kHz 仅仅可以应用于独立载波的MBSFN传输子载波数目 信道带宽 MHz 子载波数目 1 472 3180 5300 10600 15900 201200 循环前缀长度 一个时隙中不同OFDM符号的循环前缀长度不同91 D D TD LTE 复用和参考信号结构 OneOFDMsymbolOnesubframeR1 Firstreferencesymbol Onesubcarrier DR1DDDD DDDDR2D R2 Secondreferencesymbol DR1D D D D D D Data D D D D DR2D Exactfrequency domainreference symbol DR1D D D D D densityisTBD 50 inthisfigure Frequency domainstaggeringbetweenfirst D D D D DR2D andsecondreferencesymbolsisTBD Thefirstreferencesymbolsmay alternatively be DR1D D D D D locatedinthefirstOFDMsymbolofthesubframe D D D D DR2D Exacttime domainpositionofsecondreferencesymbolsisTBD 可以使用TDM或 和FDM方式实现Layer3信息到OFDM时 频符号的映射一个资源块由M个连续子载波和N个连续符号组成 具体数值待定也支持非连续子载波上的数据发送 资源分配由NodeB的调度器决定 92 TD LTE DFTS OFDM实现单载波特性 a 信号具有低的峰均比b 信号带宽取决于M93 TD LTE 基本参数 1 低PAPR的SC FDMA 有CP 频域实现 DFT S OFDM 和下行具有较高的共同性 Localizedanddistributedmapping 频谱效率约90 子帧结构1sub frame 0 5msec CP LB 1 CP SB 1 CP LB 2 CP LB 3 CP LB 4 CP LB 5 CP SB 2 CP LB 6 调制方式 QPSK 8PSK 16QAM94 20 5 TD LTE 基本参数 2 SpectrumAllocation MHz Sub frameduration ms Longblocksize s ofoccupiedsubcarriers Shortblocksize s ofoccupiedsubcarriers samples CPduration s samples 1 samples 2 0 5 66 67 1200 2048 33 33 600 1024 4 13 127 7 4 39 135 1 15102 51 25 0 50 50 50 50 5 66 67 900 153666 67 600 102466 67 300 51266 67 150 25666 67 75 128 33 33 450 76833 33 300 51233 33 150 25633 33 75 12833 33 38 64 4 12 95 7 4 47 103 1 4 1 63 7 4 62 71 1 4 04 31 7 5 08 39 1 3 91 15 7 5 99 23 1 3 65 7 7 7 81 15 1 1 95 TD LTE LTEDFTS OFDM参数 子载波间隔 15kHz 用于单播 unicast 和多播传输子载波数目 信道带宽 MHz 子载波数目 1 472 3180 5300 10600 15900 201200 循环前缀长度 一个时隙中不同DFTS OFDM符号的循环前缀长度不同96 TD LTE 复用和参考信号结构