G移动通信系统

1、1会计学G移动通信系统移动通信系统2第一次课第二次课q4G移动通信系统有何基本特征？q相比前几代移动通信系统，4G系统网络架构的主要有哪些变化？q从信号处理角度，MIMO技术可分为哪三类？q为何Alamouti 码为可实现空间分集？q为何LST 码为可实现空间复用？本次课需要解决的主要问题1. OFDM抗码间串扰的基本原理是什么？为何4G选用OFDM技术？2. OFDM系统的调制和解调为何可以分别由IDFT/DFT来代替？3. 无线资源管理技术在4G移动通信系统有何作用？4. 选用载波聚合、无线中继和协作多点传输等技术会给4G带来何好处 ？5. 4G的三种信道是如何定义的？它们之间有何映射关系

2、？64G关键技术 为了满足4G移动通信系统的高数据率、高终端移动性、高频谱利用率和功率效率等方面的要求，人们发展了众多的新理论与新技术。 以MIMO为代表的多天线技术以OFDM为代表的多载波技术无线资源管理技术OFDM技术OFDM技术正交频分复用正交频分复用 rthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM)，也被称为离散多音调制。，也被称为离散多音调制。OFDM的发展简史的发展简史最早起源于最早起源于20世纪世纪50年代中期。年代中期。20世纪世纪60年代就已形成了使用并行数据传输和频分复用年代就已形成了使用并行数据传输和频分复用的概念，但因使用

3、模拟滤波器复杂度较高，发展缓慢。的概念，但因使用模拟滤波器复杂度较高，发展缓慢。1971年年Weinstein和和Ebert在杂志上发表了用离散傅立叶在杂志上发表了用离散傅立叶变换实现多载波调制的方法，是一里程碑事件，该方法变换实现多载波调制的方法，是一里程碑事件，该方法为为OFDM的实用化奠定了理论基础。的实用化奠定了理论基础。20世纪世纪80年代，开始应用于高速调制解调器，如短波并年代，开始应用于高速调制解调器，如短波并传调制解调器等。传调制解调器等。OFDM技术OFDM的发展简史（续）的发展简史（续）20世纪世纪90年代，随着年代，随着DSP和和VLSI技术的发展，技术的发展， OFDM

4、开始得到广泛应用，如数字音频广播、非对称数字用开始得到广泛应用，如数字音频广播、非对称数字用户环路（户环路（ADSL）、无线局域网等。）、无线局域网等。近期，人们用近期，人们用OFDM技术解决高速信息流在技术解决高速信息流在无线信道无线信道中的传输问题，如中的传输问题，如4G、WLAN 、HDTV等。等。OFDM的基本思想的基本思想 将高速数据流分解为若干个独立的低速子数据流，用将高速数据流分解为若干个独立的低速子数据流，用这样低比特率形成的低速率多状态符号去调制相应的子载这样低比特率形成的低速率多状态符号去调制相应的子载波，就构成了多个低速率符号并行调制传输系统（即多载波，就构成了多个低速率

5、符号并行调制传输系统（即多载波传输系统）。波传输系统）。OFDM技术抗多径衰落的典型方法抗多径衰落的典型方法单载波单载波TDMA接入接入 使用均衡器，如使用均衡器，如GSM中中26比特长的训练序列比特长的训练序列 问题：高速数据流的符号宽度相对较窄，符号之间会问题：高速数据流的符号宽度相对较窄，符号之间会存在比较严重的符号间干扰（存在比较严重的符号间干扰（ISI），导致需要很长的），导致需要很长的抽头系数，均衡器复杂！抽头系数，均衡器复杂！单载波单载波CDMA接入接入 使用扩频调制，如使用扩频调制，如IS-95 CDMA中的中的m序列序列 问题：在保证相同带宽的前提下，高速数据流所使用问题：在

6、保证相同带宽的前提下，高速数据流所使用的扩频增益不能太高，导致抗多径衰落能力下降！的扩频增益不能太高，导致抗多径衰落能力下降！ 随着数字信号处理技术的飞速发随着数字信号处理技术的飞速发展，展，OFDM成为成为4G中有效抗多径衰中有效抗多径衰落的高速传输技术。落的高速传输技术。OFDM技术OFDM技术的优点技术的优点把高速率数据流通过串并转换，使得每个子载波上的数据把高速率数据流通过串并转换，使得每个子载波上的数据符号持续长度相对增加，从而有效地减少由于无线信道的符号持续长度相对增加，从而有效地减少由于无线信道的时间弥散所带来的符号干扰（时间弥散所带来的符号干扰（ISI），减少了接收机内均），减

7、少了接收机内均衡的复杂度。衡的复杂度。OFDM技术OFDM技术的优点技术的优点与常规的频分复用系统不同，与常规的频分复用系统不同， OFDM系统中的各个子载波系统中的各个子载波之间相互正交，频谱利用率高之间相互正交，频谱利用率高 。当子载波个数很大时，系。当子载波个数很大时，系统的频谱利用率趋于统的频谱利用率趋于2Baud/Hz。OFDM正交性示意图 OFDM技术OFDM技术的优点技术的优点OFDM易于和其它多种接入方法结合使用，构成易于和其它多种接入方法结合使用，构成OFDMA系统，其中包括多载波码分多址系统，其中包括多载波码分多址MC-CDMA、跳频跳频OFDM以及以及OFDM-TDMA等

8、等，使多个用户可以同等等，使多个用户可以同时利用时利用OFDM技术进行信息的传输。技术进行信息的传输。OFDM技术的缺点技术的缺点易受频率偏差的影响。易受频率偏差的影响。=由于子信道的频谱相互覆盖，无线信道所造成的收发信号由于子信道的频谱相互覆盖，无线信道所造成的收发信号间的频率偏差会破坏这种正交性，导致子信道干扰间的频率偏差会破坏这种正交性，导致子信道干扰(ICI)。OFDM技术OFDM技术的缺点技术的缺点存在较高的峰值平均功率比。存在较高的峰值平均功率比。由于多载波调制系统的输出是多个子信道信号的叠由于多载波调制系统的输出是多个子信道信号的叠加，因此如果多个信号的相位一致时，所得到的叠加，

9、因此如果多个信号的相位一致时，所得到的叠加信号的瞬时功率就会远远大于信号的平均功率，加信号的瞬时功率就会远远大于信号的平均功率，导致出现较大的峰值平均功率比（导致出现较大的峰值平均功率比（PAPR）。）。这就对发射机内功率放大器的线性提出了很高的要这就对发射机内功率放大器的线性提出了很高的要求，如果放大器的动态范围不能满足信号的变化，求，如果放大器的动态范围不能满足信号的变化，则会导致信号畸变，使叠加信号的频谱发生变化，则会导致信号畸变，使叠加信号的频谱发生变化，使系统性能恶化。使系统性能恶化。OFDM技术OFDM系统收发机的典型框图系统收发机的典型框图 OFDM技术OFDM系统收发机的关键模

10、块系统收发机的关键模块串并变换串并变换 在发射端将输入串行比特流转换成并行数据，随后产生在发射端将输入串行比特流转换成并行数据，随后产生OFDM符号，在接收端执行相反的操作，从各个子载波符号，在接收端执行相反的操作，从各个子载波处来的数据被转换回原始的串行数据。处来的数据被转换回原始的串行数据。子载波调制子载波调制 一个符号之内包含一个符号之内包含多个经过相移键控多个经过相移键控（PSK）或者正交）或者正交幅度调制（幅度调制（QAM）的子载波。的子载波。OFDM技术OFDM系统收发机的关键模块系统收发机的关键模块DFT实现实现傅立叶变换将时域与频域联系在一起。傅立叶变换将时域与频域联系在一起。

11、DFT是有限长序列傅立叶变换的有限点离散采样。是有限长序列傅立叶变换的有限点离散采样。快速傅立叶变换（快速傅立叶变换（FFT）仅是）仅是DFT计算应用的一种快计算应用的一种快速数学方法。速数学方法。对于子载波数对于子载波数N比较大的系统，比较大的系统，OFDM的复等效基带的复等效基带信号可以采用离散傅立叶逆变换信号可以采用离散傅立叶逆变换(IDFT)实现，这极大实现，这极大地促进了地促进了OFDM技术的迅速发展。技术的迅速发展。下面进行简单的推导：下面进行简单的推导： OFDM技术OFDM系统收发机的关键模块系统收发机的关键模块DFT实现实现 设设OFDM信号发射周期为信号发射周期为0, T,

12、 T内并传的内并传的N个符号为个符号为 (d0d1 dN-1)，第，第k个符号个符号dk调制第调制第k个子载波个子载波 ，则在，则在0, T内的任一时刻内的任一时刻t， OFDM信号可表示为：信号可表示为：2kjf te120( ) t0,TNjkt Tkks tde离散化后为离散化后为:120(01)Nji kNikksdeiN在接收端，为了恢复出原始的数据信号，可以对在接收端，为了恢复出原始的数据信号，可以对s si做做DFT得：得：120(01)Njik NkiidsekNOFDM技术OFDM系统收发机的关键模块系统收发机的关键模块DFT实现实现上述分析说明：上述分析说明：OFDM系统的

13、调制和解调可以分别由系统的调制和解调可以分别由IDFT/DFT来代替：来代替：在发射端通过在发射端通过N点的点的IDFT运算，把频域数据符号运算，把频域数据符号dk变换为时域数据符号变换为时域数据符号si ，经过射频载波调制之后，经过射频载波调制之后，发送到无线信道中发送到无线信道中在接收端通过在接收端通过N点的点的DFT运算，把接收到的时域数运算，把接收到的时域数据符号据符号xi变换为频域数据符号变换为频域数据符号dk。在在OFDM系统的实际运用中，可以采用更加快捷的系统的实际运用中，可以采用更加快捷的IFFT/FFT，可以显著降低运算的复杂度。，可以显著降低运算的复杂度。OFDM技术SC-

14、FDMA多址方式的实现多址方式的实现4G上行采用上行采用SC-FDMA多址接入，其实现是基于多址接入，其实现是基于DFT-S-OFDM调制方案，与调制方案，与OFDM相比，具有较低相比，具有较低的的PAPR。OFDM技术DFT-S-OFDM调制原理图SC-FDMA多址方式的实现多址方式的实现DFT-S-OFDM的调制过程是以长度为的调制过程是以长度为M的数据符号块为的数据符号块为单位完成的，具体如下：单位完成的，具体如下：1）通过）通过DFT离散傅里叶变换，获取该时域离散序列的频离散傅里叶变换，获取该时域离散序列的频域序列。域序列。2）DFT的输出信号送入的输出信号送入N点离散傅里叶反变换点离

15、散傅里叶反变换IDFT中，中，其中其中 ，IDFT多出的那一部分长度用多出的那一部分长度用0补齐。补齐。3）在）在IDFT之后，为避免符号干扰，同样为该组数据添加之后，为避免符号干扰，同样为该组数据添加循环前缀。循环前缀。OFDM技术NM利用利用DFT-S-OFDM以上的特点可以方便地实现以上的特点可以方便地实现SC-FDMA多址接入方式。多用户复用频率资源时，只需要改变不同多址接入方式。多用户复用频率资源时，只需要改变不同用户用户DFT的输出到的输出到IDFT输入的对应关系，就可以实现多址输入的对应关系，就可以实现多址接入，同时子载波之间保持正交性，避免了多址干扰。接入，同时子载波之间保持正

16、交性，避免了多址干扰。OFDM技术基于DFT-S-OFDM的SC-FDMA信号生成方案示意图数字音频广播（数字音频广播（DAB）是第一个正式使用是第一个正式使用OFDM的标准，的标准，1995由由ETSI制定。制定。系统存在的主要问题：系统存在的主要问题：1、信号的时延大，例如，当信号的时延大，例如，当两个发射机相距两个发射机相距40km时，时延达到时，时延达到133 s；2、频、频谱谱利用率要求高。利用率要求高。！有四种模式，每种模式利用不同组的有四种模式，每种模式利用不同组的OFDM参数，参数，其中模式其中模式13适用于特定的频段，而模式适用于特定的频段，而模式4可以提供更可以提供更好的覆

17、盖范围，但是它更容易受到多普勒频移的影响。好的覆盖范围，但是它更容易受到多普勒频移的影响。模式模式1适用于地面单频网络；模式适用于地面单频网络；模式2适用于常规的地面适用于常规的地面本地广播；模式本地广播；模式3适用于卫星广播。具体模式的适用于卫星广播。具体模式的OFDM参数见下页。参数见下页。OFDM技术应用举例（1）模式1模式2模式3模式4子载波个数1536384192768子载波间隔1kHz4kHz8kHz2kHz符号时间长度1.246ms311.5 s155.8 s623 s保护间隔246 s61.5 s30.8 s123 s载波频率375MHz 1.5GHz 3GHz 1.5GHz发

18、射机距离 96km 24km 12km 48kmDABDAB的四种传输模式：的四种传输模式：OFDM技术应用举例（1）无线局域网（无线局域网（WLAN）在新一代在新一代WLAN标准标准IEEE 802.11a和欧洲和欧洲ETSI的的HiperLAN/2中，均采用了中，均采用了OFDM技术。技术。IEEE 802.11a标准工作在标准工作在5GHz频带，采用频带，采用OFDM调制技术，使用基于调制技术，使用基于CSMA/CA的分布式媒体接入的分布式媒体接入控制（控制（MAC），速率可达），速率可达54Mbit/s。HiperLAN/2标准工作在标准工作在5GHz频带，应用了频带，应用了OFDM和

19、链路自适应技术，采用基于无线和链路自适应技术，采用基于无线ATM的集中式的集中式管理管理MAC ，最高速率可达，最高速率可达54Mbit/s，实际应用最，实际应用最低也能保持在低也能保持在20Mbit/s左右。左右。OFDM技术应用举例（2）无线资源管理技术无线资源管理框架图： 无线资源管理就是对移动通信系统的空中资源的规划和调度，其核心问题是在保证QoS的前提下，提高频谱利用率，其基本出发点是在网内业务量和时延分布不均匀、且信道的状态因信号衰落和干扰而变化的状况时，动态分配和调整可用的资源。无线资源管理技术 无线资源管理的4类资源 能量资源（如信号功率、能量） 时间资源（如时隙、业务帧、导频

20、符号等） 频率资源（如信号带宽、保护频段、调制模式等） 空间资源（如天线角度、天线位置等）30LTE系统的帧结构系统的帧结构FDD帧结构帧结构该帧结构适用于全双工和半双工该帧结构适用于全双工和半双工FDD模式。一个无线帧模式。一个无线帧长度为长度为10ms，包含，包含10个子帧。每个子帧包含个子帧。每个子帧包含2个时隙，每个时隙，每个时隙长度为个时隙长度为0.5ms。LTE系统的无线接口 LTE FDD模式帧结构LTE系统的帧结构系统的帧结构TDD帧结构帧结构该帧结构适用于该帧结构适用于TDD模式。如图模式。如图9-15所示，每个无线帧由所示，每个无线帧由两个半帧构成，每个半帧长度为两个半帧构

21、成，每个半帧长度为5ms。每个半帧又由。每个半帧又由8个常个常规时隙和规时隙和3个特殊时隙（个特殊时隙（DwPTS、GP、和、和UpPTS）构成。）构成。LTE系统的无线接口 LTE FDD模式帧结构LTE系统的物理资源块帧结构系统的物理资源块帧结构资源粒子（资源粒子（Resource Element，RE）资源粒子组（资源粒子组（Resource Element Group, REG）控制信道粒子（控制信道粒子（Channel Control Element, CCE）资源块（资源块（Resource Block, RB）资源块组（资源块组（Resource Block Group, RBG

22、）LTE系统的无线接口LTE系统的无线接口物理资源块的定义LTE系统的无线接口u物理信道：由物理层用于具体信号的传输。u传输信道：描述的是信息的传输方式，即定义了信息是如何传输的。u逻辑信道：描述了信息的类型，即定义了传输的是什么信息。LTE系统的信道系统的信道LTE系统的无线接口 物理下行共享信道（PDSCH）：承载下行业务数据。 物理广播信道（PBCH）：承载广播信息。 物理多播信道（PMCH）：承载多小区的广播信息。 物理控制格式指示信道（PCFICH）：用于承载该子帧上控制区域大小的信息。 物理下行控制信道（PDCCH）：用于承载下行调度的信息。 物理HARQ指示信道（PHICH）：用

23、于承载对于终端上行数据的ACK/NACK反馈信息，和HARQ机制有关。 LTE系统的信道系统的信道LTE系统的无线接口 物理上行共享信道（PUSCH）：用于承载上行业务数据。 物理上行控制信道（PUCCH）：用于承载上行控制信息。 物理随机接入信道（PRACH）：用于承载随机接入前道序列的发送，基站通过对序列的检测以及后续的信令交流，建立起上行同步。 LTE系统的信道系统的信道下行物理信道的处理过程下行信道的处理过程：加扰：物理层传输的码字都要经过加扰。调制：对加扰后的码字进行调制，生成复数值的调制符号。层映射：将复数调制信号映射到一个或多个发射层。预编码：对每个发射层的调制信号进行预编码，并

24、映射到相应的天线端口。下行物理信道的处理过程资源单元映射：将每个天线端口的复制调制信号映射到相应的资源单元上。OFDM信号生成：每个天线端口信号生成OFDM信号。下行信道的调制方式：物理信道调制方式物理信道调制方式PBCHQPSKPCFICHQPSKPDCCHQPSKPHICHQPSKPMCHQPSK,16QAM,64QAMPDSCHQPSK,16QAM,64QAM上行物理信道的处理过程上行信道的处理过程：DFT：将调制的复制信号进行傅里叶变换。SC-OFDM信号生成：每个天线端口信号生成SC-OFDM信号。上行物理信道的处理过程上行信道的调制方式：物理信道调制方式PUCCHBPSK,QPSK

25、PRACHQPSKPUSCHQPSK,16QAM,64QAM传输信道概述 物理层通过传输信道向MAC子层或更高层提供数据传输服务，传输信道特性由传输格式定义。传输信道描述了数据在无线接口上是如何进行传输的，以及所传输的数据特征。如：数据如何被保护以防止传输错误，信道编码类型，CRC保护或者交织，数据包的大小等。传输信道也有上下行之分。扩散关系下行共享信道 寻呼信道多播信道用于传输下行用户控制信息或业务数据。用于发送给UE的控制信息。用于MBMS用户控制信息的传输。下行传输信道用于广播系统信息和小区的特定信息。广播信道上行传输信道随机接入信道承载有限的控制信息。用于传输上行用户控制信息或业务数据

26、。上行共享信道逻辑信道概述逻辑信道概述用于传输广播系统控制信息。逻辑信道概述用于传输寻呼信息和改变通知消息系统信息。逻辑信道概述该信道为点到多点的下行信道，用于UE接收MBMS业务。 逻辑信道概述当终端和网络间没有RRC连接时，终端级别控制信息的传输使用该信道。 逻辑信道概述该信道为点到点的双向信道，用于传输终端侧和网络侧存在RRC连接时的专用控制信息。 逻辑信道概述针对单个用户提供点到点的业务传输。 逻辑信道概述该信道为点到多点的下行信道。用户只会使用该信道来接收MBMS业务。 三种信道的映射关系u MAC子层使用逻辑信道与RLC子层进行通信，使用传输信道与物理层进行通信。因此MAC子层负责

27、逻辑信道和传输信道之间的映射。上行逻辑信道到传输信道的映射关系三种信道的映射关系下行逻辑信道到传输信道的映射关系三种信道的映射关系上行传输信道到物理信道的映射关系下行传输信道到物理信道的映射关系LTE系统的物理信号 同步信号用于小区搜索过程中UE和E-UTRAN的时频同步，包含两个部分： 主同步信号（Primary Synchronization Signal, PSS）：用于符号定时对准、频率同步以及部分的小区ID检测。 次同步信号（Secondary Synchronization Signal, SSS）：用于帧定时对准、CP长度检测以及小区组ID检测。下行同步信号下行同步信号LTE系统

28、的物理信号 数据解调参考符号 上行DMRS主要用于上行信道估计，即eNodeB进行相干检测和解调时使用。此外，DMRS还用于上行信道质量测量。 信道探测参考信号 SRS为了支持频率选择性调度，需要UE对较大带宽进行探测，通常远远超过其实际传输数据的带宽。因此，上行SRS开销可能很大，为了尽量降低开销，显然应该选用分布式的RS，采用动态（而不是静态的）传送方式，即信道探测（Sounding）的带宽不是一个固定的值（由eNodeB根据系统带宽灵活制定）。上行参考信号上行参考信号LTE系统的物理信号 下行参考信号由已知的参考信号构成，以RE为单位，即一个参考信号占用一个RE，LTE设计下行参考符号主

29、要用于三种目的，即下行信道质量测量、下行信道估计（UE进行相干检测和解调）和小区搜索。在LTE空中接口标准中，设计了3种下行参考信号，分别为小区特定（Cell Specific）参考符号、MBSFN（Multicast Broadcast Single Frequency Network）参考符号和用于波速成形的UE特定（UE Specific）参考符号。下行参考信号下行参考信号594G增强技术载波聚合(Carrier Aggregation)增强多天线技术中继技术(Relay)协作式多点传输技术(CoMP)提高数提高数据速率，据速率，提升系提升系统容量，统容量，改善通改善通信质量。信质量。载

30、波聚合 载波聚合：即通过联合调度和使用多个成分载波的上资源，使得4G系统可以支持最大100MHz的带宽。载波聚合连续性载波聚合非连续性载波聚合频带内不连续频带间不连续载波聚合 这种非连续载波聚合可以在基带层面通过插入“空白子载波”来实现。对OFDM系统来说：上限20MHz上限100MHz增强多天线技术LTELTE-A下行4天线发送下行8天线发送，上行4天线发送单单天天线线发发送送（T TM M1 1）发发射射分分集集（T TM M2 2）循循环环时时延延分分集集（T TM M3 3）闭闭环环空空间间复复用用（T TM M4 4）多多用用户户M MI IM MO O（T TM M5 5）单单层层

31、闭闭环环空空间间复复用用（T TM M6 6）单单流流波波束束赋赋形形（T TM M7 7）双双流流波波束束赋赋形形（T TM M8 8）L LT TE E的的M MI IM MO O模模式式TM9基于非码本：使用与TM8相同的波束成形技术，即利用TDD系统上下行信道的互异性，通过上行信道估计得到下行预编码，无需UE反馈预编码矩阵。TM9支持最大8层传输，峰值速率远高TM8。基于码本：与TM4类似，通过测量下行参考信号，终端侧从协议规定的码本中选择预编码增益最大的码本，然后反馈给基站。TM9的平均吞吐量优于TM4。增强多天线技术先进的上行MIMO技术：上行控制信道 发射分集上行业务信道 空间复

32、用先进的下行MIMO技术：发射分集 提高边缘小区的峰值速率空间复用 提升系统容量波束赋形 增加网络覆盖中继技术中继部署示意图中继目的： 为了能够为整个网络提供更大的网络覆盖和容量、快速灵活的部署、降低运营商的设备投资和维护成本。2021-12-2中继技术中继器放大转发译码转发只能用于大信噪比的环境下。会引入大的时延。中继传输的隔离方法： 可用频带的频率复用（又叫做带外中继）； 中继天线空间隔离（又叫做带内全双工中继）； 接入和回程子帧时间复用（又叫做带内半双工中继）。RSRsRDRDRDyPh xnyPhynRSRsRDRDsDyPh xnyPhxn协作式多点传输技术 多点协作（Coordin

33、ated Multiple Point，CoMP）传输：是指协调的多点发射/接收技术，这里的多点是指地理上分离的多个天线接入点。提高小区边缘吞吐量、小区平均吞吐量。协同多点通信系统原理示意图协作式多点传输技术CoMP上行CoMP下行CoMP很多基站以协同的方式向用户设备发送信号，就好像是一个带有在物理上分散的多天线的发送者一样。下行CoMP系统模型两基站协作的系统模型当协作的基站数和用户数分别为N、M，基站发送天线数为 ，移动台接收天线为 ，则下行CoMP可以等效为 发 收的MIMO系统。tNrMtNNrMM协作调度：协作簇间通过协作，尽可能地避免小区边缘用户使用的资源在时频资源上的冲突。该方式下簇内的基站各自服务各自的用户，即一个UE只有一个基站服务。联合传输：协作簇对用户数据进行联合预处