2.LTE系统关键技术：OFDM

TD-LTE3TD-LTE<10kbps<200kbps300kbps-10Mbps<50Mbps50M-1Gbps

数据速率(OFDM/MIMO)3GPPFDDIMT-AdvancedWCDMAHSPAHSPA+LTEFDDLTE+GSMGPRS/EDGETDDTD-SCDMAHSPAHSPA+TD-LTETDLTE+

IS-95cdmaOnecdma20001XDORevADORevBUMBUMB+3GPP2

DORev0注：彼此兼容IEEE802.16802.16e802.16mTD-LTE是LTE中的TDD模式，是TD-SCDMA标准的长期演进TD-LTE

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:10ms4TD-LTETD-LTE6TD-LTE8TD-LTE9TD-LTE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10TimeTD-LTEUser#1 #2 #3 #4 #5OnePRBPower

(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：PRBBandwidthPRBTime-width

采用OFDM的系统播送：DAB、DVB-T/H，高通的MF、我国清华方案00年代：有线：ADSL/VDSLWPAN:UWBWLAN：802.11a、HIPERLAN-2WMAN：802.16d/e/m、HIPERMAN-2、WiBRO、WWAN：802.20、LTE〔3GPP〕、UMB〔3GPP2〕WRAN：802.22IMT-Ad:4G11TD-LTEOFDM根本原理OFDM信号产生

OFDM主要参数

OFDM信号频谱保护间隔循环前缀1213TD-LTE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，分割成假设干低速并行数据流；每路并行数据流采用独立载波调制并叠加发送；14TD-LTE信道传输函数信道传输函数H2OFDMH1

Hk…….

频率OFDM对信道频带的分割作用••TD-LTEh(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； 1516TD-LTE 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-LTE17TD-LTEOFDM子载波时域图

18TD-LTEOFDM子载波频域图

19••••••TD-LTE••••••TD-LTE22TD-LTEWHYDOOFDM？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-LTEISI产生原理示意图23TD-LTE基于OFDM实现高速数据传输

exp(−jπNs(t−ts)/T) exp(−jπ(Ns−2)(t−ts)/T)

∑

exp(−jπ(Ns−2)(t−ts)/T)

24TD-LTEOFDM数据传输

传输数据

保护数据0 1 010Frequency

time

Time产生频率差异，以提高抗衰落的能力。

25TD-LTE顶峰均比频偏敏感相位敏感26TD-LTETD-LTEMC时频资源表aaddaaddaaddaacceeaacceeaaccee频率begbegbegbbbeffgggbbbeffgggbbbeffggg时间

30TD-LTE多载波调制〔MCM〕单载波调制〔SCM〕 31TD-LTE OFDM根本原理〔1〕Distanttransmitter NearesttransmitterTD-LTE OFDM根本原理〔2〕 exp(−jπNs(t−ts)/T)exp(−jπ(Ns−2)(t−ts)/T) ∑ exp(−jπ(Ns−2)(t−ts)/T) 34TD-LTEOFDM根本原理〔3〕 352⎝2⎠36TD-LTEOFDM根本原理〔4〕IDFT/DFT计算量：IFFT/FFT计算量(基2算法)：O(N)

⎛N⎞O⎜log2(N)⎟37TD-LTE OFDM符号的频谱结构OFDM系统满足Nyquist无码间干扰准那么。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。38TD-LTE OFDM时域信号例如 3 2 1 0-1-2-300.20.40.60.81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-LTEOFDM符号的产生

5MHzBandwidthFFTSub-carriersSymbolsGuardIntervals…

Frequency…Time39TD-LTE

在RF信道中组织时间&频率划分

Time RF信道带宽

频率子带 时间段

Frequency

42TD-LTE在“时间vs频率〞单元上展开子载波 Time OFDM 符号Frequency使子载波正交，以防止“载波间〞干扰43Fs∆f••••••••'TD-LTEOFDM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=1

Ts'=Tg+Ts•前向纠错编码的选择Ts∆f=

1TsTgT'

sTs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UsefulTD-LTE参数的选择原那么

带宽Nc=F/△f

时延TGTU速率保护TransmittedSymbolSymbol1/4TS

1/81/1645TD-LTEISI与ICI

46TD-LTE两径信道传输例如47TD-LTE保护时间48TD-LTEOFDM插入保护间隔，以防止“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49TD-LTEOFDM保护间隔-抗多径Multipath

发射机A

1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。50TD-LTEOFDM保护间隔-SFN

发射机B

1微秒

= 300米保护间隔符号周期平安区域反射

发射机A

直接路径接收点 信号

51TD-LTE循环前缀和后缀

TI=T+TGTprefixTTpostfixβTs

52tTD-LTECP的来源-DFT的周期性TTT1CyclicPrefix2CyclicPostfixor CyclicSuffic 3CyclicPrefixand CyclicSuffic

53TD-LTEOFDM符号循环前缀

54TD-LTE循环前缀CP的使用会导致：功率损失和带宽损失

55frequencyfrequencyBWBWTD-LTEOFDM中的信道估计SubframetimeSubframetime

57TD-LTEOFDM插入“同步导频〞帮助接收机锁定在信号上 OFDM帧 NOFDM符号) time FFT 对接收机frequency时间窗同步信号再次导致了传输容量的损失

58ˆˆˆˆˆˆ⎧,⎪0⎪⎪c=,⎩259TD-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)Dfwherea=d1/Df,d1<Df

α(α−1)

⎪c1=2where⎨c=−(α−1)(α+1), α(α+1)

−1α=l/NTD-LTEOFDM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ICI61•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CP1

TGData1

TCP2Data2•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，那么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，那么FFT积分处理包含了当前符号的 数据局部和保护时间局部。后者不会引入码间干扰，而前 者却可能严重影响系统性能。 62TD-LTE OFDM中的同步〔2〕•时域同步——确定OFDM系统符号边界，并且 提取出最正确的采样时钟，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 63TD-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 64FFTˆt*tTD-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(ˆ)2π

TFFT估计最大相关值的 相位偏移频率偏移TFFT共轭OFDM信号∫0TGdt找到最大相关值符号同步

TGR(t)=∫0y(t−τ)y(t−τ−TFFT)dτOFDM符号边界的估计

ˆ=argmaxR(t)

t65TD-LTE采用训练序列进行OFDM同步OFDM信号

c0Tsample

c1Tsample……

∑Tsample

cN−1

求最大值符号同步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 67TD-LTE OFDM中的同步〔5〕•频率误差造成OFDM系统产生载波间干扰例如A(f)A(f)fn−1fnfn+1ffn+δff(a)(b)68TD-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 69TD-LTEOFDM实现方式

多载波OFDM；OFDMA；

单载波DFT-S-OFDMIFDMA71TD-LTE多载波：OFDM/OFDMA〔1〕•根本传输框图 72TD-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

73TD-LTEOFDM实现框图

75••••TD-LTEOFDM系统的峰均比问题PSD(dB)TD-LTEOFDM和SCM的功率谱PSD

10

OFDM

0

SCM 20dB-10-20-30-40-50-40-2002040f

N−1Ps(w)=C∑

m=0sin2(πTu(f−m/Tu))

π2(f−m/Tu)277TD-LTE降低PAPR的方法对每个OFDM符号BER恶化？数字？模拟？降低峰均比78TD-LTE 单载波：DFT-S-OFDM〔1〕•根本传输框图 7900000120000TD-LTE单载波：DFT-S-OFDM〔2〕•LocalizedFDMAIncomingBit Stream

Serialto ParallelConvertermbitsmbits

BittoConstellation Mapping BittoConstellation Mappingx(0,n)x(1,n)

fo

f1M-pointfM/2−1

FFT

fM/2N-point IFFTAddcyclic prefixParallelto SerialconvertermMbits

BittoConstellation Mappingx(M-1,n)fM−2

fM−10ChannelBW800000000000TD-LTE单载波：DFT-S-OFDM〔3〕•DistributedFDMAm1bits

BittoConstellationx(0,n)fo00IncomingBit Stream

Serialto ParallelConverterm2bits

Mapping BittoConstellation Mappingx(1,n)M-point FFTf1fM/2−1fM/2N-point IFFTAddcyclic prefixParallelto Serial convertermMbits

BittoConstellation Mappingx(M-1,n)fM−2

fM−10001234ChannelBW

81TD-LTE单载波：IFDMA•根本传输框图IncomingBit Stream

Serialto Parallelconvertermbits

BittoConstellation Mapping

DS-Spreading(Optional)User-specific block repetitionAddcyclic prefixPulse-shape filter•梳状频谱User-specific modulation code–时域重复–相位偏移区分用 户

82TD-LTELTEDFTS-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1.4 72

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

83TD-LTEOFDM系统实现框图

84IDFT-NDFT-2NMMMNTD-LTELTE系统OFDM原理框图X(k,0)X(k,1)x(k,0)

x(k,1)sin(2πfct)

⊗

MX(k,N−1)x(n)⊕sRF(t)Yk=H⋅Xk+Wkx(k,N−1)

⊗

cos(2πfct)sin(2πfct)时变多径信道h(t,τ)Y(k,0)y(k,0)⊗

Y(k,1)Y(k,N−1)

M

y(k,1)y(k,2M−1)y(n)

⊗cos(2πfct)rRF(t)88TD-LTE根本参数•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% 90TD-LTELTEOFDM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1.4 72

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

91DD•••TD-LTE复用和参考信号结构OneOFDMsymbol

Onesubframe

R1:FirstreferencesymbolOnesubcarrierDR1DDDDDDDDR2DR2:SecondreferencesymbolDR1DDDDDD:DataDDDDDR2D-Exactfrequency-domainreference-symbolDR1DDDDD

densityisTBD(50%inthisfigure)-Frequency-domainstaggeringbetweenfirstDDDDDR2D

andsecondreferencesymbolsisTBD-Thefirstreferencesymbolsmay,alternatively,beDR1DDDDDlocatedinthefirstOFDMsymbolofthesubframeDDDDDR2D-Exacttime-domainpositionofsecondreference symbolsisTBD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92TD-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M

93TD-LTE根本参数〔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=0.5msecCPLB#1CPSB #1CPLB#2CPLB#3CPLB#4CPLB#5CPSB #2CPLB#6•调制方式：QPSK,〔8PSK〕,16QAM 94205TD-LTE根本参数〔2〕SpectrumAllocation (MHz)Sub-frame duration (ms)Longblocksize (µs/#ofoccupied subcarriersShortblocksize (µs/#ofoccupied subcarriers/samples)CPduration (µs/samples*1)/samples*2)0.566.67/1200/204833.33/600/1024

(4.13/127)×7,(4.39/135)×1*

15 10 2.51.250.50.50.50.50.566.67/900/153666.67/600/1024 66.67/300/512 66.67/150/256 66.67/75/12833.33/450/76833.33/300/51233.33/150/256 33.33/75/128 33.33/38/64

(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*195TD-LTELTEDFTS-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1.4 72

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〔1〕在子帧中的两个短块〔SB〕中发送参考信号 –上行信道估计〔用于相关解调〕 –上行信道质量估计，用于时域/频域调度参考信号的频域分布为集中或分布式可以产生多个正交的上行参考信号用于多个UE或多天线 –频分，时分或码分根据数据的频域分布〔集中或分布〕，参考信号