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1、LTE关键技术,掌握OFDM技术 掌握MIMO技术,LTE空中接口技术与性能 张新程、田韬等。 3GPP长期演进（LTE)技术原理与系统设计 沈嘉、索士强等。,大唐移动 版权所有,2,LTE系统关键技术,LTE系统OFDM技术,LTE系统多天线技术,大唐移动 版权所有,LTE系统OFDM技术,OFDM技术概述,OFDM基本原理,OFDM基本参数,大唐移动 版权所有,OFDM 技术发展概述,WHY DO OFDM？,发射信号,移动通信不得不处理多径干扰和多普勒效应：OFDM 优势明显。,OFDM技术优越性-抗干扰,矩形脉冲,正交频分多路 复用信号的频谱,相应频谱,OFDM技术优越性-带宽利用率,
2、OFDM技术优越性-可变带宽,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通过使用相同的和子载波间隔能够简化系统设计符号宽度 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,OFDM技术优越性-概述,OFDM各个OFDM系统中，通过编码、频率分集、信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 道加权、动态子载波分配等
3、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,频偏敏感,相位敏感,OFDM 技术缺点,高峰均比,上行传输技术,上行传输方案选择：DFT-S-OFDM 调制结构图,上行传输技术,上行解调结构图,下行传输技术,下行传输方案：OFDM OFDM发射机结构,OFDM原理（1）,OFDM的基本原理是将高速的数据流分解为N个并行的低速数据流，在N个子载波上同时进行传输。这些在N子载波上同时传输的数据符号，构成一个OFDM符号,OFDM基本原理（2）,OFDM
4、并行的子载波而言，由于符号周期展宽，多径效应造成的时的基本思想是将高速的数据流分解为多路并行的低速数据流，在多个载波上同时进行传输。对于低速延扩展相对变小。当每个OFDM符号中插入一定的保护时间后，码间干扰几乎就可以忽略,OFDM基本原理（3）,与传统的多载波调制（MCM）相比，OFDM调制的各个子载波间可相互重叠，并且能够保持各个子载波之间的正交性。,OFDM基本原理（4）,IDFT/DFT计算量：,IFFT/FFT计算量 (基2算法)：,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
5、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。,OFDM基本原理（5）,OFDM优势,OFDM技术风险,降低PAPR的方法,数字？模拟？,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,特殊前向纠错码的编码技术，排除大PAPR的OFDM符号,对每个OFDM符号用优选的扰码序列进行扰码,BER恶化？,降低峰均比,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PA
6、PR问题是发端RF等模拟器件会产生的问题（需要更多位的DAC）。,ISI与ICI,在时间色散信道条件下，一条径的解调相关时间间隔将与其他径的符号边界重叠（导致ISI）；同时，在一个积分周期中，将不仅包括主径所对应的复指数的整数周期，也包括其他径所对应的复指数的分数周期，从而影响子载波间的正交性（导致ICI）,插入CP-抗衰落,OFDM 插入保护间隔，以避免“符号间”干扰,OFDM符号循环前缀,OFDM中的信道估计（1）,OFDM系统的接收既可以采用相干检测也可以采用非相干检测。采用相干检测就需要利用信道信息，因此在接收端首先要进行信道估计 采用训练序列的信道估计方法可以分为基于导频信道和基于导
7、频符号两种 多载波系统具有时频二维结构，采用导频符号辅助信道估计更灵活 导频符号辅助方法是在发送端的信号中某些固定位置插入一些已知的符号和序列，在接收端利用这些导频符号和导频序列按照某些算法进行信道估计,OFDM中的信道估计（2）,在多载波系统中，导频符号可以同时在时间轴和频率轴两个方向插入TDM, FDM和Scattered方式 只要导频符号在时间和频率方向上的间隔相对于信道相干时间和相干带宽足够小，就可以采用二维内插滤波的方法来估计信道传输函数,信道估计算法,线性插值算法,高阶线性插值算法,OFDM中的同步（1）,找出符号边界和最优定时，以使载波间干扰(ICI)及符号间干扰(ISI)最小,
8、由于定时偏移(Timing Offset)和载波频率偏移（CFO: Carrier Frequency Offset）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,FFT处理窗位置与OFDM符号的相对关系 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。,OFDM中的同步（1）,OFDM中的同步（2）,时域同步确定OF
9、DM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,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,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
10、比较简单的同步算法，对于小尺度的变化进行校正。 OFDM同步算法分类 OFDM数据帧和符号的粗同步算法 OFDM符号的精细同步算法 OFDM频域捕获算法 OFDM频域跟踪算法,OFDM同步算法介绍,采用循环前缀实现OFDM的同步,接收信号的前端信号与经过 时延，与后端信号进行 时间的相关运算，可以表示：,OFDM符号边界的估计,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。,采用训练序列进行OFDM同步,OFDM中的同步（4）,频域同步 系统估计和校正接收信号的
11、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 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。,OFDM中的同步（5）,频率误差造成OFDM系统产生载波间干扰示例,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
12、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,OFDM参数设计,基本参数（1)-DFT-S-OFDM,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 Localized and distributed mapping 频谱效率约90% 子帧结构 调制方式：QPSK,（8PSK）,16QAM,基本参数（1)-DFT-S-OFDM,基本参数（1)-DFT-S-OFDM,子载波间隔 15kHz，用于单播（unicast）和多播传输 子载波数目 循环前缀长度 一个时隙中不同DFTS-OFDM 符
13、号的循环前缀长度不同,基本参数（2）-OFDM,OFDM (with CP) 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%,基本参数（2）-OFDM,基本参数（2）-OFDM,基本参数（2）-OFDM,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 循环前缀长
14、度 一个时隙中不同OFDM 符号的循环前缀长度不同,LTE系统多天线技术,1. MIMO天线技术概述,2. MIMO天线三大技术,3. LTE系统MIMO实现,大唐移动 版权所有,在发送端和接收端同时使用多根天线进行数据的发送和接收； 在发送端每根天线上发送的数据比特不同； 在多散射体的无线环境中，来自每个发射天线的信号在每个接收天线中是不相关的，并在接收机端利用这种不相关性对多个天线发送的数据进行分离和检测； 可以产生多个并行的信道（信道数小于等于发射和接收的最小天线数），并且每个信道上传递的数据不同，从而提高信道容量,MIMO天线技术概述,空时无线信道类型,MU-MIMO,SU-MIMO,
15、SISO,MISO,SIMO,MIMO,MIMO技术的优势,MIMO技术充分利用了信道的空间特性，理论上提高了系统容量,MIMO技术结合code-reuse方式可以增加CDMA系统的总码道数,MIMO技术主要应用于散射体丰富的环境（比如室内环境），可以为室内热点地区提供高速数据传输服务,LTE系统多天线技术,MIMO（Multiple Input Multiple Output） 不相关的各个天线上分别发送多个数据流； 利用多径衰落，在不增加带宽和天线发送功率的情况下，提高信道容量及频谱利用率，下行数据的传输质量。,LTE系统多天线技术应用,传输分集技术,复杂和动态的无线信道 快衰落和慢衰落；
16、大尺度衰落与小尺度衰落； 平坦衰落与频率选择性衰落,常用发射分集天线,下行用户数据的功率分配,CL TxD,SCTD,STTD,TSTD,发射分集天线,P-CCPCH的分集发送。这种方式占用了码道的资源，只能对少数重要的码道使用,所有用户都由相同的天线发送，且一起在不同的天线间切换,可以用一个简单的线性变换实现分集信号的分离和最大似然检测。,根据实际信道条件确定各天线信号的加权系数，实现分集发送。,传输分集： TSTD,TSTD (Time Switched Transmit Diversity) 在任意时刻只有一个天线被激活 一个数据流在多根天线中进行选择发送,LTE系统上行天线选择技术可以
17、看作是TSTD的一个特例,传输分集： FSTD,LTE系统并没有直接采用FSTD技术，而是与其他传输分集技术结合起来使用,传输分集,SFBC+FSTD,LTE支持SFBC与FSTD结合的传输分集方式,MIMO应用方式：波束赋形与Pre-coding,接收波束赋形 MRC 接收分集 适用于任何天线间距 Null Steering Beamformer 抑制强干扰线间距 适用于小天 发送波束赋形 MRT 发送分集（TxAA？） 适用于任何天线间距 Null Steering Beamformer 抑制强干扰 适用于小天线间距,波束赋形,传统波束赋形 小间距的天线阵列，使用较多天线单元 提高峰值速率
18、，小区覆盖，降低小区间干扰,波束赋形,基于预编码的波束赋形 大间距的天线阵列，或者极化天线阵列 通过码本选择和反馈，即终端通过进行下行方向的信道估计，从已知的码本中选择下一次传输的赋形权值，并反馈给基站。,波束赋形,当接收端也存在多根天线时，接收端也可以利用多根天线降低用户间干扰，其主要的原理是通过对接收信号进行加权，抑制强干扰，称为IRC（Interference Rejection Combining）,下行,上行,MIMO应用方式：空间复用,天线配置MxN，NM 在发送端的不同天线天线上发送不同的数据流，接收端通过N根天线接收到的向量为： 其中x为发送的符号向量，Mx1 y为接收到的符号
19、向量，Nx1 H为空间信道矩阵，NxM W为噪声向量，Nx1,MIMO技术与多用户分集,多用户分集 当存在大量用户时，每一个用户经历的信道都是独立衰落的用户所经历的信道是强壮的。从系统的角度来看，如果被调度的用户所经历的信道越强壮，那么系统获得多用户分集增益越多 MU-MIMO扩大了可调度的资源集合 Virtual MIMO使得用户可以，那么在某一个时刻和频率上，总是能够找到一个选择与其他用户相同的时频资源 下行MU-MIMO，增加了一个可调度的维度，用户不仅可以在时域和频域上进行调度，同时还可以在空域（波束域）进行调度,MIMO技术与多用户分集,空间复用,多码字传输 多码字传输即复用到多根天
20、线上的数据流可以独立进行信道编码和调制 单码字传输是一个数据流进行信道编码和调制之后再复用到多根天线上 LTE支持最大的码字数目为2。,单码字 多码字,空间复用,预编码技术 基于预编码的空间复用是将多个数据流在发送之前使用一个预编码矩阵进行线性加权 NL=NT ，预编码可以用来对多个并行传输进行正交化，从而增加在接收端的信号隔离度。 NLNT ，预编码还提供将NL个空间复用信号映射到NT个传输天线上的作用，通过提供空间复用和波束赋形带来增益。,空间复用,MU-MIMO 基站将占用相同时频资源的多个数据流发送给不同用户 下行同时支持SU-MIMO和MU-MIMO,SU-MIMO(SDM) MU-
21、MIMO(SDMA),空间复用,MU-MIMO LTE上行不支持SU-MIMO 上行只支持虚拟MIMO，即每一个终端均发送一个数据流，但是两个或者更多的数据流占用相同的时频资源，这样从基站接收机来看，这些来自不同终端的数据流，可以被看作来自同一个终端上不同天线的数据流，从而构成一个MIMO系统,SU-MIMO MU-MIMO,下行 1x2 (接收分集) 2x2 (发射分集, 空分复用) 4x2, 4x4 (发射分集, 空分复用) 8x2, 8x4. (波束赋型) 上行 1x2, 1x4, 1x8 (接收分集),LTE时的天线配置,主要在下行方向，上行方向虽然支持MU-MIMO，但是每一个UE来
22、看，其与单天线传输没有区别,层（Layer）有不同的解释 在使用单天线传输、传输分集以及波束赋形时，层数目等于天线端口数目；在使用空间复用传输时，层数目等于空间信道的Rank数目，即实际传输的流数目,LTE系统多天线技术处理流程,不同MIMO方式的比较,传输模式是不同MIMO方式的组合，每种传输模式中都有传输分集/或单端口AP0，便于模式切换以及在出现突发情况时可以快速的回退到传输分集/或单端口AP0 MIMO方式,传输模式的选择,主要考虑因素 需要动态调度的业务类型 业务量 时延要求反馈 信道相关性 移动速度反馈 TDD/FDD 其他限制因素 资源分配资源的限制 反馈资源的限制 SRS资源的限制,上行传输类型的选择,主要考虑因素 UE能力 FDD/TDD 用户数目限制 SRS资源的限制 建议,MIMO天线实例,基站天线,终端天线,天线系统平滑升级,TD-SCDMA波束（单流）,TD-LTE波束（双流）,8通道智能天线,1个赋型波束,4天线赋型波束,4天线赋型波束,当TD-LTE与TD-SCDMA采用相同的频段，天线可复用，RRU软件升级支持LTE,谢谢您的关注,,