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1、LTE关键技术分析,培训目标,学完本课程后，您应该能： 了解LTE高阶调制 、AMC 、HARQ和宏分集技术分析 掌握OFDM的基本原理 了解OFDM和CDMA技术各自的优缺点 掌握LTE的下行多址方式和上行多址方式 掌握LTE采用的MIMO方式,目 录,高阶调制 、AMC 、HARQ和宏分集技术分析 OFDM技术基本原理 OFDM技术优势与不足 下行多址技术和上行多址技术 LTE 下行和上行MIMO技术,目 录,高阶调制 、AMC 、HARQ和宏分集技术分析 OFDM技术基本原理 OFDM技术优势与不足 下行多址技术和上行多址技术 LTE 下行和上行MIMO技术,LTE的调制方式,Slide
2、 title :32-35pt Color: R153 G0 B0 Corporate Font : FrutigerNext LT Medium Font to be used by customers and partners : Arial Slide text :20-22pt Bullets level 2-5: 18pt Color:Black Corporate Font : FrutigerNext LT Medium Font to be used by customers and partners : Arial,Top right corner for field-mar
3、k, customer or partner logotypes. -,The following nine groups of colors are an example of how our design colors can be used, please take note that you should only use one design color group per slide. For specific usage details, refer to the “Typesetting Standard”.,LTE 关键技术_高阶调制对吞吐量的改善,PA3 Channel (
4、64QAM vs 16QAM) 小区边缘: 0% 增益。 小区中心: 0%10% 增益。 靠近基站: 30%50% 增益。,高阶调制增益受信道条件影响较大,PB3 Channel (64QAM vs 16QAM) 小区边缘: 0% 增益。 小区中心: 0% 增益。 靠近基站: 10%20% 增益。,自适应调制和编码（AMC）,信道质量的信息反馈，即Channel Quality Indicator （CQI） UE测量信道质量，并报告（每1ms或者是更长的周期）给eNodeB eNodeB基于CQI来选择调制方式，数据块的大小和数据速率,CQI索引,LTE关键技术 - HARQ,传统的ARQ
5、接收端接收数据块，并解编码 根据CRC解校验，得到误块率 如果数据块误块率高 丢弃错误的数据块 接收端要求发送端重发完整的错误的数据块,混合HARQ 接收端接收数据块，并解编码 根据CRC解校验，得到误块率 如果误块率较高 暂时保存错误的数据块 接收端要求发送端重发 接收端将暂存的数据块和重发的数据混合后再解编码,Packet2,Transmitter,Receiver,H-ARQ不同类型,LTE中HARQ技术主要是系统端对编码数据比特的选择重传以及终端对物理层重传数据合并。 通过RV参数来选择虚拟缓存中不同编码比特的传送。不同RV参数配置支持： CC（Chase Combining）（重复发
6、送相同的数据） FIR（Full Incremental Redundancy）（优先发送校验比特） 不同次重传，尽可能采用不同的r参数，使得打孔图样尽可能错开，保证不同编码比特传送更为平均。,Hybrid Automatic Repeat reQuest ( HARQ ),Chase Combining ( CC ) 重传方式举例,Hybrid Automatic Repeat reQuest ( HARQ ),Incremental Redundancy ( IR ) 重传方式举例,多进程“停-等”HARQ,“停-等”（Stop-and-Wait，SaW）HARQ 对于某个HARQ进程，在
7、等到ACK/NACK反馈之前，此进程暂时中止，待接收到ACK/NACK后，在根据是ACK还是NACK决定发送新的数据还是进行旧数据的重传。,目 录,高阶调制 、AMC 、HARQ和宏分集技术分析 OFDM技术基本原理 OFDM技术优势与不足 下行多址技术和上行多址技术 LTE 下行和上行MIMO技术,OFDM的由来,单载波,OFDM： Orthogonal Frequency Division Multiplexing 正交频分复用,frequency,OFDM发射流程,OFDM的核心操作,OFDM实现方法,使用传统振荡器 使用IFFT,OFDM实现方法（续）,正交性体现,在一个OFDM符号内
8、包含多个子载波。所有的子载波都具有相同的幅值和相位，从图中可以看出，每个子载波在一个OFDM符号周期内都包含整数倍个周期，而且各个相邻的子载波之间相差1个周期。,OFDM是为多径衰落信道而设计的,时域影响：符号间干扰,频域影响：频率选择性衰落,加CP操作,CP长度的确定,CP长度的确定,CP长度的考虑因素：频谱效率/符号间干扰和子载波间干扰 越短越好：越长，CP开销越大，系统频谱效率越低 越长越好：可以避免符号间干扰和子载波间干扰,CP长度的确定,应对频率选择性衰落-窄带并行传输,化零为整，简化接收机的信道均衡操作 避免符号间干扰和天线间干扰相互混杂，有效分离信道均衡和MIMO检测,子载波间隔
9、确定,考虑因素：频谱效率和抗频偏能力 子载波间隔越小，调度精度越高，系统频谱效率越高 子载波间隔越小，对多普勒频移和相位噪声过于敏感 当子载波间隔在10KHz以上，相位噪声的影响相对较低 多普勒频移影响大于相位噪声（以此为主）,多普勒频移,多普勒频移,设手机发出信号频率为fT，基站收到的信号频率为fR，相对运动速度为，为电磁波在自由空间的传播速度(光速)；fdoppler即为多普勒频移 例360km/h车速，3GHz频率的多普勒频移：,子载波间隔确定-多普勒频移影响,2GHz频段，350km/h带来648Hz的多普勒频移，对高阶调制（64QAM）造成显著影响。 低速场景，多普勒频移不显著，子载
10、波间隔可以较小 高速场景，多普勒频移是主要问题，子载波间隔要较大 仿真显示，子载波间隔大于11KHz，多普勒频移不会造成严重性能下降 当15KHz时，EUTRA系统和UTRA系统具有相同的码片速率，因此确定单播系统中采用15KHz的子载波间隔 独立载波MBMS应用场景为低速移动，应用更小的子载波间隔，以降低CP开销，提高频谱效率，采用7.5KHz子载波 Wimax的子载波间隔为10.98KHz，UMB的子载波间隔为9.6KHz,OFDM图示,目 录,高阶调制 、AMC 、HARQ和宏分集技术分析 OFDM技术基本原理 OFDM技术优势与不足 下行多址技术和上行多址技术 LTE 下行和上行MIM
11、O技术,OFDM技术的优势,频谱效率高 带宽扩展性强 抗多径衰落 频域调度和自适应 实现MIMO技术较为简单,OFDM技术的优势-频谱效率高,各子载波可以部分重叠，理论上可以接近Nyquist极限。 实现小区内各用户之间的正交性，避免用户间干扰，取得很高的小区容量。 相对单载波系统（WCDMA），多载波技术是更直接实现正交传输的方法,OFDM技术的优势-带宽扩展性强,OFDM系统的信号带宽取决于使用的子载波数量，几百kHz几百MHz都较容易实现，FFT尺寸带来的系统复杂度增加相对并不明显。 非常有利于实现未来宽带移动通信所需的更大带宽，也更便于使用2G系统退出市场后留下的小片频谱。 单载波CD
12、MA只能依赖提高码片速率或多载波CDMA的方式支持更大带宽，都可能造成接收机复杂度大幅上升。 OFDM系统对大带宽的有效支持成为其相对单载波技术的决定性优势。,OFDM技术的优势-抗多径衰落,多径干扰在系统带宽增加到5MHz以上变得相当严重。 OFDM将宽带转化为窄带传输，每个子载波上可看作平坦衰落信道。 插入CP可以用单抽头频域均衡（FDE）纠正信道失真，大大降低了接收机均衡器的复杂度 单载波信号的多径均衡复杂度随着带宽的增大而急剧增加，很难支持较大的带宽。对于更大带宽20M以上，OFDM优势更加明显,OFDM技术的优势-频域调度和自适应,集中式、分布式子载波分配方式,集中式子载波分配方式：
13、时域调度、频域调度 分布式子载波分配方式：终端高速移动或低信干噪比，无法有效频域调度,多载波/单载波对频率选择性衰落的适应,OFDM技术的优势-实现MIMO技术简单,MIMO技术关键是有效避免天线间的干扰（IAI），以区分多个并行数据流。 在平坦衰落信道可以实现简单的MIMO接收。 频率选择性衰落信道中，IAI和符号间干扰（ISI）混合在一起，很难将MIMO接收和信道均衡分开处理,OFDM技术存在的问题,PAPR问题 时间和频率同步 多小区多址和干扰抑制,OFDM不足1峰均比高,下行使用高性能功放，上行采用SC-FDMA以改善蜂均比,OFDM不足2对频率偏移特别敏感,LTE使用频率同步解决频偏
14、问题,OFDM不足3-多小区多址和干扰抑制,OFDM系统虽然保证了小区内用户的正交性，但无法实现自然的小区间多址（CDMA则很容易实现）。如果不采取额外设计，将面临严重的小区间干扰（某些宽带无线接入系统就因缺乏这方面的考虑而可能为多小区组网带来困难）。可能的解决方案包括加扰、小区间频域协调、干扰消除、跳频等。,目 录,高阶调制 、AMC 、HARQ和宏分集技术分析 OFDM技术基本原理 OFDM技术优势与不足 下行多址技术和上行多址技术 LTE 下行和上行MIMO技术,多址技术,下行多址技术：OFDMA 上行多址技术 主要考虑因素：终端处理能力有限，尤其发射功率受限。OFDM技术由于高的PAP
15、R问题不利于在上行实现。 单载波（SC）传输技术PAPR较低 LTE采用在频域实现的多址方式：单载波频分多址（SC-FDMA）,OFDMA VS SC-FDMA,下行调制多址OFDMA,E-UTRAN空口技术-上行调制多址SC_FDMA,目 录,高阶调制 、AMC 、HARQ和宏分集技术分析 OFDM技术基本原理 OFDM技术优势与不足 下行多址技术和上行多址技术 LTE 下行和上行MIMO技术,目 录,5. LTE 下行和上行MIMO技术 5.1 MIMO技术概述 5.2 下行MIMO的实现 5.3 上行MIMO的实现,LTE多天线技术,无线通信系统可以利用的资源：时间、频率、功率、空间 L
16、TE系统中，对空间资源和频率资源进行了重新开发，大大提高了系统性能。 多天线技术通过在收发两端同时使用多根天线，扩展了空间域，充分利用了空间扩展所提供的特征，从而带来了系统容量的提高。,MIMO的定义,广义定义：多进多出（Multiple-Input Multiple-Output） 多个输入和多个输出既可以来自于多个数据流，也可以来自于一个数据流的多个版本。 按照这个定义，各种多天线技术都可以算作MIMO技术,狭义定义：多流MIMO提高峰值速率 多个信号流在空中并行传输 按照这个定义，只有空间复用和空分多址可以算作MIMO,MIMO技术的分类,从MIMO的效果分类： 传输分集（Transmi
17、t Diversity） 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。 波束赋形（Beamforming） 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。 空间复用（Spatial Multiplexing） 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）。 空分多址（SDMA） 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，向多个终端并向发射数据流，或从多个
18、终端并行接收数据流，以提高用户容量。 从是否在发射端有信道先验信息分： 闭环（Close-Loop）MIMO：通过反馈或信道互异性得到信道先验信息 开环（Open-Loop）MIMO：没有信道先验信息,下行MIMO技术使用场景,下行MIMO技术使用场景,目 录,5. LTE 下行和上行MIMO技术 5.1 MIMO技术概述 5.2 下行MIMO的实现 5.3 上行MIMO的实现,下行物理信道的基带信号处理,码字：经过FEC编码和QAM调制的数据流，形成于QAM调制模块的输出端。我们假定一个码字只能有一个码率（如1/3码率）和一种调制方式（如16QAM）。 层：明确的QAM调制数据流，形成于码字
19、到层映射模块的输出端。一个层的峰值速率可以等于或低于一根传输天线的峰值速率。此外，不同的层可以传输相同或不同的比特信息。 秩（r）：若定义R为单根天线的峰值速率，则发送端可以达到的峰值速率为rR。对于空间复用秩等于层数。 LTE支持最大层数L=4，最大码字数Q=2,层映射,层映射实体有效地将复数形式的调制符号映射到一个或多个传输层上，从而将数据分成多层。根据传输方式的不同，可以使用不同的层映射方式。,码字层天线口之间的关系,传输分集的层映射,MIMO-传输分集,最常用的传输分集技术包括：（Alamouti编码） 空时块码（STBC，Space-Time Block Codes）,空频块码（SF
20、BC，Space-Frequency Block Codes）,LTE支持SFBC传输分集技术,MIMO-传输分集,当传输天线数为2时，采用SFBC 当传输天线数为4时，采用Alamouti编码和其他方式进行组合的方式进行分集传输 SFBC+循环延迟分集CDD SFBC+天线切换分集,天线切换分集,当发射端存在多根传输天线时，从时间或频率上按照一定的顺序依次选择其中一根天线进行传输的技术。 时间切换传输分集：在不同的时间上进行天线的切换（Time Switched Transmit Diversity，TSTD）； 频率切换传输分集：在不同的子载波上进行天线切换（Frequency Switc
21、hed Transmit Diversity, FSTD）。,时间切换传输分集TSTD,频率切换传输分集FSTD,天线切换分集与SFBC结合,FSTD和SFBC结合的4发射天线传输分集 LTE支持上行天线时间切换传输分集（TSTD）。 支持FSTD和SFBC结合作为一种传输分集方式,频率1 频率2 频率3 频率4,天线1 天线2 天线3 天线4,空间复用传输,LTE支持多码字（MCW）的空间复用传输 多码字：用于空间复用传输的来自于多个不同的独立进行信道编码的数据流，每个码字可以独立的进行速率控制，分配独立的混合自动重传请求（HARQ）进程； 单码字的空间复用传输：用于空间复用传输的多层数据流
22、仅仅来自于一个信道编码之后的数据流。,空间复用层映射,LTE支持最大层数L=4，最大码字数Q=2 码字和层映射关系：,开环空间复用,开环空间复用模式下的Large-delay CDD eNodeB周期地分配不同的Precoding码字到不同的数据子载波中。其中每m个子载波用不同的Precoding码字，m为Rank数。 Large-delay CDD方案只用于Rank1 支持Rank 1和开环空间复用的动态Rank自适应 不需要PMI反馈，两个码字的CQI没有空间差异 设计用于高速场景的UE 较少的反馈开销,闭环空间复用,eNodeB需要进行数据预编码 系统从预定义的码本中选择最适合的Prec
23、oding矩阵，预定义码本同时保存在eNodeB和UE中 UE在评估信道质量的基础上，选择该时刻最适合的Precoding矩阵，并将矩阵索引发送给eNode B,闭环空间复用 - 预编码码本,反馈内容： CQI：信道质量指示 PMI：预编码矩阵指示 DL SU-MIMO码本数量 2 Tx天线：6； 4 Tx天线： 16 码本方案可适用于不同的天线配置 交叉极化和线性天线阵列,下行预编码方式,两种预编码方式： 非码本的预编码方式(non-codebook based pre-coding) 基于码本的预编码方式(codebook based pre-coding),非码本的预编码方式: 预编码矩
24、阵计算得到,基于码本的预编码方式：预编码矩阵从码本中选择得到,下行MIMO应用,支持分集和复用的MIMO模式以及不同MIMO模式之间的自适应切换,下行波束赋形,单流波束赋形,分组波束赋形,基于分组波束赋形的空分多址,LTE TDD Beamforming性能,Beamforming性能 单流Beamforming主要用于改善小区边缘的用户吞吐量； 双流Beamforming能够改善小区的平均吞吐量； 相比4天线MIMO，8天线Beamforming能带来较大增益；,下行多用户MIMO,单用户MIMO(空分复用)：基站将占用相同时频资源的多个数据流发送给同一个用户。 多用户MIMO(空分多址)：
25、基站将占用相同时频资源的多个数据流发送给不同用户。,E-MBMS中的MIMO技术,当单频网络中小区的个数足够多时，任何形式的额外传输分集技术将不会带来明显的增益，因为E-MBMS已经从来自多个小区的时延信号中获得了频率分集增益。 在单频网络中，E-MBMS是带宽受限的，因此空间复用技术更有吸引力。 随着基站数目的增加，数据流之间的相关性降低，可以达到0.65左右，因此可以利用空间复用技术。,目 录,5. LTE 下行和上行MIMO技术 5.1 MIMO技术概述 5.2 下行MIMO的实现 5.3 上行MIMO的实现,上行MIMO技术,空间复用和传输分集 基本配置1X2 上行传输天线选择 上行多
26、用户MIMO,上行传输天线选择,开环天线选择方案 闭环天线选择方案,上行开环天线选择方案,共享数据信道在天线间交替发送，从而获得空间分集而避免信道的深衰落。,上行闭环天线选择方案,两根天线交替发送用于天线选择的导频，基站选择可以提供更高接收信号功率的天线用于后续的共享数据信道传输。,上行传输天线选择的优缺点,开环天线选择方案 不需要发送用于天线选择的参考信号 在下行不需要发送告知天线选择信息的比特 比闭环方案获得更少的分集增益 适合基于竞争的信道和共享信道使用 闭环天线选择方案 需要传输用于天线选择的参考信号 需要在下行方向发送指示天线选择信息的反馈比特 比开环方案有更大的分集增益 适用于共享信道,上行单用户、多用户MIMO,SU-MIMO,MU-MIMO,上行多用户MIMO优势,相对于单用户MIMO，多用户MIMO可以获得更多用户分集增益。 对于单用户MIMO，所有MIMO信号来自同一终端的不同天线 对于多用户MIMO，信号来自于不同终端，更容易获得信道之间的独立性。 当终端存在多根天线时，可以把多用户MIMO和天线选择技术结合使用,