LTE的關(guān)鍵技術(shù)OFDM和MIMO基本原理

1、LTE的關(guān)鍵技術(shù)OFDM和MIMO基本原理LTE基本原理培訓(xùn)教材修改記錄版本日期擬制人/修改人備注V1.02009-11來馳創(chuàng)建V1.12009-11徐濟(jì)乾修改V1.22009-12徐濟(jì)乾修改定稿通過本文檔的學(xué)習(xí)，您可以掌握以下技能：了解OFDM技術(shù)的基本原理，掌握LTE上下行傳輸技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方式。了解LTE多天線技術(shù)MIMO的基本原理，空間復(fù)用、波束賦形和傳輸分集的基本過程，LTE上下行MIMO的應(yīng)用技術(shù)。第一部分 LTE關(guān)鍵技術(shù)之OFDM第二部分 LTE關(guān)鍵技術(shù)之MIMO第一部分 LTE關(guān)鍵技術(shù)之OFDM第一章 OFDM技術(shù)基本原理第一節(jié) OFDM的起源與發(fā)展第二節(jié) OFDM系統(tǒng)原理與實(shí)現(xiàn)第

2、二章 LTE上下行傳輸技術(shù)第一節(jié) LTE下行多址技術(shù)方案第二節(jié) LTE上行多址技術(shù)方案OFDM的起源與發(fā)展為了解決低效利用頻譜資源問題，在20世紀(jì)60年代提出一種思想，即使用子信道頻譜相互覆蓋的并行數(shù)據(jù)傳輸和FDM，要求每個(gè)子信道內(nèi)承載的信號(hào)傳輸速率為b，而且各子信道在頻域的距離也是b，這樣可以避免使用高速均衡，并且可以對(duì)抗窄帶脈沖噪聲和多徑衰落，而且還可以充分的利用可用的頻譜資源。（OFDM的雛形）隨即，這種技術(shù)就被應(yīng)用到多種高頻軍事系統(tǒng)中，其中包括KINEPLEX，ANDEFT以及KNTHRYN等。OFDM的起源與發(fā)展1971年，Weinstein和Ebert把離散傅里葉變換（DFT）應(yīng)用

3、到并行傳輸系統(tǒng)中，作為調(diào)制和解調(diào)的一部分，這樣就不再利用帶通濾波器而是經(jīng)過基帶處理就可以實(shí)現(xiàn)FDM。（OFDM形成）20世紀(jì)80年代中期，歐洲在數(shù)字音頻廣播（DAB）方案中采用了這種并行傳輸方法，使得OFDM開始受到關(guān)注并且得到廣泛應(yīng)用。20世紀(jì)80年代后，OFDM漸漸在數(shù)據(jù)音頻廣播（DAB）、數(shù)字視頻廣播（DVB）、基于標(biāo)準(zhǔn)的無限本例局域網(wǎng)（WLAN）以及有線 網(wǎng)上基于現(xiàn)有銅雙絞線的非對(duì)稱高比特率數(shù)字用戶線技術(shù)（如ADSL）中得到了廣泛應(yīng)用。Wi-Fi和WiMAX技術(shù)的興起更是使得OFDM成為一種“時(shí)髦”的技術(shù)。3GPP LTE也采用了OFDM技術(shù)，預(yù)計(jì)未來的B3G技術(shù)也將基于OFDM。OF

4、DM的起源與發(fā)展什么是OFDMOFDM（正交頻分復(fù)用：Orthogonal Frequency Division Multiplexing）是一種特殊的多載波傳輸方案，它可以被看作一種調(diào)制技術(shù)，也可以被當(dāng)作一種復(fù)用技術(shù)。OFDM結(jié)合了多載波調(diào)制(MCM)和頻移鍵控(FSK)，把高速的數(shù)據(jù)流分成多個(gè)平行的低速數(shù)據(jù)流，把每個(gè)低速的數(shù)據(jù)流分到每個(gè)單子載波上,在每個(gè)子載波上進(jìn)行FSK。選擇OFDM的一個(gè)主要原因在于該系統(tǒng)能夠很好地對(duì)抗頻率選擇性衰落或窄帶干擾。LTE系統(tǒng)下行多址方式為正交頻分多址（OFDMA），上行為基于正交頻分復(fù)用（OFDM）傳輸技術(shù)的單載波頻分多址（SC-FDMA）。OFDM系統(tǒng)原

5、理與實(shí)現(xiàn)多載波技術(shù) 多載波傳輸是相對(duì)于單載波傳輸而來的：使用多個(gè)載波并行傳輸數(shù)據(jù)。1：把一串高速數(shù)據(jù)流分解為若干個(gè)低速的子數(shù)據(jù)流每個(gè)子數(shù)據(jù)流 將具有低得多的速率；2：將子數(shù)據(jù)流放置在對(duì)應(yīng)的子載波上；3：將多個(gè)子載波合成，一起進(jìn)行傳輸；OFDM將頻域劃分為多個(gè)子信道，各相鄰子信道相互重疊，但不同子信道相互正交。將高速的串行數(shù)據(jù)流分解成若干并行的子數(shù)據(jù)流同時(shí)傳輸OFDM子載波的帶寬 信道“相干帶寬”時(shí)，可以認(rèn)為該信道是“非頻率選擇性信道”，所經(jīng)歷的衰落是“平坦衰落”O(jiān)FDM符號(hào)持續(xù)時(shí)間 M。IDFT的長度比DFT的長度長，IDFT多出的那一部分輸入為用0補(bǔ)齊；在IDFT之后，為避免符號(hào)干擾同樣為這

6、一組數(shù)據(jù)添加循環(huán)前綴。 上行多址技術(shù)方案 DFT-S-OFDM調(diào)制DFTS-OFDM的實(shí)現(xiàn)過程同OFDM的實(shí)現(xiàn)過程有相同的過程，即都有一個(gè)采用IDFT的過程，所以DFTS-OFDM可以看成是一個(gè)加入了預(yù)編碼的OFDM過程。如果DFT的長度M等于IDFT的長度N，那么兩者級(jí)聯(lián)，DFT和IDFT的效果就互相抵消了，輸出的信號(hào)就是一個(gè)普通的單載波調(diào)制信號(hào)。當(dāng)NM并且采用零輸入來補(bǔ)齊IDFT。IDFT輸出的信號(hào)的PAPR較之于OFDM信號(hào)較??；通過改變DFT輸出的數(shù)據(jù)到IDFT輸入端的映射情況，可以改變輸出信號(hào)占用的頻域位置。上行多址技術(shù)方案DFT-S-OFDM調(diào)制通過改變DFT的輸出到IDFT輸入端

7、的對(duì)應(yīng)關(guān)系，輸入數(shù)據(jù)符號(hào)的頻譜可以被搬移至不同的位置，分為集中式和分布式兩種映射方式40上行多址技術(shù)方案 SC-FDMA多址方式利用DFTS-OFDM的以上特點(diǎn)可以方便的實(shí)現(xiàn)SC-FDMA多址接入方式，多用戶復(fù)用頻譜資源時(shí)只需要改變不同用戶DFT的輸出到IDFT輸入的關(guān)系就可以實(shí)現(xiàn)多址接入，同時(shí)子載波之間具有良好的正交性，避免了多址干擾。通過改變DFT到IDFT的映射關(guān)系，實(shí)現(xiàn)多址；改變輸入信號(hào)的數(shù)據(jù)符號(hào)塊M的大小，實(shí)現(xiàn)頻率資源的靈活配置。上行多址技術(shù)方案 SC-FDMA多址方式SC-FDMA的兩種資源分配方式：集中式資源分配、分布式資源分配是3GPP討論過的兩種上行接入方式，最終為了獲得低的

8、峰均比，降低UE的負(fù)擔(dān)選擇了集中式的分配方式。SC-FDMA與OFDMA處理流程第一部分 LTE關(guān)鍵技術(shù)之OFDM第二部分 LTE關(guān)鍵技術(shù)之MIMO第二部分 LTE關(guān)鍵技術(shù)之MIMO第一章 MIMO技術(shù)簡介第二章 下行MIMO技術(shù)第三章 上行MIMO技術(shù)MIMO技術(shù)簡介MIMO引入無線通信系統(tǒng)可以利用的資源包括：空間、時(shí)間、頻率和功率。在B3G/4G系統(tǒng)中，空間資源和頻率資源被重新開發(fā)使用，從而大大提高了系統(tǒng)的性能。多天線技術(shù)通告在發(fā)送端和接收端同時(shí)使用多根天線，擴(kuò)展了空間域，充分利用了空間擴(kuò)展所提供的特征，從而帶來了系統(tǒng)容量的提高。目前多天線技術(shù)一成為了B3G/4G系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。多天線

9、構(gòu)成的信道稱為MIMO(Multiple Input Multiple Output)信道，使用多天線技術(shù)的系統(tǒng)稱為 MIMO無線通信系統(tǒng)。MIMO技術(shù)簡介為了滿足LTE在高數(shù)據(jù)率和高容量方面的需求，LTE系統(tǒng)支持應(yīng)用MIMO技術(shù)。下行MIMO技術(shù)包括空間復(fù)用、波束賦形和傳輸分集，目前MIMO技術(shù)下行基本天線配置為2*2,即2天線發(fā)送和2天線接收，最大支持4天線進(jìn)行下行方向四層傳輸。上行MIMO技術(shù)包括空間復(fù)用和傳輸分集，目前MIMO技術(shù)上行基本天線配置為1*2,即1天線發(fā)送和2天線接收。 MIMO天線數(shù)據(jù)為虛擬天線數(shù)目。 在無線鏈路兩端均采用多根天線，分別同時(shí)接收與發(fā)射，能夠充分利用空間資源

10、，在無需增加頻譜資源和發(fā)射功率的情況下，成倍地提升通信系統(tǒng)的容量與可靠性。MIMO技術(shù)簡介系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第二部分 LTE關(guān)鍵技術(shù)之MIMO第一章 MIMO技術(shù)簡介第二章 下行MIMO技術(shù)第三章 上行MIMO技術(shù)下行MIMO技術(shù)傳輸分集波束賦形空間復(fù)用50 在典型的信道容量曲線中，在低信噪比區(qū)域的斜率比較大，應(yīng)用傳輸分集技術(shù)和波束賦形技術(shù)可以有效提高接收信號(hào)的信噪比，從而提高傳輸速率或者覆蓋范圍；而在高信噪比區(qū)域，容量曲線接近平坦，再提高信噪比也無法明顯改善傳輸速率，此時(shí)即可以應(yīng)用空間復(fù)用技術(shù)來提高傳輸速率。下行MIMO技術(shù)傳輸分集技術(shù)可獲得分集處理增益提高信噪比易獲得相對(duì)穩(wěn)定的信號(hào)傳輸分集發(fā)射分集接

11、收分集傳輸分集包括發(fā)射分集和接受分集優(yōu)點(diǎn)下行MIMO技術(shù)發(fā)射分集發(fā)射分集就是在發(fā)射端使用多幅發(fā)射天線發(fā)射相同的信息，接收端獲得比單天線高的信噪比開環(huán)發(fā)射分集，閉環(huán)發(fā)射分集循環(huán)延遲分集CDD，空時(shí)發(fā)射分集STTD，空頻發(fā)射分集SFTD空時(shí)發(fā)射分集將調(diào)制符號(hào)映射到時(shí)域(不同的時(shí)刻)和空域(不同的發(fā)射天線)以獲得分集增益恢復(fù)發(fā)射信號(hào)是需要通過信道估計(jì)獲得信道矩陣H下行MIMO技術(shù)發(fā)射分集空頻發(fā)射分集（LTE使用）空頻發(fā)射分集與空時(shí)發(fā)射分集類似，不同的是SFTD是對(duì)發(fā)送的符號(hào)進(jìn)行頻域和空域編碼將同一組數(shù)據(jù)承載在不同的子載波上面獲得頻率分集增益下行MIMO技術(shù)發(fā)射分集 多個(gè)天線接收來自多個(gè)信道的承載同一

12、信息的多個(gè)獨(dú)立的信號(hào)副本，由于信號(hào)不可能同時(shí)處于深衰落情況中，因此在任一給定的時(shí)刻至少可以保證有一個(gè)強(qiáng)度足夠大的信號(hào)副本提供給接收機(jī)使用，從而提高了接收信號(hào)的信噪比。下行MIMO技術(shù)接收分集下行MIMO技術(shù)空間復(fù)用技術(shù) 發(fā)射的高速數(shù)據(jù)被分成幾個(gè)并行的低速數(shù)據(jù)流，在同一頻帶從多個(gè)天線同時(shí)發(fā)射出去。由于多徑傳播，每個(gè)發(fā)射天線對(duì)于接收機(jī)產(chǎn)生不同的空間簽名，接收機(jī)利用這些不同的簽名分離出獨(dú)立的數(shù)據(jù)流，最后再復(fù)用成原始數(shù)據(jù)流。因此空間復(fù)用可以成倍提高數(shù)據(jù)傳輸速率。LTE系統(tǒng)支持基于多碼字（Multiple CodeWord，MCW）的空間復(fù)用傳輸。MCW指的是用于空間復(fù)用傳輸?shù)亩鄬訑?shù)據(jù)來自于多個(gè)不同的獨(dú)

13、立進(jìn)行信道編碼的數(shù)據(jù)流，每一個(gè)碼字可以獨(dú)立地進(jìn)行速率控制，分配獨(dú)立的混合自動(dòng)重傳請(qǐng)求（Hybrid Automatic Repeat-reQuest，HARQ）。下行MIMO技術(shù)空間復(fù)用技術(shù)多碼字空間復(fù)用傳輸示意圖下行MIMO技術(shù)復(fù)用信號(hào)處理波束賦形是一種應(yīng)用于小間距的天線陣列多天線傳輸技術(shù)，其主要原理是利用空間的強(qiáng)相關(guān)性及波的干涉原理產(chǎn)生強(qiáng)方向性的輻射方向圖，使輻射方向圖的主瓣自適應(yīng)的指向用戶來波方向，從而提高性噪比，提高系統(tǒng)容量或者覆蓋范圍。下行MIMO技術(shù)波束賦形技術(shù)波束賦形示意圖下行MIMO技術(shù)波束賦形技術(shù)單流和多流波束賦形當(dāng)基站將占用相同時(shí)頻資源的多個(gè)數(shù)據(jù)流發(fā)送給不同的用戶時(shí)，即為多

14、用戶MIMO（ MU-MIMO ），或者叫做空分多址（SDMA）。MU-MIMO有兩種實(shí)現(xiàn)方式：每用戶酉速率控制（Per-User Unitary Rate Control，PU2RC）和迫零（Zero Forcing，ZF）波束賦形。下行MIMO技術(shù)多用戶MIMO下行SU-MIMO和MU-MIMO第二部分 LTE關(guān)鍵技術(shù)之MIMO第一章 MIMO技術(shù)簡介第二章 下行MIMO技術(shù)第三章 上行MIMO技術(shù)上行MIMO技術(shù)天線選擇天線選擇方案框圖與下行相同，為了滿足E-UTRA的需求，LTE系統(tǒng)支持上行應(yīng)用MIMO技術(shù)，包括空間復(fù)用和傳輸分集，兩種技術(shù)與下行技術(shù)相同。上行MIMO對(duì)終端天線的要求較高。為了節(jié)省功率和降低射頻開銷，在終端側(cè)期望使用更小數(shù)目的功放，另一方面為了改善應(yīng)用可達(dá)到的數(shù)據(jù)速率和提供更大范圍的覆蓋，上行MIMO引入天線選擇技術(shù)。上行傳輸天線選擇技術(shù)前提：終端存在兩個(gè)或者更多天線。上行MIMO技術(shù)多用戶MIMO上行SU-MIMO和MU-MIMO與下行多用戶MIMO不同，上行多用戶MIMO是一個(gè)虛擬的MIMO系統(tǒng)，即每