第19讲 4G移动通信系统-2

24G移动通信系统内容提要14G发展背景24G网络结构34G协议栈44G核心技术5LTE系统的无线接口64G增强技术第一次课第二次课上次课重点回顾4G移动通信系统有何基本特征？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？从信号处理角度，MIMO技术可分为哪三类？为何Alamouti码为可实现空间分集？为何LST码为可实现空间复用？本次课的要求与重难点要求与重点1.理解OFDM技术的基本原理。2.了解4G增强技术的基本原理。3.理解4G三种信道之间的映射关系。重点：OFDM技术的基本原理难点：OFDM信号可用IDFT实现的原理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？64G移动通信系统14G发展背景24G网络结构34G协议栈44G核心技术5LTE系统的无线接口64G增强技术4G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……•随着无线数据速率的不断提高，无线通信系统的性能不仅仅受到噪声的限制，更主要受制于无线信道时延扩展所带来的码间串扰。•为了传输高速数据业务，必须采用措施消除码间串扰。–经典的抗码间干扰方法是信道均衡，但在采用单载波均衡的情况下，往往要设计抽头系数很大的均衡器，这是现有技术难以支持的。–同样，在现有技术条件下，采用CDMA技术来传输高速数据业务也十分困难。OFDM技术•研究表明，在传输5Mbit/s以上的高速数据业务时，采用OFDM技术既能抗码间串扰，又能支持高速的数据业务，且不需要复杂的信道均衡器。因此，4G选用了OFDM技术。•OFDM的出发点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。•对于低速并行的子载波而言，由于符号周期展宽，多径效应造成的时延扩展相对变小，码间串扰几乎就可以忽略。OFDM技术正交频分复用——OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing(OFDM)，也被称为离散多音调制。OFDM的发展简史最早起源于20世纪50年代中期。20世纪60年代就已形成了使用并行数据传输和频分复用的概念，但因使用模拟滤波器复杂度较高，发展缓慢。1971年Weinstein和Ebert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，该方法为OFDM的实用化奠定了理论基础。20世纪80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。OFDM技术OFDM的发展简史（续）20世纪90年代，随着DSP和VLSI技术的发展，OFDM开始得到广泛应用，如数字音频广播、非对称数字用户环路（ADSL）、无线局域网等。近期，人们用OFDM技术解决高速信息流在无线信道中的传输问题，如4G、WLAN、HDTV等。OFDM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（即多载波传输系统）。OFDM技术抗多径衰落的典型方法单载波TDMA接入使用均衡器，如GSM中26比特长的训练序列问题：高速数据流的符号宽度相对较窄，符号之间会存在比较严重的符号间干扰（ISI），导致需要很长的抽头系数，均衡器复杂！单载波CDMA接入使用扩频调制，如IS-95CDMA中的m序列问题：在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！随着数字信号处理技术的飞速发展，OFDM成为4G中有效抗多径衰落的高速传输技术。OFDM技术OFDM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（ISI），减少了接收机内均衡的复杂度。OFDM技术OFDM技术的优点与常规的频分复用系统不同，OFDM系统中的各个子载波之间相互正交，频谱利用率高。当子载波个数很大时，系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OFDM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MC-CDMA、跳频OFDM以及OFDM-TDMA等等，使多个用户可以同时利用OFDM技术进行信息的传输。OFDM技术的缺点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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加，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，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，使系统性能恶化。OFDM技术OFDM系统收发机的典型框图OFDM技术OFDM系统收发机的关键模块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OFDM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。子载波调制一个符号之内包含多个经过相移键控（PSK）或者正交幅度调制（QAM）的子载波。OFDM技术OFDM系统收发机的关键模块DFT实现傅立叶变换将时域与频域联系在一起。DFT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（FFT）仅是DFT计算应用的一种快速数学方法。对于子载波数N比较大的系统，OFDM的复等效基带信号可以采用离散傅立叶逆变换(IDFT)实现，这极大地促进了OFDM技术的迅速发展。下面进行简单的推导：OFDM技术OFDM系统收发机的关键模块——DFT实现设OFDM信号发射周期为[0,T],T内并传的N个符号为(d0d1……dN-1)，第k个符号dk调制第k个子载波，则在[0,T]内的任一时刻t，OFDM信号可表示为：2kjfte120()t[0,T]NjktTkkstde离散化后为:120(01)NjikNikksdeiN在接收端，为了恢复出原始的数据信号，可以对si做DFT得：120(01)NjikNkiidsekNOFDM技术OFDM系统收发机的关键模块——DFT实现上述分析说明：OFDM系统的调制和解调可以分别由IDFT/DFT来代替：在发射端通过N点的IDFT运算，把频域数据符号dk变换为时域数据符号si，经过射频载波调制之后，发送到无线信道中在接收端通过N点的DFT运算，把接收到的时域数据符号xi变换为频域数据符号dk。在OFDM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。OFDM技术SC-FDMA多址方式的实现4G上行采用SC-FDMA多址接入，其实现是基于DFT-S-OFDM调制方案，与OFDM相比，具有较低的PAPR。OFDM技术011,,,MdddSize-MDFTSize-NIDFTM00NCPD/A变换xtDFT-S-OFDM调制原理图SC-FDMA多址方式的实现DFT-S-OFDM的调制过程是以长度为M的数据符号块为单位完成的，具体如下：1）通过DFT离散傅里叶变换，获取该时域离散序列的频域序列。2）DFT的输出信号送入N点离散傅里叶反变换IDFT中，其中，IDFT多出的那一部分长度用0补齐。3）在IDFT之后，为避免符号干扰，同样为该组数据添加循环前缀。OFDM技术NM利用DFT-S-OFDM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，只需要改变不同用户DFT的输出到IDFT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。OFDM技术信道编码/交织/加扰QAM调制（QPSK/16QAM/64QAM）DFT子载波映射IFFT加CP时域时域频域某用户的波形频率总的射频带宽基于DFT-S-OFDM的SC-FDMA信号生成方案示意图数字音频广播（DAB）是第一个正式使用OFDM的标准，1995由ETSI制定。系统存在的主要问题：1、信号的时延大，例如，当两个发射机相距40km时，时延达到133s；2、频谱利用率要求高。采用OFDM方案！有四种模式，每种模式利用不同组的OFDM参数，其中模式1~3适用于特定的频段，而模式4可以提供更好的覆盖范围，但是它更容易受到多普勒频移的影响。模式1适用于地面单频网络；模式2适用于常规的地面本地广播；模式3适用于卫星广播。具体模式的OFDM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375MHz1.5GHz3GHz1.5GHz发射机距离96km24km12km48kmDABDAB的四种传输模式：OFDM技术应用举例（1）无线局域网（WLAN）在新一代WLAN标准——IEEE802.11a和欧洲ETSI的HiperLAN/2中，均采用了OFDM技术。IEEE802.11a标准工作在5GHz频带，采用OFDM调制技术，使用基于CSMA/CA的分布式媒体接入控制（MAC），速率可达54Mbit/s。HiperLAN/2标准工作在5GHz频带，应用了OFDM和链路自适应技术，采用基于无线ATM的集中式管理MAC，最高速率可达54Mbit/s，实际应用最低也能保持在20Mbit/s左右。OFDM技术应用举例（2）移动通信系统是一个资源受限的系统，因此，如何高效地利用有限的无线资源来满足剧增的用户需求已经成为移动通信业界的一大难题。无线资源管理技术对有限的无线资源的估计干扰监测信道状态小区负荷监测无线资源限制业务的QoS需求干扰监测信道状态小区负荷监测不同的业务类型接入选择与控制………...排队机制...业务调度速率/功率控制、分配与调度其他资源控制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。•无线资源管理的限制因素–用户动态需求–信道动态时变–用户位置动态变化无线资源管理技术•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）4G移动通信系统14G发展背景24G网络结构34G空中接口44G关键技术5LTE系统的无线接口64G增强技术30LTE系统的帧结构FDD帧结构该帧结构适用于全双工和半双工FDD模式。一个无线帧长度为10ms，包含10个子帧。每个子帧包含2个时隙，每个时隙长度为0.5ms。LTE系统的无线接口#0#1#2#18#19……一个无线帧T=10ms一个时隙Ts=0.5ms一个子帧#3LTEFDD模式帧结构LTE系统的帧结构TDD帧结构该帧结构适用于TDD模式。如图9-15所示，每个无线帧由两个半帧构成，每个半帧长度为5ms。每个半帧又由8个常规时隙和3个特殊时隙（DwPTS、GP、和UpPTS）构成。LTE系统的无线接口LTEFD