第二章-TD-LTE关键技术

第二章TD-LTE关键技术LTE无线技术要点1个架构：E-UTRAN扁平架构2个帧结构：FS1（FDD）、FS2（TDD）3个关键技术：OFDMA/SC-FDMA、MIMO、小区间干扰抑制4种资源分配方式：下行集中式、下行分布式、上行集中式、上行跳频。5个物理过程：小区搜索、随机接入、功控、测量、共享信道过程6+1个天线端口：下行4天线MIMO、MBSFN、Beamforming上行单天线7+2个传输模式：下行7个MIMO传输模式上行单天线+MU-MIMO8个物理信道：PDSCH、PDCCH、PBCH、PCFICH、PHICH、PUSCH、PUCCH、PRACH2目录TD-LTE无线关键技术1个架构2个帧结构3个核心技术4种资源分配方式5个物理过程6+1个天线端口7+2个传输模式8个物理信道3扁平RAN架构4LTE接入网络的简化5目录TD-LTE无线关键技术1个架构2个帧结构3个核心技术4种资源分配方式5个物理过程6+1个天线端口7+2个传输模式8个物理信道62种帧结构72种TDD帧结构的融合8TD-LTE帧结构上下行配比9TD-LTE帧结构特殊时隙结构10目录TD-LTE无线关键技术1个架构2个帧结构3个核心技术4种资源分配方式5个物理过程6+1个天线端口7+2个传输模式8个物理信道11LTE所依赖的3个核心技术OFDMA/SC-FDMA简洁的宽带扩展能力获得高峰值速率的“正交传输”MIMO技术的“最佳搭档”MIMOLTE高频谱效率的主要来源小区间干扰抑制解决OFDMA同频组网的潜在问题缩小MIMO带来的数据率差异性12为什么宽带数据接入要采用OFDM和MIMO？OFDM和MIMO的优势正是数据业务所需要的——峰值速率和短时用户感受OFDM是正交系统，无用户间干扰，有利于MIMOMIMO是目前提高峰值速率的主要手段用户希望“网速快”，哪怕只在某些环境下快也行OFDM和MIMO的劣势是对数据业务相对次要的因素——覆盖和公平性OFDM系统的小区间干扰和高峰平比将造成更严重的小区边缘性能下降使用MIMO的环境主要出现在小区中心或热点但Internet用户已经习惯了“尽力而为”的QoS/QoE13目录TD-LTE无线关键技术1个架构2个帧结构3个核心技术——OFDMA/SC-FDMA4种资源分配方式5个物理过程6+1个天线端口7+2个传输模式8个物理信道14OFDM是新技术吗？——不是OFDM（正交频分复用）的本质就是一个频分系统，而频分是无线通信最朴素的实现方式多采用几个频率并行发送，实现宽带传输生活中的频分系统：CDMA是具有较深理论内涵的技术，很难用现实生活中的实例解释。15OFDM是新技术吗？——是传统FDM系统中，载波之间需要很大的保护带，频谱效率很低。OFDM系统允许载波之间紧密相临，甚至部分重合，可以实现很高的频谱效率——子载波。如何做到这一点？依赖FFT（快速傅立叶变换）为什么直到最近20年才逐渐实用？有赖于数字信号处理（DSP）芯片的发展。16OFDM发射机结构OFDM发射机的两个核心模块：IFFT（逆FFT）：将大量的窄带（子载波）频域信号（频域上映射的信号），经过IFFT后形成时域信号加入循环前缀（CP）：将每个OFDM符号的尾部一段复制到符号之前17OFDM调制的核心操作18OFDM是为了用于多径衰落信道而设计的19应对频选衰落：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20应对符号间干扰：插入CP21OFDM的优势22OFDM的潜在问题23OFDM参数设计需要设计的参数：频域：子载波间隔、资源块大小CP长度、时隙/子帧长度24OFDM子载波间隔Δf设计Δf不能太小：必须能容忍需要支持的车速下的多普勒频移（器件相位噪声相对影响很小）Δf不能太大：T过小，则CP开销过大典型Δf值：10-20kHzLTE：15kHz（符号长度66.67μs）；WiMAX：10.98kHz；UMB：9.6kHz25OFDMCP长度设计CP不能太小：必须能覆盖主要多径的时延扩展，容忍一定的定时误差。CP不能太大：开销过大CP可以采用多个选项：LTE：常规CP：4.687ms扩展CP：16.67ms超长CP：33.33ms26复用和多址的概念27从FDM/FDMA到OFDM/OFDMA28目录TD-LTE无线关键技术1个架构2个帧结构3个核心技术——MIMO4种资源分配方式5个物理过程6+1个天线端口7+2个传输模式8个物理信道29MIMO的定义广义定义：多进多出（Multiple-InputMultiple-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特例：SIMO（单进多出）和MISO（多进单出）30MIMO技术的分类从MIMO的效果分类：空间分集（SpatialDiversity）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。空分复用（SpatialMultiplexing）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（CQI不算）：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31空间分集基本原理32空间分集的分类通过天线之间的不相关性（天线间距通常10λ以上），采用多个天线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。分集的目的是提高链路质量（BLER），而非提高链路容量，但可以通过改进链路预算，增大小区覆盖。接收分集：采用多个天线接收一个信号流，避免单个天线陷入深度衰落。——最广泛采用的MIMO技术发射分集：采用多个天线发送一个信号流，避免单个天线陷入深度衰落。简单分集：多个天线发送完全相同的样本（不需要标准化）编码分集：多个天线发送一个数据流的不同版本（如不同相位）选择分集：在同一时间只选择一个信道较好的天线发送（经常用于终端侧，适于只有一个发射功放的终端）波束分集：由预编码赋形波束，而非实体天线进行分集操作发射分集一般采用开环方式，所以非常适合在广播信道/控制信道中及高速移动场景中采用（此时尚无法获得信道反馈）。33空间分集算法最常用的发射分集技术包括：空时块码（STBC，Space-TimeBlockCodes）空频块码（SFBC，Space-FrequencyBlockCodes）循环延迟分集（CDD，CyclicDelayDiversity）天线阵元之间采用不同的发射延迟，加强信道的频率选择性，以获得更大的频域调度增益和频率选择性增益。34空间复用基本原理35空间复用要求的天线类型36空间复用的干扰问题可以看到：空间复用的应用效果取决于是否能有效区分多个天线，如果天线间干扰过大，甚至性能差于单天线发送。解决方法：事后处理：干扰消除（性能好的算法复杂度较高，如迭代干扰消除事前处理：自适应MIMO（在天线相关性较高的场景，降低复用流数，甚至退化到单流，此时多余的天线还可以用来进行空间分集或波束赋形）37空间复用的应用场景拉大天线间距也不能保证天线信道之间的低相关性，还取决于是否有足够的散射体为多个天线提供足够的信道差异：富散射环境：基站或/和终端周围的散射体很多，存在相当数量的NLOS径，角度扩展较大，比较容易生成信道差异。非富散射环境：基站和终端周围的缺乏足够的散射体，NLOS径很少，角度扩展较小，很难生成信道差异。观点：MIMO只能用于室内？MIMO只能用于微小区？对传统网规的挑战：选址的原则可能改变。38空间复用技术分类解决空间复用适用性，灵活实现空间复用和空间分集/波束赋形的切换和整合，需采用闭环自适应MIMO方法：开环（Open-Loop）空间复用不管信道条件，采用固定的复用流数。由于MIMO信道的相关性有各种差异，能够支持的复用层数也不同。所以开环空间复用的流间串扰有时很难消除，性能很难保证，可能造成多流并行传输的性能比单天线传输还差。闭环（Close-Loop）空间复用发射端事先掌握信道的先验信息（通常通过基于SoundingRS的信道探测获得），采用适合无线信道现实条件的复用流数。可以灵活支持各种MIMO信道相关性，实现各种流数，保证空间复用的传输性能，简化接收端的干扰消除操作。最常用的闭环空间复用技术：预编码（Precoding）技术通过预编码矩阵动态配置各发射天线的发射权值和相位，形成和信道条件相匹配的流数（通常用信道相关矩阵的秩指示）的“波束”（和“波束赋形”的波束生成方法相似，但内在原理不同）。39预编码空间复用码本预编码：主要用于FDD系统，系统将可能会使用的典型预编码向量变成一个“码本”（codebook），终端根据基站发送的RS对信道进行探测，在码本中选择最适合的预编码向量，将其编号（PMI）反馈给基站，基站根据PMI从码本中选择对应的预编码向量进行传输。非码本预编码：主要用于TDD系统，由于上下行信道具有互异性，激战可以通过终端的探测RS对上行信道进行探测，直接生成适合的预编码矩阵（不受码本容量的限制），用于下行预编码传输。40波束赋形基本原理利用较小间距的天线阵元之间的相关性（天线间距通常为λ/2），，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。41其他类型的波束赋形天线42波束赋形的分类波束赋形包括：动态波束赋形（俗称智能天线）固定波束赋形（又称高阶扇区化）43波束赋形算法和预编码技术相似，波束赋形系统的波束也是通过预编码方法生成的，但和码本预编码MIMO不同，动态波束赋形的权值仅仅需要匹配信道的慢变化，比如来波方向（DirectionOfArrival，DOA）和平均路损。因此生成的是实际波束，而预编码技术生成的是虚拟的波束。在TDD系统中，可以不依赖终端来反馈所需信息，来波方向和路损信息可以在基站侧通过测量上行接收信号获得，比FDD系统更有利于波束赋形的使用。44多流波束赋形基于波束赋形的空间复用45空分多址的原理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，或从多个终端并行接收数据流，以提高用户容量。又可以称为多用户MIMO（MU-MIMO），相对单用户MIMO（SU-MIMO），空分多址可以获得更大的多用户分集增益，也更适合于用户数量较多，数据率较低的情况（如提高VoIP用户容量）。46上行和下行空分多址下行空分多址：基站将多个空间复用流分给多个终端，使其可以共享相同的时频资源。上行空分多址：多个终端共享相同的时频资源向基站发送。47空分多址的实现基于预编码的空分多址：下行空分多址：如果2个终端反馈的PMI现实他们的预编码向量具有较好的正交性（如两个预编码向量处于码本的1个预编码矩阵中），则可以将这2个用户“配成一对”，进行空间多址传输。基站也可以根据需要，对选中不完全正交的PMI的用户进行强