01-LTE网络规划设计与施工建设培训-LTE关键技术

LTE系统关键技术2前言LTE关键技术OFDM多天线技术3需要解答的疑惑OFDM什么是子载波？什么是OFDM符号，什么是CP，CP的作用OFDM的主要优缺点MIMO什么是MIMOMIMO的增益LTEMIMO的种类4提纲MIMO技术在LTE中的应用MIMO系统的性能增益分析MIMO系统的极限容量OFDM关键技术OFDM基本原理小结5无线通讯基本原理1.通讯双方处理过程完全按照一份协议实现，整个处理过程已知2.唯有无线信道未知3.两种方式解决未知信道的问题：固定发送数据的种类，收端不断匹配，盲解发送训练序列（已知序列），获取信道4.无线通讯的关键和难点：获取信道相关信息，掌握得越准确，越能准确高效传输信源编码加CRC交织加扰调制无线信道解调制解扰解交织译码6Page6为什么引入OFDM无线信道的特性：频域选择性衰落（相干带宽）、时间选择性衰落（相干时间）模型A，PA3km/h模型B，PB10km/h模型C，VA30km/h模型D，VA120km/h模型E静止模型，Doppler=1.5Hz7Page7为什么引入OFDM单载波系统和多载波系统通常我们采用的通信系统是单载波方案（如GSM），这种系统在数据速率不高时，信号带宽小于信道的相干带宽，接收端符号间干扰（ISI）不严重，只要采用简单的均衡器（Equalizer）就可以消除符号间干扰。随着数据速率的提高，信号带宽大于信道的相关带宽，均衡器的抽头数量和运算的复杂性提高，使用均衡器对宽带高速率系统不合适,特别是多用户系统.多载波系统通过把高速的串行数据流变成几个低速并行的数据流，同时去调制几个载波，这样在每个载波上的符号时长增加，由于信道时延扩展引起的ISI减小，同时，由衰落或干扰引起接收端的错误得以分散。多载波调制的方案有多种：传统频分复用、3dB频分复用、OFDM,etc由于OFDM的频谱利用率最高，又适于用FFT算法处理，近年来在多种系统得到成功的应用，在理论和技术上已经成熟，因此被WiMAX,3GPP/3GPP2等广泛采用作为第四代移动通讯主流无线接入技术。8Page8OFDM基本原理9Page9OFDM基本原理10Page10OFDM基本原理OFDM系统的基本模型如下：S/P…信道…∑tje0tje1tjNe1tje0tje1tjNe1S(t)d0d1dN-1∫∫∫P/S^0d1^d^1Nd11Page11OFDM基本原理OFDM信号的循环前缀•空白保护间隔•第二径的频谱•循环前缀X(k)Y(k)X(k)Y(k)Tg符号积分时间Ts符号传输周期Tpath1path2多经时延τ12Page12从OFDM到OFDMAOFDM符号的时频结构13Page13OFDMA基本原理LTE基带框图•OFDMA系统基本框图•WiMAX/UMB/LTE基带框图信源加CRC编码交织加扰调制子载波映射IFFT加CP加窗无线信道时频同步去CPFFT子载波解映射信道估计均衡解调解扰解交织译码CRC校验信宿14Page14OFDMA与CDMA接收机比较CDMA的多径搜索:多径搜索的目的：找到各个径的时延信息，通过多径分离得到单径信号，克服频率选择性衰落。插值滤波多径分离多径搜索解调译码多径时延信息2倍码片速率基带数据8倍码片速率1倍码片速率手机天线发射数据基站天线接收数据=各径信号+干扰+噪声幅度径1，延迟t1径2，延迟t2径3，延迟t3t幅度t幅度tt幅度t幅度15Page15OFDMA与CDMA接收机比较OFDMA与CDMA接收机主要异同Bit级处理两种体制相同。Bit级处理主要包括解扰、解交织、译码、CRC校验等。CDMA解调需要每个用户每个径单独解调，然后再进行用户的多径合并，多径搜索、解调的运算量很大。OFDMA只采用一次FFT就完成了所有用户的数据分离，解调算法简单，实现容易，成本低。CDMA采用扩频机制，其接收信噪比要求较低，量化位宽比较小(4bits);OFDMA子载波的信噪比直接影响解调，量化噪声要求严格,量化位宽比较大，一般为16位。CDMA的接收机可以针对每个用户进行频偏校正和补偿，OFDMA的频偏校正只能由终端完成，BS无法对各个用户单独纠偏16Page16OFDM系统的主要优点消除或减小ISIOFDM把高速串行数据变成低速并行数据传输，增加每个符号的周期长度，从而有效对抗无线信道的时延扩展，减小ISI(一般情况下可完全消除)。频谱利用率高,和CDMA在同一水平传统FDM是用滤波器把整个频带分割成互不重叠的子载波，子载波之间的保护频带很宽，OFDM允许子载波频谱交叠，从而提高频谱利用效率。可利用FFT实现调制解调OFDM用IFFT和FFT实现信号的调制与解调，目前FFT易于用DSP或FPGA实现，比之用传统的滤波器实现容易，器件非常成熟。空口资源分配灵活方便时频资源粒度小,按需分配很方便灵活。受频率选择性衰落影响小由于无线信道的频率选择性衰落，因此可以通过动态比特分配和动态子信道分配，充分利用信噪比高的子信道，提高系统性能。易于构成OFDMA系统,易于和MIMO等技术结合使用OFDM易于与其他多址方式组合构成灵活的多址接入系统，如多载波码分多址（MC-CDMA）,跳频OFDM（FH-OFDM）,OFDM-TDMA等。抵抗窄带干扰OFDM通过把高速串行数据映射到并行的多个子载波上，窄带干扰只能影响一部分子载波，接收端可以通过纠错译码恢复干扰引起的错误。17Page17OFDM系统的主要缺点易受频率偏差的影响OFDM的子载波互相交叠，只有保证接收端精确的频率取样才能避免子载波间干扰。由于无线信道的时变性，在传输过程中的时延扩展会引起接收端频率偏移，无线终端移动引起的Doppler频移也会使接收端发生频率偏移，接收端本地振荡器与发射端的频率偏差也是一种频率偏移。频率偏移会引起子载波间干扰（ICI），对频率偏移敏感是OFDM的缺点之一。时间同步要求OFDM的子载波正交性要求信号落入FFT窗口内,因此同步网络最方便组网,特别是对FFR等干扰管理技术;上行要求调整信号发射提前/延后时间;较高的峰均比（PAR）OFDM发送端输出信号是多个子载波相加的结果，目前应用的子载波数量从几十个到几千个，如果各个子载波同相位，相加后就会出现很大的幅值，即调制信号的动态范围很大，这对后级RF功率放大器提出了很高的要求。信道容量的劣势信息论指出,信号正交方式(TDMA,FDMA,OFDMA等)的多用户复用比CDMA在信道容量上要差.但以目前的器件实现水平该问题并不明显,甚至是优势.18OFDM技术的优缺点优点频谱利用率高抗多径干扰抗频率选择性衰落信道估计与均衡实现简单缺点对频率偏移特别敏感多普勒频谱扩展会引起ICIOFDM系统的PAPR较大19优点1：频谱利用率高OFDM系统中各个子载波之间是彼此重叠、相互正交的，从而极大提高了频谱利用率20优点2：有效抵抗多径干扰21优点3：有效抵抗频率选择性衰落0100200300400500600-30-25-20-15-10-50510FrequencyFrequencySlectiveFading22OFDM技术的缺点OFDM技术最大的缺点是对频率偏移特别敏感，收发两端晶振的不一致会引起ICI，虽然在接收端可以通过频率同步来获取频率偏移并进行校正，但由于频偏估计的不精确而引起的残留频偏将会使信号检测性能下降在移动环境下，由于终端移动而引起的多普勒频谱扩展，同样会引起ICI，这就要求系统设计时合理地配置各种参数以尽量降低ICI对检测性能的影响OFDM系统的PAPR较大，对功放和削波提出了更高的要求23OFDM技术的模拟基带实现主要思想：将数据进行串并转换，得到N路并行的数据流，并将它们调制到相互正交的子载波上，各个子载波的频谱相互交叠下面的式子可以保证子载波之间的正交性•在接收端对其进行相关解调时，24OFDM技术的数字基带实现示意图下图描述了OFDM系统在发射端用IFFT来实现多载波叠加的过程。由前面的公式可以得出，对发射序列进行IFFT之后所得到的，恰好是模拟基带实现时多载波叠加后数据的采样序列，对其进行D/A转换，即可得到模拟基带实现时的发射信号tje0tjNe1S0,ns1,Nns•P/S•IDFT0,ns1,Nns•D/A25OFDM系统实现框图P/SIFFTS/Ps(t)AddCyclicPrefixn(t)S/PFFTP/Sr(t)RemoveCyclicPrefixTransmitterReceiverChannel26提纲MIMO技术在LTE中的应用MIMO系统的性能增益分析MIMO系统的极限容量OFDM关键技术OFDM基本原理小结27时频同步信道估计PAPR抑制动态资源分配OFDM关键技术28时频同步－保护间隔•第1径•第2径•第1径•第2径无保护间隔有保护间隔29时频同步－循环前缀30时频同步－循环前缀31时频同步－频率同步的影响下图显示，频率不同步将直接引入ICI，而且ICI的影响要比ISI的影响大得多，所以在OFDM系统中，频率同步的精度要求比符号同步高32OFDM系统信道估计信道估计的作用：估计信道衰落系数(包括幅度和相位)，以实现相干解调资源：利用训练序列进行信道估计利用导频子载波进行信道估计方法：最小二乘（LS）最小均方误差（MMSE）利用训练序列进行信道估计通常进行一维（频域）插值，利用导频子载波进行信道进行估计，要进行时频二维插值，一般采用线性插值即可满足要求33OFDM峰均比主要原因是OFDM最后的功率是多个信号功率的叠加，由于每个信号的变化没有规律，因此最终叠加后的功率变化就很大SC-FDMA也有幅度和功率变化，但每个用户的发送信号与单载波相同，没有叠加的因素,因此功率的变化就要相对小很多上行采用SC-FDMA以改善蜂均比DFTSub-carrierMappingCPinsertionSize-NTXSize-NFFTCodedsymbolrate=RNTXsymbolsIFFT34SC-FDMA•为了保证上行单载波特性，当数据和控制信令同时传输时，控制信令和数据在DFT前需要进行复用35OFDM峰均比上行采用SC-FDMA以改善蜂均比36OFDM系统的动态资源分配OFDM系统中可供分配的资源包括功率、子载波、编码调制方式根据信道质量为每个用户动态分配最优子载波根据信道质量为每个子载波动态分配合适的编码调制方式根据注水定理，通过合理的资源分配使系统容量最大化或者发射功率最小化将QoS与动态资源分配相结合，考虑业务需求和公平性将功率分配与远近效应相结合，尽量降低自干扰37提纲MIMO技术在LTE中的应用MIMO系统的性能增益分析MIMO系统的极限容量OFDM关键技术OFDM基本原理小结38引言随着Turbo编码及LDPC编码的成熟和实用化，实际时频通信系统基本上逼近了Shannon给出的最高效率：MIMO技术：利用空间维度资源在发射端和接收端同时采用多天线技术在不增加发射功率和带宽的前提下，成倍地提高无线通信系统的传输容量容量的提升与天线数目成比例关系HzsbNPCT//1log0239LTE的性能目标与峰值速率LTE的性能目标在20MHz的带宽下,下行峰值速率达到100Mbps在20MHz的带宽下,上行峰值速率达到50MbpsLTE峰值速率资源块(RB)-频域:12个子载波;时域:1个时隙(0.5ms)64QAM调制:1个符号可传6个比特无线资源块:20MHz共有100RBs短CP，每个子帧14个符号，假设其中2个符号用于控制信息理论峰值速率计算•SISO：12*（14-2）*6*100*1000=86.4Mbps•MIMO(2*2):2*86.4=172.8MBps40MIMO系统的极限容量MIMO(MultipleInput