關(guān)鍵技術(shù)二OFDMMIMO

1、LTE知識(shí)點(diǎn)梳理（二）：TD-LTE系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)1.1 多址傳輸方式 多址接入技術(shù)（Multiple Access Techniques）是用于基站與多個(gè)用戶之間通過(guò)公共傳輸媒質(zhì)建立多條無(wú)線信道連接的技術(shù)。移動(dòng)通信系統(tǒng)中常見(jiàn)的多址技術(shù)包括頻分多址（Frequency Division Multiple Access，F(xiàn)DMA）、時(shí)分多址（Time Division Multiple Access，TDMA）、碼分多址（Code Division Multiple Access，CDMA）、空分多址（Space Division Multiple Access，SDMA）。FDMA 是以不同的頻

2、率信道實(shí)現(xiàn)通信。TDMA 是以不同的時(shí)隙實(shí)現(xiàn)通信。CDMA 是以不同的代碼序列來(lái)實(shí)現(xiàn)通信的。SDMA 是以不同方位信息實(shí)現(xiàn)多址通信。 正交頻分多址接入技術(shù)（Orthogonal Frequency Division Multiple Access，OFDMA）是后 3G 時(shí)代主要的一種接入技術(shù)。其基本思想是把高速數(shù)據(jù)流分散到多個(gè)正交的子載波上傳輸，從而使單個(gè)子載波上的符號(hào)速率大大降低，符號(hào)持續(xù)時(shí)間大大加長(zhǎng)，對(duì)因多徑效應(yīng)產(chǎn)生的時(shí)延擴(kuò)展有較強(qiáng)的抵抗力，減少了符號(hào)間干擾（Inter Symbol Interference，ISI）的影響。通常在 OFDM 符號(hào)前加入保護(hù)間隔，只要保護(hù)間隔大于信道的時(shí)

3、延擴(kuò)展則可以完全消除符號(hào)間干擾。在 TD-LTE 系統(tǒng)中，下行方向上采用了OFDMA的多址方式，而上行方向，采用了具有單載波峰均比特征的SC-FDMA多址方式。 OFDM系統(tǒng)原理與實(shí)現(xiàn)（1）OFDM概念OFDM將一個(gè)寬頻信道分成若干正交子信道，將高速數(shù)據(jù)信號(hào)轉(zhuǎn)換成并行的低速子數(shù)據(jù)流，調(diào)制到每個(gè)子信道上進(jìn)行傳輸。OFDM系統(tǒng)允許各子載波之間緊密相臨，甚至部分重合，通過(guò)正交復(fù)用方式避免頻率間干擾，降低了保護(hù)間隔的要求，從而實(shí)現(xiàn)很高的頻譜效率。OFDM原理圖（2）OFDM基本特點(diǎn)l 發(fā)射機(jī)在發(fā)射數(shù)據(jù)時(shí)，將高速串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為低速并行，利用正交的多個(gè)子載波進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；l 各個(gè)子載波使用獨(dú)立的調(diào)制器和解調(diào)

4、器；l 各個(gè)子載波之間要求完全正交、各個(gè)子載波收發(fā)完全同步；l 發(fā)射機(jī)和接收機(jī)要精確同頻、同步；l 接收機(jī)在解調(diào)器后端進(jìn)行同步采樣，獲得數(shù)據(jù)，然后轉(zhuǎn)為高速串行；l OFDM多載波傳輸，載波間相互重疊，具有很高的頻譜利用率。（3）OFDM系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)OFDM實(shí)現(xiàn)的主要相關(guān)模塊有以下三部分：1）串/并、并/串轉(zhuǎn)換模塊；2）FFT、逆FFT轉(zhuǎn)換模塊；3）加CP、去CP模塊。OFDM系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)模型1）并行傳輸多徑效應(yīng)對(duì)信號(hào)的影響，由于信號(hào)發(fā)射后受空間環(huán)境的影響，到達(dá)接收端時(shí)會(huì)造成到達(dá)的時(shí)間和信號(hào)強(qiáng)度的差異，到達(dá)時(shí)間的差異稱為多徑時(shí)延，到達(dá)的強(qiáng)度不同稱為選擇性衰落，其中在寬帶傳輸系統(tǒng)中不同頻率在空間的衰落是

5、不同的，稱為頻率選擇性衰落。多徑時(shí)延會(huì)引起符號(hào)間的干擾（ISI），OFDM系統(tǒng)中，并行傳輸降低ISI。用戶的高速數(shù)據(jù)流經(jīng)串/并轉(zhuǎn)換后變?yōu)榈退俅a流。這樣使每個(gè)碼元的傳輸周期（T）大大增加，多徑時(shí)延比碼元周期小時(shí)，自干擾就相應(yīng)降低。此外，并行傳輸時(shí)將寬帶單載波轉(zhuǎn)換為多個(gè)窄帶子載波可以認(rèn)為是水平衰落信道，每個(gè)子載波的信道相應(yīng)近似無(wú)失真。2）FFT（傅里葉變換），IFFT（逆變換）對(duì)于OFDM 來(lái)說(shuō)，最難的還是在于如何保證各個(gè)子載波間的正交，其重要的一點(diǎn)就是利用了快速傅里葉變換，還有就是近代芯片運(yùn)算能力的增加。傅里葉變換本身很復(fù)雜（LTE 用的是快速傅里葉變換，l簡(jiǎn)單了很多），下面是個(gè)簡(jiǎn)化版的公式看公

6、式只有當(dāng)m 和n 相等時(shí)才會(huì)得出1，m 和n 不等的話就是0。這就是正交的自相關(guān)性，也就是只有自己才能解出自己，別人不行，這點(diǎn)很重要。下面舉個(gè)例子，例如信息A 在子載波m 上傳遞，信息B 在n上傳遞，那么當(dāng)子載波重疊后，我要將A 取出怎么辦？可以計(jì)算下。由于A 在m 子載波上，所以我用去取A，都積分也就是 A 的m 載波和m 載波自相關(guān)，所以=1，而B(niǎo) 的n 載波和m 載波完全不想關(guān)，所以=0。從而保證了各個(gè)子載波雖然重疊但是不會(huì)互相干擾。當(dāng)使用IDFT/DFT實(shí)現(xiàn)OFDM調(diào)制/解調(diào)的時(shí)候，IDFT的輸入是頻域數(shù)據(jù)，輸出是時(shí)域數(shù)據(jù)；DFT的輸入是時(shí)域數(shù)據(jù)，輸出是頻域數(shù)據(jù)。使用FFT可以很好的實(shí)

7、現(xiàn)正交變換。這樣就可以用他們來(lái)攜帶一定的信息，在接收端用同樣的子載波來(lái)運(yùn)算解調(diào)出相應(yīng)的數(shù)據(jù)。3）加入CP（循環(huán)前綴）眾所周知，信號(hào)在空間的傳遞是會(huì)經(jīng)過(guò)反射和折射的，那么一路信號(hào)到達(dá)接收端會(huì)變成幾路，這幾路會(huì)存在時(shí)延導(dǎo)致互相干擾，上面就是典型的多徑導(dǎo)致符號(hào)間干擾，由于第 2 徑的第一個(gè)信號(hào)延遲，一部分落到第1 徑的第二個(gè)符號(hào)上，導(dǎo)致第二個(gè)符號(hào)正交性破壞從而失去正交性無(wú)法解調(diào)出來(lái)。為了避免這種狀況，就設(shè)計(jì)了保護(hù)間隔出來(lái)，在每個(gè)信號(hào)之前增加一個(gè)間隔，只要時(shí)延小于間隔就不會(huì)互相影響，加入保護(hù)間隔加入了保護(hù)間隔后，雖然第 2 徑第一個(gè)信號(hào)延遲了，但是剛好落入第1 徑的第二個(gè)符號(hào)的保護(hù)間隔內(nèi)，在解調(diào)時(shí)會(huì)隨

8、著CP 一起拋棄，不會(huì)干擾到第二個(gè)符號(hào)，但是上圖有個(gè)問(wèn)題，就是第2 徑的第二個(gè)符號(hào)的保護(hù)間隔落入了第1 徑的第二個(gè)符號(hào)內(nèi)，會(huì)不會(huì)產(chǎn)生干擾呢?答案是肯定的，因?yàn)楸Ｗo(hù)間隔本身也不是正交的，那么解決的辦法就是采用CP，循環(huán)前綴。所以，在OFDM發(fā)展中，CP主要有以下兩個(gè)作用：l CP作為保護(hù)間隔，大大減少I(mǎi)SIl CP可以保證信道間的正交性，大大減少I(mǎi)CI。CP有三種長(zhǎng)度，如下圖所示：OFDM優(yōu)缺點(diǎn)（1）OFDM優(yōu)勢(shì)1.OFDM優(yōu)勢(shì)對(duì)比FDM1）傳統(tǒng)FDM:為避免載波間干擾，需要在相鄰的載波間保留一定保護(hù)間隔，大大降低了頻譜效率。2）OFDM:各(子)載波重疊排列，同時(shí)保持(子)載波的正交性（通過(guò)I

9、FFT實(shí)現(xiàn)）。從而在相同帶寬內(nèi)容納數(shù)量更多(子)載波，提升頻譜效率。2.OFDM優(yōu)勢(shì)-對(duì)比 CDMA1）抗多徑干擾能力OFDM:可不采用或采用簡(jiǎn)單時(shí)域均衡器。將高速數(shù)據(jù)流分解為多條低速數(shù)據(jù)流并使用循環(huán)前綴(CP)作為保護(hù)，大大減少甚至消除符號(hào)間干擾。TD-SCDMA:對(duì)均衡器的要求較高。高速數(shù)據(jù)流的符號(hào)寬度較短,易產(chǎn)生符號(hào)間干擾。接收機(jī)均衡器的復(fù)雜度隨著帶寬的增大而急劇增加。2）易與MIMO結(jié)合OFDM:系統(tǒng)復(fù)雜度隨天線數(shù)量呈線性增加，每個(gè)子載波可看作平坦衰落信道，天線增加對(duì)系統(tǒng)復(fù)雜度影響有限。TD-SCDMA:系統(tǒng)復(fù)雜度隨天線數(shù)量增加呈冪次變化,需在接收端選擇可將MIMO接收和信道均衡混合處

10、理的技術(shù)，大大增加接收機(jī)復(fù)雜度。3）帶寬擴(kuò)展性強(qiáng)OFDM:帶寬擴(kuò)展性強(qiáng)，LTE支持多種載波帶寬。TD-SCDMA:帶寬擴(kuò)展性差。需要通過(guò)提高碼片速率或多載波CDMA來(lái)支持更大帶寬，接收機(jī)復(fù)雜度大幅提升。4）頻域調(diào)度靈活OFDM:頻域調(diào)度靈活。頻域調(diào)度顆粒度?。?80kHz）。隨時(shí)為用戶選擇較優(yōu)的時(shí)頻資源進(jìn)行傳輸，從而獲得頻選調(diào)度增益。TD-SCDMA:頻域調(diào)度粗放。只能進(jìn)行載波級(jí)調(diào)度（1.6MHz)，調(diào)度的靈活性較差。（2）OFDM不足1.較高的峰均比PARPOFDM輸出信號(hào)是多個(gè)子載波時(shí)域相加的結(jié)果，子載波數(shù)量從幾十個(gè)到上千個(gè)，如果多個(gè)子載波同相位，相加后會(huì)出現(xiàn)很大幅值，造成調(diào)制信號(hào)的動(dòng)態(tài)范

11、圍很大。因此對(duì)RF功率放大器提出很高的要求。2.受時(shí)間偏差的影響ISI(符號(hào)間干擾）& ICI1）折射、反射較多時(shí)，多徑時(shí)延大于CP(Cyclic Prefix，循環(huán)前綴)，將會(huì)引起ISI及ICI；2）系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)已考慮此因素，設(shè)計(jì)的CP能滿足絕大多數(shù)傳播模型下的多徑時(shí)延要求（4.68us)，從而維持符號(hào)間無(wú)干擾。3.受頻率偏差的影響1）高速移動(dòng)引起的Doppler頻移；上下行資源單位 LTE上下行多址方式1.下行多址方式OFDMA（1）將傳輸帶寬劃分成一系列正交的子載波資源，將不同的子載波資源分配給不同的用戶實(shí)現(xiàn)多址。因?yàn)樽虞d波相互正交，所以小區(qū)內(nèi)用戶之間沒(méi)有干擾。（2）下行多址方式特點(diǎn) 同相

12、位的子載波的波形在時(shí)域上直接疊加。因子載波數(shù)量多，造成峰均比(PAPR)較高，調(diào)制信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍大，提高了對(duì)功放的要求。2.上行多址方式SC-FDMA（1）和OFDMA相同，將傳輸帶寬劃分成一系列正交的子載波資源，將不同的子載波資源分配給不同的用戶實(shí)現(xiàn)多址。注意不同的是：任一終端使用的子載波必須連續(xù)。（2）上行多址方式特點(diǎn)SC-FDMA的特點(diǎn)是，在采用IFFT將子載波轉(zhuǎn)換為時(shí)域信號(hào)之前，先對(duì)信號(hào)進(jìn)行了FFT轉(zhuǎn)換，從而引入部分單載波特性，降低了峰均比。MIMO(Multiple-Input Multiple-Out-put)系統(tǒng)MIMO 技術(shù)可以說(shuō)是4G 必備的技術(shù)，無(wú)論哪種4G 制式都會(huì)用，原

13、理是通過(guò)收發(fā)端的多天線技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)多路數(shù)據(jù)的傳輸，從而增加速率。MIMO系統(tǒng)的3種主要技術(shù)3種多天線技術(shù)來(lái)提升無(wú)線傳輸速率及品質(zhì)。1、空間分集（發(fā)射分集、傳輸分集）利用較大間距的天線陣元之間或賦形波束之間的不相關(guān)性，發(fā)射或接收一個(gè)數(shù)據(jù)流，避免單個(gè)信道衰落對(duì)整個(gè)鏈路的影響其實(shí)說(shuō)白了，就是 2 跟天線傳輸同一個(gè)數(shù)據(jù)，但是2 個(gè)天線上的數(shù)據(jù)互為共軛，一個(gè)數(shù)據(jù)傳2 遍，有分集增益，保證數(shù)據(jù)能夠準(zhǔn)確傳輸。2、空間復(fù)用（空分復(fù)用）利用較大間距的天線陣元之間或賦形波束之間的不相關(guān)性，向一個(gè)終端/基站并行發(fā)射多個(gè)數(shù)據(jù)流，以提高鏈路容量（峰值速率）。另外注意一點(diǎn)，采用空間復(fù)用并不是天線多了就行，還要保證天線之間相

14、關(guān)性低才行，否則會(huì)導(dǎo)致無(wú)法解出2 路數(shù)據(jù).3、波束賦形利用較小間距的天線陣元之間的相關(guān)性，通過(guò)陣元發(fā)射的波之間形成干涉，集中能量于某個(gè)（或某些）特定方向上，形成波束，從而實(shí)現(xiàn)更大的覆蓋和干擾抑制效果。各種波束賦形上面是單播波束賦形，波束賦形多址和多播波束賦形. 4、LTE r9 版本中的MIMO 分類(lèi)目前的 R9 版本主要分了8 類(lèi)MIMO，下面列出這8 類(lèi)分別講解下原理和適用場(chǎng)景。TM1， 單天線端口傳輸：主要應(yīng)用于單天線傳輸?shù)膱?chǎng)合。TM2，發(fā)送分集模式：適合于小區(qū)邊緣信道情況比較復(fù)雜，干擾較大的情況，有時(shí)候也用于高速的情況。TM3，大延遲分集：合適于終端（UE）高速移動(dòng)的情況。TM4，閉環(huán)

15、空間復(fù)用：適合于信道條件較好的場(chǎng)合，用于提供高的數(shù)據(jù)率傳輸。TM5，MU-MIMO傳輸模式：主要用來(lái)提高小區(qū)的容量。TM6，Rank1的傳輸：主要適合于小區(qū)邊緣的情況。TM7，Port5的單流Beamforming模式：主要也是小區(qū)邊緣，能夠有效對(duì)抗干擾。TM8，雙流Beamforming模式：可以用于小區(qū)邊緣也可以應(yīng)用于其他場(chǎng)景。Rel-8 是 7種 Rel-9 是 8種 Rel-10 是 9種(LTE-A)LTE關(guān)鍵技術(shù)之干擾抑制技術(shù) 小區(qū)間干擾（ICI）概念在LTE中，下,上行采用了OFDMA（DL）/SC-FDMA(UL)的多址接入技術(shù)，采用了正交子載波區(qū)分不同的用戶，小區(qū)內(nèi)多用戶間的

16、干擾基本可以消除。但是LTE采用同頻組網(wǎng)，鄰小區(qū)結(jié)合部分使用相同的頻譜資源，用戶間不可避免存在干擾，稱之為小區(qū)間干擾（Inter-Cell Interference, ICI）。在傳統(tǒng)的解決方案中，采用頻率復(fù)用來(lái)解決ICI，但隨之帶來(lái)的是頻譜效率的降低。如常用的三扇區(qū)劃分小區(qū)用的就是頻率復(fù)用指數(shù)因子為3。除此之外，頻率復(fù)用因子還有1、7等。當(dāng)復(fù)用因子為1的時(shí)候，則網(wǎng)內(nèi)的所有小區(qū)用的頻率都是一樣的，隨之而來(lái)的是嚴(yán)重的小區(qū)間干擾。選擇較大的復(fù)用因子造成的負(fù)面影響是頻譜效率變小，比如復(fù)用因子為3的時(shí)候，頻譜效率是1/3，復(fù)用因子為7的時(shí)候，頻譜效率是1/7。小區(qū)間干擾對(duì)系統(tǒng)性能的影響：l 導(dǎo)致無(wú)線鏈

17、路信噪比（SINR）減低，這樣LTE的AMC技術(shù)就會(huì)選擇低階調(diào)制方式和編碼方式。l 干擾嚴(yán)重時(shí)，需頻繁的HARQ重傳，降低了用戶速率。l 同頻干擾引起功率控制，使子幁中可使用的PRB減少，用戶速率也會(huì)減低。LTE干擾抑制技術(shù)LTE干擾抑制技術(shù)分為以下四種：a) 波束賦形天線技術(shù)b) 干擾隨機(jī)化技術(shù)c) 干擾消除技術(shù)d) 干擾協(xié)調(diào)技術(shù)（1）波束賦形天線技術(shù)-波束賦形天線技術(shù)是一種下行干擾抑制技術(shù)波束賦形天線的波束是指向UE的窄波束，因此只有在相鄰小區(qū)的波束發(fā)生碰撞時(shí)才會(huì)造成小區(qū)間干擾，波束交錯(cuò)是可以有效的回避小區(qū)間干擾。（2）干擾隨機(jī)化技術(shù)干擾隨機(jī)化就是使干擾信號(hào)隨機(jī)化，這種方法雖然不能降低干擾

18、信號(hào)的能量，但是能使干擾信號(hào)接近白噪聲，又稱“干擾白化”。然后用處理白噪聲的方法在UE上類(lèi)似處理增益的方法抑制干擾。干擾隨機(jī)化的方法可分為小區(qū)專(zhuān)屬加擾（Scrambling）和小區(qū)專(zhuān)屬交織（IDMA）。A）：小區(qū)專(zhuān)屬加擾（Scrambling）：在信道編碼交織后，對(duì)干擾信號(hào)隨機(jī)加擾。如果沒(méi)有加擾，UE的解碼器不能區(qū)分接收到的信號(hào)來(lái)自本小區(qū)還是其他小區(qū)。小區(qū)專(zhuān)屬加擾可以通過(guò)不同的擾碼對(duì)不同小區(qū)的信息進(jìn)行區(qū)分，LTE采用504個(gè)小區(qū)擾碼（與504個(gè)小區(qū)ID綁定）區(qū)分小區(qū)，進(jìn)行干擾隨機(jī)化。讓UE只正對(duì)有用信息進(jìn)行解碼，已降低干擾，加擾不影響帶寬，但可以提高性能。B）：小區(qū)專(zhuān)屬交織也稱為交織多址（ID

19、MA）：和小區(qū)加擾性能相似，但是IDMA也是一種干擾消除技術(shù)。即在信道編碼后，對(duì)傳輸信號(hào)進(jìn)行不同方式的交織。各小區(qū)的信號(hào)在信道編碼后采用不同的交織圖案進(jìn)行信道交織，以獲得干擾白化效果。交織圖案與小區(qū)ID（cell ID）一一對(duì)應(yīng)，小區(qū)搜索過(guò)程中確定cell ID,就可以確定交織圖案。相距較遠(yuǎn)的兩個(gè)小區(qū)間可以復(fù)用相同的交織圖案，因?yàn)橄嗑噍^遠(yuǎn)小區(qū)之間幾乎不存在干擾。C）：跳頻傳輸LTE最終采用的小區(qū)擾碼來(lái)進(jìn)行干擾隨機(jī)化的，504個(gè)小區(qū)ID對(duì)應(yīng)于504個(gè)擾碼。（3）干擾消除技術(shù)干擾消除技術(shù)就是對(duì)于干擾信號(hào)進(jìn)行某種程度的解調(diào)或者解碼。然后利用接收機(jī)的處理增益，從接收信號(hào)中消除信號(hào)分量。包括兩種干擾消除

20、方法A）：基于多天線終端的空間干擾抑制技術(shù) 又稱為干擾抑制合并(Interference Rejection Combining, IRC) 不依賴發(fā)射端配置，利用從兩個(gè)相鄰小區(qū)到UE的空間信道獨(dú)立性來(lái)區(qū)分服務(wù)小區(qū)和干擾小區(qū)的信號(hào)。 配置雙天線的UE可以區(qū)分兩個(gè)空間信道，也即空分復(fù)用原理B:）基于干擾重構(gòu)的干擾消除技術(shù)通過(guò)將干擾信號(hào)解調(diào)/解碼后，對(duì)該干擾信號(hào)進(jìn)行重構(gòu)，然后從接收信號(hào)中減去。 若能將干擾信號(hào)分量準(zhǔn)確分離，剩下的就是有用信號(hào)和噪聲。 是干擾消除的最理想的方法。 IDMA技術(shù)可以通過(guò)迭代干擾消除獲得顯著的性能增益。可以獲得明顯的小區(qū)邊緣性能增益。 但需要系統(tǒng)在資源分配、信號(hào)格式獲得、

21、小區(qū)間同步、交織器設(shè)計(jì)、信道估計(jì)、信令等提出更高的要求或更多的限制。 因此目前未被采用，將來(lái)可能使用干擾消除技術(shù)是UE測(cè)通過(guò)小區(qū)間多用戶檢測(cè)來(lái)消除較強(qiáng)的干擾，對(duì)一些幅度較小的干擾效果有限，并且實(shí)現(xiàn)復(fù)雜。LTE最終采用的是不需要標(biāo)準(zhǔn)化的IRC接受的干擾消除技術(shù)。并未采用更加先進(jìn)的干擾消除技術(shù)。（4）干擾協(xié)調(diào)技術(shù)（ICIC）頻率資源協(xié)調(diào)和功率資源協(xié)調(diào)。頻率資源協(xié)調(diào)：將頻率分為3 份，保證邊緣用戶始終處于異頻的狀態(tài)，從而避免小區(qū)間干擾。如下圖頻率資源協(xié)調(diào)功率資源協(xié)調(diào)：和上面的原理一樣，也是保證邊緣異頻，但是是通過(guò)功率來(lái)控制覆蓋實(shí)現(xiàn)。看圖功率資源協(xié)調(diào)每個(gè)小區(qū)都會(huì)在某一個(gè)頻率上加強(qiáng)功率，其余2 個(gè)頻率上降低功率，從而使小區(qū)邊緣的頻率不同，實(shí)現(xiàn)異頻來(lái)解決