LTE技术-2

主要内容
LTE关键技术
LTE关键技术
（二）
OFDMA多址技术 MIMO
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LTE多址方式的采用
OFDMA多址技术
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下行OFDM和上行FDMA
上行OFDM技术----OFDM原理
LTE下行多址方式：OFDMA
LTE上行多址方式：DFT-SOFDM（单载波）
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OFDM原理----码间干扰
无保护间隔 ? 符号间无保护间隔时，多径会造成ISI和ICI
? ISI: Inter-symbol Interference，符号间干扰（时域） ? ICI: Inter-Carrier Interference，载频间干扰（频域）
接收端同时收到前一个符号的多径延迟信号（紫色虚线）和下一个符号的正常信号（红色实线），影响了正常接收。时域上看受到了ISI，频域上看受到了ICI 幅度
OFDM原理----码间干扰
有空白保护间隔 ? 有保护间隔，但保护间隔不传输任何信号 ? 可以有效消除多径的ISI，但引入了ICI
保护间隔
幅度
符号之间空出一段时间做为保护间隔，这样做可以消除ISI（因为前一个符号的多径信号无法干扰到下一个符号），但同时引起符号内波形无法在积分周期内积分为 0，导致波形在频域上无法和其他子载波正交。
FFT积分周期 OFDM符号
应用于CDMA系统。因为CDMA载波间采用传统FDM分隔，所以频域信号即使有一定偏差也没有问题时间
时间

OFDM原理----码间干扰
循环前缀做保护间隔 ? 保护间隔中的信号与该符号尾部相同，即循环前缀（Cyclic Prefix,简称CP） ? 既可以消除多径的ISI,又可以消除ICI
CP使一个符号周期内因多径产生的波形为完整的正弦波，因此不同子载波对应的时域信号及其多径积分总为0 ，消除载波间干扰(ICI)
OFDM原理
应用于OFDM系统。每个子载波宽度仅为 15kHz且交叠存在，子载波间干扰（ICI）对系统影响较大，因此采用CP消除ICI
信道均衡抗码间干扰复杂 ?经典的抗码间干扰技术，在许多移动通信系统中采用 ?如果数据速率非常高，采用单载波传输数据，往往要设计几十甚至上百个抽头的均衡器，这不啻是硬件设计的噩梦频率分集和多用户分集可以使频谱资源灵活分配，多用户分集：基站根据每个用户的信道衰落情况决定让哪个用户发送数据，从而获得最好的频率利用率和吞吐量
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OFDM FFT实现
OFDMA时频复用
? 将传输带宽划分成一系列正交的子载波资源，将不同的子载波资源分配给不同的用户实现多址。因为子载波相互正交，所以小区内用户之间没有干扰。
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下行OFDM参数
基带信号产生
时间单位：Ts=1/15000*2048秒
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PDSCH,PMCH采用QPSK,16QAM,64QAM，PBCH/ PDCCH/ PCFICH采用QPSK 层映射分为：单天线端口的层映射、空间复用的层映射、传输分集的层映射预编码也分为：单天线端口的预编码、空间复用的预编码、空间分集的预编码
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SC-FDMA信号
SC-FDMA基带信号产生
? OFDM高的峰均比PAPR会增加A/D转换和D/A转换的复杂度、降低RF功率放大器的效率，从而增加发射机功放成本和耗电量，不利于用于上行链路 ? 上行采用单载波频分多址SC-FDMA特点是在采用IFFT将子载波转换为时域信号之前，先对信号进行了FFT转换，从而引入部分单载波特性，降低了峰均比。 ? 和OFDMA相同，将传输带宽划分成一系列正交的子载波资源，将不同的子载波资源分配给不同的用户实现多址。不同的是任一终端使用的子载波必须连续 ? 实现方式采用离散傅里叶扩展OFDM方式，即DFT-S-OFDM
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? 上行：没有实现SU-MIMO,实现的是MU-MIMO，所以图中没有层映射的处理
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SC-FDMA参数
下行LTE多址方式
下行多址方式—OFDMA 将传输带宽划分成一系列正交的子载波资源，将不同的子载波资源分配给不同的用户实现多址。因为子载波相互正交，所以小区内用户之间没有干扰。
频率
用户A
集中式：连续RB分给一个用户 ? 优点：调度开销小
在这个调度周期中，用户A 是分布式，用户B是集中式
子载波
用户B
用户C
分布式：分配给用户的RB不连续 ? 优点：频选调度增益较大
时间
下行多址方式特点
同相位的子载波的波形在时域上直接叠加。因子载波数量多，造成峰均比(PAPR)较高，调制信号的动态范围大，提高了对功放的要求。
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power
t
时域波形峰均比示意图
这里的基本参数只适应于PUSCH and PUCCH，随机接入信道前导码参数后面介绍
上行LTE多址方式
上行多址方式—SC-FDMA 和OFDMA相同，将传输带宽划分成一系列正交的子载波资源，将不同的子载波资源分配给不同的用户实现多址。注意不同的是：任一终端使用的子载波必须连续
频率
用户A
子载波
MIMO技术
在任一调度周期中，一个用户分得的子载波必须是连续的
用户B
用户C
时间
上行多址方式特点
考虑到多载波带来的高PAPR会影响终端的射频成本和电池寿命，LTE上行采用Single Carrier-FDMA （即SC-FDMA）以改善峰均比。 SC-FDMA的特点是，在采用IFFT将子载波转换为时域信号之前，先对信号进行了FFT转换，从而引入部分单载波特性，降低了峰均比。
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下行MIMO技术
下行基本天线配置为2*2，即2天线发送和两天线接收最大：支持4天线进行下行方向4层传输天线数目为虚拟的天线数目包括：传输分集空间复用波束赋形支持高数据率和高系统容量 R10：支持下行为8*8天线配置
多天线技术：传输分集
? 利用空间信道的弱相关性，结合时间/频率上的选择性，为信号的传递提供更多的副本，提高信号传输的可靠性，从而改善接收信号的信噪比 ? LTE中传输分集的候选技术很多，包括：空时编码STC、循环延时分集CCD、天线切换分集技术
多路信道传输同样信息
?提高接收的可靠性和提高覆盖
分集合并
?适用于需要保证可靠性或覆盖的环境
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多天线技术：空间复用
多天线技术：波束赋形
? 应用于小间距天线阵列，利用空间信道的强相关性，利用波的干涉原理产生强方向性的辐射方向图，使得辐射方向图的主瓣自适应的指向用户来波方向，从而提高信噪比，提高系统容量或覆盖范围
? 利用空间信道的弱相关性，在多个相互独立的空间信道上传递不同的数据流，从而提高数据传输的峰值速率
多路信道同时传输不同信息
最小均方误差或串行干扰删除
?理论上成倍提高峰值速率 ?适合密集城区信号散射多地区，不适合有直射信号的情况多路天线阵列赋形成单路信号传输
最大比合并
?通过对信道的准确估计，针对用户形成波束，降低用户间干扰 ?可以提高覆盖能力，同时降低小区内干扰，提升系统吞吐量

多天线技术：分集、空间复用、波束赋形
? 三种技术对空间信道的要求不同，应用的场景也有所不同 ? 低信噪比时：采用分集技术和波束赋形技术可以有效提高接收信号的信噪比，从而提高传输速率和覆盖范围 ? 高信噪比时：可以利用空间复用技术提高传输速率
天线模式相关概念
码字(Codeword)
“码字” 与“流”的概念相同独立进行MCS 的数据流
优点：不同的码字，可以选择不同的MCS方式，因此可以更好的匹配信道信息，获得更大的系统容量。缺点：码字越多，下行的MCS信息、HARQ信息等越多，上行的 CQI、ACK/NACK信息越多，同时UE端解码时所需的存储单元和延迟也越大
层映射(Layer Mapping)
码字映射到层，分为“空间复用层映射”和”发送分集层映射” “层”与“秩”的概念相同秩：表示任一时刻终端和基站间的独立传播信道的个数，可为1、2、3、4 秩自适应(Rank Adaptation)：由于空间信道之间的相关性的影响，使得信道是秩缺的；不是满秩，对于空间复用的系统，会增大误码率，因此需要在接收端根据信道的信息，利用某一准则(如最大化系统容量) 选取最优的传输秩
LTE目前有单流或双流，即最多2个码字
信道条件不好时，可切换成分集模式或波束赋形信道条件好时，可使用双流---空间复用
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层映射(Layer Mapping)
发送分集层映射：Layer mapping for transmit diversity 层数等于天线端口数， 2层或4层，只发送1个码字空间复用层映射：Layer mapping for Spatial multiplexing LTE系统支持基于码字的空间复用传输，层数小于或等于天线端口数（最多4层），最多同时发送2个码字在空间复用的情况下，支持基于空间信道秩的慢速自适应。目前的工作假设终端可以反馈一个整个带宽的秩大小，从而决定空间复用传输的层数目
层数目 1 2 3 4 码字数目 1 2 2 2 映射关系第1码字—--第1层第1码字—--第1层，第2码字—--第2层第1码字—--第1层，第2码字—--第2和3层第1码字—--第1和2层，第2码字—--第3和4层
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天线端口
天线端口是从接收机的角度来定义的，即如果接收机需要区分资源在空间上的差别，就需要定义多个天线端口天线端口与实际的物理天线端口没有一一对应的关系目前LTE下行定义了三类天线端口，分别对应天线端口序号0~5
公共导频CRS：天线端口有1、2、4三种情况，端口0~3，也就是说，即便最多可使用4个逻辑天线进行空间复用传输，仍然只传输两个信息流多播导频MBSFN:天线端口为4 专用导频DRS:天线端口为5
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预编码技术
对于空间复用，LTE既支持开环也支持闭环的空间复用，即所谓的与线性预编码技术预编码思想：将天线域的处理转换为波束域进行处理发射端利用已知的空间信道信息，在发射端对发射信号进行预处理，使发射信号与信道特性良好匹配，从而提高系统吞吐量。
预编码技术
根据预编码矩阵的获得位置，可以分为两类预编码操方式：非码本的预编码：预编码矩阵在发射端获得，发射端利用预测的信道状态信息CSI进行预编码矩阵的计算，常见的计算方法有奇异值分解SVD、信均匀分解UCD 发射端可以利用直接反馈信道、TDD系统的信道对成型、量化以及差分反馈等方法获得CSI信息需要使用专用导频，数据和导频符号一起进行预编码操作，接收端通过信道估计获得预编码之后的等效信道，方便数据解调
y = HWx + n
H：为空间信道矩阵 W：为预编码矩阵
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预编码技术
基于码本的预编码
预编码矩阵在接收端获得，接收端利用预测的信道状态信息CSI在预定的预编码矩阵本中进行预编码矩阵的选择，并将选定的预编码矩阵的序号反馈给发射端。
LTE传输模式-发射分集
两天线端口--SFBC 四天线端口---SFBC+FSTD
(空频块编码）
（频率切换发射分集）
Si + 7
Si + 6
Si + 5
Si + 6* ? Si + 7*
Si + 4*
? Si + 5*
码本就是预编码矩阵集合，由所有可能反映信道特征的系数矩阵构成。有多种构建方式。eNB和UE端都维护一个相同的码本。由于只需要反馈选择的预编码矩阵的标号，因此减轻了信令开销，但也降低了信道匹配的精度。
Si + 1
Si + 4
Si + 3
Si + 2
*
Si + 2*
? Si + 3*
Si
S
i
? Si + 1*
基于码本的预编码过程
UE首先进行信道估计，根据信道估计的结果计算最优的传输秩和最优的预编码矩阵，然后将秩和预编码矩阵的序号反馈到eNB； eNB根据反馈信息从码本中查找相应的预编码矩阵，然后对数据进行预编码。
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? 天线端口0传原始调制符号
? 天线端口1传原始符号的变换符号
? 天线端口0与2(1与3）为一个天线端口对，二者之间为 SFBC； ?天线端口0与1在频域上交替传送原始信号，二者之间为FSTD; 2与3传送相应的交换信号,亦为FSTD。
? 发射分集利用了天线间的弱相关性，在天线对上传送原始信号及其变换符号（一般为原始符号的共轭），提高信号传输的可靠性。 ? 既可用于业务信道，又可用于控制信道。
LTE传输模式-空间复用
开环空间复用闭环空间复用
LTE传输模式-波束赋形
定义
TDD的特有技术，利用上下行信道互易性得到下行信道信息
? 波束赋型是发射端对数据先加权再发送，形成窄的发射波束，将能量对准目标用户，提高目标用户的信噪比，从而提高用户的接收性能。特点
?波束赋型只应用于业务信道
? 控制信道仍使用发射分集保证全小区覆盖（类比于TD-SCDMA中PCCPCH也是广播发射）
?可以不需要终端反馈信道信息 ?普通的空间复用，接收端和发送端无信息交互 ? 基于非码本的预编码：
? 基于终端提供的SRS(探测参考信号)或DMRS(解调参考信号)获得的CSI，基站自行计算出预编码矩阵 ? 平均路损和来波方向可通过基站测量终端发射的SRS（Sounding Reference Signal，探测参考信号，类比于TD-SCDMA里的midamble码）
单流beamforming
双流beamforming
? 基于码本的预编码：
? 基于终端直接反馈的PMI(预编码矩阵索引号)从码本中选择预编码矩阵
? 空间复用利用了天线间空间信道的弱相关性，在相互独立的信道上传送不同的数据流，提高数据传输的峰值速率 ?只应用于下行业务信道（为了确保传输，控制信道普遍采用发送分集）
产生定向波束，获得赋型增益
两个波束传递相同信息，获得分集增益+赋型增益
两个波束传递不同信息，获得复用增益+赋型增益

LTE传输模式-波束赋形
波束赋形与线性预编码在操作上有许多相似，但原理不同：预编码：要求基站测使用大间距的多根天线阵列，预编码矩阵需要匹配瞬时的衰落变化波束赋形：采用小间距的天线阵列，不利用终端反馈所需信息，来波和路损信息可以在基站侧通过测量上行接收信号获得，并且不要求上行使用多根天线进行数据发送。需要专用导频。
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LTE传输模式-小结
Mode 传输模式
单天线传输发射分集开环空间复用闭环空间复用多用户MIMO 单层闭环空间复用单流 Beamforming 双流 Beamforming
技术描述
信息通过单天线进行发送同一信息的多个信号副本分别通过多个衰落特性相互独立的信道进行发送终端不反馈信道信息，发射端根据预定义的信道信息来确定发射信号需要终端反馈信道信息，发射端采用该信息进行信号预处理以产生空间独立性基站使用相同时频资源将多个数据流发送给不同用户，接收端利用多根天线对干扰数据流进行取消和零陷。终端反馈RI=1时，发射端采用单层预编码，使其适应当前的信道发射端利用上行信号来估计下行信道的特征，在下行信号发送时，每根天线上乘以相应的特征权值，使其天线阵发射信号具有波束赋形效果结合复用和智能天线技术，进行多路波束赋形发送，既提高用户信号强度，又提高用户的峰值和均值速率
应用场景
无法布放双通道室分系统的室内站信道质量不好时，如小区边缘信道质量高且空间独立性强时信道质量高且空间独立性强时。终端静止时性能好
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信道质量不好时，如小区边缘
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? 传输模式是针对单个终端的。同小区不同终端可以有不同传输模式 ? eNB自行决定某一时刻对某一终端采用什么传输模式，并通过RRC信令通知终端 ? 模式3到模式8中均含有发射分集。当信道质量快速恶化时，eNB可以快速切换到模式内发射分集模式
用于下行MIMO传输的终端反馈
终端反馈的信息信道状态信息CSI
重要，用于基站决定MIMO处理过程，如秩的选择、天线选择、预编码对于TDD系统，利用信道对称性获得CSI，即利用上行信道探测还可以通过直接信道反馈、终端辅助的探测反馈、差分反馈、天线切换探测技术等获得CSI
下行多用户MIMO
单用户MIMO----SU-MIMO（或称空分复用）
基站将占用相同时频资源的多个数据流发送给同一个用户
多用户MIMO----MU-MIMO（或称空分多址）
基站将占用相同时频资源的多个数据流发送给不同的用户
实现MU-MIMO的两种方式
每用户酋速率控制：数据流的分离在接收端进行，利用接收端的多根天线对干扰数据流进行取消和零陷达到分离数据流的目的迫零波束赋形：空间数据流的分离在基站进行，基站根据反馈的CSI为给定的用户进行波束赋形，并保证对其他用户不构成干扰或只有很小的干扰
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信道质量指示CQI 预编码矩阵指示PMI

下行物理信道发送流程
b(i )
上行MIMO技术
x( k , l )
s (t )
~ b (i )
d (i )
x(i )
y (i )
上行基本天线配置为1*2，即1根发送天线和2根接收天线更高阶的MIMO传输会使终端实现的复杂度过高支持上行天线选择和MU-MIMO
上行传输天线选择
选择天线改善可达的数据速率并提供更大的覆盖范围
与加扰序列异或 QPSK 16QAM 64QAM
复用(SM)
? y (0) (i ) ? ? x (0) (i ) ? ? ? ? Closed-loop ? = W (i ) ? ? no CDD ? ( P ?1) ? ?y ? ? x (υ ?1) (i ) ? (i ) ? ? ? ?
? x (0) (i ) ? Open-loop ? y (0) (i) ? ? ? ? ? Large delay? ? = W (i ) D(i )U ? ? ? y ( P ?1) (i )? ? x (υ ?1) (i )? CDD ? ? ? ?
上行多用户MIMO
IFFT
分集(SFBC)
? y (0) (2i ) ? j 0? ?Re x (0) (i ) ? ?1 0 ? (1) ? ? ? ?? (1) ? y (2i ) ? = 1 ?0 ? 1 0 j ? ? Re x (i ) ? ? y (0) (2i + 1)? 0 j ? ?Im x (0) (i ) ? 2 ?0 1 ? (1) ? ? ? ?? (1) ? y (2i + 1) ? ?1 0 ? j 0? ? Im x (i ) ? ? ? ? ?
( ( ( (
) ) ) )
一个虚拟的MIMO系统，每一个终端均发送一个数据流，两个或更多的用户占用相同的时频资源，在接收端这些来自不同终端的数据流可以被看做来自同一个终端上不同天线的数据流，从而形成一个MIMO系统
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LTE上行只支持单射频链路的传输，不需要区分空间上的资源，因此上行没有引入天线端口的概念
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LTE上行天线技术：接收分集
原理
接收机使用来自多个信道的副本信息能比较正确的恢复出原发送信号，从而获得分集增益。手机受电池容量限制，因此在上行链路中采用接收分集也可有效降低手机发射功率
接收分集的主要算法：MRC &IRC
性能比较 ? 由于IRC在最大化有用信号接收的同时能最小化干扰信号，故通常情况IRC优于 MRC ? 天线数越多及干扰越强时，IRC增益越大 ? IRC需进行干扰估计，计算复杂度较大初期引入建议： ? IRC性能较好，故建议厂商支持IRC ? 鉴于IRC复杂度较大，厂商初期可能较难支持，故同时要求MRC
MRC （最大比合并）
?
线性合并后的信噪比达到最大化
? ?
Q&A
相干合并：信号相加时相位是对齐的越强的信号采用越高的权重
?
适用场景：白噪或干扰无方向性的场景
IRC（干扰抑制合并）
? 合并后的SINR达到最大化
? 有用信号方向得到高的增益 ? 干扰信号方向得到低的增益
? 适用场景：干扰具有较强方向性的场景。