1-TD-LTE关键技术及物理层分析

TD-LTE技术基本原理格安2345678TD-LTE关键技术1TD-LTE帧结构及物理信道2主要内容TD-LTE物理层过程3OFDMMIMO9OFDM发展历史2000s1990s1970s1960sOFDM在高速调制器中的应用开始研究OFDM应用在高频军事系统OFDM应用于宽带数据通信和广播等OFDM应用于802.11a,802.16,LTE关键技术帧结构物理信道物理层过程10OFDM概述正交频分复用技术，多载波调制的一种。将一个宽频信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到每个子信道上进行传输。概念关键技术帧结构物理信道物理层过程频域波形f宽频信道正交子信道11OFDM优势-对比FDM与传统FDM的区别？•传统FDM:为避免载波间干扰，需要在相邻的载波间保留一定保护间隔，大大降低了频谱效率。FDMOFDM•OFDM:各(子)载波重叠排列，同时保持(子)载波的正交性（通过FFT实现）。从而在相同带宽内容纳数量更多(子)载波，提升频谱效率。关键技术帧结构物理信道物理层过程12考虑到系统设计的复杂程度及成本，OFDM更适用于宽带移动通信OFDMTD-SCDMA抗多径干扰能力可不采用或采用简单时域均衡器•将高速数据流分解为多条低速数据流并使用循环前缀(CP)作为保护，大大减少甚至消除符号间干扰。对均衡器的要求较高•高速数据流的符号宽度较短，易产生符号间干扰。接收机均衡器的复杂度随着带宽的增大而急剧增加与MIMO结合系统复杂度随天线数量呈线性增加•每个子载波可看作平坦衰落信道，天线增加对系统复杂度影响有限系统复杂度随天线数量增加呈幂次变化•需在接收端选择可将MIMO接收和信道均衡混合处理的技术，大大增加接收机复杂度。带宽扩展性带宽扩展性强，LTE支持多种载波带宽•在实现上，通过调整IFFT尺寸即可改变载波带宽，系统复杂度增加不明显。带宽扩展性差•需要通过提高码片速率或多载波CDMA来支持更大带宽，接收机复杂度大幅提升。频域调度频域调度灵活•频域调度颗粒度小（180kHz）。随时为用户选择较优的时频资源进行传输，从而获得频选调度增益。频域调度粗放•只能进行载波级调度（1.6MHz)，调度的灵活性较差。OFDM优势-对比CDMA关键技术帧结构物理信道物理层过程13OFDM不足•OFDM输出信号是多个子载波时域相加的结果，子载波数量从几十个到上千个，如果多个子载波同相位，相加后会出现很大幅值，造成调制信号的动态范围很大。因此对RF功率放大器提出很高的要求较高的峰均比（PARP）受频率偏差的影响•高速移动引起的Doppler频移•系统设计时已通过增大导频密度（大致为每0.25ms发送一次导频，时域密度大于TD-S）来减弱此问题带来的影响子载波间干扰(ICI）•折射、反射较多时，多径时延大于CP(CyclicPrefix，循环前缀)，将会引起ISI及ICI•系统设计时已考虑此因素，设计的CP能满足绝大多数传播模型下的多径时延要求（4.68us)，从而维持符号间无干扰受时间偏差的影响ISI(符号间干扰）&ICI关键技术帧结构物理信道物理层过程14LTE多址方式-下行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。时域波形tpower峰均比示意图下行多址方式—OFDMA下行多址方式特点关键技术帧结构物理信道物理层过程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。分布式：分配给用户的RB不连续集中式：连续RB分给一个用户•优点：调度开销小•优点：频选调度增益较大频率时间用户A用户B用户C子载波在这个调度周期中，用户A是分布式，用户B是集中式15LTE多址方式-上行和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上行多址方式—SC-FDMA上行多址方式特点关键技术帧结构物理信道物理层过程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SingleCarrier-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。频率时间用户A用户B用户C子载波在任一调度周期中，一个用户分得的子载波必须是连续的16符号间保护间隔-概述•符号间无保护间隔时，多径会造成ISI和ICI•ISI:Inter-symbolInterference，符号间干扰•ICI:Inter-CarrierInterference，载频间干扰一个OFDM符号无保护间隔时间幅度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关键技术帧结构物理信道物理层过程17CDMA符号间保护间隔-空白间隔•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有空白保护间隔时间幅度FFT积分周期保护间隔OFDM符号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。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关键技术帧结构物理信道物理层过程18OFDM符号间保护间隔-CP•保护间隔中的信号与该符号尾部相同，即循环前缀（CyclicPrefix,简称CP）•既可以消除多径的ISI,又可以消除ICI循环前缀做保护间隔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)tFFT积分周期保护间隔一个OFDM符号应用于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关键技术帧结构物理信道物理层过程19上下行资源单位信道类型信道名称资源调度单位资源位置控制信道PCFICHREG占用4个REG，系统全带宽平均分配时域：下行子帧的第一个OFDM符号PHICHREG最少占用3个REG时域：下行子帧的第一或前三个OFDM符号PDCCHCCE下行子帧中前1/2/3个符号中除了PCFICH、PHICH、参考信号所占用的资源PBCHN/A频域：频点中间的72个子载波时域：每无线帧subframe0第二个slotPUCCH位于上行子帧的频域两边边带上业务信道PDSCH\PUSCHRB除了分配给控制信道及参考信号的资源频率CCE：ControlChannelElement。CCE=9REGREG：REgroup，资源粒子组。REG=4RERE：ResourceElement。LTE最小的时频资源单位。频域上占一个子载波（15kHz)，时域上占一个OFDM符号(1/14ms)关键技术帧结构物理信道物理层过程RB：ResourceBlock。LTE系统最常见的调度单位，上下行业务信道都以RB为单位进行调度。RB=84RE。左图即为一个RB。时域上占7个OFDM符号，频域上占12个子载波时间1个OFDM符号1个子载波LTERB资源示意图20多路信道传输同样信息多路信道同时传输不同信息多路天线阵列赋形成单路信号传输•包括时间分集，空间分集和频率分集•提高接收的可靠性和提高覆盖•适用于需要保证可靠性或覆盖的环境•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最大比合并最小均方误差或串行干扰删除波束赋形（Beamforming）发射分集分集合并•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，提升系统吞吐量空间复用多天线技术：分集、空间复用和波束赋形关键技术帧结构物理信道物理层过程21天线端口（1、2、4）层映射预编码信道编码交织调制OFDM调制RE映射层=秩（1、2、3、4）码字=流（1、2）codewordlayerport==将一个码字解复用到多个层上。传输模式不同，采用不同的预编码矩阵。插入CRS\DRS信道编码交织调制天线模式相关概念关键技术帧结构物理信道物理层过程•“码字”与“流”的概念相同，LTE目前有单流或双流；•信道条件好时，可使用双流---空间复用•信道条件不好时，可切换成分集模式或波束赋形•层与秩（rank）的概念相同，秩为1，2，3，4，表示任一时刻终端和基站间的独立传播信道的个数•公共导频的逻辑天线端口有1、2、4三种情况•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22典型传输模式中对应的基本概念传输模式流秩逻辑天线端口数物理天线数CRSDRS发射分集112N/A2\8空间复用112222\82222\8348448波束赋型1121812228•波束赋型中的业务信道与控制信道使用的参考信号不同：•业务信道使用Port5专用参考信号（单流波束赋形）或Port7,8(双流波束赋形）•控制信道使用2天线端口发射分集模式这意味着，TD-LTE中的波束赋形仅仅是业务信道的（解调用参考信号在port5和业务信道一起发送），控制信道仍然采用全向方式发送给终端关键技术帧结构物理信道物理层过程23LTE传输模式-概述Mode传输模式技术描述应用场景1单天线传输信息通过单天线进行发送无法布放双通道室分系统的室内站2发射分集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信道质量不好时，如小区边缘3开环空间复用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信道质量高且空间独立性强时4闭环空间复用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信道质量高且空间独立性强时。终端静止时性能好5多用户MIMO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。6单层闭环空间复用终端反馈RI=1时，发射端采用单层预编码，使其适应当前的信道7单流Beamforming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信道质量不好时，如小区边缘8双流Beamforming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•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关键技术帧结构物理信道物理层过程24LTE传输模式-发射分集（Mode2）（频率偏移发射分集）1iS4iS5iSiS频域2iS3iS6iS7iS*iS*4iS*1iS*5iS一个子载波*2iS*6iS*3iS*7iS天线端口0天线端口1天线端口2天线端口3空资源元素(空频块编码）•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SSSSiS频域一个子载波3iS7iS6iS5i4i2i1i*1iS*iS*3iS*2iS*5iS*4iS*7iS*6iS天线端口0天线端口1•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。两天线端口---SFBC四天线端口---SFBC+FSTD关键技术帧