TD-LTE无线原理与关键技术V2

TD-LTE无线原理与关键技术TD-LTE-A增强技术概述TD-LTE无线原理TD-LTE关键技术LTE技术背景和发展进程目录增强技术主要讲：增强的MIMO技术、载波聚合、无线中继。无线原理主要讲述帧结构、信道信号、无线资源管理、移动性管理等知识点说明。关键技术LTE的组网结构及各部分功能讲述OFDM技术、MIMO技术、HARQ、AMC、功率控制、小区干扰抑制和协调。LTE简介主要讲述LTE的发展背景和当前进展，并对LTE的优越性和不足进行简单说明。章节解析LTE技术背景产生原因与FDD技术优势系统不足1、移动互联网业务的兴起2、WiMAX技术的挑战3、OFDM\MIMO技术理论成熟1、频谱效率高、配置灵活2、上下行转换时刻设置灵活3、利用信道性能对称性，提升系统性能4、设备成本相对较低1、终端移动速度受限2、干扰问题更加复杂3、同步要求高TD-LTE发展进程LTE帧结构融合，TD-LTE发展提速。形成“TypeII”帧结构：包括DwPTS/GP/UpPTS特殊子帧;工信部正式将LTETDD命名为TD-LTE，定位为TD-SCDMA的后续演进R9TD-LTE:增强版本支持双流波束赋形，增强性能HomeeNB增强实现自组织网络(SON)功能实现混合载波eMBMS功能.R11TL-A:继续演进上下行MIMO增强载波聚合增强移动Relay，支持高铁应用TDD新频段小区间干扰消除增强标准化标准化基站节能，促进节能减排标准化多种无线技术干扰共存，推进四网融合R8TD-LTE：基础版本多址方式OFDMA/SC-FDMA支持多流传输，下行4流MIMO，上行MU-MIMO上下行支持64QAM调制支持单流波束赋形R10TD-LTE-A:面向IMT-A增强的上下行MIMO，支持最高下行8流/上行4流传输，配合载波聚合实现1Gbps峰值速率载波聚合支持最大100MHz带宽无线中继Relay分层网络下的小区间干扰消除，满足热点和家庭覆盖需求研究节能与终端内多种无线技术干扰共存实现最小化路测（MDT）功能概念名词LTE=LongTermEvolution=长期演进，是3GPP制定的高数据率、低时延、面向分组域优化的新一代宽带移动通信标准项目。E-UTRA=LTE空口；E-UTRAN=LTE接入网；EPC=3GPP的演进分组核心网；EPS=3GPP的演进分组系统=E-UTRAN+EPC；SAE=系统架构演进项目；LTE是3.9G技术，构成了LTE-Advanced（4G）的技术核心。TD-LTE关键技术-OFDM技术把一个传输带宽通过FFT划分为许多小的载波（子载波，数学上精确正交），相对于传统的FDM，子载波不需要保护带宽，甚至重叠，可有效提高频谱利用率。子载波越多，在相同带宽情况下节省的频宽越接近于50%。TD-LTE关键技术-OFDM技术正交频分复用技术宽频信道分成正交子信道高速数据信号转换成并行的低速子数据流每个子信道上传输低速子数据流OFDM技术带来挑战1、较高的峰均比(PAPR)，对RF功率放大器要求高2、受频率偏差的影响:子载波间干扰(ICI）3、受时间偏差的影响:ISI(符号间干扰）&ICI从理论上思考，精确正交无干扰，但由于电子工艺、复杂无线环境还是不可避免地有各种类型干扰。子载波为4时，四个独立的载波形和叠加后的信号TD-LTE关键技术-OFDMA/SC-FDMA将传输带宽划分成多个正交的子载波资源，将不同的子载波分配给不同的用户实现多址。因为子载波相互正交，理论上小区内用户之间没有干扰。在LTE系统中，由于OFDM有较大的峰均比，UE的RF发射功率受到限制，因此影响到上下行采用的多址方式了，上行采用SC-FDMA(单载频OFDMA)，下行采用OFDMA，都是OFDMA只是调度方式不同。在这个调度周期中，用户A是分布式，用户B是集中式在任一调度周期中，一个用户分得的子载波必须是连续的（R8/9）集中式：连续RB分给一个用户优点：调度开销小(适合无线环境好的场景，高速下载)分布式：分配给用户的RB不连续优点：频选调度增益较大（适合小区边缘或低信噪比的场景）下行多址OFDMA时频池图上行多址SC-FDMA时频池图和下行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（R8/9）DFT-S-OFDM（SC-FDMA）具有单载波的特性，因而其发送信号峰均比较低，在上行功放要求相同的情况下，可以提高上行的功率效率，降低系统对终端的功耗要求。在TD-LTE系统中，上行DFT-SOFDM不支持分布式（Distributed）的传输模式，而采用帧内（时隙间）或帧间的跳频来获得频率分集的增益。TD-LTE关键技术-MIM0广义定义：MIMO=Multiple-InputMultiple-Output=多进多出，即俗称的“多天线技术”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,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）从MIMO的效果分类：传输分集（TransmitDiversity）或称空间分集利用较大距离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。作用：提高链路质量，增强覆盖，间接提高频谱效率。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。作用：提高链路质量，增强覆盖，间接提高频谱效率。空间复用（SpatialMultiplexing）利用较大距离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）作用：提高用户数据率，直接提高频谱效率。空分多址（SDMA）利用较大距离的天线阵元之间或赋形波束之间的不相关性，向多个终端并行发射数据流，或从多个终端并行接收数据流，以提高用户容量。与空间多址的区别在于单用户和多用户。作用：提高用户容量，直接提高频谱效率从是否在发射端有“信道先验信息”分类闭环（Close-loop）MIMO:通过反馈或通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TD-LTE关键技术-MIMO(空间分集)定义：通过天线之间的不相关性（天线间距通常10λ(2GHz波长为0.15m)以上，弱相关），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。空间分集又称传输分集，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，避免单个天线陷入深度衰落。（可以理解成一个乐队在不同的位置同时唱同一首歌，听众不会因为其中一个人的声音听不清而导致整个听不清，因为多个路径信号叠加，声音加强了）目的：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。按不同的实现方式分类：空时/频编码（STBC/SFBC），延迟发射分集、循环延时发射分集、切换发射分集等。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）。LTE下行控制信道采用发射分集。空时编码STBC空频编码SFBCSFBC根据传输复杂度的不同，与天线切换分集或循环延时发射分集结合时间切换传输分集TSTD频率切换传输分集FSTDTD-LTE关键技术-MIMO(空间复用)定义：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（数据率）。可类比于二重唱或多重唱，也类似同时看两个不同的电影。空间复用需要选择合适的天线阵列，降低天线间干扰，实现低相关性。天线间距越大，相关性越小。大天线间距阵列（10λ以上）（用于空间复用和空间分集）；小天线间距阵列（λ/2）（用于波束赋形或基于波束赋形的空间复用）。根据干扰抑制的处理时机不同分为:开环空间复用（TM3）,闭环空间复用（TM4），其中闭环空间复用又分为码本预编码和非码本预编码空间复用。开环空间复用开环空间分集模式下的Large-delayCDDeNB周期地分配不同的Precoding码字到不同的数据子载波中，其中每M个子载波用不同的Precoding码字，m为Rank数Large-delayCDD方案只用于Rank1支持Rank1和开环空间复用的动态Rank自适应不需要预编码矩阵指示（PMI），两个码字的CQI没有空间差异设计用于高速场景的UE较少的反馈开销闭环空间复用eNB需要进行预编码：基于码本预编码的编码方式，预编码矩阵从码本中选择。非码本预编码从预编码矩阵计算得出。系统从预定义的码本中选择最适合的Precoding矩阵，预定义码本同时保存在eNB和UE中。UE在评估信道质量的基础上，选择该时刻最适合的Precoding矩阵，并将矩阵索引发送给eNB非码本预编码流程码本预编码流程TD-LTE关键技术-MIMO(波束赋形)定义：俗称“智能天线”，利用较小间距的天线阵元之间的相关性（天线间距通常为0.5-0.65λ,2GHz,波长0.15m），通过控制阵元波之间的相位关系形成干涉，集中能量于某个（或某些）特定方向上，形成波束，使辐射方向图的主瓣自适应的指向用户来波方向，提高信噪比，获得明显的阵列增益，从而实现更大的覆盖和干扰抑制效果。类比相控雷达，某方向的扫描波束，从而实现精确打击。波束赋形分为单流波束赋形和双流波束赋形（R9）单流波束赋形可根据赋形向量的获得分为长期波束赋形和短期波束赋形两种。分别是来波方向（DOA）和奇异值分解（SVD）波束赋形（智能天线）是否能实现明显增益，受到无线环境的影响。贫散射环境和直视信道更有利于智能天线的使用：阵元间相关性高，主径明显，能量集中，赋形算法简单，受信道估计精度影响小，智能天线易获得增益。富散射环境和非直视信道，智能天线较难获得明显增益：阵元相关性低，主径不明显，能量分散，赋形算法较复杂，受信道估计精度影响大，更适合使用空间复用。因此，最佳方案是将智能天线和空间复用结合使用。（TM8）双流波束赋形=波束赋形+空间复用/空分多址（TM8）:在一副天线阵元上叠加两套赋形权重，形成两个波束，在终端角度看来，形成两个等效的“虚拟天线”。两个波束可指向一个用户，或两个用户：指向一个用户：波束赋形+空间复用=单用户MIMO指向两个用户：波束赋形+空分多址=多用户MIMOTD-LTE关键技术-MIM0技术对比空间分集空间复用空分多址波束赋型天线特征天线之间不相关，独立性天线之间相关性、波束相干特性实现方式MIMO方式智能天线方式（AAS）天线间距10*波长（2.3GHz波长约13cm）波长/2原理同一数据流的不同版本并行发送多个数据流并行发送不同用户的数据流共用相同的时频资源和不同的天线单元波束主瓣方向对准有用信号，波束零深对准干扰信号功能目的增加链路可靠性，提高传输成功率提高链路容量（峰值吞吐率）增加用户容量，增加接入用户的数目增加覆盖，抑制干扰可以提高系统总容量，也可以提高单用户峰值速率可以提高系统总容量，不能提高单用户峰值速率应用方式接收分集（多天线接收）发射分集（多天线发射）天线相关性较高和链路质量较差的时候，复用度不能太高，需要降低复用数据流的数目。天线相关性不大的时候，复用效果与用户位置分布无关。支持有条件的空间复用和空间多址，用户位置不同，对复用和多址的影响较大：只有用户位置满足一定条件才能实现空间复用和空分多址。应用场景在多径效应明显的地方，如密集城区、高新区，使用效果较好在农村和郊区使用效果较好，而在密集城区，算法比较复杂，对终端要求较高技术实现难度编码方式成熟，硬件要求不高，成本