LTE关键技术OFDM与MIMO原理培训教材V1.2

LTE关键技术OFDM与MIMO基本原理LTE基本原理培训教材中兴通讯销售体系工程服务部TD用服部姓名:来驰E-mail:[e-mail]修改记录版本日期拟制人/修改人备注V1.02009-11来驰创建V1.12009-11徐济乾修改V1.22009-12徐济乾修改定稿通过本文档的学习，您可以掌握以下技能：了解OFDM技术的基本原理，掌握LTE上下行传输技术的实现方式。了解LTE多天线技术MIMO的基本原理，空间复用、波束赋形和传输分集的基本过程，LTE上下行MIMO的应用技术。第一部分LTE关键技术之OFDM第二部分LTE关键技术之MIMO第一部分LTE关键技术之OFDM第一章OFDM技术基本原理第一节OFDM的起源与发展第二节OFDM系统原理与实现第二章LTE上下行传输技术第一节LTE下行多址技术方案第二节LTE上行多址技术方案OFDM的起源与发展为了解决低效利用频谱资源问题，在20世纪60年代提出一种思想，即使用子信道频谱相互覆盖的并行数据传输和FDM，要求每个子信道内承载的信号传输速率为b，而且各子信道在频域的距离也是b，这样可以避免使用高速均衡，并且可以对抗窄带脉冲噪声和多径衰落，而且还可以充分的利用可用的频谱资源。（OFDM的雏形）随即，这种技术就被应用到多种高频军事系统中，其中包括KINEPLEX，ANDEFT以及KNTHRYN等。OFDM的起源与发展1971年，Weinstein和Ebert把离散傅里叶变换（DFT）应用到并行传输系统中，作为调制和解调的一部分，这样就不再利用带通滤波器而是经过基带处理就可以实现FDM。（OFDM形成）20世纪80年代中期，欧洲在数字音频广播（DAB）方案中采用了这种并行传输方法，使得OFDM开始受到关注并且得到广泛应用。20世纪80年代后，OFDM渐渐在数据音频广播（DAB）、数字视频广播（DVB）、基于IEEE802.11标准的无限本例局域网（WLAN）以及有线电话网上基于现有铜双绞线的非对称高比特率数字用户线技术（如ADSL）中得到了广泛应用。Wi-Fi和WiMAX技术的兴起更是使得OFDM成为一种“时髦”的技术。3GPPLTE也采用了OFDM技术，预计未来的B3G技术也将基于OFDM。OFDM的起源与发展——什么是OFDMOFDM（正交频分复用：OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing）是一种特殊的多载波传输方案，它可以被看作一种调制技术，也可以被当作一种复用技术。OFDM结合了多载波调制(MCM)和频移键控(FSK)，把高速的数据流分成多个平行的低速数据流，把每个低速的数据流分到每个单子载波上,在每个子载波上进行FSK。选择OFDM的一个主要原因在于该系统能够很好地对抗频率选择性衰落或窄带干扰。LTE系统下行多址方式为正交频分多址（OFDMA），上行为基于正交频分复用（OFDM）传输技术的单载波频分多址（SC-FDMA）。OFDM系统原理与实现——多载波技术串/并并/串+0d1d1Ndtfje12tfje02tfjNe12信道tfje02tfjNe12tfje12积分积分积分0~d1~d1~Nd多载波传输是相对于单载波传输而来的：使用多个载波并行传输数据。1：把一串高速数据流分解为若干个低速的子数据流——每个子数据流将具有低得多的速率；2：将子数据流放置在对应的子载波上；3：将多个子载波合成，一起进行传输；OFDM将频域划分为多个子信道，各相邻子信道相互重叠，但不同子信道相互正交。将高速的串行数据流分解成若干并行的子数据流同时传输OFDM子载波的带宽信道“相干带宽”时，可以认为该信道是“非频率选择性信道”，所经历的衰落是“平坦衰落”OFDM符号持续时间信道“相干时间”时，信道可以等效为“线性时不变”系统，降低信道时间选择性衰落对传输系统的影响频率频率节省带宽资源传统频分复用(FDM)多载波调制技术正交频分复用(OFDM)多载波调制技术图FDM和OFDM带宽利用率的比较OFDM系统原理与实现——基本思想OFDM系统原理与实现——正交性对于任意两个函数S1(t)和S2(t)，如果有,0)()(021TdttStS则函数S1(t)和S2(t)在区间(0,T)上正交。对于OFDM，设相邻子载波的频率间隔Tf1，T是符号的持续时间。那么，任意一对子载波可以分别表示为正整数。可以得到，两个子载波的内积，满足：和，其中K1和K2是212102201121kkkkdteeTTtTkjtTkjtTkje12tTkje22即，子载波tTkje12和tTkje22正交。对OFDM正交性的理解时域频域矩形函数4个子载波OFDM符号周期内4个子载波一个OFDM符号周期内4个子载波的实例OFDM系统原理与实现——正交性OFDM系统原理与实现——基本特点1.发射机在发射数据时，将高速串行数据转为低速并行，利用正交的多个子载波进行数据传输；2.各个子载波使用独立的调制器和解调器；3.各个子载波之间要求完全正交、各个子载波收发完全同步；4.发射机和接收机要精确同频、同步，准确进行位采样；5.接收机在解调器后端进行同步采样，获得数据，然后转为高速串行；6.OFDM多载波传输，载波间相互重叠，具有很高的频谱利用率。受限于上述第2、3条，传统的模拟技术很难实现正交的子载波，因此早期没有得到广泛的应用。随着数字信号处理技术的发展，FFT技术的引入，为OFDM的广泛应用奠定了基础。DFT和IDFT定义N样本序列的N点离散Fourier变换(DFT)，以及变换为的离散Fourier逆变换(IDFT)，定义如下：10/2][][:NnNknjDFTenxkXDFT10/2][1][:NkNknjDFTekXNnxIDFT频域内每个采样点的线性][kXDFT，都是时域内所有采样点][nx的线性叠加。叠加；同样，时域内每个采样点都是频域内所有采样点][nx][kXDFTOFDM系统原理与实现——DFT和IDFT介绍OFDM系统原理与实现——系统原理tfje020dtfje121dtfjNe121Nd串/并+)(tS信道1210,,Nddddtfje020dtfje12tfjNe121Nd积分积分积分1d并/串1210,,Ndddd0dOFDM系统基本模型图OFDM发送端N点序列),,,,(110Nnddddd，nnnjbad。OFDM基带信号Ttt0)()(s)(210或sttfjNkktttSedtSsk其中，T是OFDM符号持续时间，子载波频率Tkfk/。令0st，在T区间内对)(tS做N次采样，采样时刻)12,1,0(NnNnTtn。NknjNkktfjNkknededtSnSnk/210210)(][结论：OFDM调制(从发送序列到OFDM时域采样信号的转换)，可以采用IDFT实现。OFDM系统原理与实现——系统原理保护间隔(GuardInterval)和循环前缀(cyclicprefix)为了最大限度地消除符号间干扰，在OFDM符号之间插入保护间隔，保护间隔长度大于无线信道的最大时延扩展，这样一个符号的多径分量不会对下一个符号造成干扰。为了避免空闲保护间隔，由于多径传播造成子载波间的正交性破坏，将每个OFDM符号的后cpT时间中的样点复制到OFDM符号的前面，形成循环前缀(cyclicprefix)。DataCPCPDataDatacpTFFTTFFT积分时间时间符号N符号N-1符号N+1OFDM系统原理与实现——系统原理保护间隔(GuardInterval)和循环前缀(cyclicprefix)OFDM系统原理与实现——系统原理多径情况下空闲保护间隔在子载波间造成的干扰带循环前缀的OFDM符号OFDM的调制解调原理OFDM系统原理与实现——系统原理各个子载波之间要求完全正交，各个子载波收发完全同步发射机和接收机要精确同频、同步多径效应会引起符号间干扰以及载波间干扰—积分区间内信号不具有整数个周期OFDM调制基本过程OFDM系统原理与实现——系统原理OFDM系统原理与实现——优缺点OFDM系统的优点：各子信道上的正交调制和解调可以采用IDFT和DFT实现，运算量小，实现简单。OFDM系统可以通过使用不同数量的子信道，实现上下行链路的非对称传输。所有的子信道不会同时处于频率选择性深衰落，可以通过动态子信道分配充分利用信噪比高的子信道，提升系统性能。OFDM系统的缺点：对频率偏差敏感：传输过程中出现的频率偏移，如多普勒频移，或者发射机载波频率与接收机本地振荡器之间的频率偏差，会造成子载波之间正交性破坏。存在较高的峰均比(PARA)：OFDM调制的输出是多个子信道的叠加，如果多个信号相位一致，叠加信号的瞬间功率会远远大于信号的平均功率，导致较大的峰均比，这对发射机PA的线性提出了更高的要求。第一部分LTE关键技术之OFDM第一章OFDM技术基本原理第一节OFDM的起源与发展第二节OFDM系统原理与实现第二章LTE上下行传输技术第一节LTE下行多址技术方案第二节LTE上行多址技术方案LTE下行多址技术方案3GPP在LTE标准的制定过程中，曾讨论过以下备选技术方案：传统基于CP的OFDM：OFDMA可变扩频系数OFDM：VSF-ODFM滤波OFDM：OFDM/OQAM多载波WCDMA：MC-WCDMA多载波TD-SCDMA：MC-TD-SCDMA传统的基于CP的OFDM技术。OFDMA多址接入方式：将传输带宽划分成相互正交的子载波集，通过将不同的子载波集分配给不同的用户，可用资源被灵活的在不同移动终端之间共享。这可以看成是一种OFDM+FDMA+TDMA技术相结合的多址接入方式。如图所示：LTE下行多址技术方案——OFDMALTE下行多址技术方案——可变扩频系数OFDM(VSF-OFDM)OFDMA的改进技术。以OFDM作为基本调制技术，采用OFDM与CDMA结合的方法进行时频资源分配，以适应不同场景下的应用。OFDM系统提高了小区内部用户间的正交性，可以获得更高的频谱效率，但同时也失去了CDMA系统在一直小区间干扰方面的优点。在OFDM调制之前，采用CDMA或低码率信道编码进行码域扩频，加入小区特定扰码，以抑制小区间干扰。根据信道环境变化，调整信道码率和扩频系数，灵活对不同的应用场景进行优化。LTE下行多址技术方案——滤波OFDM（OFDM/OQAM）OFDM系统为了避免正交子载波间的干扰，引入了循环前缀CP，CP不能传送有用信息，是系统开销。OFDM/OQAM技术避免使用CP，从而能够实现最优的频谱效率。在调制过程中，采用等方性正交变换算法，将子载波在频域上很好的“集中”，以限制多普勒效应和相位噪声等引起的载波间干扰ICI。LTE下行多址技术方案——多载波WCDMA（MC-WCDMA）基于3GPP系统长期沿用的CDMA传输技术及多址方式。沿用WCDMA/HSPA的信道结构和控制信道机制，采用一系列改进和增强技术，提高各种信道的性能。支持MIMO技术和高阶调制。采用多载波HSPA技术，对MAC/RLC层进行增强，以支持LTE系统最大20MHz的系统带宽。采用增强型均衡器，消除用户间干扰MUI。LTE下行多址技术方案——多载波TD-SCDMA（MC-TD-SCDMA）与MC-WCDMA方案相似，在TD-SCDMA基础上进行多载波增强。下行多址技术方案的确定LTE最终选择传统基于CP的OFDMA技术作为下行多址技术方案。对于CDMA技术，在较小的带宽内，可以和OFDM取得相近的性能；在带宽增大时，其复杂度会急剧增大，考虑到LTE及未来的IMT-Advan