TD-LTE移動通信技術

目錄

第一代——模拟蜂窩通信系統（1G）

第二代——數字蜂窩移動通信系統（2G）

第三代——IMT-200（3G）

無線幀結構——類型1（FDD）

無線幀結構——類型2（TDD）

系統占用帶寬分析

資源分組

簡述LTE的特性

LTE關鍵技術演進

LTE網絡結構

LTE網絡結構——各網元功能

LTE網絡結構——優點

關鍵技術演進

LTE關鍵技術概述

1.鍊路自适應技術

2.HARQ

3.信道排程與快速排程

4.小區幹擾消除

5.LTE OFDM基本原理介紹

保護間隔GI（Guarding Interval）

循環字首CP（Cyclic Prefix）

同步技術

降峰均比技術

限幅方法

壓縮擴張

6.LTE MIMO基本原理介紹

空間複用

發射分集

波束成形原理圖

MIMO關鍵技術——層映射和預編碼

LTE中7種MIMO模式

LTE系統中MIMO模式優先級

MIMO模式總結

閉環空間複用的應用場景

第一代——模拟蜂窩通信系統（1G）

各系統間沒有公共接口

數字承載業務難于開展

頻率使用率低，無法适應大容量的要求

安全使用率低，易于被竊聽

第二代——數字蜂窩移動通信系統（2G）

TDMA CDMA

第三代——IMT-200（3G）

國際上目前最具代表性的第三代移動通信技術标準有三種：

CDMA2000、WCDMA、TD-SCDMA

其中CDMA2000和WCDMA屬于FDD方式，TD-SCDMA屬于TDD方式，并且其上、下行工作于同一頻段。

IMT-2000，它的三大特點：

1.無縫的全球漫遊

2.高速傳輸

3.無縫業務傳遞，即在固定網、移動網和衛星網上均能互通。

3GPP LTE（Long Term Evolution），又稱之為UTRAN LTE。LTE的目标峰值速率為下行100 Mbps，上行50 Mbps。

1、基站如何區分手機

解決方案：多址或複用技術

1. 讓手機工作在不同的頻率
2. 讓手機工作在不同的時間

多址技術：

多址技術使衆多的使用者共用公共的通信線路而互相不幹擾

常用的方法基本上有三種：頻分多址FDMA、時分多址TDMA、碼分多址CDMA

什麼是頻帶？

對信道而言，頻帶就是允許傳送的信号的最高頻率與允許傳送的信号的最低頻率之間的頻率範圍。

頻分多址FDMA

業務信道在不同頻段配置設定給不同的使用者。（各使用者使用不同的頻率）

時分多址TDMA

業務信道在不同的時間配置設定給不同的使用者。如：GSM、DAMPS。（各使用者使用不同的時隙）

碼分多址CDMA

所有使用者在同一時間、同一頻段上、根據不同的編碼獲得業務。（各使用者使用不同的正交化碼序列）

頻率複用：異頻組網、一頻組網

2、手機如何找到基站

基站：用不同的頻率廣播資訊

手機：自動掃描整個頻段，選擇信号最強的基站

3、基站如何找到手機

手機通過偵聽廣播信道資訊，得知自己所在的位置區，如果發現自己的位置區發生了變化，則主動聯系無線網絡，上報自己所在的位置。（周期性上報）

4、如何識别手機使用者的身份

1.使用者标示：将IMSI（International Mobil Subscriber Identity,國際移動使用者識别）号存儲于SIM卡和核心網絡中，IMSI号相當于身份證号。

2.密碼

5、如何保證對話不被他人竊聽

數字通信系統：加密

發送端是比特流：01110010101010

基站下發給使用者：特定比特流

加密運算：與、或、非、異或等

6、如何保證“移動”着打電話不會有問題

硬切換：通信會發生瞬時的中斷（先斷後連）

軟切換：切換期間沒有中斷通話（先連後斷）

無線幀結構——類型1（FDD）

1.每個10ms無線幀被分為10個子幀

2.每個子幀包含兩個時隙，每時隙長0.5ms

3.Ts=1/（15000*2048）是基本時間單元

4.任何一個子幀即可以作為上行，也可以作為下行

無線幀結構——類型2（TDD）

1. 每個10ms無線幀包括2個長度為5ms的半幀，每個半幀由4個資料子幀和1個特殊子幀組成。
2. 特殊子幀包括3個特殊時隙：DwPTS，總長度為1ms
3. 支援5ms和10ms上下行切換點
4. 子幀0、5和DwPTS總是用于下行發送

系統占用帶寬分析

1. 占用帶寬=子載波*每RB的子載波數目*RB數目
2. 子載波寬度=15KHz
3. 每RB的子載波數目=12

資源分組

簡述LTE的特性

1.分FDD和TDD兩種模式

2.采用OFDM和MIMO技術,使用者峰值速率：

DL 100Mbps

UL 50Mbps

3.扁平、全IP網絡架構減少系統時延，減少建網成本

CP：駐留—激活小于100ms，休眠—激活小于50ms

UP：最小可達到5ms

4.控制面處理能力：單小區5M帶寬内不少于200使用者

5.頻譜使用率：1.4MHz、3MHz、5MHz、10MHz、15MHz、20MHz，靈活支援不同帶寬

6.頻譜使用率相對于3G提高2-3倍

7.更低的OPEX（管理支出）和CAPEX（資本支出）

LTE關鍵技術演進

LTE R8	LTE R9	LTE Advanced
1.靈活的頻譜 a.靈活的帶寬 b.靈活的雙工技術 2.新的接入技術 a.上行：SC-FDMA b.下行：OFDMA 3.多天線技術 a.傳送分集 b.空間複用 4.快速排程 5.AMC 6.HARQ 7.SON	基站定位技術 SON（自組織網絡） EMBMS（演進型多媒體廣播/多點傳播服務）	頻譜擴充 COMP（協同多點傳輸） Relay（中繼） 多天線技術擴充 上行多接入技術

LTE網絡結構

UE——user裝置

Uv——使用者和基站接口

X2——基站間

S1——基站和核心網

實線——光纖

EPC——分組核心演進

1. UTRAN——進化UMTS地面無線接入網

MME：移動性管理實體（管理和控制）

1. 使用者鑒權
2. 移動性管理
3. 漫遊控制
4. 網關選擇
5. 承載管理

SGW（業務網關）：中轉站或港口

1. 漫遊時分組核心網的接入點
2. LTE系統内部移動性的錨點
3. 空閑狀态時緩存下行資料
4. 資料包的路由和轉發
5. 計費
6. 合法監聽

PGW（PDN GateWay，PDN網關）

1. 外網互聯的接入點
2. 使用者IP位址配置設定
3. 資料包路由和轉發
4. 計費
5. 政策控制執行
6. 合法監聽

LTE網絡結構——各網元功能

E-Node B 演進型基站	MME 移動性管理實體	Serving GW 服務網關	PDN GW 分組資料網網關
具有現3GPP NodeB全部和RNC大部分功能，包括： 1.實體層功能 2.MAC、RLC、PDCP功能 3.RRC功能 4.資源排程和無線資源管理 5.無線接入控制 6.移動性管理	1.NAS信令以及安全性功能 2.3GPP接入網絡移動性導緻的CN節點間信令 3.空閑模式下UE跟蹤和可達性 4.漫遊 5.鑒權 6.承載管理功能（包括專用承載的建立）	1.支援UE的移動性切換使用者面資料的功能 2.E-UTRAN空閑模式下行分組資料緩存和尋呼支援  3.資料包路由和轉發 4.上下行傳輸層資料包标記	1.基于使用者的包過濾 2.合法監聽 3.IP位址配置設定 4.上下行傳輸層資料包标記 5.DHCPv4和DHCPv6（client、relay、server）

RNC（無線網絡控制器）+Node B（基站）=eNode B（演進型基站）

政策計費功能實體（PCRF）：是支援業務資料流檢測，政策實施和基于流量計費的功能實體的總稱

位置寄存器（HSS）：儲存使用者簽約資料和位置資訊

LTE網絡結構——優點

1. 網絡扁平化使得系統延時減少，進而改善使用者體驗，可開展更多業務
2. 網元數目減少，使得網絡部署更為簡單，網絡的維護更加容易
3. 取消了RNC的集中控制，避免單點故障，有利于提高網絡穩定性

關鍵技術演進

1G（FDMA）——2G（TDMA為主）——3G（CDMA）——LTE（OFDM+MIMO+IP）

LTE的主要增強型技術：OFDM、MIMO

LTE關鍵技術概述

1. OFDM
2. MIMO多天線技術
3. 鍊路自适應技術
4. HARQ
5. 信道排程與快速排程
6. 小區間幹擾消除

1.鍊路自适應技術

1.鍊路自适應技術可以通過兩種方法實作：功率控制和速率控制。

2.一般意義上的鍊路自适應都指速率控制，LTE中即為自适應編碼調制技術（Adaptive Modulation and Coding），應用AMC技術可以使得eNode B能夠根據UE回報的信道狀況及時地調整不同的調制方式（QPSK、16QAM、64QAM）和編碼速率。進而使得資料傳輸能及時地跟上信道的變化狀況。這是一種較好的鍊路自适應技術。

3.對于長時延的分組資料，AMC可以在提高系統容量的同時不增加對鄰區的幹擾。

鍊路自适應技術——功率控制

1. 通過動态調整發射功率，維持接收端一定的信噪比，進而保證鍊路的傳輸品質
2. 當信道條件較差時，需要增加發射功率，當信道條件較好時，需要降低發射功率，進而保證了恒定的傳輸功率（功率控制可以很好的避免小區内使用者間的幹擾）

鍊路自适應技術——速率控制（即AMC）

充分利用信道條件有效發送使用者資料

—信道條件好：高速率傳送使用者資料

—信道條件壞：低速率傳送使用者資料

時域AMC、頻域AMC、空域AMC

（調制方式、編碼方式等各項參數組合，使得AMC技術更加高效、靈活）

1. 保證發射功率恒定的情況下，通過調整無線鍊路傳輸的調制方式與編碼速率，確定鍊路的傳輸品質
2. 當信道條件較差時選擇較小的調制方式與編碼速率，當信道條件較好時選擇較大的調制方式，進而最大化了傳輸速率

鍊路自适應技術——LTE上下行方向鍊路自适應

—LTE 上行方向的鍊路自适應技術基于基站測量的上行信道品質，直接确定具體的調制與編碼方式

—LTE下行方向的鍊路自适應技術基于UE回報的CQI，從預定義的CQI表格中确定具體的調制與編碼方式

2.HARQ

FEC：前向糾錯編碼 (Forward Error Correction)

ARQ：自動重傳請求(Automatic Repeat reQuest)

HARQ=FEC+ARQ

FEC通信系統

資料傳送——FEC編碼——信道——FEC解碼——資料接收

優勢： 更高的系統傳輸速率 自動錯誤糾正，無需回報及重傳 低延遲時間

劣勢： 可靠性低 對信道的自适應能力較低 為保證更高的可靠性需要較長的碼，是以編碼效率較低，複雜度和成本較高

ARQ通信系統

資料發送——信道——資料接收

     |——ACK/NACK——|

優勢： 複雜性較低 可靠性較高 适應性較高

劣勢： 連續性和實時性較低 傳輸效率較低

HARQ機制

HARQ實際上整合了ARQ的高可靠性和FEC的高效率

HARQ特性

1.采用N程序停等方式(N-Process Stop-and-Wait)

2.HARQ對傳輸塊進行傳輸與重傳

在下行鍊路

—異步自适應HARQ

—下行傳輸(或重傳)對應的上行ACK/NACK通過PUCCH或者PUSCH發送

—PDCCH訓示HARQ程序數目以及是初傳還是重傳

—重傳總通過PDCCH排程

上行鍊路

—同步HARQ

—針對每個UE配置重傳最大次數

—上行傳輸或重傳對應的下行ACK/NACK通過PHICH發送

HARQ——定時關系

1.重傳與初傳之間的定時關系：同步HARQ協定；異步HARQ協定

2.LTE上行為同步HARQ協定：如果重傳在預先定義好的時間進行，接收機不需要顯示告知程序号，則稱為同步HARQ協定

—根據PHICH傳輸的子幀位置，确定PUSCH的傳輸子幀位置

—與PDCCHàPUSCH的定時關系相同

3.LTE下行為異步HARQ協定：如果重傳在上一次傳輸之後的任何可用時間上進行，接收機需要顯示告知具體的程序号，則稱為異步HARQ協定

HARQ——自适應/非自适應HARQ

1.自适應HARQ：自适應HARQ是指重傳時可以改變初傳的一部分或者全部屬性，比如調制方式，資源配置設定等，這些屬性的改變需要信令額外通知

2.非自适應HARQ：非自适應的HARQ是指重傳時改變的屬性是發射機與接收機事先協商好的，不需要額外的信令通知

3.LTE下行采用自适應的HARQ

4.LTE上行同時支援自适應HARQ和非自适應的HARQ

—非自适應的HARQ僅僅由PHICH信道中承載的NACK應答資訊來觸發

—自适應的HARQ通過PDCCH排程來實作，即基站發現接收輸出錯誤之後，不回報NACK，而是通過排程器排程其重傳所使用的參數

HARQ——HARQ與軟合并

單純HARQ機制中，接收到的錯誤資料包都是直接被丢掉的

HARQ與軟合并結合：将接收到的錯誤資料包儲存在存儲器中，與重傳的資料包合并在一起進行譯碼，提高傳輸效率（CC合并）

LTE支援使用IR合并的HARQ，其中CC合并可以看作IR合并的一個特例（IR合并，增量備援合并）

3.信道排程與快速排程

信道排程

基本思想：對于某一塊資源，選擇信道傳輸條件最好的使用者進行排程，進而最大化系統吞吐量。（多使用者分集）

LTE系統支援基于頻域的信道排程

相對于單載波CDMA系統，LTE系統的一個典型特征是可以在頻域進行信道排程和速率控制

下行：基于公共參考信号

上行：基于探測參考信号

快速排程

快速排程即為分組排程，其基本理念就是快速服務

排程原則：

1.公平排程算法 Round Robin(RR)

2.最大C/I排程算法 (Max C/I)載幹比

3.部分公平排程算法 (PF)

排程方法：TDM、FDM、SDM

基于時間的輪循方式	每個使用者被順序的服務，得到同樣的平均配置設定時間，但每個使用者由于所處環境的不同，得到的流量并不一緻
基于流量的輪循方式	每個使用者不管其所處環境的差異，按照一定的順序進行服務，保證每個使用者得到的流量相同 （公平）
最大C/I方式	系統跟蹤每個使用者的無線信道衰落特征，依據無線信道C/I的大小順序，确定給每個使用者的優先權，保證每一時刻服務的使用者獲得的C/I都是最大的 （最大吞吐量）
部分公平方式	綜合了以上幾種排程方式，既照顧到大部分使用者的滿意度，也能從一定程度上保證比較高的系統吞吐量，是一種實用的排程方法

4.小區幹擾消除

小區間同頻組網，同頻幹擾   危害：降低信号的品質

小區間幹擾消除技術方法包括：

 1.加擾

 2.跳頻傳輸

 3.發射端波束賦形以及IRC

 4.小區間幹擾協調

 5.功率控制

4.1 小區間幹擾消除——加擾

LTE系統充分使用序列的随機化避免小區間幹擾

一般情況下，加擾在信道編碼之後、資料調制之前進行即比特級的加擾

—PDSCH，PUCCH format 2/2a/2b，PUSCH：擾碼序列與UE id、小區id以及時隙起始位置有關

—PMCH：擾碼序列與MBSFN id和時隙起始位置有關

—PBCH，PCFICH，PDCCH：擾碼序列與小區id和時隙起始位置有關

PHICH實體信道的加擾是在調制之後，進行序列擴充時進行加擾

—擾碼序列與小區id和時隙起始位置有關

4.2 小區間幹擾消除——跳頻傳輸

目前LTE上下行都可以支援跳頻傳輸，通過進行跳頻傳輸可以随機化小區間的幹擾

—除了PBCH之外，其他下行實體控制信道的資源映射均于小區id有關

—PDSCH、PUSCH以及PUCCH采用子幀内跳頻傳輸

—PUSCH可以采用子幀間的跳頻傳輸

4.3.1 小區幹擾消除——發射端波束賦形

1.提高期望使用者的信号強度

2.降低信号對其他使用者的幹擾

3.特别的，如果波束賦形時已經知道被幹擾使用者的方位，可以主動降低對該方向輻射能量

4.3.2 小區幹擾消除——IRC

當接收端也存在多根天線時，接收端也可以利用多根天線降低使用者間幹擾，其主要的原理是通過對接收信号進行權重，抑制強幹擾，稱為IRC（Interference Rejection Combining）

4.4 小區間幹擾消除——小區間幹擾協調

基本思想 ：以小區間協調的方式對資源的使用進行限制，包括限制哪些時頻資源可用，或者在一定的時頻資源上限制其發射功率

1.靜态的小區間幹擾協調（頻率資源協調）：

—不需要标準支援

—頻率資源協調/功率資源協調

2.半靜态小區間幹擾協調（功率資源協調）：

—需要小區間交換資訊，比如資源使用資訊

—目前LTE已經确定，可以在X2接口交換PRB的使用資訊進行頻率資源的小區間幹擾協調（上行），即告知哪個PRB被配置設定給小區邊緣使用者，以及哪些PRB對小區間幹擾比較敏感。

—同時，小區之間可以在X2接口上交換過載訓示資訊（OI：Overload Indicator），用來進行小區間的上行功率控制

4.5 小區間幹擾消除——功率控制

1.小區間功率控制（Inter-Cell Power Control）

—一種通過告知其它小區本小區IoT資訊，控制本小區IoT的方法

2.小區内功率控制（Intra-Cell Power Control）

—補償路損和陰影衰落，節省終端的發射功率，盡量降低對其他小區的幹擾，使得IoT保持在一定的水準之下

功率控制：對于上行PUSCH、PUCCH以及SRS都需要進行功率控制

5.LTE OFDM基本原理介紹

無線信道傳播特性

路徑損耗（大尺度衰落）	陰影衰落（中等尺度衰落）	多徑衰落（小尺度衰落）
電波在自由空間内的傳播損耗	由于傳播環境的地形起伏、建築物和其他障礙物對地波的阻礙或遮蔽而引起的衰落	無線電波在空間傳播存在反射、繞射、衍射等，是以造成信号會經過多條路徑到達接收端，而每個信号分量的時延、衰落和相位不同，在接收端對多個信号分量疊加時，造成同相增加，異相減小

頻率選擇性衰落

多徑效應會引起頻率選擇性衰落

—當多路信号的相對時延與一個符号的時間相比不可忽略, 那麼當多路信号疊加時, 不同時間的符号就會重疊在一起,造成符号間幹擾（InterSymbol Interference，ISI），此時就認為發生了頻率選擇性衰落。

時間選擇性衰落

—除上面講到的幾種衰落之外，由于移動台的運動，還會使無線信道呈現出時變性，即時間選擇性衰落。

—時間選擇性衰落的一種具體表現就是多普勒頻移（Doppler shift），即單一頻率信号經過時變衰落信道之後會呈現為具有一定帶寬和頻率包絡的信号，稱為信道的頻率彌散性。頻率彌散性會造成信道間幹擾(InterChannel Interference，ICI)。

無線信道要解決的問題

1.自由空間的傳播損耗和陰影衰落主要影響到無線區域的覆寫，通過合理的設計就可以消除這種不利影響。

2.在無線通信系統中，重點要解決時間選擇性衰落和頻率選擇性衰落。采用OFDM技術可以很好的解決這兩種衰落對無線信道傳輸造成的不利影響。

OFDM: 正交頻分複用OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）是一種多載波傳輸方式。

1.帶寬使用率高：OFDM将頻域劃分為多個子信道，各相鄰子信道互相重疊，但不同子信道互相正交。将高速的串行資料流分解成若幹并行的子資料流同時傳輸。

2.頻率選擇性衰落小：OFDM子載波的帶寬 < 信道“相幹帶寬”時，可以認為該信道是“非頻率選擇性信道”，所經曆的衰落是“平坦衰落”。

3.時間選擇性衰落小：OFDM符号持續時間 < 信道“相幹時間”時，信道可以等效為“線性時不變”系統，降低信道時間選擇性衰落對傳輸系統的影響。

OFDM系統實作原理——多載波技術

多載波傳輸是相對于單載波傳輸而來的：使用多個載波并行傳輸資料。

1. 把一串高速資料流分解為若幹個低速的子資料流——每個子資料流将具有低得多的速率
2. 将子資料流放置在對應的子載波上
3. 将多個子載波合成，一起進行傳輸

OFDM原理圖

1.OFDM技術中各子載波之間互相正交且互相重疊，可以最大限度地利用頻譜資源。

2.OFDM是一種多載波并行調制方式，将符号周期擴大為原來的N倍，進而提高了抗多徑衰落的能力。

3.OFDM可以通過IFFT（快速傅裡葉發變換）和FFT（快速傅裡葉變換）分别實作OFDM的調制和解調。

LTE OFDM時頻結構

時域：對應OFDM符号

頻域：對應OFDM子載波

OFDM的優勢

抗多徑衰落	頻譜使用率高	計算簡單	頻譜資源靈活配置設定
将信道分成若幹正交子信道，将高速資料信号轉換成并行的低速子資料流，調制到每個子信道上傳輸，可以減少子信道的幹擾。 每個子信道上的信号帶寬小于信道的相幹帶寬，是以每個子信道上的信号可以看成平坦性衰落，進而可以消除符号間幹擾	由于子載波之間正交，允許子載波之間具有1/2的重疊，具有很高的頻譜使用率	選用基于IFFT/FFT的OFDM實作方法，計算方法簡單高效	通過選擇子信道數目的不同，實作上下行不同的傳輸速率要求；通過動态配置設定充分利用信噪比高的子信道，提高系統吞吐量

OFDM的不足

易受頻率偏差的影響	存在較高的峰均比
由于OFDM子信道的頻譜互相重疊，是以對正交性要求嚴格。然而由于無線信道存在時變性，在傳輸過程中會出現無線信号的頻率偏移，會導緻OFDM系統子載波之間的正交性被破壞，引起子信道間的信号幹擾	因為OFDM信号是多個小信号的總和，這些小信号的相位可能同相，在幅度上疊加在一起會産生很大的瞬時峰值幅度。而峰均比(PAPR)過大，将會增加A/D和D/A的複雜性，降低射頻功率放大器的效率。由于OFDM系統峰均比大，對非線性放大更為敏感，故OFDM調制系統比單載波系統對放大器的線性範圍要求更高

OFDM的關鍵技術

多徑效應将引起符号間幹擾（路徑1的第二個符号和路徑2的第一個符号形成幹擾）

保護間隔GI（Guarding Interval）

加入保護間隔避免符号間幹擾

優勢：當保護間隔的長度超過信道最大延遲，一個符号的多徑分量不會幹擾下一個符号子載波幹擾

劣勢：引入保護間隔後，積分區間内不再具有整個子載波，子載波間的正交性被破壞，兩個子載波之間會産生載波間的幹擾。

循環字首CP（Cyclic Prefix）

1.循環字首是此符号後一段樣點值的重複，加入循環字首的目的是不破壞子載波間的正交性。

2.隻要每個路徑的時延小于保護間隔，FFT的積分時間長度就可以包含整數個多徑子載波波形。

3.加入循環字首，要犧牲一部分時間資源，降低了各個子載波的符号速率和信道容量，優點就是可以有效的抗擊多徑效應。

4.下圖為采用IFFT實作OFDM調制并加入循環字首的過程：輸入串行資料信号，經過串/并轉換，輸出的并行資料就是要調制到相應子載波上的資料符号，可以看成是一組位于頻域上的資料。經過IFFT就實作了頻域到時域的轉換。

同步技術

OFDM系統的同步要求：

載波同步：實作接收信号的相幹解調；

樣值同步：使接收端的取樣時刻與發送端完全一緻；

符号同步：區分每個OFDM符号塊的邊界，因為每個OFDM符号塊包含N個樣值。

與單載波系統相比，OFDM系統對同步精度的要求更高，同步偏差會再OFDM系統中引起ISI（頻率選擇性衰落）及ICI（時間選擇性衰落）。

同步技術——載波技術

OFDM系統利用導頻實作載波同步，載波同步分為兩個過程：

跟蹤模式：隻需要處理很小的載波抖動；

捕獲模式：頻偏較大，可能是載波間隔的若幹倍。

OFDM系統接收機通過兩個階段的同步，可以提供良好的捕獲性能和精準的跟蹤性能。

第一階段：盡快進行粗略的頻率估計，解決載波的捕獲問題；

第二階段：能夠鎖定并且執行跟蹤任務

同步技術——符号同步和載波同步

OFDM系統中，采用最大似然方法聯合實作符号定時同步和載波同步。

通常多載波系統都采用插入保護間隔的方法來消除符号間幹擾，最大似然方法正是利用保護間隔所攜帶的資訊完成符号定時同步和載波頻率同步，克服了需要插入導頻符号實作載波同步，浪費資源的缺點。

信道估計技術

加入循環字首後的OFDM系統可等效為N個獨立的并行子信道。如果不考慮信道噪聲，Ｎ個子信道上的接收信号等于各自子信道上的發送信号與信道的頻譜特性的乘積。如果通過估計方法預先獲知信道的頻譜特性，将各子信道上的接收信号與信道的頻譜特性相除，即可實作接收信号的正确解調。

常見的信道估計方法有基于導頻信道和基于導頻符号（參考信号）兩種，多載波系統具有時頻二維結構，是以采用導頻符号的輔助信道估計更靈活。

導頻符号位置

導頻符号輔助方法是在發送端的信号中某些固定位置插入一些已知的符号和序列，在接收端利用這些導頻符号和導頻序列按照某些算法進行信道估計。

在多載波系統中，通常在時間軸和頻率軸兩個方向同時插入導頻符号，在接收端提取導頻符号估計信道傳輸函數。隻要導頻符号在時間和頻率方向上的間隔相對于信道帶寬足夠小，就可以采用二維内插濾波的方法來估計信道傳輸函數。

降峰均比技術

峰均比（PAR）

導頻符号輔助方法是在發送端的信号中某些固定位置插入一些已知的符号和序列，在接收端利用這些導頻符号和導頻序列按照某些算法進行信道估計。

在多載波系統中，通常在時間軸和頻率軸兩個方向同時插入導頻符号，在接收端提取導頻符号估計信道傳輸函數。隻要導頻符号在時間和頻率方向上的間隔相對于信道帶寬足夠小，就可以采用二維内插濾波的方法來估計信道傳輸函數。

降峰均比技術

降峰均比技術	OFDM系統中采用信号預畸變技術降峰均比
實作原理	在信号被送到放大器之前，首先經過非線性處理，對有較大峰值功率的信号進行預畸變，使其不會超出放大器的動态變化範圍，進而避免較大峰均比的出現
實作方法	限幅 壓縮擴張

限幅方法

限幅作用：信号經過非線性部件之前進行限幅，可以使得峰值信号低于所期望的最大電平值。

限幅導緻的問題：會對系統造成自身幹擾；會導緻帶外輻射功率值的增加。

解決方法：利用其他非矩形窗函數對OFDM符号進行時域加窗。

壓縮擴張

壓縮擴張變化方法：把大功率發射信号壓縮，而把小功率發射信号進行放大，進而可以使得發射信号的平均功率相對保持不變。

OFDM在上下行鍊路的應用

下行多址技術方案—OFDMA

OFDMA（正交頻分多址接入）：是傳統的基于CP的OFDM技術。

OFDMA多址接入方式：将傳輸帶寬劃分成互相正交的子載波集，通過将不同的子載波集配置設定給不同的使用者，可用資源被靈活的在不同移動終端之間共享。這可以看成是一種OFDM+FDMA+TDMA技術相結合的多址接入方式。如下圖所示：

根據每個使用者需求的資料傳輸速率、當時的信道品質随頻率資源進行動态配置設定。

下行多址技術方案——OFDMA的優勢

1. 頻譜效率高：子載波重疊、正交、支援非對稱
2. 帶寬擴充性強：帶寬取決于子載波的數量
3. 抗多徑衰落：子信道可以看做水準衰落信道、CP的引入
4. 頻域排程和自适應：

集中式/分布式子載波配置設定：子載波連續配置設定給一個使用者，頻域排程選擇較優子信道，獲得多使用者分集增益；（高速移動或SINR較低時）将配置設定給子信道的子載波分散到整個帶寬，交替排列，獲得頻率分集增益。（使幹擾随機化）

頻率選擇性：SINR、調制編碼方式MSC

1. 實作MIMO技術較簡單：水準衰落信道，避免天線間幹擾。

上行多址接入技術方案——需求

1.上行多址技術的要求和下行不同，OFDM等多載波系統的輸出是多個子信道号的疊加，是以，如果多個信号的相位一緻，所得到的疊加信号的瞬時功率就會遠遠高于信号的平均功率，存在較高的峰均比PAPR。

2.對發射機的線性度提出了很高的要求，會增加數模轉換的複雜度，降低RF功放的效率，使發射機功放的成本和耗電量增加。

3.終端的能力有限，尤其是發射功率受限，是以在上行鍊路，基于OFDM的多址接入技術并不适合用在UE側使用。

上行多址技術方案——SC-FDMA多址方式

1.采用（單載波）SC-FDMA多址接入方式，多使用者複用頻譜資源時隻需要改變不同使用者DFT的輸出到IDFT輸入的關系就可以實作多址接入，同時子載波之間具有良好的正交性，避免了多址幹擾。

2.通過改變DFT到IDFT的映射關系，實作多址；改變輸入信号的資料符号塊M的大小，實作頻率資源的靈活配置。

3.SC-FDMA的兩種資源配置設定方式：集中式資源配置設定、分布式資源配置設定是3GPP讨論過的兩種上行接入方式，最終為了獲得低的峰均比，降低UE的負擔選擇了集中式的配置設定方式。

為什麼選擇SC-FDMA？

OFDM:

信号功率峰均比較高 à 功放效率較低 à 電池效率較低 à 不适合終端UE

SC-FDMA (Single Carrier FDMA：單載波FDMA):

信号峰均比較低          功放效率較高          電池壽命較長         适合終端UE

OFDMA和SC-FDMA的比較

6.LTE MIMO基本原理介紹

幾種傳輸模型

MIMO (Multiple Input Multiple output：多輸入多輸出)系統，其基本思想是在收發兩端采用多根天線，分别同時發射與接收無線信号

LTE中的MIMO模型

SU-MIMO（單使用者MIMO）：指在同一時頻單元上一個使用者獨占所有空間資源，這時  的預編碼考慮的是單個收發鍊路的性能；

MU-MIMO（多使用者MIMO）：指在同一時頻單元上多個使用者共享所有的空間資源，相當于一種空分多址技術，這時的預編碼還要和多使用者排程結合起來，評估系統的性能。

MIMO系統容量

MIMO系統中，系統容量随着天線數目的增加成線性增加。

為什麼選擇MIMO技術？

1. MIMO為無線資源增加了空間維的自由度。
2. MIMO通過空時處理技術，充分利用空間資源，在無需增加頻譜資源和發射功率的情況下，成倍地提升通信系統的容量與可靠性，提高頻譜使用率。（多路發送相同資料時，收到信噪比更好的信号）
3. MIMO能夠獲得比單入單出（SISO），單入多出（SIMO）和多入單出（MISO）更高的信道容量。

基本原理：空間複用和空間分集技術能夠提高速率

MIMO關鍵技術：空間複用，空間分集，波束成型，層映射和預編碼。

空間複用

空間複用：發射的高速資料被分成幾個并行的低速資料流，在同一頻帶從多個天線同時發射出去。

  碼字≤ 層數 ≤ 發射天線數

  不同的資料内容 —— 提高吞吐量

  更複雜的預編碼技術 —— 碼本

發射分集

空間分集（發射分集、接收分集和接收發射分集），使用多根天線進行發射和/或接收，根據收發天線數又分為發射分集、接收分集與接收發射分集。

發射分集：是在發射端使用多幅發射天線發射資訊，通過對不同的天線發射的信号進行編碼達到空間分集的目的，接收端獲得比單天線高的信噪比。

空時發射分集STTD

循環延遲分集CDD

空頻發射分集SFTD

空時發射分集

1.通過對不同的天線發射的信号進行空時編碼達到時間和空間分集的目的；

2.在發射端對資料流進行聯合編碼以減小由于信道衰落和噪聲導緻的符号錯誤機率；

3.空時編碼通過在發射端的聯合編碼增加信号的備援度，進而使得信号在接收端獲得時間和空間分集增益。可以利用額外的分集增益提高通信鍊路的可靠性，也可在同樣可靠性下利用高階調制提高資料率和頻譜使用率。

4.STC技術的實體實質在于：利用存在于空域與時域之間的正交或準正交特性，按照某種設計準則，把編碼備援資訊盡量均勻映射到空時二維平面，以減弱無線多徑傳播所引起的空間選擇性衰落及時間選擇性衰落的消極影響，進而實作無線信道中高可靠性的高速資料傳輸。

5.典型的有空時格碼（Space-Time Trellis Code，STTC） 和空時分組碼（Space-Time Block Code，STBC）

空頻發射分集

空頻發射分集與空時發射分集類似，不同的是SFTD是對發送的符号進行頻域和空域編碼

将同一組資料承載在不同的子載波上面獲得頻率分集增益

空時空頻的相同點：多根天線、都需要編碼，發射端承載的資訊都相同，都能獲得分集增益，較高信噪比。

循環延遲發射分集（CDD）

在不同的發射天線上發送具有不同相對延時的同一個信号, 人為地制造時間彌散，能夠獲得分集增益。且循環延時分集采用的是循環延時而不是線性延時，延遲是通過固定步長的移相（Cyclic Shift，循環移相）來等效實作延遲 。

兩天線發射分集

接收分集

多個天線接收來自多個信道的承載同一資訊的多個獨立的信号副本。

由于信号不可能同時處于深衰落情況中，是以在任一給定的時刻至少可以保證有一個強度足夠大的信号副本提供給接收機使用，進而提高了接收信号的信噪比。

波束成形原理圖

在發射端将待發射資料矢量權重，形成某種方向圖後到達接收端，接收端再對收到的信号進行上行波束形成，抑制噪聲和幹擾。

波束成形的分類

按照信号的發射方式：

• 傳統波束成形：當信道特準值隻有一個或隻有一個接收天線時，沿特征向量發射所有功率實作波束形成；
• 特征波束成形：對信道矩陣進行特征值分解，信道将轉化為多個并行的信道，在每個信道上獨立傳輸資料。

按回報的信道資訊：

• 瞬時信道資訊回報
• 信道均值資訊回報
• 信道協方差矩陣回報

【特征值隻有一個，信道相關——分集用，發送相同資料

多個特征值，信道不相關（幾個特征值，就幾個不相關信道）——空間複用】

MIMO關鍵技術——層映射和預編碼

空間複用：

1、空間複用方式下層映射

2、空間複用方式下預編碼

3、閉環空間複用預編碼

4、開環空間複用預編碼

發射分集：

1、發射分集方式下的層映射

2、發射分集方式下預編碼

3、發射分集2天線預編碼

1、空間複用方式下層映射

層映射

根據協定36.211，層數V≤P，P表示實體信道用于發射的天線端口數，且碼字流的個數最多為2 。

協定規定：碼字到層的映射可有1：1，1：2，2：2，2：3，2：4。

且1：2的情況隻發生在P=4的條件下。

2、空間複用方式下預編碼

預編碼：克服無線信道的相關性。當多路徑信道在一個或多個MIMO接收機上無法提供足夠的SINR（信噪比）時，預編碼技術可以極大地提高系統性能。

3、閉環空間複用預編碼（低速或靜止移動環境）

1）無CDD(循環延遲發射分集)時的預編碼

2）W是階數為P*V的預編碼矩陣。

3）閉環空間複用

需要UE回報PMI(預編碼矩陣訓示),RI(秩訓示)。

4、開環空間複用預編碼

1）大CDD時的預編碼（開環空間複用）

2）W是階數為P*V的預編碼矩陣，D,U為矩陣。 加入CDD之後能夠人為的制造多徑效應，以獲得更大的增益。

3）開環空間複用

需要UE回報RI(秩訓示)，且當RI=1時為發射分集。兩天線時Codebook的索引号為0，四天線時Codebook的索引号為12-15。

1、發射分集方式下的層映射

層映射

根據協定，隻允許對一個碼字進行層映射，層數V和實體信道用于發射的天線端口數P相等。

碼字到層的映射隻允許有1：2和1：4，即一碼字流映射至兩層或四層 。

2、發射分集方式下預編碼

發射分集方式的層映射要求映射層數和天線口數目相等，且層映射隻有1：2和1：4，故預編碼子產品輸入的層數也是2層或4層。

3、發射分集2天線預編碼

LTE整個下行過程

LTE中7種MIMO模式

1. 單天線端口——适用于單天線端口
2. 發射分集——提供發射分集對抗衰落
3. 開環空間複用——适用于高速移動環境
4. 閉環空間複用——提高峰值速率
5. 多使用者MIMO——提高系統容量
6. 碼本波束成形——提高小區覆寫，抑制幹擾
7. 非碼本波束成形——提高小區覆寫，抑制幹擾

LTE系統中MIMO模式優先級

1. 單天線端口——單天線系統優選
2. 發射分集——高優先級
3. 開環空間複用——兩天線高優先級，四天線中等優先級
4. 閉環空間複用——兩天線高優先級，四天線中等優先級
5. 多使用者MIMO——中低優先級
6. 碼本波束成形——中等優先級在四天線系統
7. 非碼本波束成形——優先級較低（尤其在TDD系統）

MIMO模式的應用

手機自适應MIMO模式

MIMO模式總結

傳輸 方案	秩	信道 相關性	移動性	資料 速率	在小區中 的位置
發射分集 (SFBC)	1	高	高/中速移動	低	小區邊緣
開環空間複用	2/4	低	高/中速移動	中/低	小區中心/邊緣
雙流預編碼	2/4	低	低速移動	高	小區中心
多使用者MIMO	2/4	低	低速移動	高	小區中心
碼本波束成形	1	高	低速移動	低	小區邊緣
非碼本波束成形	1	高	低速移動	低	小區邊緣

閉環空間複用的應用場景

注意:

支援天線端口 2/4;

支援1個碼字和2個碼字;

要求終端回報RI和PMI;

秩RANK=1 對應于1個碼字; 秩RANK>=2對應于兩個碼字;

一個碼字的情況被稱為碼本波束成形;

适用于小區中心的高信噪比使用者

東莞理工學院TD-LTE移動通信技術——黃妙娜[2019]