LTE培训资料

TD-LTE无线原理与关键技术,主讲：李青春,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,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、OFDMMIMO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,概念名词,LTE=Long Term Evolution=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,OFDM是一种频谱利用率高的特殊的频分复用系统，由一系列的正交子载波组成（在基带，相互正交的子载波就是类似sin(wt)、 sin(2wt)、 sin(3wt)和cos(wt)、 cos(2wt)、 cos(3wt)的正弦波和余弦波，频率间隔整数倍）,经过载波调制，形成sinc（f）的子载波。由于每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，因此每个子信道上的可以看成平坦性衰落，从而可以抵抗频带选择性衰落，信道均衡也会更加容易。接收端无需使用滤波器区分子载波，仅通过子载波间的正交性即可分离出复用信号。,想收听“音乐之声”于是调谐到f3频段,通过滤波器滤波：其他频段被滤掉，只剩“音乐之声”，再解调，就收听到音乐之声。,1、频谱利用效果高（相对于FDM而言） 2、带宽可灵活配置、可扩展性强（频带大小灵活配置；频带可离散分配；可扩展指带宽可很大、粒度可很小） 3、系统的自适应能力增强（频率自适应、编码自适应） 4、OFDM系统的抗衰落能力和抗干扰能力得到增强。（与MIMO技术结合的优点）,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-OFDM技术,并行传输,OFDM系统包含很多功能模块，其中系统实现强相关的模块有三个：A、串并、并串转换模块；B、FFTIFFT转换模块；C、加CP去CP模块。,加入CP（循环前缀）,FFT,多径时延t大于符号周期T时，干扰严重，小于符号周期T时干扰降低。,窄带并行传输均衡简化操作,在发射端OFDM系统使用IFFT模块实现多载波映射叠加，把大量的窄带子载波频域信号转换成时域信号。在接收端OFDM不能用带通滤波器分隔子载波，而用FFT模块分离波形。,多径效应造成了ISI&ICI干扰和能量损失，加入CP为了降低干扰比纯粹的加空闲保护时段而言，增加了相互正交的冗余信号信息，更有利于克服干扰。,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-Input Multiple-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（Transmit Diversity）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（Spatial Multiplexing） 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10(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SFBC,SFBC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FSTD,TD-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（10以上）（用于空间复用和空间分集）；小天线间距阵列（/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-delay CDD 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-delay CDD方案只用于Rank>1 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0.5-0.65,2GHz,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MIMO,TD-LTE关键技术-MIM0,TD-LTE关键技术-MIMO,TD-LTE关键技术-MIMO,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。,TD-LTE关键技术-MIMO,MIMO模式自适应MIMO系统自适应，就是根据无线环境变化（信道状态信息CSI）来调整自己的行为（变色龙行为）。对于MIMO可调整的行为有编码方式、调制方式、层数目、预编码矩阵，要想正确调整就需要用户端做出反馈（CQI、RI 、PMI），从而实现 小区中不同UE根据自身所处位置的信道质量分配最优的传输模式，提升TD-LTE小区容量；波束赋形传输模式提供赋形增益，提升小区边缘用户性能。模式3和模式8中均含有单流发射，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或单流波束赋形模式。由于模式间自适应需要基于RRC层信令，不可能频繁实施，只能半静态转换。因此LTE在除TM1、2之外的其他MIMO模式中均增加了开环发送分集子模式（相当于TM2）。开环发送分集作为适用性最广的MIMO技术，可以对每种模式中的主要MIMO技术提供补充。相对与TM2进行模式间转换，模式内的转换可以在MAC层内直接完成，可以实现ms(毫秒)级别的快速转换，更加灵活高效。每种模式中的开环发送分集子模式，也可以作为向其他模式转换之前的“预备状态”。,