LTE的关键技术OFDM和MIMO基本原理

1、LTE的关键技术OFDM和MIMO基本原理,LTE基本原理培训教材,修改记录,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

2、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。 3GPP LTE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：Orthogonal Frequency Division Multiplexing）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

3、)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,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,OFDM系统原理与实现基本思想,OFDM系统原理与实

4、现正交性,对于任意两个函数S1(t)和S2(t)，如果有,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,，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,即，子载波,和,正交。,对OFDM正交性的理解,OFDM系统原理与实现正交性,一个OFDM符号周期内4个子载波的实例,OFDM系统原理与实现基本特点,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； 各个子载波使用独立的调制器和解调器； 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，准确进行位采样； 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； 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

5、换(DFT)，以及变换为的离散Fourier逆变换(IDFT)，定义如下：,频域内每个采样点,的线性,，都是时域内所有采样点,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,OFDM系统原理与实现 DFT和IDFT介绍,OFDM系统原理与实现系统原理,OFDM系统基本模型图,OFDM系统原理与实现系统原理,保护间隔(Guard Interval)和循环前缀(cyclic prefix),OFDM系统原理与实现系统原理,保护间隔(Guard Interval)和循环前缀(cyclic prefix),OFDM系统原理与实现系统原理,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

6、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,LTE下行多址技术方

7、案OFDMA,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

8、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-Advanced技术较大的系统带宽，故没有采用CDMA技术，包括MC-WCDMA、MC-TD-SCDMA。 针对OFDMA的各种改进技术（VSF-OFDM、OF

9、DM/OQAM），较传统的CP-OFDMA技术相比，并没有确认其能够带来显著的性能提升，并且复杂度有一定的提高，故未予采用。,下行多址技术方案OFDMA处理,下行多址技术方案OFDMA技术的优势,频谱效率高：子载波重叠、正交、支持非对称。 带宽扩展性强：带宽取决于子载波的数量。 抗多径衰落：子信道可以看做水平衰落信道、CP的引入。 频域调度和自适应： 集中式/分布式子载波分配： 子载波连续分配给一个用户，频域调度选择较优子信道，获得多用户分集增益；（高速移动或SINR较低时）将分配给子信道的子载波分散到整个带宽，交替排列，获得频率分集增益。 频率选择性：SINR、调制编码方式MSC。 实现MIMO技术较简单：水平衰落信道，避免天线间干扰。,上行多址技术方案需求,上行多址技术的要求和下行不同，OFDM等多载波系统的输出是多个子信道号的叠加，因此，如果多个信号的相位一致，所得到的叠加信号的瞬时功率就会远远高于信号的平均功率，存在较高的峰均比PAPR，对发射机的线性度提出了很高的要求，会增加数模转换的复杂度，降低RF功放的效率，使发射机功放的成本和耗电量增加。而终端的能力有限，尤其是发射功率受限，所以在上行链路，基于OFDM的多址接入技术并不适合用在UE侧使用。,LTE上行多址方案,PAPR降低的OFDMA技术 单载波频分多址技术（SC-FDMA） 可变扩频和码片重复系数CDMA技术（VSFCR-CDMA） 广义多载波技术（GMC）,上行多址技术方案 PAPR降低的OFDMA,以ODFMA技术为基础 基于循环削峰和滤波的PAPR降低技术 削峰是降低PAPR最简单直接的方法，却会产生额外的带内功率降低和带外泄露。为了解决干扰问题，在削峰之后，对削峰后的信号进行滤波，再进行重复削峰，降低由于滤波造成的PAPR反弹，如此循环。 基于预留子载波的PAPR降低技术 对于N个可用的子载波，一定数量L的子载波不用来传输信号，而被预留用来降低峰均波。,上行多址技术方案可变扩频和码片重复系数CDMA技术,与VSF-OFDM技术相似 通过引入CDMA的思想，以便更好地抑制小区干扰。,上

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