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关键技术二OFDMMIMO
LTE知识点梳理
(二):
TD-LTE系统关键技术
1.1多址传输方式
多址接入技术(MultipleAccessTechniques)是用于基站与多个用户之间通过公共传输媒质建立多条无线信道连接的技术。
移动通信系统中常见的多址技术包括频分多址(FrequencyDivisionMultipleAccess,FDMA)、时分多址(TimeDivisionMultipleAccess,TDMA)、码分多址(CodeDivisionMultipleAccess,CDMA)、空分多址(SpaceDivisionMultipleAccess,SDMA)。
FDMA是以不同的频率信道实现通信。
TDMA是以不同的时隙实现通信。
CDMA是以不同的代码序列来实现通信的。
SDMA是以不同方位信息实现多址通信。
正交频分多址接入技术(OrthogonalFrequencyDivisionMultipleAccess,OFDMA)是后3G时代主要的一种接入技术。
其基本思想是把高速数据流分散到多个正交的子载波上传输,从而使单个子载波上的符号速率大大降低,符号持续时间大大加长,对因多径效应产生的时延扩展有较强的抵抗力,减少了符号间干扰(InterSymbolInterference,ISI)的影响。
通常在OFDM符号前加入保护间隔,只要保护间隔大于信道的时延扩展则可以完全消除符号间干扰。
在TD-LTE系统中,下行方向上采用了OFDMA的多址方式,而上行方向,采用了具有单载波峰均比特征的SC-FDMA多址方式。
2.4.1OFDM系统原理与实现
(1)OFDM概念
OFDM将一个宽频信道分成若干正交子信道,将高速数据信号转换成并行的低速子数据流,调制到每个子信道上进行传输。
OFDM系统允许各子载波之间紧密相临,甚至部分重合,通过正交复用方式避免频率间干扰,降低了保护间隔的要求,从而实现很高的频谱效率。
OFDM原理图
(2)OFDM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;
●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。
(3)OFDM系统的实现
OFDM实现的主要相关模块有以下三部分:
1)串/并、并/串转换模块;2)FFT、逆FFT转换模块;3)加CP、去CP模块。
OFDM系统实现模型
1)并行传输
多径效应对信号的影响,由于信号发射后受空间环境的影响,到达接收端时会造成到达的时间和信号强度的差异,到达时间的差异称为多径时延,到达的强度不同称为选择性衰落,其中在宽带传输系统中不同频率在空间的衰落是不同的,称为频率选择性衰落。
多径时延会引起符号间的干扰(ISI),OFDM系统中,并行传输降低ISI。
用户的高速数据流经串/并转换后变为低速码流。
这样使每个码元的传输周期(T)大大增加,多径时延比码元周期小时,自干扰就相应降低。
此外,并行传输时将宽带单载波转换为多个窄带子载波可以认为是水平衰落信道,每个子载波的信道相应近似无失真。
2)FFT(傅里叶变换),IFFT(逆变换)
对于OFDM来说,最难的还是在于如何保证各个子载波间的正
交,其重要的一点就是利用了快速傅里叶变换,还有就是近代芯片运
算能力的增加。
傅里叶变换本身很复杂(LTE用的是快速傅里叶变换,
l简单了很多),下面是个简化版的公式
看公式只有当m和n相等时才会得出1,m和n不等的话就是0。
这就
是正交的自相关性,也就是只有自己才能解出自己,别人不行,这点
很重要。
下面举个例子,例如信息A在子载波m上传递,信息B在n
上传递,那么当子载波重叠后,我要将A取出怎么办?
可以计算下。
由于A在m子载波上,所以我用去取A,都积分
也就是A的m载波和m载波自相关,所以=1,而B的n载波和m载
波完全不想关,所以=0。
从而保证了各个子载波虽然重叠但是不会互
相干扰。
当使用IDFT/DFT实现OFDM调制/解调的时候,IDFT的输入是频域数据,输出是时域数据;DFT的输入是时域数据,输出是频域数据。
使用FFT可以很好的实现正交变换。
这样就可以用他们来携带一定的信息,在接收端用同样的子载波来运算解调出相应的数据。
3)加入CP(循环前缀)
众所周知,信号在空间的传递是会经过反射和折射的,那么一路信号到达接收端会变成几路,这几路会存在时延导致互相干扰,
上面就是典型的多径导致符号间干扰,由于第2径的第一个信号延
迟,一部分落到第1径的第二个符号上,导致第二个符号正交性破坏
从而失去正交性无法解调出来。
为了避免这种状况,就设计了保护间
隔出来,在每个信号之前增加一个间隔,只要时延小于间隔就不会互
相影响,
加入保护间隔
加入了保护间隔后,虽然第2径第一个信号延迟了,但是刚好落入
第1径的第二个符号的保护间隔内,在解调时会随着CP一起抛弃,不
会干扰到第二个符号,但是上图有个问题,就是第2径的第二个符号
的保护间隔落入了第1径的第二个符号内,会不会产生干扰呢?
答案是肯定的,因为保护间隔本身也不是正交的,那么解决的办法就是采
用CP,循环前缀。
所以,在OFDM发展中,CP主要有以下两个作用:
●CP作为保护间隔,大大减少ISI
●CP可以保证信道间的正交性,大大减少ICI。
CP有三种长度,如下图所示:
2.4.2OFDM优缺点
(1)OFDM优势
1.OFDM优势—对比FDM
1)传统FDM:
为避免载波间干扰,需要在相邻的载波间保留一定保护间隔,大大降低了频谱效率。
2)OFDM:
各(子)载波重叠排列,同时保持(子)载波的正交性(通过IFFT实现)。
从而在相同带宽内容纳数量更多(子)载波,提升频谱效率。
2.OFDM优势-对比CDMA
1)抗多径干扰能力
OFDM:
可不采用或采用简单时域均衡器。
将高速数据流分解为多条低速数据流并使用循环前缀(CP)作为保护,大大减少甚至消除符号间干扰。
TD-SCDMA:
对均衡器的要求较高。
高速数据流的符号宽度较短,易产生符号间干扰。
接收机均衡器的复杂度随着带宽的增大而急剧增加。
2)易与MIMO结合
OFDM:
系统复杂度随天线数量呈线性增加,每个子载波可看作平坦衰落信道,天线增加对系统复杂度影响有限。
TD-SCDMA:
系统复杂度随天线数量增加呈幂次变化,需在接收端选择可将MIMO接收和信道均衡混合处理的技术,大大增加接收机复杂度。
3)带宽扩展性强
OFDM:
带宽扩展性强,LTE支持多种载波带宽。
TD-SCDMA:
带宽扩展性差。
需要通过提高码片速率或多载波CDMA来支持更大带宽,接收机复杂度大幅提升。
4)频域调度灵活
OFDM:
频域调度灵活。
频域调度颗粒度小(180kHz)。
随时为用户选择较优的时频资源进行传输,从而获得频选调度增益。
TD-SCDMA:
频域调度粗放。
只能进行载波级调度(1.6MHz),调度的灵活性较差。
(2)OFDM不足
1.较高的峰均比PARP
OFDM输出信号是多个子载波时域相加的结果,子载波数量从几十个到上千个,如果多个子载波同相位,相加后会出现很大幅值,造成调制信号的动态范围很大。
因此对RF功率放大器提出很高的要求。
2.受时间偏差的影响—ISI(符号间干扰)&ICI
1)折射、反射较多时,多径时延大于CP(CyclicPrefix,循环前缀),将会引起ISI及ICI;
2)系统设计时已考虑此因素,设计的CP能满足绝大多数传播模型下的多径时延要求(4.68us),从而维持符号间无干扰。
3.受频率偏差的影响
1)高速移动引起的Doppler频移;
2.4.3上下行资源单位
2.4.4LTE上下行多址方式
1.下行多址方式—OFDMA
(1)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。
因为子载波相互正交,所以小区内用户之间没有干扰。
(2)下行多址方式特点
同相位的子载波的波形在时域上直接叠加。
因子载波数量多,造成峰均比(PAPR)较高,调制信号的动态范围大,提高了对功放的要求。
2.上行多址方式—SC-FDMA
(1)和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。
(2)上行多址方式特点
SC-FDMA的特点是,在采用IFFT将子载波转换为时域信号之前,先对信号进行了FFT转换,从而引入部分单载波特性,降低了峰均比。
MIMO(Multiple-InputMultiple-Out-put)系统
MIMO技术可以说是4G必备的技术,无论哪种4G制式都会用,原
理是通过收发端的多天线技术来实现多路数据的传输,从而增加速率。
MIMO系统的3种主要技术
3种多天线技术来提升无线传输速率及品质。
1、空间分集(发射分集、传输分集)
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,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
其实说白了,就是2跟天线传输同一个数据,但是2个天线上的数
据互为共轭,一个数据传2遍,有分集增益,保证数据能够准确传输。
2、空间复用(空分复用)
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(峰值速率)。
另外注意一点,采用空间复用并不是天线多了就行,还要保证天线之间相关性低才行,否则会导致无法解出2路数据.
3、波束赋形
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。
各种波束赋形
上面是单播波束赋形,波束赋形多址和多播波束赋形.
4、LTEr9版本中的MIMO分类
目前的R9版本主要分了8类MIMO,下面列出这8类分别讲解下原理和适用场景。
TM1,单天线端口传输:
主要应用于单天线传输的场合。
TM2,发送分集模式:
适合于小区边缘信道情况比较复杂,干扰较大的情况,有时候也用于高速的情况。
TM3,大延迟分集:
合适于终端(UE)高速移动的情况。
TM4,闭环空间复用:
适合于信道条件较好的场合,用于提供高的数据率传输。
TM5,MU-MIMO传输模式:
主要用来提高小区的容量。
TM6,Rank1的传输:
主要适合于小区边缘的情况。
TM7,Port5的单流Beamforming模式:
主要也是小区边缘,能够有效对抗干扰。
TM8,双流Beamforming模式:
可以用于小区边缘也可以应用于其他场景。
Rel-8是7种
Rel-9是8种
Rel-10是9种(LTE-A)
LTE关键技术之干扰抑制技术
小区间干扰(ICI)概念
在LTE中,下,上行采用了OFDMA(DL)/SC-FDMA(UL)的多址接入技术,采用了正交子载波区分不同的用户,小区内多用户间的干扰基本可以消除。
但是LTE采用同频组网,邻小区结合部分使用相同的频谱资源,用户间不可避免存在干扰,称之为小区间干扰(Inter-CellInterference,ICI)。
在传统的解决方案中,采用频率复用来解决ICI,但随之带来的是频谱效率的降低。
如常用的三扇区划分小区用的就是频率复用指数
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