LTE关键技术OFDM与MIMO原理培训教材V12课件.ppt

1、LTELTE关键技术关键技术OFDMOFDM与与MIMOMIMO基本原理基本原理通过本文档的学习，您可以掌握以下技能：通过本文档的学习，您可以掌握以下技能：了解了解OFDMOFDM技术的基本原理，掌握技术的基本原理，掌握LTELTE上下行传输上下行传输技术的实现方式。技术的实现方式。了解了解LTELTE多天线技术多天线技术MIMOMIMO的基本原理，空间复用、的基本原理，空间复用、波束赋形和传输分集的基本过程，波束赋形和传输分集的基本过程，LTELTE上下行上下行MIMOMIMO的应用技术。的应用技术。2第一部分第一部分 LTE关键技术之关键技术之OFDM2第二部分第二部分 LTE关键技术之关

2、键技术之MIMOn第一章第一章 OFDM技术基本原理技术基本原理u第一节第一节 OFDMOFDM的起源与发展的起源与发展u第二节第二节 OFDMOFDM系统原理与实现系统原理与实现n第二章第二章 LTE上下行传输技术上下行传输技术u第一节第一节 LTELTE下行多址技术方案下行多址技术方案u第二节第二节 LTELTE上行上行多址技术多址技术方案方案OFDM的起源与发展的起源与发展为了解决低效利用频谱资源问题，在为了解决低效利用频谱资源问题，在2020世纪世纪6060年代提出一种思想年代提出一种思想，即使用子信道频谱相互覆盖的并行数据传输和，即使用子信道频谱相互覆盖的并行数据传输和FDMFDM，

3、要求每个子信道，要求每个子信道内承载的信号传输速率为内承载的信号传输速率为b b，而且各子信道在频域的距离也是，而且各子信道在频域的距离也是b b，这样可，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。（可以充分的利用可用的频谱资源。（OFDMOFDM的雏形）的雏形）随即，这种技术就被应用到多种高频军事系统中，其中包括随即，这种技术就被应用到多种高频军事系统中，其中包括KINEPLEXKINEPLEX，ANDEFTANDEFT以及以及KNTHRYNKNTHRYN等。等。OFDM的起

4、源与发展的起源与发展n19711971年，年，WeinsteinWeinstein和和EbertEbert把离散傅里叶变换（把离散傅里叶变换（DFTDFT）应用到并行）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器而是经过基带处理就可以实现FDMFDM。（。（OFDMOFDM形成）形成）n2020世纪世纪8080年代中期，欧洲在数字音频广播（年代中期，欧洲在数字音频广播（DABDAB）方案中采用了这）方案中采用了这种并行传输方法，使得种并行传输方法，使得OFDMOFDM开始受到关注并且

5、得到广泛应用。开始受到关注并且得到广泛应用。n2020世纪世纪8080年代后，年代后，OFDMOFDM渐渐在数据音频广播（渐渐在数据音频广播（DABDAB）、数字视频广）、数字视频广播（播（DVBDVB）、基于）、基于IEEE802.11IEEE802.11标准的无限本例局域网（标准的无限本例局域网（WLANWLAN）以及）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（如ADSLADSL）中得到了广泛应用。）中得到了广泛应用。nWi-FiWi-Fi和和WiMAXWiMAX技术的兴起更是使得技术的兴起更是使得OFDM

6、OFDM成为一种成为一种“时髦时髦”的技术。的技术。n3GPP LTE3GPP LTE也采用了也采用了OFDMOFDM技术，预计未来的技术，预计未来的B3GB3G技术也将基于技术也将基于OFDMOFDM。OFDM的起源与发展的起源与发展什么是什么是OFDMnOFDMOFDM（正交频分复用：（正交频分复用：Orthogonal Frequency Division Orthogonal Frequency Division MultiplexingMultiplexing）是一种特殊的多载波传输方案，它可以被看作一）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。

7、种调制技术，也可以被当作一种复用技术。OFDMOFDM结合了多载波调制结合了多载波调制(MCM)(MCM)和频移键控和频移键控(FSK)(FSK)，把高速的数据流分成多个平行的低速数，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, ,在每个子载波上在每个子载波上进行进行FSKFSK。n选择选择OFDMOFDM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。落或窄带干扰。nLTELTE系统下行多址方式为正交频分多址（系统下行多址方式为正交频分多址（OFDMA

8、OFDMA），上行为基于正），上行为基于正交频分复用（交频分复用（OFDMOFDM）传输技术的单载波频分多址（）传输技术的单载波频分多址（SC-FDMASC-FDMA）。）。OFDM系统原理与实现系统原理与实现多载波技术多载波技术 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。数据。1 1：把一串高速数据流分解为若干个低速的子数据流：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每个子数据流 将具有低得多的速率；将具有低得多的速率；2 2：将子数据流放置在对应的子载波上；：将子数据流放置在对应的子载波上；3 3：将

9、多个子载波合成，一起进行传输；：将多个子载波合成，一起进行传输；nOFDMOFDM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nOFDMOFDM子载波的带宽子载波的带宽 信道信道“相干带宽相干带宽”时，可以认为该信道是时，可以认为该信道是“非频率非频率选择性信道选择性信道”，所经历的衰落是，所经历的衰落是“平坦衰落平坦衰落”nOFDMOFDM符号持续时间符号持续时间 MNM。IDFTIDFT的的长度比长度

10、比DFTDFT的长度长，的长度长，IDFTIDFT多出的那一部分输入为用多出的那一部分输入为用0 0补齐；补齐；n在在IDFTIDFT之后，为避免符号干扰同样为这一组数据添加循环前缀。之后，为避免符号干扰同样为这一组数据添加循环前缀。 上行多址技术方案上行多址技术方案 DFT-S-OFDM调制调制nDFTS-OFDMDFTS-OFDM的实现过程同的实现过程同OFDMOFDM的实现过程有相同的过程，即都有一的实现过程有相同的过程，即都有一个采用个采用IDFTIDFT的过程，所以的过程，所以DFTS-OFDMDFTS-OFDM可以看成是一个加入了预编码可以看成是一个加入了预编码的的OFDMOFDM

11、过程。过程。n如果如果DFTDFT的长度的长度M M等于等于IDFTIDFT的长度的长度N N，那么两者级联，那么两者级联，DFTDFT和和IDFTIDFT的的效果就互相抵消了，输出的信号就是一个普通的单载波调制信号。效果就互相抵消了，输出的信号就是一个普通的单载波调制信号。当当NMNM并且采用零输入来补齐并且采用零输入来补齐IDFTIDFT。nIDFTIDFT输出的信号的输出的信号的PAPRPAPR较之于较之于OFDMOFDM信号较小；信号较小；n通过改变通过改变DFTDFT输出的数据到输出的数据到IDFTIDFT输入端的映射情况，可以改变输出输入端的映射情况，可以改变输出信号占用的频域位置

12、。信号占用的频域位置。上行多址技术方案上行多址技术方案DFT-S-OFDMDFT-S-OFDM调制调制n通过改变通过改变DFTDFT的输出到的输出到IDFTIDFT输入端的对应关系，输入数据符号的输入端的对应关系，输入数据符号的频谱可以被搬移至不同的位置，分为集中式和分布式两种映射频谱可以被搬移至不同的位置，分为集中式和分布式两种映射方式方式39上行多址技术方案上行多址技术方案 SC-FDMA多址方式多址方式n利用利用DFTS-OFDMDFTS-OFDM的以上特点可以方便的实现的以上特点可以方便的实现SC-FDMASC-FDMA多址接入方式，多址接入方式，多用户复用频谱资源时只需要改变不同用户

13、多用户复用频谱资源时只需要改变不同用户DFTDFT的输出到的输出到IDFTIDFT输入的输入的关系就可以实现多址接入，同时子载波之间具有良好的正交性，避关系就可以实现多址接入，同时子载波之间具有良好的正交性，避免了多址干扰。免了多址干扰。n通过改变通过改变DFTDFT到到IDFTIDFT的映射关系，实现多址；改变输入信号的数据符的映射关系，实现多址；改变输入信号的数据符号块号块M M的大小，实现频率资源的灵活配置。的大小，实现频率资源的灵活配置。上行多址技术方案上行多址技术方案 SC-FDMA多址方式多址方式nSC-FDMASC-FDMA的两种资源分配方式：集中式资源分配、分布式资源的两种资源

14、分配方式：集中式资源分配、分布式资源分配是分配是3GPP3GPP讨论过的两种上行接入方式，最终为了获得低的峰讨论过的两种上行接入方式，最终为了获得低的峰均比，降低均比，降低UEUE的负担选择了集中式的分配方式。的负担选择了集中式的分配方式。SC-FDMASC-FDMA与与OFDMAOFDMA处理流程处理流程2第一部分第一部分 LTE关键技术之关键技术之OFDM2第二部分第二部分 LTE关键技术之关键技术之MIMOn第一章第一章 MIMO技术简介技术简介n第二章第二章 下行下行MIMO技术技术n第三章第三章 上行上行MIMO技术技术MIMO技术简介技术简介MIMO引入引入n无线通信系统可以利用的

15、资源包括：空间、时间、频率和功率。无线通信系统可以利用的资源包括：空间、时间、频率和功率。在在B3G/4GB3G/4G系统中，空间资源和频率资源被重新开发使用，从而大系统中，空间资源和频率资源被重新开发使用，从而大大提高了系统的性能。大提高了系统的性能。n多天线技术通告在发送端和接收端同时使用多根天线，扩展了空多天线技术通告在发送端和接收端同时使用多根天线，扩展了空间域，充分利用了空间扩展所提供的特征，从而带来了系统容量间域，充分利用了空间扩展所提供的特征，从而带来了系统容量的提高。目前多天线技术一成为了的提高。目前多天线技术一成为了B3G/4GB3G/4G系统的关键技术之一。系统的关键技术之

16、一。n多天线构成的信道称为多天线构成的信道称为MIMO(Multiple Input Multiple Output)MIMO(Multiple Input Multiple Output)信道，使用多天线技术的系统称为信道，使用多天线技术的系统称为 MIMOMIMO无线通信系统。无线通信系统。MIMO技术简介技术简介n为了满足为了满足LTELTE在高数据率和高容量方面的需求，在高数据率和高容量方面的需求，LTELTE系统支持应用系统支持应用MIMOMIMO技术。技术。n下行下行MIMOMIMO技术包括空间复用、波束赋形和传输分集，目前技术包括空间复用、波束赋形和传输分集，目前MIMOMIMO

17、技技术下行基本天线配置为术下行基本天线配置为2 2* *2,2,即即2 2天线发送和天线发送和2 2天线接收，最大支持天线接收，最大支持4 4天线进行下行方向四层传输。天线进行下行方向四层传输。n上行上行MIMOMIMO技术包括空间复用和传输分集，目前技术包括空间复用和传输分集，目前MIMOMIMO技术上行基本技术上行基本天线配置为天线配置为1 1* *2,2,即即1 1天线发送和天线发送和2 2天线接收。天线接收。 MIMOMIMO天线数据为虚天线数据为虚拟天线数目。拟天线数目。 在无线链路两端均采用多根天线，分别同时接收与发在无线链路两端均采用多根天线，分别同时接收与发射，能够充分利用空间

18、资源，在无需增加频谱资源和发射射，能够充分利用空间资源，在无需增加频谱资源和发射功率的情况下，成倍地提升通信系统的容量与可靠性。功率的情况下，成倍地提升通信系统的容量与可靠性。MIMO技术简介技术简介系统结构系统结构n第一章第一章 MIMO技术简介技术简介n第二章第二章 下行下行MIMO技术技术n第三章第三章 上行上行MIMO技术技术下行下行MIMO技术技术n传输分集传输分集n波束赋形波束赋形n空间复用空间复用49 在典型的信道容量曲线中，在低信噪比区域的斜率比较大，在典型的信道容量曲线中，在低信噪比区域的斜率比较大，应用传输分集技术和波束赋形技术可以有效提高接收信号的信噪应用传输分集技术和波

19、束赋形技术可以有效提高接收信号的信噪比，从而提高传输速率或者覆盖范围；而在高信噪比区域，容量比，从而提高传输速率或者覆盖范围；而在高信噪比区域，容量曲线接近平坦，再提高信噪比也无法明显改善传输速率，此时即曲线接近平坦，再提高信噪比也无法明显改善传输速率，此时即可以应用空间复用技术来提高传输速率。可以应用空间复用技术来提高传输速率。下行下行MIMO技术技术传输分集技术传输分集技术可获得分集处理增益可获得分集处理增益提高信噪比提高信噪比易获得相对稳定的信号易获得相对稳定的信号传输传输分集分集发射分集接收分集传输分集包括发射分集和接受分集优点下行下行MIMO技术技术发射分集发射分集n发射分集就是在发

20、射端使用多幅发射天线发射相同的信息，接收发射分集就是在发射端使用多幅发射天线发射相同的信息，接收端获得比单天线高的信噪比端获得比单天线高的信噪比n开环发射分集，闭环发射分集开环发射分集，闭环发射分集n循环延迟分集循环延迟分集CDDCDD，空时发射分集，空时发射分集STTDSTTD，空频发射分集，空频发射分集SFTDSFTD循环延迟发射分集（循环延迟发射分集（CDD） 在不同的发射天线上发送具有不同相对延时的同一个信号在不同的发射天线上发送具有不同相对延时的同一个信号, , 人为地制造时间弥散，能够获得分集增益。且循环延时分集采人为地制造时间弥散，能够获得分集增益。且循环延时分集采用的是循环延时

21、而不是线性延时，延迟是通过固定步长的移相用的是循环延时而不是线性延时，延迟是通过固定步长的移相（Cyclic ShiftCyclic Shift，循环移相）来等效实现延迟。，循环移相）来等效实现延迟。下行下行MIMO技术技术发射分集发射分集空时发射分集空时发射分集n将调制符号映射到时域将调制符号映射到时域( (不同的时刻不同的时刻) )和空域和空域( (不同的发射天线不同的发射天线) )以获得分集增益以获得分集增益n恢复发射信号是需要通过信道估计获得信道矩阵恢复发射信号是需要通过信道估计获得信道矩阵H H下行下行MIMO技术技术发射分集发射分集空频发射分集（空频发射分集（LTE使用）使用）n空

22、频发射分集与空时发射分集类似，不同的是空频发射分集与空时发射分集类似，不同的是SFTDSFTD是对发送是对发送的符号进行频域和空域编码的符号进行频域和空域编码n将同一组数据承载在不同的子载波上面获得频率分集增益将同一组数据承载在不同的子载波上面获得频率分集增益下行下行MIMO技术技术发射分集发射分集 多个天线接收来自多个信道的承载同一信息的多个独立的多个天线接收来自多个信道的承载同一信息的多个独立的信号副本，由于信号不可能同时处于深衰落情况中，因此在任信号副本，由于信号不可能同时处于深衰落情况中，因此在任一给定的时刻至少可以保证有一个强度足够大的信号副本提供一给定的时刻至少可以保证有一个强度足

23、够大的信号副本提供给接收机使用，从而提高了接收信号的信噪比。给接收机使用，从而提高了接收信号的信噪比。下行下行MIMO技术技术接收分集接收分集下行下行MIMO技术技术空间复用技术空间复用技术 发射的高速数据被分成几个并行的低速数据流，在同一频带发射的高速数据被分成几个并行的低速数据流，在同一频带从多个天线同时发射出去。由于多径传播，每个发射天线对于接从多个天线同时发射出去。由于多径传播，每个发射天线对于接收机产生不同的空间签名，接收机利用这些不同的签名分离出独收机产生不同的空间签名，接收机利用这些不同的签名分离出独立的数据流，最后再复用成原始数据流。因此空间复用可以成倍立的数据流，最后再复用成

24、原始数据流。因此空间复用可以成倍提高数据传输速率。提高数据传输速率。调制与映射解调与分离nLTELTE系统支持基于多码字（系统支持基于多码字（Multiple CodeWordMultiple CodeWord，MCWMCW）的空间复用传输。）的空间复用传输。nMCWMCW指的是用于空间复用传输的多层数据来自于多个不同的独立进行信指的是用于空间复用传输的多层数据来自于多个不同的独立进行信道编码的数据流，每一个码字可以独立地进行速率控制，分配独立的道编码的数据流，每一个码字可以独立地进行速率控制，分配独立的混合自动重传请求（混合自动重传请求（Hybrid Automatic Repeat-reQ

25、uestHybrid Automatic Repeat-reQuest，HARQHARQ）。）。下行下行MIMO技术技术空间复用技术空间复用技术多码字空间复用传输示意图多码字空间复用传输示意图下行下行MIMO技术技术复用信号处理复用信号处理波束赋形是一种应用于小间距的天线阵列多天线传输技术，其主要原理波束赋形是一种应用于小间距的天线阵列多天线传输技术，其主要原理是利用空间的强相关性及波的干涉原理产生强方向性的辐射方向图，使辐射方是利用空间的强相关性及波的干涉原理产生强方向性的辐射方向图，使辐射方向图的主瓣自适应的指向用户来波方向，从而提高性噪比，提高系统容量或者向图的主瓣自适应的指向用户来波方

26、向，从而提高性噪比，提高系统容量或者覆盖范围。覆盖范围。下行下行MIMO技术技术波束赋形技术波束赋形技术波束赋形示意图波束赋形示意图下行下行MIMO技术技术波束赋形技术波束赋形技术单流和多流波束赋形单流和多流波束赋形当基站将占用相同时频资源的多个数据流发送给不同的用户时，即为多当基站将占用相同时频资源的多个数据流发送给不同的用户时，即为多用户用户MIMOMIMO（ MU-MIMO MU-MIMO ），或者叫做空分多址（），或者叫做空分多址（SDMASDMA）。）。MU-MIMOMU-MIMO有两种实现有两种实现方式：每用户酉速率控制（方式：每用户酉速率控制（Per-User Unitary R

27、ate ControlPer-User Unitary Rate Control，PU2RCPU2RC）和迫）和迫零（零（Zero ForcingZero Forcing，ZFZF）波束赋形。）波束赋形。下行下行MIMO技术技术多用户多用户MIMO下行下行SU-MIMOSU-MIMO和和MU-MIMOMU-MIMOn第一章第一章 MIMO技术简介技术简介n第二章第二章 下行下行MIMO技术技术n第三章第三章 上行上行MIMO技术技术上行上行MIMO技术技术天线选择天线选择天线选择方案框图天线选择方案框图n与下行相同，为了满足与下行相同，为了满足E-UTRAE-UTRA的需求，的需求，LTELT

28、E系统支持上行应用系统支持上行应用MIMOMIMO技术，技术，包括空间复用和传输分集，两种技术与下行技术相同。包括空间复用和传输分集，两种技术与下行技术相同。n上行上行MIMOMIMO对终端天线的要求较高。为了节省功率和降低射频开销，在对终端天线的要求较高。为了节省功率和降低射频开销，在终端侧期望使用更小数目的功放，另一方面为了改善应用可达到的数终端侧期望使用更小数目的功放，另一方面为了改善应用可达到的数据速率和提供更大范围的覆盖，上行据速率和提供更大范围的覆盖，上行MIMOMIMO引入天线选择技术。引入天线选择技术。n上行传输天线选择技术前提：终端存在两个或者更多天线。上行传输天线选择技术前

29、提：终端存在两个或者更多天线。上行上行MIMO技术技术多用户多用户MIMO上行上行SU-MIMOSU-MIMO和和MU-MIMOMU-MIMOn与下行多用户与下行多用户MIMOMIMO不同，上行多用户不同，上行多用户MIMOMIMO是一个虚拟的是一个虚拟的MIMOMIMO系统，即系统，即每一个终端均发送一个数据流，但是两个或者更多的数据流占用相同每一个终端均发送一个数据流，但是两个或者更多的数据流占用相同的时频资源，这样从接收机来看，这些来自不同终端的数据流可以被的时频资源，这样从接收机来看，这些来自不同终端的数据流可以被看做来自同一个终端上不同天线的数据流，从而构成一个看做来自同一个终端上不

30、同天线的数据流，从而构成一个MIMOMIMO系统。系统。上行上行MIMO技术技术多用户多用户MIMO上行上行MU-MIMOMU-MIMO与传输天线选择技术结合方案与传输天线选择技术结合方案n与与SU-MIMOSU-MIMO相比，相比，MU-MIMOMU-MIMO可以获得多用户分集增益，可以获得多用户分集增益，MU-MIMOMU-MIMO信号来自信号来自于不同终端，更容易获得信道之间的独立性。于不同终端，更容易获得信道之间的独立性。n当终端存在两个或者更多天线时，可以讲当终端存在两个或者更多天线时，可以讲MU-MIMOMU-MIMO与传输天线选择技术与传输天线选择技术结合起来使用。结合起来使用。