《移动通信技术与系统》课件第8章 4G移动通信系统.pptx

1、目 录CONTENTS LTE概述8.2 LTE总体架构 LTE关键技术目录02 4G概述8.1 8.1 4G概述18.1.14G的概念与起源 4G英文全称是The 4th Generation Mobile Communication Technology,意思是第四代移动电话移动通信标准，是相对于3G的下一代移动通信网络。严格来讲，LTE只是3.9G，尽管被宣传为4G无线标准，但它其实并未被3GPP认可为国际电信联盟所描述的下一代无线通讯标准IMT-Advanced，因此在严格意义上其还未达到4G的标准。只有升级版的LTE Advanced才满足国际电信联盟对4G的要求。LTE(Long

2、Term Evolution，长期演进)项目是3G的演进，它改进并增强了3G的空中接入技术，采用OFDM和MIMO作为其无线网络演进的唯一标准。LTE系统能够快速传输数据、高质量音频、视频和图像。TD-LTE理论峰值传输速率为下行100Mbps、上行50Mbps；FDD-LTE理论峰值传输速率为下行150Mbps、上行40Mbps。LTE-Advanced满足 ITU的IMT-Advanced技术征集的需求，是3GPP形成欧洲IMT-Advanced技术提案的一个重要来源。它是一个后向兼容的技术，完全兼容LTE，是演进而不是革命，相当于HSPA和WCDMA这样的关系。3GPP3GPP版本演进历

3、程版本演进历程8.1 4G概述1 8.1 4G概述18.1.2 4G特征与频谱特征与频谱LTE通信系统在业务上具有网络频谱更宽、频带使用效率更高、智能性能更高、通信速度更快、通信费用更加便宜能、提供各种增值服务、能实现更高质量的多媒体通信等特点。LTE通信系统采用了OFDMA、MIMO等技术，取消了RNC，代以更扁平高效的网络层结构。以单一形式的节点结构eNodeB，有效改善了用户平面和控制平面时延。此外，LTE通信系统是一个纯分组交换网络，所有网元都通过标准结构连接，满足多供应商产品间的互操作性。LTE通信系统制定了有高效的分组交换协议、开放式接口，具有灵活的操作与维护（OAM）、灵活部署、

4、支持微型基站等特点。LTE网络通过无线电波进行信息的传输，而无线电波则具有不同的频率，每一块频率范围可以划分成一个频段，也可以称之为一个频谱。一般来说，300MHz-30GHz的频谱适用于无线通信和无线网络。8.1 4G概述18.1.2 4G特征与频谱特征与频谱在移动通信领域，频谱扮演着非常关键的角色。根据通信原理，频率越高的频谱，辐射能力越差，网络覆盖的成本越高，对终端设备的要求也越高。目前我国4G频谱分配情况如下：序号序号运营商运营商频谱资源频谱资源频段频段1中国移动130MHz1880-1900MHz、2320-2370MHz、2575-2635 MHz2中国联通40MHz2300-23

5、20MHz、2555-2575MHz；3中国电信40MHz2370-2390MHz、2635-2655MHz。4G系统架构8.2 8.2 4G系统架构18.2.18.2.1总体架构总体架构 LTE和系统架构演进（System Architecture Evolution，SAE）的非无线部分一起构成了演进的分组系统（Evolved Packet System，EPS）。LTE采用了基于OFDM技术的空中接口技术，取消了3G网络中的RNC部分，使得网络结构更加扁平化。原RNC部分的功能分别在e-NodeB和MME中予以实现。eNodeB提供E-UTRAN用户面的PDCP、RLC、MAC、物理层协

6、议的功能和RRC的功能。LTE系统结构如图八-1所示。LTELTE网络总体架构图网络总体架构图 8.2 4G系统架构1 主要逻辑节点如下：1)UE:User Equipment,用户终端。包含手机，智能终端，多媒体设备，流媒体设备等2)eNode B（Evolved Node B），即演进型Node B,简称eNodeB，相比3G中的Node B，集成了部分RNC的功能，减少了通信时协议的层次。；3)移动性管理实体（Mobility Management Entity，MME）；4)服务网关（Serving Gateway，Serving-GW/S-GW）5)PDN网关（PDN-GW/P-GW

7、）8.2 4G系统架构1 主要接口如下：1)X2接口：是e-NodeB之间的接口，支持数据和信令的直接传输。e-NodeB之间通过X2接口互相连接，形成了网状网络。2)S1接口：LTE eNodeB与 EPC之间的通讯接口。3)S10接口：MME之间的通讯接口。4)S11接口：MME 和SGW之间的通讯接口。5)S5接口：连接到本地PDN-GW时使用的接口。6)S8接口：本地S-GW是外地PDN-GW连接使用的接口，一般情况下相同PLMN的SGW和PGW的接口是S5，不同PLMN的SGW和PGW接口是S8。8.2 4G系统架构1 8.2 4G系统架构18.2.2 E-UTRAN8.2.2 E-

8、UTRAN系统结构系统结构 LTE中的移动通信无线网络称为E-UTRAN（Evolved UMTS Terrestrial Radio Access Network，演进的UMTS陆地无线接入网），E-UTRAN的系统结构如图所示。接入网E-UTRAN基本上只有一个节点，即与用户终端（UE）相连的eNodeB，主要接口为X2和S1。eNodeB的主要功能更包括功能包括：RRM功能；IP头压缩及用户数据流加密；UE附着时的MME选择；寻呼信息的调度传输；广播信息的调度传输；以及设置和提供eNodeB的测量等：8.2 4G系统架构18.2.3EPC8.2.3EPC系统结构系统结构 LTE的核心网络

9、称为EPC（Evolved Packet Core,演进分组核心网络），不同于以往的蜂窝系统，它仅支持PS域分组交换业务，没有CS域电路交换业务EPC的系统结构如图所示。8.2 4G系统架构1EPC内的主要逻辑节点有：PDN网关（PDN-GW/P-GW）服务网关（Serving Gateway，Serving-GW/S-GW）移动性管理实体（Mobility Management Entity，MME）用户归属服务器（Home Subscriber Server，HSS）计费规则功能模块（Policy Control and Charging Rules Function，PCRF）8.2 4

10、G系统架构1EPC的主要网元功能介绍如下：1、MME MME是EPC的关键控制节点，它负责信令处理部分，包括空闲模式的UE的定位、传呼、中继等。MME涉及到bearer激活/关闭过程，当一个UE初始化并且连接到时为这个UE选择一个SGW。MME通过和HSS交互实现用户的认证。并为用户分配一个临时ID。MME支持拦截、监听等功能。MME主要包括以下功能：1)NAS信令及其安全。2)将寻呼消息发送到相关的eNodeB，可选执行寻呼优化。3)安全控制（鉴权认证、信令完整性保护和数据加密）。4)跨CN的信令（支持不同3GPP接入网络之间的移动性）。5)空闲状态UE的可达（含寻呼重传消息的控制和执行）。

11、8.2 4G系统架构1EPC的主要网元功能介绍如下：1、MME6)跟踪区（TA）列表管理（空闲态和激活态UE）。7)PDNGW（P-GW）和S-GW选择。8)切换中MME发生变化时的MME选择。9)切换到2G或3G接入网时的SGSN选择。10)漫游。11)空闲状态的移动性控制。12)承载管理功能，包括专用承载的建立。13)非接入层信令的加密和完整性保护。14)支持PWS（PublicWarningSystem，公共预警系统，包括ETWS和CMAS）消息的发送。8.2 4G系统架构12、SGW SGW是EPC中用户面接入服务网关，相当于传统SGSN的用户面功能。在EPC中对SGSN的功能进行了拆

12、分，信令面功能由MME网元负责，而用户数据转发的用户面功能由SGW网元接管。SGW网元的功能相对简单，它只需要在MME的控制下进行数据包的路由和转发，即将接收到的用户数据转发给指定的PGW网元，又因为接收和发送均为GTP协议数据包，从而也不需要对数据包进行格式转化，简单来讲SGW就是GTP协议数据包的双向传输通道。8.2 4G系统架构13、PGW PGW是EPC网络的边界网关，提供用户的会话管理和承载控制、数据转发、IP地址分配以及非3GPP用户接入等功能，是3GPP接入和非3GPP接入公用数据网络PDN的锚点。所谓3GPP接入，是指3GPP标准家族出来的无线接入技术，比如我国目前中国移动和中

13、国联通的手机，就是3GPP接入技术；所谓非3GPP接入，就是3GPP标准家族以外的无线接入技术，典型的比如中国电信的CDMA接入技术以及目前流行的WiFi接入技术等。就是说，在EPC网络中，移动终端如果是非3GPP接入，它可以不经过MME网元和SGW网元，但一定会经过PGW网元，才能接入到PDN。PGW网元的主要功能包括：1)会话和承载管理。2)IP地址分配：PGW负责为接入的用户分配IP地址，此后数据包的传输在此IP地址下进行，PGW分配的地址类型包括IP V4、IP V6或者IPV4+IPV6。8.2 4G系统架构14、PCRF PCRF是业务数据流和IP承载资源的策略与计费控制策略决策点

14、，包含策略控制决策和基于流计费控制的功能，PCRF接受来自PCEF、SPR和AF的输入，向PCEF提供关于业务数据流检测、门控、基于QoS和基于流计费（除信用控制外）的网络控制功能。结合PCRF的自定义信息做出PCC决策。5、HSS HSS相当于3G中的HLR,是LTE的用户设备管理单元，实现LTE用户的认证鉴权等功能。HSS是所有永久用户的静态数据库，记录了访问网络的控制节点、存储了用户的主备份数据。4G关键技术8.3 8.3 4G关键技术1 LTE的关键技术包括OFDM 技术、MIMO技术、HARQ技术、多位动态资源分配与链路适配技术、载波聚合技术、增强的MIMO技术、协作多点传输技术、中

15、继技术、异构网络与增强型小区干扰协调技术等。8.3.1 OFDM8.3.1 OFDM技术技术1.OFDM1.OFDM基本概念基本概念 在通信系统中，信道所能提供的带宽通常比传送一路信号所需的带宽要宽得多。如果一个信道只传送一路信号是非常浪费的，为了能够充分利用信道的带宽，就可以采用频分复用的方法。在传统的并行数据传输系统中，整个信号频段被划分为N个相互不重叠的频率子信道。每个子信道传输独立的调制符号，然后再将N个子信道进行频率复用。这种避免信道频谱重叠看起来有利于消除信道间的干扰，但是这样又不能有效利用频谱资源。8.3 4G关键技术1 OFDM（Orthogonal Frequency Div

16、ision Multiplexing）即正交频分复用，是一种能够充分利用频谱资源的多载波传输方式，OFDM，即正交频分复用多载波调制技术，其基本思想是：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。正交信号可以通过在接收端采用相关技术来分开，这样可以减少子信道之间的相互干扰。由于子载波的频谱相互重叠，因而可以得到较高的频谱效率，可以高效的解决宽带移动通信系统中的频率选择性衰落和符号间干扰的问题。Guard intervals保护间隔Symbols OFDM符号Bandwidth 带宽Subcarriers 子载波

17、Frequency 频率Time 时间 8.3 4G关键技术1常规频分复用与OFDM的信道分配情况如图所示，可以看出OFDM能大大节约频谱资源。图8.5 常规FDM与 OFDM调制 8.3 4G关键技术12 2.OFDM.OFDM发射机发射机 OFDM系统通过采用快速傅立叶变换（FFT）和反向快速傅立叶变换（IFFT），来实现时域和频域表达式之间的转换。FFT运算将信号表达式从时域变换到频域。反向快速傅立叶变换（IFFT）则将信号表达式从频域变换到时域。在OFDM发射处理过程中，会对数据进行串并变换，即将串行数据变换为并行的，这一过程的主要目的是为了便于做傅立叶变换。串并变换之后进行的傅立叶变

18、换，在不同阶段是不同的，在调制部分是反变换（IFFT），在解调部分是下变换（FFT）。最后还要再通过并串变换变为串行数据输出。在OFDM发射处理过程中，还会用到星座映射。所谓星座映射是指将输入的串行数据，首先做一次调制，再经由 FFT 分布到各个子信道上去。调制的方式可以有许多种，包括 BPSK、QPSK、QAM等。8.3 4G关键技术1 在OFDM系统中，符号间干扰(ISI)会导致较高的误码率，同时产生载波间干扰(ICI)，损失正交性，使系统性能下降。为削弱ISI的影响，通常在OFDM符号中插入保护间隔（CP），其长度一般选择等于信道冲击响应长度。保护间隔可以不包含任何信号，但是这样也会引入

19、ICI，破坏了子载波间的正交性。如果引入的保护间隔由信号的循环扩展构成，即引入循环前缀，长度满足消除ISI的循环前缀亦可消除ICI。增加CP的目的是避免符号间干扰，当发射机增加的CP长度大于信道冲击响应时，接收机通过丢弃CP就可避免前一符号的干扰。CP带来带宽和功率的浪费，需要克服符号间和子载波间干扰的角度与频谱效率的角度均衡。一般CP长度设置为大于传播环境中的时延扩展。8.3 4G关键技术1OFDMA的发射处理流程如下：1)将数据先进行串/并转换。通过串/并转换和星座映射，把高速串行数据转换成N个并行的低速数据，并映射到N个不同的子载波。2)进入反快速傅里叶变换模块，进行IFFT处理。3)I

20、FFT处理后的数据再经并串变换后，插入CP，避免符号间干扰。4)进入载波调制。8.3 4G关键技术1 OFDMA可以给用户分配任意的子载波，可在时域和频域两个维度上进行调度，从而获得额外的频率分集增益，可以消除瞬时干扰和频率选择性衰落。为降低信令负荷与开销比例，LTE系统的资源调度是以资源块为粒度进行，没有采用针对每个子载波的方式。OFDMA发送在频域对应多个并行子载波，在时域对应多个具有不同频率的正弦波。相对于一次只传输一个符号的常规QAM调制器，OFDMA合成信号的包络幅度变化非常强烈，并形成高峰均比特性，如图八.9所示。8.3 4G关键技术13 3.OFDM.OFDM接收机接收机 在OF

21、DM的接收机不对符号间干扰进行处理，但须对子载波经历的信道响应进行处理。通过增加收发两端均已知的参考或导频信号，接收端可很方便实现信道估计。通过适当设置参考信号在时域和频域的位置，接收机可估算出信道对不同子载波的影响，从而实现相干解调。典型的接收机解决方案就是频域均衡器。8.3 4G关键技术14 4.OFDM.OFDM的主要优的主要优、缺、缺点点 主要优点主要优点 (1)OFDM系统可以通过使用不同数量的子信道来实现上行和下行链路中不同的传输速率。(2)可以有效地对抗信号波形间的干扰，适用于多径环境和衰落信道中的高速数据传输。当信道中因为多径传输而出现频率选择性衰落时，只有落在频带凹陷处的子载

22、波以及其携带的信息受影响，其他的子载波未受损害，因此系统总的误码率性能要好得多。(3)通过各个子载波的联合编码，具有很强的抗衰落能力。OFDM技术本身已经利用了信道的频率分集，如果衰落不是特别严重，就没有必要再加时域均衡器。通过将各个信道联合编码，则可以使系统性能得到提高。(4)OFDM技术抗窄带干扰性很强，因为这些干扰仅仅影响到很小一部分的子信道。(5)可以选用基于IFFT/FFT的OFDM实现方法；(6)OFDM系统由于各个子载载波之间存在正交性，允许子信道的频谱相互重叠，因此OFDM系统可以最大限度的利用频谱资源。8.3 4G关键技术1 主要缺点主要缺点（1）OFDM对频偏和相位噪声比较

23、敏感，容易带来衰耗；（2）OFDM的峰值平均功率比较大，会导致射频放大器的功率效率比较低；（3）OFDM自适应跳频技术会相应增加发射机和接收机的复杂度，当终端移动速度每小时高于30 km时，自适应跳频就不是很适合了。8.3 4G关键技术15.OFDM5.OFDM应用应用1 1）下行多址传输下行多址传输 LTE系统下行链路采用OFDMA，Orthogonal Frequency Division Multiple Access，正交频分多址接入方式，是基于OFDM的应用。OFDMA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，从

24、而实现不同用户之间的多址接入。这可以看成是一种OFDM+FDMA+TDMA技术相结合的多址接入方式。如下图8.8所示：8.3 4G关键技术1 如果将OFDM本身理解为一种传输方式，图8.8（a）显示出就是将所有的资源包括时间、频率都分配给了一个用户，OFDM融入FDMA的多址方式后如 图8.8（b）所示，就可以将子载波分配给不同的用户进行使用，此时OFDM+FDMA与传统的FDMA多址接入方式最大的不同就是，分配给不同用户的相邻载波之间是部分重叠的。一旦在时间对载波资源加以动态分配就构成了OFDM+FDMA+TDMA的多址方式，如图8.8（c）所示，根据每个用户需求的数据传输速率、当时的信道质

25、量对频率资源进行动态分配。8.3 4G关键技术1 在OFDMA系统中，可以为每个用户分配固定的时间-频率方格图，使每个用户使用特定的部分子载波，而且各个用户之间所用的子载波是不同的，如下图所示：OFDMA方案中，还可以很容易的引入跳频技术，即在每个时隙中，可以根据跳频图样来选择每个用户所使用的子载波频率。这样允许每个用户使用不同的跳频图样进行跳频，就可以把OFDMA系统变化成为跳频CDMA系统，从而可以利用跳频的优点为OFDM系统带来好处。跳频OFDMA的最大好处在于为小区内的多个用户设计正交跳频图样，从而可以相对容易地消除小区内的干扰。8.3 4G关键技术1 2）上行多址传输上行多址传输 与

26、基站比较，终端设备对成本更敏感，耗电问题也是人们非常关注的问题。因此TD-LTE下行采用OFDM技术，但上行采用单载波频分多址SC-FDMA技术方案，其优势是具有更低的峰均比，可以降低对硬件（主要是放大器）的要求，提高功率利用效率。OFDM的峰均比问题是近年来的一个研究热点，有多种降峰均比的方法被提出来。这些方法基本上都会导致额外的处理复杂度或频率效率的下降，因此也不利于控制用户终端的成本。SC-FDMA技术既具有低峰均比的性质，也保持了良好的与下行OFDM技术的一致性，例如大部分参数都可以重用，这为实现带来了简化。8.3 4G关键技术18.3.2 MIMO8.3.2 MIMO技术技术1.1.

27、MIMOMIMO概述概述 MIMO（Multi-input Multi-output）多输入多输出技术是一种用来描述多天线无线通信系统的抽象数学模型，能利用发射端的多个天线各自独立发送信号，同时在接收端用多个天线接收并恢复原信息。多天线技术是移动通信领域中无线传输技术的重大突破。通常，多径效应会引起衰落，因而被视为有害因素，然而，多天线技术却能将多径作为一个有利因素加以利用。MIMO(Multiple Input Multiple output：多输入多输出)技术利用空间中的多径因素，在发送端和接收端采用多个天线，通过空时处理技术实现分集增益或复用增益，充分利用空间资源，提高频谱利用率。8.3

28、 4G关键技术1总的来说，MIMO技术的基础目的是：1)提供更高的空间分集增益：联合发射分集和接收分集两部分的空间分集增益，提供更大的空间分集增益，保证等效无线信道更加“平稳”，从而降低误码率，进一步提升系统容量；2)提供更大的系统容量：在信噪比SNR足够高，同时信道条件满足“秩1”，则可以在发射端把用户数据分解为多个并行的数据流，然后分别在每根发送天线上进行同时刻、同频率的发送，同时保持总发射功率不变，最后，再由多元接收天线阵根据各个并行数据流的空间特性，在接收机端将其识别，并利用多用户解调结束最终恢复出原数据流。8.3 4G关键技术12.2.LTELTE中的中的MIMOMIMO模型模型 无

29、线通信系统中通常采用如下几种传输模型：单输入单输出系统SISO、多输入单输出系统MISO、单输入多输出系统SIMO和多输入多输出系统MIMO。其传输模型如下图所：8.3 4G关键技术1 在一个无线通信系统中，天线是处于最前端的信号处理部分。提高天线系统的性能和效率，将会直接给整个系统带来可观的增益。传统天线系统的发展经历了从单发/单收天线SISO，到多发/单收MISO，以及单发/多收SIMO天线的阶段。为了尽可能的抵抗这种时变-多径衰落对信号传输的影响，人们不断的寻找新的技术。采用时间分集（时域交织）和频率分集（扩展频谱技术）技术就是在传统SISO系统中抵抗多径衰落的有效手段，而空间分集（多天

30、线）技术就是MISO、SIMO或MIMO系统进一步抵抗衰落的有效手段。LTE系统中常用的MIMO模型有下行单用户MIMO（SU-MIMO）和上行多用户MIMO（MU-MIMO）。8.3 4G关键技术1 SU-MIMO（单用户MIMO）：指在同一时频单元上一个用户独占所有空间资源，这时的预编码考虑的是单个收发链路的性能,其传输模型如下图所示:MU-MIMO（多用户MIMO）：多个终端同时使用相同的时频资源块进行上行传输，其中每个终端都是采用1根发射天线，系统侧接收机对上行多用户混合接收信号进行联合检测，最后恢复出各个用户的原始发射信号。上行MU-MIMO是大幅提高LTE系统上行频谱效率的一个重要

31、手段，但是无法提高上行单用户峰值吞吐量。其传输模型如下图所示：8.3 4G关键技术13.MIMOMIMO系统容量系统容量 系统容量是表征通信系统的最重要标志之一，表示了通信系统最大传输率。无线信道容量是评价一个无线信道性能的综合性指标，它描述了在给定的信噪比(SNR)和带宽条件下，某一信道能可靠传输的传输速率极限。传统的单输入单输出系统的容量由香农(Shannon)公式给出，而MIMO系统的容量是多天线信道的容量问题。对于发射天线数为N，接收天线数为M的多入多出（MIMO）系统，假定信道为独立的瑞利衰落信道，并设N、M很大，则信道容量C近似为：其中B为信号带宽，为接收端平均信噪比，min(M,

32、N)为M，N的较小者。上式表明，功率和带宽固定时，多入多出系统的最大容量或容量上限随最小天线数的增加而线性增加。而在同样条件下，在接收端或发射端采用多天线或天线阵列的普通智能天线系统，其容量仅随天线数的对数增加而增加。相对而言，多入多出对于提高无线通信系统的容量具有极大的潜力。8.3 4G关键技术13.MIMOMIMO系统容量系统容量 通常，多径要引起衰落，因而被视为有害因素。然而研究结果表明，对于MIMO系统来说，多径可以作为一个有利因素加以利用。MIMO系统在发射端和接收端均采用多天线(或阵列天线)和多通道，MIMO的多入多出是针对多径无线信道来说的。传输信息流s(k)经过空时编码形成N个

33、信息子流ci(k)，I=1，N。这N个子流由N个天线发射出去，经空间信道后由M个接收天线接收。多天线接收机利用先进的空时编码处理能够分开并解码这些数据子流，从而实现最佳的处理。特别是，这N个子流同时发送到信道，各发射信号占用同一频带，因而并未增加带宽。若各发射接收天线间的通道响应独立，则多入多出系统可以创造多个并行空间信道。通过这些并行空间信道独立地传输信息，数据率必然可以提高。MIMO将多径无线信道与发射、接收视为一个整体进行优化，从而实现高的通信容量和频谱利用率。这是一种近于最优的空域时域联合的分集和干扰对消处理。8.3 4G关键技术1 4.4.MIMOMIMO关键技术关键技术 MIMO技

34、术的优点就是可以提高系统的可靠性和扩大系统的容量。MIMO通过空间分集技术和空分复用技术分别解决可靠性问题和容量问题。为了满足系统中高速数据传输速率和高系统容量方面的需求，LTE系统的下行MIMO技术支持22的基本天线配置。下行MIMO技术主要包括：空间分集、空间复用及波束赋形3大类。与下行MIMO相同，LTE系统上行MIMO技术也包括空间分集和空间复用。在LTE系统中，应用MIMO技术的上行基本天线配置为12，即一根发送天线和两根接收天线。考虑到终端实现复杂度的问题，目前对于上行并不支持一个终端同时使用两根天线进行信号发送，即只考虑存在单一上行传输链路的情况。因此，在当前阶段上行仅仅支持上行

35、天线选择和多用户MIMO两种方案。8.3 4G关键技术11)空间复用 空间复用的主要原理是利用空间信道的弱相关性，通过在多个相互独立的空间信道上传输不同的数据流，从而提高数据传输的峰值速率。LTE系统中空间复用技术包括：开环空间复用和闭环空间复用。开环空间复用：LTE系统支持基于多码字的空间复用传输。所谓多码字，即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，每个码字可以独立地进行速率控制。闭环空间复用：即所谓的线性预编码技术。线性预编码技术：作用是将天线域的处理转化为波束域进行处理，在发射端利用已知的空间信道信息进行预处理操作，从而进一步提高用户和系统的吞吐量。线性预编

36、码技术可以按其预编码矩阵的获取方式划分为两大类：非码本的预编码和基于码本的预编码。在目前的LTE协议中，下行采用的是SU-MIMO。可以采用MIMO发射的信道有PDSCH和PMCH，其余的下行物理信道不支持MIMO，只能采用单天线发射或发射分集。8.3 4G关键技术12)空间分集 采用多个收发天线的空间分集可以很好的对抗传输信道的衰落。空间分集分为发射分集、接收分集和接收发射分集三种。（1）发射分集 发射分集是在发射端使用多幅发射天线发射信息，通过对不同的天线发射的信号进行编码达到空间分集的目的，接收端可以获得比单天线高的信噪比。发射分集包含空时发射分集（STTD）、空频发射分集（SFBC）和

37、循环延迟分集（CDD）几种。A.空时发射分集（STTD）：通过对不同的天线发射的信号进行空时编码达到时间和空间分集的目的；在发射端对数据流进行联合编码以减小由于信道衰落和噪声导致的符号错误概率；空时编码通过在发射端的联合编码增加信号的冗余度，从而使得信号在接收端获得时间和空间分集增益。可以利用额外的分集增益提高通信链路的可靠性，也可在同样可靠性下利用高阶调制提高数据率和频谱利用率。8.3 4G关键技术1 B.空频发射分集（SFBC）：空频发射分集与空时发射分集类似，不同的是SFBC是对发送的符号进行频域和空域编码，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。两天线空频发射分集原理图如下

38、所示：图8.13两天线空频发射分集原理图 图中 OFDM modulation OFDM调制 Mobile terminal 移动终端 除两天线SFBC发射分集外，LTE协议还支持4天线SFBC发射分集，并且给出了构造方法。SFBC发射分集方式通常要求发射天线尽可能独立，以最大限度的获取分集增益。8.3 4G关键技术1 C.循环延迟分集（CDD）：延时发射分集是一种常见的时间分集方式，可以通俗的理解为发射端为接收端人为制造多径。LTE中采用的延时发射分集并非简单的线性延时，而是利用CP特性采用循环延时操作。根据DFT变换特性，信号在时域的周期循环移位（即延时）相当于频域的线性相位偏移，因此LT

39、E的CDD（循环延时分集）是在频域上进行操作的。LTE协议支持一种与下行空间复用联合作用的大延时CDD模式。大延时CDD将循环延时的概念从天线端口搬到了SU-MIMO空间复用的层上，并且延时明显增大，仍以两天线为例，延时达到了半个符号积分周期（即1024Ts）。目前LTE协议支持2天线和4天线的下行CDD发射分集。CDD发射分集方式通常要求发射天线尽可能独立，以最大限度的获取分集增益。8.3 4G关键技术1 （2 2）接收分集）接收分集 接收分集指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，因此在任一给定的时刻至少可以保证有一个强度足够大的信

40、号副本提供给接收机使用，从而提高了接收信号的信噪比。图8.14 接收分集原理示意图 8.3 4G关键技术13)3)波束赋形波束赋形 MIMO中的波束赋形方式与智能天线系统中的波束赋形类似，在发射端将待发射数据矢量加权，形成某种方向图后到达接收端，接收端再对收到的信号进行上行波束赋形，抑制噪声和干扰。与常规智能天线不同的是，原来的下行波束赋形只针对一个天线，现在需要针对多个天线。通过下行波束赋形，使得信号在用户方向上得到加强，通过上行波束赋形，使得用户具有更强的抗干扰能力和抗噪能力。因此，和发分集类似，可以利用额外的波束赋形增益提高通信链路的可靠性，也可在同样可靠性下利用高阶调制提高数据率和频谱

41、利用率。Stream 数据流Polarized antenna grouping极化分组天线 8.3 4G关键技术1 8.3.3HARQ8.3.3HARQ技术技术为了克服无线移动信道时变和多径衰落对信号传输的影响，4G LTE可以采用基于前向纠错(FEC)和自动重传请求(ARQ)等差错控制方法，来降低系统的误码率以确保服务质量。虽然FEC方案产生的时延较小，但存在的编码冗余却降低了系统吞吐量；ARQ在误码率不大时可以得到理想的吞吐量，但产生的时延较大，不宜于提供实时服务。为了克服两者的缺点，将这两种方法结合就产生了混合自动重传请求(HARQ)方案：即在一个ARQ系统中包含一个FEC子系统，当F

42、EC的纠错能力可以纠正这些错误时，则不需要使用ARQ；只有当FEC无法正常纠错时，才通过ARQ反馈信道请求重发错误码组。ARQ和FEC的有效结合不仅提供了比单独的FEC系统更高的可靠性，而且提供了比单独的ARQ系统更高的系统吞吐量。因此，随着对高数据率或高可靠业务需求的迅速发展，HARQ成为无线通信系统中的一项关键技术并得到了深入的研究和广泛的应用。8.3 4G关键技术11 1.HARQ.HARQ技术技术1 自动重传请求协议 常用的自动重传请求协议包括停等式(SAW)、后退N 步式(Go-back-N)和选择重发式(SR)等。(1)停等式 发送端每发送一个数据分组包就暂时停下来，等待接收端的确

43、认信息。当数据包到达接收端时，对其进行检错，若接收正确，返回确认(ACK)信号，错误则返回不确认(NACK)信号。当发端收到ACK信号，就发送新的数据，否则重新发送上次传输的数据包。而在等待确认信息期间，信道是空闲的，不发送任何数据。这种方法由于收发双方在同一时间内仅对同一个数据包进行操作，因此实现起来比较简单，相应的信令开销小，收端的缓存容量要求低。但是由于在等待确认信号的过程中不发送数据，导致太多资源被浪费，尤其是当信道传输时延很大时。因此，停等式造成通信信道的利用率不高，系统的吞吐量较低。1 8.3 4G关键技术1(2)后退N 步式在采用后退N 步式ARQ协议的传输系统中，发送端发送完一

44、个数据分组后，并不停下来等待确认信息，而是连续发送若干个数据分组信息。接收端将每个数据包相应的ACK或NACK信息反馈回发送端，同时发送回的还有数据包分组号。当接收到一个NACK信号时，发送端就重新发送包括错误数据的N 个数据包，如图2所示。接收端只需按序接收数据包，在接收到错误数据包后即使又接收到正确的数据包后还是必须将正确的数据包丢弃，并重新发送确认信息。可以看出，相比较SAW，采用该协议一方面因发端连续发送数据提高了系统的吞吐量，但同时增大了系统的信令开销；另一方面，由于收端仅按序接收数据，那么在重传时又必须把原来已正确传送过的数据进行重传(仅因为这些数据分组之前有一个数据分组出了错)，

45、这种方法使信道利用率降低。8.3 4G关键技术1(3)选择重发式为了进一步提高信道的利用率，选择重发式协议只重传出现差错的数据包，但是此时收端不再按序接收数据分组信息，那么在收端则需要相当容量的缓存空间来存储已经成功译码但还没能按序输出的分组。同时收端在组合数据包前必须知道序列号，因此，序列号要和数据分别编码，而且序列号需要更可靠的编码以克服任何时候出现在数据里的错误，这样就增加了对信令的要求。所以，相比之下SR的信道利用率最高，但是要求的存储空间和信令开销也最大。在3G LTE系统中将采用停等式(SAW)重传协议。这种机制不仅简单可靠，系统信令开销小，并且降低了对于接收机的缓存空间的要求。但

46、是，该协议的信道利用效率较低。为了避免这种不利，3G LTE系统采用了N 通道的停等式协议，即发送端在信道上并行地运行N 套不同的SAW协议，利用不同信道间的间隙来交错地传递数据和信令，从而提高了信道利用率。8.3 4G关键技术12.基本HARQ类型根据重传内容的不同，在3GPP标准和建议中主要有3种混合自动重传请求机制，包括HARQ-I、HARQ-II和HARQ-III等。(1)HARQ-I型HARQ-I即为传统HARQ方案，它仅在ARQ的基础上引入了纠错编码，即对发送数据包增加循环冗余校验(CRC)比特并进行FEC编码。收端对接收的数据进行FEC译码和CRC校验，如果有错则放弃错误分组的数

47、据，并向发送端反馈NACK信息请求重传与上一帧相同的数据包。一般来说，物理层设有最大重发次数的限制，防止由于信道长期处于恶劣的慢衰落而导致某个用户的数据包不断地重发，从而浪费信道资源。如果达到最大的重传次数时，接收端仍不能正确译码(在3G LTE系统中设置的最大重传次数为3)，则确定该数据包传输错误并丢弃该包，然后通知发送端发送新的数据包。这种HARQ方案对错误数据包采取了简单的丢弃，而没有充分利用错误数据包中存在的有用信息。所以，HARQ-I型的性能主要依赖于FEC的纠错能力。8.3 4G关键技术1(2)HARQ-II型HARQ-II也称作完全增量冗余方案。在这种方案下，信息比特经过编码后，

48、将编码后的校验比特按照一定的周期打孔，根据码率兼容原则依次发送给接收端。收端对已传的错误分组并不丢弃，而是与接收到的重传分组组合进行译码；其中重传数据并不是已传数据的简单复制，而是附加了冗余信息。接收端每次都进行组合译码，将之前接收的所有比特组合形成更低码率的码字，从而可以获得更大的编码增益，达到递增冗余的目的。每一次重传的冗余量是不同的，而且重传数据不能单独译码，通常只能与先前传的数据合并后才能被解码。(3)HARQ-III型HARQ-III型是完全递增冗余重传机制的改进。对于每次发送的数据包采用互补删除方式，各个数据包既可以单独译码，也可以合成一个具有更大冗余信息的编码包进行合并译码。另外

49、根据重传的冗余版本不同，HARQ-III又可进一步分为两种：一种是只具有一个冗余版本的HARQ-III，各次重传冗余版本均与第一次传输相同，即重传分组的格式和内容与第一次传输的相同，接收端的解码器根据接收到的信噪比(SNR)加权组合这些发送分组的拷贝，这样，可以获得时间分集增益。另一种是具有多个冗余版本的HARQ-III，各次重传的冗余版本不相同，编码后的冗余比特的删除方式是经过精心设计的，使得删除的码字是互补等效的。所以，合并后的码字能够覆盖FEC编码中的比特位，使译码信息变得更全面，更利于正确译码。8.3 4G关键技术13.同步和异步HARQ按照重传发生的时刻来区分，可以将HARQ可以分为

50、同步和异步两类。同步HARQ是指一个HARQ进程的传输(重传)是发生在固定的时刻，由于接收端预先已知传输的发生时刻，因此不需要额外的信令开销来标示HARQ进程的序号，此时的HARQ进程的序号可以从子帧号获得；异步HARQ是指一个HARQ进程的传输可以发生在任何时刻，接收端预先不知道传输的发生时刻，因此HARQ进程的处理序号需要连同数据一起发送。由于同步HARQ的重传发生在固定时刻，在没有附加进程序号的同步HARQ在某一时刻只能支持一个HARQ进程。实际上HARQ操作应该在一个时刻可以同时支持多个HARQ进程的发生，此时同步HARQ需要额外的信令开销来标示HARQ的进程序号，而异步HARQ本身可