LTE关键技术分析

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1、LTE关键技术分析Page 2培训目标l学完本课程后，您应该能：p了解LTE高阶调制、AMC、HARQ和宏分集技术分析p掌握OFDM的基本原理p了解OFDM和CDMA技术各自的优缺点p掌握LTE的下行多址方式和上行多址方式p掌握LTE采用的MIMO方式Page 3目 录1.高阶调制、AMC、HARQ和宏分集技术分析2.OFDM技术基本原理3.OFDM技术优势与不足4.下行多址技术和上行多址技术5.LTE 下行和上行MIMO技术Page 4目 录1.高阶调制、AMC、HARQ和宏分集技术分析2.OFDM技术基本原理3.OFDM技术优势与不足4.下行多址技术和上行多址技术5.LTE 下行和上行MI

2、MO技术Page 5LTE的调制方式Page 6LTE 关键技术_高阶调制对吞吐量的改善l PA3 Channel(64QAM vs 16QAM)p 小区边缘:0%增益。p 小区中心:0%10%增益。p 靠近基站:30%50%增益。高阶调制增益受信道条件影响较大高阶调制增益受信道条件影响较大l PB3 Channel(64QAM vs 16QAM)p 小区边缘:0%增益。p 小区中心:0%增益。p 靠近基站:10%20%增益。Page 7自适应调制和编码（AMC）l信道质量的信息反馈，即Channel Quality Indicator（CQI）pUE测量信道质量，并报告（每1ms或者是更长的

3、周期）给eNodeBpeNodeB基于CQI来选择调制方式，数据块的大小和数据速率较差的信道环境 较多的信道编码冗余Node BNode B较好的信道环境较差的信道环境较好的信道环境 较少的信道编码冗余 较低阶的调制 较高阶的调制Page 8CQI索引CQI indexmodulationcode rate x 1024efficiency0out of range1QPSK780.15232QPSK1200.23443QPSK1930.37704QPSK3080.60165QPSK4490.87706QPSK6021.1758716QAM3781.4766816QAM4901.9141916

4、QAM6162.40631064QAM4662.73051164QAM5673.32231264QAM6663.90231364QAM7724.52341464QAM8735.11521564QAM9485.5547Page 9LTE关键技术-HARQ传统的传统的ARQ接收端接收数据块，并解编码根据CRC解校验，得到误块率如果数据块误块率高 丢弃错误的数据块接收端要求发送端重发完整的错误的数据块混合混合HARQ接收端接收数据块，并解编码根据CRC解校验，得到误块率如果误块率较高 暂时保存错误的数据块接收端要求发送端重发接收端将暂存的数据块和重发的数据混合后再解编码HARQ with Soft

5、Combining eNodeBUEPacket1?NPacket 1Packet 1Packet 1Packet1?+APacket2TransmitterReceiverPage 10H-ARQ不同类型lLTE中HARQ技术主要是系统端对编码数据比特的选择重传以及终端对物理层重传数据合并。l通过RV参数来选择虚拟缓存中不同编码比特的传送。不同RV参数配置支持：pCC（Chase Combining）（重复发送相同的数据）pFIR（Full Incremental Redundancy）（优先发送校验比特）l不同次重传，尽可能采用不同的r参数，使得打孔图样尽可能错开，保证不同编码比特传送更为

6、平均。Page 11Hybrid Automatic Repeat reQuest(HARQ)lChase Combining(CC)重传方式举例Page 12Hybrid Automatic Repeat reQuest(HARQ)lIncremental Redundancy(IR)重传方式举例Page 13多进程“停-等”HARQl“停-等”（Stop-and-Wait，SaW）HARQp 对于某个HARQ进程，在等到ACK/NACK反馈之前，此进程暂时中止，待接收到ACK/NACK后，在根据是ACK还是NACK决定发送新的数据还是进行旧数据的重传。Page 14目 录1.高阶调制、AM

7、C、HARQ和宏分集技术分析2.OFDM技术基本原理3.OFDM技术优势与不足4.下行多址技术和上行多址技术5.LTE 下行和上行MIMO技术Page 15OFDM的由来单载波lOFDM：Orthogonal Frequency Division Multiplexing 正交频分复用frequency传统多载波frequencyOFDMfrequencyPage 16OFDM发射流程Page 17OFDM的核心操作Page 18OFDM实现方法l使用传统振荡器l使用IFFTPage 19OFDM实现方法（续）Page 20正交性体现在一个OFDM符号内包含多个子载波。所有的子载波都具有相同的

8、幅值和相位，从图中可以看出，每个子载波在一个OFDM符号周期内都包含整数倍个周期，而且各个相邻的子载波之间相差1个周期。Page 21OFDM是为多径衰落信道而设计的l时域影响：符号间干扰l频域影响：频率选择性衰落Page 22加CP操作Page 23CP长度的确定Page 24CP长度的确定lCP长度的考虑因素：频谱效率/符号间干扰和子载波间干扰p越短越好：越长，CP开销越大，系统频谱效率越低p越长越好：可以避免符号间干扰和子载波间干扰Page 25CP长度的确定Page 26应对频率选择性衰落-窄带并行传输l化零为整，简化接收机的信道均衡操作l避免符号间干扰和天线间干扰相互混杂，有效分离信

9、道均衡和MIMO检测Page 27子载波间隔确定l考虑因素：频谱效率和抗频偏能力p子载波间隔越小，调度精度越高，系统频谱效率越高p子载波间隔越小，对多普勒频移和相位噪声过于敏感l当子载波间隔在10KHz以上，相位噪声的影响相对较低l多普勒频移影响大于相位噪声（以此为主）Page 28多普勒频移Page 29多普勒频移l 设手机发出信号频率为fT，基站收到的信号频率为fR，相对运动速度为，为电磁波在自由空间的传播速度(光速)；fdoppler即为多普勒频移l 例360km/h车速，3GHz频率的多普勒频移：1RTTdopplerVffffC398360 10/36003 1010003 10Hz

10、Page 30子载波间隔确定-多普勒频移影响l2GHz频段，350km/h带来648Hz的多普勒频移，对高阶调制（64QAM）造成显著影响。l低速场景，多普勒频移不显著，子载波间隔可以较小l高速场景，多普勒频移是主要问题，子载波间隔要较大l仿真显示，子载波间隔大于11KHz，多普勒频移不会造成严重性能下降l当15KHz时，EUTRA系统和UTRA系统具有相同的码片速率，因此确定单播系统中采用15KHz的子载波间隔l独立载波MBMS应用场景为低速移动，应用更小的子载波间隔，以降低CP开销，提高频谱效率，采用7.5KHz子载波lWimax的子载波间隔为10.98KHz，UMB的子载波间隔为9.6K

11、HzPage 31OFDM图示Page 32目 录1.高阶调制、AMC、HARQ和宏分集技术分析2.OFDM技术基本原理3.OFDM技术优势与不足4.下行多址技术和上行多址技术5.LTE 下行和上行MIMO技术Page 33OFDM技术的优势l频谱效率高l带宽扩展性强l抗多径衰落l频域调度和自适应l实现MIMO技术较为简单Page 34OFDM技术的优势-频谱效率高l各子载波可以部分重叠，理论上可以接近Nyquist极限。l实现小区内各用户之间的正交性，避免用户间干扰，取得很高的小区容量。l相对单载波系统（WCDMA），多载波技术是更直接实现正交传输的方法Page 35OFDM技术的优势-带宽

12、扩展性强lOFDM系统的信号带宽取决于使用的子载波数量，几百kHz几百MHz都较容易实现，FFT尺寸带来的系统复杂度增加相对并不明显。l非常有利于实现未来宽带移动通信所需的更大带宽，也更便于使用2G系统退出市场后留下的小片频谱。l单载波CDMA只能依赖提高码片速率或多载波CDMA的方式支持更大带宽，都可能造成接收机复杂度大幅上升。lOFDM系统对大带宽的有效支持成为其相对单载波技术的决定性优势。Page 36OFDM技术的优势-抗多径衰落l多径干扰在系统带宽增加到5MHz以上变得相当严重。lOFDM将宽带转化为窄带传输，每个子载波上可看作平坦衰落信道。l插入CP可以用单抽头频域均衡（FDE）纠

13、正信道失真，大大降低了接收机均衡器的复杂度l单载波信号的多径均衡复杂度随着带宽的增大而急剧增加，很难支持较大的带宽。对于更大带宽20M以上，OFDM优势更加明显Page 37OFDM技术的优势-频域调度和自适应l集中式、分布式子载波分配方式l集中式子载波分配方式：时域调度、频域调度l分布式子载波分配方式：终端高速移动或低信干噪比，无法有效频域调度Page 38多载波/单载波对频率选择性衰落的适应Page 39OFDM技术的优势-实现MIMO技术简单lMIMO技术关键是有效避免天线间的干扰（IAI），以区分多个并行数据流。l在平坦衰落信道可以实现简单的MIMO接收。l频率选择性衰落信道中，IAI

14、和符号间干扰（ISI）混合在一起，很难将MIMO接收和信道均衡分开处理Page 40OFDM技术存在的问题lPAPR问题l时间和频率同步l多小区多址和干扰抑制Page 41OFDM不足1峰均比高l下行使用高性能功放，上行采用下行使用高性能功放，上行采用SC-FDMA以改善蜂均比以改善蜂均比Page 42OFDM不足2对频率偏移特别敏感lLTE使用频率同步解决频偏问题Page 43OFDM不足3-多小区多址和干扰抑制lOFDM系统虽然保证了小区内用户的正交性，但无法实现自然的小区间多址（CDMA则很容易实现）。如果不采取额外设计，将面临严重的小区间干扰（某些宽带无线接入系统就因缺乏这方面的考虑而

15、可能为多小区组网带来困难）。可能的解决方案包括加扰、小区间频域协调、干扰消除、跳频等。Page 44目 录1.高阶调制、AMC、HARQ和宏分集技术分析2.OFDM技术基本原理3.OFDM技术优势与不足4.下行多址技术和上行多址技术5.LTE 下行和上行MIMO技术Page 45多址技术l下行多址技术：OFDMAl上行多址技术p主要考虑因素：终端处理能力有限，尤其发射功率受限。OFDM技术由于高的PAPR问题不利于在上行实现。p单载波（SC）传输技术PAPR较低pLTE采用在频域实现的多址方式：单载波频分多址（SC-FDMA）Page 46OFDMA VS SC-FDMAPage 47下行调制

16、多址OFDMASub-carriers TTI：1ms Frequency Time Time frequency resource for User 1 Time frequency resource for User 2 Time frequency resource for User 3 System Bandwidth Sub-band：12Sub-carriers Page 48E-UTRAN空口技术-上行调制多址SC_FDMAPage 49目 录1.高阶调制、AMC、HARQ和宏分集技术分析2.OFDM技术基本原理3.OFDM技术优势与不足4.下行多址技术和上行多址技术5.LTE

17、下行和上行MIMO技术Page 50目 录5.LTE 下行和上行MIMO技术 5.1 MIMO技术概述 5.2 下行MIMO的实现 5.3 上行MIMO的实现Page 51LTE多天线技术l无线通信系统可以利用的资源：时间、频率、功率、空间lLTE系统中，对空间资源和频率资源进行了重新开发，大大提高了系统性能。l多天线技术通过在收发两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的提高。Page 52MIMO的定义l广义定义：多进多出（广义定义：多进多出（Multiple-Input Multiple-OutputMultiple-Input Multip

18、le-Output）p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。p按照这个定义，各种多天线技术都可以算作MIMO技术l狭义定义：多流狭义定义：多流MIMOMIMO提高峰值速率提高峰值速率p多个信号流在空中并行传输p按照这个定义，只有空间复用和空分多址可以算作MIMOPage 53MIMO技术的分类l从从MIMO的效果分类：的效果分类：p传输分集（Transmit Diversity）n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。p波束赋形（Beamforming）n利用较小间距的天线阵元之间的相关

19、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。p空间复用（Spatial Multiplexing）n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）。p空分多址（SDMA）n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，向多个终端并向发射数据流，或从多个终端并行接收数据流，以提高用户容量。l从是否在发射端有信道先验信息分：从是否在发射端有信道先验信息分：p闭环（Close-Loop）MIMO：通过反馈或信道互异性得到信道先验信息p开环（Open-Loop

20、）MIMO：没有信道先验信息Page 54下行MIMO技术使用场景Page 55下行MIMO技术使用场景Page 56目 录5.LTE 下行和上行MIMO技术 5.1 MIMO技术概述 5.2 下行MIMO的实现 5.3 上行MIMO的实现Page 57下行物理信道的基带信号处理l码字：经过FEC编码和QAM调制的数据流，形成于QAM调制模块的输出端。我们假定一个码字只能有一个码率（如1/3码率）和一种调制方式（如16QAM）。l层：明确的QAM调制数据流，形成于码字到层映射模块的输出端。一个层的峰值速率可以等于或低于一根传输天线的峰值速率。此外，不同的层可以传输相同或不同的比特信息。l秩（r

21、）：若定义R为单根天线的峰值速率，则发送端可以达到的峰值速率为rR。对于空间复用秩等于层数。lLTE支持最大层数L=4，最大码字数Q=2 Page 58层映射l层映射实体有效地将复数形式的调制符号映射到一个或多个传输层上，从而将数据分成多层。根据传输方式的不同，可以使用不同的层映射方式。Page 59码字层天线口之间的关系Page 60传输分集的层映射层数（L）码字数目（Q)映射关系21第1码字第1层和第2层41第1码字第1层、第2层、第3层和第4层Page 61MIMO-传输分集l最常用的传输分集技术包括：（Alamouti编码）p空时块码（STBC，Space-Time Block Cod

22、es）p空频块码（SFBC，Space-Frequency Block Codes）lLTE支持SFBC传输分集技术Page 62MIMO-传输分集l当传输天线数为2时，采用SFBCl当传输天线数为4时，采用Alamouti编码和其他方式进行组合的方式进行分集传输pSFBC+循环延迟分集CDDpSFBC+天线切换分集Page 63天线切换分集l当发射端存在多根传输天线时，从时间或频率上按照一定的顺序依次选择其中一根天线进行传输的技术。l时间切换传输分集：在不同的时间上进行天线的切换（Time Switched Transmit Diversity，TSTD）；l频率切换传输分集：在不同的子载波

23、上进行天线切换（Frequency Switched Transmit Diversity,FSTD）。Page 64时间切换传输分集TSTDPage 65频率切换传输分集FSTDPage 66天线切换分集与SFBC结合*12*21*34*4300000000sssssssslFSTD和SFBC结合的4发射天线传输分集lLTE支持上行天线时间切换传输分集（TSTD）。l支持FSTD和SFBC结合作为一种传输分集方式频率频率1 1 频率频率2 2 频率频率3 3 频率频率4 4天线天线1 1天线天线2 2天线天线3 3天线天线4 4Page 67空间复用传输l LTE支持多码字（MCW）的空间复

24、用传输l 多码字：用于空间复用传输的来自于多个不同的独立进行信道编码的数据流，每个码字可以独立的进行速率控制，分配独立的混合自动重传请求（HARQ）进程；l 单码字的空间复用传输：用于空间复用传输的多层数据流仅仅来自于一个信道编码之后的数据流。Page 68空间复用层映射l LTE支持最大层数L=4，最大码字数Q=2l 码字和层映射关系：层数（L）码字数目（Q)映射关系11第1码字第1层21第1码字第1层;第1码字第2层22第1码字第1层;第2码字第2层32第1码字第1层第2码字第2层和第3层42第1码字第1层和第2层第2码字第3层和第4层Page 69开环空间复用l开环空间复用模式下的Lar

25、ge-delay CDDpeNodeB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。pLarge-delay CDD方案只用于Rank1p支持Rank 1和开环空间复用的动态Rank自适应l不需要PMI反馈，两个码字的CQI没有空间差异p设计用于高速场景的UEp较少的反馈开销)()()()()()()1()0()1()0(ixixUiDiWiyiyPPage 70闭环空间复用leNodeB需要进行数据预编码l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eNodeB和UE中lUE在评估信

26、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eNode BPage 71闭环空间复用-预编码码本l反馈内容：pCQI：信道质量指示pPMI：预编码矩阵指示lDL SU-MIMO码本数量p2 Tx天线：6；4 Tx天线：16l码本方案可适用于不同的天线配置p交叉极化和线性天线阵列Page 72下行预编码方式l两种预编码方式：p非码本的预编码方式(non-codebook based pre-coding)p基于码本的预编码方式(codebook based pre-coding)Page 73非码本的预编码方式:预编码矩阵计算得到Page 74基于码本的预编码方式

27、：预编码矩阵从码本中选择得到Page 75下行MIMO应用l支持分集和复用的MIMO模式以及不同MIMO模式之间的自适应切换Pre-coding vectorsUser k dataUser 2 dataUser 1 dataChannel Information1s2sUser1User2User kSchedulerPre-coderPage 76下行波束赋形单流波束赋形单流波束赋形分组波束赋形分组波束赋形基于分组波束赋形的空分多址基于分组波束赋形的空分多址Page 77LTE TDD Beamforming性能lBeamforming性能p单流Beamforming主要用于改善小区边缘的

28、用户吞吐量；p双流Beamforming能够改善小区的平均吞吐量；p相比4天线MIMO，8天线Beamforming能带来较大增益；Page 78下行多用户MIMOl 单用户MIMO(空分复用)：基站将占用相同时频资源的多个数据流发送给同一个用户。l 多用户MIMO(空分多址)：基站将占用相同时频资源的多个数据流发送给不同用户。Page 79E-MBMS中的MIMO技术l当单频网络中小区的个数足够多时，任何形式的额外传输分集技术将不会带来明显的增益，因为E-MBMS已经从来自多个小区的时延信号中获得了频率分集增益。l在单频网络中，E-MBMS是带宽受限的，因此空间复用技术更有吸引力。l随着基站

29、数目的增加，数据流之间的相关性降低，可以达到0.65左右，因此可以利用空间复用技术。Page 80目 录5.LTE 下行和上行MIMO技术 5.1 MIMO技术概述 5.2 下行MIMO的实现 5.3 上行MIMO的实现Page 81上行MIMO技术l空间复用和传输分集l基本配置1X2l上行传输天线选择l上行多用户MIMOPage 82上行传输天线选择l开环天线选择方案l闭环天线选择方案Page 83上行开环天线选择方案l共享数据信道在天线间交替发送，从而获得空间分集而避免信道的深衰落。Page 84上行闭环天线选择方案l两根天线交替发送用于天线选择的导频，基站选择可以提供更高接收信号功率的天

30、线用于后续的共享数据信道传输。Page 85上行传输天线选择的优缺点l开环天线选择方案p不需要发送用于天线选择的参考信号p在下行不需要发送告知天线选择信息的比特p比闭环方案获得更少的分集增益p适合基于竞争的信道和共享信道使用l闭环天线选择方案p需要传输用于天线选择的参考信号p需要在下行方向发送指示天线选择信息的反馈比特p比开环方案有更大的分集增益p适用于共享信道Page 86上行单用户、多用户MIMOSU-MIMOMU-MIMOPage 87上行多用户MIMO优势l相对于单用户MIMO，多用户MIMO可以获得更多用户分集增益。l对于单用户MIMO，所有MIMO信号来自同一终端的不同天线l对于多用户MIMO，信号来自于不同终端，更容易获得信道之间的独立性。l当终端存在多根天线时，可以把多用户MIMO和天线选择技术结合使用