LTE关键技术OFDM与MIMO原理培训教材V.ppt

《LTE关键技术OFDM与MIMO原理培训教材V.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《LTE关键技术OFDM与MIMO原理培训教材V.ppt（66页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、LTELTE关关键技技术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技技术的基本原理，掌握的基本原理，掌握LTELTE上下行上下行传输技技术的的实现方式。方式。了解了解LTELTE多天多天线技技术MIMOMIMO的基本原理，空的基本原理，空间复用、复用、波束波束赋形和形和传输分集的基本分集的基本过程，程，LTELTE上下行上下行MIMOMIMO的的应用技用技术。2 2第一部分第一部分第一部分第一部分 LTE LTE关关关关键键技技技技术术之之之之OFDMOFDM2 2第二部分第二部分第二

2、部分第二部分 LTELTE关关关关键键技技技技术术之之之之MIMOMIMO第一部分第一部分第一部分第一部分 LTELTE关关关关键键技技技技术术之之之之OFDMOFDMn第一章第一章 OFDM技技术基本原理基本原理u第一第一节 OFDMOFDM的起源与的起源与发展展u第二第二节 OFDMOFDM系系统原理与原理与实现n第二章第二章 LTE上下行上下行传输技技术u第一节第一节 LTELTE下行多址技下行多址技术方案方案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了解决低效利用频谱资源源问题，在，在2020世世纪6060年代提出一种思

3、想，年代提出一种思想，即使用子信道即使用子信道频谱相互覆盖的并行数据相互覆盖的并行数据传输和和FDMFDM，要求每个子信道内，要求每个子信道内承承载的信号的信号传输速率速率为b b，而且各子信道在，而且各子信道在频域的距离也是域的距离也是b b，这样可以可以避免使用高速均衡，并且可以避免使用高速均衡，并且可以对抗窄抗窄带脉冲噪声和多径衰落，而且脉冲噪声和多径衰落，而且还可可以充分的利用可用的以充分的利用可用的频谱资源。（源。（OFDMOFDM的的雏形）形）随即，随即，这种技种技术就被就被应用到多种高用到多种高频军事系事系统中，其中包括中，其中包括KINEPLEXKINEPLEX，ANDEFTA

4、NDEFT以及以及KNTHRYNKNTHRYN等。等。OFDM的起源与发展的起源与发展n19711971年，年，WeinsteinWeinstein和和EbertEbert把离散傅里叶把离散傅里叶变换（DFTDFT）应用到并行用到并行传输系系统中，作中，作为调制和解制和解调的一部分，的一部分，这样就不再利用就不再利用带通通滤波波器而是器而是经过基基带处理就可以理就可以实现FDMFDM。（。（OFDMOFDM形成）形成）n2020世世纪8080年代中期，欧洲在数字音年代中期，欧洲在数字音频广播（广播（DABDAB）方案中采用了）方案中采用了这种并行种并行传输方法，使得方法，使得OFDMOFDM开

5、始受到关注并且得到广泛开始受到关注并且得到广泛应用。用。n2020世世纪8080年代后，年代后，OFDMOFDM渐渐在数据音在数据音频广播（广播（DABDAB）、数字）、数字视频广广播（播（DVBDVB）、基于）、基于标准的无限本例局域网（准的无限本例局域网（WLANWLAN）以及有）以及有线电话网网上基于上基于现有有铜双双绞线的非的非对称高比特率数字用称高比特率数字用户线技技术（如（如ADSLADSL）中得到了广泛中得到了广泛应用。用。nWi-FiWi-Fi和和WiMAXWiMAX技技术的的兴起更是使得起更是使得OFDMOFDM成成为一种一种“时髦髦”的技的技术。n3GPP LTE3GPP

6、LTE也采用了也采用了OFDMOFDM技技术，预计未来的未来的B3GB3G技技术也将基于也将基于OFDMOFDM。OFDM的起源与发展的起源与发展什么是什么是OFDMnOFDMOFDM（正交（正交频分复用：分复用：Orthogonal Frequency Division Orthogonal Frequency Division MultiplexingMultiplexing）是一种特殊的多）是一种特殊的多载波波传输方案，它可以被看作一种方案，它可以被看作一种调制技制技术，也可以被当作一种复用技，也可以被当作一种复用技术。OFDMOFDM结合了多合了多载波波调制制(MCM)(MCM)和和频

7、移移键控控(FSK)(FSK)，把高速的数据流分成多个平行的低速数据，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流，把每个低速的数据流分到每个单子子载波上波上,在每个子在每个子载波上波上进行行FSKFSK。n选择OFDMOFDM的一个主要原因在于的一个主要原因在于该系系统能能够很好地很好地对抗抗频率率选择性衰性衰落或窄落或窄带干干扰。nLTELTE系系统下行多址方式下行多址方式为正交正交频分多址（分多址（OFDMAOFDMA），上行），上行为基于正交基于正交频分复用（分复用（OFDMOFDM）传输技技术的的单载波波频分多址（分多址（SC-FDMASC-FDMA）。）。O

8、FDM系统原理与实现系统原理与实现多载波技术多载波技术 多多载波波传输是相是相对于于单载波波传输而来的：使用多个而来的：使用多个载波并行波并行传输数数据。据。1 1：把一串高速数据流分解：把一串高速数据流分解为若干个低速的子数据流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：将子数据流放置在对应的子的子载波上；波上；3 3：将多个子：将多个子载波合成，一起波合成，一起进行行传输；nOFDMOFDM将将频域划分域划分为多个子信道，各相多个子信道，各相邻子信道相互重叠，但不同子信道子信道相互重叠，但不同子信道相互正交。将高速的串行数

9、据流分解成若干并行的子数据流同相互正交。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子子载波的波的带宽 信道信道“相干相干带宽”时，可以，可以认为该信道是信道是“非非频率率选择性信道性信道”，所，所经历的衰落是的衰落是“平坦衰落平坦衰落”nOFDMOFDM符号持符号持续时间 MNM。IDFTIDFT的的长度比度比DFTDFT的的长度度长，IDFTIDFT多出的那一部分多出的那一部分输入入为用用0 0补齐；n在在IDFTIDFT之后，之后，为避免符号干避免符号干扰同同样为这一一组数据添加循数据添加循环前前缀。上行多址技术方案上行多址技术方案 DFT-S-OFDM调制调制n

10、DFTS-OFDMDFTS-OFDM的的实现过程同程同OFDMOFDM的的实现过程有相同的程有相同的过程，即都有一程，即都有一个采用个采用IDFTIDFT的的过程，所以程，所以DFTS-OFDMDFTS-OFDM可以看成是一个加入了可以看成是一个加入了预编码的的OFDMOFDM过程。程。n如果如果DFTDFT的的长度度M M等于等于IDFTIDFT的的长度度N N，那么两者，那么两者级联，DFTDFT和和IDFTIDFT的效的效果就互相抵消了，果就互相抵消了，输出的信号就是一个普通的出的信号就是一个普通的单载波波调制信号。当制信号。当NMNM并且采用零并且采用零输入来入来补齐IDFTIDFT。

11、nIDFTIDFT输出的信号出的信号的的PAPRPAPR较之于之于OFDMOFDM信号信号较小；小；n通通过改改变DFTDFT输出的数据到出的数据到IDFTIDFT输入端的映射情况，可以改入端的映射情况，可以改变输出出信号占用的信号占用的频域位置。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通通过改改变DFTDFT的的输出到出到IDFTIDFT输入端的入端的对应关系，关系，输入数据符号的入数据符号的频谱可以被搬移至不同的位置可以被搬移至不同的位置，分，分为集中式和分布式两种映射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

12、-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的以上特点可以方便的实现SC-FDMASC-FDMA多址接入方式，多多址接入方式，多用用户复用复用频谱资源源时只需要改只需要改变不同用不同用户DFTDFT的的输出到出到IDFTIDFT输入的关入的关系就可以系就可以实现多址接入，同多址接入，同时子子载波之波之间具有良好的正交性，避免了具有良好的正交性，避免了多址干多址干扰。n通通过改改变DFTDFT到到IDFTIDFT的映射关系，的映射关系，实现多址；改多址；改变输入信号的数据符入信号的数据符号号块M M的大小，的大小，实现频率率资源的灵活配置。源的灵活

13、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的两种的两种资源分配方式：集中式源分配方式：集中式资源分配、分布式源分配、分布式资源分源分配是配是3GPP3GPP讨论过的两种上行接入方式，最的两种上行接入方式，最终为了了获得低的峰均得低的峰均比，降低比，降低UEUE的的负担担选择了集中式的分配方式。了集中式的分配方式。SC-FDMASC-FDMA与与OFDMAOFDMA处理流程处理流程2 2第一部分第一部分第一部分第一部分 LTE LTE关关关关键键技技技技术术之之之之OFDMOFDM2 2第二部分第二部分第二部分第二部分 LTELTE关关关

14、关键键技技技技术术之之之之MIMOMIMO第二部分第二部分第二部分第二部分 LTELTE关关关关键键技技技技术术之之之之MIMOMIMOn第一章第一章 MIMO技技术简介介n第二章第二章 下行下行MIMO技技术n第三章第三章 上行上行MIMO技技术MIMO技术简介技术简介MIMO引入引入n无无线通信系通信系统可以利用的可以利用的资源包括：空源包括：空间、时间、频率和功率。率和功率。在在B3G/4GB3G/4G系系统中，空中，空间资源和源和频率率资源被重新开源被重新开发使用，从而大使用，从而大大提高了系大提高了系统的性能。的性能。n多天多天线技技术通告在通告在发送端和接收端同送端和接收端同时使用

15、多根天使用多根天线，扩展了空展了空间域，充分利用了空域，充分利用了空间扩展所提供的特征，从而展所提供的特征，从而带来了系来了系统容量容量的提高。目前多天的提高。目前多天线技技术一成一成为了了B3G/4GB3G/4G系系统的关的关键技技术之一。之一。n多天多天线构成的信道称构成的信道称为MIMO(Multiple Input Multiple Output)MIMO(Multiple Input Multiple Output)信道，使用多天信道，使用多天线技技术的系的系统称称为 MIMOMIMO无无线通信系通信系统。MIMO技术简介技术简介n为了了满足足LTELTE在高数据率和高容量方面的需求

16、，在高数据率和高容量方面的需求，LTELTE系系统支持支持应用用MIMOMIMO技技术。n下行下行MIMOMIMO技技术包括空包括空间复用、波束复用、波束赋形和形和传输分集，目前分集，目前MIMOMIMO技技术下行基本天下行基本天线配置配置为2*2,2*2,即即2 2天天线发送和送和2 2天天线接收，最大支持接收，最大支持4 4天天线进行下行方向四行下行方向四层传输。n上行上行MIMOMIMO技技术包括空包括空间复用和复用和传输分集，目前分集，目前MIMOMIMO技技术上行基本上行基本天天线配置配置为1*2,1*2,即即1 1天天线发送和送和2 2天天线接收。接收。MIMOMIMO天天线数据数

17、据为虚虚拟天天线数目。数目。在无在无线链路两端均采用多根天路两端均采用多根天线，分，分别同同时接收与接收与发射，能射，能够充分利用空充分利用空间资源，在无需增加源，在无需增加频谱资源和源和发射射功率的情况下，成倍地提升通信系功率的情况下，成倍地提升通信系统的容量与可靠性。的容量与可靠性。MIMO技术简介技术简介系统结构系统结构第二部分第二部分第二部分第二部分 LTELTE关关关关键键技技技技术术之之之之MIMOMIMOn第一章第一章 MIMO技技术简介介n第二章第二章 下行下行MIMO技技术n第三章第三章 上行上行MIMO技技术下行下行MIMO技术技术n传输分集分集n波束波束赋形形n空空间复用

18、复用49 在典型的信道容量曲在典型的信道容量曲线中，在低信噪比区域的斜率比中，在低信噪比区域的斜率比较大，大，应用用传输分集技分集技术和波束和波束赋形技形技术可以有效提高接收信号的信噪可以有效提高接收信号的信噪比，从而提高比，从而提高传输速率或者覆盖范速率或者覆盖范围；而在高信噪比区域，容量；而在高信噪比区域，容量曲曲线接近平坦，再提高信噪比也无法明接近平坦，再提高信噪比也无法明显改善改善传输速率，此速率，此时即即可以可以应用空用空间复用技复用技术来提高来提高传输速率。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

19、信号易获得相对稳定的信号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发射分集就是在射分集就是在发射端使用多幅射端使用多幅发射天射天线发射相同的信息，接收射相同的信息，接收端端获得比得比单天天线高的信噪比高的信噪比n开开环发射分集，射分集，闭环发射分集射分集n循循环延延迟分集分集CDDCDD，空，空时发射分集射分集STTDSTTD，空，空频发射分集射分集SFTDSFTD循环延迟发射分集（循环延迟发射分集（CDD）在不同的在不同的发射天射天线上上发送具有不同相送具有不同相对延延时的同一个信号的同一个信号,人人为地制造地制造时间弥散，能弥散

20、，能够获得分集增益。且循得分集增益。且循环延延时分集采分集采用的是循用的是循环延延时而不是而不是线性延性延时，延，延迟是通是通过固定步固定步长的移相的移相（Cyclic ShiftCyclic Shift，循，循环移相）来等效移相）来等效实现延延迟。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将将调制符号映射到制符号映射到时域域(不同的不同的时刻刻)和空域和空域(不同的不同的发射天射天线)以以获得分集增益得分集增益n恢复恢复发射信号是需要通射信号是需要通过信道估信道估计获得信道矩得信道矩阵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

21、）使用）n空空频发射分集与空射分集与空时发射分集射分集类似，不同的是似，不同的是SFTDSFTD是是对发送送的符号的符号进行行频域和空域域和空域编码n将同一将同一组数据承数据承载在不同的子在不同的子载波上面波上面获得得频率分集增益率分集增益下行下行MIMO技术技术发射分集发射分集 多个天多个天线接收来自多个信道的承接收来自多个信道的承载同一信息的多个独立的同一信息的多个独立的信号副本，由于信号不可能同信号副本，由于信号不可能同时处于深衰落情况中，因此在任于深衰落情况中，因此在任一一给定的定的时刻至少可以保刻至少可以保证有一个有一个强度足度足够大的信号副本提供大的信号副本提供给接收机使用，从而提

22、高了接收信号的信噪比。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从多个天线同同时发射出去。由于多径射出去。由于多径传播，每个播，每个发射天射天线对于接于接收机收机产生不同的空生不同的空间签名，接收机利用名，接收机利用这些不同的些不同的签名分离出独名分离出独立的数据流，最后再复用成原始数据流。因此空立的数据流，最后再复用成原始数据流。因此空间复用可以成倍复用可以成倍提高数据提高数据传输速率。速率。nL L

23、TETE系系统支持基于多支持基于多码字（字（Multiple CodeWordMultiple CodeWord，MCWMCW）的空）的空间复用复用传输。nMCWMCW指的是用于空指的是用于空间复用复用传输的多的多层数据来自于多个不同的独立数据来自于多个不同的独立进行信行信道道编码的数据流，每一个的数据流，每一个码字可以独立地字可以独立地进行速率控制，分配独立的行速率控制，分配独立的混合自混合自动重重传请求（求（Hybrid Automatic Repeat-reQuestHybrid Automatic Repeat-reQuest，HARQHARQ）。）。下行下行MIMO技术技术空间复用技

24、术空间复用技术多多码字空字空间复用复用传输示意示意图下行下行MIMO技术技术复用信号处理复用信号处理波束波束赋形是一种形是一种应用于小用于小间距的天距的天线阵列多天列多天线传输技技术，其主要原理，其主要原理是利用空是利用空间的的强相关性及波的干涉原理相关性及波的干涉原理产生生强方向性的方向性的辐射方向射方向图，使，使辐射方射方向向图的主瓣自适的主瓣自适应的指向用的指向用户来波方向，从而提高性噪比，提高系来波方向，从而提高性噪比，提高系统容量或者容量或者覆盖范覆盖范围。下行下行MIMO技术技术波束赋形技术波束赋形技术波束波束赋形示意形示意图下行下行MIMO技术技术波束赋形技术波束赋形技术单流和多

25、流波束流和多流波束赋形形当基站将占用相同当基站将占用相同时频资源的多个数据流源的多个数据流发送送给不同的用不同的用户时，即，即为多多用用户MIMOMIMO（MU-MIMOMU-MIMO ），或者叫做空分多址（），或者叫做空分多址（SDMASDMA）。）。MU-MIMOMU-MIMO有两种有两种实现方方式：每用式：每用户酉速率控制（酉速率控制（Per-User Unitary Rate ControlPer-User Unitary Rate Control，PU2RCPU2RC）和迫零）和迫零（Zero ForcingZero Forcing，ZFZF）波束）波束赋形。形。下行下行MIMO技术

26、技术多用户多用户MIMO下下行行SU-MIMOSU-MIMO和和MU-MIMOMU-MIMO第二部分第二部分第二部分第二部分 LTELTE关关关关键键技技技技术术之之之之MIMOMIMOn第一章第一章 MIMO技技术简介介n第二章第二章 下行下行MIMO技技术n第三章第三章 上行上行MIMO技技术上行上行MIMO技术技术天线选择天线选择天天线选择方案框方案框图n与下行相同，与下行相同，为了了满足足E-UTRAE-UTRA的需求，的需求，LTELTE系系统支持上行支持上行应用用MIMOMIMO技技术，包括空包括空间复用和复用和传输分集，两种技分集，两种技术与下行技与下行技术相同。相同。n上行上行

27、MIMOMIMO对终端天端天线的要求的要求较高。高。为了了节省功率和降低射省功率和降低射频开开销，在，在终端端侧期望使用更小数目的功放，另一方面期望使用更小数目的功放，另一方面为了改善了改善应用可达到的数用可达到的数据速率和提供更大范据速率和提供更大范围的覆盖，上行的覆盖，上行MIMOMIMO引入天引入天线选择技技术。n上行上行传输天天线选择技技术前提：前提：终端存在两个或者更多天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与下行多用与下行多用户MIMOMIMO不同，上行多用不同，上行多用户MIMOM

28、IMO是一个虚是一个虚拟的的MIMOMIMO系系统，即，即每一个每一个终端均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送一个数据流，但是两个或者更多的数据流占用相同的的时频资源，源，这样从接收机来看，从接收机来看，这些来自不同些来自不同终端的数据流可以被端的数据流可以被看做来自同一个看做来自同一个终端上不同天端上不同天线的数据流，从而构成一个的数据流，从而构成一个MIMOMIMO系系统。上行上行MIMO技术技术多用户多用户MIMO上行上行MU-MIMOMU-MIMO与与传输天天线选择技技术结合方案合方案n与与SU-MIMOSU-MIMO相比，相比，MU-MIMOMU-MIMO可以可以获得多用得多用户分集增益，分集增益，MU-MIMOMU-MIMO信号来自信号来自于不同于不同终端，更容易端，更容易获得信道之得信道之间的独立性。的独立性。n当当终端存在两个或者更多天端存在两个或者更多天线时，可以，可以讲MU-MIMOMU-MIMO与与传输天天线选择技技术结合起来使用。合起来使用。