LTE基本原理及关键技术V2.0

Security Level:

Charter 3 LTE协议栈介绍 Charter 4 TD-LTE/FDD-LTE比较

LTE关键技术Overview

MIMO

64QAM

LTE

OFDMA

SC-FDMA

Time frequency resource for User 3

Time frequency resource for User 3

OFDM的概念

OFDM(正交频分复用)本质是一个频分系统，但传统的FDM（频分系统），相邻载波间需要很宽的保护带，频谱利用率低。

OFDM通过子载波之间的正交，大大的提升了频谱效率。 如何实现的？——通过FFT(快速傅立叶变换)

为什么最近20年才逐渐实用？DSP(数字信号处理)芯片的发展

保护带

传统多载波

OFDM

LTE下行多址——OFDMA

OFDMA 是一种资源分配粒度更小的多址方式，同时支持多个用户。它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。 实际上是TDMA+FDMA的多址方式。

集中式：连续RB分给一个用户 优点：调度开销小

率

分布式：分配给用户的RB不连续 优点：频选调度增益较大

的时频资源 的时频资源 的时频资源

OFDM优势1：频谱利用率高

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。

OFDM:各(子)载波重叠排列，同时保持(子)载波的正交性（通过FFT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。

OFDM优势2：有效对抗多径

符号间无保护间隔时，多径会造成ISI和ICI

幅度 ISI: Inter-symbol Interference，符号间干扰（时域上） ICI: Inter-Carrier Interference，载频间干扰（频域上）

接收端同时收到前一个符号的多径延迟信号（虚线）和下一个符号的正常信号（实线），影响了正常接收。时域上看受到了ISI，频域上看受到了ICI。

通过符号间保护间隔CP消除ISI和ICI

将OFDM符号周期内的后面一部分拷贝到前面去，形成循环前缀CP(Cyclic Prefix) 幅度

CP使一个符号周期内因多径产生的波形为完整的正弦波，因此不同子载波对应的时域信号及其多径积分总为0 ，消除载波间干扰(ICI)

应用于OFDM系统。每个子载波宽度仅为15kHz且交叠存在，子载波间干扰（ICI）对系统影响较大，因此采用CP消除ICI

OFDM优势3：有效抵抗频率选择性衰落

动态子载波分配技术:在衰落子载波上不传数据或者采用较低阶调制。

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。

频 率 选 择 性 衰 落

某UE不用的频率或低MCS

频率资源分配图：

某UE可用频率

OFDM优势4：带宽扩展性(Scalable OFDMA)

不同带宽的系统所采用的FFT点数是不一样的，称之为Scalable OFDMA。在实现上，通过调整IFFT尺寸即可改变载波带宽，系统复杂度增加不明显。

OFDM的不足

OFDM技术最大的缺点是对频率偏移特别敏感

收发两端晶振的不一致会引起ICI，虽然在接收端可以通过频率同步来获取频率偏移并进行校正，但由于频偏估计的不精确而引起的残留频偏将会使信号检测性能下降。 解决方法:LTE使用频率同步解决频偏问题

OFDM系统中由于载波数比较多，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，Peak to Average Power Ratio) 较高，调制信号的动态范围大，提高了对功放的要求。

时域信号的峰均比高

LTE上行多址——SC-FDMA

SC-FDMA(Single Carrier-Frequency Division Multiple Access)，单载波频分多址，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。

在任一调度周期中，一个用户分得的子载波必须是连续的

SC-FDMA的优势

LTE上行采用SC-FDMA多址技术，即所谓的单载波FDMA技术

相比OFDMA，SC-FDMA降低了PAPR，降低终端的复杂度从而降低成本，延长待机时间 SC-FDMA采用频域实现的方式：DFT-S-OFDM（下图） 相比OFDMA，SC-FDMA多了一个DFT运算

这个DFT运算使得进行OFDM调制前的所有频域星座点都是UE所有发送数据的线性关系，相比频域星座点由独立的数据决定，降低了PAPR

Coded symbol rate= R

NTX symbols

Size-NTX Size-NFFT

实际上DFT-S-OFDM可以认为是一种特殊的多载波复用方式，其输出的信息同样具有多载波特性，但是由于其有别于OFDM的特殊处理，使其具有单载波复用相对较低的PAPR特性。

OFDMA与SC-FDMA的对比

LTE的核心技术—MIMO

LTE核心技术

多天线技术MIMO

OFDM

MIMO

空间复用

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，提高系统峰值吞吐量

空间分集

ICIC

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，提升链路可靠性

MIMO系统的极限容量

MIMO (Multiple Input Multiple Output):

收发两端同时采用2天线为例

x1

极限容量 ：

x2

h11h12h22

y1y2

y1 h11x1 h12x2 n1y2 h21x1 h22x2 n2

y Hx n

Rxx Exx

H

HRxxH

C log2det I

N0

T

MIMO系统的极限容量的本质

MIMO信道容量的本质 — 等效于多个正交并行子信道