LTE关键技术分析

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 l高阶调制 、AMC 、HARQ和宏分集技术分析 lOFDM技术基本原理 lOFDM技术优势与不足 l下行多址技术和上行多址技术 lLTE 下行和上行MIMO技术 Page 4 目 录 l高阶调制 、AMC 、HARQ和宏分集技术分析 lOFDM技术基本原理 lOFDM技术优势与不足 l下行多址技术和上

2、行多址技术 lLTE 下行和上行MIMO技术 Page 5 LTE的调制方式 Page 6 LTE 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Channe

3、l Quality Indicator （CQI） pUE测量信道质量，并报告（每1ms或者是更长的周期）给 eNodeB peNodeB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 B Node 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 8 CQI索引 CQI indexmodulationcode rate x 1024efficiency 0out of range 1QPSK780.1523 2QPSK1200.2344 3QPSK1930.3770 4QPSK3080

4、.6016 5QPSK4490.8770 6QPSK6021.1758 716QAM3781.4766 816QAM4901.9141 916QAM6162.4063 1064QAM4662.7305 1164QAM5673.3223 1264QAM6663.9023 1364QAM7724.5234 1464QAM8735.1152 1564QAM9485.5547 Page 9 LTE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

5、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 Combining eNode B UE Packet1?N Packet 1Packet 1 Packet 1 Packet1? + A Packet2 Transmitter Receiver Page 10 H-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（

6、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平均。 Page 11 Hybrid Automatic Repeat reQuest ( HARQ ) lChase Combining ( CC ) 重传方式举例 Page 12 Hybrid Automatic Repeat reQuest ( HARQ ) lIncremental Redundancy ( IR ) 重传方式举例 Page 13 多进程“停

7、-等”HARQ l “停-等”（Stop-and-Wait，SaW）HARQ p 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 l高阶调制 、AMC 、HARQ和宏分集技术分析 lOFDM技术基本原理 lOFDM技术优势与不足 l下行多址技术和上行多址技术 lLTE 下行和上行MIMO技术 Page 15 OFDM的由来 单载波 lOFDM： Orthogonal Frequency Division Multiplexing 正交频分复用 freq

8、uency 传统多载波 frequency OFDM frequency Page 16 OFDM发射流程 Page 17 OFDM的核心操作 Page 18 OFDM实现方法 l使用传统振荡器 l使用IFFT Page 19 OFDM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 21 OFDM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C

9、P操作 Page 23 CP长度的确定 Page 24 CP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 25 CP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1

10、0KHz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： 1 RTTdoppler V ffff C 3 9 8 360 10 /3600 3 101000 3 10 Hz 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。

11、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，采用子载波 lWimax的子载波间隔为，UMB的子载波间隔为 Page 31 OFDM图示 Page 32 目 录 l高阶调制 、AMC 、HARQ和宏分集技术分析 lOFDM技术基本原理 lOFDM技术优势与不足 l下行

12、多址技术和上行多址技术 lLTE 下行和上行MIMO技术 Page 33 OFDM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 34 OFDM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 35 OFDM技术的优势-带宽扩展性强 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

13、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 36 OFDM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

14、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 37 OFDM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 39 OFDM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和符号间干扰（ISI）混合在一起， 很难将MIMO接收和

15、信道均衡分开处理 Page 40 OFDM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 41 OFDM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 42 OFDM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 43 OFDM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 这方面的考虑而可能为多小区组网带来

16、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 l高阶调制 、AMC 、HARQ和宏分集技术分析 lOFDM技术基本原理 lOFDM技术优势与不足 l下行多址技术和上行多址技术 lLTE 下行和上行MIMO技术 Page 45 多址技术 l下行多址技术：OFDMA l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 46 OFDMA VS SC-FDMA Page

17、47 下行调制多址OFDMA Sub-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 48 E-UTRAN空口技术-上行调制多址SC_FDMA Page 49 目 录 l高阶调制 、AMC 、HARQ和宏分集技术分析 lOFDM技术基本原理 lOFDM技术优势与不足 l下行多址

18、技术和上行多址技术 lLTE 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 51 LTE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 52 MIMO的定义 l广义定义：多进多出（广义定义：多进多出（Multiple-Input Multip

19、le-OutputMultiple-Input Multiple-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MIMO Page 53 MIMO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

20、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

21、： 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）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

22、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）：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、

23、第2层、第3层和第 4层 Page 61 MIMO-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 Codes） p空频块码（SFBC，Space-Frequency Block Codes） lLTE支持SFBC传输分集技术 Page 62 MIMO-传输分集 l当传输天线数为2时，采用SFBC l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CDD pSFBC+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

24、 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：在不同的子载波上进行天线切换 （Frequency Switched Transmit Diversity, FSTD）。 Page 64 时间切换传输分集TSTD Page 65 频率切换传输分集FSTD Page 66 天线切换分集与SFBC结合 * 12 * 21 * 34 * 43 00 00 00 00 ss ss ss ss lFSTD和SFBC结合的4发射天线传输分集 lLTE支持上行天线

25、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 4 Page 67 空间复用传输 l LTE支持多码字（MCW）的空间复用传输 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

26、码字数Q=2 l 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Large-delay CDD peNodeB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Rank1 p支持Rank 1和开环空间复用的动态Rank自适应 l不需

27、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UE p较少的反馈开销 )( )( )()( )( )( )1( )0( )1( )0( ix ix UiDiW iy iy P Page 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 B Page 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

28、码本数量 p2 Tx天线：6； 4 Tx天线： 16 l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： 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 vectors User k data User 2 data User 1 data Channel Information 1 s 2 s User1 User2 User k SchedulerPre-coder Page 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