LTE整体架构报告

1、LTE系统整体架构目录（contents）第一章 LTE的背景 31.1 LTE的简介 31.2 LTE的发展历程 31.3 LTE-Advanced 4第二章 LTE-Advanced无线接口架构 5 2.1 物理层 5 2.2 数据链路层 6 2.2.1 媒体接入层(MAC) 7 2.2.2 无线链路控制(RLC) 8 2.2.3 分组数据汇聚协议(PDCP) 10 2.3 无线资源控制层（RRC）14第三章 LTE的关键技术 16 3.1 多址技术16 3.2 多天线技术19 3.3 链路自适应技术21第四章 LTE上下行物理层机制24 4.1 信道类型24 4.2 上下行传输信道处理2

2、5 4.3 上下行参考信号26 4.4 上下行多天线传输27 4.5 上下行L1/L2控制指令28第一章 LTE的背景1.1 LTE的简介LTE（Long Term Evolution，长期演进)是由3GPP组织制定的UMTS技术标准的长期演进，于2004年12月3GPP多伦多TSG RAN#26会议上正式立项并启动。LTE系统引入了OFDM和多天线MIMO等关键传输技术，显著增加了频谱效率和数据传输速率（峰值速率能够达到上行50Mbit/s,下行100Mbit/s），并支持多种带宽分配：1.4MHz,3MHz,5MHz,10MHz, 15MHz和20MHz等，频谱分配更加灵活，系统容量和覆盖

3、显著提升。LTE无线网络架构更加扁平化，减小了系统时延，降低了建网成本和维护成本。LTE系统支持与其他3GPP系统互操作。FDD-LTE已成为当前世界上采用的国家及地区最广泛的，终端种类最丰富的一种4G标准。LTE(Long Term Evolution,长期演进)项目是3G的演进，LTE并非人们普遍误解的4G技术，而是3G与4G技术之间的一个过渡，是3.9G的全球标准,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，这种以OFDM/FDMA为核心的技术可以被看作“准4G”技术。在20MHz频谱带宽下能够提供下行100Mbit/s与上行50Mbit/s的峰

4、值速率。改善了小区边缘用户的性能，提高小区容量和降低系统延迟。这种以OFDM/MIMO为核心的技术可以被看作“准4G”技术。3GPP LTE项目的主要性能目标包括：在20MHz的频谱带宽下提供下行326Mbps、上行86Mbps的峰值速率；改善小区边缘用户的性能；提高小区容量；降低系统延迟，用户平面内的单向传输时延低于5ms，控制平面从睡眠状态到激活状态的迁移时间低于50ms，从驻留状态到激活状态的迁移时间小于100ms；支持最大100Km半径的小区覆盖；能够为350Km/h、最高500Km/h高速移动的用户提供100kbps的接入服务；支持成对或非成对频谱，并可灵活配置从1.25 MHz到2

5、0MHz多种带宽。1.2 LTE的发展历程LTE(长期演进)是GSM阵营的现时最先进网络。演进路线：GSM-GPRS-EDGE-WCDMA-HSPA-HSPA+-FDD-LTE传输速度分别是：GSM：9.6Kbps GPRS：171.2Kbps EDGE：384Kbps WCDMA：384Kbps2Mbps HSDPA：14.4Mbps/HSUPA：5.76Mbps HSDPA+：42Mbps/HSUPA+：22Mbps LTE：300Mbps图1.1演进历程图1G技术：使用蜂窝组网，广泛应用的标准有AMPS、TACS等，采用模拟技术和频分多址(FDMA)等技术；2G技术：目前应用最广泛的通信

6、系统，主要包括GSM、IS-95等,完全采用数字技术，使用FDM、TDM、CDMA等技术。提供数字化的语音业务及低速数据业务；3G技术：国际标准有WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA、WiMax。技术指标：室内速率2Mbps，室外速率384kbps，行车速率144kbps。能够实现语音业务、高速率传输及宽带多媒体、无线接入Internet等服务；LTE技术：采用OFMA及MIMO技术，在200MHz系统带宽下，下行峰值速率100Mbps，上行峰值速率50MHz，提供VoIP及IMS等高速率数据传输服务。LTE与3G技术的异同之处：3GPP从“系统性能要求”、“网络的部署场景”、“网络

7、架构”、“业务支持能力”等方面对LTE进行了详细的描述。与3G相比，LTE具有如下技术特征：(1)通信速率有了提高，下行峰值速率为100Mbps、上行为50Mbps。(2)提高了频谱效率，下行链路5(bit/s)/Hz，(3-4倍于R6版本的HSDPA);上行链路2.5(bit/s)/Hz，是R6版本HSU-PA的2-3倍。(3)以分组域业务为主要目标，系统在整体架构上将基于分组交换。(4)QoS保证，通过系统设计和严格的QoS机制，保证实时业务(如VoIP)的服务质量。(5)系统部署灵活，能够支持1.25MHz-20MHz间的多种系统带宽。保证了将来在系统部署上的灵活性。(6)降低无线网络时

8、延：子帧长度0.5ms和0.675ms，解决了向下兼容的问题并降低了网络时延，时延可达U-plan5ms，C-plan100ms。(7)增加了小区边界比特速率，在保持目前基站位置不变的情况下增加小区边界比特速率。如MBMS(多媒体广播和组播业务)在小区边界可提供1bit/s/Hz的数据速率。(8)强调向下兼容，支持已有的3G系统和非3GPP规范系统的协同运作。总而言之，LTE与3G相比，LTE更具技术优势，具体体现在：高数据速率、分组传送、延迟降低、广域覆盖和向下兼容。1.3 LTE-AdvancedLTE与LTE-Advanced为相同技术，标签Advanced的添加主要是为了突出LTE的第

9、10版（LTE-Advanced）与ITU/IMT-Advanced之间的关系，LTE和LTE-Advanced的开发工作是3GPP的一项持续工作，最早的3G系统（WCDMA/HSPA）就是该组织开发出来的。LTE-Advanced是LTE（Long Term Evolution）的演进，2008年3月开始，2008年5月确定需求。它满足ITU-R 的IMT-Advanced技术征集的需求，不仅是3GPP形成欧洲IMT-Advanced技术提案的一个重要来源，还是一个后向兼容的技术，完全兼容LTE，是演进而不是革命。LTE-Advanced相应的特性：带宽：100MHz峰值速率：下行1Gbps

10、，上行500Mbps峰值频谱效率：下行30bps/Hz，上行15bps/Hz针对室内环境进行优化有效支持新频段和大带宽应用峰值速率大幅提高，频谱效率有限改进第二章 第二章LTE-Advanced无线接口架构2.1 物理层物理层（Physical layer）位于OSI(开放系统互连)参考模型的最底层，它直接面向实际承担数据传输的物理媒体（即通信通道），物理层的传输单位为比特（bit），即一个二进制位（“0”或“1”）。实际的比特传输必须依赖于传输设备和物理媒体，但是，物理层不是指具体的物理设备，也不是指信号传输的物理媒体，而是指在物理媒体之上为上一层（数据链路层）提供一个传输原始比特流的物理连

11、接,是整个开放系统的基础。物理层为设备之间的数据通信提供传输媒体及互连设备，为数据传输提供可靠的环境。如果您先要用尽量少的词来记住这个第一层，那就是“信号和介质”。物理层的主要性能:为数据端设备提供传送数据的通路,数据通路可以是一个物理媒体,也可以是多个物理媒体连接而成.一次完整的数据传输,包括激活物理连接,传送数据,终止物理连接.所谓激活,就是不管有多少物理媒体参与,都要在通信的两个数据终端设备间连接起来,形成一条通路； 传输数据.物理层要形成适合数据传输需要的实体,为数据传送服务.一是要保证数据能在其上正确通过，二是要提供足够的带宽(带宽是指每秒钟内能通过的比特(BIT)数),以减少信道上

12、的拥塞.传输数据的方式能满足点到点,一点到多点,串行或并行,半双工或全双工，同步或异步传输的需要； 完成物理层的一些管理工作。2.2 数据链路层无线接口协议栈根据用途分为用户平面协议栈和控制平面协议栈。 数据链路层下行结构图2.2.1 媒体接入层（MAC）MAC(Media Access Control媒体接入控制) 定义了数据包怎样在介质上进行传输。在共享同一个带宽的链路中，对连接介质的访问是“先来先服务”的。物理寻址在此处被定义，逻辑拓扑（信号通过物理拓扑的路径）也在此处被定义。线路控制、出错通知（不纠正）、帧的传递顺序和可选择的流量控制也在这一子层实现。该协议位于OSI七层协议中数据链路

13、层的下半部分，主要负责控制与连接物理层的物理介质。在发送数据的时候，MAC协议可以事先判断是否可以发送数据，如果可以发送将给数据加上一些控制信息，最终将数据以及控制信息以规定的格式发送到物理层；在接收数据的时候，MAC协议首先判断输入的信息并是否发生传输错误，如果没有错误，则去掉控制信息发送至RLC层。不管是在传统的有线局域网（LAN）中还是在流行的无线局域网（WLAN）中，MAC协议都被广泛地应用。在传统局域网中，各种传输介质的物理层对应到相应的MAC层，普遍使用的网络采用的是IEEE 802.3的MAC层标准，采用CSMA/CD访问控制方式；而在无线局域网中，MAC所对应的标准为IEEE

14、802.11，其工作方式采用DCF（分布控制）和PCF（中心控制）。 上行逻辑信道映射图下行逻辑信道映射图2.2.2 无线链路控制（RLC） RLC (Radio Link Control 无线链路控制) 是GPRS/WCDMA/TD-SCDMA/LTE 等无线通信系统中的无线链路控制层协议。在WCDMA系统中，RLC层位于MAC层之上，属于L2的一部分，为用户和控制数据提供分段和重传业务。每个RLC实体由RRC配置，并且根据业务类型有三种模式：透明模式（TM）、非确认模式（UM）、确认模式（AM）。在控制平面，RLC向上层提供的业务为无线信令承载（SRB）；在用户平面，当PDCP和BMC协议

15、没有被该业务使用时，RLC向上层提供无线承载（RB）；否则RB业务由PDCP或BMC承载。一、三种模式的区别：1. 透明模式：发送实体在高层数据上不添加任何额外控制协议开销，仅仅根据业务类型决定是否进行分段操作。接收实体接收到的PDU如果出现错误，则根据配置，在错误标记后递交或者直接丢弃并向高层报告。实时语音业务通常采用RLC透明模式。2. 非确认模式：发送实体在高层PDU上添加必要的控制协议开销，然后进行传送但并不保证传递到对等实体，且没有使用重传协议。接收实体对所接收到的错误数据标记为错误后递交，或者直接丢弃并向高层报告。由于RLC PDU包含有顺序号，因此能够检测高层PDU的完整性。UM

16、模式的业务有小区广播和IP电话。3. 确认模式：发送侧在高层数据上添加必要的控制协议开销后进行传送，并保证传递到对等实体。因为具有ARQ能力，如果RLC接收到错误的RLC PDU，就通知发送方的RLC重传这个PDU。由于RLC PDU中包含有顺序号信息，支持数据向高层的顺序/乱序递交。AM模式是分组数据传输的标准模式，比如www和电子邮件下载。二、RLC的功能1.连接控制。2. 分段/重组。就是将长度不同的高层PDU分组进行分段重组为较小的RLC负荷单元（PU）3. 级联。当一个RLC SDU的内容不能填满一个完整的RLC PDU时，可以将下一个RLC SDU的第一段也放在这个PU中，与前一个

17、RLC SDU的最后一段级联在一起；4. 填充。当RLC SDU的内容不能填满一个完整的RLC PDU且无法进行级联时，可以将剩余的空间用填充比特来填满；5. 错误纠正。在确认模式下通过重传来纠正错误；6. 高层PDU的顺序发送。RLC按照高层PDU递交下来的顺序进行发送。主要用于AM模式；7. 流量控制。由RLC接收端对另一侧RLC发送端的发送速率进行控制；9. 复制检查。检查所接收到RLC PDU，并保证向高层只递交一次；10. 顺序号检查。在UM模式下，该功能保证PDU的完整性。并且在RLC PDU被重组为RLC SDU时，通过检查RLC PDU的顺序号提供一个检测恶化的RLC SDU的

18、方法；11. 协议错误检测与恢复。检测RLC协议的错误并进行恢复；12. 加密。在UM/AM模式下，对数据进行加密。具体请参考后续相关章节内容；13. 暂停/继续功能。暂停或者继续进行数据传输。它们都是属于本地操作，由RRC通过控制接口进行控制。 RLC PDU的结构图 RLC结构图2.2.3 分组数据汇聚协议（PDCP）PDCP(Packet Data Convergence Protocol 分组数据汇聚协议) PDCP 是对分组数据汇聚协议的一个简称。 它是UMTS中的一个无线传输协议栈， 它负责将IP头压缩和解压、传输用户数据并维护为无损的无线网络服务子系统(SRNS)设置的无线承载的

19、序列号。压缩技术可以根据二者之一 RFC 2507 或 RFC 3095。 如果 PDCP 配置为没有压缩它将送IP小包，不用压缩，它根据它的配置将压缩小包由上层并且附有 PDCP 倒栽跳水和送小包。它使用更低的层数提供的服务称Radio链路控制(RLC)。PDCP 倒栽跳水包括二个领域： PID和PDU类型。PDU类型领域表明PDU是否是数据PDU或顺序编号PDU。PID领域价值表明倒栽跳水压缩协议键入使用的和小包类型或CID。PDCP架构图PDCP层用户面结构图PDCP层控制面结构图一、PDCP的子层功能PDCP协议包括以下具体支持的功能：(1)用户平面数据的报头压缩和解压缩。(2)安全性

20、功能：用户和控制平面协议的加密和解密；控制平面数据的完整性保护和验证。(3)数据的传输功能：下层重建时，对向上层发送的PDU顺序发送和重排序；对映射到AM模式的RB的下层SDU进行重排序。(4)数据包的丢弃。二、安全性功能LTE的安全性是在PDCP层负责的，通过加密(控制平面RRC数据和用户平面数据)及完整性保护(仅控制平面数据)实现。1加密/解密在LTE系统中，加密功能位于PDCP实体中，加密对象包括：(1)控制平面，被加密的数据单元是PDCP PDU的数据部分(未压缩的用户面或控制面的PDCP SDU或压缩的用户平面PDCP SDU)和MACI域(完整性消息鉴权码)。(2)用户平面，被加密

21、的数据单元是PDCP PDU的数据部分。PDCP实体所使用的加密算法和密钥(KEY)由高层协议配置。一旦激活安全功能，加密功能即被高层激活，该功能应用于高层指示的所有PDCP PDU。PDCP用于加密的参数包括以下2个：COUNT；DIRECTION(传输的方向)。RRC协议提供给PDCP加密功能所需要的参数包括以下2个：BEARER；KEY(控制平面使用KRRCenc，用户平面使用KUPenc)。加密是通过对消息和加密流做异或(XOR)运算来实现的，这里加密流是由基于接入层(AS)导出密钥、无线承载ID、传输方向(上行或下行)以及COUNT值的加密算法所生成的。加密仅适用于PDCP数据PDU

22、。控制PDU(如ROHC反馈或PDCP状态报告)既不使用加密，也不适用完整性保护。2完整性保护 完整性保护功能包括完整性保护和完整性验证两个过程，完整性保护功能仅应用于SRB。用于PDCP实体的完整性保护功能的算法和KEY由上层配置。一旦激活安全功能，完整性保护功能即被高层激活，该功能应用于高层指示的所有PDCP PDU。PDCP用于完整性保护的参数包括以下2个：COUNT；DIREC-TION(传输的方向)。RRC协议提供给PDCP完整性保护功能的参数包括以下2个：BEARER；KEY(控制平面使用KRRCint)。UE基于上述输入的参数计算X-MAC，进行PDCP PDU的完整性验证。如果

23、计算出的X-MAC与MAC-I相同，则完整性保护验证成功。三、数据传输控制平面的PDCP PDU和用户平面的PDCP数据PDU都拥有一个序列号SN字段，PDCP子层的发送和接收实体就是通过设置和检查SN字段来实现PDCPPDU的按序发送和接收。PDCP子层在发送侧和接收侧分别维护一个重排序窗口的大小是SN范围的50%。当SN为04 095时，即“最大PDCP SN”的值为4095时，重排序窗口的大小为2048。在非切换状态下，RLC子层位为PDCP子层提供按序提交和重复包丢弃服务。而在切换状态下，由于UE与两个eNodeB同时通信，因此其RLC子层无法保证按序提交和重复包丢弃，从而需要由PDC

24、P子层来完成这些功能。下面以UE侧的操作为例说明PDCP子层的发送和接收流程。1上行发送每一个PDCP SDU对应一个Discard Timer，一旦由高层接收到一个PDCP SDU，即启动该SDU对应的Discard Timer。同时，进行发送相关的状态变量更新及加密、完整性保护等。2. 下行接收 在不需重建的普通工作模式下，PDCP实体在接收到RLC AM实体提交的PDCP PDU时，不需执行重排序过程，因为RLC AM在向PDCP实体提交PDCPPDU时，已保证顺序递交。以切换引起的PDCP重建为例，UE先从源eNodeB收到一些PDCP SDU，重建开始后从目的eNodeB接收PDCP

25、 SDU(其中部分是源eNodeB转给目的eNodeB的，并且有一些是源eNodeB已发给UE但尚未得到确认的)，因此，UE的PDCP实体收到的PDCP SDU可能是乱序而且有重复的，因此对于RLC AM模式，在重建情况下，PDCP接收实体需对接收的PDCP SDU进行重排序和重复检测。综合上述各种情况，对映射到RLC AM模式的DRB接收处理过程如下：定义接收的PDCP序列号为SN，接收端上一次提交给高层的PDCP SDU序列号为Last_Submitted_PDCP_RX_SN，Reordering_Window为序列号空间50%长度的重排序窗，RX_HFN为接收端当前HFN，Next_P

26、DCP_RX_SN为接收端期待的下一个接收的PDCP序列号。四、PDCP的丢包处理 PDCP实体收到上层递交的一个PDCP SDU，就会为这个SDU启动一个Discard_Timer；当一个PDCP SDU的Discard_Timer超期时，UE就会丢弃这个PDCP SDU以及由它生成的PDCP PDU。如果这个PDCP PDU已经传递到底层的话，就向底层发一个丢弃指示命令。PDCP Reordering window2.3 无线资源控制（RRC） RRC(Radio Resource Control 无线资源控制协议) RRC处理用户设备UE(User Equipment)和eNodeB(E

27、volved Node-B 演进型Node B)之间控制平面的第三层信息。第一层是物理层（Physical Layer），第二层是媒介访问控制层（Medium Access Control），RRC是第三层。RRC对无线资源进行分配并发送相关信令，UE和UTRAN之间控制信令的主要部分是RRC消息，RRC消息承载了建立、修改和释放层2和物理层协议实体所需的全部参数，同时也携带了NAS(非接入层）的一些信令，如MM、CM、SM等。下层的一些测量报告可以为RRC分配无线资源提供参考，控制操作和测量报告将通过RRC与底层的接入点进行交互，详细如下图：无线协议架构图一、 RRC主功能（1）广播核心网非

28、接入层提供的信息。RRC负责网络系统信息向UE的广播。系统信息通常情况下按照一定的基本规律重复，RRC负责执行计划、分割和重复。也支持上层信息的广播。将广播信息关联到接入层。RRC负责网络系统信息向UE的广播。系统信息通常情况下按照一定的基本规律重复，RRC负责执行计划、分割和重复。（2）建立、重新建立、维持和释放在UE和UTRAN之间的RRC连接。为了建立UE的第一个信号连接，由UE的高层请求建立一个RRC的连接。RRC连接建立过程包括可用小区的重新选择、接入许可控制以及层2信号链路的建立几个步骤。RRC连接释放也是由高层请求，用于拆除最后的信号连接；或者当RRC链路失败的时候由RRC本层发

29、起。如果连接失败，UE会要求重新建立RRC连接。如果RRC连接失败，RRC释放已经分配的资源RRC连接无线资源的分配、重新配置和释放。（3）RRC连接必须的控制平面和用户平面的无线资源，都由RRC负责分配。对于已经建立的RRC连接，RRC可以重新配置无线资源。以及和RRC连接相关的不同无线资源承载的协调。RRC将上行和下行无线资源分开管理，这样UE和UTRAN可以使用不平衡的资源。RRC向UE指出资源分配是为了向GSM或其他无线系统移植。（4）RRC连接的移动性管理。RRC负责已经建立的连接移动性涉及到的评估、决定和执行工作。比如向GSM或其他无线网络的移植或移植准备，小区的重新选择，小区（或

30、寻呼区域）的更新，以及UE的测量。（5）寻呼/通知功能。RRC可以从网络向选定的UE广播寻呼信息。网络侧的高层也可以发起寻呼和通知。RRC连接已经建立的同时也可以发起寻呼。（6）高层PDU路由功能。这个功能是指在UE侧路由PDU到正确的高层实体，在UTRAN侧路由到正确的RANAP实体。（7）要求的质量控制。这个功能确保无线承载达到要求的QoS（服务质量）。（8）UE测量报告和报告的控制。UE提供的测量由RRC控制，比如测量什么、什么时候测量以及如何报告，包括UMTS空中接口和其它系统。RRC也提供从UE向网络的测量报告。（9）开环功率控制。RRC控制闭环功率控制的设定。（10）计算控制。RR

31、C提供在UE和UTRAN计算设置。（11）慢速DCA。首选无线资源的分配基于长期决定标准。Only TDD。（12）上行DCH无线资源仲裁。这个功能控制上行DCH无线资源的快速分配，通过广播信道将控制信息发送给相关的用户。（13）初始化小区选择和空闲模式的小区重新选择。根据空闲模式测量和小区选择标准选择合适的小区。（14）完整性保护。这个功能给认为敏感或（并且）可能敏感的RRC消息加上消息鉴权码（MAC-I）。（15）CBS初始配置。这个功能提供BMC子层的初始配置。（16）CBS无线资源的分配。这个功能根据BMC指示的流量要求分配无线资源。（17）CBS间断接收配置。当UE应该监听为CBS分

32、配的基于从BMC计划的接收信息的无线资源时，配置L1、L2。（18）时间校对控制。RRC控制时间校对操作，Only TDD。二、用户设备的RRC状态 用户设备(User Equipment, UE)的无线资源控制(Radio Resource Control, RRC)状态决定了接入层所执行的操作和过程。RRC状态有两种：空闲状态(RRC_IDLE)或连接状态(RRC_CONNECTED)。1. 空闲状态(RRC_IDLE)（1）UE有特定的非连续接收(DRX)；（2）监听广播信道，获取系统信息；（3）监听寻呼信道，检测来电；（4）UE执行小区选择和重选。2.连接状态(RRC_CONNECTE

33、D)（1）获得E-UTRAN分配的无线资源；（2）可以与网络交互数据；（3）向网络报告缓存状态和信道质量；（4）由eNB控制小区切换。第三章 LTE的关键技术LTE的关键技术主要分三种类型：多址技术、多天线技术和链路自适应技术。3.1 多址技术多址技术分为频分多址（FDMA）、 时分多址（TDMA）、码分多址（CDMA）。频分多址是以不同的频率信道实现通信。时分多址是以不同的时隙实现通信。码分多址是以不同的代码序列来实现通信的。TACS模拟通信采用的是频分复用技术，GSM数字通信采用的是频分复用和时分复用相结合的多址技术，CDMA采用码分多址技术。LTE下行采用OFDM，LTE上行采用SC-F

34、DMA，即DFTS-OFDMOFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing ,正交频分复用技术) 是MCM Multi-Carrier Modulation，多载波调制的一种。其主要思想是：将信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到在每个子信道上进行传输。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 ICI 。每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，因此每个子信道上的可以看成平坦性衰落，从而可以消除符号间干扰。而且由于每个子信道的带宽仅仅是原信道带宽的一小部分，信道均衡变得相对容易。

35、OFDM技术的研究深入到无线调频信道上的宽带数据传输。目前OFDM技术已经被广泛应用于广播式的音频、视频领域和民用通信系统，主要的应用包括：非对称的数字用户环路（ADSL）、ETSI标准的数字音频广播（DAB）、数字视频广播（DVB）、高清晰度电视（HDTV）、无线局域网（WLAN）等。一、 OFDM信号发送接收原理解析 OFDM信号发送器的原理是用户信号以串行的方式输入发送器，速率为R码字/秒。这些码字先被送入一个串行并行变换器中，使串行输入的信号以并行的方式输出到M条线路上。这M条线路上的任何一条上的数据传输速率则为R/M码字/秒。该OFDM码随后被送入一个进行快速傅立叶逆变换的模块，进行

36、快速傅立叶逆变换。快速傅立叶逆变换可以把频域离散的数据转化为时域离散的数据。由此，用户的原始输入数据就被OFDM按照频域数据进行了处理。计算出快速傅立叶逆变换样值之后，一个循环前缀被加到了样值前，形成一个循环拓展的OFDM信息码字。添加循环前缀技术利用的是离散线性系统原理中的一个概念。我们知道，在连续时间域，两个时域信号的卷积就等于这两个信号频域形式的乘积。但是，这在离散时域的情况下一般是不成立的，除非使用无限大的样值点N或者至少一个卷积信号是周期性的（在该情况下，信号可以被圆周卷积）。因为我们只能使用有限的样值点N，所以只能利用循环前缀使OFDM信息码在我们感兴趣的时间区内呈现周期性。循环拓

37、展信息码的样值再次通过一个并行串行转换器模块。然后按照串行的方式通过信道（经过适当的滤波和调制）。在传输过程中，信道的冲击响应对时域信号造成了干扰。由于循环前缀使所传输的OFDM信号表现出周期性，这种卷积就成了一种圆周卷积。根据离散时间线性系统原理，这种圆周卷积就相当于OFDM信号的频率响应和信道频率响应的乘积。接收器完成与发送器相反的操作。接收器收到的信号是时域信号。由于无线信道的影响发生了一定的变化，接收到的信号经过一个串行并行的转换器，并且把循环前缀清除掉。清除循环前缀并没有删掉任何信息。循环前缀中的信息是冗余的。使用循环前缀是为了保证前面提到的卷积特性的成立。循环前缀的另外一个好处是可

38、以消除码间干扰。我们要求循环前缀的值比信道内存更大一些。多径信号引起先发信息码字的滞后到达而影响当前信息码字，从而产生码间干扰。但是，事实上，码间干扰仅仅会干扰当前信息码的循环前缀。因此，使用适当大小的循环前缀就能够使OFDM技术消除码间干扰。在清除了循环前缀之后，信号将会经过一个快速傅立叶变换模块，把信号从时域转变回频域。信号经过一个并行串行转换模块进行并串变换，就完成了对原始OFDM信号的接收。为了提高OFDM的信息传送能力，人们对OFDM的加载算法进行了广泛的研究。OFDM系统的每一个子信道都有两个参数须要决定，即发送功率和数据传输速率。在各个子信道之间有效地分配功率和数据就可以提高系统

39、效率。此类有效地进行功率和数据分配的算法被称为加载算法。加载算法可以按照被优化的资源和所规定的限制条件来分类。在速率适应算法中，大家感兴趣的是在总功率的限制下，如何使总数据传输速率最大化，当然还要满足一定的误码率要求。OFDM系统的关键技术：(1)时域与频域同步(2)信道估计(3)信道编码和交织(4)降低峰值平均功率比(5)均衡二、OFDM的基本模型正交频分复用OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplex)是一种多载波调制方式，通过减小和消除码间串扰的影响来克服信道的频率选择性衰落。它的基本原理是将信号分割为N个子信号，然后用N个子信号分别调制N个相

40、互正交的子载波。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。下图是OFDM基带信号处理原理图。其中，（a）是发射机工作原理，（b）是接收机工作原理。当调制信号通过无线信道到达接收端时，由于信道多径效应带来的码间串扰的作用，子载波之间不再保持良好的正交状态，因而发送前需要在码元间插入保护间隔。如果保护间隔大于最大时延扩展，则所有时延小于保护间隔的多径信号将不会延伸到下一个码元期间，从而有效地消除了码间串扰。当采用单载波调制时，为减小ISI的影响，需要采用多级均衡器，这会遇到收敛和复杂性高等问题。在发射端，首先对比特流进行QAM或QPSK调制，然后依次经过串并变换和IFFT变换，再将并行

41、数据转化为串行数据，加上保护间隔（又称“循环前缀”），形成OFDM码元。在组帧时，必须加入同步序列和信道估计序列，以便接收端进行突发检测、同步和信道估计，最后输出正交的基带信号。当接收机检测到信号到达时，首先进行同步和信道估计。当完成时间同步、小数倍频偏估计和纠正后，经过FFT变换，进行整数倍频偏估计和纠正，此时得到的数据是QAM或QPSK的已调数据。对该数据进行相应的解调，就可得到比特流。OFDM提高频谱效率FDM/FDMA（频分复用/多址）技术其实是传统的技术，将较宽的频带分成若干较窄的子带（子载波）进行并行发送是最朴素的实现宽带传输的方法。但是为了避免各子载波之间的干扰，不得不在相邻的子

42、载波之间保留较大的间隔（如图（a）所示），这大大降低了频谱效率。因此，频谱效率更高的TDM/TDMA（时分复用/多址）和CDM/CDMA技术成为了无线通信的核心传输技术。但近几年，由于数字调制技术FFT（快速傅丽叶变换）的发展，使FDM技术有了革命性的变化。FFT允许将FDM的各个子载波重叠排列，同时保持子载波之间的正交性（以避免子载波之间干扰）。如图（b）所示，部分重叠的子载波排列可以大大提高频谱效率，因为相同的带宽内可以容纳更多的子载波。 三、OFDM的实现问题1. 子载波的排列和分配OFDM子载波可以按两种方式排列：集中式(Localized)和分布式(Distributed)。（1）集

43、中式即将若干连续子载波分配给一个用户，这种方式下系统可以通过频域调度(scheduling)选择较优的子载波组(用户)进行传输，从而获得多用户分集增益。另外，集中方式也可以降低信道估计的难度。但这种方式获得的频率分集增益较小，用户平均性能略差。（2）分布式系统将分配给一个用户的子载波分散到整个带宽，从而获得频率分集增益。但这种方式下信道估计较为复杂，也无法采用频域调度。设计中应根据实际情况在上述两种方式中灵活进行选择。2.PAPR问题OFDM系统由于发送频域信号，峰平比(PAPR,Peak-to-Average Power Ratio)较高，从而会增加了发射机功放的成本和耗电量，不利于在上行链

44、路实现(终端成本和耗电量受到限制)。在未来的上行移动通信系统中，很可能将采用改进型的OFDM技术，如DFT-S(离散傅丽叶变换扩展)-OFDM或带有降PAPR技术(子载波保留、削波)的OFDM。3.多小区多址和干扰抑制OFDM系统虽然保证了小区内用户间的正交性，但无法实现自然的小区间多址(CDMA则很容易实现)。如果不采取任何额外设计，系统将面临严重的小区间干扰(WiMAX系统就因缺乏这方面的考虑而可能为多小区组网带来困难)。可能的解决方案包括：跳频OFDMA、小区间频域协调、干扰消除等。四、上下行多址技术1.下行多址技术：OFDMA2.上行多址技术：主要考虑因素：终端处理能力有限，尤其发射功

45、率受限。OFDM技术由于高的PAPR问题不利于在上行实现。单载波（SC）传输技术PAPR较低LTE采用在频域实现的多址方式：单载波频分多址（SC-FDMA）3.2 多天线技术一、 MIMO技术MIMO(Multiple-Input Multiple-Out-put)系统是一项运用于802.11n的核心技术。802.11n是IEEE继802.11bag后全新的无线局域网技术，速度可达600Mbps。同时，专有MIMO技术可改进已有802.11abg网络的性能。该技术最早是由Marconi于1908年提出的，它利用多天线来抑制信道衰落。根据收发两端天线数量，相对于普通的SISO(Single-In

46、put Single-Output)系统，MIMO还可以包括SIMO(Single-Input Multiple-Output)系统和MISO(Multiple-Input Single-Output)系统。网络资料通过多重切割之后，经过多重天线进行同步传送，由于无线讯号在传送的过程当中，为了避免发生干扰起见，会走不同的反射或穿透路径，因此到达接收端的时间会不一致。为了避免资料不一致而无法重新组合，因此接收端会同时具备多重天线接收，然后利用DSP重新计算的方式，根据时间差的因素，将分开的资料重新作组合，然后传送出正确且快速的资料流。由于传送的资料经过分割传送，不仅单一资料流量降低，可拉高传送距

47、离，又增加天线接收范围，因此MIMO技术不仅可以增加既有无线网络频谱的资料传输速度，而且又不用额外占用频谱范围，更重要的是，还能增加讯号接收距离。所以不少强调资料传输速度与传输距离的无线网络设备，纷纷开始抛开对既有Wi-Fi联盟的兼容性要求，而采用MIMO的技术，推出高传输率的无线网络产品。MIMO技术大致可以分为两类：发射/接收分集和空间复用。传统的多天线被用来增加分集度从而克服信道衰落。具有相同信息的信号通过不同的路径被发送出去，在接收机端可以获得数据符号多个独立衰落的复制品，从而获得更高的接收可靠性。举例来说，在慢瑞利衰落信道中，使用1根发射天线n根接收天线，发送信号通过n个不同的路径。

48、如果各个天线之间的衰落是独立的，可以获得最大的分集增益为n，平均误差概率可以减小到 ，单天线衰落信道的平均误差概率为 。对于发射分集技术来说，同样是利用多条路径的增益来提高系统的可靠性。在一个具有m根发射天线n根接收天线的系统中，如果天线对之间的路径增益是独立均匀分布的瑞利衰落，可以获得的最大分集增益为mn。智能天线技术也是通过不同的发射天线来发送相同的数据，形成指向某些用户的赋形波束，从而有效的提高天线增益，降低用户间的干扰。广义上来说，智能天线技术也可以算一种天线分集技术。分集技术主要用来对抗信道衰落。相反，MIMO信道中的衰落特性可以提供额外的信息来增加通信中的自由度(degrees o

49、f freedom)。从本质上来讲，如果每对发送接收天线之间的衰落是独立的，那么可以产生多个并行的子信道。如果在这些并行的子信道上传输不同的信息流，可以提供传输数据速率，这被称为空间复用。需要特别指出的是在高SNR的情况下，传输速率是自由度受限的，此时对于m根发射天线n根接收天线，并且天线对之间是独立均匀分布的瑞利衰落的。MIMO天线技术二、MIMO原理及其技术实现MIMO技术是针对多径无线信道来说的，是指在发射端和接收端分别使用多个发射天线和接收天线，从而提高数据速率、减少误比特率，改善无线信号传送质量。如图2所示，MIMO系统同时利用信道编码和多天线技术，信号S(t)经过空时编码形成N个发

50、射子流Wk(t)，（k=0，1，N-1）。这N个子流由N个天线发射出去，经空间传输后由M个接收天线接收。MIMO接收机通过空时解码处理这些子数据流，对其进行区分和解码，从而实现最佳的信号处理。MIMO系统正是依靠这种同时使用空域和时域分集的方法来降低信道误码率，提高无线链路的可靠性。MIMO系统信道模型另一方面，这N个子流同时发射时，只占用同一传输信道，并不会增加使用带宽。在自由空间里，MIMO系统占用比普通天线系统更多的传输空间，用来在各发射和接收天线间构筑多条相互独立的通道，产生多个并行空间信道，并通过这些并行的空间信道独立地传输信息，达到了空间复用的目的，以此方式来提高系统的传输容量。对

51、于天线数与信道容量的关系，我们可以假设在发射端，各天线发射独立的等功率信号，而且各信号满足Rayleigh（瑞利）分布，根据MIMO系统的信道传输特性和香农信道容量计算方法，推导出平衰落MIMO系统信道容量近似表达式为: 其中B为信号带宽，SNR为接收端平均信噪比，min(N,M)为发射天线数量N和接收天线数量M中的最小者。式表明，在同等传输带宽，而且接收端信噪比不变化的情况下（基本取决于外界条件和发射功率的变化），多入多出系统的信道容量随最小天线数目的增加而线性增加。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，其容量仅随天线数量的对数增加而增加。相对而言，在不占用

52、额外的带宽，也不消耗额外的发射功率的情况下，利用MIMO技术可以成倍地提高系统传输容量，大大提高了频谱利用率，这是无线通信领域智能天线技术的重大突破。三、MIMO总结四、多天线技术引入带来的效果1.空间复用能够提供多流的传输能力，不仅提高用户的传输速率，而且可以改善用户平均容量性能；2. 发送分集适用于单码字传输，主要用于抵抗衰落的影响，提高系统传输性能；3. 单流波束赋形可以提高系统链路性能，特别是边缘性能，同时也可以提高系统容量和覆盖距离。多流的波束赋形可以进一步提高用户的峰值速率和系统容量，对满足未来移动通信系统的要求非常重要。3.3 链路自适应技术 在移动通信系统中，为提高系统性能，对

53、抗信道的衰落特性，常采用改造信道和适应信道两种方法。适应信道的技术即自适应技术主要用于克服信道的慢衰落特性和由于用户位置和环境变化而引入的信道变化。自适应技术包括物理层自适应技术、链路层自适应技术和网络层自适应技术。链路自适应技术涉及多层图主要的物理层自适应技术有自适应编码、调制、功率控制、速率控制等。链路层自适应技术包括ARQ技术、拥塞控制技术等。网络层自适应技术包括跨层协议等。我们通常所说的链路自适应技术常指网络层和链路层的自适应技术。链路自适应能够动态跟踪信道变化,根据信道情况确定当前信道的容量,进而确定传输的信息符号速率、发送功率、编码速率和编码方式、调制的星座图尺寸和调制方式等参数,

54、因此可以最大限度地发送信息,实现更低的误码率,并保持恒定发射功率,以减轻对其他用户的干扰,满足不同业务的需求,提高系统的整体吞吐量。因此，链路自适应技术不仅是移动通信领域中保证通信正常进行的基本技术，更是提高信道容量，改善通信质量的重要技术。 一、 AMC 适应性调变与编码(Adaptive Modulation and Coding, AMC)或者是自适应调制编码, 是一种能够通过自适应地调整传输数据的调制和编码方式，来补偿由于信道变化对接收信号所造成的衰落影响,从而提高信号的信噪比性能的物理层链路自适应（Link Adaptation）技术。无线信道的一个很重要的特点就是具有很强的时变性，

55、短时间瑞利衰落可以达到十几个甚至几十个dB。对这种时变特性进行自适应跟踪会给系统性能的改善带来很大的好处。AMC的这种自适应操作过程可以简单描述如下：1 端UE接收下行高速共享控制信道(HS-SCCH，High Speed-Shared Control Channel）消 息，指示下一个高速下行共享信道（HS-DSCH，High Speed-Downlink Shared Channel）传输的资源分配情况；2 UE进行相应的信道测量，这个测量可以通过导频信道获得； 根据HS-DSCH资源分配情况和测量结果，UE产生一个信道质量指示CQI，并在相应上行高速共享信息信道（HS-SICH，High Speed-Shared Information Channel）上报告给 Node B，这个CQI包括UE建议的传输块大小和调制格式；(4) Node B的高层根据UE的CQI报告，选择合