第8章第四代(4G)移动通信技术

1、第第8章章第第四四代（代（4G）移动通信技术移动通信技术4G概况概况8.1TDD和和FDD的关键过程差异的关键过程差异8.2正交频分复用（正交频分复用（OFDM）技术）技术8.3OFDM关键技术关键技术8.4MIMO与智能天线与智能天线8.5软件无线电技术软件无线电技术8.6软件无线电技术软件无线电技术8.7 20132013年年1212月月4 4日，中华人民共和国工业和信息化部日，中华人民共和国工业和信息化部发布公告，发布公告，向中国移动、中国电信和中国联通颁发向中国移动、中国电信和中国联通颁发“LTE/LTE/第四代数字蜂窝第四代数字蜂窝移动通信业务（移动通信业务（TD-LTETD-LTE

2、）”经营许可经营许可，4G4G牌照的发放，意味着牌照的发放，意味着4G4G网络、终端、业务都进入正式商用的阶段，标准着我国正式网络、终端、业务都进入正式商用的阶段，标准着我国正式进入进入4G4G时代。时代。 4G4G又称为宽带接入和分布网络，具有超过又称为宽带接入和分布网络，具有超过2Mbit/s2Mbit/s的数据传的数据传输能力。它包括宽带无线固定接入、宽带无线局域网、移动光输能力。它包括宽带无线固定接入、宽带无线局域网、移动光带系统和互操作的广播网络（基于地面和卫星系统）。与已有带系统和互操作的广播网络（基于地面和卫星系统）。与已有的数字移动通信系统相比，的数字移动通信系统相比，4G4G

3、通信系统具有更高的数据速率和通信系统具有更高的数据速率和传输质量；更好的业务质量（传输质量；更好的业务质量（QoSQoS），更高的频谱利用率，更高），更高的频谱利用率，更高的安全性、智能性和灵活性；可以容纳更多的用户，支持包括的安全性、智能性和灵活性；可以容纳更多的用户，支持包括非对称性业务在内的多种业务；能实现全球范围内多个移动网非对称性业务在内的多种业务；能实现全球范围内多个移动网络和无线网络间的无缝漫游，包括网络无缝、中断无缝和内容络和无线网络间的无缝漫游，包括网络无缝、中断无缝和内容无缝。无缝。8.1 8.1 4G4G概况概况 4G4G是是相对于相对于3G3G的下一代通信网络，实际上，

4、的下一代通信网络，实际上，4G4G在开始阶段也是由众多自主技术提供商和电信运营在开始阶段也是由众多自主技术提供商和电信运营商合力推出的，技术和效果也参差不齐。国际电信商合力推出的，技术和效果也参差不齐。国际电信联盟（联盟（ITUITU）定义了）定义了4G4G的标准的标准符合符合100Mbps100Mbps传输传输数据的速度。达到这个标准的通信技术，理论上都数据的速度。达到这个标准的通信技术，理论上都可以称之为可以称之为4G4G。不过由于这个极限峰值的传输速度。不过由于这个极限峰值的传输速度要建立在大于要建立在大于20MHz20MHz带宽系统上，所以带宽系统上，所以ITUITU将将LTE-LTE

5、-TDDTDD、LTE-FDDLTE-FDD、WiMAXWiMAX，以及，以及HSPA+HSPA+四种技术四种技术都都定义定义为为4G4G的范畴。值得注意的是，它其实不符合国际电的范畴。值得注意的是，它其实不符合国际电信联盟对下一代无线通讯的标准（信联盟对下一代无线通讯的标准（IMT-AdvancedIMT-Advanced）定义，只有升级版的定义，只有升级版的LTE AdvancedLTE Advanced才满足国际电信才满足国际电信联盟对联盟对4G4G的要求。的要求。8.1.1 4G8.1.1 4G的两种制式的两种制式 LTELTE（Long Term EvolutionLong Term

6、 Evolution，长期演进）项目是，长期演进）项目是3G3G的演进，的演进，它改进并增强了它改进并增强了3G3G的空中接入技术，采用的空中接入技术，采用OFDMOFDM和和MIMOMIMO作为其无线作为其无线网络演进的标准。主要特点是在网络演进的标准。主要特点是在20MHz20MHz频谱宽带下能够提供下行频谱宽带下能够提供下行100Mbit/s100Mbit/s与上行与上行50Mbit/s50Mbit/s的峰值速率，相对于的峰值速率，相对于3G3G网络大大的提网络大大的提高了小区的容量，同时将网络延迟大大降低：内部单向传输时延高了小区的容量，同时将网络延迟大大降低：内部单向传输时延低于低于

7、5ms5ms，控制平面从睡眠状态到激活状态迁移时间低于，控制平面从睡眠状态到激活状态迁移时间低于50ms50ms，从驻留状态到激活状态的迁移时间小于从驻留状态到激活状态的迁移时间小于100ms100ms。并且这一标准也。并且这一标准也是是3GPP3GPP长期演进项目。长期演进项目。 LTE-AdvancedLTE-Advanced，从字面上看，从字面上看LTE-AdvancedLTE-Advanced就是就是LTELTE技术的升技术的升级版。级版。LTE-AdvancedLTE-Advanced的正式名称为的正式名称为Further Advancements for Further Advan

8、cements for E-UTRAE-UTRA。LTE-AdvancedLTE-Advanced是一个向后兼容的技术，完全兼容是一个向后兼容的技术，完全兼容LTELTE，是演进而不是革命，相当于是演进而不是革命，相当于HSPAHSPA和和WCDMAWCDMA这样的关系。这样的关系。LTE-LTE-AdvancedAdvanced的入围，包含的入围，包含TDDTDD和和FDDFDD两种制式，其中两种制式，其中TD-SCDMATD-SCDMA将能将能够进化到够进化到TDDTDD制式，而制式，而WCDMAWCDMA网络能够进化到网络能够进化到FDDFDD制式。制式。 TD-LTETD-LTE（Ti

9、me Division Long Term EvolutionTime Division Long Term Evolution）是）是LTELTE技术中的技术中的TDDTDD( (Time Division DuplexingTime Division Duplexing) )时分双工时分双工模模式。该技术由上海贝尔、诺基亚西门子通信、大唐电信、式。该技术由上海贝尔、诺基亚西门子通信、大唐电信、华为技术、中兴通讯、中国移动、高通、华为技术、中兴通讯、中国移动、高通、ST-EricssonST-Ericsson等等业者共同开发。业者共同开发。 FDD-LTE(Frequency Divisio

10、n Duplexing Long Term FDD-LTE(Frequency Division Duplexing Long Term Evolution)Evolution)是是LTELTE技术中的技术中的FDD(Frequency Division FDD(Frequency Division DuplexingDuplexing）频分双工模式。）频分双工模式。由于无线技术的差异、使用由于无线技术的差异、使用频段的不同以及各个厂家的利益等因素，频段的不同以及各个厂家的利益等因素，FDD-LTEFDD-LTE的标准的标准化与产业发展都领先于化与产业发展都领先于TD-LTETD-LTE。FD

11、D-LTEFDD-LTE已成为当前世界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上采用的国家及地区最广泛的，终端种类最丰富的一种4G4G标准。标准。.2 TDDTDD与与FDDFDD设计中的不同设计中的不同 由于由于TDDTDD以时间区分上下行，以时间区分上下行，FDDFDD以频率区分上下行。因以频率区分上下行。因此二者的差异首先体现在帧结构上。此二者的差异首先体现在帧结构上。FDDFDD的无线帧由的无线帧由1010个长个长度为度为1 ms1 ms的子帧组成，每个子帧包含两个长度为的子帧组成，每个子帧包含两个长度为0.5 ms0.5 ms的时的时隙。隙。TD

12、DTDD无线帧分为普通子帧和特殊子帧，其中普通子帧包无线帧分为普通子帧和特殊子帧，其中普通子帧包含两个含两个0.5 ms0.5 ms的时隙特殊子帧包含的时隙特殊子帧包含3 3个时隙即个时隙即DwFISDwFIS（downlink pilot timeslotdownlink pilot timeslot，下行导频时隙）、，下行导频时隙）、GPGP（guard guard periodperiod，保护间隔）和，保护间隔）和UpPTSUpPTS（uplink pilot time slotuplink pilot time slot，上行导频时隙）。另外，上行导频时隙）。另外，TDDTDD的子帧

13、上下行比例可依据网络的子帧上下行比例可依据网络上下行业务的实际需求进行灵活配置。上下行业务的实际需求进行灵活配置。TDDTDD与与FDDFDD在帧结构上在帧结构上的不同是导致两者其他差异存在的根源，使得的不同是导致两者其他差异存在的根源，使得TDDTDD和和FDDFDD在同在同步信号、参考信号和信道设计方面需分别考虑，主要包括如步信号、参考信号和信道设计方面需分别考虑，主要包括如下几点。下几点。 1. 1. 同步信号设计同步信号设计 同步信号用于同步信号用于UEUE对小区进行搜索时获取时间、频对小区进行搜索时获取时间、频率同步和小区标识，分为率同步和小区标识，分为PSS(primary PSS

14、(primary synchronization signalsynchronization signal，主同步信号，主同步信号) )和和SSSSS S(secondary synchronization signal(secondary synchronization signal，辅同步信，辅同步信号号) )。 TDDTDD和和FDDFDD的主、辅同步信号在无线帧中的绝对的主、辅同步信号在无线帧中的绝对位置和相对位置都不同。这种差异使得终端在接入网位置和相对位置都不同。这种差异使得终端在接入网络的初始阶段就能识别出系统是络的初始阶段就能识别出系统是TDDTDD还是还是FDDFDD制式。制

15、式。2. 2. 参考信号设计参考信号设计 上行链路中上行链路中SRS(sounding reference siSRS(sounding reference sig gnalnal，探测参，探测参考信号考信号) )用于用于eNodeBeNodeB对上行信道质量进行估计，下行链路中对上行信道质量进行估计，下行链路中URS(UE-specific reference signalURS(UE-specific reference signal，UEUE特定参考信号特定参考信号) )可可用于下行波束赋形。用于下行波束赋形。FDDFDD系统使用普通数据子帧传输系统使用普通数据子帧传输SRSSRS。而而

16、TDDTDD系统中，系统中，SRSSRS还可在还可在UpPTSUpPTS时隙发送，而且时隙发送，而且TDDTDD终端在终端在UpPTSUpPTS时隙发送时隙发送SRSSRS应为首选。另外，相比应为首选。另外，相比FDDFDD系统而言由系统而言由于于T TDDDD系统的上下行链路对称特性参考信号对系统的上下行链路对称特性参考信号对TDDTDD系统具系统具有更加重要的作用。有更加重要的作用。 3. 3. 信道设计信道设计 在进行控制信道和数据信道的设计时，也需要考虑在进行控制信道和数据信道的设计时，也需要考虑T TDDDD和和FDFDD D的不同特性。以的不同特性。以P PDCCH(physica

17、l downlinkDCCH(physical downlink control control channelchannel，物理下行控制信道，物理下行控制信道) )为例，为例，PDCCHPDCCH主要用于上下行主要用于上下行资源的分配调度信息和上行功率控制消息的传输，在每个资源的分配调度信息和上行功率控制消息的传输，在每个子帧的开始部分发送，当下行资源块数量大于子帧的开始部分发送，当下行资源块数量大于1010时，其长时，其长度可为度可为1 1、2 2或者或者3 3个个OFDMOFDM符号，当下行资源块数量小于符号，当下行资源块数量小于1010时时，用于用于PDCCHPDCCH的的OFDMO

18、FDM符号数为符号数为2 2、3 3或或4 4个。但对于个。但对于 TDDTDD而言，而言，如果如果PDCCHPDCCH信道位于信道位于DwPTSDwPTS时隙。时隙。则这两种情况下的则这两种情况下的PDCCHPDCCH的的长度分别只能为长度分别只能为l l、2 2个个OFDMOFDM符号和固定为符号和固定为2 2个个OFDMOFDM符号。符号。.3 4G 4G的优势的优势 通信速度快、质量高。从移动通信系统数据传输速通信速度快、质量高。从移动通信系统数据传输速率作比较，第一代模拟式通信系统仅提供语音服务；第二率作比较，第一代模拟式通信系统仅提供语音服务；第二代数字式移动通信系

19、统传输速率也只有代数字式移动通信系统传输速率也只有9.6kbps9.6kbps，最高达到，最高达到32kbps32kbps；第三代移动通信系统理论数据传输速率可达到；第三代移动通信系统理论数据传输速率可达到2Mbps2Mbps，实际最高数据传输速率最高只有，实际最高数据传输速率最高只有386kbps386kbps；第四代；第四代移动通信系统则可达到最高移动通信系统则可达到最高100Mbps100Mbps的数据传输速率。的数据传输速率。 网络频谱宽、频率使用效率高。网络频谱宽、频率使用效率高。4G4G通信系统在通信系统在3G3G通通信系统的基础上进行大幅度的改造和研究，使信系统的基础上进行大幅度

20、的改造和研究，使4G4G网络在通网络在通信宽带上比信宽带上比3G3G网络的蜂窝系统的宽带高出许多。网络的蜂窝系统的宽带高出许多。4G4G信道占信道占有有100MHz100MHz的频谱，相当于的频谱，相当于W-CDMA 3GW-CDMA 3G网络的网络的2020倍。倍。 提供各种增值服务。提供各种增值服务。4G4G通信并不是从通信并不是从3G3G通信的基础上通信的基础上经过简单的升级而演变过来的，它们的核心技术根本就是不经过简单的升级而演变过来的，它们的核心技术根本就是不同的，同的，3G3G移动通信系统主要是以移动通信系统主要是以CDMACDMA为核心技术，而为核心技术，而4G4G移动移动通信系

21、统技术则以正交频分复用（通信系统技术则以正交频分复用（OFDMOFDM）最受瞩目，利用这）最受瞩目，利用这种技术人们可以实现例如无线区域环路（种技术人们可以实现例如无线区域环路（WLLWLL）、数字音讯广）、数字音讯广播（播（DABDAB）等方面的无线通信增值服务。）等方面的无线通信增值服务。 通信费用更加便宜。由于通信费用更加便宜。由于4G4G通信不仅解决了与通信不仅解决了与3G3G通信通信的兼容性问题，让更多的现有通信用户能轻易地升级到的兼容性问题，让更多的现有通信用户能轻易地升级到4G4G通通信，而且信，而且4G4G通信引入了许多尖端的通信技术，这些技术保证通信引入了许多尖端的通信技术，

22、这些技术保证了了4G4G通信能提供一种灵活性非常高的系统操作方式，因此相通信能提供一种灵活性非常高的系统操作方式，因此相对其他技术来说，对其他技术来说，4G4G通信部署起来就容易迅速的多；同时在通信部署起来就容易迅速的多；同时在建设建设4G4G通信网络系统时，通信运营商们直接在通信网络系统时，通信运营商们直接在3G3G通信网络的通信网络的基础设施之上，采用逐步引入的方法，这样就能够有效地降基础设施之上，采用逐步引入的方法，这样就能够有效地降低费用。低费用。8.8.2 2 TDDTDD和和FDDFDD的关键过程差异的关键过程差异 由于由于LTE TDDLTE TDD与与F FDDDD在设计考虑上

23、的差别。在设计考虑上的差别。导致了其在某导致了其在某些关键过程的设计上也必须采用不同策略些关键过程的设计上也必须采用不同策略，下面对此进行详下面对此进行详细分析。细分析。 8.2.1 8.2.1 HARQ HARQ过程过程 HARQHARQ（hybrid automatic repeat-requesthybrid automatic repeat-request，混合式自动，混合式自动重传请求）重传请求）是一种降低传输错误概率的机制。是一种降低传输错误概率的机制。LTE TDDLTE TDD与与FDDFDD在在HARQHARQ的的ACKACKNACKNACK传输及其与原始发送数据的定时关系、

24、最传输及其与原始发送数据的定时关系、最大并发进程数、大并发进程数、RTRTT T（round trip timeround trip time，往返时间），往返时间）等方面等方面存在差异。存在差异。 1 1HARQHARQ过程的定时关系过程的定时关系 LTE FDDLTE FDD系统中，上下行子帧数目相等，数据与反馈的系统中，上下行子帧数目相等，数据与反馈的ACKACKNACKNACK之间可以建立一一对应关系，其之间可以建立一一对应关系，其HARQHARQ过程简单明了。过程简单明了。图图8.8.1 1为为LTE FDDLTE FDD中中HARQHARQ的定时关系示意。的定时关系示意。 从图从图

25、8.8.l l中可看出，中可看出，子帧子帧i i收到的收到的ACKACK/ /NACKNACK信息总信息总是对应于在子帧是对应于在子帧i i-4-4发送的数据。另外，对于下行异发送的数据。另外，对于下行异步步HARQHARQ，收到收到ACKACK/ /NACKNACK后数据的重传或新数据的发送后数据的重传或新数据的发送与与之前的数据发送没有确定的对应关系之前的数据发送没有确定的对应关系；而对于上行而对于上行同步同步HARQHARQ，重传数据或新数据总是在，重传数据或新数据总是在i i+4+4时刻发送。时刻发送。 LTE TDDLTE TDD系统中，系统中，由于上下行子帧资源不连续，由于上下行子

26、帧资源不连续，且配置方式有多种且配置方式有多种，造成上下行的子帧数目不相等造成上下行的子帧数目不相等，无法建立一一对应的反馈关系。无法建立一一对应的反馈关系。 图图8.8.2 2以以TDDTDD的上下行配置的上下行配置2 2为例，给出了为例，给出了LTE LTE TDDTDD上行上行HARQHARQ的定时关系。从图的定时关系。从图8.8.2 2中可以看出，中可以看出，其其RTTRTT为为10 ms10 ms。 2. 2. HARQ ACKHARQ ACK/ /NACKNACK的传输的传输 TDD LTETDD LTE系统中，当存在上行子帧多于下行子帧时需使用系统中，当存在上行子帧多于下行子帧时

27、需使用一个下行子帧调度多个上行子帧，当下行子帧多于上行子帧时一个下行子帧调度多个上行子帧，当下行子帧多于上行子帧时需使用一个上行子帧反馈多个下行子帧。对此需使用一个上行子帧反馈多个下行子帧。对此, ,协议中提供了协议中提供了以下两种解决方法。以下两种解决方法。 ACKACK/ /NACKNACK绑定：对前面多个下行子帧数据的绑定：对前面多个下行子帧数据的ACKACK/ /NACKNACK进行进行“与与”运算，使用一个运算，使用一个ACKACK/ /NACKNACK完成前面多个下行子帧完成前面多个下行子帧PDSCHPDSCH数据的反馈。这是协议中默认的数据的反馈。这是协议中默认的LTE TDDL

28、TE TDD系统系统ACKACK/ /NACKNACK反馈机制。反馈机制。 ACKACK/ /NACKNACK复用：在一个上行子帧的复用：在一个上行子帧的PUCCHPUCCH资源上使用资源上使用2 2 bitbit同时反馈多个传输数据的各自同时反馈多个传输数据的各自ACKACK/ /NACKNACK。 上述两种解决方法中，上述两种解决方法中，ACKACK/ /NACKNACK绑定的缺点是出现绑定的缺点是出现NACKNACK时，时，接收端无法确定具体是哪个子帧传输错误，即使只有一个接收端无法确定具体是哪个子帧传输错误，即使只有一个子帧错误，也需要重传所有被绑定的子帧。但带来的好处是减子帧错误，也

29、需要重传所有被绑定的子帧。但带来的好处是减小了控制开销。小了控制开销。 3 3HARQHARQ的最大并发进程数的最大并发进程数 由于由于LTELTE中中HARQHARQ采用采用“停停等等”机制机制，即一个即一个HARQHARQ处理进处理进程中，程中，需等待一定时间收到需等待一定时间收到ACKACK/ /NACKNACK反馈后才能决定下一次进反馈后才能决定下一次进行新数据发送或是重传，因此行新数据发送或是重传，因此LIELIE采用并发多个进程的方式来提采用并发多个进程的方式来提高资源的利用率。高资源的利用率。 4 4DRXDRX状态下的状态下的HARQHARQ DRDRX X（discontin

30、uous receptiondiscontinuous reception，非连续接收非连续接收）的目的是的目的是为了减少为了减少UEUE的功率消耗。在的功率消耗。在DRXDRX状态下，状态下，UEUE会为每一个下行会为每一个下行HARQHARQ进程开启一个进程开启一个HARQ RHARQ RTTTT定时器定时器，这个定时器长度为这个定时器长度为UEUE期待收到期待收到重传数据需等待的最小子帧数。当重传数据需等待的最小子帧数。当HARQ RHARQ RTTTT定时器未过期时，定时器未过期时，UEUE不可进入睡眠状态，以避免遗漏接收重传数据。不可进入睡眠状态，以避免遗漏接收重传数据。8.2.2

31、8.2.2 半持续调度过程半持续调度过程 LTE LTE中存在动态调度和中存在动态调度和SPSSPS（semisemi- -persistent schedulingpersistent scheduling，半持续调度）半持续调度）两种分组调度方式。两种分组调度方式。SPSPS S方式下，无线资源的分配方式下，无线资源的分配在一段较长的时间内半静态地分配给在一段较长的时间内半静态地分配给UEUE，适合于如，适合于如VoIPVoIP等数据等数据分组小，分组小，时延要求高且数据传送具有一定周期性的业务。时延要求高且数据传送具有一定周期性的业务。 LTE TDDLTE TDD的的SPSSPS比比F

32、DDFDD复杂。首先，复杂。首先，SPSPS S周期必须是上下行时周期必须是上下行时隙配置周期的整数倍，以避免上下行冲突。另外隙配置周期的整数倍，以避免上下行冲突。另外，HARQHARQ重传与重传与SPSSPS之间可能产生冲突，例如上行之间可能产生冲突，例如上行S SP PS S调度周期为调度周期为20 ms20 ms，HARQHARQ RTTRTT为为1010msms，当发生数据重传时，则第一个数据的重传可能与第，当发生数据重传时，则第一个数据的重传可能与第二个数据的首次传输发生冲突。针对此问题，协议中专门为二个数据的首次传输发生冲突。针对此问题，协议中专门为TDDTDD设计了双间隔设计了双

33、间隔SPSPS S机制。双间隔机制。双间隔SPSSPS指在半持续调度中使用两个指在半持续调度中使用两个不同的调度周期不同的调度周期T T1 1和和T T2 2。其中其中： T T1 1=SPS=SPS调度周期调度周期+ +子帧偏置（子帧偏置（offsetoffset）； T T2 2=SPS=SPS调度周期调度周期- -子帧偏置子帧偏置（offsetoffset）； 不过，双间隔不过，双间隔SPSSPS虽然可以减少冲突的可能性，但并虽然可以减少冲突的可能性，但并不能杜绝冲突的发生。当依然可能出现冲突时，则需要不能杜绝冲突的发生。当依然可能出现冲突时，则需要使用动态调度来真正避免冲突。在使用动态

34、调度来真正避免冲突。在SPSPS S配置下配置下，UEUE仍会监仍会监听在听在PDCCHPDCCH信道上的动态调度信息。如果数据重传和初始信道上的动态调度信息。如果数据重传和初始传输发生冲突，则可通过动态调度，首先传输重传数据，传输发生冲突，则可通过动态调度，首先传输重传数据，然后在接下来的空闲子帧中传输初始数据。然后在接下来的空闲子帧中传输初始数据。 如图如图8.3所示，在数据所示，在数据l的重传与数据的重传与数据2的初始传输可能发的初始传输可能发生冲突时，先进行数据生冲突时，先进行数据1的重传，然后在一个偏置时间后，的重传，然后在一个偏置时间后，再开始数据再开始数据2的初始传输。的初始传输

35、。8.2.3 8.2.3 随机接入与寻呼过程随机接入与寻呼过程 1. 1. 随机接入过程随机接入过程 在与网络建立连接之前。在与网络建立连接之前。UEUE需要通过需要通过PRACHPRACH（physicalrandom access channelphysicalrandom access channel，物理随机接入信道），物理随机接入信道）发起随机接入过程以获得网络的接入许可。发起随机接入过程以获得网络的接入许可。PRACHPRACH在频域上在频域上占用占用7272个子载波在时域上由循环前缀和接入前导序列两部个子载波在时域上由循环前缀和接入前导序列两部分组成，长度分别为分组成，长度分别为

36、T TCPCP和和T TSEQSEQ。根据这两个长度的不同取值，。根据这两个长度的不同取值，可将可将PRACHPRACH分为分为5 5种不同的格式，如表种不同的格式，如表8.18.1所示。所示。 其中，前其中，前4 4种格式种格式TDDTDD和和FDDFDD相同，分别适用于相同，分别适用于不同的应用场景。如格式不同的应用场景。如格式0 0随机接入时隙在随机接入时隙在1 1个子帧个子帧中传送，支持中小覆盖范围的小区；格式中传送，支持中小覆盖范围的小区；格式1 1和和3 3由于由于CPCP较长，适于大的小区半径；格式较长，适于大的小区半径；格式2 2和和3 3采用重复的采用重复的前导序列，前导序列

37、，可以增加可以增加PRACHPRACH的链路预算。格式的链路预算。格式4 4则为则为TDDTDD特有，特有，其前导序列和其前导序列和CPCP的持续时间较短，专门的持续时间较短，专门用于在用于在UpPTSUpPTS中发起随机接入，中发起随机接入，叫做短叫做短RACHRACH，且只，且只适用于适用于UpPTSUpPTS长度为长度为2 2个个OFDMOFDM符号的情况。符号的情况。 2. 2. 寻呼过程寻呼过程 LTELTE中没有专门用于寻呼的物理信道，而是在中没有专门用于寻呼的物理信道，而是在PDSCHPDSCH中传送需要的寻呼消息。中传送需要的寻呼消息。LTE TDDLTE TDD和和FDDFD

38、D的寻呼过程是相同的寻呼过程是相同的。但由于的。但由于TDDTDD中寻呼消息必须选择下行子帧才能发送。因中寻呼消息必须选择下行子帧才能发送。因此其可用于寻呼的子帧不同于此其可用于寻呼的子帧不同于FDDFDD。对于。对于FDDFDD，子帧，子帧0 0、4 4、5 5和和9 9可用于寻呼；对可用于寻呼；对TDDTDD，子帧，子帧0 0、1 1、5 5和和6 6可用于寻呼。设可用于寻呼。设计更易于实现。计更易于实现。 经上述分析经上述分析，TDD与与FDD之间因帧结构设计不同而使得其之间因帧结构设计不同而使得其在信号、信道设计等方面存在差异，并导致其在关键过程实现在信号、信道设计等方面存在差异，并导

39、致其在关键过程实现上存在区别。从协议层面而言，这些差异主要集中在物理层上存在区别。从协议层面而言，这些差异主要集中在物理层，两者的两者的RLC（radio link control，无线链路控制），无线链路控制）层、层、PDCP（packet data convergence protocol，分组数据汇聚协议），分组数据汇聚协议）层、层、NAS（non-access stratum。非接入）。非接入）层并无差异。层并无差异。 从以上分析还可得出从以上分析还可得出，TDDTDD的上下行子帧配置多样，更的上下行子帧配置多样，更适合非对称业务，适合非对称业务，且且TDDTDD具有上下行信道互惠性等

40、具有上下行信道互惠性等FDDFDD不具不具备的优势，备的优势，适用于更真实的场景，资源利用率更高。但是，适用于更真实的场景，资源利用率更高。但是，多种不同的上下行时隙配置也造成了多种不同的上下行时隙配置也造成了HARQHARQ、SPSSPS等过程复杂，等过程复杂，实现更困难，同时造成了业务时延增加，使得实现更困难，同时造成了业务时延增加，使得TDDTDD在传输时在传输时延敏感业务时不具备优势。另外，延敏感业务时不具备优势。另外，从上述比较还可看出从上述比较还可看出，相比于相比于UMTSUMTS时代的时代的TDDTDD和和FDDFDD两种制式两种制式，LTELTE时代的时代的TDDTDD与与FD

41、DFDD在协议实现上已逐渐融合在协议实现上已逐渐融合。8.8.3 3 正交频分复用（正交频分复用（OFDMOFDM）技术）技术 第四代移动通信系统主要是以正交频分复用第四代移动通信系统主要是以正交频分复用(OFDM)(OFDM)为技术核心为技术核心 8.3.1 8.3.1 OFDMOFDM技术技术原理原理 OFDMOFDM（Orthogonal Frequency Division Orthogonal Frequency Division MultiplexingMultiplexing）即正交频分复用，是一种能够充分利）即正交频分复用，是一种能够充分利用频谱资源的多载波传输方式。常规频分复

42、用与用频谱资源的多载波传输方式。常规频分复用与OFDMOFDM的信道分配情况如图的信道分配情况如图8.48.4所示。可以看出所示。可以看出OFDMOFDM至少能至少能够节约二分之一的频谱资源。够节约二分之一的频谱资源。 OFDMOFDM主要思想：将信道分成若干正交子信道，将高速数主要思想：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间相互干扰样可以减少子信道间相互干扰ISII

43、SI。每个子信道上的信号带宽。每个子信道上的信号带宽小于信道的相干带宽，因此每个子信道上的可以看成平坦性衰小于信道的相干带宽，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。仅是原信道带宽的一小部分，信道均衡变得相对容易。 在在OFDMOFDM传播过程中，高速信息数据流通过串并变换，分配传播过程中，高速信息数据流通过串并变换，分配到速率相对较低的若干子信道中传输，每个子信道中的符号周到速率相对较低的若干子信道中传输，每个子信道中的符号周期相对增加，这样可

44、减少因无线信道多径时延扩展所产生的时期相对增加，这样可减少因无线信道多径时延扩展所产生的时间弥散性对系统造成的码间干扰。另外，由于引入保护间隔，间弥散性对系统造成的码间干扰。另外，由于引入保护间隔，在保护间隔大于最大多径时延扩展的情况下，可以最大限度地在保护间隔大于最大多径时延扩展的情况下，可以最大限度地消除多径带来的符号间干扰。如果用循环前缀作为保护间隔，消除多径带来的符号间干扰。如果用循环前缀作为保护间隔，还可避免多径带来的信道间干扰。还可避免多径带来的信道间干扰。8.3.2 OFDM8.3.2 OFDM技术的技术的优缺点优缺点 OFDMOFDM系统的主要优点：系统的主要优点： 把高速数据

45、流通过串并转换，使得每个子载波上的把高速数据流通过串并转换，使得每个子载波上的数据符号持续长度相对增加，从而可以有效地减小无线信道数据符号持续长度相对增加，从而可以有效地减小无线信道的时间弥散所带爱的的时间弥散所带爱的ISIISI，这样就减小了接收机内均衡的复，这样就减小了接收机内均衡的复杂度，有时甚至可以不采用均衡器，仅通过采用插入循环前杂度，有时甚至可以不采用均衡器，仅通过采用插入循环前缀的方法消除缀的方法消除ISIISI的不利影响。的不利影响。 OFDMOFDM系统由于各个子载波之间存在正交性，允许子系统由于各个子载波之间存在正交性，允许子信道的频谱相互重叠，因此与常规的频分复用系统相比

46、，信道的频谱相互重叠，因此与常规的频分复用系统相比，OFDMOFDM系统可以最大限度地利用频谱资源。系统可以最大限度地利用频谱资源。 各个子信道中这种正交调制和解调可以采用快速傅各个子信道中这种正交调制和解调可以采用快速傅立叶变换（立叶变换（FFTFFT）和快速傅立叶反变换（）和快速傅立叶反变换（IFFIFF）来实现。）来实现。 无线数据业务一般都存在非对称性，即下行链路中传无线数据业务一般都存在非对称性，即下行链路中传输的数据量要远大于上行链路中的数据传输量，如输的数据量要远大于上行链路中的数据传输量，如InternetInternet业业务中的网页浏览、务中的网页浏览、FTPFTP下载等。

47、另一方面，移动终端功率一般下载等。另一方面，移动终端功率一般小于小于1W1W，在大蜂窝环境下传输速率低于，在大蜂窝环境下传输速率低于10kbit/s10kbit/s100kbit/s100kbit/s；而基站发送功率可以较大，有可能提供而基站发送功率可以较大，有可能提供1Mbit/s1Mbit/s以上的传输速以上的传输速率。率。 由于无线信道存在频率选择性，不可能所有的子载波由于无线信道存在频率选择性，不可能所有的子载波都同时处于比较深的衰落情况中，因此可以通过动态比特分配都同时处于比较深的衰落情况中，因此可以通过动态比特分配以及动态子信道的分配方法，充分利用信噪比较高的子信道，以及动态子信道

48、的分配方法，充分利用信噪比较高的子信道，从而提高系统的性能。从而提高系统的性能。 OFDM系统系统与单载波系统相比，存在如下主要缺点：与单载波系统相比，存在如下主要缺点： 易受频率偏差的影响易受频率偏差的影响 存在较高的峰值平均功率比存在较高的峰值平均功率比 OFDM系统可以容易与其他多种接入方法相结合系统可以容易与其他多种接入方法相结合使用，构成使用，构成OFDMA系统，其中包括多载波码分多址系统，其中包括多载波码分多址MC-CDMA、跳频、跳频OFDM以及以及OFDM-TDMA等等，等等，使得多个用户可以同时利用使得多个用户可以同时利用OFDM技术进行信息的传技术进行信息的传递。递。 因为

49、窄带干扰只能影响一小部分的子载波，因此因为窄带干扰只能影响一小部分的子载波，因此OFDM系统可以在某种程度上抵抗这种窄带干扰。系统可以在某种程度上抵抗这种窄带干扰。8.4 OFDM8.4 OFDM关键技术关键技术 8.4.1 8.4.1 保护间隔和循环前缀保护间隔和循环前缀 采用采用OFDMOFDM的一个主要原因是它可以有效地对抗多径时延的一个主要原因是它可以有效地对抗多径时延扩展。为了最大限度地消除符号间干扰，可以在每个扩展。为了最大限度地消除符号间干扰，可以在每个OFDMOFDM符号之间插入保护间隔（符号之间插入保护间隔（guard intervalguard interval），而且该保

50、护），而且该保护间隔长度间隔长度T Tg g一般要大于无线信道的最大时延扩展，这样一一般要大于无线信道的最大时延扩展，这样一个符号的多径分量就不会对下一个符号造成干扰。在这段个符号的多径分量就不会对下一个符号造成干扰。在这段保护间隔内，可以不插入任何信号，即是一段空闲的传输保护间隔内，可以不插入任何信号，即是一段空闲的传输时段。然而在这种情况中，由于多径传播的影响，则会产时段。然而在这种情况中，由于多径传播的影响，则会产生信道间干扰（生信道间干扰（ICIICI），即子载波之间的正交性遭到破坏，），即子载波之间的正交性遭到破坏，不同的子载波之间产生干扰，如图不同的子载波之间产生干扰，如图8.58

51、.5所示。所示。 由于每个由于每个OFDMOFDM符号中都包括所有的非零子载波信号，而符号中都包括所有的非零子载波信号，而且也同时会出现该且也同时会出现该OFDMOFDM符号的时延信号，因此上图中给出了符号的时延信号，因此上图中给出了第一个子载波和第二个子载波的延时信号，从图中可以看出，第一个子载波和第二个子载波的延时信号，从图中可以看出，由于在由于在FFTFFT运算时间长度内，第一子载波与带有延时的第二子运算时间长度内，第一子载波与带有延时的第二子载波之间的周期个数之差不再是整数，所以当接收机试图对载波之间的周期个数之差不再是整数，所以当接收机试图对第一子载波进行解调时，第二子载波会对此造成

52、干扰。同样，第一子载波进行解调时，第二子载波会对此造成干扰。同样，当接收机对第二子载波进行解调时，有时会存在来自第一子当接收机对第二子载波进行解调时，有时会存在来自第一子载波的干扰。载波的干扰。 为了消除由于多径所造成的为了消除由于多径所造成的ICIICI，OFDMOFDM符号需要在其保护符号需要在其保护间隔内填入循环前缀信号，如图间隔内填入循环前缀信号，如图8.68.6所示。这样就可以保证在所示。这样就可以保证在FFTFFT周期内，周期内，OFDMOFDM符号的延时副本内包含的波形的周期个数也符号的延时副本内包含的波形的周期个数也是整数。这样，时延小于保护间隔是整数。这样，时延小于保护间隔T

53、 Tg g的时延信号就不会再解的时延信号就不会再解调过程中产生调过程中产生ICIICI。 通常，当保护间隔占到通常，当保护间隔占到20%20%时，功率损失也不到时，功率损失也不到1dB1dB。但是带来的信息速率损失达但是带来的信息速率损失达20%20%，而在传统的单载波系统，而在传统的单载波系统中存在信息速率（带宽）的损失。但是插入保护间隔可以中存在信息速率（带宽）的损失。但是插入保护间隔可以消除消除ISIISI和多径所造成的和多径所造成的ICIICI的影响，因此这个代价是值得的影响，因此这个代价是值得的。的。.2 2 同步技术同步技术 同步在通信系统中占据非常重要的地位。例如，

54、当采用同同步在通信系统中占据非常重要的地位。例如，当采用同步解调或相干检测时，接收机需要提取一个与发射载波同频同步解调或相干检测时，接收机需要提取一个与发射载波同频同相的载波；同时还要确定符号的起始位置等。一般的通信系统相的载波；同时还要确定符号的起始位置等。一般的通信系统中存在如下的同步问题：中存在如下的同步问题： 发射机和接收机的载波频率不同；发射机和接收机的载波频率不同； 发射机和接收机的采样频率不同；发射机和接收机的采样频率不同； 接收机不知道符号的定时起始位置。接收机不知道符号的定时起始位置。 在在OFDMOFDM系统中存在如下几个方面的同步要求：系统中存在如下几个方面的同步要求：

55、载波同步：接收端的振荡频率要与发送载波同频同相；载波同步：接收端的振荡频率要与发送载波同频同相； 样值同步：接收端和发射端的抽样频率一致；样值同步：接收端和发射端的抽样频率一致； 符号定时同步：符号定时同步：IFFTIFFT和和FFTFFT起止时刻一致。起止时刻一致。 与单载波系统相比，与单载波系统相比，OFDM系统对同步精度的要求更高，系统对同步精度的要求更高，同步偏差会在同步偏差会在OFDM系统中引起系统中引起ISI及及ICI。图。图8.7显示了显示了OFDM系统中的同步要求，并且大概给出各种同步在系统系统中的同步要求，并且大概给出各种同步在系统中所处的位置。中所处的位置。 1. 1. 载

56、波同步载波同步 发射机与接收机之间的频率偏差导致接收信号在频域内发生偏移。如果发射机与接收机之间的频率偏差导致接收信号在频域内发生偏移。如果频率偏差是子载波间隔的频率偏差是子载波间隔的n n（n n为整数）倍，虽然子载波之间仍然能够保持正为整数）倍，虽然子载波之间仍然能够保持正交，但是频率采用值已经偏移了交，但是频率采用值已经偏移了n n个子载波的位置，造成映射在个子载波的位置，造成映射在OFDMOFDM频谱内的频谱内的数据符号的误码率高达数据符号的误码率高达0.50.5。如果载波频率偏差不是子载波间隔的整数倍，则。如果载波频率偏差不是子载波间隔的整数倍，则在子载波之间就会存在能量的在子载波之

57、间就会存在能量的“泄漏泄漏”，导致子载波之间的正交性遭到破坏，导致子载波之间的正交性遭到破坏，从而在子载波之间引入干扰，使得系统的误码率性能恶化。图从而在子载波之间引入干扰，使得系统的误码率性能恶化。图8.88.8给出了载波给出了载波同步与失步情况下的性能比较。同步与失步情况下的性能比较。通常通过两个过程实现载波同步，即捕获通常通过两个过程实现载波同步，即捕获（acquisitionacquisition）模式和跟踪（）模式和跟踪（tracingtracing）模式。在）模式。在跟踪模式中，只需要处理很小的频率波动；但是当跟踪模式中，只需要处理很小的频率波动；但是当接收机处于捕获模式时，频率偏

58、差可以较大，可能接收机处于捕获模式时，频率偏差可以较大，可能是子载波间隔的若干倍。是子载波间隔的若干倍。 接收机中第一阶段的任务就是要尽快地进行粗接收机中第一阶段的任务就是要尽快地进行粗略频率估计，解决载波的捕获问题；第二阶段的任略频率估计，解决载波的捕获问题；第二阶段的任务就是能够锁定并且执行跟踪任务。在第一阶段务就是能够锁定并且执行跟踪任务。在第一阶段（捕获阶段）内只需要考虑如何在较大的捕获范围（捕获阶段）内只需要考虑如何在较大的捕获范围内粗略估计载波频率，不需要考虑跟踪性能如何；内粗略估计载波频率，不需要考虑跟踪性能如何；而在第二阶段（跟踪阶段）内，只需要考虑如何获而在第二阶段（跟踪阶段

59、）内，只需要考虑如何获得较高的跟踪性能。得较高的跟踪性能。 2. 2. 符号定时同步符号定时同步 由于在由于在OFDMOFDM符号之间插入了循环前缀保护间隔，因此符号之间插入了循环前缀保护间隔，因此OFDMOFDM符号定时同步的起始时刻可以在保护间隔内变化，而不会造成符号定时同步的起始时刻可以在保护间隔内变化，而不会造成ICIICI和和ISIISI，如图，如图8.98.9所示。所示。 只有当只有当FFTFFT运算窗口超出了符号边界，或者落入符号的幅运算窗口超出了符号边界，或者落入符号的幅度滚降区间，才会造成度滚降区间，才会造成ICIICI和和ISIISI。因此，。因此，OFDMOFDM系统对符

60、号定时系统对符号定时同步的要求会相对较宽松，但是在多径环境中，为了获得最佳同步的要求会相对较宽松，但是在多径环境中，为了获得最佳的系统性能，需要确定最佳的符号定时。的系统性能，需要确定最佳的符号定时。 当前提出的关于多载波系统的符号定时同步和载波同步大当前提出的关于多载波系统的符号定时同步和载波同步大都采用插入导频符号的方法，这会导致带宽和功率资源的浪费，都采用插入导频符号的方法，这会导致带宽和功率资源的浪费，降低系统的有效性。实际上，几乎所有的多载波系统都采用插降低系统的有效性。实际上，几乎所有的多载波系统都采用插入保护间隔的方法来消除符号间串扰。为了克服了导频符号浪入保护间隔的方法来消除符