5.lte理论基础学习介绍ofdma及mimo

1、16.AuG 2007LTE 物理层介绍OFDMA及MIMOC&W设计部TECHNOLOGIES CO.,.LTE 物理层介绍OFDMA及MIMOOFDMA基本原理为什么引入OFDMAOFDMA基本原理OFDMA的优点OFDMA的缺点OFDMA与CDMALTE基带结构特点下行OFDM上行SC-FDMA帧结构RBOFDM参数峰值速率MIMO基本原理比较增益：阵列增益、分集增益、复用增益、干扰抑制增益Wimax MIMO/BF的系统增益TECHNOLOGIES CO.,.Page 2为什么引入OFDMA无线信道的特性：频域选择性干时间）（相干带宽）、时间选择性（相模型A，PA 3km/h模型B，P

2、B 10 km/h模型C，VA 30km/h模型D，VA 120km/h模型E模型，Doppler=1.5HzTECHNOLOGIES CO.,.Page 3为什么引入OFDMA单载波系统和多载波系统通常采用的通信系统是单载波方案（如GSM），这种系统在数据速率不高时，信号带宽小于信道的相干带宽，接收端符号间干扰（ISI）不严重，只要采用简单的均衡器（Equalizer）就可以消除符号间干扰。随着数据速 率的提高，信号带宽大于信道的相关带宽，均衡器的抽头数量和运算的复 杂性提高，使用均衡器已经无法消除ISI。多载波系统通过把高速的串行数据流变成几个低速并行的数据流，同时去调制几个载波，这样在每

3、个载波上的符号宽度增加，由于信道时延扩展引起的ISI减小，同时，由或干扰引起接收端的错误得以分散。多载波调制的方案有三种：传统频分复用、3dB频分复用、OFDM由于OFDM的频谱利用率最高，又适于用FFT算法处理，近年来在多种系统得到成功的应用，在理论和技术上已经成熟，因此3GPP/3GPP2成员多数为第四代移动通讯无线接入技术之一。OFDM作TECHNOLOGIES CO.,.Page 4OFDMA基本原理OFDM系统的基本模型如下：e j0t 0ed0e j1te 1e jN 1te j N 1tdN 1TECHNOLOGIES CO.,.Page 5信道d1P/SS(t)S/Pd0d1d

4、N-1OFDMA基本原理OFDM信号的循环前缀空白保护间隔第二径的频谱符号传输周期 TTg符号积分时间Tspath1path2X(k)X(k)Y(k)Y(k)多经时延循环前缀TECHNOLOGIES CO.,.Page 6OFDMA基本原理OFDM信号技术对抗频率选择性众多幅度与相位不同的径的叠加，将会使到该子载波的信号的相。位发生偏转，幅度发生波动，即产生这种对于每一个子载波来说是平坦的，虽然对于整个OFDM的频谱来说是频率选择性，但是由于每一个子载波所分得的频宽相对的窄，所以在该子载波上看，可近似地认为是平坦的 。频率选择性变为平坦多径造成的TECHNOLOGIES CO.,.Page 7

5、OFDMA基本原理OFDM加窗原理整体功率谱为子载波功率谱的叠加OFDM信号功率谱密度的理论值包络曲线加升余弦窗的OFDM信号仿真功率谱密度曲线TECHNOLOGIES CO.,.Page 8OFDMA基本原理OFDM符号的时频结构TECHNOLOGIES CO.,.Page 9OFDMA基本原理OFDM符号的时频结构采用空白保护间隔的一个OFDM信号的时域波形TECHNOLOGIES CO.,.Page 10OFDMA基本原理OFDM收发机框图TECHNOLOGIES CO.,.Page 11OFDMA基本原理OFDMA基带框图子载波解时频同步去CPFFT信道估计均衡OFDMA系统基本框图T

6、ECHNOLOGIES CO.,.Page 12解调解扰解交织译码CRC校验信宿子载波映射IFFT加CP加窗无线信道调制加扰交织编码加CRC信源OFDM系统的主要优点减小ISIOFDM把高速串行数据变成低速并行数据传输，增加每个符号的周期长度，从而有效对抗无线信道的时延扩展，减小ISI。频谱利用率高传统FDM是用滤波器把整个频带分割成互不交叠，从而提高频谱利用效率。可利用FFT实现调制解调的子载波，子载波之间的保护频带很宽，OFDM允许子载波频谱OFDM用IFFT和FFT实现信号的调制与解调，目前FFT易于用DSP或FPGA实现，比之用传统的滤波器实现容易，体积小。易于实现非对称性上下行可以使

7、用不同数量的子载波实现非对称业务。受频率选择性影响小由于无线信道的频率选择性，不可能所有的子载波都处于比较深的中，因此可以通过动态比特分配和动态子信道分配，充分利用信噪比高的子信道，提高系统性能。OFDMA系统易于OFDM易于与其他多址方式组合OFDM）, OFDM-TDMA等。抵抗窄带干扰OFDM通过把高速串行数据译码恢复干扰引起的错误。灵活的多址接入系统，如多载波码分多址（MC-CDMA）, 跳频OFDM（FH-到并行的多个子载波上，窄带干扰只能影响一部分子载波，接收端可以通过纠错TECHNOLOGIES CO.,.Page 13OFDM系统的主要缺点易受频率偏差的影响OFDM的子载波互相

8、交叠，只有保证接收端精确的频率取样才能避免子载波间干扰。由于无线信道的时变性，在传输过程中的时延扩展会引起接收端频率偏移，无线终端移动引起的Doppler频移也会使接收端发生频率偏移，接收端本地振荡器与发射端的频率偏差也是一种频率偏移。频率偏移会引起子载波间干扰（ICI），对频率偏移敏感是OFDM的缺点之一。时间同步要求OFDM的子载波正交性要求信号落入FFT窗口内,因此同步网络最方便组管理技术;上行要求调整信号发射提前/延后时间;较高的峰均比（PAR）别是对FFR等干扰OFDM发送端输出信号是多个子载波相加的结果，目前应用的子载波数量从几十个到几千个，如果各个子载波同相位，相加后就会出现很大

9、的幅值，即调制信号的动态范围很大，这对后级 RF功率放大器提出了很高的要求。信道容量的劣势信息论,信号正交方式(TDMA,FDMA,OFDMA等)的多用户复用比CDMA在信道容量上要差. 但以目前的器件实现水平该问题并不明显,甚至是优势.TECHNOLOGIES CO.,.Page 14OFDMA与CDMA比较DS-CDMA和多载波的调制过程扩频序列扩频后信号信息符号1 2 L载波fc1 21 21212 L L L LDS-CDMA信号的时域扩频调制子 载 子波 载 f1 波f2子载. 波号Nc并行数据符fNc串并变换OFDM调制示意图TECHNOLOGIES CO.,.Page 15OFD

10、MA与CDMA比较CDMA的收发机结构Schematic for IS-2000Walsh扩频HPSKDTX产生信道功率加载MS发射机RPC延迟无线信道BS中频噪声估计导频SIR测量插值滤波RPC产生相干解调与合并符号合并/补零Conv/LLR求取多径分离解扰解扩解交织Turbo信道估计/速度估计/多径搜索频偏估计TECHNOLOGIES CO.,.Page 16盲速率判决同失步检测闭环功控偏置产生交织符号重复/抽取Conv/ Turbo编码尾比特连缀预留比特/ CRC连缀数据发生OFDMA与CDMA比较CDMA的收发机基本结构多径合并信道估计/频偏估计/速度估计CDMA收发机基本结构子载波解

11、FFT时频同步去CP信道估计均衡OFDMA收发机基本结构TECHNOLOGIES CO.,.Page 17解调解扰解交织译码CRC校验信宿子载波映射IFFT加CP加窗无线信道调制加扰交织编码加CRC信源解调解交织译码CRC校验信宿无线信道多径搜索插值滤波多径分离解扰解扩各径相干解调调制扩频加扰交织编码加CRC信源OFDMA与CDMA比较CDMA的多径搜索的基本原理多径搜索的目的：找到各个径的时延信息 ，通过多径分离得到单径信号，克服频率选择性。2倍码片速率基带数据8倍码片速率多径时延信息1倍码片速率幅度t径1，延迟t1径2，延迟t2幅度径3，延迟t3天线发射数据t幅度天线接收数据=各径+噪声幅

12、度t幅度ttTECHNOLOGIES CO.,.Page 18译码解调多径分离多径搜索插值滤波OFDMA与CDMA比较CDMA的多径分离假设多径搜索已经把每个径的时延求出来了，接下来对数据进行分离，因为多径的时延信息是8倍码片数据的，如某径延迟1/8chip，而接收到的基带数率是2倍码片数率的，为了找到延迟1/8chip的样点，必须先把基带数据插值至8倍码片数率。分离的算法如下 ：幅度8倍码片速率的基带数据t1t2t3t径1的数据降采样径2的数据降采样径3的数据降采样TECHNOLOGIES CO.,.Page 19径3解调径2解调径1解调OFDMA与CDMA比较OFDMA与CDMA主要异同B

13、it级处理两种体制相同。Bit级处理主要包括解扰、解交织、译码、CRC校验等。CDMA解调需要每个用户每个径单独解调，然后再进行用户的多径合并，多径搜索、解调的运算量很大。OFDMA只采用一次FFT就完成了用户数据分离，解调算法简单，实现容易，成本低。CDMA采用扩频机制，其接收信噪比要求较低，量化位宽比较小。OFDMA子载波的信噪比直接影响解调，量化位宽比较大，一般为16位。CDMA的可以每个用户进行频偏校正和补偿，OFDMA的频偏校正只能由终端完成，BS无法对各个用户单独纠偏TECHNOLOGIES CO.,.Page 20LTETECHNOLOGIES CO.,.Page 21LTEWi

14、max基本传输和多址技术下行OFDMA，上行SCFDMAOFDM或OFDMA双工方式，TDD，半双工，TDD，半双工帧结构帧长10ms，分为10个子帧，每个子帧分为两个时隙帧长2.5-20ms子载波间隔15kHz10.94KHz资源分配基本RB为12个子载波，下行支持集中和分散分配，上行支持集中分配子信道大小为24/48个子载波，支持集中和分散分配子帧/时隙结构每个实现包含7/6个OFDM符号或SC-FDMA块每个子帧分为若干个突发调制方式QPSK,16QAM,64QAMBPSK, QPSK,16QAM,64QAM编码方式Turbo，卷积卷积+RS级联码，块Turbo码，卷积Turbo码，LD

15、PC多天线技术下行：预编码SU-MIMO，预编码MU-MIMO，波束成型，发射分集上行：MU-MIMO，天线选择开环：空间复用，发射分集，自适应天线系统闭环：天线分组，选择，预编码，SDMAHARQ增量冗余HARQ，下行自适应HARQ，上行同步HARQChase合并与增量冗余HARQLTE基带结构特点下行OFDMLTE下行采用OFDM技术。其原理图如下：变换（IFFT和FFT），前者将并行的数据流调制到不同的子载波上，完成频域到从图中可以看出，发端和收端时域的转换。后者是相反的过程。是添加Cyclic Prefix的作用是避免载波间干扰，保证不同子载波的正交性。TransmitterChann

16、elReceiverTECHNOLOGIES CO.,.Page 22Remover(t)P/SFFTCyclicS/PPrefixn(t)Adds(t)S/PIFFTCyclicP/SPrefixLTE基带结构特点 上行SC-FDMALTE上行采用单载波频分复用技术SC-FDMA中的频域实现方式DFT-S-OFDM（下图）上行采用单载波技术的原因是，多载波带来的高PAPR会影响终端的射频成本和电池可以看出与OFDM不同的是在调制之前先进行了DFT的转换，这样最终发射的时域信号会大大减小PAPR这种处理的缺点就是增加了射频调制的复杂度Coded symbol rate= RSub-carrie

17、r MapCPinsertionDFTIFFTNTX symbolsSize-NFFTSize-NTX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。TECHNOLOGIES CO.,.Page 23LTE 基带结构特点LTE 帧结构双工方式：/TDD下行为OFDMA，上行为SC-OFDMAOne radio frame, Tf = 307200Ts=10 msOne slot, Tslot = 15360Ts = 0.5 ms#0#1#2#3One subframeTE

18、CHNOLOGIES CO.,.Page 24#18#19Resource GridOne downlink slot, TslotOne uplink slot, TslotN ULSC-FDMA symbolsResource blockDLRBResource blockresource elementssymbscULRBsymbscResource elementResource element, N DLOFDM symbolssymbN ULl 0l1symbTECHNOLOGIES CO.,.Page 25DLN RBsubcarriersNRBscRBNscsubcarrie

19、rsN ULN RBsubcarriersNRBscsymbLTE基带结构特点LTE的OFDM参数f /系统带宽/信号带宽采样率FsFFT size 子载波间隔 CP符号长度Tbff/1bTECHNOLOGIES CO.,.Page 26LTE下行峰值速率需求()TECHNOLOGIES CO.,.Page 27DownlinkAmptions64 QAM, R=1Signal overhead for referenignals and control channel occupying one OFDM symbolUnitMbps in 20MHzb/s/HzRequirement100

20、5.022 MIMO172.88.644 MIMO326.416.3LTE上行峰值速率需求()TECHNOLOGIES CO.,.Page 28UplinkAmptionsSingle TX UE, R=1Signal overhead for referenignals and control channel occupying 2RBUnitMbps in 20MHzb/s/HzRequirement1005.016QAM57.62.964QAM86.44.3MIMO的基本原理MIMO的本质是线性方程组一个发端信号对应一个未知数,一个收端信号对应一个方程; 当未知数个数不大于方程个数, 并

21、且线性变换关系可逆(非奇异,满秩),则可解出未知数;能解出的未知数个数是MIMO的度的增加;度;MIMO信道容量增大的来源于TECHNOLOGIES CO.,.Page 29使用MIMO的若干方式SISOSingle Input, Single OutputMISOMultiple Input,Single OutputSIMOSingle Input,Multiple OutputMIMOMultiple Input,Multiple OutputSDMATECHNOLOGIES CO.,.Page 30多天线技术的优势TECHNOLOGIES CO.,.Page 31提高频谱利用率阵列增益

22、改善系统覆盖改善系统容量提值速率（Array gain）分集增益（Diversity gain）空间复用增益（Spatial multiplexing gain）干扰抑制增益（co-channelerferencereduction）多天线系统的收益阵列增益：通过对N个天线的接收分集和闭环发射分集对接收的信号进行相干合并，实际是对接收信号实际信噪比的改善分集增益：减少信道下接收信号信噪比的波动空间复用增益：如果信道环境散射充分，那么复用复用技术可以将MIMO等效成空口速率。实质是将SINR在不同天线上进行多个并行的传输信道，成倍的分配，使用并行较低的SINR代替串行的较高的SINR信道干扰对消

23、增益：考虑多用户下的干扰消除，类似与智能天线技术TECHNOLOGIES CO.,.Page 32支持MIMO方式的对比*TDD系统可以利用上下行信道的对称性进行beamforming或SDMATECHNOLOGIES CO.,.Page 33LTEwimax同步信道TSTD分集无下行公共控制信道基于SFBC的分集技术无下行数据信道基于SFBC的分集技术 Precoding 空间复用 Precoding 多用户MIMO基于STTD分集 Precoding 空间复用 Precoding 多用户MIMOTDD beamforming/SDMA*上行控制信道天线选择分集无上行数据信道天线选择分集多用

24、户协作MIMOSFBC多用户协作MIMOWimax MIMO/BF的系统增益下行2天线MIMO A/B自适应比MIMO A有10左右的容量下行4天线BF MIMO A/B自适应比2天线MIMO A/B自适应有10左右的容量上行4天线接收比2天线接收有15左右的容量。上行4收 CSM比4收 w/o CSM，有15左右的容量备注：SU-MIMO表示单用户MIMO，CSM表示上行协作MIMO，上述容量前提：29：18，2.5G，10M带宽TECHNOLOGIES CO.,.Page 34天线配置发射方案移动速度（km/h）ISD扇区吞吐量(Mbps)扇区吞吐量比较permuion12SU-MIMOPUSC3700m3.391003900m2.2810014SU-MIMOPUSC3700m3.941163900m2.6611612CSM(V-MIMO)PUSC3500m6.4512314CSM(V-MIMO)PUSC3500m6.45139天线配置