宽带无线技术LTE

宽带无线通信技术

BroadbandWirelessCommunicationTechnology李卓明HarbinInstituteofTechnologySchoolofElectronicandInformationEngineeringCommunicationResearchCenterzhuoming@2024/1/28CommunicationResearchCenter1Chapter6

LTE技术Long

Term

Evolution2024/1/28CommunicationResearchCenter2Chapter66.3LTE关键技术之MIMO技术2024/1/28CommunicationResearchCenter36.3LTE关键技术之MIMO技术前期的大量工作都是围绕多址方式、调制方式，一步步提升上下行的峰值速率，并使得频谱效率也得到了提高。不过，要进一步提升速率，光靠多址方式、调制方式的变化，潜力是有限的。按照这种方式，那么，速率的提升就只能靠不断地提升带宽了，但是频谱资源宝贵，频谱换速率的做法并不可取。多输入多输出（MIMO，MultiInputMultiOutput）技术，提供了有别于频谱换速率的解决途径。流行的观点认为每一个无线传输都要占用一段不同的频带。但是BLAST（BellLabsLayerSpaceTime，贝尔实验室分层时空编码技术）的工作人员从理论上证明了利用同一个频段传输多个信号也是可能的，只要每个信号采取不同的发射天线进行发送，另外在接收端也要用多个天线以及独特的信号处理技术把这些互相干扰的信号分离出来。这样，在给定的信道频段上的容量将随天线数量的增加而成比例增加。2024/1/28CommunicationResearchCenter4多天线技术多天线技术可以被视为一系列具有共同目的的技术统称，它们在接收机或发射机上采用多根天线，并或多或少地与先进的信号处理技术相结合。多天线技术可以用来改进系统性能，包括提高系统容量（单小区支持更多用户）和扩展小区覆盖范围（提供支持更大覆盖小区的可能），以及对所提供业务进行改进，例如提高单用户速率。其实对于多天线系统，从GSM开始就有发射分集（相邻10m左右架设2根不同的天线，朝同一方向发射，从而改善下行信号质量），WCDMA、cdma2000也不例外。而TD-SCDMA由于使用的是智能天线，有别于普通的天线分集。天线分集和MIMO，关键点都在于使用了多根天线，关键区别在于MIMO双天线发射不同数据，吞吐带宽增加1倍（2x2为例）。对于MIMO，是可以做到MxN的（基站天线数x终端天线数）。2024/1/28CommunicationResearchCenter52024/1/28CommunicationResearchCenter6发射分集与MIMO在基站侧的区别6.3.1多天线配置多天线配置的一个重要特征在于不同天线阵元之间的距离，这很大程度上取决于天线间距与不同天线上信号所经历的无线信道衰落互相关性之间的关系。相互位置远近意味着较低或较高的互相关性。希望获得高还是低的相关性，决定于在多天线配置（分集、波束赋形或空分复用）下将获得什么特征。为获得或低或高的信道衰落相关性而实际所需的天线距离，主要取决于无线通信所采用的波长或等效为载波频率，然而，它也与具体部署场景有关。2024/1/28CommunicationResearchCenter76.3.1多天线配置对于基站天线配置在典型宏小区环境（较大覆盖、较高基站天线高度等）的情况，天线间距离通常需要大约十倍于波长来保障较低的衰落互相关性。同时，对于相同场景下的移动终端而言，天线间距离只需要大约波长一半通常就足够获得较低的互相关性。基站和移动终端间存在差异的原因在于，宏小区场景下引起信号衰落的多径反射主要出现在移动终端的近场。其它应用场景下，如基站天线配置低于屋顶高度的微小区及室内场景，从基站角度来看的无线环境与从终端角度来看的无线环境更为类似。这类场景下，通常较小的基站天线间距就足以保障在不同天线上经历的信号衰落间获得相对低的互相关性。另一种获得低衰落互相关性的方法是，不同天线采用不同的极化方向。从而，天线可以被放置的相对较近，意味着压缩的天线排列依然能够经历较低的衰落互相关性。2024/1/28CommunicationResearchCenter86.3.2采用多天线技术的好处在发射机和/或接收机配置多根天线的有效性，可以通过不同方式来利用，已达到不同的目的。用于提供额外的分集以对抗无线信道衰落。不同天线上的无线信道将带有低的互相关性，意味着需要一个显著大的天线间距（空间分集），另外也可以采用不同天线极化方向（极化分集）。在发射机和/或接收机处的多根天线，可以被用来以特定方式“形成”一个完整的天线波束（独立的发送波束和接收波束）。这种波束赋形可基于天线间高或低的信道衰落相关性。发射机和/或接收机同时存在可用的多天线这一特性，可以被用于创建并行的多条通信“通道”（看上去如同无线接口）。这为在不降低相关功率有效性基础上，获得很高带宽利用率提供了可能，换句话说，提供了不使覆盖非比例大程度降低情况下，在有限带宽内获得很高数据速率的可能性。这里我们将之称为空分复用，也经常被称为MIMO天线处理技术。2024/1/28CommunicationResearchCenter96.3.3多根接收天线一直以来，最为直接也最为常用的多天线配置是，在接收端安置多根天线。这经常被称为接收分集或者RX分集。2024/1/28CommunicationResearchCenter10以向量表示，该线性接收天线合并可以被表示为（6-1）：假设传输信号只经历非频率选择性衰落和（白）噪声，即不存在无线信道的时域色散，则不同天线上接收到的信号可以表示为（6-2）：为使线性合并后的信噪比达到最大化，权重因子应选为（6-3），这也成为最大比合并（MRC）信号复数加权因子线性接收天线合并线性接收天线合并中的信道增益最大比合并（MRC，MaximumRatioCombining）权重因子满足两个目的：不同天线上接收的信号进行相位旋转以补偿相应的信道相位，从而使得各信号在相加时是相位对齐的（相干合并）。对信号及其相应的信道增益成比例地进行加权，即越强的信号采用越高的权重。在天线间互不相关情况下，即足够大天线间距离或不同极化方向，信道增益h1,…,hNR是不相关的，线性天线提供NR阶的分集。就接收端的波束赋形而言，根据式（6-3）选取天线权重相当于在期望信号方向上，一个最大增益为NR的接收波速。因此多根接收天线阵元的应用可以增大后合并器的信噪比，增益与接收天线数量成正比。2024/1/28CommunicationResearchCenter11当接收信号的影响主要来自噪声时，MRC是一种较为适用的天线合并策略。当干扰信号数量较多且与信号强度相近时，最大合并比仍是一个好选择，因为此时总干扰具有“类噪声”特征而不存在特定的到达角。在单一主要干扰源（或有限个主要干扰源）的情况下，如果可以选取天线权值对该干扰进行抑制，而非选取天线权值来使天线合并后接收信噪比最大化，系统性能可以得到改善。以抑制特定干扰源为目的的接收天线合并通常被称为干扰抑制合并（IRC，InterferenceRejectionCombining）。2024/1/28CommunicationResearchCenter12单一主要干扰源情况下，式（6-2）可扩展为（6-4）：如果选择权重向量满足（6-5），则干扰信号可以被完全抑制：一种更好的办法是选择天线加权因子使均方误差达到最小化，也被称为最小均方误差合并（MMSE）（6-6）：2024/1/28CommunicationResearchCenter13IRC也同样适用于上行链路对来自特定移动终端的干扰进行干扰抑制。此时干扰终端与目标终端可能同小区（小区内干扰a），也可能相邻小区（小区间干扰b）。小区内干扰抑制适用于非正交上行链路的情况，即多个终端同时采用相同的时频资源进行传输时。通过IRC来实现上行链路小区内干扰抑制也被称为空分多址（SDMA，SpatialDivisionMultipleAccess）。2024/1/28CommunicationResearchCenter14实际上一个无线信道总是经历着至少一定程度的时域色散（远距离发射信号产生的滞后1个比特的“1”“0”干扰）或等效的频率选择性（多径干扰的频率响应呈现的周期性衰落），这将引起宽带信号损耗。克服这类损耗的一种方式是，可以采用线性均衡器应用于时域或频域（接收机）。线性时域（频域）滤波/均衡：对不同时间（频率）接收信号进行线性处理，目的是为了使后均衡器SNR（基于MRC的均衡）最大化，或用来抑制频率选择性（迫零均衡、MMSE均衡等）引起的信号恶化；线性接收天线合并：对不同天线上接收信号进行处理，即在空域上进行处理，目的是为了使后合并器SNR（基于MRC合并）最大化，或者用来抑制特定干扰（基于诸如MMSE的IRC）。2024/1/28CommunicationResearchCenter15大多数频率选择性信道和多根天线接收情况下，可以采用二维空/时线性处理/滤波。此处的线性滤波可以视为线性天线接收合并过程中天线权重的归纳。综合考虑对多个滤波器的选取，从而使得噪声、干扰以及由无线信道频率选择性引起的信号损耗所产生的总体影响达到最小化。2024/1/28CommunicationResearchCenter16二维空/时线性处理（两根接收天线）发射端插入循环前缀的情况下，可以采用二维频/空线性处理。综合考虑对频域权值的选取，从而使噪声、干扰以及由无线信道频率选择性引起的信号损耗所产生的总体影响达到最小化。图中所示的频/空处理，不带IDFT，也适用于应用了接收分集技术的OFDM传输上。在OFDM传输情况下，不存在由无线信道频率选择性引起的信道损耗。因此，频域系数的选择只需要考虑噪声和干扰。原则上，这意味着（MRC和IRC）天线合并方案应用于单个子载波之上。2024/1/28CommunicationResearchCenter17二维频/空线性处理（两根接收天线）6.3.4多根天线发射作为多根接收天线方案的替代或者补充，分集和波束赋形也同样可以通过在发送端配置多根天线来实现。多个天线发射主要适用于下行链路，即位于基站。多根发射天线的应用分为分集和波束赋形，提供了无需移动终端配置额外接收天线和相关额外接收机处理链的可能。由于实现复杂度的原因，使得上行链路（即在移动终端上）配置多根天线变得缺乏吸引力。通常更倾向于在基站配置多根接收天线以及相关接收机处理链。波束赋形（Beamforming）：又叫空域滤波，是一种使用传感器阵列定向发送和接收信号的信号处理技术。波束赋形技术通过调整相位阵列（多天线）的基本单元的参数，使得某些角度的信号获得相长干涉，而另一些角度的信号获得相消干涉。波束赋形既可以用于信号发射端，又可以用于信号接收端。2024/1/28CommunicationResearchCenter18

发射天线分集延迟分集循环延迟分集通过空时编码实现的分集通过空频编码实现的分集2024/1/28CommunicationResearchCenter191.延迟分集一条经历时间色散的无线信道（发射信号通过多条相互独立且带有不同传输时延的衰落路径传播到接收机）能够为多径分集或等效为频率分集的实现提供可能。因此，从无线链路性能角度看，在假定多径传输的数量不是非常巨大时，多径传输实际上是有益的，为克服由无线信道频率选择性所以起得信号损耗提供了工具，例如可以通过采用OFDM传输方式或其它接收端均衡算法。如果传输信道本身不具有时间色散的特点，还可以通过在发射机的不同天线上发送带有不同时延的相同信号（线性时延），来实现多根发射天线分集。2024/1/28CommunicationResearchCenter20双天线时延分集时延2.循环延迟分集循环时延分集（CDD，Cyclic-DelayDiversity）与时延分集相似，主要不同在于循环时延分集在不同天线间进行块操作并应用循环偏置而非线性时延。循环时延分集适用于基于传输块的传输机制，如OFDM。在OFDM传输中，时域信号的循环偏置相当于OFDM调制前进行基于频率的相位旋转。可以制造出接收端的人造频率选择性。与时延分集相似，CDD也可以直接扩展到各天线间带有不同循环偏置的多于两根发射天线的场景。2024/1/28CommunicationResearchCenter21双天线循环时延分集循环前缀3.通过空时编码实现的分集空时编码是用来指示多天线传输方案的总称，此时调制符号被映射到时域和空域（发射天线）用来获得多根发射天线提供的分集。双天线空时块编码（STBC，Space-TimeBlockCoding），更准确地称为空时发射分集（STTD，Space-TimeTransmitDiversity）的方案，在第一版就被引入WCDMA的标准。STTD对调制进行成对操作，调制符号被直接发送到第一根天线，而在第二根天线上一对调制符号被倒置（准确地说，调制符号变为其反转和复卷积的形式）。2024/1/28CommunicationResearchCenter22空时发射分集反转和复卷积通过向量符号，STTD传输可以被表示为：这里r2n和r2n+1分别为符号期间的接收符号。该表达式假设信道系数h1和h2相对两个连续符号间隔是不随时间变化的（通常成立）。矩阵H是一个量化的的单位矩阵，因此当符号间不存在干扰时，通过对向量应用矩阵W=H-1，就可以使发送信号s2n和s2n+1从接收信号r2n和r2n+1中恢复出来。两天线空时编码也可以被称为一速，意味着输入符号速率与单个天线上的符号速率相同，相当于带宽利用率为1。空时编码也可以被扩展到两根天线以上的场景，在如QPSK或16/64QAM的复调制情况下，不带任何信号间干扰（正交空时码）的一速空时编码只对两根天线的场景有效。多根天线场景，必须采用速率低于1的空时编码，降低带宽利用率。2024/1/28CommunicationResearchCenter234.通过空频编码实现的分集空频编码与空时编码类似，差异在于编码在天线/频域而非天线/时域实现。空频编码适用于OFDM以及其他频域传输方案。原始调制符号块（a0*,a1*,…）被直接映射到第一根天线的OFDM载波上，而反转和复卷积后的原始符号块(-a1*,-a0*,…)被直接映射到第二根天线的对应子载波上。2024/1/28CommunicationResearchCenter24假设双天线的空频发射分集

发射端的波束赋形如果在发射端可以获得不同发射天线上对应下行链路的某些信息（相对信道相位方面的信息），除了发射分集之外多天线发射还可以提供波束赋形，即在目标接收机的方向上形成一个总的天线波束。通常，波束赋形可以将接收机处的信号强度提升最多NT倍，即与发射天线的数量成正比。依赖于多发射天线提供波束赋形的传输方案，是可以将阵元间存在的高或低互相关性情况区别对待的。2024/1/28CommunicationResearchCenter25通常，天线阵元间具有低互相关性，即带有明显较大天线间距配置或不同极化方向。与经典波束赋形原理类似，不同的是天线权值将为普通的复数，即不同阵元上的待发射信号的相位和幅度都是可调的。由于天线的低相关特性，各个天线上的无线信道的相位和瞬时增益可能都是不同的。2024/1/28CommunicationResearchCenter26天线低互相关情况下，基于预编码的波束赋形向不同天线阵元上的待发射信号应用不同复数加权的过程，可以通过向量的形式表示，即可以表示为对待发射信号应用了一个预编码向量（6-7）：经典的波束赋形（天线高相关性）也可以通过上式表示，即发射天线预编码，但是具有约束条件：天线权值只能为单位增益，不同的反向天线提供相位偏置。假设不同天线的发射信号传输过程中只经历了非频率选择性衰落和白噪声，即不存在无线信道时间色散，可以将其表示为：为使接收信号功率最大化，预编码的权值将根据（6-8）进行选取：也即为信道系数hi做复卷积并进行归一化，以保证总发射功率。2024/1/28CommunicationResearchCenter27也即为信道系数hi做复卷积并进行归一化，以保证总发射功率。因此预编码向量：对发射信号进行相位旋转用以补偿无线信道的瞬时相位变化，从而保障接收信号的接收相位对其；将功率分配到不同天线阵元，总之，瞬时无线信道条件越好（高信道增益）的天线阵元会被分配更多的功率；保证总发射功率为单位1（或任意其他常数）。2024/1/28CommunicationResearchCenter28在基于频分双工FDD的无线通信情况下，上下行链路的通信发生在不同频率段内，通常上下行链路间的无线信号衰落是无关的。因此FDD情况下只有移动终端可以对下行链路无线信道衰落进行判决。之后移动终端将把下行链路信道的估计通过上行链路信令汇报给基站。另外移动终端也可以自己在有限可能的预编码向量集合中选择一个合适的预编码向量，即所谓预编码码本，并上报给基站。在时分双工TDD情况下，上下行链路的通信发生在相同频率段但不交叠的分离时隙内，通常上下行链路间的无线信号衰落是高度相关的。因此，至少理论上，基站可以从上行链路的测量中对下行无线链路的信道衰落进行判决，从而避免了对反馈的依赖。需要注意的是，这里是假设移动终端可以在上行链路进行连续发射的。2024/1/28CommunicationResearchCenter29在OFDM传输情况下，通常每个子载波只经历一条非频率选择性信道。因此，在OFDM传输中，预编码技术（高非相关性）可以应用到基于逐个子载波的传输方案之中，其中和子载波的预编码权值可以通过相同的计算来选择天线权值。2024/1/28CommunicationResearchCenter30每个子载波预编码6.3.5空分复用与多根发射天线或多个接收天线相比，在发射端和接收端同时采用多根天线，可以被简单地视为是一种用来进一步提高信噪比、载干比和/或获得抗信道衰落的分集增益工具。在发射机和接收端都采用多根天线还可以为实现空分复用提供了可能，可以更高效地利用高信噪比、载干比，并通过无线接口获得显著的更高数据速率。2024/1/28CommunicationResearchCenter31

基本原理接收端和发射端多天线技术的应用可以通过在接收机端和发射端采用波束赋形技术来提高接收机信噪比，增益与天线数成正比。假设数据速率是功率首先而非带宽受限，接收机信噪比的增加可以带来相关可实现数据速率的增长。然而，一旦达到有限带宽的操作范围，除非带宽也相应增加，否则可实现数据速率将开始达到饱和状态。在特定条件下（最大并行信道数目），信道容量基本可与天线数目保持线性的增长关系，从而避免数据速率的饱和，我们将之称为空分复用。也称作MIMO。严格说来，这个称呼是多根发射天线和多根接收天线所有情况的统称，也包括了发射接收分集相结合的情况。2024/1/28CommunicationResearchCenter32对于2

x

2天线配置的情况，假设只存在废品率选择性衰落和白噪声，即不存在无线信道时间色散，接收信号可以表示为（6-9）：这里H为2

x

2信道矩阵。假设不存在噪声且信道矩阵H可逆，可以通过对接收向量乘以W

=

H-1，使向量信号向量s和信号s1和s2在接收机端被完全恢复出来，信号间不存在残留干扰（6-10）。2024/1/28CommunicationResearchCenter332x2天线配置空分复用信号的线性接收/解调更为普遍的情况是包含了NT根发射天线和NR根接收天线的配置。此时可空分复用多个并行信号，至少在实际上并行上限为NL

=

min{NT,NR}。显然不能从NT个发射天线上产生大于NT个发射信号，即空分复用的并行信道数的上限为NT。对于NR个接收天线的配置最多有NR-1个干扰信号可以被完全抑制，即空分复用的并行信道数上限数为NR

。然而，许多情况下空分复用信号的数量或空分复用阶数小于NL。无线信道非常恶劣（低信噪比）条件下，由于信道容量一直是信噪比的线性函数，因此不存在空分复用增益。此时，多根发射天线和接收天线将被通过波束赋形来提高信噪比，而非空分复用。更为普遍的情况下，空分复用阶数将取决于具有NR

x

NT维度的信道矩阵特征，任何额外的天线将被用来提供波束赋形。这种波束赋形与空分复用的结合可以通过基于预编码的空分复用技术来诗选2024/1/28CommunicationResearchCenter34

基于预编码的空分复用空分复用情况下线性预编码意味着发射端采用一个具有NR

x

NT维度的预编码矩阵的线性处理。基于预编码的空分复用可以被视为基于预编码波束赋形技术的扩展，其中具有NT

x

1维度的预编码向量被具有NT

x

NL维度的预编码矩阵所代替。2024/1/28CommunicationResearchCenter35预编码服务于两个目的：在空分复用的信号数等于发射天线数时，预编码可以用来对并行传输进行“正交化”处理，从而在接收机提高信号的隔离度；在空分复用的信号数小于发射天线数时，预编码还可以提供个NL信号在根NT发射天线的映射，其中包含空分复用与波束赋形技术的结合。为了确认预编码，可以提高空分复用信号间的独立性，可以将信道矩阵H表示为其奇异值分解的形式，其中V和W的列各自形成一个规范正交集合。显然，在预编码情况下各接收信号将具有特定的“质量”，其依赖于信道矩阵的特征值。这指出在空间域采用动态链路自适应技术可以获得的潜在增益，即为每个传输信号自适应地选择信号编码速率和/或调制方式。2024/1/28CommunicationResearchCenter36通过预编码实现空分复用信号的正交化

非线性接收机处理如果在空分复用情况下传输采用非线性接收技术，就可以获得更好的解调性能。对于空分复用信号的最优接收机方法应是最大似然检测。另一解调方法是采用串行干扰消除（SIC，SuccessiveInterferenceCancellati