第二章LTE关键技术
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OFDM发射原理概述
OFDM 传输是基于块进行的，也就是说在每个 OFDM 符号间隔内，N个 调制符号实现了并行传输，调制符号通常来自于 QPSK，16QAM， 64QAM 等数字调制的输出。
OFDM符号的调制和解调可以分别用IDFT和DFT来代替。在实际系统中一 般采用IFFT和FFT。
在发送端进行完IFFT之后，系统还要为每个OFDM符号加入循环前缀来消 除由多径效应引起的ISI (Inter-symbol Interference，符号间干扰)。
OFDM技术
OFDM发展史
OFDM技术
传统多载波调制——低速并行传输
传统多载波的缺陷 对滤波器要求高 频谱利用不充分
OFDM技术
OFDM技术原理
OFDM原理：正交频分复用技术，是多载波调制的一种，将一个宽频信道 分成若干个正交子信道，将高速数据信号转换这可以看成是OFDM+FDMA+TDMA技术相结合的多址接入方式。如下图 所示：
OFDM技术
下行多址技术方案-OFDMA
OFDM技术
符号间保护间隔
为了最大限度的消除符号间干扰，还可以在每个OFDM符号之间插入保护 间隔，而且该保护间隔长度一般要大于无线信道中的最大时延扩展，这样 一个符号的多径分量就不会对下一个符号造成干扰。
宽频信道
单载波 传统多载波
正交子信 道
f
OFDM子载波频域图
OFDM技术
OFDM技术原理
子载波正交理解： • 频域上正交是指在一个子载波的峰值处，其他子载波都为
0，这样其他子载波对该子载波的影响就非常弱。 • 时域上正交是指一个子载波f1和另一个子载波f2之间是倍
数关系，在一个积分周期之内积分的话它们的积分值为0， 则它们就称为正交子载波。 • 正交函数系的定义：在三角函数系中任何不同的两个函数 的乘积在区间[-π,π]上的积分等于0。 • 例如：三角函数系{1,cosx,sinx,cos2x,sin2x,……,cosnx, sinnx,……} 在区间[-π,π]上正交，就是指在三角函数系⑴ 中任何不同的两个函数的乘积在区间[-π,π]上的积分等于0
受时间偏差的影响 折射、反射较多时，多径时延大于CP（循环前缀），将会引起ISI及 ICI。系统设计时已考虑此因素，设计的CP能满足绝大多数传播模型 下的多径时延要求（4.68us)，从而维持符号间无干扰
OFDM技术
OFDM发射框图
时域
频域
OFDM两个基本特征
补充：信源编码和信道编码
OFDM技术
OFDM技术
符号间保护间隔
在这段保护间隔内可以不插任何信号，即是一段空白的传输时段。然而在 这种情况下，由于多径传播的影响，在接收端FFT运算时间长度内各个子 载波的周期个数不为整数，因此载波间的正交性遭到破坏，不同的子载波 之间会产生干扰。
OFDM技术
符号间保护间隔
为了解决这个问题，在发送端做完IFFT之后，系统复制OFDM符号尾部的 数据，并填充在保护间隔内。这样通过循环复制增加了符号的波形长度， 在交接点没有任何的间断。因此保证了每个子载波内有一个整数倍的循环， 从而可以进一步抵制子载波间干扰。
OFDM技术
OFDM的优势
频谱利用率高 传统FDM是用滤波器把整个频带分割成互不重叠的子载波，子载波 之间的保护频带很宽，OFDM允许子载波频谱交叠，从而提高频谱利 用效率。 GSM子载波为200K，WCDMA载波带宽为5M，OFDM子载波为15K
可利用FFT实现调制解调 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。
GSM的峰均比为个位数，LTE的峰均比为10左右（现实LTE系统对峰均 比抑制采取了一定的措施，降到10左右可以接受的范围）
OFDM技术
OFDM的不足
易受频率偏差的影响 （1）OFDM的子载波互相交叠，且子载波只有15K，稍有偏差就会 被判定为另一个子载波，故易受频率偏差的影响。 （2）无线终端高速移动引起的Doppler频移会使接收端发生频率偏 移，或发射机与接收机本地振荡器之间存在频率偏差，都会使OFDM 系统子载波之间的正交性遭到破坏，导致子信道间干扰（ICI，InterChannel Interference），这种对频率偏差的敏感性是OFDM系统 的主要缺点之一。 注：解决方案是系统设计时已通过增大导频密度（大致为每0.25ms 发送一次导频，时域密度大于TD-S）来减弱此问题带来的影响 。
OFDM技术
OFDM的优势
减小ISI OFDM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。
受频率选择性衰落影响小 虽然整个系统带宽是呈现频率选择性，而单个子载波信道是平坦的 虽然无线信道是频率选择性衰落，不可能所有的子载波都处于比较深 的衰落中，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。
OFDM技术
复用与多址技术
OFDM技术
双工技术
TDD的优势
频谱配置灵活，不需要成对的频率 （一个载波的一个带宽 就可以配置一个简单的网络）
上下行资源比例配置灵活： 信道具有对称性或互易性（因为工作在同一个载波上） 要求全网同步，给干扰协调和多点协作带来方便
FDD的优势
系统内干扰相对简单 对系统同步要求较为宽松 上下行之间无转换时延
OFDM技术
下行多址技术方案-OFDMA
OFDMA：将传输带宽划分成一系列相互正交的子载波集，将不同的子载 波通过频分复用的方式在不同的时隙分配给不同的用户，可用资源被灵活 的在不同移动终端之间共享。这就构成了一种多址接入的方式，称为 OFDMA（正交频分多址接入）。 OFDMA 是一种资源分配粒度更小的多 址方式，同时支持多个用户。
根据发射机和/或接收机的多路天线，多天线技术可以分为SIMO（单输入 多输出）、MISO（多输入单输出）、MIMO。
基站与一个UE间的点对点多天线，称为SU-MIMO（单用户MIMO）。几 个UE使用相同的频域和时域资源同时和一个基站通信，则为MU-MIMO （多用户MIMO）。
MIMO技术
MIMO中的不同天线配置
抵抗窄带干扰 OFDM通过把高速串行数据映射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译码恢复干扰引起的错误。
OFDM技术
OFDM的不足
较高的峰均比（PAPR）
由于OFDM符号是由多个独立的经过调制的子载波信号相加而成，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 加后就会出现很大的幅值，所得到的叠加信号的瞬时功率就会远远高 于信号的平均功率，因此有可能产生比较大的峰值功率与平均功率比 （PAPR，Peak-to-Average power Ratio），这要求发射机的功率 放大器和数模转换器要具有很大的线性工作范围。反之如果峰值功率 超过了这些部件的线性工作范围，所产生的非线性失真会带来子载波 间干扰，对系统性能产生严重影响。
OFDM技术
上行多址方式——SC-FDMA
和OFDMA相同， SC-FDMA将传输带宽划分成一系列正交的子载波资源， 将不同的子载波资源分配给不同的用户实现多址。
需要特别说明的是，LTE上行采用单载波频分多址接入，因此上行链路调 度的特点是一个用户占用的资源块在频域上必须是相连的。
OFDM技术
SC-FDMA实际上是OFDMA的一种变形。如下图，SC-FDMA和OFDMA 有及其相似的结构。我们可以看出，SC-FDMA只是在发射端采用IFFT将 子载波转换为时域信号之前，加入了一个DFT模块，因此也被称为DFTspread OFDMA（或DFT-S-OFDMA），其本质上还是一个OFDMA系统。 这也为两个系统的共存提供了很好条件。而DFT模块引入部分单载波特性， 降低了峰均比，因此LTE上行采用SC-FDMA以改善峰均比。
LTE采用了基于OFDM的全新多址方式，同时对系统设计的各个方 面,包括交换模式、网络架构等都进行了大幅度优化，相比现有的 通信技术在性能上有质的飞跃，使LTE系统能够完全满足未来移动 通信的需求。所以，LTE技术的出现不仅给通信行业带来了一次革 命性的进步，同时也给整个社会带来了巨大的经济效益。
上行多址方式的特点
SC-FDMA性能稍劣于OFDM，但SC-FDMA具有较好的PAPR特性，降低 了对功放的需求，有利于控制终端的成本
可以提高UE的功率利用率，增大上行有效覆盖，同时做到省电，有利于 延长终端工作时间
第2章 LTE关键技术
2.1 OFDM 2.2 MIMO 2.3 AMC 2.4 HARQ 2.5 CA 2.6 COMP 2.7 异构网络 2.8 D2D 2.9 C-RAN
OFDM技术
上行多址方式——SC-FDMA
由于OFDM具有较高的峰均比，如果在上行传输中釆用OFDMA技术会使 终端的功率消耗大大增加，会严重降低影响终端的成本和待机时间。 因 此，SC-FDMA (Single Carrier-FDMA ，单载波频分多址)技术被选定作 为LTE系统物理层上行传输方案，很好的解决了峰均比较高的问题。
• 3G采用码分多址（CDMA） 发展了诸如图像、音乐、视频流的高带宽多媒 体通信，并提高了语音通话安全性，解决了部分移动互联网相关网络及高速 数据传输问题，最高理论速率为14.4Mbps;
• 4G采用正交频分多址（OFDM）专为移动互联网而设计的通信技术，从网速、 容量、稳定性上相比之前的技术都有了跳跃性的提升，传输速度可达 100Mbps以上。
第2章 LTE关键技术
2.1 OFDM 2.2 MIMO 2.3 AMC 2.4 HARQ 2.5 CA 2.6 COMP 2.7 异构网络 2.8 D2D 2.9 C-RAN
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LTE关键技术
概述
LTE/LTE-A系统之所以能达到并超过ITU关于未来移动通信系统的各 项指标，成为4G系统中最为重要的标准之一，最为关键的一点就 是LTE/LTE-A通过技术增强来满足ITU对4G的要求，与3G系统釆用 技术更新方式不同的是，LTE引入了革命性的技术，如多天线、 OFDM和载波聚合等4G核心技术，其中，最具代表性的就是对 3G时代采用的CDMA空中接口技术做了改变。
Page 2
LTE关键技术
LTE各版本关键技术
Page 3
第2章 LTE关键技术
2.1 OFDM 2.2 MIMO 2.3 AMC 2.4 HARQ 2.5 功率控制 2.6 CA 2.7 COMP 2.8 异构网络 2.9 D2D 2.10 C-RAN 2.11 绿色网络
Page 4
移动通信技术多址技术
MIMO技术
多天线技术
LOS导致MIMO 信道成了相关
信道！
导致容量下降， 富散射环境有 利于MIMO信
道容量
MIMO技术
收发分集
MIMO技术
空间复用
多天线传输模式
空分复用
MIMO技术
波束赋形
• 波束成型技术可以提高用户空间上的区分度,从而提升系统容量。
回顾移动通信的发展历程，每一代移动通信系统都可以通过标志性能力指标和核 心关键技术来定义。对于无线移动通信来说，选择适当的调制和多址接入方式以 实现良好的系统性能至关重要。 • 1G 采用频分多址（FDMA）主要解决语音通信的问题;
• 2G采用时分多址（TDMA）支持窄带的分组数据通信，最高理论速率为172.2 kbps 。
Page 27
MIMO技术
MIMO
多天线技术很早已经被通信系统采用，然而20世纪90年代中期发明的多 输入多输出（MIMO）作为一个新的里程碑，为多天线系统带来的新的生 机。今天MIMO技术已经广泛的应用在PAN、WAN、MAN（个域网、广 域网、城域网）中，尤其是WLAN（无线局域网）中。
随着计算机和集成电路的快速发展，MIMO技术逐步应用到移动通信之中。 最早应用于HSDPA的Release7中，随后在Release8开始的LTE中MIMO 技术已经作为一个标准的技术广泛使用。
OFDM 传输是基于块进行的，也就是说在每个 OFDM 符号间隔内，N个 调制符号实现了并行传输，调制符号通常来自于 QPSK，16QAM， 64QAM 等数字调制的输出。
OFDM符号的调制和解调可以分别用IDFT和DFT来代替。在实际系统中一 般采用IFFT和FFT。
在发送端进行完IFFT之后，系统还要为每个OFDM符号加入循环前缀来消 除由多径效应引起的ISI (Inter-symbol Interference，符号间干扰)。
OFDM技术
OFDM发展史
OFDM技术
传统多载波调制——低速并行传输
传统多载波的缺陷 对滤波器要求高 频谱利用不充分
OFDM技术
OFDM技术原理
OFDM原理：正交频分复用技术，是多载波调制的一种，将一个宽频信道 分成若干个正交子信道，将高速数据信号转换这可以看成是OFDM+FDMA+TDMA技术相结合的多址接入方式。如下图 所示：
OFDM技术
下行多址技术方案-OFDMA
OFDM技术
符号间保护间隔
为了最大限度的消除符号间干扰，还可以在每个OFDM符号之间插入保护 间隔，而且该保护间隔长度一般要大于无线信道中的最大时延扩展，这样 一个符号的多径分量就不会对下一个符号造成干扰。
宽频信道
单载波 传统多载波
正交子信 道
f
OFDM子载波频域图
OFDM技术
OFDM技术原理
子载波正交理解： • 频域上正交是指在一个子载波的峰值处，其他子载波都为
0，这样其他子载波对该子载波的影响就非常弱。 • 时域上正交是指一个子载波f1和另一个子载波f2之间是倍
数关系，在一个积分周期之内积分的话它们的积分值为0， 则它们就称为正交子载波。 • 正交函数系的定义：在三角函数系中任何不同的两个函数 的乘积在区间[-π,π]上的积分等于0。 • 例如：三角函数系{1,cosx,sinx,cos2x,sin2x,……,cosnx, sinnx,……} 在区间[-π,π]上正交，就是指在三角函数系⑴ 中任何不同的两个函数的乘积在区间[-π,π]上的积分等于0
受时间偏差的影响 折射、反射较多时，多径时延大于CP（循环前缀），将会引起ISI及 ICI。系统设计时已考虑此因素，设计的CP能满足绝大多数传播模型 下的多径时延要求（4.68us)，从而维持符号间无干扰
OFDM技术
OFDM发射框图
时域
频域
OFDM两个基本特征
补充：信源编码和信道编码
OFDM技术
OFDM技术
符号间保护间隔
在这段保护间隔内可以不插任何信号，即是一段空白的传输时段。然而在 这种情况下，由于多径传播的影响，在接收端FFT运算时间长度内各个子 载波的周期个数不为整数，因此载波间的正交性遭到破坏，不同的子载波 之间会产生干扰。
OFDM技术
符号间保护间隔
为了解决这个问题，在发送端做完IFFT之后，系统复制OFDM符号尾部的 数据，并填充在保护间隔内。这样通过循环复制增加了符号的波形长度， 在交接点没有任何的间断。因此保证了每个子载波内有一个整数倍的循环， 从而可以进一步抵制子载波间干扰。
OFDM技术
OFDM的优势
频谱利用率高 传统FDM是用滤波器把整个频带分割成互不重叠的子载波，子载波 之间的保护频带很宽，OFDM允许子载波频谱交叠，从而提高频谱利 用效率。 GSM子载波为200K，WCDMA载波带宽为5M，OFDM子载波为15K
可利用FFT实现调制解调 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。
GSM的峰均比为个位数，LTE的峰均比为10左右（现实LTE系统对峰均 比抑制采取了一定的措施，降到10左右可以接受的范围）
OFDM技术
OFDM的不足
易受频率偏差的影响 （1）OFDM的子载波互相交叠，且子载波只有15K，稍有偏差就会 被判定为另一个子载波，故易受频率偏差的影响。 （2）无线终端高速移动引起的Doppler频移会使接收端发生频率偏 移，或发射机与接收机本地振荡器之间存在频率偏差，都会使OFDM 系统子载波之间的正交性遭到破坏，导致子信道间干扰（ICI，InterChannel Interference），这种对频率偏差的敏感性是OFDM系统 的主要缺点之一。 注：解决方案是系统设计时已通过增大导频密度（大致为每0.25ms 发送一次导频，时域密度大于TD-S）来减弱此问题带来的影响 。
OFDM技术
OFDM的优势
减小ISI OFDM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。
受频率选择性衰落影响小 虽然整个系统带宽是呈现频率选择性，而单个子载波信道是平坦的 虽然无线信道是频率选择性衰落，不可能所有的子载波都处于比较深 的衰落中，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。
OFDM技术
复用与多址技术
OFDM技术
双工技术
TDD的优势
频谱配置灵活，不需要成对的频率 （一个载波的一个带宽 就可以配置一个简单的网络）
上下行资源比例配置灵活： 信道具有对称性或互易性（因为工作在同一个载波上） 要求全网同步，给干扰协调和多点协作带来方便
FDD的优势
系统内干扰相对简单 对系统同步要求较为宽松 上下行之间无转换时延
OFDM技术
下行多址技术方案-OFDMA
OFDMA：将传输带宽划分成一系列相互正交的子载波集，将不同的子载 波通过频分复用的方式在不同的时隙分配给不同的用户，可用资源被灵活 的在不同移动终端之间共享。这就构成了一种多址接入的方式，称为 OFDMA（正交频分多址接入）。 OFDMA 是一种资源分配粒度更小的多 址方式，同时支持多个用户。
根据发射机和/或接收机的多路天线，多天线技术可以分为SIMO（单输入 多输出）、MISO（多输入单输出）、MIMO。
基站与一个UE间的点对点多天线，称为SU-MIMO（单用户MIMO）。几 个UE使用相同的频域和时域资源同时和一个基站通信，则为MU-MIMO （多用户MIMO）。
MIMO技术
MIMO中的不同天线配置
抵抗窄带干扰 OFDM通过把高速串行数据映射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译码恢复干扰引起的错误。
OFDM技术
OFDM的不足
较高的峰均比（PAPR）
由于OFDM符号是由多个独立的经过调制的子载波信号相加而成，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 加后就会出现很大的幅值，所得到的叠加信号的瞬时功率就会远远高 于信号的平均功率，因此有可能产生比较大的峰值功率与平均功率比 （PAPR，Peak-to-Average power Ratio），这要求发射机的功率 放大器和数模转换器要具有很大的线性工作范围。反之如果峰值功率 超过了这些部件的线性工作范围，所产生的非线性失真会带来子载波 间干扰，对系统性能产生严重影响。
OFDM技术
上行多址方式——SC-FDMA
和OFDMA相同， SC-FDMA将传输带宽划分成一系列正交的子载波资源， 将不同的子载波资源分配给不同的用户实现多址。
需要特别说明的是，LTE上行采用单载波频分多址接入，因此上行链路调 度的特点是一个用户占用的资源块在频域上必须是相连的。
OFDM技术
SC-FDMA实际上是OFDMA的一种变形。如下图，SC-FDMA和OFDMA 有及其相似的结构。我们可以看出，SC-FDMA只是在发射端采用IFFT将 子载波转换为时域信号之前，加入了一个DFT模块，因此也被称为DFTspread OFDMA（或DFT-S-OFDMA），其本质上还是一个OFDMA系统。 这也为两个系统的共存提供了很好条件。而DFT模块引入部分单载波特性， 降低了峰均比，因此LTE上行采用SC-FDMA以改善峰均比。
LTE采用了基于OFDM的全新多址方式，同时对系统设计的各个方 面,包括交换模式、网络架构等都进行了大幅度优化，相比现有的 通信技术在性能上有质的飞跃，使LTE系统能够完全满足未来移动 通信的需求。所以，LTE技术的出现不仅给通信行业带来了一次革 命性的进步，同时也给整个社会带来了巨大的经济效益。
上行多址方式的特点
SC-FDMA性能稍劣于OFDM，但SC-FDMA具有较好的PAPR特性，降低 了对功放的需求，有利于控制终端的成本
可以提高UE的功率利用率，增大上行有效覆盖，同时做到省电，有利于 延长终端工作时间
第2章 LTE关键技术
2.1 OFDM 2.2 MIMO 2.3 AMC 2.4 HARQ 2.5 CA 2.6 COMP 2.7 异构网络 2.8 D2D 2.9 C-RAN
OFDM技术
上行多址方式——SC-FDMA
由于OFDM具有较高的峰均比，如果在上行传输中釆用OFDMA技术会使 终端的功率消耗大大增加，会严重降低影响终端的成本和待机时间。 因 此，SC-FDMA (Single Carrier-FDMA ，单载波频分多址)技术被选定作 为LTE系统物理层上行传输方案，很好的解决了峰均比较高的问题。
• 3G采用码分多址（CDMA） 发展了诸如图像、音乐、视频流的高带宽多媒 体通信，并提高了语音通话安全性，解决了部分移动互联网相关网络及高速 数据传输问题，最高理论速率为14.4Mbps;
• 4G采用正交频分多址（OFDM）专为移动互联网而设计的通信技术，从网速、 容量、稳定性上相比之前的技术都有了跳跃性的提升，传输速度可达 100Mbps以上。
第2章 LTE关键技术
2.1 OFDM 2.2 MIMO 2.3 AMC 2.4 HARQ 2.5 CA 2.6 COMP 2.7 异构网络 2.8 D2D 2.9 C-RAN
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LTE关键技术
概述
LTE/LTE-A系统之所以能达到并超过ITU关于未来移动通信系统的各 项指标，成为4G系统中最为重要的标准之一，最为关键的一点就 是LTE/LTE-A通过技术增强来满足ITU对4G的要求，与3G系统釆用 技术更新方式不同的是，LTE引入了革命性的技术，如多天线、 OFDM和载波聚合等4G核心技术，其中，最具代表性的就是对 3G时代采用的CDMA空中接口技术做了改变。
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LTE关键技术
LTE各版本关键技术
Page 3
第2章 LTE关键技术
2.1 OFDM 2.2 MIMO 2.3 AMC 2.4 HARQ 2.5 功率控制 2.6 CA 2.7 COMP 2.8 异构网络 2.9 D2D 2.10 C-RAN 2.11 绿色网络
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移动通信技术多址技术
MIMO技术
多天线技术
LOS导致MIMO 信道成了相关
信道！
导致容量下降， 富散射环境有 利于MIMO信
道容量
MIMO技术
收发分集
MIMO技术
空间复用
多天线传输模式
空分复用
MIMO技术
波束赋形
• 波束成型技术可以提高用户空间上的区分度,从而提升系统容量。
回顾移动通信的发展历程，每一代移动通信系统都可以通过标志性能力指标和核 心关键技术来定义。对于无线移动通信来说，选择适当的调制和多址接入方式以 实现良好的系统性能至关重要。 • 1G 采用频分多址（FDMA）主要解决语音通信的问题;
• 2G采用时分多址（TDMA）支持窄带的分组数据通信，最高理论速率为172.2 kbps 。
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MIMO技术
MIMO
多天线技术很早已经被通信系统采用，然而20世纪90年代中期发明的多 输入多输出（MIMO）作为一个新的里程碑，为多天线系统带来的新的生 机。今天MIMO技术已经广泛的应用在PAN、WAN、MAN（个域网、广 域网、城域网）中，尤其是WLAN（无线局域网）中。
随着计算机和集成电路的快速发展，MIMO技术逐步应用到移动通信之中。 最早应用于HSDPA的Release7中，随后在Release8开始的LTE中MIMO 技术已经作为一个标准的技术广泛使用。