TD-LTE技术基本原理v1.0

两天线端口---SFBC
四天线端口---SFBC+FSTD
(空频块编码）
Si 7 S i6 * Si 6 * Si 7 * Si 4 * S i 5 * Si 2 * Si 3 S i*
（频率偏移发射分集）
Si 7
Si 6
频域
Si 6* Si 7*
时间
CCE：Control Channel Element。CCE = 9 REG
RB：Resource Block。LTE系统最常见的调度单位，上下行 业务信道都以RB为单位进行调度。RB = 84RE。左图即为一 个RB。时域上占7个OFDM符号，频域上占12个子载波 信道名称
PCFICH
信道类型
单层闭环 空间复用
单流 Beamforming 双流 Beamforming
终端反馈RI=1时，发射端采用单层预编码，使其适应当前 的信道
发射端利用上行信号来估计下行信道的特征，在下行信号 发送时，每根天线上乘以相应的特征权值，使其天线阵发 射信号具有波束赋形效果 结合复用和智能天线技术，进行多路波束赋形发送，既提 高用户信号强度，又提高用户的峰值和均值速率 信道质量不好时，如小区 边缘
TD-LTE技术基本原理
主要内容
1
TD-LTE关键技术
OFDM MIMO
2
TD-LTE帧结构及物理信道 TD-LTE物理层过程
3
2
OFDM概述
概念
关键技术
帧结构 物理信道
物理层过程
正交频分复用技术，多载波调制的一种。将一个宽频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，调制到每个子信道上进行传输。
终端不反馈信道信息，发射端根据预定义的信道信息来确 定发射信号
需要终端反馈信道信息，发射端采用该信息进行信号预处 理以产生空间独立性 基站使用相同时频资源将多个数据流发送给不同用户，接 收端利用多根天线对干扰数据流进行取消和零陷。
信道质量高且空间独立性 强时
信道质量高且空间独立性 强时。终端静止时性能好
频域
Si 5 Si 4 Si 3 Si 2 Si 1 Si
Si 5
Si 4
Si 4*
Si 3
Si 2
子载 波
一个
Si 3*
Si*
Si 1
* S 1 i
天线端口1
S
i
Si 1*
天线端口1 天线端口2 天线端口3
空资源元素
天线端口0
天线端口0
上下行资源单位
关键技术
频率
帧结构
物理信道
物理层过程
RE：Resource Element。 LTE最小的时频资源单位。频域上 占一个子载波（15kHz)，时域上占一个OFDM符号(1/14ms)
1个子 载波
REG：RE group，资源粒子组。REG = 4 RE
1个 OFDM 符号
LTE RB资源示意图
频域：频点中间的72个子载波 时域：每无线帧subframe 0第二个slot
位于上行子帧的频域两边边带上 除了分配给控制信道及参考信号的资源
业务信道
PUCCH PDSCH\PUSCH
12
多天线技术：分集、空间复用和波束赋形
发射分集
关键技术
帧结构 物理信道
物理层过程
多路信道传 输同样信息
空间复用
•包括时间分集，空间分集和频率分集
• 天线端口0传原始调制符号
• 天线端口0与2(1与3）为一个天线端口对，二者之间为SFBC；
•天线端口0与1在频域上交替传送原始信号，二者之间为FSTD; 2与3传送相应的交换信号,亦为FSTD。
• 天线端口1传原始符号的变换符号
• 发射分集利用了天线间的弱相关性，在天线对上传送原始信号及其变换符号（一般为原 始符号的共轭），提高信号传输的可靠性。 • 既可用于业务信道，又可用于控制信道。
子 载 波
用户B
用户C
分布式：分配给用户的RB不连续 • 优点：频选调度增益较大
时间
下行多址方式特点
同相位的子载波的波形在时域 上直接叠加。因子载波数量多 ，造成峰均比(PAPR)较高，调 制信号的动态范围大，提高了 对功放的要求。
power
t
时域波形 峰均比示意图
7
LTE多址方式-上行
上行多址方式—SC-FDMA 和OFDMA相同，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。注意不同的是：任一终端使用的子载波必须连续
8
符号间保护间隔-概述
无保护间隔 • 符号间无保护间隔时，多径会造成ISI和ICI
• ISI: Inter-symbol Interference，符号间干扰 • ICI: Inter-Carrier Interference，载频间干扰
接收端同时收到前一个符号的多径延迟信号（紫 色虚线）和下一个符号的正常信号（红色实线）， 影响了正常接收。时域上看受到了ISI，频域上看 受到了ICI 幅度
宽频信道
正交子信道
f
频域波形 3
OFDM优势-对比 FDM
与传统FDM的区别？
关键技术
帧结构 物理信道
物理层过程
• 传统FDM:为避免载波间干扰，需要在相邻的载波间保留一定保护间隔，大大 降低了频谱效率。
FDM
• OFDM:各(子)载波重叠排列，同时保持(子)载波的正交性（通过FFT实现）。 从而在相同带宽内容纳数量更多(子)载波，提升频谱效率。
资源调度单位
REG
资源位置
占用4个REG，系统全带宽平均分配 时域：下行子帧的第一个OFDM符号 最少占用3个REG 时域：下行子帧的第一或前三个OFDM符号 下行子帧中前1/2/3个符号中除了PCFICH、PHICH、参 考信号所占用的资源
控制 信道
PHICH
PDCCH PBCH
REG
CCE N/A RB
7
8
• 传输模式是针对单个终端的。同小区不同终端可以有不同传输模式 • eNB自行决定某一时刻对某一终端采用什么传输模式，并通过RRC信令通知终端 • 模式3到模式8中均含有发射分集。当信道质量快速恶化时，eNB可以快速切换到模式内发射分集模式
14
LTE传输模式-发射分集（Mode 2）
关键技术 帧结构 物理信道 物理层过程
15
一个
Si 2*
子载
波
Si 5*
LTE传输模式-空间复用（Mode 3,4,6）
关键技术 帧结构 物理信道 物理层过程
开环空间复用
Stream 1 1 Stream 1
闭环空间复用
Stream 1 1 Stream 1
Stream 2
Stream 3
发 送 端
2
3
接 收 机
Stream 2
Hale Waihona Puke • 基于码本的预编码：• 基于终端直接反馈的PMI(预编码矩阵索引号)从码本中 选择预编码矩阵
• 空间复用利用了天线间空间信道的弱相关性，在相互独立的信道上传送不同的数据流，
抗多径 干扰能力
可不采用或采用简单时域均衡器 •将高速数据流分解为多条低速数据流并使用循环 前缀(CP)作为保护，大大减少甚至消除符号间干扰 。 系统复杂度随天线数量呈线性增加 •每个子载波可看作平坦衰落信道，天线增加对系统 复杂度影响有限 带宽扩展性强，LTE支持多种载波带宽 •在实现上，通过调整IFFT尺寸即可改变载波带宽， 系统复杂度增加不明显。 频域调度灵活 •频域调度颗粒度小（180kHz）。随时为用户选择 较优的时频资源进行传输，从而获得频选调度增益 。
Stream 2
Stream 3
Stream 3
预 处 理
2
接 收 机
Stream 2
3
Stream 3
Stream 4
4
Stream 4
Stream 4
4
Stream 4
反馈信道信息
•普通的空间复用，接收端和发送端无信息交互
• 基于非码本的预编码：
• 基于终端提供的SRS(探测参考信号)或DMRS(解调参考 信号)获得的CSI，基站自行计算出预编码矩阵
OFDM
4
OFDM优势-对比 CDMA
关键技术 OFDM 帧结构 物理信道 物理层过程 TD-SCDMA
对均衡器的要求较高 •高速数据流的符号宽度较短，易产生符号间干扰 。接收机均衡器的复杂度随着带宽的增大而急剧增 加 系统复杂度随天线数量增加呈幂次变化 •需在接收端选择可将MIMO接收和信道均衡混合 处理的技术，大大增加接收机复杂度。 带宽扩展性差 •需要通过提高码片速率或多载波CDMA来支持更 大带宽，接收机复杂度大幅提升。 频域调度粗放 •只能进行载波级调度（1.6MHz)，调度的灵活性 较差。
FFT积分周期 OFDM符号
应用于CDMA系统。因为CDMA载波间 采用传统FDM分隔，所以频域信号即使 有一定偏差也没有问题 时间
10
OFDM符号间保护间隔-CP
循环前缀做保护间隔
关键技术
帧结构 物理信道
物理层过程
• 保护间隔中的信号与该符号尾部相同，即循环前缀（Cyclic Prefix,简称CP） • 既可以消除多径的ISI,又可以消除ICI
关键技术
帧结构
物理信道
物理层过程
一个OFDM符号
时间 9
CDMA符号间保护间隔-空白间隔
有空白保护间隔 • 有保护间隔，但保护间隔不传输任何信号 • 可以有效消除多径的ISI，但引入了ICI
保护间隔
关键技术
帧结构
物理信道
物理层过程
幅度
符号之间空出一段时间做为保护间隔，这 样做可以消除ISI（因为前一个符号的多径 信号无法干扰到下一个符号），但同时引 起符号内波形无法在积分周期内积分为0， 导致波形在频域上无法和其他子载波正交。
受频率偏差的影响
子载波间干扰(ICI）
• 高速移动引起的Doppler频移 • 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
受时间偏差的影响
ISI(符号间干扰）& ICI
• 折射、反射较多时，多径时延大于CP(Cyclic Prefix，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
CP使一个符号周期内因多径产生的波形 为完整的正弦波，因此不同子载波对应的 时域信号及其多径积分总为0 ，消除载波 间干扰(ICI)
保护间隔
FFT积分周期 一个OFDM符号
应用于OFDM系统。每个子载波宽度仅为 15kHz且交叠存在，子载波间干扰（ICI） 对系统影响较大，因此采用CP消除ICI
t
11
6
LTE多址方式-下行
下行多址方式—OFDMA 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。因为子载波相互正交，所以小区内用户之间没有干扰。
频率
用户A
关键技术
帧结构
物理信道
物理层过程
集中式：连续RB分给一个用户
• 优点：调度开销小
在这个调度周 期中，用户A 是分布式，用 户B是集中式
与MIMO 结合
带宽 扩展性 频域调度
考虑到系统设计的复杂程度及成本，OFDM更适用于宽带移动通信
5
OFDM不足
关键技术
帧结构 物理信道
物理层过程
较高的峰均比（PARP）
• OFDM输出信号是多个子载波时域相加的结果，子载波数量从几十个到上千个，如果多个 子载波同相位，相加后会出现很大幅值，造成调制信号的动态范围很大。因此对RF功率放 大器提出很高的要求
频率
用户A
关键技术
帧结构
物理信道
物理层过程
子 载 波
用户B
在任一调度周期中，一个用户 分得的子载波必须是连续的
用户C
时间
上行多址方式特点
考虑到多载波带来的高PAPR会影响终端的射频成本和电池寿命，LTE上行采用Single Carrier-FDMA （即SC-FDMA）以改善峰均比。 SC-FDMA的特点是，在采用IFFT将子载波转换为时域信号之前，先对信号进行了FFT转换， 从而引入部分单载波特性，降低了峰均比。
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LTE传输模式-概述
关键技术 Mode
1 2 3 4 5 6
帧结构
物理信道
物理层过程
传输模式
单天线传输 发射分集 开环空间复用 闭环空间复用 多用户MIMO
技术描述
信息通过单天线进行发送 同一信息的多个信号副本分别通过多个衰落特性相互独立 的信道进行发送
应用场景
无法布放双通道室分系统 的室内站 信道质量不好时，如小区 边缘
分集合并
•提高接收的可靠性和提高覆盖
•适用于需要保证可靠性或覆盖的环境
多路信道同时 传输不同信息
波束赋形（Beamforming） 多路天线阵列 赋形成单路信 号传输
最小均方误 差或串行干 扰删除
•理论上成倍提高峰值速率
•适合密集城区信号散射多地区，不 适合有直射信号的情况
最大比 合并
•通过对信道的准确估计，针对用户 形成波束，降低用户间干扰 •可以提高覆盖能力，同时降低小区 内干扰，提升系统吞吐量